生命の進化は単一のキラリティーを好む: なぜタンパク質はほとんどすべて「左利き」なのでしょうか?

生命を構成する重要な物質には「利き手」という特性があります。興味深いことに、DNA と RNA は右利きでのみ存在しますが、タンパク質は「左利き」です。なぜ生命にはキラリティーが必要なのでしょうか?生命におけるキラリティーの起源と、生命分子が単一のキラリティーを好む理由は、常に科学者を困惑させてきました。最近のアミノ酸合成実験により、タンパク質が左利きを好む理由が説明されるかもしれない。

執筆者：李娜（中国科学院上海高等研究院研究員）

2005年、サイエンス誌は創刊125周年を記念して、基礎科学研究を推進する最も困難な科学的問題125個のリストを発行しました[1]。化学の分野では、「なぜ生命にはキラリティーが必要なのか？」という根源的な疑問が浮上します。が上がります（図1）。生命のキラリティーがどのように発生したか、そして生命の進化がなぜ単一のキラリティーを好むのかは、生命の起源の謎を探る上での 2 つの大きな謎です。

図 1. 科学 125 最先端の科学的疑問:「なぜ生命にはキラリティーが必要なのか?」

キラリティーとは何ですか?

「キラリティー」という用語は、「手」を意味するギリシャ語の「cheir」に由来します。名前の通り、左手と右手の違いを指します。

図 2. 人の左手と右手は鏡像対称で重なり合うことができないため、キラリティーを持ちます。ボトルは軸対称であり、キラリティーはありません。

この違いを理解するのは実は非常に簡単です。右手のひらを下にして、次に左手のひらを右手の上に置くだけで、一見同じように見える 2 つの手が実際には完全に重なり合わないことがわかります。これは、左手と右手が「利き手」であることを意味します。もっとよく観察すると、左手と右手は実は鏡像になっていることがわかります。右手は自身の右手の鏡像と重なることはできませんが、左手の鏡像とのみ重なり合うことができます。同様に、左手は右手の鏡像とのみ重ねることができます。これは、手を合わせると左手と右手が完全に重なり合う理由を説明しています (図 2)。 「手」を観察することで、鏡に映った自分の像と重なり合わないものはキラリティーを持つと言われていることがわかると思います[2]。

キラリティーは日常生活で非常に一般的です。浜辺に散らばるカタツムリの殻の糸。ネジ、ネジ式電球、ドリルビットのネジ山。星付きホテルの螺旋階段。そして自然災害を引き起こす台風もキラルです。この特性はマクロな自然界に存在するだけでなく、ミクロな生命活動も分子のキラリティーに依存しています。

地球上では、生命を構成する重要な有機分子はキラルであることが多い。興味深いことに、生物はこれらの有機分子の基本単位の構成に対して極端な選択的好みを示します。たとえば、生命の遺伝コードである DNA と RNA はどちらも右利きです。一方、生命の重要な構成要素であるタンパク質は、ほとんどが左利き（グリシンはキラル）であり、これを私たちはよく「左利き」と呼びます（図 3）。生体が示す同じタイプの分子の中で、1 つのキラル配置が優勢である状況は、通常「ホモキラリティー」と呼ばれます。

図 3. キラリティーは自然界の基本的な性質です。 DNA 分子と RNA 分子はどちらも右利きですが、タンパク質分子はほとんどが左利きです。

生命のキラリティーの謎を説明する2つの仮説

生体分子のキラリティー起源に関しては、ここ数十年、生命を構成する重要な有機分子はまず宇宙で生成され、その後隕石とともに地球にやって来たと考える科学者もいる。 1969年、オーストラリアのマーチソン近郊で重さ約100キログラムの隕石が発見された[3]。元素分析の結果、アミノ酸、糖、アルコールなどの有機分子を含む、生命を構成する重要な分子が90種類以上含まれていることが判明しました。検出されたアミノ酸分子のうち、左利きのアミノ酸が大部分を占めていました。

では、宇宙でキラリティーはどのように形成されるのでしょうか?一つの仮説は、これは宇宙の星から放射される円偏光 (CPL) のスピン効果によるものである可能性があるというものです。 CPLは左利き用と右利き用に分けられる[4]。キラル分子は左手系と右手系の光を異なって吸収します。吸収力が強くなるほど、化学反応はより速く起こります。隕石の内容物は宇宙空間で長期間にわたり単一キラリティーのCPLにさらされ、最終的に隕石内の左手型と右手型の有機分子の比率が異なり、広大な宇宙に特定のキラリティーの有機分子が継続的に蓄積されました。有機分子の過剰なエナンチオマー[注 1]を含む宇宙塵は凝集し続け、彗星や隕石を形成し、最終的に地球の大気圏を通過し、地球がそれらの軌道に近づいたときに地球に衝突し、最初のキラル有機分子を地球にもたらしました（図4）。

図 4. オーストラリアのマーチソン隕石と、カイラリティの宇宙起源の仮説モデル。

米国科学アカデミー紀要（PNAS）[5]に最近発表された新しい研究によると、もう一つの仮説は、生体分子のキラリティーはキラル誘起スピン選択性（CISS）に由来するというものである。

電子のスピンは、角運動量の 2 つの可能な状態のうちの 1 つで存在する量子特性であり、通常は「スピン アップ」または「スピン ダウン」と呼ばれます。キラル分子[注 2]はスピンの方向に応じて電子を「散乱」します。このようにして、同じスピン状態を持つ電子がキラル分子の極性に集まり、分子の左手バージョンと右手バージョンはそれぞれの極性で反対のスピン状態を持ちます。しかし、電子の再分配は、キラル分子と他の分子との相互作用に影響を与えます（反対のスピンを持つ電子は互いに引き合い、同じスピンを持つ電子は互いに反発します）。したがって、キラル分子が磁性表面に近づくと、分子と表面のスピンが反対であれば、それらは互いに引き寄せられます。スピンが同じであれば、互いに反発します。

科学者たちは、磁鉄鉱に対する CISS 効果が分子のキラリティーの起源につながると考えています。18 億年から 37 億年前、地球は酸素が欠乏した環境で豊富な海底堆積性磁鉄鉱鉱床を形成し、地球表面の紫外線放射によって均一に磁化された磁鉄鉱内にスピン偏極光電子が生成されました。 CISS効果により、マグネタイトの表面で生体有機分子のエナンチオ選択的化学反応が起こり、異なるキラル有機分子が選別され、DNA、RNA、アミノ酸などの生体分子を非対称にするプロセスが開始されます。

生命分子の創造と進化はなぜ「左利き」を好むのでしょうか?

ここでは、何らかの「外力」が分子にキラリティーに向かう初期の傾向を与えたと仮定しましょう。それでは、地球の長い進化の過程で、生命の基本構造単位であるアミノ酸分子が、どのような要因でどんどん「左利き」に進化していったのでしょうか。

ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの生命起源化学者マシュー・パウナー氏とその同僚たちは、この疑問に対する手がかりを提供した。過去5年間にわたり、パウナー氏のチームは、初期の地球に存在していた可能性のある硫黄ベースの分子のグループを発見し、個々のアミノ酸をアミノ酸の前駆体であるアミノニトリルに簡単に結合させてジペプチドを形成する方法を実証しました[注3]。ジペプチドは生体内で重要な役割を果たします。これらは機能性タンパク質分子の構築に関与するだけでなく、代謝、成長、発達などの生理学的プロセスを制御するシグナル分子としても機能します。さらに重要なことは、ジペプチド分子はキラルであるということです。これまでに、少量の右利きアミノ酸を含む少数の動物、藻類、種子植物（多くの細菌の細胞壁のペプチドグリカンに存在する右利きアラニンと右利きグルタミン酸など）を除いて、地球上の生命を構成するアミノ酸はほぼすべて左利きの配座であることが分かっています。ジペプチド分子は、単一のアミノ酸をアミノ酸の前駆体であるアミノニトリルに結合させることによって形成され、アミノニトリルのキラリティーは化学合成法によって制御できるため、ジペプチドのキラリティーの起源を理解することは、生命分子の進化における選択を理解するのに役立ちます。

パウナー氏のチームによるジペプチド生成反応は水中で起こり、生体内に存在するすべてのアミノ酸と協調して働くため、この研究は最初のタンパク質がどのように形成されたかを明らかにするための妥当な実験的道筋を提供するものである。しかし、パウナー氏のチームは、彼らが調製した硫黄ベースの触媒がキラル優先性を持つかどうかを調べなかった。

米国のスクリプス研究所の化学者ドナ・ブラックモンド氏とその同僚がネイチャー誌に研究報告を発表したのは2024年2月になってからだった[6]。彼らは最適化された反応条件を使用して、アミノニトリルとアミノ酸の間の触媒ペプチド連結反応を達成し、2 つのエナンチオマージペプチド生成物を生成しました。生成物のエナンチオマー比は、2 つの生成物の立体中心におけるヘテロキラルおよびホモキラルジペプチド生成物の相対濃度として定義されます。ブラックモンドのチームは、さまざまな実験条件（単一のキラル分子、単一のキラル分子とラセミ反応物のさまざまな組み合わせ、さまざまな触媒）下でのジペプチドのアミノ酸対形成速度を監視することにより、触媒ペプチド結合反応はヘテロキラルジペプチド生成物（つまり、LモノマーがDモノマーに結合したもの）を生成する傾向があり、複雑な反応混合物では対称性の破れ、キラリティー増幅、キラリティー移動が発生することを発見しました。触媒ペプチド反応はヘテロキラルな連結反応を好む傾向がありますが、この選択により、ホモキラルなジペプチド生成物を生成し、実験で未反応基質のキラル濃縮を行うメカニズムが提供されます。研究チームはさらに、速度論的計算シミュレーションを組み合わせて、触媒ペプチド連結反応はホモ左利きのジペプチド生成物を生成する傾向があることを予測しました。これは実験データと一致しています (図 5)。

生体有機分子のキラリティーを駆動するこのメカニズムはジペプチドでのみ実証されているが、ブラックモンド氏は、予備研究では、硫黄触媒が短いペプチドをより長いペプチド鎖に結合させるときに、同様のキラリティー選択プロセスが発生することが示唆されていると述べた。この発見は、生命の起源についての理解に新たな視点を提供するだけでなく、他の惑星に存在する可能性のある生命体を調査するための新たなアイデアも提供します。

図 5. 硫黄ベースの分子に基づいて完全に左利きのジペプチドを調製するための実験戦略。

キラル分子が人間の生存を決定する

人類が恒星間探査の過程で、「右利きの人」を好む惑星を発見したと想像してください。この地球外惑星の地理的条件や気候環境は地球と全く同じです。人類はこの惑星で生き残ることができるでしょうか？言うまでもなく、答えはノーです。地球上の生命体は左利きのアミノ酸で構成されており、右利きの分子をうまく代謝できないからです。もしこの地球外惑星上の生命分子がすべて右利きの分子であれば、それらは地球上の生命が利用できない「廃棄物」となり、毒物となる可能性さえあります。 1960 年代、サリドマイドと呼ばれるキラル薬には、一対のキラル異性体「双子の姉妹」が含まれていました (右利きの異性体には鎮静効果があり、左利きの異性体には強い催奇形性があります)。その結果、この薬を服用した妊婦は、アザラシのように手足が短い奇形の胎児を1万5000人出産した。これは新薬発見の歴史における大きな悲劇であり、医薬品製造の歴史における重要な転換点です。

アミノ酸分子のキラリティーが、私たちが地球上でどのように存在するかを決定します。生命の進化の過程におけるタンパク質分子の「左利き」特性に関する科学者の研究は、生命の起源を探る謎を解く鍵となる。ルネッサンス時代の有名な「左利き」の芸術家、レオナルド・ダ・ヴィンチが「鏡文字法」（右から左へ書き、各文字を反転させる。鏡文字の内容は鏡に映して読む必要がある）を誇りにしていたように、この問題は、問題に対する角度や考え方を変えることで、問題の本質に近づくことができるというインスピレーションを私たちに残しています。

図 6. 国際左利きデーのスローガンとアトランティコ手稿にあるレオナルド・ダ・ヴィンチの鏡写本。

用語解説

1. エナンチオマー: 互いの鏡像である立体異性体。分子式は同じですが、空間配置が異なります。エナンチオマーとは、一方が左利きでもう一方が右利きである分子のことです。

2. キラル分子: キラル中心を持つ分子構造を指します。キラル中心は通常、4 つの異なる原子または基に結合した炭素原子 (キラル炭素原子) です。

3. ジペプチド: ジペプチドは、ペプチド結合によって結合された 2 つのアミノ酸残基で構成される分子です。重要な生理学的機能を有し、化学合成法を調節することで異なるキラリティーの異性体を構築するために使用することができます。

参考文献

[1] 125の質問：探索と発見|科学 | AAAS

[2] キラリティー、wikipedia.org

[3] https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/murchison-meteorite

[4] M.Avalos、R. Babiano、P. Cintas、JL Jiménez、JC Palacios、LD Barron、物理場下の絶対的非対称合成: 事実とフィクション。化学。 Rev.1998、98、2391–2404。

[5] SF Ozturk、DD Sasselov、「生命のホモキラリティーの起源について：スピン偏極電子によるエナンチオマー過剰の誘導」プロセス国立アカデミー科学。アメリカ 2022, 119:28, e2204765119

[6] M. Deng、JH Yu、DG Blackmond、「プレバイオティックライゲーション反応における対称性の破れとキラル増幅」自然。 2024, 626, 1019-1024

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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