磁性鉱物が生命に分子の非対称性を与えた可能性

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

1848年、ルイ・パスツールがまだ牛乳の殺菌方法の発見から何年も経っていた若き化学者だった頃、彼は工業化学者がワインを長時間煮沸した際に偶然形成された結晶に奇妙な点を発見しました。結晶の半分は、ワイン樽の壁に自然に発生する、工業的に有用な塩である酒石酸であることが分かりました。残りの結晶は全く同じ形と対称性を持っていましたが、片方の面が反対方向を向いていました。

その違いはあまりにも顕著で、パスツールは拡大鏡の下でピンセットを使って結晶を分離することができた。「それらは互いに、鏡に映った像と実物の関係と同じ関係にある」と彼はその年の論文に記した。

パスツールは知らなかったが、そのワインの結晶化した残りかすの中に、地球上の生命の起源に関する最も深い謎の一つを偶然発見したのだ。

彼が目にしたのは、空間におけるそれらの原子と同一の原子組成を持ち、鏡像的な配置を持つ酒石酸分子の混合物だった。それらは後にギリシャ語で「手」を意味する言葉にちなんで「キラリティー」と呼ばれる性質を持っていた。私たちの左手と右手が互いに対称的に反対であるように、酒石酸分子の左手型と右手型（またはエナンチオマー）はそれぞれ異なり、等価ではない。

パスツールの観察の重要性は、キラリティーの発見にとどまりませんでした。彼がそれを観察した驚くべき理由もそこにありました。合成結晶は、煮沸過程において左手型と右手型の酒石酸が同数生成されるため、酒石酸のエナンチオマーの混合物でした。しかし、ワイン樽から採取された天然結晶では、すべての酒石酸分子が右手型でした。ワインに使われたブドウは、生きているブドウの木から収穫され、右手型のエナンチオマーしか生成しなかったからです。

キラリティーは、私たちが知る生命の特徴です。生化学者は、生細胞がキラル分子を用いる際、一つのキラリティーのみを用いることを何度も発見してきました。例えば、DNAを構成する糖はすべて右利きです。タンパク質を構成するアミノ酸はすべて左利きです。誤ったエナンチオマーが医薬品に混入すると、毒性や致死性を示すことがあります。

生命の歴史の初期に、何らかの出来事、あるいは一連の出来事が、生化学者の言葉を借りれば「鏡を壊した」に違いありません。生命は分子の非対称性へと突き落とされたのです。科学者たちは、生命がなぜホモキラルになったのか、そしてそれが必然だったのか、それとも単なる偶然だったのかを議論してきました。初期の生命にキラルな選好が刻み込まれたのは、宇宙から飛来した分子の偏りによるものだったのでしょうか。それとも、右利きと左利きが同量ずつ混ざり合った状態から、何らかの形で進化したのでしょうか。

「科学者たちはこの観察結果に困惑しています」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の有機化学助教授、ソウミトラ・アサヴァレ氏は述べた。「長年にわたり様々な提案がなされてきましたが、地質学的に実際に関連性のある提案を導き出すのは難しいのです。」さらに、ある種類の分子がなぜホモキラルになったのかを説明できる理論は数多くある一方で、生体分子のネットワーク全体がなぜホモキラルになったのかを説明できる理論は一つもなかった。

最近、ハーバード大学のグループが、生命のホモキラリティの出現過程に関する興味深い解決策を提示する一連の論文を発表しました。彼らは、原始地球の水域に存在する鉱物の磁性表面が惑星の磁場によって帯電し、「キラルエージェント」として機能し、特定の分子を他の分子よりも強く引き寄せ、RNA前駆体からタンパク質、さらにはそれ以降の生物分子のキラリティを増幅するプロセスを開始した可能性があると示唆しています。彼らが提案するメカニズムは、特定の分子の構成における偏りがどのようにして外側へと広がり、生命を支える広大なキラル化学ネットワークを形成したのかを説明するものです。

これは唯一の有力な仮説ではないが、「地球物理学、地球化学、前生命化学、そして最終的には生化学を結びつける点で、最も興味深い仮説の一つです」と、ソーク研究所所長で生化学者のジェラルド・ジョイス氏は述べた。ジョイス氏は今回の研究には関わっていない。また、この仮説が「実際の実験」によって裏付けられていること、そして「現実的な条件下で行われている」ことにも感銘を受けている。

CISS効果

ホモキラリティーに関する新たな理論の根源は、イスラエルのワイツマン科学研究所の化学物理学教授であるロン・ナーマン氏とそのチームがキラル分子の重要な効果を発見した、ほぼ四半世紀前に遡ります。彼らの研究は、電子が2つの重要な特性を持つという事実に焦点を当てていました。それは、負の電荷を帯びることと、「スピン」を持つことです。スピンは、固有の時計回りまたは反時計回りの回転に類似した量子特性です。分子が他の分子や表面と相互作用すると、電子は再分配され、移動先に負の電荷、移動開始点に正の電荷を発生させることで分子を分極させます。

ナーマン氏と彼のチームは、キラル分子がスピンの方向に基づいて電子をフィルタリングすることを発見しました。あるスピン方向を持つ電子は、キラル分子内を一方向に、他の方向よりも効率的に移動できます。反対のスピンを持つ電子は、逆方向に、より自由に移動できます。

その理由を理解するには、廊下の壁にフリスビーを投げて跳ね返る場面を想像してみてください。フリスビーが右側の壁に当たった場合、時計回りに回転している場合にのみ前方に跳ね返り、そうでない場合は後方に跳ね返ります。左側の壁に当たった場合は逆のことが起こります。同様に、キラル分子は「回転方向に応じて電子を散乱させる」とナーマン氏は述べています。彼と研究チームはこの現象をキラル誘起スピン選択性（CISS）効果と名付けました。

この散乱により、特定のスピンを持つ電子はキラル分子の一方の極に集まります（そして、右巻きと左巻きの分子は、それぞれの極に反対のスピンを集めます）。しかし、このスピンの再分配は、キラル分子が磁性表面と相互作用する方法に影響を与えます。反対方向に回転する電子は互いに引き合い、同じ方向に回転する電子は互いに反発するからです。

その結果、キラル分子が磁性表面に近づくと、分子と表面のスピンバイアスが逆であれば分子は引き寄せられます。スピンバイアスが一致すると、分子は反発します。（他の化学反応も進行しているため、分子は単純に反転して向きを変えることはできません。）したがって、磁性表面はキラル剤として作用し、化合物の一方のエナンチオマーとのみ優先的に相互作用します。

2011年、ナアマン氏と彼のチームはドイツのミュンスター大学のチームと共同で、二本鎖DNA中を移動する電子のスピンを測定し、CISS効果が実際に存在し、強力であることを確認した。

ナアマン氏によると、この効果とその応用に関する研究が「ブームになり始めたのはその時だった」という。例えば、彼と彼のチームは、CISS効果を利用してバイオ医薬品から不純物を取り除いたり、重大な副作用を防ぐために薬剤から不適切なエナンチオマーを除外したりするいくつかの方法を開発している。また、CISS効果が麻酔のメカニズムを説明する上でどのように役立つかについても研究している。

しかし、彼らが CISS 効果が生物学的ホモキラリティーの増加に関与しているという考えに真剣に取り組み始めたのは、天文学者のディミタル・サセロフと大学院生の S. フルカン・オズトゥルクが率いるハーバード大学のチームから、ある仮説の共同研究に招かれてからのことである。

物理学の視点

最近の論文の若き筆頭著者であるオズターク氏は、2020年にハーバード大学大学院物理学科に在籍していた際に、ホモキラリティ問題に遭遇しました。極低温原子を用いた量子シミュレーションの研究に満足できず、世界の125の大きな謎を詳述した科学雑誌をめくり、ホモキラリティについて知りました。

「対称性に関する問題なので、まさに物理学の問題のように見えました」と彼は言った。ハーバード大学生命起源イニシアチブのディレクターであり、ホモキラリティの問題に既に興味を持っていたサセロフに連絡を取った後、オズタークは彼の研究室に転向し、学生になった。

オズトゥルクとサセロフはすぐにCISS効果に基づくアイデアを思いつきました。彼らは、浅い湖のような原始的な環境を想像しました。その湖の表面は磁性鉱物で満たされ、水にはヌクレオチドのキラルな前駆体の混合物が含まれています。彼らは、紫外線が磁性表面から多くの電子を放出し、それらの電子の多くが同じスピンを持っていたと理論づけました。そして、放出された電子は特定のエナンチオマーと優先的に相互作用し、結果として生じる化学反応によって右巻きのRNA前駆体が優先的に組み立てられた可能性があるとしました。

2022年4月、オズトゥルクはイスラエルにあるナアマンの研究室を訪れ、仮説を検証できるという期待に胸を躍らせた。しかし、その興奮は長くは続かなかった。その後1ヶ月、ナアマンと共同研究を進める中で、そのアイデアは崩れ去った。「うまくいかなかった」とオズトゥルクは言い、落胆して帰国した。

しかし、オズトゥルクは別の考えを思いつきました。CISS効果が化学反応ではなく物理反応として現れているとしたらどうでしょうか？

ナーマンのグループは、磁性表面を用いてエナンチオマーを優先的に結晶化できることを示していました。そして、結晶化はエナンチオマーの精製された集合体を構築する最も簡単な方法でしょう。オズタークは、英国MRC分子生物学研究所の共同研究者であるジョン・サザーランドにそのことを伝えました。「そこで私は、『電子に関することはすべてやめて、結晶化だけに集中してください』と言いました」とサザーランドは言います。

サザーランド氏は結晶化という側面に興奮を覚えました。彼とチームは既に独立して、リボアミノオキサゾリン（RAO）と呼ばれるRNA前駆体がRNAの4つの構成要素のうち2つを合成できることを発見していたからです。RAOは「美しく結晶化する」とサザーランド氏は言います。表面に引き寄せられたエナンチオマーから結晶の種が形成されると、結晶は同じエナンチオマーをさらに取り込むことで優先的に成長します。

オズタークは、サザーランドがCISS効果のアイデアが実現すれば「ゲームオーバーだ」と言ったことを覚えている。「あまりにも単純だったから」とオズタークは言った。「生命化学の起源において非常に重要な分子でそれを行っていたのですから、その分子をホモキラルにできれば、システム全体をホモキラルにできるのです。」

オズタークはハーバード大学の研究室で研究に着手した。彼はペトリ皿に磁鉄鉱表面を置き、左手系と右手系のRAO分子を等量含む溶液を満たした。次に、ペトリ皿を磁石の上に置き、実験装置を冷蔵庫に入れ、最初の結晶が現れるのを待った。当初、チームは結晶の60%が片手系であることがわかった。このプロセスを繰り返すと、結晶はすべて同じカイラリティを持つようになった。

6月にScience Advances誌に掲載された研究で報告されているように、表面をある方向に磁化すると、完全に右利きの結晶が作られ、反対方向に磁化すると、完全に左利きの結晶が作られました。「うまくいかない実験には慣れているので、とても驚きました」とオズターク氏は言います。しかし、今回の実験は「見事にうまくいきました」。

オズトゥルク氏の机の後ろには、サセロフ氏とチームが祝賀ディナーでシェアしたシャンパンの空きボトルが置いてある。

増殖と増幅

しかし、彼らにはまだ大きな問題がありました。実験に使用した磁石は地球の磁場の約6,500倍も強力だったのです。

そこでオズトゥルクは昨年11月にワイツマン研究所に戻り、ナアマンと共に外部磁場を全く使用しない追加実験に取り組んだ。その結果、キラル分子が磁性表面に吸着すると、表面全体に地球の磁場の最大50倍の強度を持つ極めて局所的な磁場が形成されることを発見した。この研究結果は査読付き学術誌に受理されたものの、まだ掲載されていない。

「近隣地域を磁化するように強制することで、結晶の形成がさらに容易になるのです」とジョイス氏は述べた。この自己永続的な効果によって、このシナリオは現実味を帯びてくると彼は付け加えた。

アタヴァレ氏も同意見だ。CISS効果の発生に強力な磁場が必要ないという事実は「本当に素晴らしい。なぜなら、今、地質学的に可能な状況が明らかになったからだ」と彼は語った。

しかし、ホモキラリティを生み出す真の鍵は、相互作用する分子のネットワーク全体でその効果がどのように増幅されたかを検証することです。「この中で最も重要なのは、キラルな生成物を得るための新たな方法を発見したということではなく、彼の研究グループがホモキラルなネットワークを構築する方法を発見したということです」とサセロフ氏は述べました。

8月のThe Journal of Chemical Physicsの表紙を飾った論文で、オズターク、サセロフ、サザーランドは、キラル情報がプレバイオティクスネットワークを通じてどのように伝播するかを示すモデルを提唱した。サザーランドらは以前、アミノ酸に結合してリボソームへ運び、タンパク質を合成する右巻きのトランスファーRNA分子の類似体が、右巻きのアミノ酸よりも左巻きのアミノ酸に10倍速く結合することを示していた。この発見は、自然界で見られるように、キラルRNAが逆のキラリティーを持つタンパク質を優先的に合成することを示唆している。研究者らは論文の中で、「したがって、生物学的ホモキラリティーの問題は、単一の共通RNA前駆体（例えば、RAO）をホモキラリティーにできることを保証することに帰着する可能性がある」と述べている。

オズトゥルク氏によると、この研究は、生命が好むヌクレオチドが右利きで、アミノ酸が左利きである理由を直接説明するものではないという。しかし、これらの新たな発見は、地球磁場によって誘起された磁化が決定要因であったことを示唆している。アサヴァレ氏は、たとえ結晶化のプロセスが100の原始湖で起こったとしても、地球磁場によって、それら全てが混合ではなく、同じ利き手を持つ前駆体を生成することが保証されると指摘した。

ジョイス氏は、磁場がそのような偏りを生じさせるのなら、そこには「ちょっとした面白い展開」があると指摘した。生命が北半球で始まり、片方の利き手を持つ分子を好んだのであれば、南半球で発生したなら、反対の利き手を示したはずだ。

分子ファミリー間のキラリティー伝播は依然として仮説的な側面が強いとアタヴァレ氏は指摘するが、人々に考えさせるのは良いことだ。サセロフ氏も同意見で、「この論文の目的は、人々に実験を実際に行ってみようという意欲を与えることです」と述べた。

中国・武漢大学の生命起源研究者、ウェンタオ・マー氏は、今回の論文は「興味深い進歩」だと述べた。しかし、CISS効果がRNAの重合につながることを実証して初めて、完全な答えが得られるだろうと彼は述べた。「もし彼らがこの結果を達成できれば、解決策はそう遠くないと言えるでしょう」と彼は述べた。

「CISS効果は本当に素晴らしいと思います」と、ホモキラリティ問題に取り組んでいる天体物理学者のノエミー・グロブス氏は述べた。より説得力のある結論は、特定の利き手を持つアミノ酸を過剰に含む隕石（これは以前にも発見されている）に、磁性粒子も過剰に含まれているかどうかを研究者が確認することだと彼女は述べた。また、異なる分子においてホモキラリティを生み出したメカニズムは、それぞれ異なる理論上のメカニズムによる可能性もあると指摘した。

カリフォルニア大学サンディエゴ校スクリプス海洋研究所の名誉教授、ジェフリー・バダ氏は、この考えに懐疑的だ。彼は、RNAが最初の自己複製分子として原始的な環境で合成されたとは考えていない。「RNAを前生命的文脈で作った人はいない」と彼は言う。なぜなら、RNA分子の安定性には問題が多すぎるからだ。

サザーランドのチームは、RNA前駆体分子から他の2種類のヌクレオチドが生成可能であることを証明しようと研究を続けています。「かなり近づいていると思います」とサザーランドは言います。「しかし、私のチームは、私が22年間も言い続けてきたことをお約束します。」

CISS効果が解決策となるか、解決策の一部となるか、あるいは全く解決策にならないかに関わらず、それを検証するための次のステップは明らかです。「これは、創造的で実現可能であり、最終的に検証可能なものを考案するという、優れた仮説のあらゆる側面を備えています」とアタヴァレ氏は述べました。彼が考える最も説得力のある次のステップは、このプロセスが実験室の外で起こった可能性があるという地質学的証拠を示すことです。

Zoom通話で、オズターク氏はオーストラリア旅行で拾ってきた平らな黒い岩を掲げた。そこは磁性を持つ鉄岩が豊富な場所で、彼はここで実験を再現したいと考えている。また、彼はこの仮説の将来的な検証をより動的なものにしたいと考えている。初期の分子が形成されたと考えられる原始の湖には、物質の流れや流れ、そして雨と高温によって引き起こされる自然の「乾湿」サイクルがあり、結晶の形成と溶解、そして形成と溶解を繰り返していたはずだからだ。

ホモキラリティの謎は未だ解明には程遠いものの、オズトゥルク氏はCISS効果の説明に関する研究に対し、指導者から熱烈な励ましを受けている。4月、ハーバード大学でサセロフ・グループの研究について講演した際には、彼の崇拝者の一人が出席した。DNAの複製方法を実験的に確認した遺伝学者で分子生物学者のマシュー・メセルソン氏は、オズトゥルク氏が黒板に研究結果を書き出す間、最前列に座っていた。93歳のメセルソン氏は講演後、オズトゥルク氏に、この問題が解決されるのを見るまで生きていて本当に良かったと語った。後に彼はオズトゥルク氏に自身の著書のサイン本を贈り、「あなたはすでに深い問題を解きました」と記し、「幸運を祈ります」と記した。

編集者注：サセロフ氏とそのグループ、そしてジョイス氏とサザーランド氏は、 シモンズ財団から資金提供を受けています。同財団は、編集権を持たない雑誌「クォンタ」にも資金を提供しています 。シモンズ財団の資金提供決定は、本記事の報道内容に影響を与えません。

[原文](https://www.quantamagazine.org/magnetism-may-have-given-life-its-molecular-asymmetry-20230906/ は、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載しています。