タンパク質工場の秘密の近道

みなさんは、レゴブロックで遊んだことがありますか？たくさんのブロックをつなげて、家や車、お城を作りますよね。わたしたちの体の中でも、アミノ酸というブロックをつなげてタンパク質という大きな建物を作っています。このブロックつなぎの名人がリボソームという小さな工場です！

でも、生命が地球に誕生したばかりの時代には、このリボソーム工場はまだ完成していませんでした。では、どうやって最初のタンパク質は作られたのでしょう？科学者たちは、その謎を解くために実験をしました。

タンパク質はどうやって作られる？

わたしたちの体の中では、リボソームという小さな工場がアミノ酸というブロックをつなげて、タンパク質を作っています。リボソームの中心にあるペプチド転移酵素センター（PTC）が、ブロックとブロックをくっつける接着剤のような役割をします。

現代の生物では、このリボソーム工場はとても効率よく働いています。でも、リボソームがない水の中では、アミノ酸同士をくっつけるのはとても難しいのです。それは、水の中で接着剤を使おうとしているようなもの。水がどんどん接着剤を薄めてしまい、ブロック同士がなかなかくっつかないのです！

図1：リボソームによるタンパク質合成の化学反応

図1の説明： これは現代の生物のリボソームでのタンパク質合成を示しています。上の絵ではアミノ酸と呼ばれるブロックがtRNAという運び屋につながっています。リボソームはこれらを正確に並べて、アミノ酸同士をつなげていきます。

生命の始まりに起こった困ったこと

生命が誕生したばかりの地球では、まだリボソームという複雑な工場は完成していませんでした。でも、タンパク質を作るには、アミノ酸同士をつなげる必要があります。

科学者たちは、リボソームがない水の中でアミノ酸をつなげる実験をしてみました。普通のアミノ酸（グリシンやアラニンなど）を使うと、ほとんどくっつきませんでした。水がどんどん邪魔をして、アミノ酸同士がくっつく前に、水と反応してしまうのです。

これは、雨の日に砂場で砂の城を作ろうとするようなもの。砂（アミノ酸）がなかなかくっつかず、水（加水分解）ですぐに崩れてしまうのです。

セリンという特別なアミノ酸の秘密の力

ところが、セリンというアミノ酸を使うと、驚くべきことが起こりました！セリンは普通のアミノ酸と違って、ヒドロキシル基という特別な腕を持っています。この腕があると、アミノ酸同士がくっつく効率がぐんと上がったのです。

これは、マジックテープつきの特別なブロックを使うようなもの。普通のブロックよりもずっとくっつきやすくなります。科学者たちが調べると、セリンの特別な腕がまず最初に反応して、それから本当の結合ができることがわかりました。

図2：センサーで反応を追跡した実験結果

図2の説明： この実験では、特別な方法（19F NMR）で反応を追跡しました。グラフを見ると、アミノ酸のエステル（Em）が減少し、新しいペプチド結合（PAm）と水による分解産物（Paa）が生成しています。セリンのおかげでペプチド結合がたくさんできています！

近道発見！間接的なペプチド結合の作り方

普通のアミノ酸同士をくっつける方法（直接アミノリシス）はうまくいきませんでしたが、セリンを使うと間接的なアミド結合形成という別の方法でくっつけられることがわかりました。

これは、川を渡るときに、直接泳いで渡るのではなく、飛び石を使って渡るようなもの。セリンの特別な腕（ヒドロキシル基）が飛び石になって、アミノ酸同士をつなぐ橋渡しをしてくれるのです。

科学者たちは、この反応を詳しく調べるために、温度や酸性度（pH）を変えて実験をしました。すると、セリンのヒドロキシル基が最初に反応して中間体（セリニルエステル中間体）を作り、それからアミノ基に転位して最終的なペプチド結合になることがわかりました。

図3：低pH条件での反応経路の追跡

図3の説明： この実験では、酸性条件（pH=5.7）で反応させると、中間体（IEs）が検出されました。これは、セリンの特別な腕（ヒドロキシル基）が最初に反応していることを示す証拠です。

タンパク質工場が完成するまでの道のり

科学者たちは、この研究から生命の始まりについての新しい考え方を提案しました。最初の原始的なリボソーム（プロトリボソーム）は、セリンのような特別な腕を持つアミノ酸を使って、間接的にペプチド結合を作っていたのかもしれません。

それは、大きな工場を建てる前に、まず小さな作業場から始めるようなもの。最初はセリンという特別な道具を使ってタンパク質を作り、だんだん進化して、今のような複雑なリボソーム工場ができあがったのではないかと考えられています。

図4：様々なpHでの反応速度の比較

図4の説明： この図は、様々な酸性度（pH）での反応速度を示しています。セリンを使った間接的なペプチド結合形成（青と赤の点）は、中性付近（pH=7-8）で最も効率がよいことがわかります。これは、生命が誕生した環境に近い条件です。

温度が反応に与える影響

科学者たちは、温度を変えて実験もしました。温度が上がると、反応は速くなりますが、セリンの特別な力は変わりませんでした。これは、原始地球のいろいろな環境でも、セリンを使った反応が起こりえたことを示しています。

冬でも夏でも使えるのりのようなもので、いろいろな温度でもしっかりとアミノ酸同士をくっつけられたのです。

図6：温度による反応速度の変化

図6の説明： この図では、10°C、20°C、30°Cでの反応速度を比較しています。温度が上がると反応は速くなりますが、セリンを使った反応の特徴（反応曲線の形）は変わりません。これは、温度が変わっても反応の仕組みは同じであることを示しています。

二重アミノアシル化という特別な状態

科学者たちは、二重アミノアシル化という、2つのアミノ酸がくっついた特別な化合物についても調べました。これは、現代の生物の中でも極限環境（とても熱い場所など）に住む生物が使っている仕組みに似ています。

二重にアミノ酸がくっついた状態は、普通の状態よりも水による分解に強いことがわかりました。これは、防水加工をした特別なブロックのようなもので、雨の日の砂場でも崩れにくい砂の城が作れるのです。

図7：二重アミノアシル化の実験結果

図7の説明： この図は、二重アミノアシル化された化合物（EBis）の反応を追跡した結果です。通常のアミノアシル化物（Em）と比べて、中性からアルカリ性条件で安定であることがわかります。

この研究はなぜスゴイの？

この研究は、生命の起源という大きな謎に光を当てています。どうやって最初のタンパク質が作られたのか、なぜ今のようなリボソームという複雑な工場が進化したのか、その道筋を示してくれます。

今までの考え方では、リボソームがない状態でタンパク質を作るのはほとんど不可能だと思われていました。でも、セリンという特別なアミノ酸を使えば、リボソームがなくても、ある程度効率よくペプチド結合を作れることがわかったのです。

将来、この研究は新しいタンパク質合成の方法や、薬の開発にも役立つかもしれません。また、宇宙の他の場所でも生命が誕生した可能性を考える上でも重要な手がかりになります。

まとめ：この研究でわかったこと

1. 現代の生物では、リボソームというタンパク質工場がアミノ酸をつなげてタンパク質を作っています。
2. リボソームがない水の中では、普通のアミノ酸同士をつなげるのはとても難しいです。
3. セリンという特別なアミノ酸は、ヒドロキシル基という腕を持っていて、間接的にペプチド結合を作ることができます。
4. セリンの特別な腕がまず最初に反応して中間体を作り、それから本当のペプチド結合になります。
5. この間接的な方法は、直接的な方法よりもずっと効率がよく、生命の始まりに重要だったと考えられます。
6. 生命は最初、セリンのような特別なアミノ酸を使ってタンパク質を作り、だんだん進化して今のようなリボソーム工場ができあがったのかもしれません。
7. 二重アミノアシル化という特別な状態は、水による分解に強く、原始的な環境でも安定だったと考えられます。

原論文の引用情報

Dale, H. J. A., & Sutherland, J. D. (2024). Indirect Formation of Peptide Bonds as a Prelude to Ribosomal Transpeptidation. Journal of the American Chemical Society, Published online December 18, 2024. https://doi.org/10.1021/jacs.4c10326