遺伝子の高分子電解質理論

遺伝子のポリ電解質理論は、 DNAなどの水に溶けた線状の遺伝子バイオポリマーが宇宙のどこででもダーウィンの進化を遂げるためには、それがポリ電解質、つまり繰り返しイオン電荷を含むポリマーでなければならないと提唱している。 ^{[1]これらの電荷は、}遺伝子バイオポリマーにエンコードされた情報に関係なく、ダーウィンの進化に必要な均一な物理的特性を維持する。^{[1] [2] [3]} DNAはそのような分子である。その核酸配列に関係なく、その骨格上の負電荷が分子の物理的相互作用を支配し、水溶性や二重らせん構造などの均一な物理的特性を維持する。^[1]

遺伝子のポリ電解質理論は、スティーブン・A・ベナーとダニエル・ハッターによって2002年に提唱され^{[2] 、}宇宙生物学者が地球外生命の発見方法について考える際に使用する理論的枠組みとして広く利用されてきました。この考えは後にベナー^{[3] [1]によって}エルヴィン・シュレーディンガーの「非周期結晶」^{[4]としての}遺伝子の見解と結び付けられ、遺伝的バイオポリマー（ダーウィン進化論における遺伝の単位として機能するバイオポリマー）の堅牢で普遍的に一般化された概念が作られました。

ベナーと彼の研究を基にした他の研究者ら^{[5]は、荷電化合物を濃縮するために電場を使用する}電気泳動法を用いて、太陽系内の他の惑星や衛星の遺伝的バイオポリマーを濃縮し識別する方法を提案した。^{[1] [2] [3]}

遺伝子のポリ電解質理論を検証した人はほとんどいないが、2019年に実験室実験でこの考えの普遍性に疑問が投げかけられた。この研究では、限定的なダーウィン進化を可能にする非電解質ポリマーを作成することができたが、その長さは最大72ヌクレオチドであった。^{[6] [7]}

ポリ電解質は、静電的に帯電した単位が繰り返されるポリマーです。遺伝子のポリ電解質理論の文脈では、このポリ電解質は、イオン的に帯電した単位が繰り返されるバイオポリマー（生体システムから得られるポリマー）であり、現代生物学の遺伝子バイオポリマーであるDNAに似ています。RNAは、コロナウイルス^[8]やHIV ^[9]などの一部のウイルスを除いて、現代生物学では遺伝子バイオポリマーのアーカイブとして機能しませんが、RNAワールド仮説では、RNAが生命の最初の遺伝子バイオポリマーとしてDNAに先行していた可能性があると示唆しています。^[10] DNAとRNAを構成するヌクレオチドの構成要素は、負に帯電したリン酸基によって接続されています。これらのホスホジエステル結合により、分子のバックボーンに負の電荷が繰り返され、DNAとRNAにポリ電解質の性質が与えられます。^[11]

「修正を伴う系統樹」とも言えるダーウィンの進化論に参加するには、 ^[12]遺伝単位は不完全な複製が可能で、時折、複製可能な新しい修正された遺伝単位を生み出すことができなければなりません。この不完全な複製が、ダーウィンの進化論が作用する変異につながります。^[13]

遺伝子のポリ電解質理論は、現代生物学の遺伝単位である DNA を一般化可能なレベルで理解しようとするものである。2002 年、スティーブン A. ベナーとダニエル ハッターは、DNA のホスホジエステル結合における繰り返し電荷が、遺伝子バイオポリマーとしての機能に不可欠であると特定した。彼らは遺伝子のポリ電解質理論に基づき、繰り返しイオン電荷 (正または負) は、宇宙のどこであれ、水に溶解した遺伝子バイオポリマーがダーウィンの進化を遂げるためには一般的な要件であると提唱した。^[2]

この概念は、エルヴィン・シュレーディンガーが 1944 年の著書『生命とは何か』で提唱した「非周期的結晶」としての遺伝子の見方と連携して機能します。^[4]シュレーディンガーが説明するように、非周期的結晶は、分子構成要素の個別のセットが非反復的に配置されています。DNA は個別の核酸塩基( A、T、C、G ) で構成される非周期的結晶であり、それらはコード化された情報に基づいて配置されており、反復形式ではありません。この「非周期的結晶」というアイデアは、当初は遺伝子のポリ電解質理論と関連付けられていませんでしたが、ベナーは後の研究でこの 2 つを結び付けました。^{[3] [1]}

生化学では、生体分子の構造がその機能を決定し、したがって構造の変化は機能の変化を引き起こす。^[14]遺伝の単位として機能するには、遺伝的生体高分子は、構造がエンコードする情報に関係なく、形状を維持し、したがって物理的および化学的一貫性を維持する必要があります。DNAはそのような分子です。核酸配列が何であっても、DNAは一貫した二重らせん構造を維持し、したがって、水に溶解したままで細胞機構によって複製されることを可能にする一貫した物理的特性を維持します。遺伝子のポリ電解質理論では、リン酸骨格の負電荷が分子の物理的相互作用を支配し、エンコードされた情報である核酸配列の変化が分子の全体的な物理的動作に影響を与えないため、DNAは突然変異に関係なく形状を維持できると説明されています。^[2]

例えば、チミジンヌクレオチド（T）は水に非常に溶けやすいのに対し、グアノシンヌクレオチド（G）は水に溶けにくい。しかし、チミンのみからなるオリゴヌクレオチド（短いポリヌクレオチド配列）とグアニンのみからなるオリゴヌクレオチドは、全体的な構造と物理的性質が同じである。^{[15]遺伝情報をコードする}核酸配列の変化がDNAの物理的性質を変えると、これらの変化はDNAの複製メカニズムを破壊する可能性がある。

この物理的な均一性は自然界では非常に稀です。別の生体高分子、例えばタンパク質を考えてみましょう。DNAの核酸配列は、タンパク質を構成するアミノ酸の配列をコード化しています。タンパク質の一次配列中のたった1つのアミノ酸が変化するだけでも、そのタンパク質の物理的特性は完全に変わってしまいます。例えば、鎌状赤血球症はヘモグロビン遺伝子中のアデニンがチミンに突然変異することで引き起こされ、グルタミン酸がバリンに切り替わります。^{[16]これによりヘモグロビンの}3次元構造が完全に変化し、タンパク質の物理的特性が変化して鎌状赤血球症を引き起こします。

タンパク質は、20種類のアミノ酸側鎖が互いに結合や部分結合を形成するため、アミノ酸配列の変化に敏感です。^[17]さらに、タンパク質骨格には双極子モーメント（部分的に正、部分的に負の側面を持つ）があり、分子内でさらに相互作用を生み出す可能性があります。これらの側鎖と骨格の相互作用は、環境とアミノ酸配列の変化に敏感です。アミノ酸配列の変化は全体的な物理的構造と特性の変化につながるため、タンパク質が遺伝的生体分子として機能する可能性は低いです。^[2]

もう一つの非電解質バイオポリマーは、遺伝子生体分子として機能する場合、タンパク質と同じ課題に直面するだろう。コード化された情報の変化に伴う物理的特性の変化は、コード化された情報の特定の配列では複製が困難になることを意味する。なぜなら、それらの配列は複製と互換性のない物理的特性をもたらすからである。この問題は、仮想タンパク質遺伝子がすべての可能な遺伝子配列を探索することができないことを意味する。なぜなら、特定の配列は、遺伝子がコード化するものの適合性ではなく、遺伝子の物理的構造に基づいて分子の複製を失敗させるからである。 ^[2]

ベナーとハッターは当初、DNAのこの特性を「複製に不可欠な特性を失うことなく構成の変更に耐えることができる」と説明し、頭字語でCOSMIC-LOPERと呼んでいました。この頭字語は、複製を可能にするエンコードされた情報に関係なく、遺伝的バイオポリマーが物理的均一性を持つという複雑な概念を科学者に簡潔に説明する方法を提供します。^[2]

RNAは、生命の最初の遺伝単位（RNAワールド）としての理論的な役割から遺伝的バイオポリマーとして説明されることが多いが、完全にCOSMIC-LOPERというわけではない。RNA、特にグアニン（G）を多く含む配列は、折り畳まれ、酵素型の化学反応を起こすことができる。^{[2] [18]}グアニンを多く含むRNA配列の折り畳みは、RNAのテンプレート能力を妨げ、したがってRNAワールドのシナリオで複製する能力を妨げる。これは、タンパク質ベースの遺伝子が複製するのが難しいのと同じ理由である。^[2]

負電荷が繰り返されると、DNAとRNAの水への溶解度が高まります。イオン電荷は水に非常に溶けやすいため、分子のバックボーンにイオン電荷があると分子の溶解度が高まります。^[19]仮想の遺伝子バイオポリマーのバックボーンが非イオン性で結合すると、分子全体の溶解度が低下します。^[20]溶解度が重要なのは、DNAやその他の遺伝子バイオ分子が複製されるためには、複製機構と相互作用できるように溶解性でなければならないためです。^[11]

DNA骨格の繰り返し負電荷は静電的に互いに反発し合い、DNA鎖内およびDNA鎖間の相互作用を妨げます。この反発により、核酸塩基のワトソン・クリック「エッジ」に沿った特異的な相互作用が促進され、ワトソン・クリック塩基対合特異性（AはTと対合、CはGと対合）が促進されます。 ^[2]

バックボーン上の反復する負電荷により、DNA や多くの RNA 分子は折り畳まれず、テンプレートとして機能します。水中では、分子は最もエネルギー的に有利な構造をとり、ギブスの自由エネルギーが最も低くなります。^[11]この構成では、有利な相互作用 (水素結合、正負電荷相互作用、ファンデルワールス相互作用) が最大化され、不利な相互作用 (親水性相互作用と疎水性相互作用、同種電荷相互作用) が最小化されます。二本鎖 DNAと RNAの場合、エネルギー的に最も有利な形態は直線状の二重らせん構成です。これは、塩基対間および負に帯電したバックボーンと周囲の水分子との間の相互作用が最大化される一方で、バックボーンの負に帯電したホスホジエステル結合間の相互作用が最小化されるためです。^[11]二本鎖 DNA または RNA 分子が折り畳まれると、好ましい水とバックボーンの相互作用が好ましくないバックボーン間の相互作用に置き換わることになります。タンパク質のようにイオンに荷電した骨格を持たない生体高分子は、折り畳み中に不利な骨格間相互作用を生じないため、容易に折り畳まれて凝集する。この直線性への固有の傾向により、DNAは複製のテンプレートとして機能する能力が向上する^[2]。これは、折り畳まれて凝集した構造が複製機構にアクセスできないためである。

ベナーとハットンは、DNAとRNAの非電解質類似体を用いて実験室で行った実験に触発されて、遺伝子の多価電解質理論を発表しました。^[3] 80年代後半から90年代にかけて、科学者は病気の治療方法として、不要なmRNA遺伝子産物に結合して沈黙させる合成DNA様分子を開発しました。 ^{[2] [21]この探索的研究の一環として、研究者は、荷電骨格のためにDNAとRNAができない}細胞膜を通過できるさまざまな非電解質RNAおよびDNA類似体を開発しました。これらの類似体の1つは、天然のホスホジエステル（PO₂⁻）結合をスルホン（SO₂）に置き換えました。初期の実験では、スルホン類似体は二量体（2つのヌクレオチドが結合したもの）としてDNAと非常によく似た特性を持つことが示されましたが、より長いスルホン類似体が合成されると、それらは折り畳まれ、ワトソン・クリック塩基対特異性を失い、核酸配列の小さな変化により物理的特性が劇的に変化しました。 ^[2] DNAを優れた遺伝子分子にする特性の質の低下は、2002年までにテストされたすべての非イオン性リンカーで確認されました。^[2]

DNAの特性を維持するのに最も近い非電解質類似体は、DNAのホスホジエステル結合を非荷電N-(2-アミノエチル)グリシン結合に置き換えたポリアミド結合核酸類似体(PNA)でした。ベンナーとハッターでさえ、PNAが彼らのポリ電解質仮説を反証するのではないかと疑問を呈しました。しかし、PNAは20ヌクレオチドの長さまではDNAの特性を維持しましたが、それを超えると分子はワトソン・クリック塩基対特異性を失い、凝集し始め、核酸配列の変化に敏感になりました。^[2]

2019年、イギリス・ケンブリッジのフィリップ・ホリガー率いるグループは、テンプレート合成と指向進化が可能な非電解質P-アルキルホスホネート核酸（phNA）DNA類似体を開発しました。^[22] phNA類似体は、DNAのリン酸骨格上の荷電酸素を非荷電メチル基またはエチル基に置き換えました。他のDNA類似体がテンプレート合成と指向進化を起こすことは示されていますが、この発見は、非電解質DNA類似体がこれらの特性を持つことが示された初めてのケースであり、遺伝子のポリ電解質理論が実験的に疑問視された初めてのケースでした。^[23]しかし、phNAのテンプレート指向合成は、72ヌクレオチドの長さまでしか行われていませんでした。^[22]これは、自然界で最も短い遺伝子であるtRNAの長さとほぼ同じですが、^[24]最小の自由生活生物のゲノムよりも約1桁短いです。^[25]参考までにヒトゲノムの長さは3.05×10⁹塩基対である。^[26]

遺伝子のポリ電解質理論は、その発端以来、宇宙における生命の探索という文脈で取り上げられてきました。この理論は、遺伝子を非周期的結晶とみなすシュレーディンガーの見解と組み合わされ、いわゆる「不可知論的バイオシグネチャー」^[1] 、つまり生化学を前提としない生命の兆候を提供します。^[27]言い換えれば、生命の一般化された見解は、宇宙のどこにでも当てはまるはずです。^[1]

理論上の遺伝性高分子電解質生体分子は、DNAやRNAの場合のように、正にも負にも帯電する可能性があるため、電気泳動や電気透析を使用して電場のある水中で濃縮することができます。この仮説上の濃縮装置は、不可知論的生命発見装置と呼ばれています。^[1]電気泳動がDNA分子を分離する仕組みと同様に、DNAやRNAなどの負に帯電した分子は正に帯電した陽極に引き寄せられ、正に帯電した遺伝性生体分子は負に帯電した陰極に引き寄せられます。^[15]

ポリ電解質生体分子が濃縮されたら、分子のサイズと形状の均一性を検査することをベナーは提案している。さらに、分子は、非反復的な方法で配列された限られた数の構成要素、つまり非周期的な結晶構造の使用についても検査する必要がある。^{[1]ベナーは、}マトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）とオービトラップ高解像度質量分析計を組み合わせて使用​​​​することでこれを実行できると示唆している。^[28]提案されている別のアプローチは、ナノポアシーケンシング技術を使用することだが、輸送中および現場で受ける太陽放射がデバイスの機能に影響を与えるかどうかという疑問が残る。 ^[5]宇宙機関は、これらの提案されたシステムをまだ生命検出に使用していないが、将来的には火星、^[28]エンケラドゥス、^[1]エウロパで使用される可能性がある。^[5]

遺伝子のポリ電解質理論と遺伝子の非周期的結晶観は不可知論的なバイオシグネチャーとして説明されているが、これらの理論は地球生命中心である。別の世界の生命がどのようなものかは不明である。あらゆる種類の生命には生体分子と水が必要であるとよく言われるが、これは真実ではないかもしれない。^[19]