原始代謝

1861 年にアレクサンドル・ブトレロフによって発見されたホルモース反応は、ホルムアルデヒド(CH ₂ O) を単純糖の混合物に変換する 2 つの反応のセットです。 ^{[ 19 ] [ 20 ]}ホルムアルデヒドは、単純な炭素分子 (例えばメタン) の酸化の中間体であり、初期の地球の大気中に存在していたと考えられます。^{[ 21 ]}最初の反応は、ホルムアルデヒド (C1 炭素) からグリコールアルデヒド (C2 炭素) へのゆっくりとした変換であり、未知のメカニズムで起こります。2 番目の反応は、より速く自己触媒的に高分子量アルドースとケトースを生成する反応です。^{[ 22 ]}ホルモース反応の速度論は、アルカリ性反応が最低分子量の糖を原料または反応への入力分子として使用するため、自己触媒的であるとよく説明されます。 ^{[ 17 ]}ホルモース反応のような自己組織化された自己触媒ネットワークは、変化する前生物的環境条件への適応を可能にします。^{[ 17 ]}概念実証として、ロビンソンらは環境条件や触媒の利用可能性の変化が結果として得られる糖製品にどのような影響を与えるかを実証した。^{[ 18 ]}

過去には、多くの研究者が、この反応がリボースにつながる可能性があるため、生命の起源と代謝の起源にとって重要であると示唆してきた。リボースはRNAの構成要素であり、原始代謝の重要な前駆体である。しかし、リボースに対する化学選択性が低いことや、最終反応混合物の複雑さが高いことなど、ホルモース反応が糖の化学的起源となるには限界がある。^{[ 23 ]}さらに、リボース、核酸塩基、リン酸が直接結合してリボヌクレオチド（RNAの構成要素）を作ることは、現在化学的に実現不可能である。^{[ 24 ]}シアノ硫化物による生命前化学など、代替の生命前メカニズムが提案されている。

地球上では、シアン化水素（HCN）は火山、雷、ミラー・ユーリー実験のような還元性大気で生成されます。^{[ 25 ]}冥王代の地球では、巨大な衝突現象と活発な熱水プロセスが広範囲にわたる金属生成と金属ベースの原始的代謝に寄与したと考えられます。^{[ 26 ]}シアン化水素は、隕石や太陽系外縁部の大気からも検出されています。 ^{[ 27 ] [ 28 ]}

HCN由来ポリマーは、HCNのオリゴマーまたは加水分解生成物です。 ^{[ 29 ]}これらのポリマーは、アルカリ性条件下でHCNまたはシアン化物塩から合成できますが、幅広い実験条件下で観察されています。^{[ 6 ] [ 30 ]} HCNは容易に自身と反応し^{[ 31 ]} 、多くのHCNポリマーや、核酸塩基^{[ 6 ] [ 32 ]} 、アミノ酸[33] 、カルボン酸^{[ 34 ]}などの生物学的に関連する化合物を生成します。生成物の多様性は^{、 HCNオリゴマー化反応の妥当な原始代謝ネットワークを示唆する可能性があります。ただし、一部のグループは、初期地球ではHCN濃度が}低く、主要な生物学的に関連する生成物の化学選択性が低いことを指摘しており、これはホルモース反応と同様です。^{[ 35 ]他のグループは、大きな衝突後には大量のHCNが生成され[ 36 ]}、高い特異性と収率を達成できることを示しました。 ^{[ 37 ]}

ホルムアミド（NH₂CHO _）は、最も単純な天然アミドです。HCNと同様に、ホルムアミドは自然に生成されます。^{[ 38 ]}ホルムアミドは、初期の原始代謝ネットワークの普遍的な前生物的前駆体として適している可能性のある、特定の物理的特性と安定性を持っています。 ^{[ 17 ]}例えば、生命に遍在する4つの普遍的な原子元素、C、H、O、Nを含んでいます。酸素と窒素を含む独自の官能基の存在は、アミノ酸、糖、ヌクレオシドなどの重要な生体分子や他の前生物的反応（例えばクエン酸回路）の重要な中間体を構築するための反応化学をサポートします。^{[ 17 ] [ 39 ]}さらに、熱水孔などの初期地球の地質学的特徴は、濃度要件を伴うホルムアミド化学と重要な前生物的生体分子の合成をサポートする可能性があります。^{[ 40 ]}

全体として、ホルムアミド化学は、ホルモース反応、ストレッカー合成、HCNオリゴマー化、またはフィッシャー・トロプシュプロセスなど、前生物的生体分子合成をサポートするために必要な接続と基質をサポートできます。^{[ 17 ] [ 41 ]}さらに、ホルムアミドは沸点が210℃であるため、蒸発反応によって容易に濃縮できます。 ^{[ 38 ] [ 42 ]}この反応は1炭素原子前駆体に対して高い汎用性を持っていますが、異なる生合成経路間の接続はまだ直接実験的に調査されていません。

シアノ硫化物シナリオは、エッシェンモーザーグループとサザーランドグループによって提案されたプロト代謝のメカニズムです。^{[ 43 ] [ 37 ]}エッシェンモーザーグループの研究では、HCNとアルデヒドの相互作用がジアミノマレオジニトリル（DAMN）の形成を触媒できることが示唆されました。このサイクルの繰り返しにより、加水分解および酸化還元プロセスによる官能基変換を通じて、複数の中間代謝物と重要な生体分子前駆体が生成されます。この発見をさらに発展させるために、サザーランドグループは、前生物中間体と1炭素原料からの生体分子ビルディングブロックの組み立てを実験的に評価しました。^{[ 37 ]}彼らは、シアン化水素、アセチレン、アクリロニトリル（シアン化物とアセチレンの生成物）、およびジヒドロキシアセトン（グリセルアルデヒドとリン酸の安定なトリオース異性体）の反応物から、リボヌクレオチド、アミノ酸、および脂質の前駆体を合成しました。これらの反応は紫外線によって促進され、硫化水素（H₂S）を主要な還元剤として用いる_。これらの合成反応はそれぞれ独立して試験され、一部の反応では追加の反応物を定期的に投入する必要があるため、これらの生体分子前駆体は、初期地球環境で想定されていたようなワンポット合成によって厳密に生成されたわけではない。同じ研究の中で、これらの著者らは、フローケミストリー、すなわち反応物が水中を移動することによって、これらの分子の合成に適した条件が生成される可能性があると主張している。

エッシェンモーザーはまた、HCNのオリゴマー化と加水分解によって生成される単純なα-ケト酸であるグリオキシル酸によって前生物反応間のつながりが繋がる並行シナリオも提案した。^{[ 44 ]}_{この研究で、エッシェンモーザーは、もっともらしい1炭素源（HCN、CO、 CO2} ）から情報オリゴマーと他の重要な自己触媒反応の両方を生成する潜在的なスキームを提案している。

スクリップス研究所のクリシュナムルティ研究グループは、この理論を実験的に拡張した。^{[ 45 ]}穏やかな水溶液条件下で、グリオキシル酸とピルビン酸の反応により、還元型トリカルボン酸（TCA）回路を構成する一連のα-ケト酸中間体が生成されることを実証した。この反応は、グリオキシル酸が炭素源と還元剤の両方として作用するため、金属触媒や酵素触媒なしで進行した。同様に、モラン研究グループも、ピルビン酸とグリオキシル酸が温かい鉄分豊富な水中で反応してTCA中間体といくつかのアミノ酸を生成することを報告している。^{[ 46 ] [ 47 ]}彼らの研究により、11個のTCA中間体のうち9個と5個の普遍的な代謝前駆体が再構築された。^{[ 17 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}このシナリオを現代の代謝に結びつけるには、追加の実験的分析が必要である。

遺伝子優先仮説は、最初の生命システムは、遺伝情報を保存し、化学反応を触媒する能力を持つ自己複製する情報分子、おそらくRNAであったと提唱している。^{[ 51 ]}このモデルでは、単純な自己複製分子が選択圧の下で進化し、ますます複雑な生物になったと考えられる。^{[ 52 ]}

遺伝子優先仮説の重要な利点は、テンプレート指向複製が可能な単一の分子は、改変が確実に受け継がれる場合、容易に進化できるのに対し、代謝ネットワークは根本的に進化的な変化に抵抗力があることである。^{[ 52 ]}

自己触媒ネットワークとは、ある反応の生成物が触媒として働き、同じネットワーク内の他の反応を加速させる一連の化学反応のことです。簡単に言えば、ネットワーク内の化学物質が互いに助け合ってより多くの化学物質を作り出し、自己維持的で自己複製するシステムを形成します。代謝優先の生命起源論における共通の課題は、遺伝子を持たない化学ネットワークは変化に抵抗する傾向があることです。ある化学物質（A）が別の化学物質（B）の生成を助け、この2番目の化学物質（B）が最初の化学物質（A）の生成をさらに助けるシステムを想像してみてください。これは自己複製ループを形成しますが、進化は困難です。なぜなら、最初の化学物質（A'）の改良版が現れたとしても、システムは元の化学物質（B）しか生成せず、改良版（B'）は生成しないからです。このシステムが進化するには、改良版の最初の化学物質（A'）がさらに改良版の2番目の化学物質（B'）の生成を助け、それが改良版の最初の化学物質（A'）の生成をさらに助ける必要があり、これは非常に起こりにくい連鎖です。複数の化学物質が互いに生成を助け合うより複雑なネットワークでは、ネットワークが大きくなるにつれて、この進化の困難さは劇的に増大します。 [ ^{52 ]​}

トーマス・チェフとシドニー・アルトマンによるリボザイム（触媒活性を持つRNA分子）の発見は、1989年にノーベル化学賞を受賞し、この仮説を決定的に裏付けるものとなった。^{[ 12 ]}

代謝優先仮説は、代謝反応の自己触媒ネットワークが生命の最初の形態であったことを示唆している。^{[ 53 ]}これは、遺伝子優先仮説であるRNAワールドの代替仮説である。 1955年にマルティナス・イカスによって初めて提唱された。^{[ 54 ]}この分野における最近の研究の多くは、理論的な前生物ネットワークの計算モデリングに焦点を当てている。^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

代謝優先説の提唱者たちは、複製に必要な分子の蓄積なしには複製と遺伝機構は発生し得なかったと仮定している。 ^{[ 59 ] [ 7 ]}それだけで、前生物的合成反応間の単純な結合が重要な有機分子を形成し、膜に包まれると最初の細胞を構成する。これらの反応はさまざまな無機分子やイオンによって触媒され、固体表面によって安定化される可能性がある。^{[ 60 ]}分子自己複製装置と酵素は後に出現し、これらの将来の代謝は現代の代謝によりよく似ている。

生命発生の代謝優先仮説に対する批判の一つは、生命体も高い忠実度で自己複製能力を持つ必要があるという点である。^{[ 61 ]}そうでない場合、初期地球でより高い適応度を持つ化学ネットワークは保存されないだろう。これらの理論に対する実験的証拠は限られているため、代謝優先の生命起源の実現可能性を判断するには、この分野でのさらなる研究が必要である。