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Research News

ヒドロキシアパタイトが生命の生みの親!?

リボース生成の触媒機構を解明

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先端科学技術研究センター
工学系研究科・工学部
2018/04/19

© 2018 岡本晃充核酸を構成するリボースが、宇宙空間にも存在するホルムアルデヒドやグリコールアルデヒドから、ヒドロキシアパタイトによる触媒反応を介して、生成した。

リボースの誕生
核酸を構成するリボースが、宇宙空間にも存在するホルムアルデヒドやグリコールアルデヒドから、ヒドロキシアパタイトによる触媒反応を介して、生成した。
© 2018 岡本晃充

東京大学先端科学技術研究センターの岡本晃充教授と大学院工学系研究科の宇佐美花穂大学院生は、天然の鉱物であり、骨や歯を構成することでも知られるヒドロキシアパタイトが、核酸の構成要素であるリボースの合成を触媒することを見いだしました。

核酸(DNA・RNA)は生命を司る鍵物質です。核酸の複雑な構造が前生物学的な環境の中でどうやって創られたのかについて、まだ明らかになっていません。核酸を構成するリボースやヌクレオチドを簡単な炭素源から作り出す試みは数多く行われています。強塩基性条件下で炭素源を混合する、もしくは多段階反応を経由して合成するなどの試みが既に示されていますが、タール状の生成物が生じたり、原料として高活性な炭素源が必要だったりといった問題点が指摘されています。

岡本教授らの研究グループは、宇宙空間にも存在するシンプルな炭素源としてホルムアルデヒドとグリコールアルデヒドを含む水溶液にヒドロキシアパタイト粉末を加えて数日間加熱したところリボースを主成分とする五炭糖の混合物が生成することを見いだしました。また、ホルムアルデヒドとグリコールアルデヒドからリボースへ至る過程を核磁気共鳴分光法と質量分析法を用いて解析したところ、1861年にリボースの可能な生成過程として示唆され、その後1959年にそのメカニズムが提唱された「ホルモース反応」と呼ばれる、クロスアルドール反応とロブリー・ド・ブリュイン=ファン・エッケンシュタイン転位反応を2回繰り返す一連の反応がヒドロキシアパタイトの表面で引き起こされることがわかりました。さらなる機構解析によって、ヒドロキシアパタイトの表面構造が五炭糖の中でも特にリボース生成に有利であることが明らかになりました。また、反応は中性から弱酸性の水溶液中で進行しました。

現時点では、ヒドロキシアパタイト存在下でホルムアルデヒドとグリコールアルデヒドからまだわずかにリボースが生成するだけですが、炭素源水溶液を高熱のリン鉱床の中を通すだけで核酸の原料が生じうることを示しています。まだリボースからヌクレオシドが生じる段階は明らかになっていませんが、今回ホルモース反応のメカニズムを明らかにしたことで、今後この反応を介して原始ヌクレオチドを作り出されることが期待されます。

「生命の起源に興味があります」と岡本教授は話します。「自然にはグルコースやガラクトースなどよく知られた多くの糖があるにもかかわらず、核酸がなぜリボースを選んだのか知りたくなりました。宇宙空間に存在する炭素源、火成岩から得られる鉱物を使ってリボースを作ることができるか試してみました。驚くことに、核酸でも使われているリン酸を含むヒドロキシアパタイトがリボース合成を触媒しました。ヒドロキシアパタイトによるリボース生成反応は、核酸がなぜリボースやリン酸を使っているのかという生命の起源に関する疑問に対する一つの答えを示唆しているかもしれません」。

プレスリリース

論文情報

Kaho Usami and Akimitsu Okamoto, "Hydroxyapatite: Catalyst for a one-pot pentose formation", Organic & Biomolecular Chemistry Online Edition: 2017/09/27 (Japan time), doi:10.1039/C7OB02051A.
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