Searching for "proto-nucleobases" in extraterrestrial materials and the elucidation of their formation mechanism

• Project Area: Next Generation Astrochemistry: Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes
• Project/Area Number: 23H03980
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 大場 康弘 北海道大学, 低温科学研究所, 准教授 (00507535)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2024: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 地球外物質 / プロト核酸塩基 / 生命の起源 / 化学進化 / 遺伝物質 / 核酸

Outline of Research at the Start

生命誕生前の原始地球上における核酸（RNA，DNA：糖，核酸塩基，リン酸で構成）の合成について，現在のRNA，DNAに用いられている主要核酸塩基五種（シトシン，チミン，ウラシル，グアニン，アデニン）ではなく，プロト核酸塩基と呼ばれる主要塩基以外の窒素複素環化合物が材料となった，という説が提案されている。しかし，プロト核酸塩基の原始地球上での存在を示す証拠は得られておらず，いまだ他の仮説に対する優位性は確立されていない。本申請研究では，プロト核酸塩基が地球外物質（隕石，彗星など）によって原始地球上に供給されたと想定し，炭素質隕石と模擬彗星有機物の分析によってその証拠を探索する。

Outline of Annual Research Achievements

代表的な炭素質隕石であるマーチソン隕石の粉末を塩酸で煮出し，効率的なプロト核酸塩基の抽出を試みた。110℃の6M塩酸で12時間加熱後上澄みを回収し，陽イオン交換カラムクロマトグラフィ－で分画したのち，生成された抽出液を液体クロマトグラフ―超高分解能質量分析計で分析した。一般的な5種核酸塩基に加え，プリンやモノアミノプリン，ジアミノプリン類，メチルウラシル類，イソグアニンなど，プロト核酸塩基として提案されている窒素複素環化合物の存在が確認された。それらの濃度は隕石1ｇあたり0.5-93ngであった。これらの結果は，地球外物質中における普遍的なプロト核酸塩基候補の存在を強く示唆するものである。
小惑星ベヌーで回収されたサンプルの予備分析で，窒素を含む有機化合物が多いことがわかり，本来予定になかったサンプル（~18mg）が我々の分析チームに配分された。上記分析法を駆使し，ベヌーサンプル中からプリンやイソグアニンなど，プロト核酸塩基を含む多様な窒素複素環化合物を検出することに成功した。その濃度は主要核酸塩基と比べて高くなく，ベヌーサンプル中では比較的マイナーな化合物群であることが示唆された。ただし，今後より多くの試料を用いた分析で，その見解が変わる可能性があるので，今後の分析が重要となるだろう。
ヘキサメチレンテトラミンを材料とした小惑星環境を模擬する環境での加熱実験で，種々の窒素複素環化合物，およびそのアルキル置換体が検出された。詳細な構造解析には至っていないが，容易にそうした化合物が生成可能であることは，プロト核酸塩基候補が小惑星母天体中では豊富に存在することを強く期待させるものであり，実際の地球外物質中試料の分析結果との比較が今後不可欠である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定では23年度中の分析は不可能と思われた小惑星ベヌーサンプルが配分され，大きな問題点なく分析が遂行できた一方で，炭素質分析や模擬実験物質，地球上のサンプルの網羅分析など予定通り完了できなかった点を踏まえて，総合的には順調だと判断した。

Strategy for Future Research Activity

小惑星ベヌーサンプルに含まれるプロト核酸塩基候補となりうる窒素複素環化合物を網羅的に解析する。さらに，24年夏以降に予定されているサンプル配分（~0.6g）の本番を見据え，分析環境の再確認，およびサンプル到着後の分析を効率的に遂行する。地球上天然物試料中プロト核酸塩基の分析にも着手し，地球上でのそれら化合物の分布に関する理解を深める。HMTやイエロースタッフ等加熱によるプロト核酸塩基生成実験を重点的に進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASA(米国)
• [Int'l Joint Research] CSIC(スペイン)
• [Int'l Joint Research] コロンボ大学(スリランカ)
• [Journal Article] Abundant extraterrestrial purine nucleobases in the Murchison meteorite: Implications for a unified mechanism for purine synthesis in carbonaceous chondrite parent bodies (2024)
  • Author(s): Koga, T., Takano, Y., Oba, Y., Naraoka, H., and Ohkouchi, N.
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 365 Pages: 253-265
  • DOI: 10.1016/j.gca.2023.10.024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The spatial distribution of soluble organic matter and their relationship to minerals in the asteroid (162173) Ryugu (2023)
  • Author(s): Hashiguchi, Minako; Aoki, Dan; Fukushima, Kazuhiko and 51 more (Yabuta, H.は34番目)
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 75 Issue: 1 Pages: 73-73
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01792-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ryugu asteroid sample return provides a natural laboratory for primordial chemical evolution (2023)
  • Author(s): Oba, Y., Takano, Y., Dworkin, J.P., and Naraoka, H.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 3107-3107
  • DOI: 10.1038/s41467-023-38518-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chemical evolution of primordial salts and organic sulfur molecules in the asteroid 162173 Ryugu (2023)
  • Author(s): Yoshimura, Toshihiro; Takano, Yoshinori; Naraoka, Hiroshi and 84 more (Yabuta, H.は26番目)
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 5284-5284
  • DOI: 10.1038/s41467-023-40871-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Determination of the Branching Ratio of CH₃OH + OH Reaction on Water Ice Surface at 10 K (2023)
  • Author(s): Ishibashi Atsuki、Hidaka Hiroshi、Sameera W. M. C.、Oba Yasuhiro、Watanabe Naoki
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 960 Issue: 1 Pages: 90-90
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acfb82
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polycyclic aromatic hydrocarbons in samples of Ryugu formed in the interstellar medium (2023)
  • Author(s): Zeichner S. S., Aponte J. C., Bhattacharjee S., Dong G., Hofmann A. E., ..., Tachibana S., et al
  • Journal Title: Science Volume: 382 Issue: 6677 Pages: 1411-1416
  • DOI: 10.1126/science.adg6304
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigating the impact of x‐ray computed tomography imaging on soluble organic matter in the Murchison meteorite: Implications for Bennu sample analyses (2023)
  • Author(s): Glavin, D.P., Eckley, S.A., Aponte, J.C., Berger, E.L., Burton, A.S., Dworkin, J.P., Elsila, J.E., Ferguson, F.T., Furukawa, Y., Graham, H.V., Koga, T., Liss, M., McLain, H.L., Naraoka, H., Oba, Y., Parker, E.T., Righter, K., Schmitt-Kopplin, P., Simkus, D.N., Takano, Y., Connolly, H.C.Jr., and Lauretta, D.S. et al.
  • Journal Title: Meteoritics & Planetary Science Volume: 59 Issue: 1 Pages: 105-133
  • DOI: 10.1111/maps.14111
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Approaches for Reproducing the Distribution of N-Heterocyclic Molecules in Carbonaceous Asteroids (2024)
  • Author(s): Y. Oba, T. Koga, Y. Takano, N. Naraoka
  • Organizer: Solar System Symposium 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 炭素質小惑星Bennuに含まれる窒素複素環化合物について (2024)
  • Author(s): 大場康弘, 古賀俊貴，高野淑識，奈良岡浩，A. Mojarro, J. P. Dworkin, D. P. Glavin
  • Organizer: 次世代アストロケミストリー第4回全体集会
• [Presentation] Detection of nucleobases in extraterrestrial materials using liquid chromatography coupled with ultra high-resolution mass spectrometry (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Oba
  • Organizer: JpGU2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chemical evolution from molecular clouds to star-forming regions, and beyond (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Oba
  • Organizer: Chemical Processes in Solar-type Star Forming Regions
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Organic molecules in the asteroid Ryugu and their potential formation pathways (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Oba
  • Organizer: Sapporo-Colombo-Gothenburg Astrochemistry Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 炭素質小惑星リュウグウに存在する窒素複素環化合物の分布 (2023)
  • Author(s): 大場康弘，古賀俊貴，高野淑識，奈良岡浩
  • Organizer: 第40回有機地球化学シンポジウム
• [Presentation] Chemical evolution from the interstellar medium to the solar system: Insight from the analysis of asteroidal materials (2023)
  • Author(s): Y. Oba
  • Organizer: ISM2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 研究室個人ホームページ
  • URL: http://www2.lowtem.hokudai.ac.jp/astro/oba/index1.html