2021 Fiscal Year Annual Research Report

水が引き起こす化学進化-高分解能AFMによる前生物的RNA合成のその場観察-

Research Project

Project/Area Number	19H02015
Research Institution	Ritsumeikan University
Principal Investigator	荒木優希立命館大学, 理工学部, 助教 (50734480)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	古川善博東北大学, 理学研究科, 准教授 (00544107)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	粘土 / 吸着 / 周波数変調原子間力顕微鏡
Outline of Annual Research Achievements	2021年度は、マグネシウムイオンの存在下で粘土鉱物や炭酸カルシウム結晶表面へのヌクレオチドの吸着が顕著に増大することを周波数変調原子間力顕微鏡(FM-AFM)による液中その場観察から明らかにした。純水中ではマイカ、モンモリロナイト基板上へのヌクレオチドの吸着はほとんど見られなかったが、そこに塩化マグネシウム溶液を加えると基板表面が埋め尽くされるほど顕著にヌクレオチドの吸着が増大する様子が観察された。塩化カルシウム溶液を添加した場合にも吸着量は増大したが、マグネシウムほど顕著な変化は見られなかった。炭酸カルシウム結晶であるカルサイト基板表面においても同様で、塩化マグネシウム溶液添加後にヌクレオチドの吸着が観察された。カルサイト上では粘土のように表面全体を覆うほどの吸着は見られなかったが、これは両基板の表面電荷密度の違いに起因すると推測している。さらに、よりシンプルな分子構造を持った糖分子としてリボースを用いて同様の実験を行ったところ、やはりマグシウムイオンによる吸着量の増大が観察された。マグネシウムイオンの添加によってヌクレオチドの吸着が増大する理由について、本研究では基板表面の脱水和エネルギーが下がるためであると予測しており、カルサイト結晶上ではマグネシウムイオンにより水和構造が変化することを既に確認している。最終年度は実際にマグネシウムイオンによる粘土表面の水和構造・水密度がどのように変化するのかをFM-AFMによる固液界面その場観察により明らかにする。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 半導体不足に伴う部品の調達遅れ等により、市販のAFMを周波数変調型に改造する作業に遅れが生じたため、ヌクレオチドが吸着する際の粘土基板表面の水和構造その場観察実験が著しく遅れている。現在は部品調達が完了し最終調整を進めているが、同時並行して他大学が所有する高分解能AFMを借用しつつ水和構造観察を実施する。
Strategy for Future Research Activity	ヌクレオチドの吸着、重合と水和構造変化との相関を明らかにするために、以下の実験を重点的に行う。・マグネシウムなどの金属イオンや粘土を触媒として用いた先行研究では、水溶液中でのヌクレオチド重合は活性化させたヌクレオチドを用いなければ進行しないと報告されているが、非活性のヌクレオチドは粘土基板上に吸着したまま分析用試料として回収されておらず、実際には重合が進んでいる可能性が残っている。その検証のため、非活性のヌクレオチドを用いて先行研究の再現実験を行い、その粘土表面にヌクレオチドオリゴマー（前生物的RNA）が残存していることを高分解観察から明らかにする。この実験により、上記触媒の存在下で前生物的RNAが水中で起こるか否か明らかにする。・シート状になるヌクレオチドオリゴマーを設計し、粘土基板表面の水和構造と同時並行でヌクレオチド表面の水和構造の添加物による変化をその場観察する。この実験により、水中における前生物的RNA形成において、触媒が基板やヌクレオチド表面の水に働きかけていること、またその機構を明らかにする。