Experimental Validation of "the Garakuta World" Hypothesis for Origins of Life
| Project/Area Number |
19K21895
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
小林 憲正 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 名誉教授 (20183808)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三田 肇 福岡工業大学, 工学部, 教授 (00282301)
癸生川 陽子 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70725374)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 生命の起源 / がらくたワールド / アミノ酸前駆体 / 触媒活性 / 宇宙線 / 紫外線 / 分子雲 / 太陽系小天体 / ホモキラリティー / 高分子態有機物 / 粒子線照射 / 触媒機能 |
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| Outline of Research at the Start |
従来の古典的な化学進化説では，小分子から少しずつ大きな分子が生成し，その後，機能が創出したと想定されてきた。本研究では，単純な分子の混合物に高エネルギー付与と急冷により微弱な化学機能をもつ多様な分子（がらくた分子）が一挙に生成し，その進化・選択により微弱な生命機能を有する分子群が生成するというシナリオ，「がらくたワールド説」の実験的検証を行う。一酸化炭素・アンモニアなどの模擬星間物質や模擬原始大気に粒子線を照射した時に生じた高分子態複雑分子（がらくた分子）の機能を調べ，それが種々の宇宙地球環境下で変成を受けた場合の機能の進化を調べる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来の化学進化仮説においてはアミノ酸などの小分子が縮重合することにより生じた高分子の中に生化学的機能を有するものが生じ，そこから生命が誕生したとされてきた。本申請研究では，宇宙線などの高エネルギー現象によりまず高分子態有機物（がらくた分子）が生じ，これが有する微弱な生化学的機能が進化することにより生命が誕生したとする「がらくたワールド説」の検証を試みている。昨年度，一酸化炭素などの単純な分子から陽子線やガンマ線照射によりアミノ酸前駆体を含む高分子態有機物の生成が確認されたため，本年度は，分子雲を模擬した実験により生じる高分子態有機物の(1)宇宙における安定性の評価と(2)機能の測定を行った。(1)では一酸化炭素・アンモニア・水混合物に陽子線照射をして合成した「がらくた分子」(CAW；複雑態アミノ酸前駆体を含む)をグリシンやグリシン前駆体のヒダントインとともに国際宇宙ステーション曝露部上で３年間宇宙曝露したものの解析を行った。CAWは他の分子よりもはるかに強い紫外線吸収をもつにもかかわらず，紫外線吸収の少ないヒダントインよりも安定で，また，さらに紫外線吸収の少ないグリシンとほぼ同じ安定性を示した。 (2)では，酢酸p-ニトロフェニルを基質として吸光法によりエステラーゼ活性を調べたところ，CAWは全体として有機炭素1 g当たり4 マイクロmol/minの比活性がえられた。これは，エステラーゼ活性を有することが知られているイミダゾールの比活性の1/100である。しかし，CAW中には活性を持たない分子も多いため，より高い比活性をもつ画分が存在しているはずである。そこで，既存のHPLCにポストカラム反応系を装着し，混合物を分離しながら各成分の活性を測定できる装置を作製した。次年度，この装置を用いてより高機能な分子の存在を調べ，前生物的な機能性分子の生成の確認を行う予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１．模擬分子雲環境で生成した高分子態有機物（アミノ酸前駆体を含む；CAW）の宇宙環境中での安定性を，実験室での模擬実験に加え，国際宇宙ステーション曝露部を用いた実際の宇宙環境において評価した。宇宙での安定性は，紫外線が照射される環境においては紫外線が最もクリティカルであるが，CAWはグリシンやヒダントインとった小分子と較べて，同等またはそれ以上に安定であることが確認された。紫外線が照射されない環境では熱や放射線が制限因子となるが，これらに対してはCAWはグリシンやヒダントインよりも安定であり，宇宙（および地球）環境でCAWのような高分子態有機物がロバストな分子であることが確認できた。以上の成果はAstrobiology誌に投稿した。
２．模擬実験で生成した有機物の機能として，触媒活性の評価を行った。吸光光度法によりエステラーゼ活性を測定することにより，CAWがエステラーゼ活性を有することが確認できた。CAWはさまざまな分子の混合物であるため，その中に比活性（単位有機炭素あたりの活性値）が強い分子が存在することが期待できる。その解明のため，既存のHPLC装置にポストカラム反応系を装着し，オンラインで活性の評価ができるようにした。
３．これまでの実験結果より，一酸化炭素，アンモニアなどの単純な分子から分子量数百～数千の複雑なアミノ酸前駆体が核酸塩基などと同時に生成しうることが確認できた。また，このような分子が宇宙環境でも比較的安定であること，また触媒活性を有する分子を含むことなでがわかった。遊離アミノ酸やペプチドといった，これまでの化学進化実験で想定されてきた分子と異なるタイプの高分子態分子の混合物（がらくたワールド）を出発とした化学進化の経路を考える必要性が強く示唆された。
４．コロナ禍で一部実験や成果発表が遅れた部分があり，研究期間の延長を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．一酸化炭素・アンモニアなどの単純な分子から陽子線照射により合成した高分子態有機物の宇宙における安定性を地上実験および宇宙実験「たんぽぽ計画」で評価してきたが，さらにより短波長の太陽紫外線の効果を調べるための宇宙実験「たんぽぽ２」の宇宙曝露が昨年度終了し，地球に帰還した。次年度は，その解析を行い，無生物的に合成した高分子態有機物の宇宙での安定性の評価を継続する。なお，たんぽぽ２では，光学窓を用いずに宇宙曝露した試料も含まれている。さらにたんぽぽ後継ミッションでの曝露実験の継続や，炭素質コンドライトや宇宙塵中の有機物分析結果との比較も行う。
２．高分子態有機物(CAW)の触媒機能としては，吸光法によりエステラーゼ活性を測定したが，CAW中により高い触媒機能（比活性）を有する分子を探索するため，令和2年度に作製した，HPLCと結合した活性評価システムを用いた分析を行う。ここでは，より高感度な蛍光法（基質は二酢酸フルオレセイン）での活性測定を行う。また，他の活性（ペルオキシダーゼ活性など）の存在も調べる。
３．分子雲中で生成したがらくた分子プール(CAW)が，小天体中に取り込まれた後，その内部でどのように変化していくかを，オートクレーブなどを用いて検証する。小天体内部では，分子雲で生成した分子の変成と，小天体内部に存在するホルムアルデヒドなどの小分子からの合成が平行して起きるはずである。
４．以上の結果から，宇宙環境（分子雲中の星間塵，隕石母天体内）で生成した高分子態有機物（がらくた分子）の機能（触媒活性，光学活性など）が，供給先（原始海洋など）の環境下で「進化」しうるかを検討し，地球上での生命の誕生にいたる新規化学進化シナリオとして「がらくたワールド仮説」をまとめて，論文として発表するとともに社会へのアウトリーチも行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(62 results)
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[Presentation] Ultracomplex Amino Acid Precursors Formed from Interstellar Media Analogs by High Energy Particles Irradiation,2021
Author(s)
K. Kobayashi, S. Kuramoto, T. Sato, Y. Kebukawa, M. Nakayama, H. Mita, K. Kanda, H. Fukuda, Y. Oguri, S. Yoshida, H. Shibata
Organizer
COSPAR 2021
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[Presentation] Space Exposure of Amino Acids and Amino Acid Precursors in the Tanpopo and the Tanpopo 2 Missions2021
Author(s)
K. Kobayashi, H. Mita, Y. Kebukawa, I. Sakon, K. Nakagawa, T. Yokoo, T. Sato, K. Terasawa, M. Nakayama, J. Takahashi, H. Shibata, S. Yoshida, I. Yoda, H. Fukuda, Y. Oguri, K. Kanda, H. Hashimoto, S. Yokobori, A. Yamagishi and H. Yano
Organizer
COSPAR 2021
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[Presentation] たんぽぽ２～ダストから生命へ：2019-2020年の宇宙曝露運用と地球帰還後の科学分析計画2021
Author(s)
矢野創, 三田肇, 左近樹, 小林憲正, 癸生川陽子,横谷香織, 阿部智子, 新井和吉, 遠藤いずみ, 藤島皓介, 今井栄一, 加藤浩, 木村駿太, 中川和道, 奥平恭子, オン碧, 佐々木聰, 田端誠, 冨田勝, 山岸明彦
Organizer
第21回宇宙科学シンポジウム
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[Presentation] Stability of Amino Acids and Amino Acid Precursors in Space: Approaches Through Space Experiments (Tanpopo and Tanpopo 2) and Ground Simulation Experiments2020
Author(s)
K. Kobayashi, T. Sato, T. Yokoo, I. Sakon, H. Yano, M. Nakayama, H. Mita, H. Hashimoto, S. Yokobori, A. Yamagishi, S. Yoshida, I. Yoda, H. Fukuda, Y. Oguri, K. Kanda
Organizer
JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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[Presentation] Third year results and current status of Tanpopo: Capture and exposure experiment of micrometeoroids and microbes on Exposure Facility of International Space Station2020
Author(s)
Akihiko Yamagishi, Hirofumi Hashimoto, Hajime Yano, Yuko Kawaguchi, Shin-ichi Yokobori , Kensei Kobayashi, Mita Hajime, Hikaru Yabuta, Masumi Higashide, Makoto Tabata, Eiichi Imai,
Organizer
JpGU-AGU Joint Meeting 2020
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[Presentation] Formation of Amino Acid Precursors in Slightly-Reducing Primitive Atmospheres by Solar Energetic Particles2019
Author(s)
K. Kobayashi, M. Kinoshita, S. Mouri, Y. Kebukawa, B. Kunwar, K. Kawamura, J. Takahashi, H. Shibata, H. Fukuda, Y. Oguri and V. S. Airapetian
Organizer
19th EANA Astrobiology Conference,
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[Book] 地球・惑星・生命2021
Author(s)
日本地球惑星科学連合編，井田茂，小林憲正，他
Total Pages
272
Publisher
東京大学出版会
ISBN
9784130637152
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