化学班：CO環境で駆動される前駆代謝システムの実証

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: ＣＯ環境の生命惑星化学
• 研究課題/領域番号: 22H05153
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 北台 紀夫 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究開発プログラム), 副主任研究員 (80625723)
• 研究分担者: 山口 晃 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (00756314) ; 中村 龍平 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (10447419) ; Li Yamei 東京工業大学, 地球生命研究所, 特任准教授 (10745128) ; スミス エリック 東京工業大学, 地球生命研究所, 特任教授 (50770468) ; 山本 正浩 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究開発プログラム), 研究員 (60435849) ; 大岡 英史 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 研究員 (90825994)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2027-03-31
• キーワード: アストロバイオロジー

研究実績の概要

本研究では、一酸化炭素に富む惑星環境（CO world）下で進行する化学反応を開拓し、これらの有機的な繋がりから自己触媒作用等の堅牢性を備えた反応ネットワークを創発する。この達成により、COを含む単純な無機物から、アミノ酸・核酸塩基等の生体分子が持続的に生じる前駆代謝システムの実態解明を目指す。
初年度となる本年度ではまず、研究環境のセットアップを行った。そして、数種の生体分子をターゲットとした反応ルートの開拓及び制御に着手した。
理論研究においては、モデルとなる反応ネットワークを設定し、素過程の活性・選択性を変化させた数値シミュレーションを行った。これにより、自己触媒作用が実現する条件を探った。
実験では、多様な有機物を同定・定量するための分析機器を東工大及び海洋研究開発機構に整備した。これらを用いて、対象となる化学反応を順次調査した。具体的には、天然の電気化学反応場を模した実験にて、アミノ酸の生成・分解過程を追跡した。また、ヒスチジンなどのアミノ酸やペプチドが、硫化金属を触媒としたCO2の電気還元活性に与える影響を調査し、赤外・ラマン分光法によりメカニズムを評価した。さらに、COから生じる硫化カルボニルを利用し、アミノ酸の重合化に適した水溶液条件を探った。加えて、尿素やヒドラジンを出発物質とした核酸塩基の生成も検討した。
これらの反応ステップを連結し一連のシステムとして実証するため、多段階ステップをカスケード式に駆動できるフローリアクターを構想し、試作機を設計した。反応選択性の最大化を重視するトップダウン型においては、光と電気の作用により、CO2やSO2から有機物をシームレスに合成するリアクターを構想した。惑星環境の再現を重視するボトムアップ型については、深海熱水噴出孔に生じる発電現象を再現するフローリアクターの設計と試作を行った。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究は当初の計画に沿って順調に進捗している。

今後の研究の推進方策

今後も研究計画に沿って課題遂行を進めていく。

研究成果

• [雑誌論文] Elemental sulfur, hydrogen sulfide, and carbon monoxide-driven dimerization of glycine at submilimolar concentrations: Implications for the origin of life (2023)
  • 著者名/発表者名: Norio Kitadai, Shigeru Shimamura, Wataru Takahagi, Masayuki Miyazaki, Eiji Tasumi, Satoshi Okada
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 349 ページ: 55-63
  • DOI: 10.1016/j.gca.2023.03.033
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantification of Polysulfide Species in Aqueous Sulfur Thermocell (2023)
  • 著者名/発表者名: Wataru Takahagi, Norio Kitadai, Satoshi Okada, Hongyao Zhou, Ken Takai, Teppei Yamada
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 52 ページ: 197-201
  • DOI: 10.1246/cl.220486
  • 査読あり
• [雑誌論文] 重回帰分析による金属硫化物系CO2 還元電極触媒の設計指針の提示 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口晃, 新井勝樹, An Niza El Aisnada, Lee Ji-Eun, 北台紀夫, 中村龍平, 宮内雅浩
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 62 ページ: 40-47
  • DOI: 10.2320/materia.62.40
• [雑誌論文] Action functional gradient descent algorithm for estimating escape paths in stochastic chemical reaction networks (2023)
  • 著者名/発表者名: Praful Gagrani, Eric Smith
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 107 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.107.034305
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polysulfide-assisted urea synthesis from carbon monoxide and ammonia in water (2022)
  • 著者名/発表者名: Norio Kitadai, Satoshi Okada, Akiko Makabe, Eiji Tasumi, Masayuki Miyazaki
  • 雑誌名: PeerJ Organic Chemistry 巻: 4 ページ: -
  • DOI: 10.7717/peerj-ochem.6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Geoelectrochemistry-driven alteration of amino acids to derivative organics in carbonaceous chondrite parent bodies (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamei Li, Norio Kitadai, Yasuhito Sekine, Hiroyuki Kurokawa, Yuko Nakano, Kristin Johnson-Finn
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32596-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 生命起源のケミストリーは地球のハビタビリティーの存続に寄与できるか？ (2022)
  • 著者名/発表者名: 北台紀夫
  • 雑誌名: Viva Origino 巻: 50 ページ: -
  • DOI: 10.50968/vivaorigino.50_4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In situ electrosynthetic bacterial growth using electricity generated by a deep-sea hydrothermal vent (2022)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yamamoto, Yoshihiro Takaki, Hiroyuki Kashima, Miwako Tsuda, Akiko Tanizaki, Ryuhei Nakamura , Ken Takai
  • 雑誌名: ISME Journal 巻: 17 ページ: 12-20
  • DOI: 10.1038/s41396-022-01316-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The information geometry of two-field functional integrals (2022)
  • 著者名/発表者名: Eric Smith
  • 雑誌名: Information Geometry 巻: 5 ページ: 427-492
  • DOI: 10.1007/s41884-022-00071-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Gradient-Driven Electrocatalysis at Submarine Hydrothermal Vents (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryuhei Nakamura
  • 学会等名: KU BK21 Mini-Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chemistry of CO world: Progress report 2022 (2023)
  • 著者名/発表者名: Norio Kitadai
  • 学会等名: Workshop on chemical roots of metabolism
  • 国際学会
• [学会発表] Towards quantitative predictions of chemical reaction networks (2023)
  • 著者名/発表者名: Ooka Hideshi
  • 学会等名: Workshop on chemical roots of metabolism
  • 国際学会
• [学会発表] 深海熱水噴出孔の放電によって集積された独立栄養性細菌とその細胞外電子伝達経路 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山本正浩、高木善弘、鹿島裕之、津田美和子、谷崎明子、中村龍平、高井研
  • 学会等名: 第35回 日本微生物生態学会
• [学会発表] 深海熱水噴出域由来の電気合成微生物の細胞外電子伝達タンパク質群の構造・局在性予測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増川日向子、小林瑠那、高木善弘、高井研、新井博之、山本正浩
  • 学会等名: 第62回 生物物理若手の会 夏の学校
• [学会発表] 深海熱水噴出域由来の電気合成微生物による炭酸固定能の実証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増川 日向子, 小林 瑠那 , 松井 洋平, 高井 研, 新井 博之, 山本 正浩
  • 学会等名: 第35回 日本微生物生態学会
• [学会発表] Geo-Electricityが駆動する窒素サイクル (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村龍平
  • 学会等名: 日本地球化学会第69回年会
  • 招待講演
• [学会発表] Geoelectrochemistry-driven alteration of amino acids to derivative organics in carbonaceous chondrite parent bodies (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamei Li, Norio Kitadai, Yasuhito Sekine, Hiroyuki Kurokawa, Yuko Nakano, Kristin Johnson-Finn
  • 学会等名: AbSciCon meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Geo-electrochemistry drove chemical evolution in water/rock interacted environments on Earth and icy planetesimals (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamei Li
  • 学会等名: The 45th Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular descriptors of aqueous alteration-induced organic decomposition in parent body of carbonaceous chondrites and Ryugu asteroid (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamei Li
  • 学会等名: Hayabusa 2022 Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Combinatorics in evolution: From rule-based systems to the thermodynamics of selectivities (2022)
  • 著者名/発表者名: Eric Smith
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Information Gateways to Life (2022)
  • 著者名/発表者名: Eric Smith
  • 学会等名: The 4th Information Universe Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Combinatorial Chemistry with Rule-Based Systems and its Associated Information Theory (2022)
  • 著者名/発表者名: Eric Smith
  • 学会等名: Workshop: Life in the Universe
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 太陽系初期の化学進化に影響を与える新たな化学プロセスを解明
  • URL: https://www.elsi.jp/news_events/highlights/2022/chemical_evolution_early_solar_system/