Is formamide a plausible prebiotic precursor?

原始地球でプレバイオティクス前駆体の役割を果たした化学物質の性質はまだ議論のあるところである。 この問題に対する一般的なアプローチとして、対象となる単純な有機化合物の次のような物理的・化学的特性を考慮する必要がある。 すなわち (i) この惑星で遺伝的プロセスが早期に開始されるための前提条件と考えられる、出発生物学的物質の相対的存在量 (ii) その安定性 (iii) 再現可能な経路に従ってより複雑な構造を与えるために反応するその能力。

(i) Availability

Formamide (H2NCOH) は宇宙における存在量と拡散の必要条件を満たしている。 小惑星彗星や星間雲の分子組成の分析から、より一般的で生物学的に重要な4つの元素H、O、C、N（Heを除く）からなる化合物は、イソシアネートHNCOとホルムアミドH2NCOHであることが分かっている。 ホルムアミドは星間物質の気相、長周期彗星ヘール・ボップから検出され、若い恒星天体W33A周辺の固相粒子の中からも暫定的に検出された。 また、エウロパのような条件下でホルムアミドが生成される可能性が観測されています（Hand, K.; Carlson, R. W., Department of Geological & Environmental Sciences, Stanford University; personal communication, July 2006）

(ii) Stability

フォルムアミドは安定性に関する必要条件を満たしています。 この話題はシアン化水素（HCN）の化学と結びつけて考えなければならない。 HCNからアデニンを合成するというOròによる極めて重要な実験以来、原始核酸の起源におけるこの化合物の役割を評価するために、多くの研究が行われた。 しかしながら、HCN化学のプレバイオティックな関連性については、2つの問題が未解決のままである。 (1)HCNは熱力学的に不安定であること、(2)核酸塩基の種類が少なく、HCNの縮合により生成されるのはプリン体のみであることである。 そこで、現存する核酸に含まれるピリミジンが、等電子的・等幾何的なプリン体の後酵素的置換体であるという、全プリン型核酸の前駆体が提案された。 HCNは、幅広い環境条件下で気体である。 したがって、均一溶液中でのHCNの化学反応（原始地球での化学的プレバイオティクスシナリオが主に受け入れられている）には、まず水への吸収が必要である。 吸着過程後、HCNの重合と加水分解が競合し、その結果は濃度によって決まる。 この2つの反応は、HCNの濃度が0.01〜0.1M（pH8〜9）の間で等価である。 希薄な溶液ではホルムアミドへの加水分解（図1、式A）が優勢であり、高濃度では重合が優勢になる。 原始海洋におけるHCNの定常濃度は、その生成と加水分解の推定速度に基づいて、pH7において100℃で4×10-12 M、O℃で2×10-5 Mと算出された。 これらの濃度は核酸塩基への重合が起こるには低すぎるため、ホルムアミドへの加水分解が促進される。

ホルムアミド基本化学の話。

HCNは水よりも揮発性が高いため、そのpKa（25℃で9.2）よりも低いpHでは、単なる蒸発で濃縮することはできない。 このことから、HCNが重合に十分な濃度に達する手段として共晶凍結が示唆された。

同じ研究で、原始海洋ではHCNの加水分解によってのみホルムアミドが生成したと仮定し、200、100、0℃でそれぞれ2 × 10-18, 1 × 10-15, 1 × 10-9 Mと、ホルムアミドからギ酸アンモニウム（図1、式B）の加水分解速度（および定常濃度）も推定している。

これらのデータに基づいて、著者らは「ホルムアミドが前生物化学で重要な役割を果たしたとは考えにくい」と提言しています。

しかし、この仮定は、(i) ホルムアミドが HCN 以外の原始地球上で大きく拡散した前生物化合物から生成できること、および (ii) ホルムアミドが広い温度と圧力値の下で液体であり、210℃の沸点と共沸効果が非常に限られていることを考慮していない …。 このため、HCNと異なり、乾燥ラグーンモデルにおけるホルムアミドは容易に濃縮することができ、濃縮時の安定性を高め、核酸塩基への重合を起こすのに十分な濃度を提供することができるのです。 水中でのホルムアミドの加水分解は、溶媒重水素の動力学的同位体効果を調べることで再検討されました。 その結果、定数khydは1.1 × 10-10 s-1となり、25℃、pH7.0において約200年のt1/2に相当することが分かりました。

大気圧下190-210℃でホルムアミドはアンモニア（NH3）と一酸化炭素（CO）（図1、式C）またはHCNと水（図1、式D）に熱分解される。 HCNの生成は通常、適切な触媒の存在下で促進される。例えば、酸化アルミニウムの場合、400℃から600℃の温度での収率は>90%であり、触媒がない場合はNH3とCOの生成が優勢である。 さらなる分解生成物も検出される。 これらの生成物には、加水分解条件下で核酸塩基を生成する可能性のある高分子シアン化水素誘導体が含まれます。

このように、ホルムアミドを主成分とする反応混合物の組成は、HCNとの差で、プリンおよびピリミジン核酸塩基の合成に必要なすべての前生物前駆体を提供する環境反応器の組成によって調整される。 優勢な生成物のパネルの組成は、以下に詳述するように、反応媒体中に存在する触媒の特定の物理的および化学的性質に依存する。

ホルムアミドからの核前駆体の合成

核酸塩基、1つのアミノ酸および縮合剤

核酸塩基

我々は、ホルムアミドが、大きく拡散した金属酸化物と鉱物の存在下で110～160℃で加熱するだけでプリンおよびピリミジン両方の核酸塩基に縮合するという独自の特性を有することを観察した。 得られた生成物を、試験した触媒と掛け合わせ、複雑さが増すにつれてグループ分けして表1に示す。 プリンは、触媒を用いずにホルムアミドを加熱することで得られる唯一の化合物である。 この大規模な生成物のアンサンブルの最も関連性の高い側面は次のとおりです:

– それぞれの触媒の存在下で得られる化合物のパネルは「きれい」であることです。 リン酸塩鉱物のパイロモルファイトの場合はシトシンだけを、チルドレンサイトの場合はほとんどN-ホルミルグリシンのみを生成するように、ある場合には合成が非常に特異的であることが観察されるだけである。 また、ピロリン酸塩Na4P2O7では、プリン以外にアデニン、ヒポキサンチン（グアニンの生体異物）、ウラシル、シトシン、N-ホルミルグリシンおよびカルボジイミドが生成され、より豊富な種類の製品が得られる場合もある。 また、酸化チタンでは、（プリンに加えて）アデニン、N9-ホルミルプリン、N9-N6-ジホルミルアデニン、シトシン、チミン、5-ヒドロキシメチルウラシルを得ることができる。

– 極めて興味深いことに、TiO2はプリンアシクロヌクレオシドの合成も触媒する（表1では報告されていない、文献23を参照）。 この観察は、前生物学的条件下で、別々に合成された核酸塩基と糖の間にβ-グリコシド結合を構築することが難しいことが知られているため、特に前生物学的関連性を持っている.

グリシンとカルボジイミド

α-アミノ酸誘導体のN-ホルミルグリシンは、リン酸ミネラル触媒によるホルムアミド系合成で検出され、しばしばカルボジイミドを伴っていた。 アミノ酸のペプチドへの縮合に重要な役割を果たすカルボジイミドの合成は、in situ生成グリシンからのホルミルグリシンの生成に関与していると考えられ、ペプチドのプレバイオティック合成におけるホルムアミド-リン酸系の役割を示唆している。

現存の核酸成分の合成経路の中間体も観察されており、すなわち 4-アミノイミダゾール-5-カルボキサミド（AICA）、4-ホルミルアミノイミダゾール-5-カルボキサミド（f-AICA）、5-ヒドロキシメチルウラシルなどです。

これらのすべての合成の基礎となる化学メカニズムが、.NETに記載され批判的に議論されています。

プレバイオティック前駆体のセレクタとしてのケモミメシス概念

上述のように、核酸の最初のプレバイオティック前駆体の特定は、まだ議論の的である。 一方、単純な有機分子の反応機構を解析すると、現存する生物学的経路で観察されるものに対応する重要な中間体も生成される例があることがわかる。 このような対応関係には、ケモミメシスという概念が適用される。 この用語は、1992年にEschenmoserとLoewenthalによって初めて導入された。一般に、化学反応経路は、進化の過程で後に現れる酵素プロセスのテンプレートとして使用することができ、同じ最終生成物をもたらすことを意味する。 この性質により、プレバイオティック前駆体は、原理的に2つのクラス（化学模倣プロセスを生み出すことができる前駆体とそうでない前駆体）に分けることができる。 ホルムアミド化学は、ケモミメシスの興味深い事例を示している。

例として、モンモリロナイトの存在下でホルムアミドを加熱すると、ヒポキサンチンに加えて5-アミノイミダゾール-4-カルボキサミド（AICA）および5-ホルムアミドイミダゾール-4-カルボキサミド（f-AICA）が高収率で得られる（Table 1）。 は、現存するイノシン-5′-一リン酸（IMP）の生合成の最終段階の重要な中間体（リボヌクレオチド-5′-一リン酸として）でもあり、細胞内でプリンヌクレオチドへの主要経路となっている（図2）。

ホルムアミド化学におけるケミメシスインスタンスを示します。 詳細は本文を参照。

同様に、ホルムアミドと酸化チタンからチミンを合成する際に、予め形成されたウラシルの足場にホルムアルデヒドを加えることは、チミジンの現存の生合成と一致して、メチル部位の導入のための重要なステップである。 この反応では、メチレンテトラヒドロ葉酸（MTHF）の活性化メチレンユニットとしてマスクされたウリジンにホルムアルデヒドユニットが付加され、5-ヒドロキシメチルウラシル-5′-一リン酸（HMU-5′-monophosphate）が生成する。 チミジンは連続的なヒドリドシフト転位によって得られる。

初期の化学的事象が、より複雑な（同時に、より効率的で選択的な）酵素経路の開発のためのテンプレートの役割を果たしたという可能性は、情報ポリマーの分子進化の研究においてさらに評価すべき魅力的な概念である。

プレバイオティック重合の問題点

活性化前駆体

線形高分子に基づく遺伝情報の進化は、テンプレートを介した複製機構を意味します。 テンプレートによる複製は、蓄積された情報を維持し、時には修正することを可能にし、その結果、化学的な進化規則を確立することができる。 オリゴヌクレオチドの鋳型指向性合成に基づく非酵素的自己複製システムが報告され（そのうちの1つは, review in で報告されている）、この一般的なメカニズムの妥当性を証明する原則を提供した。 遺伝前の最初のポリマーは、必ずしも現存する核酸を構成する糖部分からできていたわけではないし、ヌクレオシドが現在のようなリン酸エステル結合で強制的に連結されていたわけでもない。 このような代替物の包括的な分析が報告されている。 しかし、直接的な証拠がない限り、あるいはそれに反する確かな証拠がない限り、遺伝子の進化はRNA様ポリマーを基にして起こったものであり、リボースとホスホジエステル結合が、その特性によって進化を可能にし、雛形を作った実際の成分であり、分子馬は進化の過程で変化しなかったと考えるのが無難であろう。 リン酸塩を接続要素として支持する理由はよく知られています。

一般的な問題は、リン酸ジエステル結合の形成が熱力学的に上り坂であるという事実から生じています。 したがって、ホスホジエステル結合したオリゴヌクレオチドの鋳型指向のタンパク質フリープレバイオティック合成は、おそらく化学的に活性化したヌクレオチドの使用を必要とした。

ホルムアミド触媒によるヌクレオシドのリン酸化

活性化ヌクレオシドの生産について提案された機構のプレバイオティック関連性は疑問である . 化学的に活性化されたヌクレオシド5′-ホスホリミダゾリド-アデノシン（ImpA）をモンモリロナイト粘土の表面に乾燥させると、あらかじめ吸収されたデカヌクレオチドがさらに30ヌクレオチドまで伸長することができるという他の重要な観察、および 、同等のシステムで同様の結果に悩まされることになる。 したがって、ヌクレオシドの活性化（おそらくリン酸化）には、効率的で強固な触媒機構が関与していると思われる。 我々は、ヌクレオシドのリン酸化は、ホルムアミドとリン酸供与体の存在下で容易に起こることを観察した。 リン酸供与体は、可溶性の一リン酸、二リン酸、三リン酸、あるいは別のリン酸化ヌクレオシド、あるいはヒドロキシラパタイト、リベテナイト、シュードマラカイトなどの結晶性リン酸鉱物のいずれかである（データは詳細ではない、別の出版物に投稿された）。 リン酸化はリボース部分の5’、3’、2’のC原子上で起こった。3’および3′:5’環状ホスホエステル形態も観察された。 アデノシン 2′:3′ 環状リン酸からジヌクレオシド二リン酸が形成されるという Orgel による画期的な観察に基づいて、この環状リン酸リボヌクレオチド系は、特にプレバイオティクスと関連する可能性がある。 van Holde が批判的に評価した標準状態のギブス自由エネルギー変化 (ΔG°’) の問題や、溶液中のポリマーの本質的な不安定性が、水性環境でのポリマーの形成と生存を制限しているのである。 2916>

上述の鉱物表面でのヌクレオシドのリン酸化は、ホルムアミドの存在下で得られたものである。 したがって、活性化された核酸モノマーは、重合の熱力学と適合する条件下で液体の非水性環境において形成することができ、操作上の解決策を提供する。 もしホルムアミドがヌクレオシドのリン酸化によって活性化前駆体を与え、単純なトランスリン酸化反応（まだ仮説であるが化学的にもっともらしいプロセス）によってその重合を可能にするなら、前世代分子の進化のための制限因子は、得られる重合体の安定性になるであろう。 言い換えれば、前世代高分子が自発的に重合し、複製し、進化する条件を考えるとき、まさに重合状態の存続を可能にする物理化学的パラメータが最も重要な意味を持つのである。 したがって、重合状態が単量体よりも有利になるような初期の熱力学的ニッチを定義することに興味が持たれます。

これらのニッチはデオキシリボおよびリボ系の両方で特定され、温度と溶剤の組み合わせが重合状態に有利であることが示されました。 この発見は、「RNAワールド」仮説の枠組みにおいて、RNAの3つの重要な性質に加え、有利な持続性の性質も考慮すべきことを示している。 この第四の性質は、重合過程とポリマーの安定性に関わる熱力学的・動力学的パラメータのアンサンブルで構成される。

情報ポリマーの進化に重要な表現型としての安定性

モノマーから現在わかっている情報ポリマーへの移行を再構築し、上記のデータをまとめると、ホルムアミド1）が凝縮して現在の核酸を形成するのに必要なすべての核酸塩基を形成していることが確認された。 このプロセスは、適度な温度（110-160℃）と容易に入手できる触媒を必要とするだけである。 2) 隠れたβ-グリコシド結合を持つ化合物がいくつか生成し、核酸塩基が糖と反応しないことによる化学的難問が解決される可能性がある。 3) ホルムアミドによるヌクレオシドのリン酸化が観察され（投稿データ）、活性化前駆体の非早送り高収率生産に必要な化学的に堅牢な機構の問題に対するもっともな解決策を提供している。 ポリマー形成は、ホルムアミド駆動の鋳型指向性トランスホスホリル化プロセスによって行われると仮定できるかもしれない。 適切な鋳型は、鉱物表面や核高分子によって提供される可能性がある。 これらのプロセスは、炭素原子1個の化合物H2NCOHから活性化ヌクレオチドまでのすべての段階を説明する単純化学の枠組みを提供するものである。 しかし、現存する生物は水の中で生きており、ホルムアミドの中で生きているわけではありません。 そして、核酸の構造と特性は、水との相互作用がその最も密接な特性の一つであることを強く示唆しています。 どの段階でホルムアミド環境から水への移行が起こったのでしょうか。

この時点で、私たちは仮説的な根拠を持っています。 ここでは、リボオリゴヌクレオチドの合成が、ホルムアミド触媒によるリン酸化とホルムアミド触媒によるトランスリン酸化によって結合した、あらかじめ合成されたヌクレオシド ]をつなぐことによって起こったというモデルから始めてみましょう（仮説です）。 ヌクレオシド間のホスホジエステル橋は、リン酸塩鉱物の表面に単一ユニットとして結合したモノマー間で生じたと考えられ、リン酸部分の供給源と正しい空間的順序の両方を提供するものである。 伸長した核酸のP-P距離は9.15Åであり、リン酸塩鉱物の結晶セル寸法とよく一致している。この鉱物のaおよびb値は、多くの異なる鉱物で6〜10Åの間に包含されている（第一世代の段階）。 あるいは、その後に、核酸鋳型に単一ユニットとして結合した活性化モノマー間でホスホジエステル橋が形成される（第二世代）。 どちらの段階でも、リン酸橋形成の駆動物質としてホルムアミドが必要となる。