人工細胞システムにおける協力的RNA複製の持続可能性と共進化
Sustainable replication and coevolution of cooperative RNAs in an artificial cell-like system
2018年8月27日 Nature Ecology & Evolution 2 : 8 doi: 10.1038/s41559-018-0650-z
独立に複製する分子の間の協力は、生命の初期進化において複雑性の発展を可能とした重要な現象の1つである。一般に、分子間の協力関係は寄生的または利己的な分子の出現に対して脆弱である。そして、そうした寄生的または利己的な分子は容易に出現する。このような壊れやすい分子の協力関係が、生命の初期進化の中でどのようにして現れ、どのように維持されてきたのかは、まだよく分かっていない。理論的研究からは、区画構造などの空間的構造により、協力関係の持続と進化が可能であることが示されているが、実験による確認はまだ行われていない。本研究では、複製系または代謝系の酵素をコードする2種類のRNAが区画内で協力して複製する協力的複製系を構築し、長期の複製実験を行って、これらの協力関係の持続可能性と進化可能性を調べた。その結果、2種類のRNAの協力関係は、系内に寄生的RNAが出現した場合でも、一定のRNA濃度範囲であれば維持され得ることが明らかになった。また、複製が長い期間続くと、それぞれのRNAは一見すると利己的に進化することにより、全体としてはさらに高効率の協力的RNA複製を達成できることも分かった。これらの結果は、分子の協力関係が進化の時間スケールで持続可能でありロバストなものであることを裏付ける実験的証拠となる。
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Cooperation among independently replicating molecules is a key phenomenon that allowed the development of complexity during the early evolution of life. Generally, this process is vulnerable to parasitic or selfish entities, which can easily appear and destroy such cooperation. It remains unclear how this fragile cooperation process appeared and has been sustained through evolution. Theoretical studies have indicated that spatial structures, such as compartments, allow sustainable replication and the evolution of cooperative replication, although this has yet to be confirmed experimentally. In this study, we constructed a molecular cooperative replication system, in which two types of RNA, encoding replication or metabolic enzymes, cooperate for their replication in compartments, and we performed long-term replication experiments to examine the sustainability and evolution of the RNAs. We demonstrate that the cooperative relationship of the two RNAs could be sustained at a certain range of RNA concentrations, even when parasitic RNA appeared in the system. We also found that more efficient cooperative RNA replication evolved during long-term replication through seemingly selfish evolution of each RNA. Our results provide experimental evidence supporting the sustainability and robustness of molecular cooperation on an evolutionary timescale.
