森泰吉郎記念研究振興基金研究成果報告書
政策・メディア研究科 修士課程1年 システムバイオロジープログラム
高萩 航 (Wataru Takahagi)
エンセラダスのアルカリ性熱水環境における非生物的ペプチド合成
土星の衛星エンセラダスの海水は高濃度の塩，高いpH，様々な有機化合物の存在などの特徴がある．
さらに氷層下には深海熱水環境が存在しており，地殻成分の岩石と相互作用を引き起こしていることがわかっている．
私はカッシーニ探査機が調査したプリューム成分に含まれる炭素化合物がアミノ酸であると仮定し，このアミノ酸が岩石-熱水相互作用を通して岩石表面でペプチド化するという仮説を立証した．
模擬エンセラダス内部海からサンプリングした溶液を質量分析，イオンクロマトグラフィーを行い，有機物及び無機イオンを測定した．
同時にガスクロマトグラフィーでガス分析を行った．また岩石に対しX線回折結晶構造解析を実施した．
その結果，模擬エンセラダスの岩石表面でペプチド化が促進されていることが明らかとなった．
本研究成果はエンセラダスにおいて低分子ペプチドが存在する可能性を初めて示唆している．
さらに現在進行中のアミノ酸を除いた環境，温度変化を与えない環境における同様の反応実験の結果と比較することで，
エンセラダス内部で現在も起こってる化学反応，また化学組成情報を解き明かすことが可能である．
結果と結論
土星の第二衛星であるエンセラダスは全球的に広がるアルカリ性の海を持ち，氷層下の海水が南極付近から噴き出していることが知られている．
National Aeronautics and Space Administration (NASA) の Cassini探査機がエンセラダスの南極付近から噴出しているプリュームに高濃度の塩やStream Particlesと呼ばれる微粒子が含まれていることを明らかにした(1)．
Stream Particlesはケイ素に富んでおり，近年の研究によって半径2nmから8nmのStream Particlesが形成されるにはエンセラダス内部で90℃以上の熱水環境が必要であることが示された(2)．
この熱源はTidal Dissipative Heating (TDH)によるものであることもわかっている(3)．
Cassini探査機はエンセラダス海水中の高濃度の塩やStream Particlesの他にも，炭素数2から4の有機物や高濃度のアンモニアの存在も確認している(4)．
このアンモニアの存在により，エンセラダスの海水はアルカリ性環境となっている．
生命の組み立てにはタンパク質などの小分子が会合した小滴が周囲の環境と異なる化学的性質を帯び，これが原始細胞となったという説が有力である．
これまでの研究でエンセラダスには小分子有機物が存在することが明らかとなったが，同環境でペプチドや高分子有機化合物が形成され得るかは未だわかっていない．
ペプチドは有機物合成を触媒するなど原始生命の化学進化において重要な役割を担う．
地球生命誕生の場として有力なLost City Fieldに近い環境のエンセラダスでペプチドが合成される可能性を示すことは，エンセラダスに生命が誕生し得る環境が存在することの証明につながる(5)．
そこで本研究ではCassini探査機が確認した炭素数2から4の有機物をアミノ酸であると仮定し，先行研究に基づいてエンセラダスの内部海を再現した環境でアミノ酸からペプチドが合成されるかを調査した．
これまでアミノ酸を高温下で反応させペプチドを合成する実験や，エンセラダス環境を想定した無機的な反応を調査する実験は行われてきた(2, 6, 7)．
本研究ではこれらを組み合わせ，エンセラダス環境下における ①アルカリ性環境 ②温度サイクルを想定した環境 ③高圧環境 という3つの環境を再現した．
またエンセラダスの地殻成分である炭素質コンドライトを想定した岩石を封入し，水と岩石，そして有機物という要素それぞれの相互作用を網羅的に解析した．
その結果，最大でアミノ酸が6つ繋がった分子量を持つペプチドの存在が確認された (20)．
またその有機物合成のエネルギー源となった可能性のある水素の存在及び，その消費が確認された．
さらに，水素の発生源である水と岩石の反応により，岩石の結晶構造に変化が生じたことが示唆された．
現在，宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所の高速衝突実験装置を用いて，本研究のエンドプロダクトをエアロゲルで回収することを想定した実験を行っている．
これらの結果は，現在計画されているエンセラダスサンプルリターン計画で搭載される分析機器のターゲット分子，粒子の提案に繋がることが期待される (23, 24)．
学会発表等(3件)
1) Takahagi W. Shibuya T. Takano Y. Seo K. Adachi K. Fujishima K. Tomita M. Takai K. Peptide synthesis under Enceladus alkaline hydrothermal condition, Goldschmidt 2016, Poster
2) Takahagi W. Shibuya T. Takano Y. Seo K. Fujishima K. Saitoh M. Tomita M. Takai K. Short peptide synthesis under Enceladus alkaline hydrothermal condition, Jupiter Trojan 2016, Invited Speaker
3) Takahagi W. Shibuya T. Takano Y. Seo K. Fujishima K. Saitoh M. Tomita M. Takai K. Abiotic peptide synthesis under Enceladus alkaline hydrothermal condition, Enceladus and the Icy moon of Saturn, Poster
参考文献
1) Postberg F, Kempf S, Schmidt J, Brilliantov N, Beinsen A, Abel B, et al. Sodium salts in E-ring ice grains from an ocean below the surface of Enceladus. Nature. 2009;459(7250):1098-101.
2) Hsu H-W, Postberg F, Sekine Y, Shibuya T, Kempf S, Horanyi M, et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 2015;519(7542):207-+.
3) Travis B, Schubert G. Keeping Enceladus warm. Icarus. 2015;250:32-42.
4) Waite JH, Combi MR, Ip WH, Cravens TE, McNutt RL, Kasprzak W, et al. Cassini ion and neutral mass spectrometer: Enceladus plume composition and structure. Science. 2006;311(5766):1419-22.
5) Brazelton WJ, Schrenk MO, Kelley DS, Baross JA. Methane- and sulfur-metabolizing microbial communities dominate the Lost City hydrothermal field ecosystem. Applied and Environmental Microbiology. 2006;72(9):6257-70.
6) Holm NG, Andersson E. Hydrothermal simulation experiments as a tool for studies of the origin of life on earth and other terrestrial planets: A review. Astrobiology. 2005;5(4):444-60.
7) Sekine Y, Shibuya T, Postberg F, Hsu H-W, Suzuki K, Masaki Y, et al. High-temperature water-rock interactions and hydrothermal environments in the chondrite-like core of Enceladus. Nature Communications. 2015;6.
8) Shibuya T, Yoshizaki M, Masaki Y, Suzuki K, Takai K, Russell MJ. Reactions between basalt and CO2-rich seawater at 250 and 350 degrees C, 500 bars: Implications for the CO2 sequestration into the modern oceanic crust and the composition of hydrothermal vent fluid in the CO2-rich early ocean. Chemical Geology. 2013;359:1-9.
9) Yoshizaki M, Shibuya T, Suzuki K, Shimizu K, Nakamura K, Takai K, et al. H-2 generation by experimental hydrothermal alteration of komatiitic glass at 300 degrees C and 500 bars: A preliminary result from on-going experiment. Geochemical Journal. 2009;43(6):E17-E22.
10) Greiner E, Kumar K, Sumit M, Giuffre A, Zhao WL, Pedersen J, et al. Adsorption of L-glutamic acid and L-aspartic acid to gamma-Al2O3. Geochimica Et Cosmochimica Acta. 2014;133:142-55.
11) Bujdak J, Rode BM. Silica, alumina, and clay-catalyzed alanine peptide bond formation. Journal of Molecular Evolution. 1997;45(5):457-66.
12) Bujdak J, Rode BM. Glycine oligomerization on silica and alumina. Reaction Kinetics and Catalysis Letters. 1997;62(2):281-6.
13) Glein CR, Baross JA, Waite JH, Jr. The pH of Enceladus' ocean. Geochimica Et Cosmochimica Acta. 2015;162:202-19.
14) Spahn F, Albers N, Hoerning M, Kempf S, Krivov AV, Makuch M, et al. E ring dust sources: Implications from Cassini's dust measurements. Planetary and Space Science. 2006;54(9-10):1024-32.
15) Glavin DP, Aubrey AD, Callahan MP, Dworkin JP, Elsila JE, Parker ET, et al. Extraterrestrial amino acids in the Almahata Sitta meteorite. Meteoritics & Planetary Science. 2010;45(10-11):1695-709.
16) Glavin DP, Callahan MP, Dworkin JP, Elsila JE. The effects of parent body processes on amino acids in carbonaceous chondrites. Meteoritics & Planetary Science. 2010;45(12):1948-72.
18) Johnson AP, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL. The Miller volcanic spark discharge experiment. Science. 2008;322(5900):404-.
19) Takano Y, Kashiyama Y, Ogawa NO, Chikaraishi Y, Ohkouchi N. Isolation and desalting with cation-exchange chromatography for compound-specific nitrogen isotope analysis of amino acids: application to biogeochemical samples. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2010;24(16):2317-23.
20) Kaito S. Analysis of peptide synthesis on rock surface via mass spectrometry. IAB Term Papers; 2016. unpublished
21) Holm NG, Oze C, Mousis O, Waite JH, Guilbert-Lepoutre A. Serpentinization and the Formation of H-2 and CH4 on Celestial Bodies (Planets, Moons, Comets). Astrobiology. 2015;15(7):587-600.
22) Berndt ME, Allen DE, Seyfried WE. Reduction of CO2 during serpentinization of olivine at 300 degrees C and 500 bar. Geology. 1996;24(4):351-4.
23) Konstantinidis K, Martinez CLF, Dachwald B, Ohndorf A, Dykta P, Bowitz P, et al. A lander mission to probe subglacial water on Saturn's moon Enceladus for life. Acta Astronautica. 2015;106:63-89.
24) Kosuke F, Szymon D, Wataru T, Takazo S, Yoshinori T, Mohamed G, et al. A fly-through mission strategy targeting peptide as a signature of chemical evolution and possible life in Enceladus plumes. Universities Space Research Association; 2016. Enceladus and the Icy Moons of Saturn, CO