「少なくとも地球上のすべての生命体の最後の共通の祖先以来、遺伝情報は4文字のアルファベットで保存されており、2つの塩基対の形成を通じて読み取られ、伝達されてきた」とネイチャー誌に最近掲載された論文は述べている。それはもう当てはまりません。
生物はABCの6文字を使用します
この出版に関わった研究者らは、6文字のABCを使う生物の作成に成功した。塩基対 GA (グアニン – アデニン) と CT (シトシン – チミン) に加えて、その DNA にはデュオ XY (
dN
aM–dTPT3)。
過去の同様の実験とは対照的に、科学者らによって改変された大腸菌は、余分な塩基対を利用して、自然の近縁種のレパートリーにないタンパク質を生成する。
細菌は蛍光タンパク質を生成する
自然界の生物によって使用される 20 個のアミノ酸に加えて、半合成細菌は、DNA の追加情報内容を使用して追加のアミノ酸をコード化できます。これらはリボソーム内で集合して、自然界には存在しないタンパク質を形成します。 Nature の記事に記載されている細菌は、通常の細菌生活を送っていますが、自然の生物では合成できない蛍光タンパク質を生成します。
新しい、カスタマイズされたタンパク質を生産することは、研究にとって聖杯です。それらは、化学反応を望みどおりに起こすための触媒として機能したり、さまざまな病気に対する薬として使用されたりする可能性があります。
mirai.clickは、Natureの共著者であるスクリップス研究所のフロイド・ロメスバーグ氏に、最大の可能性はどこにあるのか、なぜ自然は4文字に落ち着いているように見えるのか、そして追加の塩基を持つ人間も考えられるのかを尋ねた。
mirai.click: 自然界のすべての DNA はなぜ 2 つの塩基対で構成されているのですか?
フロイド・ロメスバーグ: DNA の構造が 60 年以上前に説明されて以来、研究者たちはこれについて議論してきました。しかし、生命がどのような条件で発生したのかは分からないため、この質問に答えることは不可能です。私たちの研究により、追加の塩基対の複雑さの増加が利点となる条件が存在するかどうかを調べることができます。私たちは細胞に 3 つの塩基対を装備し、天然の 20 個のアミノ酸の代わりに 21、22、または 25 個のアミノ酸が利用できる場合に何が起こるかを調べます。次に、改変された細胞を天然の細胞と比較できます。
進化が 2 つの塩基対に固執したのは、単純に複雑さが増すとエラーのリスクが高まるからでしょうか?
3 対の遺伝情報を保存および処理するには多大な労力が必要となるため、生物は不利な立場に置かれる可能性があります。おそらく、長い目で見れば、労力を増やしても無駄になるかもしれません。より複雑なバリアントでは、利用可能な情報の量が大幅に増加します。しかし、それを超えると価値がなくなる上限が確実にあります。 20 塩基対を良好な状態に保つ必要があるため、情報をコピーするだけでも困難です。
追加のヌクレオチドを持つ細菌は、その自然の近縁種と異なるのでしょうか?
私たちの細胞とその自然の近縁種の間には、実質的に違いはありません。増殖はわずかに遅くなりますが、その差は異なる菌株間の差よりも小さいです。私たちの半合成細菌は、顕微鏡で見るとまったく正常に見えます。
改変された細菌は自然界で生き残ることができるでしょうか?
これらは、追加の非天然塩基 (X および Y と略します) を生成できないため、自然界では複製できません。私たちは彼らに人工的に餌を与えなければなりません。
ジュラシック・パークによれば、人生には常に道が見つかる。
最終的には X と Y も作成できるように進化する可能性があります。しかしそれは、補助具なしで月に飛ぶ方法を見つけられると言っているようなものです。 X と Y を生産するには、細菌は基本的な要件さえ備えていない 10 ～ 15 のステップを含む新しいプロセスを開発する必要があります。それはここでの生物学の仕組みではなく、すでに存在するものは少しずつ変更されます。
追加の塩基対は安定して継承されますか?
私たちの半合成生物は時間の経過とともにその能力を失います。これが何回の分割プロセスに続くかは異なります。しかし、ゲノムの変化が元に戻らないようにする方法はすでに開発されています。近々公開いたします。
すでに 4 つの塩基対を作成しようとしましたか?
2 つの新しい塩基 (X および Y と略す) を追加したので、追加の塩基対となります。さらに追加することは可能だと思いますが、私たちのアプローチでは無理です。天然の代表的なグアニン、シトシン、アデニン、チミンは塩基対結合に水素結合を使用します。追加のペアに疎水性を利用して結合を作成します。これは、X と Y が G、C、A、または T に接続するのを防ぐ方法です。したがって、お互いにペアを形成することしかできません。これに基づいてさらに核酸塩基を追加すると、X または Y との望ましくない結合が生じる可能性があります。とりわけ、セル内のすべてのステップが水素結合なしで機能することを証明しました。これは実現可能性の調査でした。
人工塩基対によってさらにいくつのアミノ酸が作成されますか?
情報は、DNA から tRNA への転写を通じてのみ利用可能になります。この RNA はコドンで書かれています。 3 文字の単語として考えることができます。これは、自然生物にはアミノ酸をコードできる 4x4x4 の単語があり、それは 64 個のアミノ酸であることを意味します。ただし、3 つの単語は遺伝子の終わりを示す停止信号です。これにより、理論的に考えられるアミノ酸は 61 個残りますが、実際に存在するのはそのうちの 20 個だけです。それは、この辞書には同義語がたくさんあるからです。人工塩基対を使用すると、可能なコドンの数は 6x6x6、つまり 216 に増加します。しかし、それは 152 個の追加のアミノ酸が得られることを意味するわけではありません。現在、私たちが使用できる新しいアミノ酸は 3 ～ 4 つだけですが、そのうちの 2 つは本当に優れています。技術的な限界はおそらく 5 ～ 6 です。
これは、可能性のある新しいタンパク質の数にとって何を意味するのでしょうか?
私たちの最も有望な 2 つの新しいアミノ酸により、すでに膨大な数の新しいタンパク質が可能になります。だからこそ、アミノ酸の数をさらに増やそうとは考えていません。私たちは今、タンパク質の可能性を活用したいと考えています。
たとえばオーダーメイドの触媒を入手するために、目的のタンパク質をどのように正確に計画できるでしょうか?
私たちは細胞にどのタンパク質を作るべきかを伝えることができます。問題は、自分が何を望んでいるのかが分からないことが多いということです。たとえば、タンパク質がどのように触媒として機能するかについては十分にわかっていません。しかし、生物学には進化をタンパク質合成にも利用できるという利点があります。望ましい結果にできるだけ近い状態で動作するようにセルを設計し、セルを進化させることができます。この分野での応用が見られるようになるには、しばらく時間がかかるでしょう。
他に実用的な可能性がある場所はどこでしょうか？
プロテインを使用するよりも、プロテインベースの薬の方が物事は簡単です（おそらく最もよく知られているのはインスリンです、注）。ここでは、合成の結果がどのようになるべきかを非常に正確に指定し、実際にそれを製図板上で設計することができます。これは大変なことです。ただし、目的のタンパク質は体内の目的の場所にドッキングできるだけでなく、安定した状態を維持し、すぐに再び分解されないようにする必要があります。つまり、あまりにも早く濾過されないようにするために、タンパク質のあちこちに脂質が必要であると言えます。
ここのアプリケーションはどれくらい離れていますか?
私は 2014 年にそのような医薬品を専門とするバイオテクノロジー会社を設立しました。最初に使用可能なタンパク質を 6 ～ 8 か月以内にお届けしたいと考えています。脂質をタンパク質に組み込むのは簡単です。私たちはアプリケーションをできるだけ早く配信したいと考えています。
次の目標は何ですか?
新しいアミノ酸の数を5～6個に増やしたいと考えています。バイオテクノロジーへの応用も開発していきます。さらなるステップとして、酵母細胞やヒト細胞などの高等細胞にも新しい塩基対を備えさせたいと考えています。長期的には、高等生物に追加の基地を装備すると何が起こるのかも知りたいと考えています。これは最初は線虫 C. Elegans になります。そうすれば、改変された動物が自然の近縁種と異なるかどうか、這う速度が速いかどうか、またはその他の違いがあるかどうかがわかります。私たちは今日でも細胞レベルで非常に制限されています。
追加のヌクレオチドを使用して高等生物が作成されるまでにはどれくらい時間がかかりますか?
おそらく5年以内にはC.elegansが発生するでしょう。ショウジョウバエのようなより複雑な生物の場合、各セルに X と Y を入力する必要があるため、さらに困難になります。余分な塩基対を皮膚だけに持つ動物を作り出すことも考えられるかもしれない。
追加のヌクレオチドを持った人間は考えられますか?
理論的には人体実験も考えられますが、これには多くの倫理的問題が生じます。よくあることですが、できるからといって本当に何かをする必要があるのかという疑問が生じます。
この記事は、mirai.click に初めて掲載されました。