人生、しかし私たちが知っているようなものではない

地球上のあらゆる生物は、私たちが知る限り、いくつかの共通点を持っています。DNAには、A、T、C、Gという4つの塩基が情報をコード化しています。連続する3つの塩基の組み合わせは1つのアミノ酸をコード化するのに用いられ、ほとんどの生物は20種類のアミノ酸を使ってタンパク質を構成します。これらの特徴は、植物や動物から細菌やウイルスに至るまで、あらゆる場所に見られ、地球上の生命の最後の共通祖先に現れたことを示唆しています。

これは進化の研究ではよく出てくる疑問を引き起こします。これらの特徴は、何らかの点で効率的であるために使用されているのか、それとも歴史的な偶然の結果として、私たちがそれらに固執することになったのか、ということです。

カリフォルニアを拠点とする研究チームは、これは偶然の産物だという主張を展開している。そして、その主張は、共通祖先から受け継いだ限界を超えて生命を拡張することで実現している。研究チームは遺伝子のアルファベットを6文字に拡張した後、この追加文字を用いてタンパク質に非天然アミノ酸を組み込む細菌株を作製した。

新しい化学

DNAを構成する4つの塩基は、特定の構造を持つ化学物質です。窒素と酸素を含む平らな環で、水素結合を形成します。これらの塩基は特定の数の結合を形成し、対を形成します。AはTと2つ、GはCと3つです。これらの結合はDNAの二重らせん構造を維持するだけでなく、DNAをRNAに転写する役割も担います。RNAも同様の4つの塩基対（Tは近縁種のUに置き換えられます）を使用します。そしてRNAは、この塩基対を用いて3つの塩基対を組み合わせ、特定のアミノ酸をコードします。

3塩基の組み合わせは64通り（4×4×4）の可能な組み合わせをコードできますが、アミノ酸は20種類しかありません。そのため、遺伝暗号を変更するという点では、既にある程度の柔軟性が確保されています。しかし残念ながら、すべての生物は既に、これらの元々の64通りの組み合わせ全てを別の意味に利用しています。そのため、その意味を変えるには、生物全体のゲノムを再構築する必要があります。

スクリプス研究所の研究者たちは、バイオテクノロジー企業と共同で、既存の4つの塩基とは相互作用せず、互いに相互作用できる2つの塩基を追加することで、可能性を拡大することにしました。この手法を確実に機能させるため、彼らは水素結合を完全に排除しました。代わりに、新しい塩基は疎水性接触を介して相互作用します。つまり、どちらの塩基も周囲の水環境とうまく相互作用しないため、2つの塩基は互いにくっついたままです。

塩基の構造を描いてDNAに当てはまることを確認するのは簡単です。試験管内で塩基が機能することを示すことも可能です。しかし、生物体内で塩基を機能させるのは全く別の問題です。

人生を再考する

細胞はこれらの人工塩基を生成できず、また生成できる酵素も存在しない。そのため、研究者はそれらを供給する必要がある。しかし、それらは細胞内で必要とされるため、膜を通過する必要がある。著者らは、それらを膜を透過させるタンパク質を見つけるのにかなりの労力を要した。これら全てに加え、人工塩基を含むDNAの一部が既に細菌細胞に組み込まれているという事実を考慮すると、細菌細胞はそれらを使い続けるだろう。

これらの新しい塩基を遺伝コードの一部として利用できるようにするには、さらに複雑な作業が必要です。3塩基からなる遺伝コードはRNAを用いて翻訳されるため、研究者たちは細胞にこれらの塩基のRNA版も供給する必要がありました。この翻訳には、3塩基の遺伝コードと一致し、アミノ酸と化学的に結合した小さな転移RNA（tRNA）が関与します。そのため、tRNA遺伝子に人工塩基の1つを供給する必要がありました。そして最後に、このtRNAにアミノ酸を化学的に結合させる酵素が必要でした。

まず研究チームは、細胞が既に利用しているアミノ酸の一つを対象とすることにしました。これにより、アミノ酸をtRNAに結合させるのに必要な酵素が細胞内に既に備わっていることが保証されました。必要なのは、人工塩基を持つtRNA遺伝子を追加することだけでした。そうすれば、細胞が残りの処理を自動的に行うことになります。

この仕組みを確実に機能させるため、研究チームは蛍光タンパク質をコードする遺伝子を改変し、その遺伝子の中央に人工アミノ酸を組み込んだ。改変されていない通常の細胞では、細胞はこの遺伝子に対処できず、遺伝子はタンパク質に翻訳されないため、細胞は光らない。しかし、改変したtRNAを加えると、細胞はタンパク質を生成し、緑色に光る。つまり、このシステムは機能するのだ。

しかし、これは生物学が既に行っていることを単に模倣しているという意味で機能します。この研究の目的の一つは、生物学に何か新しいことをさせることです。

研究者たちは次に、21番目のアミノ酸（N6-[(2-プロピニルオキシ)カルボニル]-L-リジン、つまり21番目のアミノ酸を使う希少種を利用しました。この種は、このアミノ酸をtRNAに付加する酵素を持っています。そこで研究者たちは、この酵素の遺伝子とtRNAの遺伝子を取り出し、人工塩基を組み込むようにtRNAを改変しました。この組み合わせを細菌に組み込むと、この奇妙なアミノ酸が蛍光タンパク質に挿入され、細胞が再び緑色に光るようになりました。

ここで重要なのは、このシステムが全体として、生命をこれまで（少なくとも地球上のすべてのものが共通の祖先を共有して以来）かつてない領域へと導くという点です。使用されている塩基は、この研究以前には生物に存在したことがありませんでした。そして、それらは、全く異なる生命領域において、ごく少数の種にしか使用されていないアミノ酸をコードするために使用されています。これにより、研究者たちは64通りの状態を持つ遺伝コードを、216通りの状態を持つものに拡張したのです。

意味合い

この研究には多くの示唆が含まれているため、時間をかけてじっくりと検討する価値があります。まず第一に、生命の化学的選択肢は歴史的な偶然によって制限されてきたことを示唆しています。確かに、生命のあらゆるものは核酸とアミノ酸を必要とします。しかし、それらの核酸とアミノ酸の形態に関しては、どうやらかなりの柔軟性があるようです。タンパク質を作る酵素が既に20種類の非常に異なるアミノ酸を扱わなければならないことを考えると、これは理にかなっています。

リスト画像: Dennis Sun、Mezarque Designが作成した画像から改変