4文字のDNAを6文字に拡張してセントラルドグマを騙す研究
酵素を騙して潜り込めます。
米国のカリフォルニア大学（UC）で行われた研究によって、自然では4文字しかないDNAを6文字に拡張する試みが行われました。
この新たな人工塩基対システム「AEGIS」は従来の4文字「A・T・G・C」に加えて新たに2文字「B・S」が加えられています。
また研究では新たな人工塩基対システムが細胞内の酵素「RNAポリメラーゼ」に自然なDNAと同じように認識され、騙せることが示されました。
研究者たちはプレスリリースにて「わずか 4 文字で地球上の生命がどれほど多様であるかを考えると、さらに2文字を追加できた場合に何が起こるかという可能性は魅力的です」と述べています。
今回はまず「そもそもなぜDNAは4文字なのか？」といった疑問や拡張された6文字システムの利点について解説し、次ページ以降では今回の研究成果について紹介したいと思います。
研究内容の詳細は2023年12月12日に『Nature Communications』にて公開されています。
目次
- なぜDNAは4文字なのか？
- 新たな2文字をDNAの中に紛れ込ませて酵素を騙す
なぜDNAは4文字なのか？
生物学の授業で初めてDNAについて学んだとき、そのシンプルながらも複雑な構造に驚きを覚えた人も多いでしょう。
一方で「なぜDNAの塩基がA・T・G・Cという4種類なのか？」と疑問を持った人もいるかと思います。
実際、DNAが4文字システムを採用し続けている理由は、長い間、科学者たちの頭を悩ませてきた疑問の一つです。
DNAが4文字なのは絶妙なバランスの結果
近年の研究では、DNAのこの4文字システムは、実は驚くほど絶妙なバランスの上に成り立っていることが明らかになってきました。
生命が自身の設計図として使う物質は、まず安定性が求められます。
簡単に分解してしまう不安定な物質ではそもそも遺伝情報を保存することはできませんし、複製時に間違いが多発するような物質も不適格です。
ですがそれでいて、生命の設計図には適度な「エラー率」も求められています。
生命の進化は設計図のエラーによって推進されるからです。
もし完全に安定し、ミスのない複製が行われる物質を「設計図」としてしまったのなら、私たちは今も海の中で単細胞生物として暮らしていたでしょう。
DNAを構成する4文字は「完璧すぎない精度を持つ自己複製システム」という無理難題を乗り越えるために採用されたと言えるでしょう。
またこの4文字システムはシンプルでいながら、生命の多様性を生み出すのに十分です。現在地球上で確認されている生物種は175万種ですが、実際には哺乳類や鳥類、昆虫、顕花植物、細菌をはじめ500～3000万種の生命が存在してると推定されています。
地球の初期には10文字や20文字、さらにはもっと多い文字数を使った生物が誕生していたとしても、現存していないことから、4文字システムを採用する生物との生存競争に敗れてしまったのでしょう。
（※ウイルスはDNAではなくRNAを遺伝子としますが、RNAによる設計図も4文字システム「A・U・G・C」となっています）
4文字システムは何十億年という超長期にわたり生命を維持し進化させるための最適解だったというわけです。
ですが逆を言えば、4文字システムは最適解であっても、4文字システムでなければダメなわけではありません。
そこでDNAの基本構造が解明され「A・T・G・C」の4文字システムが明らかになった直後から、研究者たちは追加の文字を加えられる可能性について多くの検討を行ってきました。
というのも、4文字システムからの脱却は多くの利点があるからです。
4文字システムに新たな文字を加える利点
現在の地球生命は4文字システムを使い、およそ20種類のアミノ酸を使用して自身の体を構築しています。
また4文字システムで認識できるアミノ酸の種類は、最大でも64種類となっています。
（※アミノ酸は3つの文字の組み合わせで識別されるため、4文字システムは4×4×4の64種類が理論上の最大値になります）
一方、6文字システムに拡張することができれば、使用できるアミノ酸の種類の最大値を216種類（6×6×6）まで増強させることが可能となり、既存の生物が選びたくても選べない新たなアミノ酸を、生命の材料として指定することが可能になります。
実際、生命が採用していないアミノ酸の中には特定の金属と強く相互作用したり、特殊な光活性を持つアミノ酸など、医薬品としても有用な「生命に効く」ものが含まれていることが知られています。
新たな2文字をDNAの中に紛れ込ませて酵素を騙す
カリフォルニア大学の研究者たちも以前から、4文字システムから脱却するために人工拡張遺伝情報システム「AEGIS（イージス）」と呼ばれる仕組みを使って、新たな2文字を追加する試みを続けてきました。
AEGISは、地球外生命体の検出の可能性を高めるためにNASAの支援のもとに開発され、自然界のDNAには存在しない新しい人工的な塩基を導入することで、遺伝情報のアルファベットを拡張する仕組みです。
この試みは上手く機能し既存の4文字「A・T・G・C」に加えて新たに人工的に合成された2文字「B・S」を含む6文字システムのDNAを作成することに成功しました。
ただ6文字システムを新たな遺伝情報とするには、いくつか解決すべき問題がありました。
その1つが、DNAと酵素の関係です。
DNAに記された設計情報は膨大であり、特定のタンパク質だけを作る時には対応する設計情報の一部分だけを、mRNAと呼ばれる部分写し図に書き写されるのです。
たとえば細胞全体を巨大なビルだとすると、全体の設計情報の記載は何十個もの大きなスパコンを連ねた状態で保管されていると言えるでしょう。
○○階の✕✕部屋の情報が欲しいというときに、大きなスパコンをいちいち現場に引っ張っていくのは現実的ではありません。
そのため細胞には、必要な部分の情報だけを写し取る役割を持った酵素「RNAポリメラーゼ」が存在しています。
RNAポリメラーゼは設計情報の一部を書き写すための、印刷機と言えるでしょう。
しかしこれまでの研究では、AEGISによって作られた6文字システムがRNAポリメラーゼによってどのように認識されるかは、詳しく解っていませんでした。
そこで今回カリフォルニア大学の研究者たちは、細菌からRNAポリメラーゼを抽出し、6文字システムのDNAとの総合作用をテストしました。
すると、RNAポリメラーゼは、新しい2文字「B・S」を他の自然な4文字と同じように扱っていることが判明します。
また転写の際に非対称性を示し、Bが選択的に鋳型中のSの反対側に組み込まれSとUは鋳型中のBの反対側に効果的に組み込まれることも確認できました。
さらにRNAポリメラーゼが6文字システムのDNAに付着するときの様子を調べたところ、自然な4文字システムと同じであることも判明しました。
この結果について研究者たちは「私たちの合成塩基対「B・S」はレーダーに隠れてRNAポリメラーゼの行うプロセス（部分写し）に入り込むことができる」と述べています。
これは、自然界に存在しない塩基対が、生物の基本的なメカニズムに組み込まれる可能性を示唆しています。
酵素を騙して部分写しが順調にいったことで、次は部分写しに基づいてアミノ酸を組合わせてタンパク質を作る段階へと実験ステージを移すことができるでしょう。
研究者たちは「わずか 4 文字で地球上の生命がどれほど多様であるかを考えると、さらに2文字を追加できた場合に何が起こるかという可能性は魅力的です」「遺伝暗号を拡張すれば、研究室で合成できる分子の範囲が大幅に多様化し、治療薬にもなるデザイナータンパク質を作れるようになります」と述べています。
また比較的現実的な方法としては、研究室内で作られた人工生命体のDNAを6文字システムとすることで、研究室の外で生きられないようにすることなどがあげられます。
6文字システムを完全に使いこなす人工細胞を作るにはまだ多くの時間がかかるでしょうが、実現すれば地球生命と根本的に異なるアミノ酸を利用した、新たな生命体を想像できるようになるでしょう。
参考文献
Enzymes Can’t Tell Artificial DNA From the Real Thing
https://today.ucsd.edu/story/enzymes-cant-tell-artificial-dna-from-the-real-thing
元論文
A unified Watson-Crick geometry drives transcription of six-letter expanded DNA alphabets by E. coli RNA polymerase
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43735-9
ライター
川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。
編集者
海沼 賢: 以前はKAIN名義で記事投稿をしていましたが、現在はナゾロジーのディレクションを担当。大学では電気電子工学、大学院では知識科学を専攻。科学進歩と共に分断されがちな分野間交流の場、一般の人々が科学知識とふれあう場の創出を目指しています。