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化学者のつぶやき

人工DNAを複製可能な生物ができた!

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先日の「つぶやき」で、ポリメラーゼで高精度複製可能な人工DNA塩基対の創製と、天然を凌駕する人工核酸アプタマーの創製に関する研究をご紹介しました。いずれも『DNA塩基の種類を増やすことで、自然界に無い機能拡張を行える』という仮説に端を発した取り組みです。

とはいえ、これらのお話は全て試験管内(in vitro)で行われたもの。次なる目標は、いよいよ生命体内部(in vivo)で人工DNAの複製を行わせることにあります。

このたび米国スクリプス研究所・Romesberg率いる研究チームが、人工塩基対含有DNAを複製可能とする大腸菌の創製に成功し、見事Nature掲載の栄誉を獲得しました[1]。

 

世界最先端で繰り広げられる競争

以前紹介した平尾グループと今回の主役・Romesbergグループは、いずれも高性能な人工塩基対を独自開発しています。

artificalBP_repli_2.gif

Romesbergらの開発したd5SICS-dNaM塩基対[2]は、平尾らのDs-Px塩基対[3]とほぼ同等の複製精度(PCR複製時 99.9%/cycle)を誇るものです。ここまで来るのに10数年を要している事情も、平尾グループと同じです(参考:Romesberg Lab のページ)。この水準に到達しえた研究室は世界を見ても3つしかない[2-4]そうで、高性能塩基対の創製だけでもいかに大変な仕事かが分かると思います。

いずれのチームも次なる課題を「生体内での人工塩基対複製」に定めていた状況といえますが、今回はRomesbergチームが先んじた結果となりました。

 

そもそも人工DNAは本当にコピーされるのだろうか?

試験管内でコピー可能であることは既に実証済みです。しかしこれを細胞内でやろうとすると、以下の通り数々の問題に直面します。

①人工塩基(三リン酸体)はDNA複製条件で安定なのか?
②人工塩基はすんなり細胞内に取り込まれるのか?
③内在性のポリメラーゼは、人工塩基を用いてDNA複製を行えるのか?
④人工塩基対はミスマッチ修復機構に耐えるのか?

自然界に存在しない塩基対を複製させる都合上、そこら辺に存在している生物をそのまま使うことは難しい事情がありました。そこで彼らは合成生物学の手法を用い、研究用にフルカスタマイズした半合成大腸菌を用意しています。その半合成大腸菌は見事①~④の問題を乗り越え、高精度で人工DNAを複製できることがわかりました。

artificalBP_repli_3.gif

d5SICS-dNaM塩基対を1対含むプラスミドDNAを改変菌に組み込み、15時間培養する。
約24回の細胞分裂後、99.4%/分裂の精度で人工塩基対が複製される。

 

さらには、人工塩基の外部供給を断って培養を続けると、DNAに含まれる人工塩基対が徐々に天然型に置き換わっていく様子も観測されました。

人工塩基という”エサ”の供給が必須というわけですが、これを彼らはデメリットとして捉えず、

・人工塩基の供給を断てば天然型生物に復帰しうる=漏洩時の影響が最小限で済む
・人工塩基がある条件だけで発現するような生物機能をデザインできる

として、あくまでポジティブな可能性を見いだしています。

数々のノウハウに基づく緻密な設計はもちろん、あらゆる観点からのデータ積み増し・問題解決が図られています。たとえば問題②は藻類由来のトランスポーターを菌に発現させるアイデアを持ち込んで解決しています。細かく見ていくとキリが無いので、詳細は論文[1]をご覧ください。

他の研究室があっさり真似できる仕事ではおよそなく、長年にわたる地道な蓄積あっての成果であることは間違いありません。

 

まだまだ先は長い人工DNA研究

artificalBP_repli_4.jpg

科学者が長年追い求めた一つの到達点=「生命体内で人工DNAの複製が行えること」が見事実証されました。人工DNA研究における大きな壁を越えた、素晴らしい成果と言えるでしょう。

となれば早速、「次なる目標は?」という問いも出てきます。

これについては細胞内で人工DNA→RNAへ転写を実現することが妥当な目標設定とされています。試験管内では既に実証済みであるため、細胞内でも遠からず達成されると思います。

それが実現できた暁には、

・人工RNA→タンパク質への翻訳を実現する
・人工DNAに非天然アミノ酸を割り当て、非天然型タンパク質を産生する
・天然を凌駕する機能を持った人工タンパク質をつくる

という順を追って発展を遂げていくのでしょう。長い長い道のりですが、その先には無限の応用が待っています。

究極目標たる「人工生命体」の創製を目指し、研究者の歩みは止まることがありません。化学と生物・人工と天然が交わる領域の一つとして、今後ますますの発展が楽しみな分野です。

 

関連動画

 

関連文献

  1.  (a) “A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet” Romesberg, F. E. et al. Nature 2014, 509, 385. doi:10.1038/nature13314 (b) “New letters for life’s alphabet” Nature 2014, 509, 291. doi:10.1038/nature13335
  2. “Efficient and sequence-independent replication of DNA containing a third base pair establishes a functional six-letter genetic alphabet” Romesberg, F. E. et al. PNAS 2012, 109, 12005. doi:10.1073/pnas.1205176109
  3. “Highly specific unnatural base pair systems as a third base pair for PCR amplification” Hirao, I. et al. Nucleic Acids Res. 2012, 40, 2793. doi: 10.1093/nar/gkr1068
  4. “Amplification, Mutation, and Sequencing of a Six-Letter Synthetic Genetic System” Benner, S. A. et al. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15105. DOI: 10.1021/ja204910n

 

関連書籍

 

関連リンク

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博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。 関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。 素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

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