化学者のつぶやき -Chem-Station-

• 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。

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）。ここまで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。

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

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

DNA (上)―二重らせんの発見からヒトゲノム計画まで (ブルーバックス) ジェームス・D.ワトソン,アンドリュー・ベリー,青木 薫 講談社 売り上げランキング : 199916 Amazonで詳しく見る by AZlink

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• 関連リンク

Romesberg Lab

Synthorx Romesbergらが運営するバイオベンチャー

6つの塩基から構成された「人工DNA」を持つ生命体の作製に成功 ―Nature （Technity）

自然界にない塩基対を加えた人工DNA、生体内での複製に成功―Wired.jp

自然界に存在しない人工DNA塩基を持つ細胞の作成（科学ニュースの森）

微生物の人工DNA取り込みに初めて成功＝ネイチャー(WSJ.com)

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• 人工DNAから医薬をつくる！(2014年02月27日 08時38分)
• DNAに人工塩基対を組み入れる(2014年02月26日 09時39分)
• 核酸塩基は４つだけではない(2012年07月13日 09時48分)

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