漆喰の壁、スレートの屋根、堅木張りの床など、家の層を剥がすと、フレームが残ります。これは、あらゆる構造の中核を構成する骨格です。私たちは人生で同じことができますか？科学者は複雑な層を切り詰めて、生命の本質、つまり生物学が構築される基盤を明らかにすることができるでしょうか?
それが、クレイグ・ベンターと彼の共同研究者が、ジャーナル Science に本日発表された新しい研究でやろうとしたことです。 . Venter のチームは、 マイコプラズマ mycoides のゲノムを丹念に削ぎ落としました , 牛に生息するバクテリアで、生命を生み出すことができる遺伝子命令の最低限のセットを明らかにします。その結果、わずか 473 個の遺伝子を含む syn3.0 という名前の小さな生物ができました。 (比較すると、大腸菌 人間には約 4,000 から 5,000 の遺伝子があり、人間には約 20,000 の遺伝子があります。)
しかし、これらの 473 の遺伝子には大きな穴があります。科学者たちは、それらの約 3 分の 1 が何をしているのかほとんどわかっていません。 syn3.0 は、生命の本質的な構成要素を明らかにするのではなく、生物学の基礎について学ぶべきことがどれだけ残っているかを明らかにしました。
「私にとって最も興味深いのは、それが私たちの知らないことを教えてくれることです」と、ハーバード大学の生化学者であるジャック・ショスタク氏は語った.彼はこの研究には関与していない. 「未知の機能を持つ非常に多くの遺伝子が必須のようです。」
カリフォルニア州ラホーヤとメリーランド州ロックビルにある J. Craig Venter Institute を率いる生物学者であり、ヒトゲノムのマッピングにおける彼の役割で最も有名な Venter 氏は、次のように述べています。研究者たちは、混合物にはいくつかの未知の遺伝子が含まれていると予想しており、おそらく合計でゲノムの 5 ～ 10% になると予想していました。 「しかし、これは本当に驚くべき数字です」と彼は言いました。
ベンターの探求の種は、1995 年に彼のチームが Mycoplasma genitalium のゲノムを解読したときに植えられました。 、人間の尿路に住む微生物。 Venter の研究者がこの新しいプロジェクトに取り組み始めたとき、彼らは M を選びました。性器 — 配列決定される 2 番目の完全な細菌ゲノム — 特に、その小さなゲノム サイズのためです。 517 の遺伝子と 580,000 の DNA 文字で、自己複製生物の中で最小の既知のゲノムの 1 つです。 (一部の共生微生物はわずか 100 個の遺伝子で生き残ることができますが、生き残るために宿主からの資源に依存しています。)
M. genitalium の DNA のトリム パッケージは、次の疑問を提起しました:細胞が持つことができる遺伝子の最小数は? 「私たちは、生命の基本的な遺伝子構成要素を知りたかったのです」とベンターは言いました。 「20 年前には素晴らしいアイデアのように思えました。ここにたどり着くまでに 20 年かかるとは思いもしませんでした。」
最小限のデザイン
ヴェンターと彼の共同研究者たちは、科学者が生物学について知っていたことに基づいて、必要最小限のゲノムを設計することを最初に試みました。それらは、DNA のコピーや翻訳など、細胞の最も重要なプロセスに関与する遺伝子から始まり、そこから構築されます。
しかし、この合理化されたバージョンの生命を作成する前に、研究者はゲノムをゼロから設計および構築する方法を理解する必要がありました。ほとんどの研究者が行ったように、生きた生物の DNA を編集するのではなく、彼らは、コンピューター上でゲノムを計画し、試験管内で DNA を合成するという、より高度な制御を行いたいと考えていました。
2008 年、ベンターと彼の共同研究者であるハミルトン スミスは、M.性器 のDNA。その後、2010 年に、彼らは最初の自己複製合成生物を作成し、M のバージョンを製造しました。ミコイデス ' ゲノムを別の マイコプラズマ に移植する 種族。合成ゲノムが細胞を乗っ取り、ネイティブのオペレーティングシステムを人間が作ったバージョンに置き換えました。合成のM.ミコイデス ゲノムは、いくつかの遺伝的透かしを除いて、自然版とほとんど同じでした — 研究者は、自分の名前と、リチャード・ファインマンの主張の少し文字化けしたバージョンを含む、いくつかの有名な引用を追加しました。 P>
適切なツールがついに手に入ったので、研究者たちは最小細胞の遺伝子設計図のセットを設計し、それらを構築しようとしました.それでも、「うまくいった設計は 1 つもありませんでした」と Venter 氏は言います。彼は、彼らの度重なる失敗を、彼らの傲慢さへの叱責と見なした。現代科学は、細胞を構築するための基本的な生物学的原理について十分な知識を持っていますか? 「答えは圧倒的にノーでした」と彼は言いました。
そこでチームは、設計アプローチを試行錯誤に置き換えるという、より労力のかかる別の方法を採用しました。彼らはM.ミコイデス 細菌が生き残るために不可欠な遺伝子を決定します。彼らは無関係な遺伝子を消去して、これまでに地球上で発見された独立して複製する生物よりも小さなゲノムを持つ syn3.0 を作成しました。
遺伝的脂肪を取り除いた後に何が残る？残りの遺伝子の大部分は、RNA とタンパク質の生成、遺伝情報の忠実度の維持、または細胞膜の作成という 3 つの機能のいずれかに関与しています。 DNA を編集するための遺伝子は、ほとんど消耗品でした。
しかし、残りの 149 個の遺伝子が何をしているのかは不明です。科学者は、遺伝子の構造に基づいてそれらのうち 70 種類を大まかに分類できますが、研究者は遺伝子が細胞内でどのような役割を果たしているのかについてはほとんどわかっていません。 79個の遺伝子の機能は完全な謎です。 「彼らが何を提供するのか、なぜ彼らが生命に不可欠なのかはわかりません。おそらく、彼らはもっと微妙なことをしているのかもしれません。明らかに生物学ではまだ評価されていないことです」とベンターは言いました. 「これは非常に謙虚な一連の実験です。」
Venter のチームは、謎の遺伝子が何をするのかを解明することに熱心ですが、これらの遺伝子が他の既知の遺伝子と似ていないという事実が、課題を倍加させています。それらの機能を調査する 1 つの方法は、これらの遺伝子のそれぞれをオン/オフできる細胞のバージョンを設計することです。彼らがオフになっているとき、「最初にめちゃくちゃになるのは何ですか？」ショスタクは言った。 「代謝や DNA 複製など、一般的なクラスに固定することができます。」
ゼロに減少
Venter は、syn3.0 を普遍的な最小セルと呼ばないように注意しています。彼が別の微生物で同じ一連の実験を行っていたら、別の遺伝子セットになっていただろうと彼は指摘します.
実際、すべての生物が存在するために必要な単一の遺伝子セットはありません。科学者が 20 年前にそのようなものを探し始めたとき、彼らは、さまざまな種のゲノム配列を単純に比較するだけで、すべての種に共通する重要なコアが明らかになることを期待していました。しかし、ゲノム配列の数が増えるにつれて、その重要なコアは姿を消しました。 2010 年、テネシー州オークリッジ国立研究所の生物学者 David Ussery と彼の共同研究者は、1,000 のゲノムを比較しました。彼らは、単一の遺伝子が生命全体で共有されているわけではないことを発見しました。 「コアとなる一連の命令を作成するにはさまざまな方法があります」と Szostak 氏は言います。
さらに、生物学に不可欠なものは、生物の環境に大きく依存します。たとえば、抗生物質などの毒素の存在下で生きる微生物を想像してみてください。毒素を分解できる遺伝子は、その環境の微生物にとって不可欠です。しかし、毒素を取り除くと、その遺伝子はもはや必須ではなくなります.
ベンターの極小細胞は、その環境だけでなく、地球上の生命の歴史全体の産物です。生物学の 40 億年の記録のどこかで、この細胞よりもはるかに単純な細胞が存在したに違いありません。 「何もないところから 400 の遺伝子を持つ細胞に移行したわけではありません」と Szostak 氏は述べています。彼と他の人々は、これらの進化の初期段階を代表する、より基本的な生命体を作ろうとしています.
生命の本質を真に理解するには、このようなボトムアップのアプローチが必要だと言う科学者もいます。スウェーデンのウプサラ大学の生物学者であるアンソニー・フォースターは、「最も単純な生物でさえも理解するには、ゼロから設計して合成できなければなりません。 「この目標にはまだほど遠いです。」
