アマゾンでシカを追い詰めるジャガー、コンゴの木の周りを渦巻くランのつる植物、カナダの沸き立つ温泉で成長する原始的な細胞、ウォール街でコーヒーをすする株式仲買人など、地球上の生命と同じように非常に多様です。遺伝子レベルでは、すべて同じルールに従っています。 4 つの化学文字、またはヌクレオチド塩基は、コドンと呼ばれる 64 の 3 文字の「単語」を綴り、それぞれが 20 のアミノ酸の 1 つを表します。これらのコード化された指示に従ってアミノ酸が連結されると、それぞれの種に特徴的なタンパク質が形成されます。いくつかのあいまいな例外を除いて、すべてのゲノムは同じように情報をエンコードします。
しかし、先月 eLife に掲載された新しい研究では 、マサチューセッツ工科大学とイェール大学の研究者グループは、これらの昔ながらのルールの1つを微調整して、より広範なコドンワードを中心に構築された、より広範な、まったく新しい遺伝子コードを作成できることを示しました.原則として、彼らの発見は、遺伝子コードをより用途の広いシステムに拡張するいくつかの方法の1つを示しています。合成生物学者は、このシステムを使用して、自然界ではどこにも見られないタンパク質を作る新しい生化学を備えた細胞を作成できます。しかし、この研究は、拡張された遺伝コードがそれ自体の複雑さによって阻害され、効率が低下し、驚くほど機能が低下することも示しました。これは、生命がそもそも長いコドンを好まなかった理由を示唆している.
これらの発見が、宇宙の他の場所の生命がどのようにコード化されているかについて何を意味するのかは不明ですが、私たち自身の遺伝コードが複雑すぎず、制限的すぎず、ちょうどいいものに進化し、その後数十億年にわたって生命を支配したことを示唆しています。フランシス・クリックが「凍った事故」と呼んだもの。自然界がこのゴルディロックス コードを選んだのは、他のコードが達成できなかったからではなく、単純で目的に十分だったからだと、著者らは述べています。
たとえば、4 文字 (四重項) コドンの場合、64 だけでなく 256 のユニークな可能性があります。これは、20 をはるかに超えるアミノ酸と、天文学的により多様な一連のタンパク質をコード化する機会を開く可能性があるため、生命にとって有利に思えるかもしれません。以前の合成生物学の研究や、自然界のまれな例外のいくつかでさえ、いくつかの四重鎖コドンで遺伝コードを増強することが可能な場合があることを示しましたが、これまで、完全な四重鎖遺伝子システムの作成に取り組み、それがどのように行われるかを確認した人は誰もいませんでした.通常のトリプレット コドンと比較してください。
「これは、その疑問を真摯に問う研究でした」と、新しい論文の筆頭著者であり、プロジェクト期間中 MIT の博士課程の学生であり、現在はワシントン大学のポスドクである Erika Alden DeBenedictis 氏は述べています。
自然への拡張
四重項コドンの遺伝暗号をテストするために、DeBenedictis と彼女の同僚は、生命の最も基本的な生化学の一部を変更する必要がありました。細胞がタンパク質を作るとき、その遺伝情報の断片が最初にメッセンジャー RNA (mRNA) の分子に転写されます。次に、リボソームと呼ばれるオルガネラがこれらのmRNAのコドンを読み取り、トランスファーRNA（tRNA）分子の相補的な「アンチコドン」と照合します。トランスファーRNA（tRNA）分子は、それぞれがその尾部に一意に指定されたアミノ酸を持っています.リボソームは、アミノ酸を結合して成長する鎖にし、最終的に折りたたまれて機能的なタンパク質になります。その仕事が完了し、タンパク質が翻訳されると、mRNA はリサイクルのために分解され、使用済みの tRNA はシンテターゼ酵素によってアミノ酸で再ロードされます。
研究者は、大腸菌の tRNA を微調整しました 細菌は四重項アンチコドンを持っています。 E.の遺伝子を投与した後。大腸菌 さまざまな突然変異に対して、彼らは細胞が四重項コードをうまく翻訳できるかどうか、そしてそのような翻訳が毒性効果またはフィットネス障害を引き起こすかどうかをテストしました.彼らは、修飾された tRNA のすべてが 4 つ組のコドンに結合できることを発見しました。これは、「この大きなコドン サイズで翻訳を行うことに生物物理学的に問題がないことを示しています」と DeBenedictis 氏は述べています。
しかし、シンテターゼは 20 個の四重項アンチコドンのうち 9 個しか認識できなかったため、残りのアンチコドンに新しいアミノ酸を再充電できなかったことも発見しました。 4 つ組のコドンである程度翻訳できる 9 つのアミノ酸を持つことは、「多かれ少なかれ」と DeBenedictis 氏は述べています。 「自然が機能する必要のないものには、大量のアミノ酸が必要です。」しかし、11 種類の必須アミノ酸を翻訳することができないため、生命が扱う化学語彙が厳密に制限されているためです。
さらに、4 つ組のコード変換の多くは非常に非効率的であり、一部は細胞の成長に有害でさえありました。適応度に大きな利点がなければ、自然がより複雑なコードを選択した可能性は非常に低いとデベネディクティス氏は述べています。著者らは、自然が四重項コードを選択しなかった理由は、それが達成不可能だったからではなく、三重項コードが単純で十分だったからだと結論付けました.結局のところ、生命が 20 のアミノ酸のレパートリーを拡大する必要があったとしても、既存の 64 のコドンには、そうする余地がまだたくさんあります.
トリプレット コドンは地球上でうまく機能しますが、それが他の場所でも当てはまるかどうかは明らかではありません。スタンフォード大学の生物工学准教授であり、バイオブリックス財団の代表でもある Drew Endy 氏は、遺伝子コードは「おそらく派生物であり、生命が機能するために必要なペプチドの生化学に従属している」と述べた。地球よりも複雑な環境では、生命は 4 重コドンでコード化される必要があるかもしれませんが、はるかに単純な環境では、生命は単なる 2 重コドンでうまくいくかもしれません。
定着した競争
私たちの惑星や他の惑星で生命がどのように暗号化されていても、この論文の本当の影響は、「クアッドコード生物を作ることが完全に可能」であることがわかったことであり、調査結果はそれが簡単であることを示唆しているとエンディは言いました.ある研究で、彼らはそれを機能させるためのほぼ半分に達したと彼は付け加えました。これは「無限に驚くべき成果」です.
完全なクアッドコード化された生命体の作成が簡単であることに誰もが同意するわけではありません.バイオテクノロジー企業Synthorxを共同設立した合成生物学者のFloyd Romesberg氏は、「彼らが示していることは、それが簡単になることを示唆しているとは思いません。しかし、彼らはそれが不可能ではないことを示しており、それは興味深いことです.うまく機能しないものをよりうまく機能させることは、不可能なことを試みることとは「非常に異なるゲーム」です。
真の 4 連コードをうまく機能させるためにどれだけの労力が必要かは、未解決の問題である、と DeBenedictis 氏は述べています。彼女は、より大きなコードで適切に機能するように、翻訳機構の多くを再設計する必要もあるだろうと考えています。彼女と彼女のチームは、操作された tRNA に余分な「テール」を追加して、単独で機能するように設計されたリボソームのセットと相互作用するようにすることで、研究を次のレベルに引き上げたいと考えています。これにより、システムのトリプレット コーディングの側面との競合が減り、翻訳の効率が向上する可能性があります。
トリプレット コードからの競争に打ち勝つことは、常に大きな課題になると彼女は付け加えました。なぜなら、それはすでにうまく機能しているためです.
