遺伝子的に再コード化された生物とは何ですか?

遺伝子レベルでは、地球上のすべての生命は同じ言語を話します。私たちはみな DNA とその近縁種である RNA を持っています。私たちの遺伝物質はすべて同じ一連の基本的なヌクレオチドで構成されており、これらは通常、フルネームの頭文字で呼ばれます。DNA の場合は A、C、G、T、RNA の場合は A、C、G、U です。地球上のすべての細胞は、これらの文字をほぼ同じように読み取るため、異なる種の細胞が互いの DNA を読み取ることができることがよくあります。製薬会社が人間のインスリン遺伝子を細菌や酵母に組み込んで糖尿病患者用のインスリン薬を製造できるのは、このためです。ひどい例を見たいですか? 遺伝学の歴史の初期に、一部の生物学者が人間の目の遺伝子をショウジョウバエの脚に組み込みました。するとショウジョウバエの細胞からショウジョウバエの目が作られました。

しかし現在、米国の複数の大学の科学者チームが、その細胞言語に小さいながらも根本的な変化をもたらす方法を発見した。これは科学者がこれまでに行ってきた遺伝子工学とはまったく異なる種類のものである。

「初めて、新しいコード、あるいは代替コードを持つ生物を創り出した」と、イェール大学の生物学者でこの研究の主任科学者の一人であるファレン・アイザックス氏はポピュラーサイエンス誌に語っている。

「新しいオペレーティングシステムを書くようなものです」と、この研究には関わっていないカリフォルニア大学バークレー校の生物工学者ダニエル・タルマン＝エルセック氏は言う。対照的に、彼女はこれまでの遺伝子工学を「新しいソフトウェアを追加する」ことに例えた。

従来の遺伝子工学では、科学者は遺伝子全体、つまり数百のヌクレオチドの一貫した鎖を細胞に組み込む。細胞自体の元々の遺伝子にはまったく手を加えないことが多い。対照的に、アイザックス氏と彼のチームは大腸菌自身の本来の DNA に小さな特定の変更を加えた。

この新しいタイプの遺伝子工学は、この分野における 2 つの大きな問題を解決するのに役立つ可能性があります。細菌の感染に対する耐性を高めることができるため、遺伝子工学で作られた細菌を大量に生産している企業にとっては素晴らしいことです。これには、バイオ燃料の製造や汚染物質の吸収を目的として遺伝子工学で作られた細菌の培養を試みる企業も含まれます (そう、細菌も感染します!)。

また、組み換えられたDNAの断片を他の細胞が読み取れないようにすることで、組み換えられた遺伝子が環境や野生生物に漏れ出すのではないかという懸念を軽減できる。これは決して小さな懸念ではない。今年8月には、生物学者のチームが、遺伝子組み換えイネが組み換えた遺伝子を近くの雑草に伝達できることを示したばかりだ。

新しい種類のGMO：GRO

アイザックス氏と彼のチームは、遺伝子コードの書き換えに新しい用語を作り出した。彼らはそれを「リコーディング」と呼び、その結果を「遺伝子再コード化生物」、つまり GRO と呼ぶ。アイザックス氏によると、これは遺伝子組み換え生物、つまり GMO のサブセットである。

アイザックス氏と彼の同僚が行った変更は、数えてみると大したことではないように思える。科学者たちは、約 450 万ヌクレオチドからなる大腸菌ゲノムの 321 個のヌクレオチドを変更した。また、細胞の特定のタンパク質を生成する能力も除去した。

それでも、一連の実験で、アイザックス氏のチームは、これらの小さな変化によって大腸菌が2つの大きな新しいことを実現できることを示した。

ある実験では、研究チームは GRO大腸菌に 2 種類のウイルスを与えた。ウイルスは通常、細胞の仕組みを乗っ取って自己増殖する。しかし、GRO大腸菌の仕組みは非常に異なっていたため、ウイルスの 1 つは細菌に感染するのに苦労した。もう 1 つのウイルスは大腸菌に普通に感染した。大腸菌のゲノムをさらに再コード化すると、細菌はより解読されにくくなり、より多くの種類のウイルスに対する耐性が高まるはずだと、アイザックス研究チームには参加していないコーネル大学の生物工学者、ジュリアス・ラックスは言う。

別の実験では、アイザックス氏らは大腸菌に自然界には存在しない成分を含むタンパク質を作らせるための仕組みを加えた。通常、生物のタンパク質は20種類の天然アミノ酸のさまざまな組み合わせで構成されている。科学者らは何年もかけて非天然アミノ酸、つまりNSAA（非標準アミノ酸）を作ろうとしてきた。細胞に人工アミノ酸を使ってタンパク質を作らせてきたが、これは非効率的なプロセスだった。アイザックス氏らは大腸菌に21番目のアミノ酸を効率的かつ効果的に作り出させた。大腸菌のDNAに加えた変更は、非天然アミノ酸の生成を妨げていた自然プロセスの1つを取り除くことにもつながった。

非天然アミノ酸は、科学者がまったく新しい機能を持つタンパク質を作れるので便利です。そのタンパク質は医薬品や工業用化学反応に利用することができます。アイザックス氏は、人工アミノ酸を使った医薬品を製造しているアンブレックス社を例に挙げました。

さらに、21 番目のアミノ酸のコードがこの改変された遺伝子言語で記述されているため、他の細胞はそれを読み取ることができない。そのため、野生のバクテリアや植物が 21 番目のアミノ酸の遺伝子を拾い上げ、独自に生成を開始する可能性は低くなる。「これは実質的に安全な GMO だと想像できます」とアイザックス氏は言う。アイザックス氏と彼のチームは GRO のこの側面をテストしなかったが、ポピュラー サイエンスが話を聞いた他のバイオエンジニアは、非 GRO が GRO と遺伝子を交換することはほぼ不可能だと言う。

数値的に見れば GRO の変化はわずかですが、ラックス氏は GRO を「概念的には大きな進歩」と呼んでいます。「これはまさに、遺伝コードの完全な再考への扉を開くものです」と彼は言います。

アイザックス氏と彼の同僚は本日、その研究結果をサイエンス誌に発表した。