要約:
合成生物学の分野は最近、重要なマイルストーンを達成しました。米国カリフォルニア大学サンディエゴ校の科学研究チームによる最新の研究は、地球生物に自然に存在するコア酵素が、8つの化学文字で構成される遺伝暗号の拡張版を正確に認識し、転写できることを示した。
この発見は、自然界で数十億年にわたり、生命はたった 4 つの基盤から構築されてきたという本来の理解を打ち破るものです。これは、生きた細胞の既存の分子機構が人工的に合成された遺伝情報を処理する能力を十分に備えていることを証明し、新しい精密医療、標的薬物、および操作された生物学的システムの将来の開発のための重要な分子基盤を築くものである。
地球上のすべての既知の生命体の遺伝情報は、アデニン (A)、チミン (T)、シトシン (C)、グアニン (G) の 4 つの化学文字で構成される DNA コード システムに記録されています。科学者たちはこれまでに、DNAの二重らせん構造に組み込むことができる新しい塩基（P、Z、B、Sの4つの合成塩基を含む「8文字DNA」システムなど）を実験室で合成したことがあるが、これらの不自然な文字が天然細胞内の読み取り機構によって正確に解析できるかどうかが、合成生物学の実用化にとって常に中心的なボトルネックとなってきた。
Nature Communications に掲載された最新の研究では、研究チームは遺伝子発現の主要な酵素である RNA ポリメラーゼ (RNA ポリメラーゼ) に焦点を当てました。研究者らは、低温電子顕微鏡 (Cryo-EM) 技術を使用して、大腸菌 (E. coli) の RNA ポリメラーゼが合成塩基を読み取って転写するときの 3 次元構造の動的スナップショットを、単一原子の幅よりも小さい高解像度スケールでキャプチャすることに成功しました。実験データは、この天然酵素が合成塩基対を処理するとき、その転写精度と効率が天然塩基対の転写精度と効率に非常に匹敵することを示しています。
構造分析により、RNA ポリメラーゼはこれらの合成文字を「異物」として拒否せず、天然塩基の認識に使用されるものとほぼ同じ構造的および化学的シグナル ノードを通じて正確に認識することが明らかになりました。さらに、研究チームは、米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載された別の補足研究で、RNAポリメラーゼが従来の水素結合力を持たない一部の不自然な塩基対さえも正確に認識して転写できることも発見し、これにより人工遺伝子アルファベットの設計領域が大幅に拡大された。
遺伝的アルファベットを 4 から 8 に拡張することは、情報記憶容量が幾何級数的に増加することを意味します。もともと3文字の組み合わせで構成されていた64種類の遺伝暗号は爆発的に拡大し、自然界に存在しない新たなアミノ酸や機能性タンパク質を人工的に設計・合成することが可能になります。研究者らは、この技術はこれまで肝がん細胞の標的同定などの分子診断分野で独自の利点を示してきたが、今回は天然酵素の転写機構を克服し、宿主細胞バイオリアクターを使用して合成医薬品や高度な生体材料を生産する際の技術的障害を完全に取り除くことになると指摘した。
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