タンパク質工場：進化の力で敵を倒す

進化は数十億年にわたる生命の発展において重要な役割を果たしてきました。進化は、科学者が実験室でシミュレートすることを望んでいる偉大な自然の力です。

2018年のノーベル化学賞の受賞者は、アメリカ人科学者2名とイギリス人科学者1名です。ノーベル賞委員会が初めて賞を発表したとき、愛情のこもった詩的な言葉を使って、受賞者３人が「進化の力を利用した」功績で受賞したことを皆に伝えた。

大腸菌は化学物質の刺激を受けて新しい酵素を進化させる

ファージは融合抗体タンパク質を非常によく表示できる

カリフォルニア工科大学のアメリカ人女性科学者で教授のフランシス・アーノルド氏は、指向性進化の分野における先駆的な研究により、賞金の半分を受け取った。指向性進化は、進化のプロセスを人工的にシミュレートして、タンパク質などの生物学的分子の構造の変化を誘発し、特定の機能を実現できるようにします。彼女がノーベル化学賞を受賞した5人目の女性であることは特筆に値します。

アメリカの科学者ジョージ・スミス氏とイギリスの科学者グレゴリー・ウィンター氏は、ファージディスプレイ技術への貢献により、賞の残り半分を共同受賞した。現在、ファージディスプレイ技術は医薬品開発の重要なツールとなっています。

2 つの受賞結果の本質は、生物細胞に固有の生理学的プロセスを利用して、特定の応用目的を達成することです。この生理学的プロセスは、細胞が遺伝子制御下でタンパク質を合成するものであり、生物における終わりのない生化学的プロセスです。それで、この 3 人の科学者は、指向性進化の力をどのように利用して、何十億もの小さな分子を世界の利益のために活用したのでしょうか?

「進化」という言葉は、上向きで前進する傾向を表し、特定の種に適用された場合、より速く、より高く、より強く、より賢くなり、または特定の不利な条件に対してより大きな耐性を持つことを意味します。しかし、生物の進化の内因的な原動力は、多くの場合、生物を構成する細胞内の特定のタンパク質の進化です。これらの進化したタンパク質は、発現するために変異した遺伝子を必要とします。専門的な生物学用語で言えば、遺伝子が変異すると、その遺伝子によって発現されるタンパク質も変化します。言い換えれば、タンパク質の進化は、実際には遺伝子変異の自然な結果です。

指向性進化とは、実験室でタンパク質を急速に進化させるプロセスである。

例えば、オーストラリアのコアラは長い進化の過程で、ユーカリの葉を主食として食べる習慣を身につけましたが、ユーカリの葉はほとんどの動物にとって致命的な毒性物質であるテルペンを生成します。しかし、コアラではテルペン耐性に関連する遺伝子が高度に発現しており、腎臓でテルペンを水溶性物質に処理して体外に排出することが可能となっている。コアラの強力な腎機能は、テルペンを分解するために使用されるさまざまな酵素が、長い進化の過程で継続的に強化されてきたという事実によるものです。

指向性進化の基本的な考え方は、人工的な条件下でタンパク質を繰り返し変異させて排除し、目的のタンパク質を選択的に生成することです。具体的には、まずDNA合成技術を用いて、多様な塩基配列を含む変異体群（DNAライブラリともいう）を構築し、このDNAを用いてその構造に応じたタンパク質を転写することで、多様なタンパク質を含むタンパク質ライブラリを形成します。私たちが設定した特定の目標を達成するとなると、これらのタンパク質は必然的に機能面での強さと弱さのレベルが異なり、その中から最適なものを選択します。たとえば、製品開発プロセスでは、質の低いソリューションは排除され、優れたソリューションのみが保持されます。

この時点で、楽しみは始まったばかりです。科学者は優れたタンパク質を選択した後、上記の逆のプロセスを再度実行して、タンパク質の転写に対応する DNA 構造を決定し、非常に成熟した PCR 技術 (PCR 技術は、体内の DNA の自然な複製プロセスをシミュレートし、in vitro で DNA 分子を増幅する分子生物学技術) を使用して、DNA を大量に複製します。さらに、タンパク質の有効性をさらに向上させるために、この複製プロセス中に適切な変異が導入されることもあります。この一連の操作が完了すると、タンパク質の飛躍的な進化は非常に短時間で完了します。

生物内で特定の生化学プロセスを実行できるタンパク質は酵素（生物学的酵素、プロテアーゼなどとも呼ばれます）です。酵素は、生きた細胞によって生成される特定の特殊なタンパク質（ごく一部は RNA または DNA）です。それらは生物内の一連の生化学反応に関与し、複雑で洗練されたメカニズムを通じて反応の速度、方向、範囲を制御します。彼らは生物界の「魔術師」とも言えるでしょう。人体において、酵素は通常、遺伝子に記録された遺伝情報に基づいて細胞内で直接合成されます。

タンパク質の一種である酵素は、特定の問題を解決する上で比類のない効率性と能力を備えていることがよくあります。それらの機能は非常に魅力的であるため、人間はそれがどのように機能するかを理解したいだけでなく、それらを大量に入手して自分の利益のために利用したいと考えています。実際、人工的に作られた酵素は、洗剤の製造、原油汚染の処理、バイオマス燃料の製造、有害な細菌の殺菌などに広く使用されています。進化制御技術は人工酵素の大量生産に優れたツールです。

人工酵素の機能は何ですか？

現在人間によって合成されている酵素の中には、すでにいくつかの化学反応を触媒できるものがあり、大きな応用の可能性を秘めています。例えば、合成タンパク質は、大気中の二酸化炭素を燃料用の有機分子に変換したり、大気中の窒素と水素を結合させてアンモニアを合成したりする点で、無機触媒と同じくらい効率的です。

多くの東アジア人は体内に乳糖加水分解酵素が不足しており、牛乳を飲むと膨満感や下痢などの不快感を経験します。人工乳糖加水分解酵素が添加された様々な種類の牛乳は、牛乳を飲んだ後の不快感を大幅に軽減することができます。

さらに、人工酵素の応用には病気の治療も含まれます。例えば、人工酵素は腸疾患の患者が胃の中でグルテンを分解し、腸への負担を軽減するのに役立つと期待されています。