CRISPRを使って、すべてのウイルスに無敵の
新しい「スーパーバグ」を作った科学者たち


既存の生命を自由に再プログラムすることはできるのか?

合成生物学者にとって、その答えは「イエス」です。生物学の中心となるコードはシンプルです。3つのグループに分かれたDNAの文字は、アミノ酸に変換され、タンパク質を作るブロックになります。タンパク質は、私たちの体を作り、代謝を調整し、生物としての機能を果たしています。例えば、バクテリアにインスリンのような救命薬を分泌させることができます。

地球上のすべての生命体は、64個のDNAトリプレットコード(コドン)の組み合わせで20種類のアミノ酸に翻訳されるというルールに従っている。

しかし、待ってください。計算が合わない。なぜ64個のコドンが64個のアミノ酸を作ることができないのか?その理由は、「冗長性」です。生命は、複数のコドンが同じアミノ酸を作るように進化してきました。

では、生物が持つ冗長な「余分な」コドンを利用して、代わりに自分のコードを挿入してみたらどうだろう?


ケンブリッジ大学の研究チームは、最近、まさにそれを実行しました。研究チームは、技術のツール・ド・フォースCRISPRを用いて、18,000以上のコドンを自然界には存在しない合成アミノ酸に置き換えました。その結果、ウイルスが細胞に感染する際に必要となる通常のタンパク質「ドアハンドル」を欠いているため、すべてのウイルス感染に対して実質的な耐性を持つ細菌が誕生しました。

これは、ウイルスが細胞に感染するために必要な「ドアハンドル」と呼ばれるタンパク質がないためです。これまで科学者たちは、1つのデザイナーズアミノ酸を生体に組み込むことしかできなかった。今回の研究では、既存の複数のコドンを一度にハックし、少なくとも3つの合成アミノ酸を同時にコピーすることが可能になった。20個のうち3個の合成アミノ酸をコピーすることができれば、地球上の生命を根本的に書き換えることができるのです。

今回の研究には参加していないボストンカレッジのデリラ・ジュエル博士とアビシェク・チャッタージー博士は、「コドンの一部を解放して再割り当てすれば、遺伝子コード拡張技術の堅牢性と汎用性を向上させることができる」と考えてきた。「この研究は、その夢をエレガントに現実のものとしている」と述べている。

DNAコードのハッキング

私たちの遺伝子コードは、生命、遺伝、進化を支えています。しかし、それはタンパク質の助けがあって初めて機能するものです。

DNAの4文字で書かれた遺伝子を、実際の生命の構成要素に変換するプログラムは、細胞内の完全な復号化工場に依存している。

DNAのA、T、C、Gという文字は、糸巻きに巻かれたしわくちゃの長い紙に書かれた秘密の暗号のようなものだと考えてください。3つの「文字」のグループ、すなわちコドンが核心であり、細胞がどのアミノ酸を作るかをコード化している。スパイのような存在であるメッセンジャー分子(mRNA)は、DNAのメッセージを密かにコピーして細胞の世界に戻り、細胞の中央情報組織であるタンパク質工場にメッセージを伝えます。

工場では、複数の「翻訳者」を採用して、遺伝コードをアミノ酸に解読します。この翻訳者はtRNAと名付けられました。tRNAの文字は3つにグループ化されており、翻訳者であるtRNAは、関連するアミノ酸を1つずつ物理的にタンパク質工場に運び、工場は最終的に3Dのタンパク質になる鎖を作ります。

しかし、堅牢なコードと同様に、自然界ではDNAからタンパク質への翻訳プロセスに冗長性がプログラムされている。例えば、DNAコードのTCG、TCA、AGC、AGTは、すべて1つのアミノ酸であるセリンをコードしている。生物学的にはうまくいっているが、著者らは、このコードを利用してハイジャックし、合成アミノ酸を使って生命の方向性を変えることができないだろうかと考えた。

自然のコードを乗っ取る

今回の研究では、自然界の冗長性を、細胞に新たな能力を導入する方法として捉えています。

「あるアミノ酸をコード化するためのコドンの数を減らすことで、他のモノマー(アミノ酸)を自由に作れるコドンを作ることができないだろうか」と、筆頭著者のジェイソン・チン博士は問いかけます。

例えば、TCGがセリンをコードしているなら、TCA、AGC、AGTといった他のモノマーを自由に使えるようにすればいいのではないか?

これは理論的には素晴らしいアイデアですが、実際には実に困難な作業です。つまり、研究チームは細胞の中に入って、再プログラムしたいコドンをひとつひとつ置き換えていかなければならないのです。数年前、同じグループが、研究室や製薬会社のお気に入りの虫である大腸菌でそれが可能であることを示した。当時、研究チームは、大腸菌の全ゲノムを一から合成し、合成生物学に天文学的な飛躍をもたらしました。また、TCGをAGCに置き換えるなど、一部のアミノ酸コドンを同義語に置き換えることで、自然界のゲノムに手を加えた。このような変更を加えても、バクテリアは簡単に繁殖することができました。

それはまるで、とても長い本を読んで、文章の意味を変えずに、どの単語を同義語に置き換えれば、バクテリアの生存に支障をきたさないかを考えるようなものです。例えば、「放出因子1」と呼ばれるタンパク質を削除することで、UAGコドンを真新しいアミノ酸で再プログラムすることが容易になりました。これは、UAGコドンに新しいアミノ酸を割り当てやすくするためのものである。以前の研究では、この方法によって、天然のコドンに新しい構成要素を割り当てることができることが示されていた。つまり、天然には何もコードされていない、まさに「空白」のコドンです。

合成生物

チンのチームは、これをさらに推し進めた。

研究チームは、REXER(replicon excision for enhanced genome engineering through programmed recombination)と呼ばれる手法を開発しました。これは、科学者の間では頭文字をとって使われるものですが、その中には、最先端の遺伝子編集ツールであるCRISPR-Cas9が含まれています。CRISPRを使って、試験管の中でゼロから作られた大腸菌のゲノムの大部分を正確に切り取り、セリンをコードする1万8,000個以上の「余分な」コドンを同義語のコドンに置き換えたのです。

このトリックは冗長なタンパク質コードのみを対象としているため、細胞は通常の仕事を行うことができ、セリンを作ることもできたが、複数の自然なコドンが自由になった。これは、「hi」を「oy」に置き換えるようなもので、「hi」にはまったく別の意味を持たせることができるのです。

研究チームは次に、大掃除をした。細胞に害を与えることなく、消滅したコドンを読み取ることができる天然の翻訳機(tRNA)を取り除いたのです。そして、新しいコドンを読むために、新しい合成バージョンのtRNAを導入した。このようにして作られたバクテリアは、試験管の中でより速く成長するように自然に進化させられました。

※黒目の赤ちゃん達も、トランスヒューマン実験でより早く成長するように進化させられたのでしょうか?
ワクチンに細菌が沢山入っているのはこれらの実験結果が欲しい科学者のためじゃないの?

その結果は見事なものでした。Syn61.Δ3(ev5)という超強力な菌株は、基本的には細菌のX-MENであり、急速に成長し、通常細菌に感染するさまざまなウイルスのカクテルにも耐性を持っている。

「生物学の世界では、64個のコドンと20個のアミノ酸という同じ遺伝暗号が使われているので、ウイルスも同じ暗号を使っています。バクテリア細胞が自然界の標準的な遺伝子コードを読み取ることができなくなったため、ウイルスはバクテリアの機械を利用して繁殖することができなくなったのです。つまり、この人工細胞は、ほとんどすべてのウイルス侵入者に乗っ取られることがない
抵抗力を持っています。

「これらの細菌は、再生可能でプログラム可能な工場となり、新しい特性を持つさまざまな分子を生産できるようになるかもしれません。その結果、新しい抗生物質などの新薬を作るなど、バイオテクノロジーや医療に役立つ可能性があります」とチンは語っている。

ウィルス感染はともかく、今回の研究は、合成生物学の可能性を書き換えるものです。

ジュエルとチャタジーは、「これにより、完全に人工的なバイオポリマーなど、数え切れないほどの応用が可能になります」と述べている。すなわち医療ブレインマシン・インターフェースなどの分野全体を変えることができる生物学と互換性のある材料です。研究チームは、人工的なアミノ酸の構成要素を連ねて、がん治療薬や抗生物質などの薬剤の基礎となる一種の分子を作ることに成功しました。

しかし、最も期待されているのは、既存の生命を劇的に書き換えることができるということだろう。
バクテリアと同じように、私たち、そして生物圏に存在するすべての生命は、同じ生物学的コードで動いています。今回の研究では、生命の構成要素であるアミノ酸が20種類しかないというハードルを、人間の自然な生物学的プロセスを利用することで乗り越えることが可能であることを示している。

研究チームは次に、人間の自然な生物学的コードをさらに再プログラムして、さらに多くの合成タンパク質の構成要素をバクテリアの細胞にコード化することを考えています。また、他の細胞、たとえば哺乳類の細胞にも目を向け、遺伝暗号を圧縮することが可能かどうかを検討します。


スクリーンショット (484)


Scientists Used CRISPR to Engineer a New 'Superbug' That's Invincible to All Viruses (singularityhub.com)