背景

すべての生命体は、DNAに保存された設計図に従ってタンパク質を合成しながら生きている。この過程では、たった20種類のアミノ酸しか使われていないとされている。科学界では、自然界には存在しない非天然アミノ酸（Non-Canonical Amino Acid, ncAA）をタンパク質に結合させ、新しい医薬品や新素材を製造するための遺伝暗号拡張（Genetic Code Expansion, GCE）技術に注目が集まっている。従来の遺伝暗号拡張技術は、生きている大腸菌のゲノムを人工的に修正する方法を採用していた。ゲノムを直接編集する作業は時間がかかり、細胞の生存力を低下させるという限界が指摘されていた。細胞膜のない環境でタンパク質を生産する細胞外タンパク質合成（Cell-Free Protein Synthesis, CFPS）技術が代替案として注目されているが、これもカスタムtRNAを手作業で作成しなければならないため、速度が遅いのが課題だった。

核心的発見

アメリカ・ハーバード医科大学およびワイズ研究所のフェリックス・ラドフォード（Felix Radford）研究員とジョージ・チャーチ（George Church）教授の共同研究チームは、遺伝暗号再設計の過程を大幅に短縮する自動化プラットフォーム「エイジェンテックス（Automated Genetic tRNA Expansion, AGENTEX）」を開発した。このプラットフォームは液体吸入分注ロボットを基盤として動作し、遺伝子テンプレート精製からタンパク質翻訳反応に至る全工程を自動で実行する。研究チームは、リボソームがtRNAの末尾部分にあたる3文字の塩基配列であるCCA配列のみを認識するという従来の生物学的通念を打ち破ることに注力した。tSCANという分析ツールを用いた結果、CCA配列以外にもCGAなどの他の塩基配列を末尾につけた非標準tRNAもタンパク質合成に問題なく利用できることが証明された。研究チームは、変異したリボソーム大サブユニット（ribosomal large subunit, LSU）と非標準tRNAを結合させ、天然アミノ酸の範囲を超えるタンパク質工場の構造を提案している。実際の実験では、エイジェンテックスプラットフォームが34種類の異なるアミノアシルtRNA合成酵素を組み合わせて34個のコドンを再指定するタンパク質合成を成功裏に完了した。これは、生きているゲノムの修正なしに試験管内で遺伝情報翻訳システムを制御する方法を提示したと考えられる。

意義と展望

今回の研究は、細胞の生死に関係なく試験管内でゲノム設計図を再構築する基盤を築いた。デジタルゲノム設計が実際のタンパク質の物理的合成に至るサイクルが、日単位から時間単位に急激に短縮される見込みである。特に、薬理活性に優れたペプチド医薬品や物理的安定性が高い新素材開発研究が一層の勢いを増すと予測される。研究チームが自動化実験方法とソフトウェアをオープンソースリポジトリに公開したため、学術界の後続研究も急速に広がる態勢である。ただし、細胞外システムの特性上、タンパク質の最終生産収率が生きている細胞を利用する場合より劣る点は限界として挙げられる。また、34個以上の異なるコドンを混乱なく翻訳するために、翻訳の正確性をさらに高める技術的補完が求められている。