ノーベル化学賞2008年


図1　下村脩博士(ノーベル財団サイトより引用)


　

図2の左右は同じものを表しています。右側が原子で表した緑色蛍光タンパク質です。非常に複雑で，どんな構造をしているのかがよくわかりません。そこで，アミノ酸を帯状に表示しているのが左側です。表示の仕方を変えることで，構造がわかりやすくなりました。緑色蛍光タンパク質は筒型の構造をしています。

このとても複雑で，生命科学において象徴とされる化合物を生物を使わずに合成しようというのが，今回の講座の目的です。どのくらいかかると思いますか？

時間は，そう，2時間もあれば十分です。

もし，あなたが合成化学者なら腰を抜かすところです。2時間では化学反応をひとつ行うのが精一杯でしょう。しかし，その短時間で合成できるのです。無細胞タンパク質合成システムなら。








図3　色々な生物

ゾウ？　ネコ？　ウサギ？　パンダ？　さまざまな動物がいますね。
そう。これらは動物です。動物以外にも植物も生物です。
では，これで全ての生物が数えられたでしょうか？
たとえば見えない生物はいませんか？　ノミとか。ダニとか。
もっと小さいものは，どうでしょうか？　大腸菌とか。

珍しいもの，珍しくないもの。見えるもの，見えないもの。
この世界には実に多くの生物がいます。
しかし，私たちが生物と呼ぶものには，ある共通点があるはずです。

今回の講座で重要になるのは，この共通点です。


　

大腸菌のように，ひとつの細胞しか持たない単細胞生物
人間のように，たくさんの細胞からできている多細胞生物
どちらであっても，細胞を持ち，その中でさまざまな化学反応を行なっていることに変わりはありません。

そして，どちらの場合でも，その体を作っているのはタンパク質です。このタンパク質は1000種類くらいあり，ひとつひとつがちがった役割を持っています。

タンパク質の役割には以下のようなものがあります。

1. 形を作る　例：髪の毛
2. 動かす　　例：筋肉
3. 運ぶ　　　例：ヘモグロビン
4. 消化する　例：消化酵素

さまざまな役割を持った1000種類ものタンパク質を作り分けるにはどうすれば良いのでしょうか？

その作り分けをしているのが，DNAの役割なのです。
DNAは生物の設計図を持っていて，アミノ酸を原料にして必要なタンパク質を必要な時に作りだすことができます。そして，これだけ複雑なものを作りだすにもかかわらず，元になるアミノ酸は20種類しか存在しないのです。生命の神秘を感じますね。











遺伝子組換えに使われているのは，大腸菌や酵母菌です。その辺に普通にいる菌ですから，漏れてしまわないように慎重に扱わなければなりません。そのためには専用の設備が必要になりますし，扱いには技術が必要になります。また，生物が作りだしますので，その生物が死ぬタンパク質は作れません。

生物を利用しない方法は，こうした課題を持たないことが特徴です。しかし，この方法はあまりたくさんのタンパク質を作ることができない課題がありました。その課題を解決したのが，愛媛大学のコムギ胚芽無細胞タンパク質合成システムなのです。




粉末を液体に溶かし，もうひとつの液体をゆっくりと二層になるようにのせる。これだけです。
あとはたった2時間待つだけで，アミノ酸が240個，正しく繋がった蛍光タンパク質が合成できるのです。超一流の有機合成化学者にとっても簡単ではないことが，小・中学生にも簡単にできるのです。

コムギ胚芽無細胞タンパク質合成システムの優れた点は以下の通りです。

• 遺伝子組み換え生物を利用しないため，管理が容易
• 長時間合成が続く
• 安価に，大量にタンパク質を合成できる
• 生物にとって有毒なタンパク質も合成できる

こうした優れた特徴を持つため，タンパク質を合成するときに最初にもちいる方法になりつつあります。また，この実験は，普通の教室やイベント会場などの実験設備がない場所でも実施できるため，学校教育でも利用しやすいことが特徴です。

2時間ほど待った後，ブラックライトを当てた結果が図10です。左側が緑色蛍光タンパク質，右側がくらべるための蛍光を発しないものです。合成は翌日まで続きますので，24時間後にはさらに蛍光が強くなっていきます。


図10　2時間後の結果

※大事なこと※
図10は科学研究における，もっとも大事なことを示しています。それは「くらべる」ことです。
科学は基準の学問です。何かの基準をきめて，その基準にしたがってはかります。つまり科学とはつねに何かとくらべているのです。数字の書いていない定規をわたされても長さははかれません。目盛に数字をふる作業が「くらべる」という活動の意味するところなのです。




電気泳動装置は，寒天にタンパク質の溶液をのせて，電気をかける装置です。タンパク質は，プラス側にだんだん移動していきますが，その大きさによって移動時間がちがいます。これを利用してタンパク質の大きさを調べるのが，電気泳動装置です。もちろん，そのままではDNAは見えませんので，機械を使って撮影した結果が図12です。


図12　電気泳動の結果

左から2番目のマーカーと書いてある部分が，いわば定規にあたります。この目盛りを使って，他のタンパク質を調べます。ここでは，一番左にあるのが基準になる蛍光タンパク質です。これと同じところに線が見えているのが，蛍光タンパク質です。左から3番目以外は，全て蛍光タンパク質ができていることがわかります。



図13　蛍光タンパク質も進化によって生み出されました

11　まとめ
無細胞タンパク質合成システムを通じて，わかることはふたつあります。
科学技術として，私たちは望む機能を持ったタンパク質を自由自在に作りだすことができるようになってきたことがわかります。この技術を応用することで，多くの病気を治療することができるかもしれません。
そして，科学として，遺伝暗号の仕組みは，ほぼすべての生物に共通であるということがわかります。それは何を意味しているのでしょうか？　そこが重要なところです。多くのタンパク質を自由に作れるようになった今，私たちは生命の仕組みの不思議さを解き明かす入り口にたったのです。

生命科学は

• 安全で健康な生活
• 命の大切さ
• 生物の多様性

を教えてくれます。

そして，こうした命の不思議を理解するためには，生命現象を分子レベルで理解していかなくてはならないのです。


図14　プロテオサイエンスセンターの林教授は若い世代に生命科学の面白さを伝えています