愛媛大学ジュニアドクター育成塾

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

第4テーマ「無細胞タンパク質合成が拓く未来」の事前学習課題について，まとめましょう。

研究者とは，どんな人たちなのでしょうか？
あなたなら，どんなことを聞いてみたいですか？

課題2　(有効回答数37)
プロテオサイエンスセンターの林教授へのインタビューを考えよう！

1　みんなの質問は？
質問の内容を整理して以下に示します。内容が重複していた質問に関しては，ひとつのまめて文章を修正しています。みなさんのインタビューの内容は，大きく分けて
・無細胞タンパク質合成システム
・研究全般について
・研究者の将来像について
の3つの分けることができました。

2　質問項目の傾向は？
質問について，見える化エンジン(プラスアルファ・コンサルティング)で分析してみましょう。

見える化エンジンは，こちらの解説記事か，以下の動画を見てください。


動画はYouTube版も公開されています(視聴はリンクをクリックしてください)。

すべての質問の分析結果は以下の通りです。

表1　単語の出てくる回数ランキング


これを文章のつながりが見えるマッピングに直すと図1になります。

図1　全体マッピング

タンパク質(1位)と研究(2位)は，おなじグループにありますので，広い意味で単語間につながりがある文章が出てくるようですね。コムギ胚芽無細胞タンパク質合成システムは，上記の質問グループのひとつになっていることからも，注目が高いことがわかります。また，そこから研究全般への質問などにもつながっているので，もっとも単語数が多いグループになっています。

物質(3位)は，それらとは違うグループで，翻訳を邪魔する物質という文脈で出てくるようです。コムギ胚芽無細胞タンパク合成システムは，コムギ胚芽に含まれる翻訳を邪魔する物質をのぞくことによって研究が成功した点についての質問が多いことを示しています。図1左上のコムギ胚芽というグループは，そうした文脈の一部です。

では，質問に男女差はあるのでしょうか？
先ほどのランキングを男女別に集計した結果が図2です。


図2　男女別の回答傾向

人数差がありますので，単純にくらべることはできませんが，一番上の青と上から2番目のピンクに差がありそうです。

男子はタンパク質や無細胞，物質という物質名に関する記述が多く，
女子は研究や研究するという行動に関する記述が多い，
という傾向があるとすると，以前の分析とおなじように，
男子は物質，
女子は人
に注目するという傾向があるように見えますね。
男女で人数差がありますので，人数がもっと集まれば詳しく議論できそうです。

校種で違いはあるでしょうか？
小学生と中学生で分析してみましょう。


図3　校種別の回答傾向

上が小学生，下が中学生です。こちらも上から2番目のピンクに大きな違いがありますね。小学生は物質がトップで，中学生はタンパク質がトップです。また下から4番目の黄緑も大きく違います。これは邪魔するという単語です。

小中学生をくらべてみましょう。
小学生は，
物質，邪魔する，翻訳
などの単語のが多く出てくることがわかります。
小学校の理科は，観察が主体であるため，現象の違いに注目しやすいことに原因があるのかもしれません。

中学生は，
タンパク質，研究，作る
などの単語が多く出てくることがわかります。
中学校になると，観察から原理や法則に学習が進むため，物質名や研究という活動に注目が移ることに原因があるのかもしれません。

どうでしょうか？
性別や学年による注目の仕方のちがいがありそうですね。

第4テーマ「無細胞タンパク質合成が拓く未来」の事前学習課題について，まとめましょう。
このプログラムで学ぶことは，あなたの生活とかけはなれたムズカシイことではありません。なぜなら，私たちの体の中でも毎日行われていることを学ぶからです。

課題1　(有効回答数37)
mRNAをつくろう！
mRNAを色(赤，青，茶，緑)で最初から最後に向かって書いてください

1　みんなの考えたmRNAを見てみよう！
みんなの考えたmRNAを以下に示します。
※個人情報に関わる回答は載せていません。

条件は5文字以上の言葉で，途中に終了コドンが入らないことでしたね。
また，開始コドン，終了コドンが最初と最後に必要です。

みんなが考えたmRNAのデータ
平均文字数：7文字（開始コドンと終了コドンをのぞく）
最長文字数：24文字（開始コドンと終了コドンをのぞく）



3文字ごとに空白を入れてあります。開始コドンと終了コドンはのぞいていません。
※一部の回答は修正してあります。
2　回答について
第3テーマのプログラミングで学んだように，生物の転写，翻訳にも開始コドン(転写翻訳では，プログラムで言うコードをコドンと呼びます)と終了コドンが必要でした。

まず開始コドンから見てみましょう。おおよそ9割の人が開始コドンを設定できました。


図1　開始コドンは設定できましたか？

終了コドンはどうでしょうか。こちらは8割強の人が終了コドンを設定できました。終了コドンの設定をし忘れた人は，最初に開始コドンと終了コドンを書いておいて，その間に書き加えていく方法を取れば間違わないでしょう。

図2　終了コドンは設定できましたか？

この中で開始も終了も設定できていなかったのは3名です。だいたい1割弱の人は課題の内容の理解が追いついていないようです。動画は何度でも見直せますし，動画で条件はきちんと説明されていますので，動画を見ながら必要な事項をメモした方が良いですね。