Enhanced Fidelity and Sequence Generality of an RNA Polymerase Ribozyme

DNAやタンパク質を持つ複雑な生命が存在するずっと前、科学者たちは、最初の生命システムはすべてRNAと呼ばれる単一の分子から構築されていたと考えています。この「RNAワールド」としばしば呼ばれる古代においては、RNAは設計図のように遺伝情報を担うとともに、工場作業員のように自らを複製する機械としての二つの役割をこなさなければなりませんでした。生命が成長し進化するためには、このRNAという機械が極めて精密である必要がありました。もしコピーの過程で指示内容を書き写す際にミスを出しすぎれば、情報は混乱して役に立たないものとなり、システムは崩壊してしまうからです。しかし、高い精度で自らを複製できるRNA分子を作り出すことは、とてつもなく困難な挑戦です。これまでも、他のRNA鎖を構築できるRNA酵素を設計した研究者たちはいましたが、それらは初期の段階では不器用なものでした。それらは単純で構造のない配列しかコピーできず、生命システムを維持するにはあまりにも多くのエラーを出してしまいました。それは、空白の紙や一行のテキストしか扱えないフォトコピー機のようなものであり、文書が複雑になったり折り畳まれたりすると、すぐに失敗してしまうものでした。

ソーク研究所の研究チームは、こうした限界を克服する新しいバージョンのRNA機械を設計しました。彼らは、この酵素に対して試行錯誤の厳格なプロセスを課すことで、複雑に折り畳まれたRNA鎖を驚くべき精度でコピーできるリボザイム（RNA酵素）を作り出したのです。「85h34」と名付けられたこの新しい機械は、大きな飛躍を意味します。これは、以前はコピー不可能であった困難なテンプレートを読み取ることができ、以前のモデルよりもはるかにエラーが少ないのです。最も重要なのは、この機械が、より注意深く動作することを強いるような、条件が不利な化学環境においても、この作業を遂行できる点にあります。この成果により、科学者たちは、自律的に進化しうる自己複製システムの構築に一歩近づき、単純な化学からどのように生命が始まったのかという一端を垣間見ることができるようになりました。

この改良された機械への道のりは、52-2として知られる以前のRNAポリメラーゼ（RNA重合酵素）から始まりました。この旧モデルはRNAをコピーすることはできましたが、特にテンプレートが長い場合や複雑な構造を持つ場合に、正確性に苦労しました。特定のRNAであるクラスIリガーゼ（97ユニットの長さ）をコピーしようとした際、そのエラーがあまりに多かったため、生成されたコピーはほぼ完全に使い物にならない状態でした。これを解決するために、研究者たちはこの酵素に極限の圧力をかけることにしました。彼らは、酵素が機能するクラスIリガーゼの有効なコピーを構築することだけが、その酵素が生存し繁殖するための唯一の道となるような実験を設計しました。もし酵素がミスをすれば、そのコピーは機能せず、そのバージョンの酵素は淘汰される仕組みです。

研究者たちは、この選択プロセスをさらに33ラウンドの進化にわたって実施しました。各ラウンドを進めるごとに、彼らは課題をより困難なものにしていきました。酵素が仕事を終えるまでの時間を短縮し、そして決定的なことに、溶液中のマグネシウムイオンの濃度を下げました。マグネシウムは化学反応を助ける役割を果たしますが、その量を減らすことで、研究者たちは酵素により効率的かつ慎重に働かせようとしたのです。マグネシウム濃度を低くすることは、酵素がミスを無視することを難しくさせ、結果としてコピーエラーに対して実質的な罰を与えることにもなりました。これら33ラウンドを通じて、RNA酵素の集団は劇的に変化しました。研究者たちは、各ステップで酵素の遺伝コードをシーケンシングすることでこれらの変化を追跡し、異なる変異のグループ（クレード）がどのように勢力を増し、あるいは衰退していくかを観察しました。

データは、複雑な競争の歴史を明らかにしました。プロセスの初期段階では、非常に正確であるがゆえに、短縮された制限時間内に仕事を終えることができないというグループが優勢となりました。圧力が強まるにつれ、このグループは絶滅しました。代わりに、以前は少数存在していた他の2つのグループが繁栄し始めました。一方のグループは、困難な折り畳み構造を持つテンプレートを扱う能力を向上させ、もう一方のグループは、低マグネシウム条件下での速度と正確性を維持することに長けていました。これら2つのグループは、RNA配列上で大きく離れた位置にある異なる有益な変異セットを保持していたため、ランダムな組換えを通じて自然に最良の特性を組み合わせることはほぼ不可能でした。これを解決するため、研究者たちは両方のグループの優れた特徴を手動で一つのハイブリッド酵素へと統合しました。

この「85h34」と呼ばれる新しいハイブリッドは、強力な性能を発揮しました。それは、以前のバージョンが完全に失敗してしまうような条件下でも、複雑なクラスIリガーゼを高収率で合成することができました。困難な配列や折り畳まれた構造を含む様々なRNAテンプレートに対してテストを行った際、85h34は一貫して以前のモデルを上回る成績を収めました。この酵素は、読み取りが困難な長い領域を含むテンプレートをコピーでき、以前の酵素が停止してしまったヘアピンループをも解いてコピーすることができました。おそらく最も印象的なのは、8ermal 8%のPEG8000（分子混雑剤）を溶液に加えた条件下において、他のどのRNAポリメラーゼ・リボザイムも機能できなかったレベルである、わずか10ミリモラーのマグネシウム濃度においても、85h34がその能力を維持できたことです。

この新しい機械の正確さは、コピー過程におけるエラーの数を数えることで測定されました。古い52-2酵素は、クラスIリガーゼをコピーする際、100ヌクレオチドあたり約14回のミスをしていました。対照的に、新しい85h34酵素は、標準的な条件下では100ヌクレオチドあたりわずか約6回のエラーしか出さず、低マグネシウム環境下では、この数値は100ヌクレオチドあたりわずか5エラーにまで減少しました。この改善は2つの要因によるものです。新しい酵素は、開始時に正しい構成要素を選択する能力が高かったこと、そして、一度ミスを犯した場合にそのまま継続しないように制御する能力が格段に向上したことです。欠陥のあるコピーを延長することを拒むことで、最終生成物におけるエラーの蓄積を防いだのです。

この研究の意義は、それが何を可能にするかという点にあります。生命が進化するためには、有用な形質を保存できるほどの忠実度を持ちつつ、同時にイノベーションを可能にするための多様性も持たなければなりません。85h34ポリメラーゼは、遺伝情報が意味不明なものへと劣化することなく、複雑な機能性RNAを確実にコピーできるという、極めて重要な閾値を越えました。これは、科学者がこの酵素を用いて他のRNA分子を進化させ、RNAが自らをコピーするだけでなく、自らを改良していくシステムを構築できることを意味します。研究者たちは、より優れたコピー機がより優れた自身のコピーを作り出すという、この「ブートストラップ（自力での立ち上げ）」プロセスが、最終的には完全な自己進化型RNAシステムへとつながる可能性があると示唆しています。この論文は生命を創造したと主張しているわけではありませんが、化学的な起源から生命がどのように始まったかを探求するための、極めて堅牢なツールとなる、現在最も有能なRNAコピー機を構築したのです。