進化分子工学

「実験室内で進化を行い、生物を理解する」

■背景
生物を生物たらしめる能力として進化があげられます。全ての生物は子を作り、その子は完全な親のコピーではなく少しずつ違う。様々な子の中で、その環境に適した子が生き残る。たったこれだけで、あらゆる能力を獲得してきました。生物を知るうえで進化を知るのは必須ですが、もう起きてしまった進化はじっくり観察できない。どうしましょうか?



図1.大腸菌の耐熱環境への実験進化




図2.共生の進化




図3.進化可能な人工細胞




図4.応用例


■研究概要
私達の戦略は単純です。“やってみればいい”。進化を人工的に実験室内で再現すれば、進化によってうつりゆく変化を分子レベルで追うことができます。例えば、単純な生物である細菌を、様々な環境で1000~10000世代飼っています。すると細菌はうまく環境に適応していき、DNA配列の変化や、細菌を構成する何千もの化学反応の変化を捉えることができます。進化の結果、親から子へのコピーミスがむしろ増えることもありました(図1)。また、異なる生物からなる集団(共生)の進化や、それによって2つの生物が1つになるような進化(ミトコンドリアや葉緑体のように)も行っています(図2)。さらに、生物を構成している分子(タンパク質や核酸など)を組み合わせて人工細胞を作り、この進化も追っています(図3)。この人工細胞は生物ではない物の集まりですが、今ではちゃんと進化によっていろんな環境に適応するようになりました。生物と非生物の狭間ですね。生物の進化が“物の動き”で理解できそうでしょう?

■科学的・社会的意義
生物を物理で理解します。今や科学は何でも分かっているような認識もありますが、単純な細菌の進化すら予測できないほど基礎理解は足りていません。生物の理解は古くから人類の夢であるだけではなく、あらゆる面で応用も可能です。実際に、エネルギー問題や医学などへの応用が期待されているだけでなく、縁の遠そうな情報科学の分野にすら応用することに成功しています(図4)。

■参考文献
1)Kishimoto, T., et al. (2010). "Transition from positive to neutral in mutation fixation along with continuing rising fitness in thermal adaptive evolution." PLoS Genetics 6 (10): e1001164.
2)Kita, H., et al. (2008). "Replication of genetic information with self-encoded replicase in liposomes." ChemBioChem 9(15): 2403-2410

■良く使用する材料・機器
1) 蛍光顕微鏡システムIX81N(株式会社オリンパス)、TE2000(株式会社ニコン
2) 実験試薬 (和光純薬株式会社
3) 蛍光セルソーター FACS Aria(日本BD株式会社)


H24年度分野別専門委員
大阪大学大学院 情報科学研究科
四方 哲也 (よもてつや)
http://www-symbio.ist.osaka-u.ac.jp/