アーカイブから：DNAの構造の発見により、生命が何をすべきかを「知る」方法が明らかになった

創立 150 周年を記念して、科学の進歩、理解、革新を定義するのに役立ったポピュラーサイエンスの記事 (成功と失敗の両方) を、現代の文脈も加えて再考します。From the Archivesシリーズ全体をご覧になり、ここで記念すべきすべての記事をご覧ください。

ポピュラーサイエンス誌の編集者ウォレス・クラウドが、DNAの発見を称える1962年のノーベル賞について報道したとき、受賞者の一人であるジェームズ・ワトソンはクラウドに「この発見は技術者ばかりの研究所の仕事ではなく、4人の頭脳の産物だ」と語った。しかし、ノーベル財団はDNAの構造の発見に対してジェームズ・ワトソン、フランシス・クリック、モーリス・ウィルキンスの3人の科学者にのみ賞を授与した。

1869年以来、科学者たちはDNAについて知っていたが、その構造は1953年まで解明されていなかった。その形状を理解することで、生命を生み出す分子の働きを解明するのに役立つだろう。キングス・カレッジでモーリス・ウィルキンスと研究していたロザリンド・フランクリンは、後にワトソンとクリックが解読し、ノーベル賞受賞論文で説明することになる分子のX線画像を初めて撮影した。ワトソンは1963年5月のポピュラーサイエンス誌の記事でクラウドにインタビューし、フランクリンは「ノーベル賞を分け合うべきだった」と語った。

DNA発見の伝説では、DNAのらせん構造について多くのことを明らかにしたのは、1952年5月に撮影された写真51だった。40年後、受賞歴のある作家で伝記作家のブレンダ・マドックスは、著書『ロザリンド・フランクリン：DNAの闇の女』で、DNA研究に対するフランクリンの驚くべき貢献を詳しく述べた。また、アメリカの劇作家アンナ・ジーグラーは、フランクリンのノーベル賞訴訟で明らかになった性差別を時系列で記録する劇『写真51』を執筆した。これは2015年にロンドンのウエストエンドで初演された。

ダイナマイトの製造で最もよく知られているスウェーデンの化学者アルフレッド・ノーベルが、その財産の大半を物理学、化学、医学、文学、平和（経済学は1968年に追加）の分野で毎年授与する賞に寄付した1895年以来選ばれた975人の受賞者のうち、女性はわずか58人だ。統計が合わないことは、ノーベル賞を受賞しなくてもわかる。フランクリンの場合、ノーベル財団は死後に賞を授与することはもうしないとしている（フランクリンは1958年に死去）。DNAの二重らせん構造が解読されてからほぼ70年、ノーベル財団が4人の研究に対して3人の科学者に賞を授与してから60年が経つ。それでも、統計は合わない。

「DNA ― それは生命への信号を呼び起こす」（ウォレス・クラウド、1963 年 5 月）

3人の男がジグソーパズルを解いてノーベル賞を受賞した方法：あなたを今の自分に変え、あなたの動きを維持する分子のピースを組み立てる

昨年12月、アメリカの生物学者1人とイギリスの物理学者2人が、10年前の生物学における連鎖反応のきっかけとなった発見に対して、ノーベル賞という形で正式に認められた。

彼らは、科学者たちが一世紀以上にわたって問い続けてきた疑問に答える分子の構造を解明しました。

• 心臓の筋肉はどうやって鼓動するかを「知る」のでしょうか?
• 脳細胞は思考や感情においてどのように役割を果たすかをどうやって「知る」のでしょうか?
• 体の細胞はどうやって成長し、繁殖し、傷を治し、病気と闘うかを「知る」のでしょうか?
• 感染性細菌はどのような病気を引き起こすかをどうやって「知る」のでしょうか?
• 自然界の生物のほとんどがそこから生まれた単一の受精卵細胞は、どのようにして植物、動物、人間になるかを「知る」のでしょうか?
• そのような細胞が増殖して人間を形成するとしたら、どのようにして潜在的アインシュタインやマリリン・モンローを生み出す方法を「知る」のでしょうか?

遺伝子を構成する物質

分子に期待するのは多すぎるように聞こえます。たとえデオキシリボ核酸 (通称 DNA) のような難解な名前の分子であってもです。しかし、遺伝子が DNA でできているというのは科学的事実です。DNA 分子は、すべての生物 (一部のウイルスを除く) の生命活動を指示する基本的な指示を提供します。DNA 分子には、化学コード、つまり生命のコードという形で情報が含まれています。

DNAの構造の発見の影響は、「その潜在的意義において、原子爆弾や水素爆弾よりもはるかに大きな革命」と呼ばれています。ノーベル財団会長のアルネ・ティセリウス教授は、この発見は「生命を改変し、新しい病気を作り出し、心をコントロールし、遺伝に影響を与える方法、さらには、おそらく、ある望ましい方向にさえ影響を与える方法につながるだろう」と述べています。

私はハーバード大学の研究室で、ノーベル賞受賞者トリオのアメリカ人であるジェームズ・D・ワトソン博士にこれらの推測について尋ねた。それは、彼がケンブリッジ大学のフランシス・HC・クリック博士、ロンドン大学キングス・カレッジのモーリス・HF・ウィルキンス博士とともに受賞のためにストックホルムに飛ぶ数週間前のことだった。

34歳の少年のようなノーベル賞受賞者は、まだ25歳（大学に入学したのは15歳、それ以前はラジオの時代にクイズ番組に出演していた）のときにイギリスで受賞研究を行ったが、DNA研究の将来についての大胆な予測を支持することを拒否した。彼は「研究に忙しい平均的な科学者は、1時間から2年先までしか見ていない」と語った。

DNAの構造の発見は、原子爆弾の開発につながった原子構造の解明と同じくらい重要だったと認めつつ、彼はこう付け加えた。「ゆっくりとではあるが、医学に非常に大きな影響を及ぼすだろう。医者は愚かなことをしなくなるだろう。DNAに関する知識で病気が治るわけではないが、新しいアプローチ、つまり病気をどう見るべきかを教えてくれるのだ。」

ワトソン博士は、1953年にイギ​​リスで行われた素晴らしい頭脳労働の時代に、彼と彼の同僚が何を発見したのか、そしてそれをどのように実現したのかを説明しました。

この発見は技術者ばかりの研究所の仕事ではなく、4人の頭脳の産物だとワトソン氏は語った。ワトソン氏とクリック氏は理論的な作業を行い、ウィルキンス氏が撮影した不可解なX線回折写真を解釈した。ウィルキンス氏の協力者はイギリス人女性科学者のロザリンド・フランクリン博士だった。フランクリン博士は1958年に亡くなった。フランクリン博士は「ノーベル賞を分け合うべきだった」とワトソン博士は語った。

糸を拾う

DNA は新しく発見された物質ではありません。1869 年に分離され、1944 年までに遺伝学者はそれが遺伝子の物質、つまり染色体中の遺伝情報の保存場所であると確信しました。そして彼らは「DNA はどのように機能するのか」という疑問を抱き始めました。それがワトソンと彼のノーベル賞受賞者の 2 人が答えた疑問です。

彼らは、DNA が人類が知る「巨大分子」の中で最も複雑なものの 1 つであることを知っていた。DNA は、一定の間隔で側鎖が突き出ている、原子の繰り返しグループから成る長い鎖状の構造をしていると考えられていた。

DNA 分子の形状は重要でした。細胞内では、多くの大きな分子が機械部品のように連携して機能しており、その機械的特性は化学活性と同じくらい重要です。しかし、最も大きな巨大分子のいくつかを見ることができる電子顕微鏡でさえ、DNA は詳細ではなく、糸としてしか見えません。

分子を「見る」方法の 1 つは、化学処理によって分子を分解し、大きな分子を小さな分子にすることです。DNA の場合、6 種類の分子単位のピースが特定されました。次に、ジグソーパズルがどのように組み合わさるかを解明する必要がありました。

もう一つの方法は、X 線を特別な方法で使うことです。X 線回折と呼ばれる技術により、物理学者は結晶を形成する特定の種類の分子の内部を特殊な方法で観察することができます。

細胞から抽出され、精製された DNA はゼリー状の物質です。結晶とはあまり似ていないと思うかもしれません。しかし、これをタフィーのように引っ張って適切な張力で乾燥させると、複雑な結晶構造を持つ繊維が形成されます。

ノーベル賞受賞者の一人であるウィルキンス博士は、この国でマンハッタン計画に携わった物理学者です。第一次世界大戦後、イギリスに戻った彼は、生物学の問題に興味を持ち、生物物理学者になりました。1950年代初頭、彼はDNA繊維のX線回折写真を作成する方法を完成させました。

このような写真は、サンプルに非常に細い X 線ビームを照射して撮影されます。X 線の一部は原子との相互作用によって曲げられます。発生した X 線波は互いに干渉し合い、フィルム上に記録されるパターンを形成します。

X 線回折写真には、それが表す分子の輪郭は表示されません。それらは「逆空間」にあります。つまり、写真上の小さな距離は分子内の大きな空間を表し、逆もまた同様です。写真は数学的分析によって解釈する必要があり、分子が複雑になるほど、それはより困難になります。

クリック博士とワトソン博士は、DNAのX線回折写真を解釈する方法の研究を始めました。二人はケンブリッジで出会いました。ワトソンはインディアナ大学で博士号を取得してから数年後、ケンブリッジで研究をしていました。

逆算する

クリックは、さまざまな分子モデルの X 線写真がどのようなものになるかを予測する理論を考案しました。つまり、写真の解釈は非常に難しいため、逆方向に作業する必要がありました。つまり、モデルを考案し、その X 線回折の等価物が数学的に何であるかを決定します。次に、予測を X 線写真の実際の距離と角度と比較しました。

2 人の実験者は、ねじれたらせん状の分子構造が X 線データに当てはまるかもしれないという考えをウィルキンスと共有しました (細胞が生成する他の分子にもそのようなねじれが存在することが発見されていました)。彼らは棒、クランプ、金属板の切り抜き (ジグソーパズルのさまざまな既知のピースを表す) のモデルを作成し、それを数学的に評価しました。

この最初のモデルはうまくいかなかったので、彼らは一時的にその問題を放棄し、他の研究に進みました。数か月後の 1953 年 2 月、彼らはカリフォルニア工科大学のノーベル賞受賞化学者ライナス ポーリングが DNA に提案した構造について知りました。彼らは以前の研究から、ポーリングが間違っていることはわかっていました。これがきっかけで、DNA のいくつかのサブユニットの正確な形状に関する新しい情報を取り入れた別のモデルを試してみようという気持ちになりました。

1 か月後、彼らは X 線データにぴったり合うモデルを完成させました。そこから、DNA 分子が細胞内でどのように機能するかを説明する、奥深い「ワトソン-クリック仮説」が導き出されました。この仮説は、数多くの研究室で独創的な実験によって検証され、分子生物学の新しい世界では真理として受け入れられています。

人生の鍵

DNA 分子は、ねじれたはしごのような形をした二重らせん構造をしていることがわかります。

梯子の 2 本の脚は同じですが、横木は同じではありません。これが分子が情報を保存する能力の鍵です。横木を構成する 4 つの異なるサブユニットの順序が生命のコードです。

サブユニットが横木を横切るようにリンクする方法が、DNA の情報伝達能力の鍵です。各横木は実際には 2 つのユニットで構成されていますが、ユニットのペアリングは明確なルールに従います。分子は「解凍」することができ、各半分は失われた半分を再構築するためのテンプレートとして機能し、元の分子と同一の 2 つの新しい分子を生成します。

ワトソン・クリック仮説は、「生命の分子的基礎」に関する新しい見方を可能にしました。細胞（実際には小型の化学工場）では、DNA 分子に、工場の分子機構に新しい分子を何を作るかを指示する指示が含まれています。次に、生成された分子が、血液細胞、神経細胞、精子細胞、または（多細胞生物の一部でない場合は）有害な細菌など、細胞の機能を決定します。

このようにして、DNA 分子に保存された情報は、髪や目の色、基本的な適性、生まれながらの感受性や病気への抵抗力など、人間を構成する細胞集団全体を特定するのです。

男をプログラミングする

個々の DNA 分子は、約 10,000 サブユニットの長さ (つまり、はしごの段がそれだけある) で、人間を特定するために必要な指示のリストは、約 100 億 DNA ユニットの長さです。そのメッセージを含む DNA 分子を端から端まで並べると、10 フィートの長さの鎖になりますが、厚さは 1 インチの 1200 万分の 1 にすぎません。実際には、鎖は各細胞の核にある染色体と呼ばれる微小な物体に束ねられており、遺伝の機構を保持しています。

仕様は世代から世代へと受け継がれなければなりません。これは細胞分裂の際、染色体が分裂するときに起こります。細胞分裂に備えて、染色体中の DNA 分子は解凍され、細胞の機構によってコピーされています。

DNA によって制御される細胞内の働きは、健康な生活だけでなく、病気にも重要です。たとえば、ウイルスは細胞を乗っ取り、通常の指示の流れを妨害して新しい指示に置き換えることで、細胞をウイルス工場に変えます。遺伝性疾患は、DNA 分子のコピー中にコード化された指示に忍び込んだ「エラー」の結果です。このような変化は、正常な細胞を癌細胞に変化させ、通常の役割を「忘れて」、新しい機能を「学習」します。

これらの事実は、DNAが生物学者の間でこれほどの興奮を引き起こした理由を説明しています。人工の化学メッセージを細胞に送り、DNA分子によってそこに保存されている指示を変更する方法が発見されれば、ほとんど何でも可能になります。

しかし、今年や来年には実現しそうにありません。まずはコードを解読する必要があります。現在、DNAに関する研究の大半はそこに集中しています。

もう一つの未解決の問題は、おそらくさらに謎めいたものですが、細胞が DNA アーカイブに保存されている特定の指示をどのように「決定」するかということです。この分野での発見により、細胞が外部刺激にどのように反応するか、また、単一の受精細胞が選択的に増殖して、人間を構成するさまざまな種類の特殊細胞を生み出す仕組みが説明されるでしょう。

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