人工的に拡張された遺伝情報システム

人工的に拡張された遺伝情報システム( AEGIS ) は、フロリダ州ゲインズビルにある応用分子進化財団の研究室、特にスティーブン A. ベナー研究室で開発された、いくつかの非天然塩基対を使用した合成 DNA アナログ実験です。AEGIS は、地球外生命がどのように進化してきたかを理解しようとするNASA の資金提供を受けたプロジェクトです。^{[ 1 ]}同じ研究室による 2024 年の論文では、この概念は、同じ頭字語のまま、人為的に進化可能な遺伝情報システムに拡張されています。^{[ 2 ]}

八文字DNAと八文字RNA（日本語の八文字hachimoji、「八文字」に由来）は、このシステムの厳密なサブセットであり、同じ研究室から生まれたものです。^{[ 3 ]}これにより、2つの通常の塩基対に加えて、合成ヌクレオ塩基によって形成される2つの非天然塩基対という、4つの許容塩基対が存在します。八文字塩基は、それぞれデオキシリボースとリボースを骨格糖として使用して、DNAとRNAのアナログの両方で実証されています。 ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

このような核酸システムの利点としては、データの保存能力の向上や、地球外生命体の探査で何が可能になるかについての洞察などが挙げられる。^{[ 7 ] [ 8 ]}

Hachimoji DNAとAEGISは、元ハーバード大学の化学者スティーブン・ベナーが率いる同じチームによるもので、同じNASAの資金提供プロジェクトに属しています。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

Natural DNA is a molecule carrying the genetic instructions used in the growth, development, functioning, and reproduction of all known living organisms and many viruses. DNA and ribonucleic acid (RNA) are nucleic acids; alongside proteins, lipids and complex carbohydrates (polysaccharides), nucleic acids are one of the four major types of macromolecules that are essential for all known forms of life. DNA is a polynucleotide as it is composed of simpler monomeric units called nucleotides; when double-stranded, the two chains coil around each other to form a double helix.^[14][15]

In natural DNA, each nucleotide is composed of one of four nucleobases (cytosine [C], guanine [G], adenine [A] or thymine [T]), a sugar called deoxyribose, and a phosphate group. The nucleotides are joined to one another in a chain by covalent bonds between the sugar of one nucleotide and the phosphate of the next, resulting in an alternating sugar-phosphate backbone. The nitrogenous bases of the two separate polynucleotide strands are bound to each other with hydrogen bonds, according to base pairing rules (A with T and C with G), to make double-stranded DNA.

Hachimoji DNA is similar to natural DNA but differs in the number, and type, of nucleobases.^[3][7] Unnatural nucleobases, more hydrophobic than natural bases,^[16][17] are used in successful hachimoji DNA. Such a DNA always formed the standard double helix, no matter what sequence of bases were used. An enzyme (T7 polymerase) was adapted by the researchers to be used in vitro to transcribe hachimoji DNA into hachimoji RNA, which, in turn, produced chemical activity in the form of a glowing green fluorophore.^[6][7]

完全なAEGISシステムは、遺伝暗号に12～14種類の異なる核酸塩基を使用し、2種類の天然のワトソン・クリック塩基対に加えて4種類の塩基対を追加しています。^{[ 1 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 12 ]}

「pyADA」、「puDAD」などの名称は、AGEIS固有の核酸塩基表記システムに属します。pyADAは、塩基がピリミジンであり、上（5'）から下（3'）にかけて水素結合挙動がアクセプター、ドナー、アクセプターであることを意味します。puDADは、塩基がドナー-アクセプター-ドナーパターンのプリンであることを意味します。このシステムでは、すべてのペアが3つの水素結合を形成します。^{[ 21 ]}

3つの結合システムは、ヌクレオシドのさらなる修飾に対してかなりの柔軟性を持っています。ヌクレオ塩基の非結合側に官能基を追加、除去、または置換しても結合に影響はなく、これはウリジン（メチル基のないチミン）が天然の遺伝システムでチミンのように結合するのとよく似ています。元の（1998年の）定式化では、pyAAD（dS）、pyADA（T）、pyADD（Z）、pyDAA（V）、およびpyDAA（C）上のグループを置換する可能性のみを想定していましたが、^{[ 21 ]} Bennerの2014年の論文では、12種類の塩基すべてにグループ置換のための1つのサイトがあります。^{[ 22 ]} Bennerはまた、 DITCの2012年のレポートで、6つのプリン塩基すべてに別の官能基を付加するための2番目のサイトがあることを示しています。^{[ 23 ]}

さらに、プリン環とピリミジン環は、同様のサイズの任意の環に置き換えることができます。これは、互変異性の低下やその他の追加的な安定性が必要な場合に有利になる可能性があります。たとえば、6-アミノ-5-ベンジル-3-メチルピラジン-2-オンはイソグアニンに置き換えることができます。^{[ 24 ]}

天然の核酸塩基と同様に、AEGIS塩基も非標準的な結合を形成できます。たとえば、Bは互変異性によってTと対合でき、Zは低pHでGと対合でき（プロトン化された水素結合）、Pは低pHでCと対合できます（これもプロトン化されています）。非天然の核酸塩基にアクセスできないDNAポリメラーゼはこれらの対合を行い、塩基の置換を引き起こします。^{[ 22 ]}

G・Uウォブル塩基対の類似体は、アミノAと5-メチルイソシチジン（m ⁵ iC）の間で形成される。^{[ 25 ]}

2021年に、イソグアニン（B）はDNA中に置かれるとグアニン（G）および5-アザ-7-デアザグアニン（P）とも塩基対を形成できることが発見された。プリン-プリン塩基対は、典型的なプリン-ピリミジン塩基対（天然のワトソン-クリックAT CGペアと設計されたPZ BSペアはすべてこのタイプである）よりも広いスペースを必要とするが、DNA二重らせんの大きな溝はこれが起こるのに十分なスペースを提供した。この「より広い」塩基対は、実際にはDNAの安定性を高める。^{[ 26 ]}

フーグスティーン塩基対形成により、核酸の三次構造にトリプレットが形成される。^{[ 27 ]}

NASAはこの研究に資金を提供し、「宇宙で生命を探す際に遭遇する可能性のある構造の範囲を拡大する」ことを目的としている。^{[ 3 ]} NASAの惑星科学部門のロリ・グレイズ氏によると、「生命の検出はNASAの惑星科学ミッションにおいてますます重要な目標となっており、この新しい研究（ハチモジDNAを用いたもの）は、我々が探しているものの範囲を拡大する効果的な機器や実験の開発に役立つだろう」^{[ 5 ] [ 31 ]}研究チームリーダーのスティーブン・ベナー氏は、「ハチモジDNAの形状、サイズ、構造の役割を注意深く分析することで、この研究は、異星の地球外生命体において情報を保存する可能性のある分子の種類についての理解を広げる」と述べている。^{[ 32 ]}

研究者によると、^{[ 3 ]}ハチモジDNAは「ヒト疾患のクリーンな診断法の開発、DNAデジタルデータストレージ、DNAバーコーディング、自己組織化ナノ構造、および珍しいアミノ酸を持つタンパク質の製造」にも使用できるとのことです。このハチモジDNAの一部は、すでにFirebird Biomolecular Sciences LLCによって商業的に生産されています。^{[ 3 ] [ 6 ]}

ベナー研究室は1987年に、 RNAワールド仮説に関する論文で、RNAを作るために利用できる塩基の数を増やしたと報告した。この論文の著者はそのテキストにアクセスできなかったため、AEGISの6対の配置全体がその時点で計画されていたかどうかは不明である。^{[ 33 ]}

ベナー研究室は1989年に、T7 RNAポリメラーゼとクレノウ断片は、未修飾の状態で、イソシチジン（iC）を含むDNAテンプレートに誘導されると、イソグアニン（iG）残基を挿入できることを報告した。この研究は、NASAではなく、スイス政府とサンド社によって資金提供された。 ^{[ 34 ]}

1990年のベナー研究室の論文では、T7 RNAポリメラーゼとクレノウ断片がキサントシン（X）の対に2,4-ジアミノピリミジン（カッパ、κ）を挿入できることが報告されている。T7 RNAポリメラーゼはκの対にXを挿入できたが、クレノウ断片はできなかった。この研究はスイスの組織からも資金提供を受けている。また、以前の論文とは異なり、AEGISの6塩基対の配置も含まれている。^{[ 35 ]}

1992年にジム・ベインとディック・チャンバーリン（カリフォルニア大学アーバイン校）との共同研究により、mRNA中のpyAADとtRNA中のpuDDAの例が得られた。この結果は、標準リボソームを使用して翻訳することで、非標準アミノ酸であるヨードチロシンを取り込むことができる。tRNAが存在しない場合、リボソームはフレームシフトを起こし、翻訳を継続する。これは、著者の1人（カリフォルニア大学リバーサイド校のクリストファー・スウィッツァー）がNSFフェローシップの資金援助を受けていたため、米国政府から資金提供を受けた最初の研究である。^{[ 36 ]}

1998年にベナー研究室から発表された論文は、スイス国立科学財団、デンマーク自然科学研究評議会、国立衛生研究所、および海軍研究局の資金提供を受けて作成された。この論文は、ベナーのこれまでの研究の概要を示している。^{[ 21 ]}

「AEGIS」という用語は、地球外生命体やNASAとの関連性を明示的に言及した、2003年のベナー研究室の短い論文に登場した。この論文は主に、以前のソリューションよりも高い忠実度でpyDAD（K）-puADA（X）を組み込むためのHIV逆転写酵素の改変について報告している。また、AEGISはFDA承認のHIVおよびC型肝炎の市販検査、ならびにSARSウイルスの検出ツールに使用されていると主張しているが、それらの名前は挙げていない。^{[ 19 ]}この論文は、2004年の完全な記事で拡張された。^{[ 37 ]} 2004年の記事では、アーロン・ダイヤモンドAIDS研究センターが支援した分岐DNAアッセイに関する1997年の研究論文も引用されている。^{[ 38 ]}

ベナー研究室は、生物学的酵素や他のシステムとの相互作用に加えて、塩基自体の製造経路と構造の改良にも取り組んでいます。例えば、ZとPの合成は2006年に報告されたばかりで^{[ 18 ]}、dSは2009年に発見されたばかりです^{[ 39 ]。}

ベナー研究室の研究は、2019年に「ハチモジDNA」というキャッチーな名前で発表され、大きな話題となった。この論文ではAEGISについては触れられていない。このシステムはT7 RNAポリメラーゼの「FAL」変異体を使用し、二次構造を持つRNAを生成した。また、AEGIS塩基は自然な範囲外ではDNA構造を歪めないことも示された。^{[ 40 ]}

悪名高いにもかかわらず、ベナー研究室はすぐに八文字の名前の使用をやめ、代わりにAEGIS用に設計されたすべての塩基の中から選択肢を広げることを選んだ。2023年の論文で、同グループは市販の酵素を使用してAEGISの12塩基すべてを含むDNAを合成する方法を報告しており、これは化学的方法と比較して製造コストを削減できる。また、12塩基DNAにナノポアシーケンシングを適用する方法についても説明している。 ^{[ 41 ]}

同じ研究室による2024年の論文では、この概念は「人為的に進化可能な遺伝情報システム」へと拡張され、同じ頭字語が使われている。^{[ 2 ]}

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• 最も初期の生命体
• 地球外生命体
• 人間の本質（2019年 CRISPR ドキュメンタリー映画）
• 生化学の仮説的タイプ
• 核酸アナログ
• xDNA
• 異種核酸

• Bains W (2004). 「多くの化学反応は生命システムの構築に利用できる」（PDF）。アストロバイオロジー。4 （ 2）：137–67。Bibcode：2004AsBio...4..137B。doi：10.1089 /153110704323175124。PMID 15253836。S2CID 27477952。  仮説論文。

• CRISPRを用いてDNAにエンコードされた映像クリップ：YouTube動画（ 01:39 ）