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スティーブン・アルバート・ベナー | |
|---|---|
| 生まれる | 1954年10月23日[1] |
| 国籍 | アメリカ人 |
| 母校 | イェール大学 ハーバード大学 |
| 科学者としてのキャリア | |
| フィールド | 化学、合成生物学 |
| 機関 | ハーバード大学 、チューリッヒ工科大学、 フロリダ大学、応用分子進化財団 |
| 博士課程の指導教員 | ロバート・バーンズ・ウッドワード、フランク・ウェストハイマー |
| Webサイト | 詳しくはこちら |
スティーブン・アルバート・ベナー（1954年10月23日生まれ）はアメリカの化学者。ハーバード大学、チューリッヒ工科大学、そして最近ではフロリダ大学の教授で、VT＆ルイーズ・ジャクソン化学特別教授を務めた。2005年にウェストハイマー科学技術研究所（TWIST）と応用分子進化財団を設立。また、EraGen BiosciencesとFirebird BioMolecular Sciences LLCという会社も設立した。
ベナーと彼の同僚は、遺伝子を初めて合成し、合成生物学の分野を切り開きました。彼は古遺伝学の分野の確立に尽力しました。彼は生命の起源とRNAを生成するために必要な化学的条件とプロセスに興味を持っています。ベナーは、NASAの宇宙生物学作業部会が1992年に開発した生命の定義「ダーウィンの進化論が可能な自立した化学システム」を使用して、NASAと協力し、エイリアンの遺伝物質の検出器を開発しました。[2] [3] [4] [5]
教育
ベナーはイェール大学に入学し、1976年に分子生物物理学と生化学の学士号と修士号を取得した。その後ハーバード大学に進学し、1979年に化学の博士号を取得した。[6]ロバート・バーンズ・ウッドワードの指導の下で研究し、ウッドワードの死後、フランク・ウェストハイマーと共に博士論文を完成させた。彼の博士論文は「アセト酢酸脱炭酸酵素、ベタインホモシステイントランスメチラーゼ、および3-ヒドロキシ酪酸脱水素酵素の絶対立体化学」であった。[7]
キャリア
ハーバード大学を卒業後、ベナーはハーバード大学のフェローとなり、1982年に若手教員のためのドレフュス賞を受賞した。1982年から1986年までハーバード大学化学科の助教授を務めた。[8]
1986年、ベナーはチューリッヒにあるスイス連邦工科大学（ETH Zurich）に移りました。 [9]彼は1986年から1993年まで生物有機化学の准教授を務め、1993年から1996年まで生物有機化学の教授を務めました。[8]
1996年[10]までにベナーはフロリダ大学の化学と細胞・分子生物学の教授に就任した。2004年にフロリダ大学化学科のVT＆ルイーズ・ジャクソン化学特別教授に任命された。[11]
ベナーは2005年12月下旬にフロリダ大学を去り、フランク・ウェストハイマーを称えてウェストハイマー科学技術研究所（TWIST）を設立した。この研究所は、ベナーが2001年に設立したフロリダ州アラチュアの応用分子進化財団（FfAME）の一部である。 [12]
ベナーは1999年にエラジェンバイオサイエンスを設立した。同社は2011年にルミネックスに買収された。[13] [14]彼は2005年にファイアバードバイオモレキュラーサイエンスLLCを設立した。[12] [15] [16]
研究
ベナーの研究は主に 4 つの分野に分かれています。
- 人工構造を合成することで遺伝子のアルファベットを拡張する
- 前生物化学、生命の化学的起源の再現
- 古遺伝学、はるか昔に絶滅した種の古代タンパク質の研究
- 地球外生命体の発見[17]
ベナー研究室は、化学合成によって、遺伝、継承、進化など、生体システムの複雑な動作を再現する分子を生成することを目指す「合成生物学」分野の創始者です。化学遺伝学における過去の研究のハイライトをいくつか以下に挙げます。
遺伝子合成
1984年、ハーバード大学のベナー研究室は、酵素をコードする遺伝子の化学合成を初めて報告した。[18] [19] [20]これは、 1970年にコラナがtRNAのより短い遺伝子を合成した後のことである。 [21]これは、あらゆる種類の遺伝子の中で初めて設計されたものであり、タンパク質工学の基礎を築いた先駆的な成果であった。 [22] この合成で導入された設計戦略は、現在、タンパク質工学をサポートするために広く使用されている。 [ 23 ]
人工遺伝子システム
人工遺伝子システムという目標に向けた取り組みは、1989年にベンナーと同僚らが初めて非天然塩基対を開発した際に報告された。[24] [25] [26] [27]ベンナーと同僚らはその後、人工的に拡張された6文字の遺伝子情報システム、人工拡張遺伝子情報システム（AEGIS）を開発した。このシステムには、4つの標準ヌクレオチド（G、A、C、T）に加えて、さらに2つの非標準ヌクレオチド（ZとP）が含まれている。[28] [29] [30] [31] AEGISには独自の分子生物学がサポートされている。[5]これにより、自然にコードされている20以上のアミノ酸を含むタンパク質の合成が可能になり、核酸が二重鎖構造を形成する仕組み、タンパク質が核酸と相互作用する仕組み、[32]および地球外生命体に代替遺伝子システムがどのように現れるかについての洞察が得られる。[33]
ベナーは、エリック・T・クール、フロイド・E・ロメスバーグ、平尾一郎、塩谷充彦、アンドリュー・エリントンなど、ワトソン・クリック結合（非ワトソン・クリック結合も含む）を用いてDNA（およびRNA）に組み込むことができる合成塩基の拡張アルファベットを作成した研究者の一人である。これらの合成塩基のほとんどはA、C、G、T塩基の誘導体であるが、いくつかは異なる。ワトソン・クリック対（A/T、C/G）のものもあれば、自己補完的（X/X）なものもある。このようにして、遺伝アルファベットが拡張された。[15] [25] [27] [34] [35] [36] [37] [38] : 88–98
タンパク質合成で利用できるヌクレオチドトリプレット、つまりコドンの数は、利用できるヌクレオチドの数によって決まります。標準のアルファベット (G、A、C、T) では 4 3 = 64 のコドンが可能ですが、9 つの DNA 塩基を含む拡張 DNA アルファベットでは 9 3 = 729 のコドンが可能になり、その多くは合成コドンです。これらのコドンを有効活用するために、アミノアシル tRNA 合成酵素が作成され、tRNA が、対応する合成アンチコドンと結合する可能性のある合成アミノ酸をコードできるようになりました。Benner は、合成 DNA コドン [iso-C/A/G] を使用する合成 iso-C/iso-G DNA を使用するこのようなシステムを説明しました。このシステムは、彼が 65 番目のコドンと呼んでいるものです。合成アンチコドン[iso-G/U/C]を持つ合成mRNAと合成アミノアシルtRNA合成酵素を組み合わせることで、合成ポリペプチドに組み込まれた合成アミノ酸をコードすることができる生体内実験が可能になります（合成プロテオミクス）。[38] ：100–106
核酸の「第二世代」モデル
ベナーは合成有機化学と生物物理学を用いて核酸構造の「第二世代」モデルを作成した。第一世代のDNAモデルは、ロザリンド・フランクリンが研究していた結晶化X線構造に基づいて、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによって提案された。二重らせんモデルによれば、DNAは互いに巻き付いた2本の相補的なヌクレオチド鎖で構成されている。[39]ベナーのモデルは、遺伝子分子認識イベントにおける糖とリン酸のバックボーンの役割を強調している。ポリアニオンバックボーンは、DNAの複製を助ける拡張構造を作成する上で重要である。[40] [41] [42]
2004年、ベナーは自己複製能力を持つ人工DNA分子の設計に初めて成功したと報告した。[22]
ゲノム配列とタンパク質構造予測
1980年代後半、ベナーはゲノム配列解読プロジェクトが何百万もの配列を生成し、研究者が有機化学における分子構造の広範なマッピングを行える可能性を認識した。1990年代初頭、ベナーはガストン・ゴネットと出会い、タンパク質配列の管理にテキスト検索用のゴネットのツールを適用する共同研究を開始した。[43] [44] 1990年、ガストン・ゴネットとの共同研究で、ベナー研究室はDARWINバイオインフォマティクスワークベンチを導入した。DARWIN（Data Analysis and Retrieval With Indexed Nucleic acid-peptide elements）は、ゲノム配列を調べるための高水準プログラミング環境であった。これは、データベース内のゲノム配列のマッチングをサポートし、突然変異、挿入、および欠失を蓄積することで、機能的制約下で天然タンパク質がどのように分岐進化するかを示す情報を生成した。[45] ベナー研究室はDarwinを基にして、配列データからタンパク質の3次元構造を予測するツールを提供した。既知のタンパク質構造に関する情報は、ベンナーの新興企業エラジェンによって収集され、マスターカタログという商用データベースとして販売されました。[45]
タンパク質の二次構造を予測するために複数の配列情報を使用することは、ベナーとゲルロフの研究の結果として普及した。[46] [47] [48]ベナーと同僚によるタンパク質の二次構造の予測は高い精度を達成した。[49]タンパク質フォールドをモデル化し、遠方の相同体を検出し、構造ゲノミクスを可能にし、タンパク質の配列、構造、および機能を結合することが可能になった。さらに、この研究は相同性による構造予測の限界を示唆し、この戦略で何ができて何ができないかを定義した。[45]
実用的な遺伝子型判定ツール
ベナーのアプローチは、核酸の働きに関する新たな視点、および診断とナノテクノロジーのためのツールを開拓した。FDAは、ヒト診断にAEGIS DNAを使用する製品を承認した。これらは、B型肝炎、C型肝炎、HIVに感染した患者のウイルス量をモニターする。[50] AEGISは、癌細胞[51]や患者サンプル中の一塩基多型などの遺伝子マーカーの多重検出ツールの開発の基礎となっている。これらのツールは、「ポイントオブケア」遺伝子分析を使用した個別化医療[52]や、単一の生きたニューロンの単一プロセス内の個々のmRNA分子のレベルを測定する研究ツールを可能にする。[53]
解釈的プロテオミクス
ベナー研究室は、ゲノムデータを解釈し、共通の遺伝的祖先である「ルカ」に遡って、構造生物学を用いて保存と変異のパターンを分析し、進化の樹の異なる枝にわたるこれらのパターンの変異を研究し、遺伝子記録の出来事を地質学や化石から知られる生物圏の歴史の出来事と相関させるツールを導入した。これにより、現代の生活における生体分子の役割が歴史的過去のモデルを通じてどのように理解できるかを示す例が生まれた。[54] [55]
実験的古遺伝学
ベナーは、バイオインフォマティクスと組み換えDNA技術を用いて古代生物の遺伝子とタンパク質を復活させる実験古遺伝学の分野の創始者です。 [56]古代タンパク質の実験的研究は、反芻動物の消化の生化学、[57] [58] : 209 古代細菌の好熱性、白亜紀の絶滅時の植物、果物、菌類の相互作用など、複雑な生物学的機能の進化に関する仮説を検証してきました。[58] : 17 これらは、分子から細胞、生物、生態系、惑星にまで及ぶ生物学的行動に対する理解を深め、惑星生物学と呼ばれることもあります。[58] : 221
宇宙生物学
ベナーは生命の起源と、自己複製するRNAが地球上の生命の先駆者であるとするRNAワールドモデルを支えるために必要な条件に深い関心を抱いている。彼は、カルシウム、ホウ酸塩、モリブデンが炭水化物の形成とRNAの安定化に重要であることを明らかにした。[59]彼は、RNAの初期生成には地球よりも火星のほうが好ましい条件だったかもしれないと示唆したが、 [60] [61]最近では、スティーブン・モジシスが開発した乾燥した陸地と断続的な水を示す初期地球のモデルがRNAの発達に十分な条件を示していることに同意した。[12]
ベナーグループは、その起源にかかわらず、生物システムの普遍的な特徴である可能性があり、非生物学的プロセスの産物ではない可能性のある分子構造を特定することに取り組んできました。これらは、地球のような生命と「奇妙な」生命体の両方にとっての「バイオシグネチャー」です。 [3] [62] [63]
これらの普遍的な生命識別子の 1 つは、遺伝子の高分子電解質理論で提案されました。このアイデアは、 DNAなどの水に溶解した線形遺伝的生体高分子が宇宙のどこででもダーウィンの進化を遂げるためには、それが高分子電解質、つまり繰り返しイオン電荷を含むポリマーでなければならないことを提案しています。[64]この概念は、エルヴィン・シュレーディンガーの著書「生命とは何か? 」で提案された遺伝子の「非周期的結晶」の見方とベナーによって結び付けられ、遺伝的生体分子の堅牢で普遍的に一般化可能な見方が作られました。[65]このアイデアは、科学者が地球以外の太陽系で生命を探すための枠組みとして提案されています。[66]
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