38人の科学者が共同で論文を発表、「ミラーバクテリア」は地球上の生命に「挑戦」を仕掛けるのか？

12月11日、世界トップクラスの学術誌「サイエンス」は「『鏡像生命』のリスクへの対処」と題する重要な論文を掲載した。この論文では、「鏡像生命」微生物の研究と創出が地球上の生命に及ぼす可能性のある「前例のないリスク」について詳細に検討されている。

この記事は、世界 9 か国のトップ 38 人の科学者によって共同執筆されました。チームには、ノーベル賞受賞者 2 名と、合成生物学、免疫学、植物病理学、生態学、進化生物学、惑星科学の分野で国際的リーダーが参加しています。この記事には、分析を徹底的に技術的にサポートする 300 ページの詳細な技術レポートが添付されています。

「鏡の生き物」のリスクに直面する（出典：文書1）

事態がこれほど大規模になると、この「鏡の生命」は大きな害をもたらすのでしょうか？ここで安心させてください。この記事は非常に前向きです。これは、業界に対し、「鏡の生命」を研究する際にはリスクを十分に考慮するよう注意喚起することを目的としています。しかし、「鏡の生活」は一般人の生活からはまだ遠いので、心配する必要はありません。

では、「ミラーライフ」とは一体何であり、どのようなリスクをもたらすのでしょうか?これは「鏡の分子」から始めなければなりません。

生命における鏡像分子

人の左手と右手は鏡の中で互いを映しますが、重なり合うことはありません。生命に密接に関係するいくつかの分子にもこの特性があります。分子はその特性に応じて左利き型と右利き型に分けられ、それによって分子にまったく異なる機能をもたらす可能性があります。

たとえば、製薬分野では、左利きの分子と右利きの分子のキラリティーの違いによって、薬の効能や目的さえも決まることがあります。レボドパは人体によって効率的にドーパミンに代謝される一方、デキストロドパはほとんど効果がないため、パーキンソン病の治療における中核的な薬剤となっています。デキストロメトルファンは咳止め薬ですが、その左手型エナンチオマーには鎮痛作用があり、全く異なる生理学的効果を示します。アムロジピンもありますが、左旋性形態は降圧効果がより強いだけでなく副作用も少なく、右旋性形態は血管内皮機能を改善し、心臓血管の健康を守ります。

この点に関しては、かつて妊娠反応を軽減するために広く使用されていた「サリドマイド」（商品名「サリドマイド」）と呼ばれる薬剤から、痛い教訓も得られています。 2 つのエナンチオマーのうち、1 つは妊婦の妊娠反応を軽減するのに役立ちますが、もう 1 つは「アザラシ胎児」の奇形を引き起こす可能性があります。当時は、薬物の効果に関する理解が不十分で、検出および分離方法もなかったため、薬物には両方のエナンチオマーが同時に含まれていました。その結果、サリドマイドを服用した妊婦の多くが奇形児を出産した。

文書9からの画像

薬物のキラリティーも、さまざまな環境で興味深い変化を起こします。エフェドリンは水溶液中では左利きとして振舞い、エタノール溶液中では右利きになります。左手型分子と右手型分子の化学構造はほぼ同じですが、生体内での挙動は完全に異なる場合があり、そのためキラリティーは医薬品開発における重要な研究方向となっています。

食品と栄養の分野では、ブドウ糖は私たちの日常の食事で最も一般的な糖類の 1 つです。右利き型なので人体に吸収され、エネルギー源として利用できます。その鏡像分子である L-グルコースは同じ化学構造を持っていますが、人体では代謝できないため、甘味料としてのみ食品に添加することができます。

鏡像のグルコースとアラニン分子（出典：文献2）

乳酸にもキラル多様性があります。 L-乳酸は人体の重要な代謝産物であり、特に筋肉で生成され、エネルギーの供給に役立ちます。一方、D-乳酸はヨーグルトやキムチなどの発酵食品に多く含まれており、人体と共存してこれらの食品に独特の風味を与えます。

さらに一歩進んで、一部の農薬では、キラリティーの違いがさらに生命を脅かすものになります...

「鏡の分子」について理解できたので、「鏡の生命」とは何かについて話すことができます。

ミラーライフとは何ですか？どこに危険がありますか？

ミラー生命とは、その分子構造が地球上の生命の分子の鏡像バージョンである仮想の生命体である。鏡像生命の分子カイラリティは、地球上の現在の生命のそれと完全に逆です。この特性は、既存の生物の免疫システムにとって大きな課題となるでしょう。

免疫システムは、キラル分子間の正確な認識と相互作用に依存しています。たとえば、天然のアミノ酸と糖で構成される抗原は、免疫システムによって効率的に処理されます。しかし、鏡像タンパク質や核酸は分子構造のキラリティーが完全に逆転しているため、既存の免疫機構では効果的に分解することができません。

たとえば、実験により、鏡像タンパク質は従来の酵素による分解に抵抗し、主要組織適合遺伝子複合体 (MHC) による提示のための短いペプチド断片を生成できないことが示されており、これが抗原認識の障害に直接つながります。さらに、適応免疫システムの T 細胞と B 細胞は抗原シグナルに依存して活性化しますが、ミラー分子に直面するとこれらのシグナルを認識できず、抗体の生成と細胞性免疫応答が妨げられます。

AIによって生成された画像

鏡像微生物が人体や他の生物に侵入した場合、その構造は免疫系にほとんど認識されないため、免疫防御を回避し、宿主内で急速に広がる可能性があります。健康な個人の免疫システムは、侵入する天然のキラル細菌を排除することができますが、鏡像微生物は、自然免疫（補体系など）や獲得免疫を含む複数の防御機構を回避することができます。例えば、鏡像細菌は補体系の古典的経路も代替経路も活性化しないため、溶解を回避したり、貪食の対象になったりすることはありません。さらに、多くの抗菌ペプチドはキラリティーに非常に敏感で、鏡像微生物と効果的に相互作用することができず、自然免疫の保護機能をさらに弱めてしまいます。

この場合、鏡像微生物の生存と繁殖により宿主に重大な損害を与える可能性があります。特に皮膚、腸、呼吸器などのバリア組織が損傷すると、ミラー微生物がこれらの自然のバリアを容易に通過し、体のより深い組織に侵入する可能性があります。これらの場所に到達すると、ミラー微生物は宿主からの栄養素を利用して急速に増殖する可能性があります。感染を抑制するための効果的な免疫反応がなければ、体内での感染の拡大により致命的な病気を引き起こす可能性があります。

サイエンスの記事では、ミラー微生物は個々の宿主の健康に直接的な脅威を与えるだけでなく、集団レベルでの感染の拡大を引き起こす可能性もあると述べられている。ミラー微生物は、その独特の免疫回避能力により、一度拡散すると、制御が困難なバイオ防衛の分野で重大なリスクとなる可能性があります。この現象はまた、生態系への侵入と破壊における倫理、安全性、ガバナンスの観点からミラーライフを研究することの重要性を浮き彫りにしています。

もちろん、私たちの体内の栄養分子の中にはキラルなものもあることを考えると、左手が右手の手袋にうまく収まらないのと同じように、ミラー微生物はこれらの栄養素を正常に利用できない可能性があります。この観点からは、ミラー微生物の増殖率は低下するかもしれないが、前述のリスクは無視できない。

鏡の生命よ、科学界はこれまでどこまで進歩してきたのか？

鏡像生命は、DNAを形成する左利きのヌクレオチドと、タンパク質を形成する右利きのアミノ酸で構成されています。この形態の生命は地球上の自然界ではまだ発見されていないが、合成生物学技術によって実験室で実現できるかもしれない。

1 つ目は、鏡像生体分子の化学合成です。 2022年、研究者らは約100キロダルトン（kDa）の鏡像T7 RNAポリメラーゼを化学合成することに成功しました。この酵素は、鏡像リボソームの構造を構成する全長2,900塩基の鏡像5S、16S、23SリボソームRNAを効率的かつ正確に転写することができ、コア鏡像タンパク質の合成を触媒する画期的な進歩も遂げています。

ミラーRNAとリボソームを使って、タンパク質を合成します。免疫原性は、タンパク質治療の分野における大きな課題の 1 つです。特に、タンパク質治療薬を長期使用すると抗薬物抗体（ADA）が生成され、薬効が低下したり、副作用が誘発されたりする可能性があります。この問題に対処する有望なアプローチは、免疫細胞内のプロテアーゼによる分解に耐性のある D-アミノ酸で構成された鏡像タンパク質を使用することです。最近の研究では、抗体重鎖可変領域 (d-VHH) の鏡像異性体の化学合成と、免疫原性が低下して有効性が高まるタンパク質治療薬の開発におけるこの新しい d-VHH スクリーニングプラットフォームの潜在的な応用価値が実証されています。

鏡像のRNA、タンパク質、その他の生命分子を合成できるのだから、鏡像の細胞を合成できるのは遠い未来のことではないだろうか？現在の合成生物学プロジェクトでは、無生物から完全に人工的な細胞を構築しようとしています。科学者たちは、鏡像 DNA、タンパク質、脂質などの鏡像分子を使用して完全な合成細胞を組み立てようとしています。さらに、鏡像生命体への段階的な変化の過渡段階として、天然細菌を改変して、生体内で鏡像分子を生成できるようにする研究も行われている。ミラー生命の実現における主な障害は、複雑な分子システムの合成と高コストの問題の解決にあります。

要約する

鏡の生命の研究は間違いなく科学の新たな境地を明らかにしたが、同時に倫理的、安全的、生態学的に大きな課題ももたらしている。分子基盤からシステム構築までのこの研究の進歩は、未知の生命体の探究に対する人類の熱意を示すと同時に、科学者に慎重に行動することを思い出させます。

この探究は、医学やバイオテクノロジーなどの分野に革命的な進歩をもたらす可能性がありますが、技術の乱用や怠慢により予期せぬリスクにつながる可能性もあります。サイエンス誌の記事で求められているように、科学の進歩と社会保障のバランスを確保するために、研究を開放しながら健全な規制枠組みを確立すべきだ。

鏡の中の人生はパンドラの箱かもしれないが、その箱を開ける鍵は、科学者と社会全体の共通の知恵と合理的思考の中にある。幸いなことに、現在の技術では完全なミラーライフを構築するにはまだ不十分であるため、ミラーライフは短期的には脅威にはならないだろう。科学界は以前から起こり得るリスクを認識していたため、ミラーライフ技術が実際に実現するまでには（10年から30年かかる可能性があります）、十分な準備を行う時間があります。

参考文献

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企画・制作

著者: Denovo ポピュラーサイエンスライター