70年前、2人の若者が画期的な発見をし、それが世界的な生命科学の発展につながった。

導入

今年はDNAの二重らせん構造の発見70周年にあたります。 1953年4月25日、2人の若者が有名な科学誌「ネイチャー」に1ページの論文を発表し、DNAの二重らせん構造を明らかにし、しばらくの間、幅広い注目を集めました。それ以来、生物学研究は正式に分子時代に入り、画期的な変化をもたらし、医薬品の生産、作物の品種改良、病気の治療などに大きな影響を与えてきました。

本日は、コールド・スプリング・ハーバー・アジアの CEO、Maoye Ji 博士をお招きして光栄に存じます。ジ博士はかつて米国のコールド・スプリング・ハーバー研究所に勤務し、ノーベル賞受賞者のジェームズ・ワトソンと多くの交流がありました。 2008年、Ji博士とWatson氏は蘇州にCold Spring Harbor Asiaを設立しました。これはCold Spring Harbor Laboratoryの唯一の海外支社でもあります。現在、この研究所は中国、さらには他の東アジア諸国の分子生物学者間のコミュニケーションと学習の中心地となっています。

今日は、二重らせん構造の発見とその影響についてジ博士にインタビューしました。

01 核酸が遺伝物質であることをどうやって証明するか？

葉水松：1869年に科学者たちはDNA分子を発見しました。しかし、科学界が「核酸は生命の遺伝物質である」と認識したのは 1930 年代から 1940 年代になってからでした。 DNAの二重らせん構造の発見の過程について簡単に教えていただけますか？

季茂業：生命は他の物質と異なり、「世代から世代へと受け継がれる」という特徴を持っています。

生物学者、化学者、物理学者は皆、この質問をするでしょう。この特性を支える物質は何ですか?最終的に、科学者たちは生命を構成する高分子が 4 種類あることを発見しました。 1 つ目はタンパク質で、20 種類のアミノ酸に分解できます。 2番目は脂質、つまり脂肪です。 3番目はエネルギーを供給する糖分です。 4番目は核酸です。世代から世代への継承をサポートするために使用される物質は何ですか?分子の複雑さの観点から見ると、タンパク質が遺伝物質である可能性が高いと一般的に考えられています。

しかし 1940 年までに、さらに多くの実験により、核酸が遺伝物質である可能性があることが確認されました。最も有名な実験の一つは、ニューヨークのロックフェラー大学のオズワルド・エイブリーによって行われたものです。彼は、肺炎球菌の有毒な核酸が別の無毒な肺炎球菌に組み込まれると、その肺炎球菌が有毒なものに変わる可能性があることを発見した。この実験は「DNA が遺伝物質である」ということを強く示唆しました。

「核酸は遺伝物質である」ということを最終的に証明した実験は、マサ・チェイスの実験でした。この実験はコールド・スプリング・ハーバーで行われ、生化学の歴史において非常に有名です。実験の重要なポイントは、ウイルスを同位元素で標識することだった。ウイルスの構造は、核酸を包むタンパク質の殻です。マーサ・チェイスの実験では、非常に巧妙に異なる同位体を使用して、外側のタンパク質殻と内部の核酸にラベルを付けました。この実験により、「核酸はタンパク質ではなく遺伝物質である」ということも最終的に証明されました。

02 ワトソンがDNAに興味を持ったきっかけ

葉水松：ワトソンはなぜDNAの構造を研究するためにヨーロッパに行くことを選んだのですか？

季茂業：1950年代は情報の普及が比較的遅く、研究成果が一般に知られるようになるまでには半年ほどかかりました。当時、ワトソンはコールド・スプリング・ハーバーによく行っていました。地理的な都合により、彼は遺伝物質が DNA であることを非常に早い段階で知りました。そこで彼は当時、核酸の分子構造がわかっていれば、遺伝子構造の問題は解決できると考えました。博士号を取得した後、ワトソンは「DNAの分子構造」を研究したいと明言し、アメリカからヨーロッパへ渡りました。

当時、分子構造を研究するにはX線回折技術という技術が必要でした。 X線回折技術の原理は、高度に精製されたDNAやタンパク質に光を照射すると、反射して感光性になり、フィルム上に現像できるというものです。現像された画像を使用して分子構造を推測することができます。

当時、ヨーロッパ、特にケンブリッジ大学のキャベンディッシュ研究所のX線回折技術は非常に進んでいました。研究所所長のローレンス・ブラッグ氏はこの技術でノーベル賞を受賞した。当時、ヨーロッパの多くの研究機関、特にイギリスのケンブリッジ大学がこの技術を使って生体高分子やタンパク質などを研究していました。

ローレンス・ブラッグ

当時、米国ではこの種の研究を行っている研究所はほとんどありませんでした。それで、ワトソンは卒業するとすぐにヨーロッパに行きました。彼は「回り道」をして、まずコペンハーゲンへ行ったが、そこは自分の行きたい場所ではないと後で気づき、そこで半年間過ごした後、ケンブリッジへ行った。

葉水松：ワトソンは最初からDNAの構造にとても興味を持っていたのですか？

季茂業：ワトソンがDNAの分子構造に興味を持ったのは、核酸が遺伝物質であることをすでに知っていたからです。そこで彼は、アメリカで博士号を取得した後、DNAの分子構造を理解しようと決意しました。 DNA の分子構造を理解すれば、遺伝子の構造は非常に単純かつ明確になります。

ワトソンはDNAの二重らせん構造をスケッチした

実際、科学者にとって最も重要なことは、資金や技術などの問題ではなく、いわゆる「重要な質問」をすることです。当時ワトソンと彼の同僚が尋ねた疑問は、この問題（DNAの構造を発見すること）をどう解決するかということでした。実際、その技術は当時すでに成熟しており、DNA構造の問題を解決するまであと数歩というところでした。しかし、当時はこの質問をする人はあまり多くありませんでした。

03 ワトソンとクリックの貢献

葉水松：ジェームズ・ワトソン、フランシス・クリック、ロザリンド・フランクリンらは、DNAの二重らせん構造にどのような貢献をしたのでしょうか？

ジ・マオイエ：遺伝学や分子生物学を研究している若い世代にとって、ワトソン、クリック、ロザリンド・フランクリン、モーリス・ウィルキンス、エヴェレット、ライナス・ポーリングは、いずれも私たちの科学の先駆者です。彼らの貢献は非常に重要だと思います。しかし、当時の出来事については私も独自の判断を持っています。これらの判断には、Watson から提供された情報と私自身の専門的な判断が含まれます。 「DNA 二重らせん」という用語は DNA 分子を単純化しすぎていると思います。二重らせん問題には少なくとも 3 つの重要な点があります。

左から右へ：クリック、ワトソン、ウィルキンス

フランクリン

まず、DNA は二重らせん構造をしており、これがその化学構造です。科学的な意味での DNA の形状も二重らせん構造です。

2 つ目のポイントは、実際には単なる二重らせんではなく、世代から世代へと受け継がれる遺伝物質と遺伝情報の運搬体であるということです。しかし、その他のすべての生体高分子や生物学的物質は、世代から世代へと受け継がれる機能を持っていません。つまり、DNAは情報の媒体なのです。

二重らせん形状に加えて、情報のエンコードも重要です。情報エンコーディングには A、T、G、C のペアが含まれており、2 つの鎖の情報は補完的です。 1 つのストランドの情報がわかれば、2 番目のストランドは自然に明らかになります。

3 番目に、A、T、G、C の組み合わせは、全体的な外観に幾何学的な影響を与えません。当時、この 3 つの点を完全に明確にしたのはワトソンとクリックだけです。

そしてさらに重要なのは、DNAは世代から世代へと受け継がれる機能を持つ遺伝物質であるということです。 A、T、G、Cの組み合わせの情報コードをコピーし、次の世代に伝える役割を担っています。この点に関して、生物学者としてのワトソンの頭には当然これらの疑問が浮かびます。しかし、DNAを化学構造として扱うだけでは、問題全体が解決されるわけではありません。そこにエンコードされた情報はより重要です。

さらに詳細をお伝えしましょう。ワトソンと彼の同僚は1953年2月にすでに二重らせん構造を知っていましたが、研究全体は完了していませんでした。

ワトソンが自分のアパートで厚紙で模型を切り出し、A、T、G、Cの化学構造を組み立てたのは、2月28日の午前10時頃になってからだった。彼は、AとTのペアとGとCのペアの形がまったく同じであり、二重らせん形状が片側で膨らんだりへこんだりしないことを発見した。その時彼は塩基対形成の原理を発見した。

クリックは10時過ぎにやって来て、ワトソンはそれをクリックに見せ、「私はこの原理を発見した！」と言いました。クリックはその時とても興奮していました。その瞬間まで二重らせんは完成している。二人は非常に有名な歴史を持っています。その日、クリックはケンブリッジのイーグル・バーに夕食に出かけ、大声でこう宣言した。「私は生命の秘密を発見した！」

04 二重らせん構造の欠落

季茂業：もう一つ細かい点があります。この記事（1953 年の論文）は、最初にワトソン、次にクリックによって署名されました。このモデルは科学界では「ワトソン・クリックモデル」としても知られています。なぜワトソンの名前が最初でクリックの名前が最後なのですか?その理由は、クリックの研究はロザリンド・フランクリンの写真を見てDNAの二重らせん構造を推測することだったのに対し、ワトソンの研究は実はより重要な塩基対合を発見することだったからです。

しかし、カリフォルニア工科大学のロザリンド・フランクリンとライナス・ポーリングは、DNAを単なる化学の問題として捉えていました。ワトソンと彼の同僚はポーリングが発表した論文を読んで、ポーリングが「DNAは三重らせんである」と提唱していることを知り、すぐにこれは間違っていると思った。なぜなら、彼らにとって、DNA の情報をどのようにコピーし、複製し、適度に開閉するかは非常に重要な問題だからです。彼らが提案する構造が、遺伝コードのコピーを作成できるように制御された方法で開閉できないのであれば、それは間違っているに違いない。

ポーリングの三重らせんの提案は、「DNA は生命科学において非常にユニークな機能を持つ分子である」ということを完璧に例証しています。生物学者が関与していなかったら、物理学者や化学者がそれを解明するには長い時間がかかるだろう。なぜなら、遺伝情報が配置され、組み合わされ、適度に開かれ、閉じられ、いつでもコピーされ、複製される機能を考慮しないからです。ワトソンはまた、ロザリンド・フランクリンは純粋な化学者であり物理学者だったとも教えてくれました。彼女の学問のスタイルは非常に厳格だった。彼女はデータについて推測することを拒否した。彼女はデータに「語ってもらう」ことを望んだ。データが「語らない」場合、彼女はそれが何であるかを推測できません。これがワトソン、クリック、フランクリンの最大の違いだと思います。

ワトソン、クリック、その他の人々は、「答えのある質問に取り組む」必要があることを知っていました。ワトソンはDNAが遺伝物質であることをかなり早い段階で知っていたが、DNA構造に関する研究が完了したのは2月28日の朝になってからで、ワトソンは二重らせんの外観と完全性を損なうことなく、A、T、G、Cのみのパズルを完成させたのだった。

葉水松：フランクリンの貢献について話しましょう。彼女は 1951 年 1 月に DNA の X 線回折パターンを作成しました。研究者の中には、彼女はその時点ですでに DNA が二重らせん構造であることを知っていたと言う人もいます。しかし、彼女は化学者だったので、DNAの構造の重要性を特に理解していなかったということでしょうか?

季茂業：ウィルキンス、ワトソン、クリックは1962年のノーベル賞を共同受賞した。その写真（写真番号51）とそれらの歴史的詳細に関して、重要なことは、ウィルキンスとフランクリンは同僚であり、彼らの間には大きな対立があったということです。ロンドンに行ったときにワトソンにこの写真を見せたのはウィルキンスだった。

写真No.51

2010年に蘇州から北京に向かう飛行機の中で、ワトソンは私に個人的にある詳細を明かした。彼によると、「写真No.51」はフランクリンの引き出しの中に「少なくとも8か月間」あったそうです。ワトソンさんは、これほど重要な写真が、何の取り扱われもされずに8か月もフランクリンさんの引き出しの中にあったとは「驚き」だと語った。

ワトソンが私に言ったことが真実であれば、フランクリンは少なくとも当時は写真の重要性を認識していなかったか、写真が完璧ではないと考えていたと推測できます。フランクリンは、ワトソンらの「勧め」により、ウィルキンスらとともに1953年に論文を発表した。それまでフランクリンは沈黙しており、彼の研究チームはDNAがらせん状であるという問題を諦めていた。

05 二重らせんの発見者の正体は議論の的になっているか？

葉水松：あなたはワトソンと非常に密接なコミュニケーションをとっていましたね。彼は過去の出来事についてあなたに何と言ったのだろうか？

季茂業：現在、中国でも西側諸国でも、インターネット上ではフランクリンのために「正義を叫ぶ」声が上がっています。しかし、これは実際には当面の問題に対処していないと思います。この問題を深く理解するには、DNA、化学、生物学に関する非常に深い専門的知識が必要になるのではないかと思います。 1950 年代の社会環境では女性が不利な立場にあったと考え、フランクリンに同情する人は多い。これはとてもよく理解できます。

しかし実際には、ワトソンとクリックも当時は恵まれないグループに属していました。おそらく中国では多くの人がこの点を理解していないだろう。彼らは、アメリカ人は非常に傲慢な態度でイギリスやヨーロッパに行くと考えています。実際のところ、これは全く事実ではありません。ワトソン氏の家庭環境は裕福ではなく、彼自身も名門校を卒業していない。英国に行く際、彼はある程度「謙虚に振る舞う」必要があった。ワトソンがイギリスに行ったとき、彼は非常に貧しかった。彼が英国のキャベンディッシュ研究所に滞在し、数か月間クリックと「付き合う」ことができたのは、米国立科学財団から提供された数か月間の奨学金のおかげでした。

当時、社会的、医学的、科学的観点から、彼は「目立たないようにする」必要があった。研究室では、二人は研究室長のウィリアム・ローレンス・ブラッグからよく叱責された。第二次世界大戦の終結後、クリックは物理学から生物学に転向し、ヘモグロビンを研究したが、成果は得られなかった。流体の粘性や流動力学に関するこれまでの研究も成果をあげていない。

一人は36歳の年配の博士課程の学生で、もう一人は若く、社会から疎外された貧しい田舎の少年だった。両者はキャベンディッシュ研究所の廊下の端の部屋に配置されていた。彼らは完全に不利な立場に置かれた集団でした。実際、今日の社会の中には、ワトソンとクリックがフランクリンを「いじめた」かのように、独自の解釈や推測を加える人もいると思います。実際、クリックとフランクリンの関係は常に良好で、4月25日に記事が掲載された後も、彼らの関係は良好のままでした。ワトソンとフランクリンの関係はその後改善し、彼らは礼儀正しく付き合うことができました。もしフランクリンが、この二人の男が非常に不正な方法で彼女の物を「盗んだ」と考えていたなら、この二人がこれほど友好的な関係を維持することは決してなかっただろう。

06 DNA二重らせん構造の発見の意義

葉水松：この構造の発見と、それがその後の生命科学の発展に与えた貢献を評価していただけますか？たとえば、遺伝子工学、ゲノミクス、遺伝子編集などです。

季茂業：DNA二重らせん構造の大発見は、歴史上「決定的な瞬間」と言えると思います。それ以来、生物学は情報科学になりました。

さらに、クリックが言ったように、彼らは「生命の秘密」を発見したのです。 DNAの二重らせん構造の発見により、生命の本質に対する人類の理解は前例のないレベルにまで高まったと私は信じています。私たちの生活は「言語」（遺伝言語）によってコード化されていることが判明しました。これはとても素晴らしいことだと思います。少なくとも、ウイルスから細菌、植物、動物、そして最も知的な生き物である人間に至るまで、地球上のすべての生命は同じ「言語」で書かれています。地球上のすべての生物は完全に統一されています。私たちは同じ「言語」で書かれた異なる作品です。

ダーウィンの進化論は当時は動物界や植物界に限定されており、その範囲はそれほど広くありませんでした。二重らせんの発見の重要性は、それ以来私たちの生命に対する理解が変化したことです。私たちは哲学的なレベルに到達しました。すべての人生は同じ「言語」で書かれています。私はかつてインタビューで、私たち人間は、ある程度、30億のコードを持つ歩く「糸」として計画できると述べました。あなたも、私も、そして世界中のすべての人は DNA 配列で構成されています。

したがって、生命は抽象的なレベルにまで上昇することができ、これが二重らせんの発見の意義です。二重らせん構造は、技術、医学、法医学、社会教育のレベルで現代社会に大きな影響を与えており、美学や芸術にも影響を与え続けています。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

チーム/著者: Deep Science

査読者: タオ・ニン、中国科学院生物物理研究所准研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司