科学者はどのようにしてウイルスの正体を「見抜く」のでしょうか?極速エレクトロニクスが人類に「知恵の目」を与える！

インフルエンザなど、人体に感染するウイルスによって引き起こされる病気は数多くあります。これらの病気をより効果的に克服するためには、病気を引き起こすウイルスを理解する必要があります。

そこで疑問なのは、ウイルスは小さすぎて見ることも触れることもできず、研究者を感染させる可能性があるので、ウイルスを安全かつ便利に研究するにはどうすればよいかということです。この点に関して、研究者たちは多くの優れたアイデアを思いつきました。以下で簡単にそれらについて説明しましょう。

ウイルスの本当の姿を見るには電気が必要

私たちは音波のおかげで音を聞き、光波のおかげで物体を見ます。人間の視覚が知覚できる唯一の光は可視光と呼ばれ、その波長は通常 400 ～ 760 ナノメートルです。したがって、このデータに基づくと、光学顕微鏡がいかに精密であっても、その解像度は 200 ナノメートルを超えることはできないと計算できます。細菌の外観は確認できますが、ウイルスの痕跡を捉えることはできません。

光学顕微鏡のレンズ原理は光の波動粒子二重性原理です。 1905 年、アインシュタインは光が波と粒子の二重の性質を持つと提唱しました。 1924年、ド・ブロイは、すべての物質は波と粒子の二重の性質を持ち、電子も干渉や回折などの波動現象を持つと信じて「物質波」の概念を提唱し、後に電子回折実験によってそれが確認されました。

つまり、光ができることは、電子もできるということです。しかし、電子は光ではできないことができるのでしょうか?電子は原子核の外側にある負の電荷を持つ小さな粒子です。この「電気」オーラにより、人々は電磁場を利用して電子を加速することができます。高速電子は、光学顕微鏡で光を集光する原理と同様に、波長を大幅に短縮し、高速電子ビームを集光することで、解像度を向上させる効果が得られます。

電子顕微鏡モデル図。本: インフルエンザウイルス: 避けられない敵

1931 年、エルスト・ルスカとマックス・ノールは最初の透視電子顕微鏡を開発しました。 1934 年には解像度が 50 ナノメートルに向上しました。 1939年、高解像度電子顕微鏡の解像度は3ナノメートルに達しました。 1978年、走査型トンネル顕微鏡の解像度は0.01ナノメートルに達し、2点間の最小解像度距離は原子直径の1/10となり、電子は原子に戻りました。

高解像度の顕微鏡技術の発達により、人間はウイルスだけでなく、ウイルスのタンパク質や核酸も見ることができ、外側から内側まであらゆるものを観察できるようになりました。極めて高速な電子は人間に「知恵の目」を与え、生命の微視的スケールにおける「形」の問題を解決しました。

ウイルスの遺伝情報を入手するにはどうすればいいですか?

人間が生命科学の研究を行おうとするなら、ただ「見る」だけでは到底不十分です。生命の本質をより深く理解するためには、遺伝情報を突破口として使うのが良い選択です。新たな問題が発生しました。細胞やウイルスから核酸を採取したい場合、依然として包帯洗浄抽出法を使用する必要がありますが、そのためには大量の生物学的材料の培養と消費が必要です。必要なターゲット DNA 断片を直接複製および増幅し、分子レベルで直接動作させる方法はありますか?

「大きい」から「小さい」に変化するのは簡単ですが、「少ない」から「多い」に変化するのは困難です。 A、T、G、C の化学的性質に従って 1 つずつ合成して結合すると、コストがかかり、時間がかかり、労働集約的なプロジェクトになります。 DNA の半保存的複製は、生物の進化と伝達の重要な方法です。二本鎖 DNA は、さまざまな酵素の作用によって変性し、一本鎖にほどけます。 DNA ポリメラーゼの関与により、相補的塩基対形成の原理に従って、分子の 2 つの同一のコピーに複製されます。

DNA「コドン」本「インフルエンザウイルスは逃れられない敵」

これに基づいて、DNA の二重らせん構造が開かれ、2 つの相補的な一本鎖 DNA が形成されます。特定の核酸ポリメラーゼの作用により、ほどけた一本鎖 DNA がテンプレートとして使用され、4 種類の塩基対形成の原理に従って、新しい相補的な一本鎖 DNA が合成されます。この反応を対数的に繰り返すことで、最終的には「組立ライン」型の自動組立システムを実現します。基本的な原理は、ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) です。

広大な塩基の海から生命のコードのガイドとビーコンを発見するのと同じように、PCR 技術は核酸分子の取得と応用への道を開きました。

病原体を研究する際には安全性が不可欠である

病原性微生物とは、人体に侵入して感染症や伝染病を引き起こす可能性のある微生物のことで、病原体とも呼ばれます。病原体の中で最も有害であるのは細菌とウイルスです。病原体は宿主内で増殖し、毒性物質を放出し、体内でさまざまな程度の病理学的変化を引き起こします。このプロセスは感染と呼ばれ、重篤な場合には死に至ることもあります。

人間は遺伝情報やタンパク質の構造と機能を通じてウイルスを研究することができますが、物事がどのように変化しても、生きたウイルスを研究する必要があり、それは危険な取り組みです。 1940 年代に、世界中の人々が実験室感染の問題に注目し始めました。 1980 年代に、世界保健機関 (WHO) は世界のバイオセーフティ研究所を 4 つのレベルに分割しました。

私の国の病原微生物による危害の程度の分類基準は、レベル 1 からレベル 4 まで段階的に減少します (一方、世界保健機関および他の国の病原微生物による危害の程度の分類基準は、レベル 1 からレベル 4 まで段階的に増加します)。

カテゴリーIの病原性微生物とは、人間や動物に非常に深刻な病気を引き起こす可能性のある微生物、および我が国でまだ発見されていない、または根絶されたと宣言されていない微生物を指します。

病原性微生物の 2 番目のカテゴリは、人間または動物に重篤な病気を引き起こす可能性があり、人間、動物、または動物の間で直接的または間接的に簡単に伝染する微生物を指します。

カテゴリーIII病原微生物とは、ヒトや動物に病気を引き起こす可能性があるが、一般的にヒト、動物、環境に重大な脅威を与えず、感染リスクが限られており、実験室感染後に重篤な病気を引き起こすことはまれであり、効果的な治療および予防策がある微生物を指します。

カテゴリー IV 病原性微生物とは、通常は人間や動物に病気を引き起こさない微生物を指します。

P4実験室構造の概略図。出典: 書籍「インフルエンザウイルス: 逃れられない敵」

バイオセーフティ研究所は、保護バリアと管理措置を通じて、取り扱われる有害な生物学的因子の危険性を回避または制御することにより、バイオセーフティ要件を満たす生物学研究所または動物研究所です。実験室のバイオセーフティレベル (バイオセーフティレベル、BSL、または保護、P) は、レベル 1、レベル 2、レベル 3、レベル 4 に分けられます。レベル 1 は最低の保護レベルであり、レベル 4 は最高の保護レベルです。これは国際的な病原微生物の分類と一致しており、我が国の病原微生物の分類とは正反対です。

バイオセーフティレベル1実験室（P1）：通常はヒトや動物に病気を引き起こさない微生物、つまり世界保健機関が定義するレベル1の危険性を持つ微生物（麻疹ウイルス、おたふく風邪ウイルスなど4種類の病原性微生物）の操作に適しています。

バイオセーフティレベル 2 (P2) の実験室: 人間や動物の病気を引き起こす可能性があるが、一般的に人間、動物、環境に重大な危険をもたらさず、感染リスクが限られており、実験室感染後に深刻な病気を引き起こすことはまれで、効果的な治療および予防措置が講じられている微生物を扱うのに適しています。これらは、世界保健機関によってレベル 2 の危険性 (黄色ブドウ球菌、B 型肝炎ウイルスなどのクラス III 病原性微生物) に分類されている微生物です。

バイオセーフティーレベル 3 (P3) の実験室: 人間や動物に深刻な病気を引き起こす可能性があり、人間、動物、または動物間で直接的または間接的に伝染しやすい微生物、つまり世界保健機関によって定義されている危険レベル 3 の微生物 (コレラ菌、狂犬病ウイルスなどのクラス II 病原性微生物) を操作するのに適しています。

バイオセーフティレベル 4 (P4) の研究所: 人間や動物に非常に深刻な病気を引き起こす可能性のある微生物、および国内でまだ発見されていない、または根絶されたと宣言されていない微生物、つまり世界保健機関によってレベル 4 (エボラウイルス、ニパウイルスなどのクラス I 病原性微生物) に分類されている微生物を扱うのに適しています。

「仕事をうまくやりたかったら、まず道具を研がなければなりません。」電子顕微鏡ではウイルスの本来の姿が映し出され、写真には既知のほぼすべてのウイルスの形状と大きさが記録されていました。 PCR 技術により十分な生物学的背景が得られ、データには分離して検出できるさまざまな種類のウイルス核酸配列が保存されました。バイオセーフティ研究所はウイルス感染状態から保護するためのプラットフォームを提供し、人類はすでにあらゆる安全保護レベルで施設をアップグレードしています。 「今日は長いロープを手にしたけど、青いドラゴンを縛れるのはいつになるかな？」

著者

中国科学院院士、中国医師会副会長、中国疾病予防管理センター所長の高富氏

劉歓、中国科学院武漢ウイルス研究所准研究員、中国科学記者協会会員

出典: 書籍「インフルエンザウイルス: 逃れられない敵」