明日の生物学を見てみたいなら、イスラエルのレホヴォトにあるワイツマン研究所が最適です。生命の科学に新しい側面を与えることを目的として、数学、物理学、化学、コンピューターサイエンスなどの近隣科学からの移民である若い科学者の群れがここに到着しています。そして、これはただのフェイスリフト以上のものになります。シュツットガルトのマックス・プランク金属研究所の生物物理学者、ヨアヒム・スパッツ氏は、「定量的生命科学は生物学的プロセスに関する全く新しい洞察を私たちに与えてくれるでしょう。そしてそれは病気に対する新しい治療法にもつながるでしょう」と述べています。 「研究と教育における生物学、数学、物理学、化学、コンピューターサイエンスの統合は、そのための基本的な前提条件です。ワイツマン研究所では10年以上にわたって一貫して効率的に実施されてきました。」しかし、この新しい生物学は何でしょうか?ワイツマン研究所生物学学部長のベンジャミン・ガイガーは、「これは新しい学派であり、20世紀後半の成果に対する非常に根本的な新たな見方」としてこの現象を説明しようとしている。 DNA の構造が解明され、細胞の機構であるタンパク質が化学的に分析され、顕微鏡で見えるようになりました。
遺伝子とタンパク質がどのように連携し、一方が他方をどのように作り出すのかも原理的に理解されました。その後、生物学者たちは遺伝子の操作と増殖を学び、最終的には人間を含む生物全体の遺伝子 (ゲノム) とタンパク質 (プロテオーム) の全在庫がスキャンされ、データベースで利用できるようになりました。 「それで、私たちは今何を持っていますか？細胞生物学者は、ただの生命の一覧表だと言っています。」 「足りないのは取扱説明書です。」
暮らしへの建築ガイド
それはIKEAで説明書なしで家具を買って自分で組み立てるようなものです。 「家具が 3 つの部分から構成されている場合は、そのようにできるかもしれません」とガイガー氏は言います。 「しかし、部品が 30,000 個ある場合、その可能性はほぼゼロです。」彼の分野である細胞生物学でも、最近まで同様でした。詳細は豊富に見えましたが、関連性はありませんでした。 「ここで私たちはこう問わなければなりません。セルの設計原則はどこにあるのでしょうか?どのやりとりが重要で、どれが重要でないか?」そして、この 60 歳の彼はすでに視点を変えています。「伝統的な生物学者」の目で研究対象を見るのではなく、エンジニアの目で研究対象を見るのです。
誰が生物学者に生命の操作説明書を書き、誰が設計原理を発見するのでしょうか? 「数学的背景を持ち、生物学に対する直観力も備えている人でなければなりません」とガイガー氏は言う。 「幸いなことに、このような人々は存在します。」彼はそれらを主に物理学で発見しました。ベンジャミン・ガイガーと彼のカウンターパートである生化学学部長ベンザイオン・シロは、イスラエルの若い物理学教授ウリ・アロンとナーマ・バルカイを招聘した。ワイツマン研究所におけるいわゆるシステム生物学の「創設の父」および「創設の母」として、あなたは若い科学者を引き付けるのに貢献することになっています。二人とも米国でスタンフォード大学のスタン・ライブラーのもとで学びました。いわば、彼は生物学の新しいやり方の祖父です。
40 歳のナーマ バルカイは、「細菌はどのようにして新しい化学環境にこれほど正確に適応できるのでしょうか?」という簡潔な研究質問で感銘を受けました。彼女は 10 年前、有名な雑誌「Nature」の記事でその答えを示しました。彼女は、互いに制御する 4 つまたは 5 つのタンパク質の小さなネットワークのダイナミクスを説明し、それがなぜこれほど確実に機能するのかを説得力を持って説明しました。それ以来、彼女はショウジョウバエやカエルの胚発生に関する問題など、他の多くの生物学的課題で数学的ツールをテストしてきました。 「物理学と比べて、生物学ははるかに現実的であり、日常生活に非常に近いものであると研究者は興奮しています。」
コードがクラックされました
コンピューター科学者もそれに刺激を受けています。 34歳のエラン・シーガルは、整然としたオフィスの白い壁の前に座っている。その写真には、2006年発行の「ネイチャー」号の額装された表紙写真が1枚だけ飾られている。そこには、茶色がかったロープとしてDNAの二重らせんが示されている。青いタンパク質の塊が髪の毛のように太いカーラーに巻き付いています。 「クロマチンコードが解読された」とタイトル行が宣言されています。
クロマチンは、動物や植物などの高等生物の遺伝物質です。原始的な細菌のような単なる DNA のリングの代わりに、それらは適切に分割された染色体を持つ細胞核を持っています。それらは顕微鏡で非常によく染色されるため、19 世紀には「色体」(染色体) と呼ばれ、その構築材料は「クロマチン」と呼ばれました。また、クロマチンがタンパク質と DNA の複合体であることも古くから知られていました。タンパク質の塊は、染色体にコンパクトな形状を与えます。しかし、そのような塊、いわゆるヒストンが長い DNA 糸のどの位置に付着するかを何が決定するのでしょうか? DNA 自体がその塩基配列やコードを通じてこれを決定しているのでしょうか?それがコンピューター科学者が自分自身に問いかけた質問であり、彼は数学的直観を使って答えに取り組みました。次に、アメリカのチームは、酵母のゲノムをスキャンし、そのヒストンの実際の結合部位を特定することによって、イスラエルの予測を検証しました。シーガルの命中率：50パーセント。これは偶然の確率である 35% を大きく上回り、「自然」のタイトルに選ばれました。
その一方で、コンピュータ専門家のエラン・シーガルは、自然が重要な問題をどのように解決するかをゲノムから読み取ろうとする別の研究を完成させた。今回はハエの胚の発生についてです。このような昆虫は実際にどのようにしてその鋭い構造の体節を獲得するのでしょうか?シーガルのチームは、発生に重要な遺伝子を一緒に制御するゲノム内のシグナル結合部位のグループで解決策を発見しました。この研究は「自然」にも受け入れられました。そしてシーゲルのオフィスの壁にはまだスペースがある。
生物学の新しい方向性が何であるのかはすでに明らかになりつつあり、ディーン・ガイガーがイケアとの比較で説明しようとしているのは、新しい疑問についてではなく、場合によっては古くからの疑問に対するより正確な答えについてである。 DNAコード、ハエの胚の発生 – これらは明らかに古典生物学において長年解決されてきた研究課題であり、ノーベル賞も受賞している。しかし今、私たちは詳しく見て、もはやそれを説明するだけでなく、計算してみます。自然はどのように正確にそれを行うのでしょうか?
遺伝子をノックアウト
「植物の葉は、どのようにして完全に成長したことを知るのでしょうか?」もう一つの質問は、今回は植物研究所のユヴァル・エシェド氏によって行われました。エシェドと彼の博士課程の学生たちは、人気のある実験用植物であるターレ クレス (シロイヌナズナ) の謎を調査しました。この植物は、乾燥したイスラエルでは自然には生育しません。これが彼らのゲノムで知られているものです。そこで、Eshed の従業員は毎日小さな苗木をミキサーに投入し、タンパク質を抽出し、どの遺伝子が活性でどの遺伝子が活性でないかを調べました。 「私たちは植物の成長ホルモンを探していました」とエシェド氏は言います。 「そして、候補者をテストしました。それは成長ホルモンですか？」残念ながら、結果は私たちが期待していたものとは逆でした。」植物学者が成長を促進すると考えていた遺伝子は、そのタンパク質が肥料として苗木に投与されたときにまったく効果がなかったか、「矮化」効果があり、その結果盆栽が誕生しました。研究者らが「ノックアウト法」を用いた遺伝子手術により、対応するDNAセクションA、B、Cを切り取ったところ、再び何も起こりませんでした。 3つの「成長因子」がすべて一緒にノックアウトされた場合にのみ、突然成長が起こります。 「今ではそれがより明確になったわけではありません」とエシェドは振り返る。 「しかし、少なくともそれは一貫していました。」研究者たちは彼らの概念を覆さなければなりませんでした。新しいものは最終的に次のようになりました。A、B、C は成長因子ではなく、停止因子です。 「成長は基本的な状態です。それを止めるために、植物は積極的にそれを抑制します。」 A、B、C は時間依存的な効果を持ちます。たとえば A は、シロイヌナズナが存在してから最初の 1 週間だけです。次に、B が発効できる時間枠があり、次に C の体制が始まります。細かく段階的に段階的に設定された一連の規制と、適応可能なシステムです。天候が悪ければ、植物はいつでも成長を止めることができます。
ワイツマン研究所には、実験対象としての小さな植物が大きすぎる科学者グループもいます。彼らはナノ範囲で研究を行い、生体分子を調べます。例: ミハル・シャロン: 赤毛のたてがみを持つ 35 歳の彼は、数か月前にイギリスから帰国しました。ケンブリッジでは、生化学者は新しい分析方法である構造質量分析法に精通しました。 2002 年にノーベル賞を受賞した分離方法であるエレクトロスプレー分析と組み合わせると、生化学顕微鏡下で大きな分子 (シャロンの言うところの「分子象」) を検査することも可能です。シャロンのホーム分子はプロテアソームです。蓋付きのゴミ箱に少し似ていますが、これは単なるゴミ箱、つまり細胞がタンパク質廃棄物を分解するために使用する一種のシュレッダーではありません。まず、それらはシュレッダーの 2 つの前室に保管され、次に触媒室に輸送されます。そこでそれらは化学的に分解され、いわば消化されます。これらのプロセスは細菌のプロテアソームではすでに十分に理解されており、今度は高等生物のシュレッダーを調べる必要があります。ミハル・シャロンはモデル生物として酵母を選びました。しかし、まず彼女は 200 万ユーロ相当の分光器をセットアップしなければなりません。
イリット・サギは構造生物学の教授です。それが何であるかを詳しく説明する代わりに、彼女はラップトップを起動して短編映画を見せました。目を正しい位置に置けば、その中で分子が動いている様子を 3D で見ることができます。これはタンパク質、この場合はコラーゲン線維を分解する酵素です。そして、この複雑な三次元の物体、カラフルな棒とリングで構成され、中心に赤い亜鉛原子を持つタンパク質体の虚像が動きます。何らかの方法でではなく、リアルタイムで、プロテアーゼが機能しているときに細胞内でどのように動くかを正確に確認します。まるで大きな顎を開いたり閉じたりしているように見えます。 「実際にそれを行ったと信じることができるようになるまで、数日かかりました」とイリット・サギ氏は誇らしげに語る。この分子モデルは、静的な 3D 構造、反応の初期状態と最終状態を再現するだけでなく、次のように述べています。サギ – 「完全なダイナミックな写真」。多くの分子生物学者がこれを夢見てきました。あなたも。これを可能にしたのが「時間分解X線構造解析」という解析手法です。簡単に言うと、X線撮影装置とミキサーを組み合わせたものを使用します。
タイムラプスでの進化
ミキサーは、分子が時間遅延を伴ってデバイスに確実に投入されるようにするため、反応の記録を数秒後に行うことができます。サギの映画はセンセーションを巻き起こした。専門誌で「プロテアーゼヨガ」について取り上げられました。 「ノバルティスは多額の資金で私たちの研究を支援してくれています」とサギ氏は明かす。なぜなら、酵素がどのように機能するかを正確に知っていれば、それを特異的に阻害できるからです。生化学者は、プロテアーゼの動きを止めてコラーゲン線維の分解を阻害する抗体を開発しました。彼女は、体が自分自身の細胞を攻撃するクローン病などの自己免疫疾患の治療にそれが使用できることを期待しています。
ワイツマン研究所のシステム生物学の父であるウリ・アロンは、最近進化の研究を行っている。それは、進化には今日私たちが見ているような生物の多様性を生み出すのに十分な時間があったのかという、非常に基本的な疑問に関するものです。 「はい、進化は謎です」とウリ・アロンは言います。 「今日は哺乳類を生きたまま捕らえましょう。彼らの発達にはわずか 6,000 万年しかなく、最大 2,000 万世代しかありませんでした。そしてこの間、ゾウの足はクジラのヒレや人間の手と同じくらい発達しました。困難な問題に対する複雑な解決策。しかし、コンピュータ上で進化をシミュレーションしようとすると、単純な問題さえ解決されません。進化は行き詰まってしまいます。」そこで彼は、自然界で役割を果たす要素を導入することによって、このプロセスを何とか加速できないか、と自問しました。環境条件の変化という事実が彼の目に留まりました。 「環境が変化するため、目標も常に変化します。」
そこで物理学者は神のふりをして、コンピューターのモデルに変化する条件を導入しました。 20世代ごとに、乾燥と湿潤が増しました。 「そして見よ、進化は劇的に加速した！最大 10 億倍、つまり以前よりも 1,000 万倍速くなりました。」よく観察してみると、彼の人工生物は、進化の過程で複数のモジュールを同時に最適化することで「学習」しているように見えました。 「そんなことは予想していませんでした」とウリ・アロンは言う。自然は常に彼を驚かせます – そのわかりやすさに。 「複雑な生物学的システムが理解可能であると演繹的に仮定する理由はない」と彼は教科書『システム生物学入門』に書いている。 「それらは私たちが理解するために進化したのではなく、機能するために進化しました。それでも、生物学的設計を私たちに理解できるようにする単純化された原理を見つけることはできます。」
彼は現在、細菌培養物を対象に進化モデルをテストしています。ロボットはそれらを毎日異なる引き出しに押し込み、前日とは異なる条件の微環境に送り込みます。科学の監視のもとで加速する進化、実験室にエデンの園。 ■
ジュディス・ラウフ著
トピックの詳細
インターネット
ワイツマン研究所に関する情報: www.weizmann.ac.il
ドイツ・イスラエル科学年: www.gist2008.com
読むには
ユリ・アロン システム生物学の入門 生物学的回路の設計原理 Chapman&Hall、ボカラトン 2007、$54.95
知っておきたい情報: ワイツマン科学研究所
· ワイツマン研究所はイスラエルで最も重要な科学研究機関です。テルアビブの南 22 キロメートル、エルサレムの西 42 キロメートルのレホヴォトの町にあります。
· 1949 年に初代イスラエル大統領となった化学者ハイム ワイツマンの主導で 1934 年に設立されました。キャンパス内にある彼のかつての家は訪問者に公開されています。
· ワイツマン研究所では現在、世界中の多くの国から集まった約 1,000 人の科学者、さらに 1,000 人の学生と博士課程の学生、および 220 人の博士研究員が研究を行っています。
· 数学/コンピューター サイエンス、物理学、化学、生物学、生化学の 5 つの学部が学際的に連携しています。脳研究、がん研究、再生可能エネルギーに焦点を当てています。
・約1億3,500万ユーロの予算のうち3分の1はイスラエル国から提供される。残りは財団、個人の寄付、ワイツマンの研究者からの特許収入によるものです。
