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生体金属元素

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これが宇宙生物学上の発見?という私の記事に対して、多くのコメントを戴き、どうも結局、燐を砒素で置き換えて生活している細菌というのは、生物学的にあまり画期的なものではない、ということで落ち着きそうである。

そのコメントに対して私はつい、生半可な知識で、「砒素は、生体金属14元素には入っておらず、」などと書いてしまったが、もともと、砒素が代替である燐自体、生体金属14元素ではなく、炭素、水素、窒素、酸素、燐、硫黄とある基本6元素の一員なのだった。

しかし、細菌といえども、基本6元素だけで生きていけるわけではない。例えば、古細菌に、「大抵は、ビタミンやある種の金属を必要とする。」とあって、例えば、鉄など必須である。

それではどんな金属が生体金属元素なのだろうか。「金属は人体になぜ必要か」桜井弘著、ブルーバックスに拠ってみてみる。下記のように人体に必要な金属は、14種類ある。

  1. カルシウム
  2. ナトリウム
  3. カリウム
  4. マグネシウム
  5. 亜鉛
  6. マンガン
  7. セレン
  8. モリブデン
  9. ニッケル
  10. クロム
  11. コバルト
  12. バナジウム

このうち、上から亜鉛まではまあ、違和感なく見ていられる。しかし、マンガンのあたりから、怪訝になってくる。本当にマンガンが人体に必要なのか、と。そこで、個別の生理作用と、欠乏による病気について記述してみる。

マンガンは、酵素や蛋白質と結合して、触媒作用を行う。マンガンが欠乏すると、骨格変形、発育障害などを引き起こす。

銅は、SODなどの酵素の原料であり、不足すると、貧血症、メンケス病などを引き起こす。

セレンは、必須とはいえ、生理作用はかなり微妙である。それは、セレノシステインやセレノメチオニンというかたちで作用する。欠乏すると、背が伸びなくなったり、骨が曲がったりするカシン-ベック病にかかる。

モリブデンは、キサンチンオキシダーゼ、ニトロゲナーゼなどのいくつかの酵素のかたちで作用する。不足すると通風や食道がんの原因になるが、因果関係はかなり微妙である。

ニッケルは、過剰時の障害は知られているが、生理作用としては、RNAの安定化、鉄吸収の促進などである。分りやすい欠乏症は知られていない。

クロムは、糖とコレステロールの代謝に必須であるといわれているが、まだ確定していない。欠乏すると、動脈硬化や心臓発作の原因となる。土壌中の6価クロムの事件で、クロムには寧ろ、よくないイメージがある。

コバルトは、ビタミンB12の成分であり、必須性は明らかである。欠乏すると悪性貧血や食欲減退となる。

バナジウムの必須性は微妙であるが、5価バナジウムイオンをラットに与えると、血糖値が正常になることが知られている。そのせいか、ときどき、バナジウム入りを標榜するミネラルウォータがある。

興味深いのは、身近な動物でも、金属に対する反応が随分違うことである。例えば、イカやタコの血液は、ヘモシアニンと呼ばれる銅蛋白質を主成分とする。人間や牛のアルブミンなら、銅と結合してうまく運搬できるが、犬のアルブミンは、銅とうまく結合できないので、そのまま体に蓄積してしまい中毒症状となる。だから、犬は、イカやタコを食べてはいけない。

生体金属14元素がこのように微妙で、生物においても生理作用が異なるのだから、基本6元素に新発見があっても意外ではないというのは、ちょっと論理がおかしいだろうか。

古細菌

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自分でもよく分らないが、昔から、細菌だの菌類だのが妙に好きである。私が独身のときの汚い部屋を知る者は、なんとなく頷けるのではないだろうか。

一方、先日コモノートについて調べたついでに、その直系とおぼしき古細菌に興味をもち、Amazonで検索してみたところ、「古細菌」古賀洋介著、UP BIOLOGY 東大出版会がみつかったので、買って眺めてみた。

すると、小冊子ながらこの本は専門書であって、素人の私では理解がなかなか追いつかないが、分る範囲でメモしてみる。

古細菌は、次のような種類に大別される。

  1. メタン生成細菌
  2. 高度好塩菌
  3. イオウ依存高度好熱菌

まずメタン生成細菌であるが、一方で、メタンを酸化してメタノールを生成する細菌もいるので、区別しなくてはならない。メタン酸化菌は真正細菌であるが、一方、メタン生成細菌は古細菌であって、激しく嫌気性である。この本は古いので1988年現在であるが、その時点で、44種類のメタン生成細菌が発見されている。メタン生成細菌は、水素と二酸化炭素の環境、蟻酸、酢酸、メタノール、メチルアミンなどからメタンを生成する。Methanobacteriaceaeのような、純粋の水素と二酸化炭素という無機物環境で生きていくメタン生成細菌もいるにはいるが、大抵は、ビタミンやある種の金属を必要とする。大抵は、20℃以上の暖かい温度を好むが、80℃以上で活動するものもいる。メタン生成細菌の特徴として、補酵素としてのF420を必ず含んでいる、ということがある。メタン生成細菌は体内細菌として、人体やシロアリの体内にも棲んでいる。メタン生成細菌についてのいかにも素人臭い疑問は、メタン生成細菌は、古代のメタン・リッチな大気で育っていたはずであるから、メタンの生産者でなく、メタンの消費者になるのではないか、というものである。メタン・リッチな大気にさらにメタンを送り込んで、何が楽しいのだろう。

高度好塩菌は、海水の5倍から10倍の食塩濃度を好む古細菌である。普通の細菌は、この程度の濃さの塩分ではまず繁殖できず、従って、この環境では腐敗しないということになる。実は、高度好塩菌は、メタン生成細菌と進化の系統が近く、メタン生成細菌を先祖とする、と理解されている。高度好塩菌には、桿菌、球菌、そして好アルカリ性菌が知られている。高度好塩菌は自らの体内にも高濃度の食塩水をもち、高濃度塩水環境でバランスをとっている。逆に真水環境では生きていけない。

イオウ依存高度好熱菌は、イオウを酸化して硫酸にすることで生育する。そういう意味で、好酸菌であるということもできる。ところが、嫌気的にイオウを処理して生育する種類もある。また、好酸性でない種類もある。さらには100℃以上の環境で生育するものもある。

以上、代表的な古細菌についてみてきたが、古細菌と真正細菌を分ける別の特徴に、古細菌のエーテル脂質がある。すなわち、真正細菌は、グリセロールと炭水化物鎖をエステル結合でつなぐが、古細菌ではここが、エーテル結合である。エステル結合だと、アルカリ溶液や塩酸中で加水分解されやすいが、エーテル結合は安定である。まさに古細菌は、演歌の歌詞ではないが、「型は古いが、酸やアルカリに強い」のである。その他、細胞膜の構造も、古細菌は真正細菌より複雑である。

さて、コモノートから古細菌に進化してきて、古細菌に留まるものと、そこから真正細菌に進化していくものがあられた理由はなんだろうか。この本は、進化について論じた本ではないので、特に言及されていないが、それはおそらく、ある地域が寒冷化・凍結などの環境の激化に晒され、そこでは古細菌が否応なく環境に対応するように変質を迫られ、別の地域では火山や地熱などの影響であまり環境が変化せず、よって古細菌は、旧い性質を保つことができたのではないだろうか。

ところが、古細菌の平穏を破るニュースがあった。例の宇宙生物学上の発見である。そこには書かなかったことを追加で書くと、砒素を燐の代わり取り込んで生きるGFAJIという細菌は、カリフォルニア州にある塩水湖に生息するというのだから、高度好塩菌の一種なのだろうか。しかし、当然かもしれないが、「古細菌」の本には、GFAJIに類縁の種は示されていない。Googleでの検索も、GFAJIに対する有意義な示唆は何も与えてくれないので、とりあえず時間をおいて、様子をみることにしよう。

疲れて早々に寝てしまったが、気になって深夜目が覚めた。それは、宇宙生物学上の発見が何か確認するためである。早速NASAのサイトをチェックしてみた。

長いが、粗筋が分るところまで以下、引用してみる。するとどうやら、燐を砒素に置き換えた生物の存在を示唆する科学的発見ようである。

NASA-funded astrobiology research has changed the fundamental knowledge about what comprises all known life on Earth.

Researchers conducting tests in the harsh environment of Mono Lake in California have discovered the first known microorganism on Earth able to thrive and reproduce using the toxic chemical arsenic. The microorganism substitutes arsenic for phosphorus in its cell components.

"The definition of life has just expanded," said Ed Weiler, NASA's associate administrator for the Science Mission Directorate at the agency's Headquarters in Washington. "As we pursue our efforts to seek signs of life in the solar system, we have to think more broadly, more diversely and consider life as we do not know it."

This finding of an alternative biochemistry makeup will alter biology textbooks and expand the scope of the search for life beyond Earth. The research is published in this week's edition of Science Express.

Carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, phosphorus and sulfur are the six basic building blocks of all known forms of life on Earth. Phosphorus is part of the chemical backbone of DNA and RNA, the structures that carry genetic instructions for life, and is considered an essential element for all living cells.

Phosphorus is a central component of the energy-carrying molecule in all cells (adenosine triphosphate) and also the phospholipids that form all cell membranes. Arsenic, which is chemically similar to phosphorus, is poisonous for most life on Earth. Arsenic disrupts metabolic pathways because chemically it behaves similarly to phosphate.

"We know that some microbes can breathe arsenic, but what we've found is a microbe doing something new -- building parts of itself out of arsenic," said Felisa Wolfe-Simon, a NASA Astrobiology Research Fellow in residence at the U.S. Geological Survey in Menlo Park, Calif., and the research team's lead scientist. "If something here on Earth can do something so unexpected, what else can life do that we haven't seen yet?"

この記事に、炭素、水素、窒素、酸素、燐、硫黄が、地上生物の6つの基本的構成ブロックである、という記述がある。特にここで注目するのは、燐である。私は、コモノートに、次のように書いた。

メタンとアンモニアが反応して、シアン化水素ができた。ホルムアルデヒドとシアン化水素が反応すると、アミノ酸と、糖と、核酸塩基、特にアデニンが生成する。アミノ酸は重合して、原始蛋白質になった。一方、糖と、核酸塩基は結合して、ヌクレオシドになる。ヌクレオシドにはが結合して、ヌクレオチドになる。これが原始RNAである。

このように、生物の始祖たるコモノートにあっても、燐は本質的であり、これを、化学的に類似の砒素で置き換えてよいなとどいう生物は、完全にコモノートのパラダイム外にあって、コモノート仮説をも危うくする。

砒素は蛋白質と結合しやすく、ということは、生物の酵素やホルモンがほとんど蛋白質であることに鑑みると、生物内に入ると重大な生理作用の阻害となる。だから砒素は、正倉院の薬物に書いたように、古来から毒薬、あるいは、間違って薬として使われてきた。和歌山のカレー砒素毒殺事件もまだ記憶に新しい。

このように一旦、燐ベース・コモノート仮説が破れると、有機生物にも様々な可能性が広がる。そこで、独断と偏見と無知で、われわれコモノート由来生物から近い順にありえる生物を列挙してみる。

  1. 炭素、水素、窒素、酸素、燐、硫黄のうち、炭素、水素、窒素、酸素をベースとしつつ、燐、硫黄を周期律表の同族元素で置き換えた有機生物。例えば、今回の例のように、燐を砒素で置き換え、あるいは、硫黄をセレンで置き換えるなど。
  2. 有機物でも、メタン、エタンなどをベースとする生物。
  3. 炭素、水素、窒素、酸素、燐、硫黄のうち、炭素を、同族元素のシリコンで置き換えた有機金属生物。
  4. シリコンをベースとしつつ、金属イオンを駆使した無機生物(半導体回路か?)
  5. プラズマ・イオンをベースとして、宇宙に漂う星間生物。
  6. 銀河全体を併呑するギャラクシアン生物。
  7. 宇宙の縮退した次元に住む仮想次元生物。
  8. 宇宙である、神という存在。

話が発散してしまったので、http://astrobiology.nasa.govを折りに触れて眺めつつ、研究の帰趨を見守るとしよう。

左手アミノ酸ワールド

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地球上の生物を構成する主要な要素がタンパク質であることは常識だし、タンパク質がアミノ酸の連鎖であることも常識だし、また、そのアミノ酸がすべて左手アミノ酸である、ということも常識である。

しかし、常識でないのは、なぜ地上の生物の構成要素であるアミノ酸がすべて左手アミノ酸であるか、という理由である。というのは、例えば、水とメタンとアンモニアに光エネルギを照射すると、アミノ酸が生じるが、そうやって生成するアミノ酸は、右手系と左手系が半々だからである。

そこで、アストロバイオロジー、小林憲正著、岩波書店に従い、なぜ地上生物が左手アミノ酸だけを使用するようになったのかの仮説をみてみる。

まず、事実としてあるのが、アミノ酸は、地上でも生成するが、宇宙空間でも生成するということである。このことは、地球に飛来する隕石に、アミノ酸を豊富に含むものがあることからも実証される。さらに、隕石に含まれているアミノ酸は既に、左手系が過剰なのである。

すると、宇宙空間で、左手系のアミノ酸を優先的に作り出す仕組みがなくてはならない。その理由の1つとして挙げられているのは、中性子星の存在である。すなわち、中性子星の一方の極方向に原始太陽系星雲があると、その偏った円偏向の光により、生成されるアミノ酸が左手系になるうる。ただ、この仮説の欠点は、中性子星の他方の極方向だと、右手系になってしまうことである。

そこで別の仮説は、場の量子論の標準理論におけるベータ崩壊のパリティ非保存に基づくものである。超新星爆発で生じた中性子が、暗黒星雲中の物質と作用すれば、沢山のベータ崩壊が起きるが、その際のパリティ非保存により、左巻電子がやや優勢になり、それによって左手アミノ酸の生成が優勢になる、というものである。

ただ、いずれにしても、左手アミノ酸への偏りはわずかであり、一方、地上の生物のアミノ酸は、100%が左手アミノ酸である。それはどうやって説明されるか。それについては、アミノ酸の自己触媒作用による。すなわち、地上で生成されるアミノ酸の左手系と右手系が50:50であっても、隕石などにより左手系のアミノ酸が地上にもたらされると、バランスが崩れ、の左手系のアミノ酸がわずかに優勢になる。すると、アミノ酸は、自分と同じタイプのアミノ酸を生成させる自己触媒作用により、最初少しだけ優勢だった左手系のアミノ酸がじわりじわりと優勢を拡大し、ついには、全体を支配してしまう。実験によると、0.000005%だけ左手系アミノ酸が優勢な状況から、ついには99%以上の優勢まで進んだという。囲碁の張栩の言葉を借りると、「勝利は50%から積み上げる」である。

それでも、右手系アミノ酸をもちいる生物が地球にいないとはいえない。上記ストーリーはかなり無理をしているように見える。しかし、そんな、発表しても抹殺されそうな研究を志す人はいるのだろうか。

コモノート

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世の中には不思議なことが多いが、地上の生物が、単一のある共通生物から進化したらしいという仮説も、いかにも不思議だが、反例は見つかっていないので、一応、正しいと信じられている。しかし、生命を宿す有機物の組成というのはいろいろな可能性があるので、どう考えても、単一系統でなくて、多系統であってもおかしくないはずである。

アストロバイオロジー、小林憲正著、岩波書店によれば、そういう共通生物は、コモノートと呼ばれる。コモノートは、環状のDNAを持つ遺伝の仕組みが成立している生物である。

原始の地球から、コモノートに至るまでは、コモノートの素材となるDNAの原料が揃わなくてはならない。そのための組成の形成を、化学進化と呼ぶ。

まず、原始の地球には、水とメタンとアンモニアがあったと考えられる。太陽からの光などのエネルギーで、水とメタンが反応して、ホルムアルデヒドができた。一方、メタンとアンモニアが反応して、シアン化水素ができた。ホルムアルデヒドとシアン化水素が反応すると、アミノ酸と、糖と、核酸塩基、特にアデニンが生成する。アミノ酸は重合して、原始蛋白質になった。一方、糖と、核酸塩基は結合して、ヌクレオシドになる。ヌクレオシドには燐が結合して、ヌクレオチドになる。これが原始RNAである。そして、原始蛋白質の蛋白質ワールドと、原始RNAのRNAワールドのコラボレーションからDNAワールドが形成されて、コモノートの誕生になるのだが、糖の生成のところが難物で、この化学進化のモデルでは、RNA形成のためのリボース、DNA形成のためのデオキシリボースが十分にできない。よって、この化学進化のモデルは欠陥視されて、古典モデルとされている。

そこで、小林憲正氏が提唱しているのが、がらくたワールド・モデルである。このシナリオによると、まず複雑有機物が星間で作られ、隕石や彗星により、原始海洋(熱水系)に届けられる。地球の原始大気中でも、宇宙線の作用により、複雑有機物が生成され、やはり原始海洋に降る。これらのがらくた分子を原料として、原始海洋で、原始細胞状構造体が生成され、原始細胞状構造体には、触媒能力をもつものがあるので、自己増殖できる。そのなかには、ペプチド触媒を生み出して蛋白質ワールドを形成するもの、核酸構成分子を利用してRNAワールドに進化するものがでてきて、これらの合流により、コモノートになる。ここで面白いのは、星間での複雑有機物作用であり、すると、ウィルスの飛来や、暗黒星雲で述べたことも、決して荒唐無稽ではない、ということになる。

がらくたワールド・モデルで面白いのは、生物と無生物の間の境界が曖昧ということがある。すなわち、原始細胞状構造体が、触媒作用に基づく微弱な自己増殖性をもち、蛋白質ワールドまたはRNAワールドに分子進化可能である。

さて、戻って、コモノートからはまず、スルフォロバス、ピロディクティウムなどの古細菌が進化し、次に、グラム陰性細菌などの真性細菌が進化し、菌類が進化し、それからようやく、高等植物、高等動物が進化した。

では、コモノートはどんな性質の微生物だったか。コモノートに近いのは、高度好酸菌などの熱水を好む微生物である。コモノートは、もしかして300℃程度の熱水で生息可能な微生物であった可能性もある。当時の原始海洋が非常に熱い環境だったのかもしれない。

雄の役割

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元の本を買わないで、書評だけみて読んだ気になるのは、到底読書家として好ましい態度ではないのだが、それでも、「オスは生きているムダなのか」池田清彦著、角川選書に対する新聞の書評を眺めて感じたことがあるので、コメントを書いてみる。

まず、誰もが考えることは、ディプロイド細胞生物に、どうして性があるのか、ということである。それは、この本によると、「遺伝的な多様性を増大させること」であり、それはあまりにも自明かもしれない。というのは、原核細胞生物やハプロイド細胞生物であっても、遺伝子のコピーミスや、宇宙線などのバックグラウンド放射能の働きで遺伝子の変化は生じるが、2つの異なる遺伝子が交配する有性生殖は、よりダイナミックな遺伝子の変化を生じえる。

ここまでは私も知っていたといえる。しかし、有性生殖のもう一つのメリットは、多細胞生物が遺伝子を一番効率的に修復できるのは減数分裂のときである、という事実である。そのとき、損傷している箇所で組み替えが起こる。相手のDNAが損傷しており、自分のDNAが損傷していないと、自分を鏡にして相手は自分と同じ遺伝子をつくるので、そこでDNAの修復が達成される。なるほど、それもまた、有性生殖の正当化なのかと納得である。

そういうDNA指向の見方をすると、雌こそが種の存続に本質的で、雄はDNAの片割れの担体にすぎない、というのもよくある風説にすぎない。だから、それを推し進めると、雄は、セックスを、生殖を達成すると、あとは不要ということにもなる。実際、生殖後、雌が雄を食べてしまう昆虫もいる(ある種の蟷螂だったか)。

すると、生殖能力を失った雄、そしてやがて雌も不要となり、次世代の生殖能力をもった個体に場を譲らなくてはならない。それこそが死であり、生物学的には、死は寧ろ賞賛されることとなる。

そういう論理からは、別に、雄こそが無駄ということにならない。雌だって、子育てを終えてしまえば無駄ということになる。ただ、雌の方が、授乳など、より子育てにバインドされるので、雄よりも生き延びなくてはならない。

しかし、生殖と子育てだけが生物的活動ではない。狩や暴力的抗争など、子育てにバインドされていない手空きの雄の役割が次第に増大してくる。すると、男尊女卑社会はある程度必然的に生じそうであるが、そこは自由度があって、母系社会も存在し得る。考えにくいが、授乳が終われば、雄が子育てに参加してもよい訳である。

ともかく、私が雄だからいう訳ではないが、「オスは生きているムダ」というのは、ちょっと牽強付会ではないか。雌だって、雄よりは少しだけましにしても、やはり同様に「生きているムダ」ではないか、とほとんど意味のない結論で締めくくるとする。

細胞の意思

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心のオーナーシップに書いたように、私はなんとも自堕落な大学生活を送ったが、それでも細々と読書は続けていて、そのときの愛読書の1つが夢野久作だった。どうもできるだけ現実逃避したかったらしい。その主著「ドグラマグラ」は、現実と夢が入り混じったような怪奇小説で、ストーリーが錯綜していて、よく理解できなかったが、それでも、かすかに記憶に残っているのは、人間の細胞に固有の意思がある、というような記載である。でも本当にそんな記載があったのかと改めて聞かれると自信がない。私の勝手な思い込みなのかもしれない。

それでも、前にもブログに挙げた「細胞の意思」団まりな著、NHKブックスを眺めて想起するのも、「ドグラマグラ」なのだった。しかし、この「細胞の意思」にはそんなおどろおどろしさは微塵もない。努めて科学的に書かれ、ドライであるといってよい。

が、そう言っていいのだろうか。なぜなら、この本には、細胞は、思い、悩み、予測し、相談し、決断する、とある。しかし、硬派の発生生物学の研究者である団まりな氏は、そう想定しないと、細胞を単なる化学マシン、分子マシンと想定していては説明がつかないことが多きずるという。

怪訝な読者を説得するために、団まりな氏は、大食細胞、始原生殖細胞、胚の細胞の例を挙げる。実際、例をみると、細胞たちは、見事な環境適応性、能動性、決断性を示し、ある意味、われわれ人間の活動と変わらない。すると、耐性菌の戦略など、朝飯前ということになる。

こうして、一旦、細胞の意思なるものを当然視してみよう。すると、人体とは一体なのかと悩まなくてはならなくなる。というのは、人体は60兆もの細胞からなり、その各々に意思があるとなると、われわれ本来の「意思」との関係がわからなくなる。

1ついえることは、私の細胞たちは、私の部下ではないということである。なぜなら、体に入った異物を取り囲むのに、好中球や免疫細胞などは、いちいち私にお伺い立てたりしない。むしろ、私の意思とは全く独立に活動している。私としても、好中球や免疫細胞から、どうしたらいいかと聞かれても、答えられない。それで、腸の細胞も、胃も、心臓も、肝臓の各々の細胞も、私の意思などあずかり知らず、彼らなりに酵素などを駆使してその特殊任務に励む。みんな高度な専門家である。

そうはいっても、彼らは、私が自分の意思で食べたエネルギー源に依存している。だから、私が彼らに不利な活動をとってもらっては困るので、ホルモンや酵素、その他の蛋白質で、私をコントロールしようとする。意志が強くない私は、あっさりと細胞たちに操られている。

一方で、どうしても、この体をもつことは、間借り感が否めない。すなわち、細胞たちは、私の体という下宿の大家さんなのであって、どうも私はどこかからやってきたらしい。だから、とても細胞たちに気を使いながら生きているのに、それが習い性になってしまったものだから、自分の意思100%だなどと勘違いしてる。ともかく、フロイト派は、無意識を、細胞由来のところと、そうでないところに切り分ける必要があろう。

さて、私と、私の細胞たちをピアな関係とみなすと、いろいろな知見が生まれてくる。例えば、食生態学者の西丸震哉氏が登山にでかけようとしたら、どうも腫瘍があるらしいと分ったという。手術すると登山に行けなくなる。そこで西丸氏は、医者に行く代わりに、癌細胞に呼びかけた。じっとしていろよ、と。それで結局、腫瘍は進行せず、何年もそのままなのだという。結構聞き分けがいいのである。

もっと分りやすい例でいくと、癌で手遅れの人が開き直って、毎日お笑い番組をみていたら、癌が消えていたというのがある。まさに、笑いと医療に書いた事例である。この分でいくと、細胞だって笑いたいのである。それは当然であろう。意思があるのだから。しかめつらして 酵素を産生ばかりしていたくない。

そういう意味では、癌をやたら切るのも考えもので、下手をすると手術が癌細胞にとって、血の日曜日事件になる。革命が始まってしまうのである。

戻って、仏教が指摘する煩悩のかなりの部分が細胞の意思に負うことは明らかである。してみると解脱とは、細胞に拠って生きつつも、細胞の意思から独立になることだろう。そうやって細胞から跳躍しようとしている我々の心とはなにか、という問いかけに答えることは容易ではない。

ディプロイド細胞

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「細胞の意思」団まりな著、NHKブックスを眺めていたら、ハプロイド細胞と、ディプロイド細胞のことが書かれていたので、メモしておく。

まず、細胞は、原核細胞と、真核細胞に分類される。原核細胞も、真核細胞も、DNAをもつという点では同じである。いうまでもない。ところが、持ち方に大きな違いがある。原核細胞は、細胞内にDNAが詰め込まれるように放置され、細胞膜に固定されているだけである。言い換えると、DNAはもっているが、核構造はもたない。こういう原核細胞は、DNAの管理がルーズというか、よく言えば、DNAがオープンソースのようなもので、化学反応に対して柔軟に対応できる。すなわち、新しい蛋白質や細胞表面物質などを次々に開発しては、柔軟に環境に適応していく。それはまさに、耐性菌の戦略に記述したこととも符合する。

ところが、ミトコンドリアの起源に書いたように、原核細胞をもつ原核生物には、酸素毒に弱いものがあり、そこで、酸素を利用して、ブドウ糖を二酸化炭素と水に分解し、そのブドウ糖に蓄えられたエネルギーをATPの化学エネルギーに変換できるという特技をもった別の原核生物と融合して巨大化し、組織化された構造をもつ真核細胞をもつ生物があらわれた。

この真核細胞は、ハプロイド細胞と、ディプロイド細胞に分類される。ハプロイド細胞とは、DNAを1セットしかもたず、細胞が集まって多細胞生物を構成するとしても、細胞間で分業は行われず、従って、アメーバ、キノコ、水草程度の比較的小型または単純な構造しかとりえない。

一方、真核細胞でも、ディプロイド細胞は、DNAを2セットもち、細胞間で密にコミュニケーションをとって、統合された生物体を構成する能力をもつ。すなわち、われわれの体はまさに、ディプロイド細胞からなっている。

それでは、ディプロイド細胞は、いいことづくめかというとそうではない。ディプロイド細胞は、有限回しか分裂できないのである。おそらく、テロメアなどが関与しているのだろう。従って、われわれの不死性というのはありえない。

そういえば、アセンションという自分のブログによると、

宇宙人の遺伝子操作により生まれた人は最初は1000年くらい生きたらしい。このことは、旧約聖書の記載とも一致する。そうやって最初に出来た人類は、自己生殖機能を有し長命であったが、単為生殖できなくなってから100年程度の短命になったという。
とある。この辺にも、ディプロイド細胞/ハプロイド細胞がからんでいるような気がする。

一方、ハプロイド細胞はそのような制約はなく、原理的には、無限回分裂できる。実際、そうやって、ハプロイド細胞の生物は何億年も生き延びてきた。

では、ディプロイド細胞の生物はどうやって生き延びるかというと、卵子、あるいは精子というハプロイド細胞を作り出し、有性生殖というかたちで、一対のハプロイド細胞からディプロイド細胞を生み出して、新たな生物として生き延びる。すなわち、エロスとタナトスの結びつきは、あまりにも本質的である。

このようにディプロイド細胞から、卵子、あるいは精子という片割れのハプロイド細胞を作り出す機能を人間は本来的にもつが、そうでなくて、人為的にディプロイド細胞から、片割れでない完全なハプロイド細胞を作り出そうというのが、iPS細胞の試みであった。

ここまできて言わずもがななのは、癌細胞というのはまさに、ディプロイド細胞のハプロイド化ということになる。すなわち、ハプロイド化された癌細胞は、不死性を獲得するが、ハプロイド細胞の性質により、組織だった活動をとることができないので、ディプロイド組織にあって、革命的反逆者として、組織全体を破壊し、死に至らしめてしまう。

しかし、ハプロイド性がもし真核細胞の真の姿であるなら、ディプロイドとして生きることにはかなり無理があり、真核細胞がその抑圧に耐えかねて、原初の本能を甦らせることがあるのも、仕方ないことのように思われる。それは、組織人として生きるわれわれの葛藤とストレスにも通じるものがある。

ここで稿を終えようと思ったら、あるつまらないアイデアが沸き起こったので、蛇足として書いておく。それは、ディプロイド生物におけるハプロイド率という概念である。すなわち、ディプロイド生物は、その始原たるハプロイド細胞のためのハプロイド率をある一定レベルに維持する必要があるが、ストレス、肉食、活性酸素の横溢により、どんどんハプロイド率が下がってしまう。そこで、ハプロイド性細胞である癌が発生して、ハプロイド率を補う。これが癌発生の一つの理由である。それではどうするか、というと、食品としてハプロイド細胞からなるものをなるべく多く摂ることである。ハプロイド細胞とは、キノコ、海藻、クロレラなどである。健康食品としてのクロレラは、それなりに有名である。キノコ、海藻、クロレラなどが体によいというのは、栄養学の常識とも矛盾しない。いかがなものだうか。

ミトコンドリアの起源

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われわれが現在、細胞の中にもっていて、エネルギの貴重な源であるミトコンドリアが実は、別の微生物だったという一見荒唐無稽な説は、今ではすっかり通説になっている。いわゆる、細胞内共生説である。

この説のオリジンは、「ミトコンドリア・ミステリー」林純一著、講談社ブルーバックス2002年11月刊によると、1967年に、ボストン大学のリン・マーギュリスによって提唱されたものである。それによると、最初に地上にあらわれたのが、原核生物であった。時の経過とともに、原始真核生物、葉緑体の祖先となる原核生物、ミトコンドリアの祖先となる原核生物があらわれた。

葉緑体の祖先となる原核生物は、当時大気中に多く含まれていた二酸化炭素と水と太陽光を利用して、ブドウ糖と酸素を生成した。こうして地球上に酸素が蓄積されていったが、酸素は、酸化力が強く、原始真核生物にとって非常に有害であった。こうして、原始真核生物は、生き延びるために、酸素の少ない環境に逃げ延びるしかなかった。

一方、ミトコンドリアの祖先となる原核生物は、酸素を利用して、ブドウ糖を二酸化炭素と水に分解し、そのブドウ糖に蓄えられたエネルギーをATPの化学エネルギーに変換できるという、酸素呼吸をすることができる、まさに葉緑体の祖先となる原核生物の双対の存在であった。

どのような仕組みが原始真核生物を促したのかは分からない。最初は偶然だったのかもしれない。ともかく、原始真核生物は、ミトコンドリアの祖先となる原核生物と融合し、酸素を利用できるようになったのである。

「臓器は若返る」伊藤裕著、朝日新書2010年8月刊によれば、そのような原始真核生物とは、メタン生成古細菌であり、葉緑体の祖先となる原核生物と同様に、二酸化炭素と水素を取り込み、ブドウ糖を自前でつくりだすことで、エネルギー源にしていた。そうしてメタンを吐き出すのである。ところが、酸素の存在は、遊離した水素を許容しないので、酸素濃度が高い環境では生きられない。

同書によると、ミトコンドリアの祖先となる原核生物とは、αプロテオパクテリアなのではないかという。すなわち、αプロテオパクテリアは、上述のように、ブドウ糖を二酸化炭素と水に分解し、そのブドウ糖に蓄えられたエネルギーをATPの化学エネルギーに変換できるので、メタン生成古細菌の伴侶としてぴったりであり、むしろ酸素を積極的に利用するので、共生によって、酸素が存在する環境でも、生きられるようになったというストーリーである。

すると、おいおいと言いたくなるのは、メタン生成古細菌が二酸化炭素と水素を取り込み、ブドウ糖を自前でつくりだす、というくだりである。そもそもが、酸素リッチな大気では、単独水素はほとんどないので、メタン生成古細菌が利用したい水素は得られない。すると、メタン生成古細菌がブドウ糖を生産できないので、それをαプロテオパクテリアを利用する、という構図も崩れてしまうではないか。

しかし、そこは、次のように考えるべきらしい。すなわち、葉緑体の祖先となる原核生物が生成したものだと思われるが、まずブドウ糖がなにほどかあれば、αプロテオパクテリアがそこから、酸素を利用して二酸化炭素と何ほどかの水素を生成する。それを、メタン生成古細菌が拝受するのである。すると、もしわれわれの細胞が、メタン生成古細菌+αプロテオパクテリア共生体の末裔であるなら、αプロテオパクテリア=ミトコンドリア様様であって、足を向けて寝れないということになる。

すると、「臓器は若返る」にあるように、われわれは、食べるために生きている、という可能性もある。ひたすら、ミトコンドリアに奉仕し、そのおこぼれを、ATPというかたちでもらっている。ミトコンドリアさま、今日はマグロを食べました。うん、苦しゅうないぞ、という感じである。

ここらあたりの論旨は、「臓器は若返る」伊藤裕著に従い、追々見ていくことにしよう。

たんぱく質合成

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毎日新聞に、世界初で無細胞たんぱく質合成装置をつくった、遠藤弥重太さんの記事があった。遠藤さんは、愛媛大学無細胞生命科学工学研究センター長である。

日米欧でヒトゲノム解読プロジェクトに話題が集まっているとき、遠藤さんは、解読してもスペルが分かるだけであり、その意味を理解するためには、遺伝子から、たんぱく質を合成する装置が必要、と自らを鼓吹した。

世界初の無細胞たんぱく質合成装置は、2003年に完成した。この装置は、一晩で384種類ものたんぱく質を、細胞なしで合成できる。

遠藤さんにとって、研究者になることはもとよりの志望だった。徳島大学の栄養学科に進んで、たんぱく質合成というテーマに出会った。当時は、試験管の中でたんぱく質を合成することができない、というのが常識だった。

その後、大腸菌などの生きた細胞に遺伝子を導入して、たんぱく質を合成させる、いわゆる組み換え法が開発されたが、限られた種類のたんぱく質しか合成できなかった。

それから、細胞をすりつぶした液に遺伝子を入れる方法(無細胞法)が開発されたが、合成を担うリボゾームが壊れて反応が止まってしまう。これは、すべての生物の細胞に、リボゾームを破壊する自殺酵素があるせいだと遠藤氏は突き止めた。

それから、なんとか自殺酵素を取り除こうと研究しているうちに、小麦の自殺酵素が、全体の99%を占める胚乳に含まれ、1%の胚芽には存在しないことがわかった。薬品による処理方法も研究したがうまくいかず、小麦粉の胚芽についた胚乳を水で流す方法に辿り着いた。1998年、その結果の胚芽で、たんぱく質合成の反応を、2週間継続させることができた。

ところで、「キーワード:蛋白質の一生」によると、「無細胞翻訳系」は、今から50年前に遡るというので、実験的には、かなり昔からある、ということになる。当時は、ATP、GTPなどのエネルギー分子、基質となる20種類のアミノ酸などを加えて翻訳反応を行い、反応が終わった時点でその溶液を回収するというバッチ法が用いられていた。しかし、この手法では、生化学的な解析を行うために十分な合成量が得られないという問題があった。その後、1988年にSpirinが、ろ過膜を用いて連続的に基質やエネルギを供給し、同時に、たんぱく質合成を阻害する低分子の阻害物質を除去するという方法が開発され、たんぱく質の生産性・安定性が向上した。

さらには、PUREシステムというのも開発されている。これは大腸菌をベースとした無細胞翻訳系の一つで、翻訳反応を阻害する挟雑たんぱく質(ヌクレアーゼやプロテアーゼなど)がほとんど混入しないということである。なるほど、すると、ヌクレアーゼやプロテアーゼが自殺酵素という訳か。細胞のアポトーシスとはまた違うようである。

こうして既存技術を並べてみると、遠藤氏のオリジナリティはどこにあるのか、ということになる。そこで例によって、発明者 = 遠藤弥重太で検索してみると、なんと、もちろん未公開分は含まないが、それでも、54件の出願がある。

ところが、審査経過をみると、結構な件数が拒絶査定になったり、自発的に取り下げたり、未審査請求みなし取り下げになっていたりと、あまり芳しくない。

新聞記事にあった技術の権利をカバーしていると思われるのは、特許第3675804号で、その請求項1は、次のとおりである。

【請求項1】
タンパク質合成活性を有し、且つ胚芽抽出物から該胚芽抽出物に混入する胚乳成分及び分子量14,000ダルトン以下のタンパク質合成阻害物質が実質的に除去されている調製済み無細胞タンパク質合成用植物胚芽抽出液。

上記下線は、特許庁とのやりとりで、補正された箇所を意味する。こうして、少なくとも、新聞記事に書かれていた遠藤さんの業績は、胚芽抽出物から、タンパク質合成阻害物質を効果的に除去したことにあるのであって、「世界初で無細胞たんぱく質合成装置」を作ったというのは、少し云いすぎであることが分かる。

とはいえ、徳島大学出身で、それなりに注目される業績を上げているのは、中村修二氏と同様に、小気味よい。

また、愛媛大学には、前にも大学の研究所で述べたように、宇宙進化研究センターがあって、またここに、無細胞生命科学工学研究センターがあるとなると、地方大学ながら、異彩を放っているとつい、エールを送りたくなる。四国の瀬戸内海側は、私にとって半地元なので、そういう身贔屓は、まあ、もちろんあるのだが。

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