科學研究 - 【JST事業成果】在試管內成功合成核糖體，有望用於開發有用物質

青木航（大阪大學研究生院工學研究科教授）

國立研究開發法人科學技術振興機構（JST）創發性研究支援事業
課題：「整合生命科學中的還原與建構方法理解多樣化生命現象」（2021-2027）

|全球首次實現試管內的核糖體合成

大阪大學研究生院工學研究科的青木航教授等人組成的研究團隊，全球首次成功地在試管內利用基因合成出了作為細胞內蛋白質工廠的核糖體。核糖體擁有由約200種分子協同而成的複雜結構，一直被認為難以在試管內人工再現。

研究團隊基於「在試管內再現與細胞內相同的環境」這一方針，通過在適宜條件下組合必需因子，成功由基因合成出了核糖體。

|為何製備人工核糖體至關重要？

核糖體存在於生物細胞內，可依據遺傳資訊連接氨基酸，合成蛋白質。若對核糖體進行人為改造，摻雜自然界不存在的非天然單體，就有望製備出具備前所未有功能的藥物與有用的酶。

然而，研究已知，若對生物細胞內的核糖體進行改造，就會產生毒性，導致細胞無法正常發揮功能。另一方面，也有研究長期致力於改造核糖體以外的分子，使核糖體能夠使用非天然單體作為材料※1。此前，已成功合成出了常規核糖體作為合成材料不擁有的10數個氨基酸。但要實現非天然單體的高效聚合，最終仍需對核糖體本身進行改造。

為此，研究團隊認為，若不使用細胞，卻能在試管內人工合成出核糖體的話，便可無需顧慮細胞毒性，自由地對核糖體進行改造。

※1　非天然單體：具有生物通常不使用的化學結構的分子。作為製備具有新性質的分子的原料而備受期待。

|在試管內再現細胞內環境

核糖體經過複雜的過程被合成

生物體內的核糖體是經過極複雜的過程被合成出來的。例如，大腸桿菌的核糖體由3種核糖體RNA ※2和54種蛋白質構成，還需近百種輔助蛋白發揮作用才能完成合成。僅具備原料無法生成核糖體，各構成要素需按既定的順序結合，在不同階段逐步改變結構的同時完成構造。

正因為這一過程的複雜性，此前一直難以人工製備出與生物體內核糖體功能一致的分子。

※2　核糖體RNA：構成核糖體的RNA，參與蛋白質合成反應。

構建細胞內環境

研究團隊認為「若能在試管中再現與細胞內相同的環境，就能合成出核糖體」。

研究團隊首先壓碎大腸桿菌，獲得S150壓碎液。這種溶液包含形成核糖體所需的多種輔助蛋白。之後再向其中加入生物體內富含的小分子化合物，再現出了接近生物細胞內的環境。接下來，向其中加入了天然核糖體、RNA聚合酶、核糖體RNA基因，以及54種核糖體蛋白基因（圖1）。