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SCIENTIFIC AMERICAN July 2021

Life, New and Improved

タンパク質工学の新潮流 ワクチンや抗体医薬を自由に設計する

By Rowan Jacobsen R. ジェイコブセン
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Late on a Friday night in April 2020, Lexi Walls was alone in her laboratory at the University of Washington, waiting nervously for the results of the most important experiment of her life. Walls, a young structural biologist with expertise in coronaviruses, had spent the past three months working day and night to develop a new kind of vaccine against the pathogen ravaging the world. She hoped that her approach, if successful, might not only tame COVID but also revolutionize the field of vaccinology, putting us on a path to defeat infectious diseases from flu to HIV. Unlike any vaccine used before, the vaccine Walls was developing was not derived from components found in nature. It consisted of artificial microscopic proteins drawn up on a computer, and their creation marked the beginning of an extraordinary leap in our ability to redesign biology.  2020年4月のある金曜日の夜遅く,ウォールズ(Lexi Walls)はワシントン大学(シアトル)の研究室にひとり居残り,これまでの人生で最も重要な実験の結果を落ち着かない気持ちで待っていた。コロナウイルスが専門のこの若き構造生物学者は過去3カ月間朝から晩まで,世界を荒らし回っている病原体に対する新種のワクチンの開発に没頭してきた。首尾よくいけば,コロナウイルス感染症(COVID)を抑え込むだけでなく,インフルエンザからHIVまで様々な感染を阻止する道が開け,ワクチン分野を変革できるかもしれない。
 ウォールズが開発中のワクチンは従来のどのワクチンとも違って,自然界に見られる物質に由来するものではない。コンピューター上で設計された人工の微小タンパク質でできている。この技術は,生体物質を再設計する能力の飛躍的拡大を告げるものだ。
Proteins are intricate nanomachines that perform most tasks in living things by constantly interacting with one another. They digest food, fight invaders, repair damage, sense their surroundings, carry signals, exert force, help create thoughts, and replicate. They are made of long strings of simpler molecules called amino acids, and they twist and fold into enormously complex 3-D structures. Their origamilike shapes are governed by the order and number of the different aminos used to build them, which have distinct attractive and repellent forces. The complexity of those interactions is so great and the scale so small (the average cell contains 42 million proteins) that we have never been able to figure out the rules governing how they spontaneously and dependably contort from strings to things. Many experts assumed we never would.  タンパク質は複雑なナノマシンであり,タンパク質どうしが絶えず相互作用することで生体内のほとんどの仕事を遂行している。食物を消化し,侵入者と戦い,損傷を修復し,周囲の環境を感知し,信号を伝え,力を発揮し,思考を生み出すのに寄与し,自己複製している。
 タンパク質はアミノ酸という比較的単純な分子が連なった長い鎖でできており,その鎖がねじれ折り畳まれて,途方もなく複雑な立体構造を作り上げている。この折り紙のような形状は,タンパク質を構成する様々なアミノ酸の配列順序と数によって決まる。それぞれのアミノ酸が他のアミノ酸に対し,固有の引力や反発力を及ぼすのだ。
 こうした相互作用は非常に複雑なうえ,タンパク質は非常に小さいため(平均的な細胞は4200万個のタンパク質を含んでいる),アミノ酸鎖が自発的に折り畳まって所定の立体構造を忠実に作り出す過程をどんな規則が支配しているのか,いまだに解明できていない。多くの専門家は決して解明できないだろうと考えていた。
But new insights and breakthroughs in artificial intelligence are coaxing, or forcing, proteins to give up their secrets. Scientists are now forging biochemical tools that could transform our world. With these tools, we can use proteins to build nanobots that can engage infectious diseases in single-particle combat, or send signals throughout the body, or dismantle toxic molecules like tiny repo units, or harvest light. We can create biology with purpose.  だが人工知能(AI)に関する新たな知見とブレークスルーが,その秘密の扉をこじ開けつつある。世界を変革する可能性を秘めた新たな生化学ツールが開発されている。それらを使えば,感染症と戦う微小なロボットをタンパク質で組み立てることができる。そうした人工タンパク質ナノロボットで人体の各所に信号を送り,有毒な分子を分解し,光エネルギーを収穫することも可能だろう。狙った目的を達成する生体物質を作り出せるのだ。