科学研究 - 【JST事业成果】在试管内成功合成核糖体，有望用于开发有用物质

青木航（大阪大学研究生院工学研究科教授）

国立研究开发法人科学技术振兴机构（JST）创发性研究支援事业
课题：“整合生命科学中的还原与建构方法理解多样化生命现象”（2021-2027）

|全球首次实现试管内的核糖体合成

大阪大学研究生院工学研究科的青木航教授等人组成的研究团队，全球首次成功地在试管内利用基因合成出了作为细胞内蛋白质工厂的核糖体。核糖体拥有由约200种分子协同而成的复杂结构，一直被认为难以在试管内人工再现。

研究团队基于“在试管内再现与细胞内相同的环境”这一方针，通过在适宜条件下组合必需因子，成功由基因合成出了核糖体。

|为何制备人工核糖体至关重要？

核糖体存在于生物细胞内，可依据遗传信息连接氨基酸，合成蛋白质。若对核糖体进行人为改造，掺入自然界不存在的非天然单体，就有望制备出具备前所未有功能的药物与有用的酶。

然而，研究已知，若对生物细胞内的核糖体进行改造，就会产生毒性，导致细胞无法正常发挥功能。另一方面，也有研究长期致力于改造核糖体以外的分子，使核糖体能够使用非天然单体作为材料※1。此前，已成功合成出了常规核糖体作为合成材料不拥有的10数个氨基酸。但要实现非天然单体的高效聚合，最终仍需对核糖体本身进行改造。

为此，研究团队认为，若不使用细胞，却能在试管内人工合成出核糖体的话，便可无需顾虑细胞毒性，自由地对核糖体进行改造。

※1　非天然单体：具有生物通常不使用的化学结构的分子。作为制备具有新性质的分子的原料而备受期待。

|在试管内再现细胞内环境

核糖体经过复杂的过程被合成

生物体内的核糖体是经过极复杂的过程被合成出来的。例如，大肠杆菌的核糖体由3种核糖体RNA ※2和54种蛋白质构成，还需近百种辅助蛋白发挥作用才能完成合成。仅具备原料无法生成核糖体，各构成要素需按既定的顺序结合，在不同阶段逐步改变结构的同时完成构造。

正因为这一过程的复杂性，此前一直难以人工制备出与生物体内核糖体功能一致的分子。

※2　核糖体RNA：构成核糖体的RNA，参与蛋白质合成反应。

构建细胞内环境

研究团队认为“若能在试管中再现与细胞内相同的环境，就能合成出核糖体”。

研究团队首先破碎大肠杆菌，获得S150破碎液。这种溶液包含形成核糖体所需的多种辅助蛋白。之后再向其中加入生物体内富含的小分子化合物，再现出了接近生物细胞内的环境。接下来，向其中加入了天然核糖体、RNA聚合酶、核糖体RNA基因，以及54种核糖体蛋白基因（图1）。