DNAのデータは何故読取り専用なのか。DNAに情報を記録する装置は自分自身が生成されるデータを記録する手段がないです。DNAに情報を記録する装置そのものの生成データをDNAに情報を書き込むことができず、結果としてDNAは読取り専用になる、というのが一分子生命ビッグバンの考え方です。
索引
DNAは自己複製で承継される
一分子生命ビッグバンでは、地球生命の誕生は、左手L型アミノ酸生成用テンプレート1個を巻き込んで1個の中空体が生成して始まる、と仮定します。
1個から始まるので鏡像体の左手右手は必ず一方に決定されます。環境依存で左手L型アミノ酸の種類は20種程度に決まります。後は左手L型アミノ酸同士が結合すれば酵素が生じます。左手L型アミノ酸同士を結合する酵素が登場すれば、後は酵素が酵素を登場させるので、連鎖反応であらゆる反応系が実施可能になります。
この反応系は左手だけの不斉反応場を形成するので、糖類の鏡像体も左右一方に決まります。デオキシリボースは右手D型に決定され、DNA二重らせんは右巻きに決定されます。
構造が決定された後に生命は誕生する
地球に最初に登場した生命体はもちろんのこと、これまで誕生したあらゆる生命体は構造が決定した後に誕生します。この順番は当たり前過ぎて見落としやすいです。
構造が決まらなければ生命は誕生しないのですから、最初の共通祖先が誕生する前にDNAに装填された核酸塩基配列によるゲノム情報は完成しています。
生命が誕生してから、「さて、DNAの配列はどうするか」と悩む必要がないのです。
生命体のDNA情報は自己複製で直系世代間で承継されていきます。地球に最初に誕生した生命体も含めて、どの生命体も自分でDNAの情報を選択・決定することができなかった事実に注意してください。
DNAの情報はコピーエラーで変化する
DNAには四種の核酸塩基(A,T,C,G)が含まれます。この核酸塩基3個が1組になって一つのアミノ酸を指定します。
核酸塩基は、AとTが手を組み、CとGが手を組む性質があります。DNAは右巻きの二重らせんになっていて、一方のらせんにAがあれば、他方のらせんの同じ位置にTがあります。同様に一方のらせんにCがあれば、他方のらせんの同じ位置にGがあります。
DNAには四種の核酸塩基(A,T,C,G)が並んでいて、アミノ酸の種類を核酸塩基3個が1組になって指定します。そしてDNAに並んだ核酸塩基の配列順にアミノ酸を指定することができます。
DNAに保存された情報は自己複製で次世代に承継されていきますが、1回の自己複製で10億塩基対当たり1塩基対程度のエラーが生じます。
このエラーの累積で進化が生じます。
このエラー発生率を人間の社会に置き換えてみます。
10億 ÷ 100[年] ÷ 365[日] = 27397[文字]
つまり、毎日100年間、新聞見開き以上の文字を書き続けて、1文字の誤字脱字があるかないかのレベルです。人間には到底達成できず、完全に機械の世界といえます。
DNAの編集機能
自然界にはDNAを切断する酵素も、DNAを結合する酵素も存在します。つまりDNAは編集できます。
例えば、隣合う二人同士で、同じ教科書の第3章同士を入れ替えても、教科書の内容は変わりません。また自分の教科書の第1章と第4章を入れ替えても、順番が変わるだけで内容が変更されるわけではありません。
DNAを切り貼りして編集した結果、全体として意味のないDNA情報に変化した場合はどうなるのか、というと、編集後のDNA情報に基づいて左手L型アミノ酸同士が結合してタンパク質が生成したとしても、そのタンパク質は正常に機能しないです。そこで生命活動が止まる結果になります。
例えるなら、生体活動の多くの歯車が噛み合って動力を伝達している最中に、一つ二つの歯車が欠けた様な状態になり、歯車が空回りして肝心な部分に動力が伝わらなくなります。
つまり、都合の悪い結果になると、都合の悪い個体の生命活動だけがそこで止まり、それ以上前には進めなくなります。
異常が生じず、うまく機能する編集のあった系列だけが次世代へと進むことができます。
結果オーライだけで前進できる仕組みが自己複製です。
自己複製の場合、機能しない個体が生成したとしても全体は影響を受けません。正常に機能する個体が自己複製を続ける限り、次世代は機能する個体と機能しない個体のふるいにかけられます。
全体の結果として、機能する個体だけが自己複製で次世代へと続いていく自然選択の連続になります。
最初のDNA合成過程が存在する
現在の自己複製機能を観察すると、あらゆる生物でDNAの情報を読み取り、その情報でタンパク質製造工場のリボソームでタンパク質が製造されているのが分かります。
そして自己複製だけでDNAの情報が次世代へと伝えられていきます。
地球に最初に誕生した生命体も含めて、全ての生命体は自分自身でDNAの核酸塩基の配列情報を決めたのではない点に注意してください。DNAに装填された情報は生命誕生前に決定されています。決定されていないと生命が誕生しないから、です。
自己複製で生命体の構造情報は基本的に完全コピーで次世代へ受け継がれていきます。完全コピーでないと、情報欠損が生じて複製データが読み取れなくなり、自己複製が40億年も続かないから、です。
どの生命体も例外なくDNAを持ちますが、DNAの情報は自己複製で親から子へ承継されていくだけで、1からDNA情報を組み上げる仕組みが、現在のどの生物も持っていません。
つまり、DNAの情報は読み取り専用になっていて、どこにも新しい情報を新規に書き込む装置が実装されていないのです。
DNAの情報が読み取り専用になっていることは、ある意味、理に適っていると思います。
重要基幹システムの心臓部のプログラムを、そのプログラムのことを何も理解していないものが自由に書き換えられるとすればどうでしょう？
現在の多くのシステムに実装されているプログラムの心臓部は、誰も自由に改変することができないようになっています。例えば、コードソースにコンマ、スペース等の余計なたった一文字を付け加えるだけで、また、たった一文字を削除するだけで、システム全体が動かなくなる可能性もあるからです。
地球の全ての生物のDNAは例外なく読み取り専用になっていて、意図しない改変によりDNAデータが壊れないようになっています。
これはこれでよいのですが、コインの表と裏の関係で、それでは最初のDNA情報はどのように形成されたのか、という問題が生じます。
昭和時代には、どの様にDNAの情報が形成されたか不明だったので、地球生命は宇宙からきた、と騒ぐ人がいたのも事実です。
ただし、仮に宇宙から地球生命がきたとしても、どの様に生命が誕生したかの問題は先送りされるだけで、結局最初の疑問点に戻ってくる点は、DNAの構造決定者であるワトソンが指摘している通りです（ワトソン 遺伝子の分子生物学 第7版 P607)。
試行錯誤の記録機会は1回限り
【定理1】DNA情報は生命誕生前に完成している
DNA情報が完成しないと生命は誕生しないのですから、地球の最初の生命誕生前にDNA情報が生命を誕生させる程度には完成されていたのは明らかです。
またここでは、生命の誕生とは、DNAの情報に基づいてタンパク質製造工場のリボソームが稼働して自己複製可能な個体が登場することをいいます。
【仮定】DNA情報はほぼ無限の試行錯誤の結果得られたものである
一分子ビッグバンでは、DNA情報はいきなり完成したのではなく、ほぼ無限の試行錯誤により獲得された、と仮定します。
生命宇宙飛来説やパンスペルミア説では、いきなり完成品が地球に届きますが、これらの説では地球の事情が一切考慮されていません。
ちなみに完成品が届かないなら、それは生命が宇宙からきたのではなく、生命の材料が宇宙がきたことになります。そもそも地球は宇宙で誕生した事実は疑いようがないですから、生命材料が宇宙からくる、というのは特段強調する必要がありません。
それぞれ惑星毎に固有の事情があるわけで、宇宙の全ての惑星の環境が統一されていると考える根拠はないです。このためDNA情報は、地球の事情を考慮して、ほぼ無限の試行錯誤の結果、獲得されたものと仮定します。
【定理2】DNA情報形成の試行錯誤の記録機会は1回限り
DNA情報が試行錯誤で形成されたなら、その録画機会は1回限りです。
DNAの塩基配列は、たった10個の段階で4の10乗で100万、20個の段階で1兆通りの順列組み合わせになります。人間の場合で30億塩基対となると、もう桁数の記述だけでページが覆い尽くされてしまいます。
地球生命誕生時点のDNAは人間よりも単純ですが、DNAの組み上げ過程が、猿の無限定理で登場する確率はゼロといってよいです。
猿の打鍵により、DNAの核酸塩基配列が最初に生成して、その情報にそって一つひとつタンパク質を合成していたのでは、地球の全質量を投入しても、全ての順列組合せを検証し終えることができないから、です。
酵素連結時録画説
次に具体的なDNA登場の話に移ります。
現在はDNAの情報に基づいて、タンパク質製造工場のリボソームでタンパク質が製造されます。
ところがこのリボソームはタンパク質複合体で、タンパク質を使ってリボソームができています。
タンパク質がないと、タンパク質を作るリボソームができないという、典型的な自己言及で、ニワトリが先か、タマゴが先か、の問題がここでも出てきます。
このような自己言及問題は、初期値を導入して論理循環を遮断して解決します。
タンパク質は左手L型アミノ酸を連結すればできます。また酵素はタンパク質でできていますので、左手L型アミノ酸を連結するだけで酵素ができます。
この酵素は左手L型アミノ酸を連結できます。つまり、リボソームが登場する前は酵素がタンパク質を製造します。タンパク質を製造するシステムが一分子生命ビッグバンの仮定から酵素しか存在しないからです。
タンパク質が製造されてから構造情報を外部から読み取る説
DNAの核酸塩基配列を決定するにはタンパク質の情報入手が必要です。タンパク質が製造された後にタンパク質の構造を外部から読み取る方法は、ありえないです。タンパク質は外部だけでなく、内部に巻き込み構造があるので、外部をスキャンするだけでは、正確なタンパク質情報をDNAに記録できないです。
酵素がDNA情報を読み取るように、タンパク質の構造情報を読み取る説
DNAにはアニーリングという性質があり、二重らせんを二つに離しても再び結合する性質があります。
これに対してタンパク質の立体構造は、アミノ酸を連結するだけで自然に形成されるか、というとそうではありません。
昔はDNAのゲノム情報がタンパク質のたたまれ方等の立体構造情報をも保存していると考えられていた時代はありましたが、現在ではその様な考え方は否定的です。
『ほとんどのタンパク質は、正常な細胞環境以外では、自らを適切に折りたためなくなる。正常な折りたたみにはタンパク質自身以外の何らかの細胞因子が必要であり、折りたたみは多くの場合、ポリペプチド(注：左手L型アミノ酸の連結物）が合成されている間に起こっていると考えられている。』
– ウィーバー分子生物学第4版 P37
仮に現行通り、DNAの情報をRNAポリメラーゼの酵素が読み取るように、酵素がタンパク質構造に沿って走ると仮定すると、タンパク質構造が壊れてその機能を発現できなくなる可能性があります。
試行錯誤でタンパク質が形成された後に、その情報の読み取り最中にタンパク質の立体構造が壊れてしまうと、タンパク質の発揮する機能と、DNAに記録される読み取り情報との対応関係が崩れてしまいます。
酵素連結時録画説
同一タンパク質を合成する機会は試行錯誤の1回限りですから、この機会を逃しては、タンパク質を形成する左手L型アミノ酸の種類と順序を記録する機会はありません。
最初に、一分子生命ビッグバンでは、核酸塩基3個によりタグ付けされたアミノ1個を基本構造とする原始トランスファーRNAの生成を仮定します。
最初に左手L型アミノ酸が合成されるときに、まるで印刷時にページ番号を打つ様に、核酸塩基3個がそろって、はじめて左手L型アミノ酸が核酸塩基3個でタグ付けされて生成すると考えます。
この核酸塩基3個でタグ付けされた左手L型アミノ酸同士が、酵素により連結される様子を録画するように、それらのタグを使ってタンパク質合成と同時にDNAが合成される、と考えます。
一分子生命ビッグバンで酵素連結時録画説が採用される理由は次の通りです。
試行錯誤の録画機会は1回限り
DANの情報がどの様に形成されるかは、色々な試論があると思います。仮に左手L型アミノ酸同士が連結されてランダムにタンパク質が最初に生成するなら、その様子を録画する機会は一回限りです。
正解のタンパク質、つまり正解となる核酸塩基配列がいつ現れるかは事前には分かりません。長い試行錯誤の期間の中で突然正解肢が現れます。このため常時試行錯誤を録画するように酵素連結によるDNA合成情報を記録しておき、録画失敗なら生成したタンパク質とDNAを系外にまとめて捨てる、と考えます。
録画装置は自分自身を録画できない
仮に、核酸塩基3個でタグ付けされた左手L型アミノ酸同士が連結してタンパク質ができると同時に、タグを利用してDNAが録画するように合成されるなら、録画装置は自分自身を録画できないので、録画装置のデータがDNAに記録されません。
つまり自己複製後の個体には録画装置が実装されないのでDNAは読み取り専用品になります。
3個1組の核酸塩基以外に不要なデータが入らない
仮に一分子生命ビッグバンで採用される酵素連結時録画説が正しいなら、DNAの情報は、左手L型アミノ酸にタグ付けされた3個の核酸塩基の情報を使って、麻雀のポンの様に3個1組で次々にDNAに装填されます。
このため、スペースピリオドコロン等に類するデータがDNAに存在しないことを説明できます。
まとめ
DNAの情報が読み取り専用なのは、つまるところ、DNAを形成するために作動する録画装置自身が、自分が合成される様子を録画できない点に尽きます。
次の記事では、どの様に具体的にDNAのオリジナルマスターデータが形成されるかについて説明します。
ファーイースト国際特許事務所
所長弁理士 平野 泰弘
03-6667-0247