4.生命科学実験ー酵素や遺伝子

生命科学実験

21世紀は生命科学の世紀である。生命の秘密を探索することは人類の健康の改善と経済発展および社会進歩を促進することに非常に重要な役割を果たす。

生命体は主に核酸、蛋白質、糖と脂肪等の生体高分子より構成されるが、これらの生体高分子の生理活性はその特定の三次元構造より決められる。

例えば、周知のように、生物体内のある酵素は蛋白質の一種であり、酵素分子の特異的な三次元構造で、生命体内の各種複雑な生化学反応が体温と常圧環境で迅速に進むのである。

したがって、

蛋白質等の生体高分子の構造に対して研究を展開することは非常に重要な意義があり、分子レベルから生命体の生理と病理過程を理解でき、薬品の設計、分子工学と生物模倣等の

分子レベルとナノメートルレベルのバイオテクノロジーに必要な基礎知識を提供する。

現在までに、蛋白質分子の三次元構造を研究する主な方法はⅩ線結晶解析技術と核磁気共鳴技術がある。

前者は各種の分子量のある蛋白質に適するが、品質が高い単結晶を要求する

；後者は結晶が要らないが、分子量が小さい蛋白質に対する研究に適する。

そのため、現在まで大多数の蛋白質の分子構造はⅩ線解析方法で解析してきたのである。

この構造測定方法は結晶生長、結晶解析データの収集、電子密度の計算と三次元分子構造モデルの構築の三つのステップから構成される。

その中の、第一ステップの結晶生長がキーステップであり、また最困難のステップでもある。

適切な、高品質の蛋白質結晶を生成できるか否かは構造測定が成功するか否かの決め手である。

小分子材料では、一つの分子は一般的に数個から十数個の原子を含み、分子も一般的には一定の対称性があるので、通常の条件で結晶を形成できるが、

蛋白質等の生体高分子では、一つの分子が数千数万個の多種類の原子より構成され、また単分子でもほとんど対称性がない

；さらに、同一種の蛋白質であっても、もし由来が異なり、あるいは分離純化技術が異なれば、サンプルの性能にも一定の差異が生じる。

良質の結晶サンプルは必ず均一構造の蛋白質分子あるいはその複合物より構成されるのである。

蛋白質等の生体高分子の結晶化は一般的に溶液の中で行う。

分子構造の安定性を向上させ、結晶条件を優れたものにし、高品質の鮎質結晶を生長するには、一般的に温度、水素イオン濃度（pH値）と溶液組成等の

多種の物理化学要素が関係している。

結晶が生長する時、蛋白質分子のサイズが大きすぎるので、その分子の溶液の中での拡散スピードが塩イオンより遥かに低い。

これで、溶質としての蛋白質分子が結晶に結合し、遠い所の蛋白質分子も拡散し難いので、生長している結晶の周囲に溶質の希薄な層が形成される。

この層の溶質の濃度は低く、その密度も遠いところの溶液よりも小さい。

しかし、地球の重力場の中で、希薄層の中の溶液が浮力の作用で浮き上がり、遠い所の密度の大きな溶液は沈下して、溶質の自然対流が形成される。

この自然対流は結晶の安定生長を破壊するので、結晶の欠陥も従って増えてくる。

同時に、重力の作用で、比重が大きい結晶は結晶沈降になり、また対流を形成して、結晶間の衝突につながっていく；沈降によって結晶が溶液底部で堆積して癒着する。

だから、重力の存在は高品質な蛋白質結晶の生長に不利である。

地上から数百キロ離れる宇宙空間で、重力水準は僅か地上の数万分の一か、もっと低い。 我々はそれを微小重力環境と称している。

この環境で蛋白質結晶を生長させれば、溶質対流と結晶沈降が非常に弱くなり、無視できるので、結晶が安定な溶液環境で原位生長を保持できる

；この時に、溶質希薄層は安定に存在し、またその厚さは地上の数倍もあり、これで、結晶は有利な環境で生長できる。

溶液対流の消失で不純物が結晶に接近する機会も減少するので、得られる結晶も高純度である。

それに、対流がない溶液（あるいは対流が弱い場合）は、蛋白質分子がその結合水の構造を保持することに利するので、蛋白質結晶内部の分子配列の有効性を高める。

もっと面白いことには、

宇宙空間微小重力の条件で、無容器あるいは無器壁接触の蛋白質結晶生長を都合よく実施できるので、容器による二次汚染と器壁による結晶内部への応力集中の現象を除去できる。

このため、宇宙空間の微小重力環境は蛋白質等の生体高分子の結晶生長に理想的な場所を提供できる。

宇宙空間実験はチャンスが少なく、コストが高いので、実験に対して周到に設計しておいて、できるだけ，実験の効率を向上させる。

実験装置は小体積、大容量で、また高い安定性が必要で、できる限り自動化を実現する必要性がある：実験の再現性を保証するために、実験の過程と操作も規則化する。

もっと重要なのは実験装置の設計について、宇宙空間の微小重力資源を充分に利用するために、宇宙空間微小重力環境下の流体力学の法則を充分に考慮することである。

20世紀80年代から今まで、ほぼすべての先進国は宇宙空間実験を展開し、非常に重要な宇宙空間バイオテクノロジー研究を成し遂げた。

米国のスペースシャトルでは百回近くの宇宙空間実験を行い、蛋白質結晶実験のサンプルも一万近くなった。

多種の宇宙空間蛋白質結晶技術を発展させ、宇宙空間で異なる種類の高品質の蛋白質結晶を生長させた。

我が国の宇宙飛行事業の発展に伴い、我が国も宇宙空間蛋白質の結晶生長研究を開始した。

中国科学院（中科院と略す）生物物理研究所と上海技術物理研究所とが共同して、我が国第一世代と第二世代の宇宙空間実験装置を研究開発した。

宇宙空間実験装置の核心は結晶セルである。宇宙船が予定の軌道に入る前では、結晶セルは閉鎖状態にあり、つまり気相拡散通路が通じていない

；液・液拡散の二つの溶液は互に接触していない。

予定軌道に入り、安定に飛行すると、指令を発して、結晶セル部品の水平移動または回転で拡散通路を開いて、結晶実験が始まる

；帰還モジュールが地球に帰還する前に、指令で結晶セルの部品を移動し、拡散通道を閉鎖して実験が終了する。

宇宙空間実験は典型的なシステム工学である。

実験前の長時間のサンプル準備と実験ハードウェアの研究開発、また蛋白質サンプルの開発、運搬から発射場での実験操作、装置の回収、実験結果の検査と分析等について、

全てに詳しい計画が必要であり、また相互協調し、想定外の事態に対する緊急の予備プランも用意する必要がある。

そのため、良い宇宙空間実験の結果を得ることは容易ではない。

神舟三号宇宙船で16種の蛋白質サンプルの宇宙空間結晶実験を行った。

これらのサンプルは中国科技大学、北京大学、清華大学と中国科学院の数箇所の研究所およびカナダの二つの大学の十数の実験室または研究チームのものである。

長時間の準備と複雑な実験前の作業で、2002年に発射した神舟三号宇宙船でやっと宇宙空間蛋白質の結晶実験を成功させた。

従来の実験と比べ、今回の実験の結果はもっと良く、実験した約三分の一の蛋白質は宇宙空間で品質が地上より優れた結晶を生長し、実験成功率も国際先進レベルに達した。

宇宙空間で生長する蛋白質結晶が蛋白質の高次構造の研究レベルを高めることが今回の実験で重要な蛋白質結晶を獲得したことで検証された。

ゲノム配列測定技術の成熟に従い、人類のゲノムを含む益々多くのゲノムが測定され、それに従って如何にこれらの遺伝子の機能を確定するかが課題となる。

蛋白質構造に基づいて機能を理解するゲノム構造学も生まれて、ポストゲノム研究の時代に先進国に重視される研究分野になって来た。

ゲノム構造の研究で、蛋白質結晶の生長に対する研究がより重要になり、さらに緊急になって来た。

このことにより、宇宙空間蛋白質結晶の生長研究にさらに大きなニーズと新らたな課題が出されることになった。

一方、国際宇宙ステーション建設と運用はこの宇宙空間バイオテクノロジーの発展に新しいチャンスを提供した。

実験機会の増加に従い、また実験技術の改良で、この方面の実験の成功率もずっと高くなる。我が国は既に宇宙船システムを有し、近い将来に宇宙空間実験室と宇宙ステーションを

構築し、我が国の宇宙空間バイオテクノロジー事業を発展させることに絶好な機会を得ることとなる。

不思議な宇宙育種

宇宙での育種は航空技術とバイオテクノロジー、農業育種技術が結び付いた産物である。

1987年以来、我が国は回収型衛星を利用して農作物の種および試験管苗等を搭載して行った実験に9回成功した。

その中には穀物、商品作物、野菜、花等の高付加価値の作物を含んでいる。

宇宙空間の環境中での高性能粒子の塙射、微小重力、高真空等の総合要因で、生物材料が地球では獲得できない突然変異を生じ、優良性状の品種を獲得できる可能性がある。

宇宙での育種の特徴：変異頻度が高く、変異幅が大きく、有益変異が多く、安定性が強いので、高産量、優質、早成熟、病原性抵抗力が強い良種を育成できる。

既に育成され、また関係部門で評価されたものには稲、小麦、ピーマン、トマト、木綿、蓮根の実等の品種と多くの優良品シリーズおよび優良な菌種がある。

現在までに、既に13の品種が国の審査を通過し、43の品種シリーズは大面積で栽培普及されている。

中国科学院遺伝所と黒龍江農科院との共同で優良品種の宇宙ピーマンを育成した。

このピーマンは実が大きく、肉質も厚く、味も美味しく、一つで約200g以上あり、平均畝産が約5000キロで、対照実験で得られたものより倍以上も多く、

ビタミンCの含量も15％以上高くなり、病原性抵抗力も強くなった。

中科院遺伝所と中国空間技術研究院とが共同で育成した宇宙きゅうり航遺1号は1996年に発射した回収型地上衛星に搭載され、地上で品種育成した第5代目である。

産量が高く、果実が大きく、美しく、味も美味しく、ビタミンC含量が高く、病原性抵抗力も強い優良株系が育成され、過酸化物酵素検査とRAPD分子標記の初歩検査を行い、

国家新品種保護を申請した。

1999年に、神舟一号宇宙船に搭載されたなす、ひょうたん、へちま等の野菜は地上第一世代の栽培で高産優質な単株を育成し、さらに優良株を選択して、遺伝性状が安定である

植株を調査する予定である。

また、米国航空宇宙局（NASA）の宇宙トマト種は既に北京で一代を栽培し、また大きな分化が現れた。

ロシアの宇宙ステーションに搭載された野菜種（玉ねぎ、レタス、トマト）は既に中科院遺伝所で育成され、またロシア科学院の航空生物学研究機構と長期の共同研究を行う。

現在までに、衛星、宇宙船およびロシア,ミール号宇宙ステーションに搭載された種の栽培状況から、全てに性状の分化が表れ、体系的な細胞学検査、生理学および分子生物学の

検査作業が今も進行中である。

資料によると、ロシア航空生物局および米国航空生物学者は既に宇宙条件が植物種に産生する変異の重要性を認識し、また積極的に研究している。

1987年から今までに、我が国は既に衛星で多種の作物、数百の品種の種を搭載し、新しい性状と大量の変異を得た。

「宇宙ピーマン」植株と地上ピーマンとの鮮明な対比

農作物の変異誘導のための選種についての研究を行い、農芸性状が優良な稲、小麦、大麦、木綿、大豆、ピーマン、トマト、きゅうり等の農作物の突然変異類型を取得し、

沢山の優良品系統を育成し、また実際の生産に応用され、素晴らしい経済効果と社会効果を収めた。

稲の大粒型の突然変異体に対して分子レベルで遺伝子を分析して、大粒型稲が宇宙空間の特殊条件処理による遺伝子突然変異で産生したと証明した。

また、白蓮の無性系の顕著な変異もあり、例えば早咲きの花の品系が出たり、一つの節間に二枚の葉が成長したタイプが現れ、実験でこれらの優良性状が無性系で保持できる

ことを証明した。

同様に、宇宙空間の特殊条件が農作物の変異誘導選種の有効方法であることを証明した。

衛星処理の稲種はその変異頻度が12．5％に達し、地上処理変異頻度より100倍も高い。

同時に、宇宙環境で牧草、樹木を誘変し、その中から有益な変異、例えば産量が多く、経済性が高く、成長速度が速い優良性状を選出して、宇宙草業、宇宙林業を構築して、

経済発展を促進する。

1988年に、中国科学院遺伝所と広西農業大学、江西省宜豊県農科所とが共同して、衛星処理の「包選2号」と「農墾58」の稲品種を栽培し、第二、三代で大量な分化現象が現われ、

多くの豊産、優質な株系を育成し、その優良性状も素早く安定になった。

江西で処理した「農墾58」品種の後世代は1993年に二つ豊産系統を獲得し、単産600キロ以上にも上がり、安定産量も約500キロであり、既に中国科学院の成果鑑定を通過した。

また大粒型、大穂型、優質米型、黒米と紅米型の突然変異世代を収め、その中から特殊類型の品系と優質米を選出できる。

大粒型稲に対して分子レベルで遺伝子を分析し、大粒型変種が対照組と形態上には大きな差異があるが、選出された2000個の遺伝子配列にはただ5つの遺伝子だけに差異があり、

僅か0．25％である。

この変異が宇宙空間の特殊条件による遺伝子突然変異によるものと証明した。 広西で処理した「包選2号」品種の後世代にも類似な変異がある。

さらに、中科院遺伝所と江西省農業科学院稲所、撫州地区農科所とは協力して衛星処理稲の後世代について研究し、豊産、抗病、優質と特殊な性状のある変異類型を育成した。

一部の品種は区域実験の2年間で実績をあげ、既に実験栽培を実施している。

中国科学院遺伝所と上海植物生理所は1988年と1989年に核跡仮定位の小麦の種を衛星に搭載した。

全てに株の高さで大きな変異が出て、媛化突然変異体を獲得し、またその性状も遺伝してきて、植株の倒伏を予防できる。

科学者はこれで豊産、倒伏抵抗、病原性抵抗の「申植1号」新品種シリーズを育成した。

河南省農業科学院小麦研究所が搭載した小麦の種も多くの変異を取得し、その中から選出された二品種の系統は、その産量毎畝35キロ増産され、品質も変異し、蛋白質の含量が低く

なり、澱粉の含量が増加し、ビスケットやインスタントラーメンに適している。

1992年に、衛星に搭載された小麦の種の後世代から多くの早熟、倒伏抵抗、徴菌赤徴菌病抵抗の品種シリーズを育成した。

1994年に、中国科学院は衛星搭載の小麦の種で多くの変異類型を獲得し、またその変異法則を探索して、有益な結果を収めた。

1987年に、黒龍江省農業科学院園芸研究所と中科院遺伝所は共同して衛星と高空風船搭載のピーマン種を利用して、第三世代で大果型の突然変異体を獲得した。

これは単果が約250gで、単位産量が4000～5000キロになり、一般の生産品種の産量より30％以上も高い。

衛星処理の品種は対照品種の形態と似て、四心室であるが、ビタミンCの含量が25％も高まり、可溶性固体物も約20％増えた。現在まで、既に1万畝以上に普及実験栽培をしている。

この大果型の種は衛星再処理され、さらに早熟の品種を獲得し、早熟ピーマンの産量が対照実験産物より10倍も高い。

1987年に、衛星で処理されトマト種の後世代は数年間の栽培選択で対照物より20％以上も高く、抗病性が強い品種シリーズを獲得し、1992年に中国科学院の成果鑑定を通過した。

宇宙きゅうり航遺1号の畝産量が約6000キロで、単果平均長が40センチで、1000gもあり、最大の単果の長さが52センチで、1800gもある。

同時に、宇宙きゅうりと密刺型きゅうりとを交雑して得たきゅうりは果型が大きく、真っ直ぐで、重さが1000gに達し、長さが40センチで、頂花と刺が付いている高い商品価値の

きゅうり新品種シリーズを育成して、宇宙野菜雑種育種の新たな道を探索した。

また、極めて若い時に航遺1号きゅうりを取れば、その味は普通のきゅうりより美味しく、特殊な香りがあり、ミニ型きゅうりとして食べられるが、

また成長後の大果型きゅうりも収穫できる。

当品種は徽菌病、霜などに抵抗する能力が強く、植株も巨大、丈夫な特性があり、今では北京の良郷、懐柔、密雲および四川、江蘇、江西等の地区に栽培され、効率も良い。

2003年7月に、甘粛省の品種鑑定を通過した。

中科院遺伝所は神舟一号宇宙船に搭載された野菜品種を利用して地上で第三世代を育成し、良好な変化が出て、一部の高産量単株を選出した。

例えば宇宙なすが最大2200gに達し、果実の周長が62センチで、平均単果の重さが約1500gに達した。

宇宙ひょうたんの最も長いのは80センチに達し、重さが3400gで、平均果実の長さが70センチになった。

現在まで、これらの種が依然不安定状態にあり、果実も大小、形態上の分化が現れてきて、大きな差異があるが、畑の選択的育種および細胞学、分子生物学の検査作業も進んでいる。

同研究所は1996年に回収型衛星に20種の花の種を搭載した。

その中に、一串紅には花が大きく、花期も長く、枝も多く、媛化性状の顕著な変化が出た；三色董の花色も浅黄色になり、花期も長くなった

；万寿菊の花期が顕著に長くなった（3月17日から11月まで咲き、花期が9ケ月になった）；酵蝶の植株が大きくなり、花期も8ケ月になった

；媛朝顔の多色が現れ、一株に異なる色の花が咲く現象が出た。八月菊、小麗菊、黒心菊も花びらが大きくなる変化がみられた。

2002年に催した国家863成果展覧会に、中科院遺伝所の宇宙花の種をプレゼントとして首長と貴賓に送り、高く評価された。

現在までに，宇宙花の育種は既に北京市科学技術委員会の鑑定を通過し、また第五回全国花博覧会で銀賞を受けた。

2002年に発射した神舟三号宇宙船と2002年年末に発射した神舟四号宇宙船に中科院遺伝所と中国空間技術研究院は蘭花、葡萄、樹苺、紅櫨、百合、薔薇、紅豆杉等の

より高い経済価値の花の試験管苗および西部開発に適する樹苗、果樹苗および草等を搭載した。

現在までの生長状況から見れば、試験管苗の生長が迅速で、分化能力も高まり、顕著な変異が現れてきて、今は優良株の選択作業を行っている。

我が国の宇宙飛行事業の発展に従い、我が国の宇宙での育種事業も継続的に発展し、もっと多くの産量も高く、品質の良い農作物の新品種を育成しつつあり、農業現代化の実現、

産業構造の調整にさらに大きく貢献するだろう。