DNAの基礎や生命共通の原理を初心者の方向けに分かりやすく紹介

1. ストーリーで分かる生命科学入門
2020/12/20
KOJI FUKUOKA

2. 留意事項
 この分野は流動性が高いので、あくまで発信日時での情報であることに留意ください。
 所属企業ではなく、あくまで個人としての発信です。本情報に伴う結果に関して責任は
負いかねますのでご了承お願いいたします。
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3. 本日の流れ
• 趣旨
• 生命とは？
• 生命の仕組み
• 生命科学の現在
• 生命科学の未来
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【自己紹介】
IT企業でAIなど新技術を活用した事業開発。
元々宇宙物理研究を志し、今は１科学愛好家。

4. 本シリーズ共通の趣旨：３つの謎（原理）への追及を気楽に楽しむ
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生命とは？
http://www2.city.nasushiobara.lg.jp/kids2/kid_where.html
宇宙とは？
知能とは？
宇宙物理学
宇宙生物学
分子生物学
合成生物学
神経科学
コンピュータ科学
物理学
生物学
化学
生理学
数学
解きたい謎 関連する学問テーマ 学問テーマの大分類

5. 生命とは？：人体の場合
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生命の身近な例として、人体は１つの受精卵から分裂して各器官へ成長し、その細胞は周期的に入れ替わっています。
https://skip.stemcellinformatics.org/knowledge/basic/02/
器官 細胞周期
胃腸 5日
心臓 3週間
皮膚 4週間
筋肉 2か月
骨 3か月
赤血球 4か月

6. 生命とは？：偉人の言葉
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生命の定義については、未だに明確なものはなく、下図のように時代ごとそれぞれの立場でその本質が議論されてきました。
（物理学など一般的な自然科学のような共通の法則がない）
西暦 定義
BC350 自身でコントロールされる摂食・増殖・死滅を行う実態（アリストテレス）
1894 タンパク質やほかの化学成分で構成される実態であり、その実体を規則的に更新するモノ（エンゲルス）
1944 秩序と規則によってその状態を持続する物体（シュレディンガー）
1949 自己再生自律物体（ファン・ノイマン）
1961 非平衡状態から非可逆進化を行う非線形散逸システム（ブリゴジン）
1965 再生する有機物による段階的かつ等温の複雑な化学反応系に支えられたほぼ無限に続く
システム（バーナル）
1971 プログラムされた増殖を行う流体化学システムとその作用
1974 再生と分解を繰り返す要素とそれを自己組織化するシステムによって自律的に形成される実体
（マツラナら）
1986 増幅・変化・遺伝する性質を実体化したモノ（メイナード・スミス）
1991 環境における絶え間ないエネルギー・物質の流れが作り出す非平衡状態のなかで、自己を維持し、
増殖し、かつ複製するシステム（ド・デューブ）
1994 ダーウィン型進化を行う自己維持化学システム（ジョイス）
2004 自由進化能を有した自律システム（ルイ＝ミラーゾら）
2006 外的および内的変化に応答し、自己の存続を推進するような方法で自己を更新する自律系を
可能にするような事象の総和（オリビエとペリー）
※出所：生命の起源はどこまで分かったか？

7. 生命とは？：歴史
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生命の起源は「陸上」「深海」「宇宙飛来」など諸説ありますが、誕生後は以下の系統で分類されており、共通の要素から分
岐していると考えられています。
生命の起源
1. 陸上の水溜り
2. 深海
3. 宇宙からの飛来
4. その他
生物の系統図（RNA）
※出所：生物はなぜ誕生したのか
https://medium.com/@BetterLateThanNever/%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%AD%A6-%E7%AC%AC2%E7%89%88-%E7%AC%AC20%E7%AB%A0-
%E7%B3%BB%E7%B5%B1%E7%99%BA%E7%94%9F%E3%81%A8%E7%94%9F%E5%91%BD%E3%81%AE%E6%AD%B4%E5%8F%B2-dcfe28ea7939
宇宙時間 主な出来事
0 宇宙創成
30億年 星と銀河の形成
90億年 太陽と地球の形成
100億年 生命の誕生（単細胞生物）
138億年 現在
（核を持つ）
（バクテリア） （アーキア）

8. 生命とは？：大体の共通見解
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共通項として「境界」「自己複製」「代謝」を備えた存在、というのが一般的に生命と見做されており、それを担う最小単位が
「細胞」です。
細胞
境界 自己複製 代謝
細胞
細胞膜
細胞
物質
外部から物質を
取り込んで化学
作用
分裂
※出所：「池上彰が聞いて分かった生命の仕組み」

9. 生命の仕組み：細胞
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現在の生物における生命活動の最小単位細胞の仕組みは下図で構成され、生命の情報を伝える「遺伝子」を格納する
「核」の保有有無で呼び名が異なります
参考：受験のミカタ
https://juken-mikata.net/how-to/biology/cell.html
名前 機能
核 遺伝子貯蔵所
核膜 核質を細胞質基質から分ける
核小体 リボソーム形成に必要な原料を供給
小胞体 細胞内に発達した膜系でタンパク等の合成
リボソーム 遺伝情報をもとにタンパク質合成
ゴルジ体 細胞外へ分泌されるタンパク質をパックする
ミトコンドリア エネルギー源である ATP
細胞骨格 細胞の形を整え、細胞の運動を司る
中心体 細胞分裂時に紡錘体となる
リソソーム等 細胞内での消化
細胞膜 細胞と外界との境界面
参考：
核を持つ：「真核生物」
核を持たない：「原核生物」（細菌(バクテリア)と古細菌(アーキア)）

10. 生命の仕組み：遺伝子・DNA・ゲノムの違い
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「遺伝子」とは「DNA」という物質が持つ情報の概念であり、１セット全ての遺伝情報を「ゲノム」と呼ぶのが一般的です。
参考：染色体・DNA・塩基・遺伝子・ゲノム
https://www.rhelixa.com/knowledge/genome-description/
細胞
核
細胞とDNAの構成
「DNA」内にある、「生命活動を担う物質」を作るため
の情報が「遺伝子」で、全情報を「ゲノム」と呼ぶ
次の「生命活動を担う物質」の作成

11. 生命の仕組み：生命活動を担う物質
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生命活動はほとんどタンパク質が機能を変えて成しており、その機構を知ることで生命活動の仕組みをたどることが出来ます。
細胞の構成成分
※出所：細胞の構成成分
http://y-arisa.sakura.ne.jp/link/yamadaka/animal-cell/seibun/kousei-bussitu.htm
タンパク質の役割例
ヒトの体内には数万種類のタンパク質があり、「エネルギー
を作る」「モノを運ぶ」などいろいろな役割を担っています

12. 生命の仕組み：エネルギーを作るタンパク質（イメージ）
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※出所：「動く！タンパク質」ビューア（文科省HP）
https://stw.mext.go.jp/series/protein.html

13. 生命の仕組み：モノを運ぶタンパク質（イメージ）
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※出所：「動く！タンパク質」ビューア（文科省HP）
https://stw.mext.go.jp/series/protein.html

14. 生命の仕組み：生命の共通原理？
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生命の基礎情報を具有した「DNAから、生命活動を担うタンパク質を作る過程」こそが生命共通の原理です。
DNA
？
タンパク質

15. 生命の仕組み：生命の統一原理「セントラルドグマ」
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DNAからタンパク質を作る過程は「セントラルドグマ」として1958年に提唱され、現在に至るまでその仮説が有効と考えられて
います。
DNA
RNA
タンパク質配列
DNA
(複製)
転写
翻訳
(立体化)
セントラルドグマ
タンパク質
提唱者：フランシス クリック
（DNAらせん構造発見者）

16. 生命の仕組み：セントラルドグマ：転写のプロセス
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DNAはまず自己複製を行い、必要な遺伝子を媒体となるRNAに渡して次の工程に移ります。
※出所：セントラルドグマとは?
https://juken-mikata.net/how-to/biology/central_dogma.html
セントラルドグマの流れ
DNAの仕組み
ペア
固定
転写
DNA
（事前に複製＆該当
部らせんをほどく処理）
RNA
（らせんでなく一本鎖）
化粧
mRNA
（次の工程へ）
転写で出来た
無駄を除去

17. 生命の仕組み：セントラルドグマ：翻訳のプロセス
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核外に出たmRNAは、リボソームという工場内でタンパク質の元となるアミノ酸配列が指定され招集＆結合していきます。
※出所：セントラルドグマとは?
https://juken-mikata.net/how-to/biology/central_dogma.html
セントラルドグマの流れ
mRNA
（前工程から）
核外へ
移動
タンパク質
アミノ酸1 アミノ酸2 アミノ酸3 …
塩基4種類×3文字（コドン）
→1つのアミノ酸に対応(一部重複)

18. 生命科学の現在：ヒトゲノム計画
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アメリカを中心に行われたヒトのDNAの全塩基配列を解析する「ヒトゲノム計画」が、当初より早く2003年に完了しましたが、
その数は想定値より少ない結果でした。
※日経新聞
https://www.nikkei.com/article/DGKKZO35623550R20C18A9MY1000
http://isw3.naist.jp/IS/Kawabata-lab/kensuke-nm/Oct29_09/pdf/KSUOct29.pptx.pdf
ゲノムが解明された生物種(2009年時点)

19. 生命科学の現在：DNAにある遺伝子以外のトピック
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ヒトゲノム完了以降、遺伝子に直接関係しない領域でも、生命の起源や生物遺伝に関する研究が進められています。
例えばDNA→（転写）→RNA→（逆転写）→DNA機
能を持っていたり、多様性を生むための機能（タンパク質化の
制御や外敵を守る仕組みなど）や「過去の生物の痕跡」など
研究進行中
疑問１．DNAの遺伝子（タンパク質化）以外の役割は？
【余談】
RNAワールド仮説：生命はRNAから進化したという説
疑問２．遺伝子情報だけで生物の性質は決まる？
DNAの転写部分にある塩基がアセチル化されているかメチル化されている
か等によって、遺伝子が取り付きやすくなったり、逆に取り付きにくくなったり
するような効果がある。
また、タンパク質は配列結合後は3次元に折りたたまれ、その構造による
性質差異も起こりえる。
→単に遺伝子情報だけでは生物の性質理解は困難

20. 生命科学の現在：ゲノム編集
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ゲノム編集による試みは以前からありましたが、「クリスパーCAS９」という獲得免疫を活用した技術がゲノム編集のコスパを飛
躍的に高めて、注目を集めています。
※出所：
https://newswitch.jp/p/24110
https://www.chem-station.com/blog/2019/07/crispr.html
2020年にノーベル化学賞を受賞したシャルパンティエ
博士（左）とダウドナ博士
CRISPER（間隔をあけて規則性のある回文配列）は
元々日本人研究者が大腸菌で発見。当時は役割不明だっ
たが、後にウイルスに対する獲得免疫(過去の攻撃を記憶し
て防御設計)であることが判明し、その機構が応用された。

21. 生命科学の未来
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ゲノム技術の進歩によって、医療や食料だけでなく、新たに生物を作る合成生物学や、老化や寿命の研究などが基礎研究
でも推し進められています。
• 既存市場への応用：医療・食料・・・
• 生態系への展開（遺伝子ドライブ）
• 合成生物学（創ることで生命を解明）
• 老いと寿命（老化は病気？）