人工遺伝暗号表の試験管内再構成により標準遺伝暗号表の謎に迫る ──誤り最小化仮説を実験的に検証──

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2026-05-20 東京大学

東京大学の研究グループは、生命に共通する「標準遺伝暗号表」が、突然変異の悪影響を最小化するよう進化したとする「誤り最小化仮説」を、世界で初めて実験的に検証した。研究では、大腸菌由来の再構成型翻訳系(PUREシステム)を用いて10種類の人工的な非標準遺伝暗号を試験管内で構築し、変異を導入した複数のタンパク質遺伝子を翻訳して機能低下を比較した。その結果、遺伝暗号表の配置を変えても、タンパク質機能の変異に対する頑強性には大きな差が見られず、少なくとも今回検証した範囲では誤り最小化仮説を支持しないことが示された。これにより、標準遺伝暗号表は変異耐性のために最適化されたわけではない可能性が浮上した。一方で、本研究は人工遺伝暗号の再設計が機能を大きく損なわないことも示しており、非天然アミノ酸を用いた人工タンパク質合成や進化工学、生物学的封じ込めなど合成生物学への応用が期待される。成果は『eLife』に掲載された。


標準遺伝暗号表の謎を合成生物学的手法により実験的に検証

<関連情報>

試験管内で構築された非標準遺伝暗号を用いたエラー最小化理論の実験的検証 Experimental verification of the error minimization theory using non-standard genetic codes constructed in vitro

Ryota Miyachi,Norikazu Ichihashi
eLife  Reviewed Preprint version 1: May 19, 2026
DOI:https://doi.org/10.7554/eLife.111164.1

Abstract

All living systems use an almost identical genetic code, the standard genetic code, in which 20 amino acids are assigned to 61 codons non-randomly. According to the error minimization theory, amino acids are arranged to minimize the mutational effect on protein function, while experimental verification remains limited. In this study, we constructed 10 non-standard genetic codes in vitro by reassigning three amino acids (Ala, Ser, and Leu) in vacant codons of the minimal genetic code, which consists of 21 tRNAs. Most of these non-standard genetic codes have a higher cost of amino acid replacement than the standard genetic code, calculated based on three amino acid properties: polar requirement (PR), molecular volume (MV), and hydropathy index (HI). The protein function of three reporter genes expressed using these non-standard genetic codes decreased similarly when random mutations were introduced into the genes, implying that the effect of mutations was similar across all the non-standard genetic codes tested here. This result provides direct experimental evidence that mutational robustness does not significantly change when the genetic code is altered within the range of mutational cost tested in this study (CostPR: 5.29 – 5.77, CostMV: 1848 – 2348, and CostHI: 3.27 – 5.10), which covers approximately 18.4% (PR), 37.6% (MV), and 50.8% (HI) of possible cost range achievable among one million randomly-generated genetic codes.

細胞遺伝子工学
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