DNAの分子構造

自己複製とは、自分自身の同一または類似のコピーを構築する動的システムの行動のことである。生物細胞は、適切な環境が与えられれば、細胞分裂によって再生する。細胞分裂の過程で、DNA が複製され、再生時に子孫に伝達される可能性がある。生物学的ウイルスは複製できるが、感染のプロセスを通じて細胞の再生機構を乗っ取ることによってのみ複製できる。有害なプリオンタンパク質は、通常のタンパク質を異常な形態に変換することによって複製できる。 [1] コンピュータウイルスは、コンピュータにすでに存在するハードウェアとソフトウェアを使用して再生する。ロボット工学における自己複製は研究分野であり、SFの関心の的となっている。完全なコピー (突然変異)を作らない自己複製メカニズムはどれも遺伝的変異を経験し、自分自身の変種を作り出す。これらの変種は自然淘汰の対象となり、その中には現在の環境で他よりも生き残るのが得意なものがあり、それらより繁殖するものがある。

概要

理論

ジョン・フォン・ノイマン[2]による初期の研究では、複製子にはいくつかの部分があることが証明されました。

  • 複製子のコード化表現
  • コード化された表現をコピーするメカニズム
  • 複製子のホスト環境内で構築を実行するためのメカニズム

このパターンには例外もあり得るが、既知の例のほぼすべてがこのパターンに従っている。科学者たちは、RNAモノマーと転写酵素の溶液という「環境」内で複製可能なRNAの構築に近づいているが、このようなシステムは「自己複製」というよりも「補助複製」と呼ぶ方が正確である。2021年、研究者たちは特別に設計された16個のDNA配列を持つシステムの構築に成功した。これらのDNA配列のうち4個は、既に連結された4つの配列を鋳型として、温度を上下させることで、特定の順序で（塩基対形成によって）連結することができる。こうして、鋳型のコピー数はサイクルごとに増加する。酵素などの外部因子は必要ないが、システムには16個のDNA配列の貯蔵庫を供給する必要がある。[3]

最も単純なケースは、ゲノムのみが存在する場合です。自己複製の過程が明確に規定されていない場合、ゲノムのみのシステムは結晶のようなものとして特徴付ける方が適切でしょう。

生命の起源

自己複製は生命の基本的な特徴です。自己複製は生命の進化において、二本鎖ポリヌクレオチド（おそらくRNA）に類似した分子が一本鎖ポリヌクレオチドに解離し、それぞれのポリヌクレオチドが相補鎖合成の鋳型として機能し、二つの二本鎖コピーが生成されたことから生まれたと提唱されています。[4] このようなシステムでは、異なるヌクレオチド配列を持つ個々の二本鎖複製子が、利用可能なモノヌクレオチド資源を求めて互いに競合し、最も「適合した」配列を求める自然選択が起こりました。[4] これらの初期生命体の複製はおそらく非常に不正確であり、ポリヌクレオチドの折り畳み状態に影響を与える変異を生み出し、その結果、鎖の会合（安定性の促進）と解離（ゲノム複製の促進）の傾向が影響を受けました。生体システムにおける秩序の進化は、物理システムにも適用される基本的な秩序生成原理の一例であると提唱されています。[5]

自己複製のクラス

最近の研究では[6]、複製子を、必要とするサポートの量に基づいて分類するようになりました。

  • 自然複製子は、その設計のすべてまたは大部分が非ヒト由来である。このようなシステムには自然生命体が含まれる。
  • 独立栄養複製者は「野生」で自己増殖することができる。彼らは自らの材料を採掘する。非生物的な独立栄養複製者は人間によって設計され、人間の製品の仕様を容易に受け入れることができると推測されている。
  • 自己複製システムとは、金属棒やワイヤーなどの工業原料から自分自身のコピーを生成すると想定されるシステムです。
  • 自己組織化システムは、完成品の納品された部品から自身の複製を組み立てます。このようなシステムの単純な例は、マクロスケールで実証されています。

機械複製機の設計空間は非常に広い。ロバート・フレイタスとラルフ・マークルによる包括的な研究[7]では、137の設計次元が12の個別のカテゴリーに分類されている。それらは、(1)複製制御、(2)複製情報、(3)複製基質、(4)複製機の構造、(5)受動部品、(6)能動サブユニット、(7)複製機のエネルギー論、(8)複製機の運動学、(9)複製プロセス、(10)複製機の性能、(11)製品構造、(12)進化可能性などである。

自己複製するコンピュータプログラム

コンピュータサイエンスにおいて、クワインとは、実行されると自身のコードを出力する自己複製型のコンピュータプログラムです。例えば、Pythonプログラミング言語におけるクワインは以下のようになります。

a='a=%r;print(a%%a)';print(a%a)

より単純なアプローチは、指定されたデータストリームのコピーを作成し、それを自分自身に向けるプログラムを作成することです。この場合、プログラムは実行コードであると同時に、操作対象となるデータとしても扱われます。このアプローチは、生物を含むほとんどの自己複製システムで一般的であり、プログラムに自身の完全な記述を含める必要がないため、より単純です。

多くのプログラミング言語では、空のプログラムは正当であり、エラーやその他の出力を生成せずに実行されます。したがって、出力はソースコードと同じであり、プログラムは自明に自己複製します。

自己複製タイル

幾何学において、自己複製タイルとは、複数の合同なタイルを結合して、元のタイルに似た大きなタイルを形成するタイルパターンのことです。これは、テッセレーションと呼ばれる研究分野の一部です。「スフィンクス」ヘキシアダイヤモンドは、自己複製五角形として唯一知られているものです。[8] 例えば、このような凹型五角形を4つ結合すると、2倍の大きさの五角形を作ることができます。[9] ソロモン・W・ゴロムは、自己複製タイルを 「レップタイル」という造語で表現しました。

2012年、リー・サローズは、レプタイルをセルフタイリングタイルセット（セティセット）の特別な例として特定しました。n次のセティセットとは、 n個の形状からなる集合であり、 n通りの方法で組み立てることで、それ自体のより大きな複製を形成できます。すべての形状が明確に区別できるセティセットは「パーフェクト」と呼ばれます。レプnレプタイルとは、n個の同一のピースで構成されたセティセットです。

自己複製する粘土結晶

DNAやRNAに基づかない自然な自己複製の1つの形態は、粘土結晶で起こる。[10]粘土は多数の小さな結晶で構成されており、粘土は結晶の成長を促進する環境である。結晶は規則的な原子格子で構成されており、例えば結晶成分を含む水溶液に置かれると成長することができ、結晶境界の原子が自動的に結晶形態に配置される。結晶には規則的な原子構造が崩れた不規則性がある場合があり、結晶が成長すると、これらの不規則性が伝播し、結晶の不規則性の自己複製の一形態を作り出す可能性がある。これらの不規則性は結晶が崩壊して新しい結晶を形成する確率に影響を与える可能性があるため、そのような不規則性を持つ結晶は進化的に発達していると考えることもできる。

アプリケーション

一部の工学分野における長期的な目標の一つに、自己複製可能な物質装置、つまり「カチャカチャと音を立てる複製装置」の実現があります。これは、工業製品の実用性を維持しながら、製品単価を低く抑えるためです。多くの専門家は、自己複製装置は従来の工業製品における労働コスト、資本コスト、流通コストを回避できるため、限界的には自己複製装置のコストは木材などの生物由来物質の重量単価に近づくはずだと述べています。

完全に新しい人工レプリケータの開発は、近い将来に実現可能な目標です。NASAの最近の研究では、カチャカチャと音を立てるレプリケータの複雑さは、IntelのPentium 4 CPUとほぼ同等であるとされています。[11] つまり、この技術は比較的小規模なエンジニアリンググループによって、妥当な商業規模の時間スケールとコストで実現可能です。

現在、バイオテクノロジーに対する関心が高まり、この分野に多額の資金が投入されていることを考えると、既存の細胞の複製能力を活用する試みは時宜にかなっており、大きな洞察と進歩に容易につながる可能性があります。

自己複製のバリエーションはコンパイラ構築において実用的に重要であり、自然な自己複製と同様のブートストラッピング問題が発生する。コンパイラ（表現型）をコンパイラ自身のソースコード（遺伝子型）に適用することで、コンパイラ自体が生成される。コンパイラ開発においては、改変（変異）されたソースコードを用いて次世代のコンパイラが生成される。このプロセスは、対象自身ではなくエンジニアによって指示されるという点で、自然な自己複製とは異なる。

機械的な自己複製

ロボット分野における研究の一つに、機械の自己複製があります。すべてのロボット（少なくとも現代においては）はある程度の共通した特徴を持っているため、自己複製ロボット（あるいはロボットの群れ）は以下のような動作を行う必要があります。

  • 建設資材を入手する
  • 最小の部品や思考装置を含む新しい部品を製造する
  • 安定した電源を提供する
  • 新メンバーをプログラムする
  • 子孫の間違いを訂正する

ナノスケールでは、アセンブラは自らの力で自己複製するように設計される可能性もあります。これは、 SF小説『ブルーム』や『プレイ』に登場する「グレイ・グー」版のアルマゲドンを生み出しました。

フォーサイト研究所は、機械的自己複製の研究者向けのガイドラインを公開しています。[12]ガイドラインでは、研究者が機械的複製機が制御不能になるのを防ぐため、ブロードキャストアーキテクチャの使用など、いくつかの特定の技術を使用することを推奨しています。

産業時代に関連する機械的複製の詳細な記事については、「大量生産」を参照してください。

フィールド

以下の分野で研究が行われています。

業界では

宇宙探査と製造

宇宙システムにおける自己複製の目的は、打ち上げ質量を小さく抑えながら、大量の物質を利用することです。例えば、独立栄養性の自己複製機械は、月や惑星を太陽電池で覆い、マイクロ波を使って地球に電力を送信することができます。設置後は、自己複製した同じ機械が原材料や製造物、さらには製品を輸送するための輸送システムも生産できるようになります。また、銀河系や宇宙空間を自己複製し、情報を送り返すような自己複製機械も考えられます。

一般的に、これらのシステムは独立栄養性であるため、既知の複製システムの中で最も困難で複雑なシステムです。また、繁殖に人間からの入力を一切必要としないため、最も危険なシステムであると考えられています。

宇宙における複製子の古典的な理論的研究は、1980年にNASAがロバート・フレイタスが編集した独立栄養性クランキング複製子に関する研究である。[15]

設計研究の大部分は、月のレゴリスを処理するためのシンプルで柔軟な化学システム、そしてレプリケータに必要な元素の比率とレゴリス中に利用可能な元素の比率の差に焦点を当てていました。制限元素は塩素で、これはレゴリスからアルミニウムを精製するために不可欠な元素です。塩素は月のレゴリスには非常に希少であるため、適度な量を輸入することで、複製速度を大幅に向上させることができます。

リファレンスデザインでは、レール上を走行するコンピュータ制御の小型電動カートが指定されていました。各カートには、シンプルなハンドや小型のブルドーザーショベルを搭載でき、基本的なロボットを構成することができます。

電力は柱で支えられた太陽電池の「キャノピー」から供給され、その他の機械はキャノピーの下で稼働する。

「鋳造 ロボット」は、いくつかの彫刻ツールを備えたロボットアームを使って石膏 型を作ります。石膏型は簡単に作ることができ、表面仕上げが良好な精密な部品を作ることができます。ロボットは、非導電性の溶融岩石（玄武岩）または精製された金属から部品の大部分を鋳造します。材料は 電気 炉で溶解されます。

コンピューターと電子システムを生産するために、より複雑な「チップ工場」が構想されたが、設計者らはチップをまるで「ビタミン」のように地球から輸送することが現実的になるかもしれないとも述べた。

分子製造

特にナノテクノロジストは、人類がナノメートルサイズの自己複製アセンブラーを設計するまで、彼らの研究は成熟段階に達しない可能性が高いと考えています。[1]

これらのシステムは、精製された原料とエネルギーが供給されるため、独立栄養システムよりも大幅に単純です。それらを複製する必要がないためです。この違いが、分子製造の実現可能性をめぐる論争の一部の根底にあります。分子製造を不可能とする多くの権威者は、複雑な独立栄養自己複製システムの事例を明確に引用しています。一方、分子製造が可能とする多くの権威者は、既に実証されているはるかに単純な自己組織化システムの事例を明確に引用しています。一方、 2003年には、レゴブロックで作られた自律ロボットが、あらかじめ設定された軌道をたどり、外部から提供される4つの部品から自身の正確な複製を組み立てる実験的検証を行いました。[2]

タンパク質生合成 のプロセスには限界があるため、既存の細胞の複製能力を単に利用するだけでは不十分です( RNAのリストも参照)。

必要なのは、はるかに幅広い合成能力を備えた、まったく新しいレプリケーターの合理的な設計です。

2011年、ニューヨーク大学の科学者たちは、自己複製可能な人工構造を開発しました。このプロセスは、新しいタイプの物質を生み出す可能性を秘めています。彼らは、細胞のDNAやRNAのような分子だけでなく、原理的には様々な形状を取り、様々な機能特性を持ち、様々な種類の化学種と関連付けられる個別の構造を複製できることを実証しました。[16] [17]

仮説上の自己複製システムの他の化学的基礎については、「代替生化学」を参照してください。

参照

参考文献

  1. ^ 「『生命のない』プリオンタンパク質は『進化できる』」BB​​Cニュース2010年1月1日. 2013年10月22日閲覧。
  2. ^ フォン・ノイマン、ジョン（1948年）ヒクソンシンポジウム、カリフォルニア州パサデナ、  pp.1-36。{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク)
  3. ^ Kühnlein, Alexandra; Lanzmich, Simon A.; Brun, Dieter (2021-03-02). 「tRNA配列はレプリケーターへと組み立てられる」eLife . 10 e63431. doi : 10.7554/eLife.63431 . PMC 7924937 . PMID  33648631. 生命の起源に関する解釈については、マクシミリアン・ルートヴィヒ（2021年4月3日）「鶏が先か卵が先か問題の解決 ― 生命の起源の再構築への一歩前進」を参照。SciTechDaily 。2021年4月3日閲覧。
  4. ^ ab HenryQuastler (1964) 生物学的組織の出現、イェール大学出版局、ニューヘイブン・コネチカット ASIN: B0000CMHJ2
  5. ^ バーンスタイン、ハリス、バイアリー、ヘンリー・C、ホップ、フレデリック・A、他 (1983年6月). 「ダーウィンの力学」. クォータリー・レビュー・オブ・バイオロジー. 58 (2): 185–207. doi:10.1086/413216. JSTOR 2828805. S2CID 83956410
  6. ^ Freitas, Robert; Merkle, Ralph (2004). 「運動学的自己複製機械 - 複製子の一般分類」 . 2013年6月29日閲覧。
  7. ^ Freitas, Robert; Merkle, Ralph (2004). 「運動学的自己複製機械 - Freitas-Merkle運動学的複製機設計空間マップ (2003–2004)」 . 2013年6月29日閲覧。
  8. ^ この再現方法を示していない画像については、Eric W. Weisstein著「Sphinx」をご覧ください。MathWorld（Wolfram Web Resource）より。https://mathworld.wolfram.com/Sphinx.html
  9. ^ 詳しい説明については、Geo Sphinxを使ったタイル張り/テッセレーションの指導（2016年3月8日アーカイブ、Wayback Machine）をご覧ください。
  10. ^ 「生命が粘土結晶として始まったという考えは50年前からある」bbc.com. 2016年8月24日. オリジナルより2016年8月24日時点のアーカイブ。 2019年11月10日閲覧。
  11. ^ 「キネマティックセルオートマトンモデリング最終報告書」（PDF） 2004年4月30日。 2013年10月22日閲覧。
  12. ^ 「分子ナノテクノロジーガイドライン」Foresight.org . 2013年10月22日閲覧。
  13. ^ Moulin, Giuseppone (2011). 「動的コンビナトリアル自己複製システム」.構造的動的化学. トピックス・イン・カレント・ケミストリー. Vol. 322. Springer. pp.  87– 105. doi :10.1007/128_2011_198. ISBN 978-3-642-28343-7. PMID  21728135。
  14. ^ Li, Jun; Haas, Wilhelm; Jackson, Kirsten; Kuru, Erkin; Jewett, Michael C.; Fan, Z. Hugh; Gygi, Steven; Church, George M. (2017-07-21). 「自己複製システムに向けた合成パーツの共生」. ACS Synthetic Biology . 6 (7): 1327– 1336. doi :10.1021/acssynbio.6b00342. ISSN  2161-5063. OSTI  1348832. PMID  28330337.
  15. ^ Wikisource:宇宙ミッションのための高度自動化
  16. ^ Wang, Tong; Sha, Ruojie; Dreyfus, Rémi; Leunissen, Mirjam E.; Maass, Corinna; Pine, David J.; Chaikin, Paul M.; Seeman, Nadrian C. (2011). 「情報伝達ナノスケールパターンの自己複製」. Nature . 478 (7368): 225– 228. Bibcode :2011Natur.478..225W. doi :10.1038/nature10500. PMC 3192504. PMID  21993758 . 
  17. ^ 「自己複製プロセスは新素材の生産に期待」『サイエンス・デイリー』 2011年10月17日。 2011年10月17日閲覧。
注記