生物学におけるミレニアム問題

生物学におけるミレニアム問題

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[1] タイトル: The Millennium Problems for Biology
URL: https://millenniumproblems.bio/
本文:

1. 実験室環境における化学前駆体からの生命の創発を実証する。

   具体的には、妥当な原始スープと妥当なエネルギー源から、自己複製するRNAおよびタンパク質ベースの細胞の無支援での創発を実証すること。「細胞」とは、定義された境界を持つ任意のコンパートメントとすることができる。成功と見なされるためには、以下の条件を満たす必要がある。第一に、創発した細胞が、十分な原始スープとエネルギーが供給された場合に、その個体数を少なくとも10⁶倍（約20世代）増加させられることを示す必要がある。第二に、十分なエネルギーと原始スープがあれば、分裂が無限に継続する可能性があることが妥当である必要がある。例えば、細胞が連続分裂で単調にサイズを減少させる解決策は受け入れられない。最後に、細胞は遺伝情報をコード化するための明確な方法を持っている必要がある。すなわち、細胞の分子組成は、少なくとも部分的に細胞内に保存された情報によって因果的に決定される必要がある。核酸、ポリペプチド、または類似のポリマーの形で情報を保存する解決策が強く推奨される。遺伝情報の存在が曖昧または論争の的となる解決策は、デフォルトで却下される。

2. 高生存率で野生型マウスの凍結保存および回復能力を実証する。

   具体的には、全身凍結またはガラス化状態にある、生きた、無傷の野生型成獣マウスの可逆的な凍結保存を実証すること。マウスは少なくとも24時間凍結またはガラス化状態を維持し、99%以上の生存率で回復し、永続的な臓器損傷または身体的危害を被らない必要がある。体細胞遺伝子工学は推奨されないが、許可される。すべての実験は倫理委員会の承認を得て実施されなければならない。

3. 任意のペプチド配列をRNAまたはDNAに「逆翻訳」できる酵素を作成する。

   具体的には、精製されたタンパク質触媒または固定化タンパク質複合体を作成し、非タグ化ポリペプチドを処理して、核酸テンプレート、事前にアタッチされた配列バーコード、残基特異的オペレーターサイクル、またはデータベース検索なしで、事前に登録されたコドン規約の下でその残基配列をコードする共有結合性核酸鎖を合成すること。生成された核酸鎖は、通常のポリメラーゼ、リガーゼ、およびその他の類似の酵素と互換性がある必要がある。すなわち、RNAまたはDNA以外の核酸が使用される場合は、下流の増幅またはシーケンス反応と互換性がある必要がある。この課題が完了と見なされるためには、少なくとも50アミノ酸長のランダムなペプチド配列を100個以上事前に登録し、合成し、プールする必要がある。その後、辞書を参照せずに、逆翻訳とシーケンスによって、少なくとも90%の配列精度でこれらのペプチドの配列を推測できることを示す必要がある。さらに、平均リード長は少なくとも25残基であり、平均リード品質スコアは少なくともQ10である必要がある。

4. 天然に存在するパレートフロンティアを超える特異性と酵素ターンオーバーを持つRubisco酵素を生成する。

   具体的には、リブロース-1,5-ビスリン酸のカルボキシル化を、Galdieria Partita Rubiscoの特異性（Sc/o）と同等以上、かつトウモロコシRubiscoの酵素ターンオーバー（kcat）と同等以上の特異性で触媒する酵素を生成すること。成功と見なされるためには、候補酵素の特異性と酵素ターンオーバーを、それぞれ対照としてG. Partita RubiscoおよびトウモロコシRubiscoを使用したペア酵素アッセイで測定する必要がある。候補酵素は、de novoで設計されるか、自然界で発見されるか、または天然の出発点からエンジニアリングまたは進化させることができる。

5. 4塩基コドンコードを使用する生きた細胞を生成する。

   具体的には、すべてのタンパク質コード配列（翻訳機構自体を含む）が、検出可能な3連コドンのデコードなしに、中断のない非オーバーラップする4連コドンとしてコード化されている、生きて複製する細胞を生成すること。エンコーディングスキームは、正当な4連エンコーディングである必要がある。すなわち、4連エンコーディングにおいて、突然変異が非同義である確率は、コドン内の突然変異のインデックスに関係なく類似している必要がある。例えば、最初の3つのコドン位置が常にまたはほぼ常にコード化されたアミノ酸を指定するのに十分である4連エンコーディングは受け入れられない。

   （寄稿者: Erika Alden DeBenedictis）

6. 成獣の野生型マウスにおける失われた四肢の再生能力を実証する。

   具体的には、成獣の野生型マウスにおいて、切断後の四肢の再現性のある再生能力を実証すること。再生後、マウスは標準的な運動機能テストのバッテリーで対照と同等に機能し、再生された四肢で区別できない感覚知覚を示し、盲検観察者は非侵襲的な観察データに基づいてどの四肢が再生されたかを区別できない必要がある。すべての実験は倫理委員会の承認を得て実施されなければならない。

7. 細菌宿主で遺伝子治療薬を生産する能力を実証する。

   具体的には、細菌で感染性のある複製不全AAVおよびレンチウイルスを生産すること。粒子は、事前に指定されたウイルスゲノムを含む必要がある。物理的カプシドとウイルスゲノムの比率、および感染性ユニットとウイルスゲノムの比率は、哺乳類細胞培養からウイルスを精製した場合の比率と同様である必要がある。また、ウイルスゲノムはヌクレアーゼ耐性である必要がある。細菌でのレンチウイルス生産は、哺乳類細胞での生産よりもはるかに困難であると予想されるため、AAVの生産能力を単独で実証することが部分的な成功と見なされる。

8. 特定のタンパク質配列を特異的かつ効率的に切断する酵素をオンデマンドで生産する能力を実証する。

   具体的には、内因性折り畳みタンパク質内の盲検化されたアクセス可能な部位が与えられた場合、生きた細胞内でその部位を効率的に切断するプロテアーゼを前もって設計する能力を実証すること。生成された酵素は、他の広く使用されている部位特異的プロテアーゼと同等以上の触媒効率とプロテオーム全体でのオフターゲット切断率を持つ必要がある。この課題は、設計が20個の事前に登録された部位に対して80%以上の成功率で実証された場合に完了と見なされる。ターゲット部位が事前に登録されたら、生成されたタンパク質の設計は24時間以内に提示されなければならず、評価のためにウェットラボ作業は、設計されたタンパク質をアッセイ用に生産する目的以外では許可されない。（したがって、例えば、ターゲット部位が提供された後のスクリーニングおよびターゲット特異的進化は許可されない。）

   この課題の弱い形態は、溶液中で提供された特定の事前に登録されたペプチド配列とオフターゲット配列を特異的かつ効率的に切断する酵素を生産する能力を実証することである。その能力の実証は、部分的な成功と見なされる。

9. 細胞内ターゲットに対するタンパク質バインダーを生産する能力を実証する。

   具体的には、追加の進化や最適化なしに、細胞外から薬理学的に支持される濃度で細胞に投与された場合に、生きた細胞内の事前に登録された細胞内タンパク質ターゲットを確実に結合する、ゼロショットのタンパク質バインダーを設計する能力を実証すること。細胞侵入メカニズムは、治療的文脈で妥当である必要がある。すなわち、トランスフェクション、イントラボディ発現、エレクトロポレーション、膜破壊、または類似の方法は許可されない。この課題は、設計が20個の事前に登録されたターゲットに対して80%の成功率で実証された場合に完了と見なされる。ターゲットが事前に登録されたら、生成されたタンパク質の設計は24時間以内に提示されなければならず、評価のためにウェットラボ作業は、設計されたタンパク質をアッセイ用に生産する目的以外では許可されない。（したがって、例えば、ターゲットが提供された後のスクリーニングおよびターゲット特異的進化は許可されない。）

   この問題の当初の意図は、特に細胞内ターゲットに対する抗体を設計することであった。しかし、問題が解決可能であるためには、抗体スキャフォールドの変更が必要になると予想される。必要な変更の大きさの上限を設定できないため、問題の範囲を任意のタンパク質バインダーに広げた。しかし、ヒト化モノクローナル抗体に類似したバインダーを含む解決策が強く推奨される。この問題は、タンパク質バインダーや抗体ではなく、低分子バインダーで解決された場合に、さらに影響力があるだろう。しかし、低分子バインダーでは、合成が検証を制限する主要なボトルネックとなるため、範囲をタンパク質バインダーに限定することを選択した。

10. 任意のペプチド基質の指数関数的増幅を実証する。

    具体的には、核酸テンプレートや事前に形成されたコグネイトスキャフォールドなしに、単一ポット反応で、アミノ酸モノマーから新しい、フルレングスの、配列忠実な共有結合性ポリペプチドコピーの入力タンパク質依存性合成を実証すること。この課題が完了と見なされるためには、少なくとも50アミノ酸長のランダムなペプチド配列を100個以上事前に登録し、合成し、プールする必要がある。その後、溶液中のこれらのペプチドの個体数が、残基あたり少なくとも90%の配列精度で、少なくとも1000倍増幅できることを示す必要がある。後続の分析を容易にするために、ペプチド配列に合理的な変更を加えることが必要になる場合があるが、増幅において活性がない場合に限る。ペプチドの明示的なシーケンスに依存する方法は許可されない。核酸中間体を生成するために逆翻訳に依存する方法は、別のミレニアム問題と重複するため許可されない。

11. 5'方向に作用するポリメラーゼの完全なセットを生成する。

    具体的には、一般的に使用される5'>3'ポリメラーゼに匹敵する、3'>5' DNAポリメラーゼ、3'>5' RNAポリメラーゼ、3'>5'逆転写酵素、および3'>5' RDRPを含む、完全な3'>5'ポリメラーゼセットを生成すること。これらのタンパク質は、それぞれTaq、T7 RNA pol、M-MLV RT、およびPhi 6 RDRPと同等以上のプロセスivityとエラー特性を持つべきである。これらのタンパク質は、de novoで設計されるか、自然界で発見されるか、または天然の出発点からエンジニアリングまたは進化させることができる。

12. 自然界のファミリーと配列または構造上の相同性を持たない新しいニトロゲナーゼを作成する。

    具体的には、タンパク質はN₂をアンモニアに、天然に存在するタンパク質の速度と同等以上の速度で変換する必要があり、既知のすべてのニトロゲナーゼおよびニトロゲナーゼ様タンパク質に対する配列および構造類似性の閾値を大幅に下回る必要がある。タンパク質は、de novoで設計されるか、自然界で発見されるか、または天然の出発点からエンジニアリングまたは進化させることができる。