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分子生物学(ぶんしせいぶつがく、Molecular biology)は、生命現象を分子を使って説明(理解)すること目的とする学問である。現在では、脳、再生、免疫、癌などに研究対象が広く拡大しており、21世紀の現在、生物学の主流ともいえる。

当初は、タンパク質の分子構造を明らかにしその機能との関係を研究する領域も分子生物学と呼ばれたが、現在ではこれは構造生物学と呼ばれ区別されることが多い。しかし、分子生物学と密接な関係にあることには変わりない。

◆研究対象

分子生物学はワトソンとクリックによるDNA二重螺旋モデルの提唱によって始まった。さらに、ポーリングらによる蛋白質の二次構造となるαヘリックスの発見が続き、これらの成果に基づき、従来の生化学的な化学反応論を超えて分子というキーワードで生命現象を説明できるようになった。複雑な数式や化学反応式にとらわれることなく視覚的に現象を理解できることが、分子生物学への敷居を低くし、多くの若い研究者の分子生物学への参入につながり、分子生物学が爆発的に発展した。

確立された1950年代当初は、その研究対象が殆どバクテリアとファージに限られていたため、もっぱらバクテリアの遺伝子とそこからの情報の流れであるセントラルドグマを中心とする研究のことを分子生物学と呼んでいた。だが、2000年代の現代においては、遺伝子の転写や翻訳、DNAの複製や修復、細胞周期、細胞内シグナル伝達などの細胞レベルの研究から、細胞間接着、発生、神経の機能、遺伝病の原因解明等、生命を研究対象とする殆ど全ての生物学は分子生物学の対象となっている。

◆歴史

◇ 創成期

分子生物学という名称は1938年ウォーレン・ウィーバー(Warren Weaver)により提唱された。これは当時、量子力学の確立やX線回折の利用等により物質の分子構造が明らかになりつつあったことから、まだ謎に満ちていた生命現象(中でも遺伝現象)をも物質の言葉で記述したいという希望の表明であった。当時、遺伝の染色体説はすでに確立し、遺伝学はショウジョウバエなどを用いて目覚ましく進歩していたが、生体高分子として知られていたタンパク質と核酸のいずれが遺伝を担っているのかも、遺伝子が具体的に何を決めるのかも不明だった。また生物と思われていたウイルスが結晶化することが明らかになり、生物と無生物の境界はゆらぎつつあった。ドイツを中心とする当時の物理学者たち(アメリカに亡命した人も多い)もこの問題に深い関心をもち、特にマックス・デルブリュックは物理学から遺伝学に転向した。また物理学者から見た生命観を述べたシュレーディンガーの名著「生命とは何か」(1944年)も大きな影響を与えた。

デルブリュックは研究対象をショウジョウバエからバクテリオファージ(細菌に寄生するウイルス)に転換して「ファージグループ」と呼ばれる学派を主宰し、これが分子生物学の創成に大きく寄与した。1940年、ジョージ・ビードルとエドワード・テータム(やはりショウジョウバエからの転向組である)はアカパンカビを用いて、遺伝子とタンパク質の間に一対一の関係があることを示した(一遺伝子一酵素説)。このように単純なモデル生物から始める方法は分子生物学で標準的な研究法となる。1928年、フレデリック・グリフィスは肺炎球菌のR型菌にS型の死菌を与えるだけでS型菌に形質転換できることを示し(グリフィスの実験)、1943年、オズワルド・アベリーらはこの「形質転換の原理」がデオキシリボ核酸(DNA)によることを発見した。また戦後にかけて、ファージに関しても同様にDNAが遺伝物質であることが示された。

そして戦後、イギリスとアメリカのグループがこのDNA分子の構造を明らかにしようと競争した末、1953年にジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックが二重らせん構造を発見した。これは相補性により(後に証明された半保存的複製を通じて)遺伝をも説明する画期的発見であり、これにより分子生物学が本格的に始まった。

◇分子遺伝学の発展

1960年代になるとDNAとタンパク質の情報を仲介する伝令RNA(mRNA)が発見され、さらにDNA情報とタンパク質構造との関係すなわち遺伝暗号が明らかにされた。一方ジャック・モノーとフランソワ・ジャコブは細菌による研究から、調節タンパク質がDNA上の遺伝子に結合しmRNAの転写を調節することを明らかにした(オペロン説)。後に高等生物でもこれに似た転写因子が遺伝子発現調節で主要な働きをしていることが明らかになった。このように遺伝情報はDNA→mRNA→タンパク質というふうに一方向に伝達されることが確定し、この図式はセントラルドグマ(分子生物学の中心教義)と呼ばれるようになった。ただし1970年には逆にRNA→DNAの流れ(逆転写)、つまりセントラルドグマの例外もあることが発見された。こうして遺伝現象の基本的な部分は分子の言葉で記述されるようになった。

◇新技術と新分野の開花

1970年代には高等生物も分子生物学の対象となる。この背景には目覚しい技術的進歩があった。

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