ゼノ核酸

DNAの構造は1953年に解明された。2000年代初頭、DNAに類似した構造を持つ多数のXNAが研究者らによって作出された。XNAはDNAと同一の情報を伝達することが可能な合成ポリマーであるが、分子的な構成要素はDNAと異なる。XNAの"X"は「外来の」を意味する"xeno"を表しており、DNAやRNAとは分子構造が異なることを指している^[3]。

XNAに関して多くの研究が行われるようになったのは、DNA鋳型からXNAをコピーしたり、XNAを鋳型としてDNAへコピーすることができる特殊なポリメラーゼが開発されてからである。一例として、Pinheiroらは2012年、こうしたXNAを扱うことができるポリメラーゼが約100塩基対の長さの配列に対して機能することを実証した^[4]。より近年では、合成生物学者Philipp HolligerとAlexander Taylorは、DNAやRNAから作られる酵素であるリボザイムに相当するXNAzymeの作出に成功した。これによってXNAは遺伝情報を保存するだけでなく酵素としても機能しうることが示され、生命がRNAやDNA以外のものからも生じうる可能性が提起された^[5]。

DNAやRNAは、ヌクレオチドと呼ばれる分子の長い鎖をつなぎ合わせることで形成されている。ヌクレオチドは、リン酸、五炭糖（DNAの場合はデオキシリボース、RNAの場合はリボース）、5種類の標準核酸塩基のうちの1つ（アデニン、グアニン、シトシン、チミンまたはウラシル）という3つの化学的構成要素から形成されている。

XNAの構成要素はDNAやRNAとほぼ同一であるが、1つの例外がある。XNAのヌクレオチドでは、デオキシリボースやリボースは他の化学構造に置き換えられている。こうした置換のため、XNAは天然には存在せず人工的なものであるにもかかわらず、DNAやRNAと機能的にも構造的にも類似したものとなる。

XNAでは多様な構造的・化学的な置換が行われている。これまでに作出されたXNAには次のようなものがある^[2]。

• 1,5-アンヒドロヘキシトール核酸（1,5-anhydrohexitol nucleic acid、HNA）
• シクロヘキセン核酸（Cyclohexene nucleic acid、CeNA）
• トレオース核酸（Threose nucleic acid、TNA）
• グリコール核酸（Glycol nucleic acid、GNA）
• ロック核酸（Locked nucleic acid、LNA）
• ペプチド核酸（Peptide nucleic acid、PNA）
• FANA（Fluoro Arabino nucleic acid）

HNAは特定の配列を認識する薬剤としての可能性がある。これまでに、HIVを標的とする配列に結合する可能性のあるHNAが単離されている^[6]。CeNAの立体化学はD型と類似しているため、自身やRNAと安定な二本鎖を形成することが示されている。一方、CeNAはDNAと二本鎖を形成した際には安定ではない^[7]。

XNAの研究は、歴史上の生物進化のより良い理解のためというよりは、生物の遺伝的構成を制御し、さらには再プログラムする方法を探ることを意図して行われている。XNAは現在の遺伝子組換え生物の遺伝子汚染の問題を解消する大きな可能性が示されている^[8]。DNAは遺伝情報を保存し、また複雑な生物学的多様性をもたらすためには非常に効率的である一方で、その四文字のアルファベットは比較的限られたものであるともいえる。天然のDNA核酸塩基ではなく骨格や塩基が改変されたXNAの遺伝暗号を用いることで、遺伝子の改変や化学的機能性の拡張は無限に可能となる^[9]。

XNAに関するさまざまな仮説や理論の展開によって核酸に関する現在の理解の重要な要素には変化が生じ、遺伝や進化はかつて考えられていたようなDNAやRNAに限定されたものではなく、単に情報を保存できるポリマーから発展したプロセスであると考えられるようになった^[10]。XNAの研究によって、DNAとRNAが生命の構成要素として最も効率的で望ましいものであるのか、それともこの2つの分子はより多くの化学的祖先から進化した後にランダムに選ばれたものであるかを評価できるようになると考えられる^[11]。