2020年に開発した高速人工抗体創製法（TRAP提示法）は、非常に素早く人工抗体を創製することが出来る方法です。しかし欠点もあり、細胞などのRNA分解酵素を含む系では人工抗体のmRNAが分解を受けて、人工抗体選択が出来ませんでした。この問題を克服するために、cDNAを共有結合させた人工抗体を作るようにリンカーを改良して、cDNA TRAP提示法を開発しました。この方法を用いることで、RNA分解酵素を含む溶液中でも人工抗体の選択が可能であることを実証しました。この論文によりTRAP提示法による人工抗体創製の幅が広がり、細胞や細胞抽出液より多くのものを標的とした人工抗体作製が可能となりました。

新型コロナウイルスは人類に大きなダメージを与えました。このような脅威に対抗するために、ウイルスを検出したり中和をしたりする人工抗体の迅速開発プラットホームが有用と考えられます。我々は2013年に発表した大環状ペプチド選択系を改良し、10兆種類以上の人工抗体からSARS-CoV-2のスパイクタンパク質に結合する人工抗体の選択に成功しました。注目すべきは、人工抗体の選択を始めてからその配列解析結果の入手までわずか4日間だったことです。これまで様々な抗体作製方が開発されていますが、本方法はそのなかでも最も開発期間の短い方法となりました。また得られた人工抗体はSARS-CoV-2スパイクタンパク質に高い親和性（Kd=0.4 nM) で結合し、SARS-CoVスパイクタンパク質には結合しないことから高い特異性を持つことが分かりました。さらに人工抗体により、細胞へのSARS-CoV-2の感染阻害に成功しました。これにより中和抗体医薬への応用が期待されます。本方法を使用することで、変異ウイルス、新興ウイルス、様々な病原菌、癌、その他、様々な疾患に関わるタンパク質に対して、迅速に人工抗体の創製が可能となりました。今後の応用が楽しみです。

核酸塩基とアミノ酸の対応づけを表す遺伝暗号は、あらゆる生物において、原則的に共通です。このことは、遺伝子組み換え生物の作製など、様々なバイオテクノロジーの発展に有利に働いて来ました。その反面、万が一、組み換え遺伝子が自然環境に漏れ出すことがあれば、他の生物に取り込まれ、その遺伝子が機能を持ってしまうことにも繋がります。そこで我々は、漏れ出しても機能しない遺伝子と、その遺伝子専用の翻訳システムを作れないかと考えました。本研究では、遺伝暗号の中で、一部のアミノ酸が入れ替わった「アミノ酸入れ替え遺伝暗号」を提案しました。実験としては、試験管内の翻訳系を用いて、「アミノ酸入れ替え遺伝暗号」と「通常の遺伝暗号」を実際に作製してみました。その結果、「アミノ酸入れ替え遺伝暗号」によって設計した遺伝子は、「アミノ酸入れ替え遺伝暗号」を持った翻訳系の中でしか、機能するタンパク質に翻訳されないことが分かりました。この成果は、安全な遺伝子組み換え生物の作製への第一歩となると期待されます。

我々の研究室の持つフレキシザイムを用いたアミノアシルtRNA合成技術は、基本的な20種類のアミノ酸（タンパク質性アミノ酸）だけでなく、それ以外の特殊なアミノ酸についても、tRNAに結合できる技術です。我々は、この技術を用いることで、これまでに、D体アミノ酸・β-アミノ酸をはじめとする様々な特殊なアミノ酸が翻訳系で利用できることを明らかにして来ました。実は、フレキシザイムは、tRNAよりも短いRNAに対しても、アミノ酸を結合できることが分かっていました。そこで、本研究では、さらにこのRNAを短くして行き、どこまで短くしてもアミノ酸の結合ができるのかを調べました。その結果、フレキシザイムによってアミノ酸を結合できる最小のRNAは、非常に短い4塩基のRNAであることが明らかになりました。さらに、この4塩基のRNAを用いることで、様々なアミノ酸をフレキシザイムによってtRNAに結合する時の、反応の条件（温度や時間など）を簡単に調べられることが分かりました。今後、この方法を用いて、タンパク質合成に利用できる特殊アミノ酸のバラエティがさらに広がることが期待されます。

生物は、翻訳反応と呼ばれる、様々なアミノ酸を重合する反応によって、タンパク質を作ります。生物が使うことのできるアミノ酸は、全てα-アミノ酸と呼ばれ、基本となる骨格が共通しています。α-アミノ酸よりも長い骨格を持つβ-アミノ酸は、これまで翻訳反応には使うことができないと考えられて来ました。しかし、我々は、本研究室独自の、翻訳系をカスタマイズする技術により、様々なβ-アミノ酸がタンパク質合成に利用であるかどうかを調べ、利用可能な多くのβ-アミノ酸を明らかにしました。我々は、2013年に高速進化分子創製法（TRAP display法）を開発し、薬剤の候補となるようなペプチドを開発する技術を持っています。ここに、今回特定されたβ-アミノ酸を用いることで、生体内での分解に強く、長時間機能するような薬剤ペプチドの開発が可能になると期待されます。

2010-2015年に村上研で行われた、遺伝暗号のリプログラミングおよびTRAP-displayに関する研究成果を概説するレビュー論文です。扱っている内容としては、1. D体アミノ酸の翻訳導入、2. 電荷を持つN-アルキルアミノ酸の翻訳導入、3. TRAP-displayの開発、4. TRAP-displayによる血管新生阻害剤の開発、5. 環状N-アルキルペプチドの翻訳合成、を含みます。

蛋白質の基礎•応用研究において、蛋白質遺伝子に部位特異的変異を挿入する技術は欠かせないものです。本論文では、簡単な操作で多くの位置に同時に変異を導入できる技術「MUPAC」を開発しました。まず本方法を用いて、緑色蛍光蛋白質の5つの箇所に同時に部位特異的変異を導入することを試みました。その結果、89%の遺伝子に5箇所の変異を同時に導入することができ（下図）、MUPACを用いることで非常に高効率に変異遺伝子を得ることができることが分かりました。さらに本技術を用いて、9箇所の同時変異や、多くの位置に同時に部位特異的飽和変異を導入することにも成功しました。MUPACは今後、様々な蛋白質の基礎•応用研究に役立つと期待されます。

遺伝暗号リプログラミング技術を用いて、翻訳系で環状N-アルキルアミノ酸のみを構成因子とするペプチドアナログの合成に成功しました。本ペプチドアナログは、天然のペプチドに比べて”堅い”構造をもつため、タンパク質加水分解酵素による分解が阻害されると考えられます。またN-アルキル基は、ペプチドの細胞膜透過性を高めると考えられています。さらに本論文では、N-アルキルポリ環状ペプチドアナログ合成技術を、我々の研究室で開発した高速進化分子創製法（TRAP提示法）と組み合わせることで、1〜10兆種類のペプチドアナログが得られることを明らかにしました。将来、本ペプチドアナログ群から、研究や創薬に有用な化合物を創りだすことができると期待しています。

新しく開発した高速進化分子創製法（TRAP提示法）を用いて、血管新生阻害剤を創成ました。血管新生は、腫瘍や慢性の炎症等のさまざまな疾患と深く関わっています。そこで血管新生を阻害して、こうした疾患の治療を行う試みが成されています。本研究では、血管内皮細胞増殖因子の受容体の機能を阻害して、血管新生を妨げる薬剤の創製を目指しました。まず、遺伝暗号をリプログラムした翻訳系を用いて、10兆種類以上の多様性をもつ特殊ペプチド群を合成し、ここからTRAP提示法 をもちいて血管新生阻害剤候補を選択しました。さらに得られた特殊ペプチドから、細胞を用いたスクリーニング実験を経て、強い血管新生阻害能を持つペプチドの創製に成功しました（特許出願）。本研究は、血管新生阻害剤の開発のみならず、今後の新たな薬剤候補開発に重要な指針を与える先駆的な研究であると考えています。

分子を生き物のように進化させることができるSF小説のような方法があります。この方法は進化分子工学と呼ばれており、近年、高い温度でも安定な酵素や、新しい機能を調べるための研究ツール、新規な薬剤の開発等に使用されています。しかし進化分子工学には煩雑な操作が必要であるという弱点があり、分子の進化実験に時間がかかっていました。本論文では、新たに高速進化分子創製法（TRAP displayと呼ぶ）を開発してこの問題点を解決しました。本方法を用いることでこれまで、１〜2週間程度必要であった進化実験が、１〜2日間で完了します。本方法は、進化分子工学実験の新たな基盤技術となり、これから行われる研究を高速化し、様々な人工機能性分子の創出に貢献すると期待しています。

生物は、様々なα-アミノ酸を重合することでタンパク質を作っています。α-アミノ酸には、大きく分けてL体アミノ酸とD体アミノ酸が存在しますが、生物は、なぜかL体アミノ酸のみを使用してタンパク質を合成します。これはタンパクの合成装置（リボソーム）がD体アミノ酸を受け入れないためと考えられてきました。我々は独自の技術を用いてD体アミノ酸とリボソームとの適合性を詳細に解析し、リボソームが様々なD体アミノ酸を受け入れることを明らかにしました。本成果は、生命とD体アミノ酸の関係についての理解につながるとともに、D体アミノ酸を用いた創薬へ貢献できる成果だと考えられます。現在、我々は様々なD体アミノ酸を受け入れる変異リボソームを開発中であり、これが完成すればD体アミノ酸だけからなるタンパク質（鏡の中のタンパク質）を合成できるようになるかもしれません。

DNAにエンコードされたライブラリーについて過去から、最新の成果迄まとめました。非蛋白質性アミノ酸やペプチドライブラリーに興味がある人は、是非読んでみて下さい。

進化的に保存されたtRNAのアンチコドンループの配列（32-38）が意味を持つことを明らかにしました。通常、tRNAの32-38番目の塩基はC-AまたはU-Aですが、tRNAAla(GGC)の32-38番目の塩基は、ほとんどの生物種においてA-UもしくはC-Gであることがわかっています（図右上）。これまで、生物種をまたがってなぜ配列が偏っているかの理由は明らかではありませんでしたが、村上らは、その理由が翻訳の正確性の維持にあること明らかにしました。また、それぞれのtRNA変異体を大腸菌で作らせると、予想通り翻訳の正確性が低いtRNAにおいて大腸菌の生育が遅くなりました（図下）。