【ITニュース解説】Axial twist theory

生命の設計図と呼ばれるDNAは、生物の体を構成し、生命活動を維持するための膨大な情報を持つ高分子化合物である。この情報は、アデニン、グアニン、シトシン、チミンという4種類の塩基の配列によって記述されており、その全長はヒトの場合、一つの細胞あたり約2メートルにも達する。しかし、この長大なDNAが格納されている細胞の核は、直径がわずか数マイクロメートルという非常に小さな空間である。この大きな長さの矛盾を解決し、膨大な情報を極小の空間に効率的に格納し、さらに必要な情報を正確かつ迅速に取り出す仕組みを説明する理論の一つが、「軸ねじれ理論（Axial twist theory）」である。この理論は、DNAの物理的な構造そのものが、情報の格納とアクセスの両方を制御する上で極めて重要な役割を果たしていることを示している。

DNAは、二本の鎖が互いに巻き付いた「二重らせん構造」をしていることが広く知られている。軸ねじれ理論の根幹は、この二重らせん構造が静的なものではなく、動的であり、らせんの長軸を中心にさらに「ねじれる」という現象に着目する点にある。例えるなら、らせん状のコードをさらにねじっていくと、コード全体がより小さなループを形成しながら縮まっていく現象を想像すると理解しやすい。DNAにおいて、このような二重らせん自体がさらにねじれて高次のらせん構造を形成することを「スーパーコイリング（超らせん）」と呼ぶ。このスーパーコイリングこそが、長いDNAをコンパクトに折りたたむための基本的なメカニズムである。スーパーコイルを形成することによって、DNAはその長さを劇的に短縮し、細胞核という限られたスペース内への格納を可能にする。これは、データを圧縮してストレージ容量を節約するコンピュータの技術と似た、生命が持つ驚くべき情報圧縮技術と言える。

さらに、軸ねじれ理論が示す重要性は、単なる物理的な格納方法に留まらない。スーパーコイリングの「ねじれの度合い」が、DNAに記録された遺伝情報の読み出しを制御するスイッチとして機能するという点にある。DNAの情報は、必要な時に特定のタンパク質によって読み取られ、生命活動に必要なタンパク質が合成されることで利用される。このプロセスを「遺伝子発現」と呼ぶ。スーパーコイリングの状態は、この遺伝子発現のしやすさに直接影響を与える。

ねじれが強く、DNA鎖が固く巻き付いている領域では、情報を読み取るためのタンパク質がDNAに結合することが物理的に困難になる。その結果、その領域に存在する遺伝子の発現は抑制される、つまりスイッチがオフの状態になる。一方で、ねじれが緩んだ領域では、二重らせんが部分的にほどけやすくなり、タンパク質がDNAにアクセスしやすくなる。これにより、その領域の遺伝子情報は活発に読み取られ、遺伝子発現が促進される、つまりスイッチがオンの状態になる。このように、DNAの三次元的な構造変化、すなわち「ねじれ」という物理的な特性が、情報のオン・オフという論理的な制御を直接的に行っているのである。

この巧妙な構造と機能は、タンパク質の助けを借りてさらに洗練される。特に真核生物の細胞では、ヒストンと呼ばれるタンパク質群が重要な役割を担う。DNAは、このヒストンに巻き付くことで「ヌクレオソーム」という基本単位を形成する。このヌクレオソームが数珠つなぎになり、さらに折りたたまれてスーパーコイル構造を形成し、最終的には「クロマチン」と呼ばれる非常に高密度な構造体となる。ヒストンは、DNAを巻き付けて固定するスプールのような役割を果たすだけでなく、その化学的な修飾を通じてDNAのねじれ具合を変化させ、特定の遺伝子の発現を調節する役割も担っている。

結論として、軸ねじれ理論は、生命の情報基盤であるDNAが、単に情報を記録するだけの媒体ではなく、その物理的形状を動的に変化させることで、情報の高密度な格納と、選択的な情報アクセスという二つの根本的な課題を同時に解決していることを解き明かすモデルである。物理的な構造と情報処理機能が不可分に結びついたこのシステムは、非常に効率的かつ精巧であり、システム設計における構造と機能の最適化を考える上で、多くの示唆を与えてくれるだろう。