2000 年春のある朝、マイケル・レヴィンは椅子にどさりと座り、デスクトップ コンピュータをクリックした。ハーバード大学で新しく助教授になったばかりのレヴィンは、当時 30 歳で、何世紀にもわたって科学を悩ませてきた謎を解こうとしていた。分裂中の胚細胞は、心臓、肝臓、胆嚢が体のどちら側に発生するかをどのように判断するのだろうか? 歴史上、臓器の一部、あるいはすべてが転位した状態で生まれながらも、機能している人々は数え切れないほどいる。レヴィンは、DNA だけが原因ではなく、何か他のきっかけがあるはずだと考えた。数日前、彼は組織発生の瀬戸際にあるニワトリの胚 6 羽の画像検査を依頼していた。結果を表示して、彼は驚いて見つめた。黄色と赤に表現された電荷が、左から右へと細胞を斑状に横切って流れ、ネオンの「こちらへ」矢印のように明瞭だった。レヴィンは椅子にもたれかかり、瞬きした。彼は歴史上初めて、胚細胞が電気を通じて互いに左右を伝え合うのを目撃した。
遺伝学は数十年にわたり、私たちにシンプルな真実を教えてきました。私たちの体にある細胞（数十億個あります）一つ一つには、成長の仕方を指示する設計図が収められています。しかし、それが真実のすべてではないかもしれません。レビン氏をはじめとする数名の研究者は、細胞内や細胞間を駆け巡る微弱な生体電気信号が、遺伝子発現を開始させる指示として作用していると述べています。これらの信号は、細胞が心臓などの組織へと成長し始める際に正しい方向を指し示し、体の形や機能に影響を与えます。レビン氏は20年間にわたり、この事実を証明しようと取り組んできました。
そうすることで、彼は驚くべき「モロー博士の動物園」という名の奇人変人たちの島を作り上げました。オタマジャクシの腸に目を生やし、カエルに6本の足を生やし、ミミズに2つの頭を生やし、その頭を切断してもサンショウウオの切断された尾のように再生させました。これらはすべて、ごく微弱な生体電気信号を操作することで実現しました。
彼は今、いつか人間にも同じことをしてあげられると考えている――いや、確信している。もし兵士が戦場で爆弾で片腕を失ったとしても、新しい腕が再生するだけだ。「人間の胎児の成長過程より速いかどうかは分かりません」と、現在勤務しているタフツ大学の研究室で、自作の人工物と観葉植物のジャングルの世話をしながら、レビンは言う。「最悪のシナリオは、25歳で腕を吹き飛ばされても、35歳までに10代の手になり、とても機能的になっていることです」
これを行うために、レヴィンは極めて微小な通路を横断する。各細胞の表面には、イオンチャネルとして知られる中空のタンパク質が配置されている。荷電分子（またはイオン）はこれらの経路を駆け抜け、細胞に出入りすることで、細胞の極性と電圧勾配（体全体の電圧差）を変化させる。チャネル内の小さなゲートは、特定の信号に基づいて開閉し、流れを制御する。十分な数のゲートが開くと、イオンが細胞に溢れ、細胞の電荷が変化する。細胞は、「ギャップ結合」と呼ばれる別の一群のゲートタンパク質を介して、隣接する細胞に情報を伝える。神経毒などの微小なツールを展開することで、レヴィンはチャネルを容易に開閉し、イオンを溢れさせたり、チャネルを絞め殺したりする。その過程で、彼は自然が設計したことがなく、私たちのほとんどが想像したことのない生物を創造している。
「この分野の最終目標は、形状の完全な指定です」とレビンは言う。「コンピューターの前に座って、Photoshopのように好きな形を描けば、それが形になるんです。『7本の足を持つ三角形のカエルが欲しい。目はここにある』と言えば、それができない理由はないと思います。」
それは誇大妄想的で、突飛で、フランケンシュタイン的な目標に聞こえる。ハーバード大学時代の恩師である発生生物学者クリフ・タビン氏を含む支持者でさえ、彼の物議を醸す主張に疑問を呈している。遺伝学分野では現在、イオンチャネルが体内の臓器の配置の形成と分化に役割を果たしていると考えられているが、レビン氏がそのメカニズムを制御できるかどうかは疑問視する声が多い。「どうやって制御するのですか？」とタビン氏は問いかける。「システムのロジックを設計する場合、頭と尻尾をどこに作るかをどのように決めるのでしょうか？こうした決定にはチャネルタンパク質が必要になるかもしれませんが、それが決定そのものの要となるわけではないかもしれません。」
レビンはそれに反対する。彼の生涯の仕事、彼の原動力であり目的であるのは、生体電気を使ってあらゆるものを修復できることを証明することだ。
47歳、小柄で、淡い青い瞳に、しばしばボサボサの髭を生やしたレヴィンは、オリジナル版『スタートレック』の航海士、パベル・チェコフによく似ている。額に貼り付けられた、だらりと垂らした茶色の髪がそっくりだ。しかし、彼もチェコフと同じくロシア系だ。子供の頃、ボストン北部の海辺の町、マサチューセッツ州スワンプスコットに移住したにもかかわらず、彼のボストン訛りはかすかにスラブ語のイントネーションが混じっている。
「これは私たちが作った6本足のカエルです。適切な電圧勾配によって異所性四肢形成を誘発できることを示しています」と、レビンはいつものように無表情で言う。彼は自分の作品に驚きやユーモア、あるいは得意げな表情さえほとんど見せない。彼はオフィスの外の廊下に立っている。そこは彼の作品が並ぶ、不穏なギャラリーで占められた廊下だ。音楽プロデューサーのゴールドレコードコレクションのように、彼は少なくとも12枚のポスターサイズの科学雑誌の表紙を掲げている。例えば、2007年のDevelopment誌の表紙には、2本の脚と1本の左腕、そして体の右側から3本のカニの腕のような突起が生えているカエルが描かれている。
レビンが10歳くらいの子供だった頃、父親はDEC（ディジタル・イクイップメント・コーポレーション）でプログラミングの仕事をしていたが、よく家にコンピューターを持ち帰ってきた。エディ・マーフィが出演する刑事映画に出てくるような箱型のコンピューターを作っていたのだ。レビンはそれを使って会社のメインフレームにログインし、プログラミングを学んだ。15歳になる頃には、パックマンのオリジナル版を書き、ソフトウェアグラフィックエディタを開発し、三角法を使って2D画面上に3Dのような図形を描く方法を示す論文を発表した。
1年後の1986年、レビンの父親は家族を連れてバンクーバー万博（通称：万国博覧会）を訪れました。この経験がレビンの人生を変えることになります。頭上をモノレールが轟音を立てて走り、リトミックが演奏され、ゼネラルモーターズが新しいホログラフィック技術を披露していました。しかし、レビンのひらめきはパビリオンや磁気浮上列車の中で起こったわけではありません。バンクーバーのダウンタウン、人混みから遠く離れた小さな書店で起こったのです。
ある日、店の棚をかき回していたレビンは、ロバート・ベッカーとゲイリー・セルデン共著の1985年刊『 The Body Electric: Electromagnetism and the Foundation of Life』を見つけた。米国退役軍人局の整形外科医だったベッカーは、生体電気、すなわち私たちの体が磁場（送電線など）と相互作用する仕組みや、筋肉や脳を動かすインパルスに着目していた。1780年代には、イタリアの物理学者ルイジ・ガルヴァーニが死んだカエルの脚に電極を取り付けてけいれんさせることで、動物の電気の存在を発見していた。その後、他の科学者たちがイオンがこのエネルギーを体内に運んでいることを解明した。1930年代から40年代になってようやく、新たなツールの登場により、研究者たちはイオンの流れが細胞の極性を制御できることを理解した。
ベッカー氏はこれらの研究を引用し、自身の実験の詳細も加えた。彼はカエルとサンショウウオの四肢を切断し、創傷部位に電圧計を当てた。その結果、切断後24時間以内に、両種において創傷部位の電圧が-10mVから+20mVに急上昇することを発見した。しかし、サンショウウオの電圧はその後-30mVまで急降下し、これは四肢再生に先行するパターンであった。
ベッカーは、もしカエルの体内の電圧を変えたら、同じように切断された肢が再生するのではないかと考えた。彼はそう思った。しかし当時、それを試すのに十分な精度の器具を持っていなかった。
当時16歳だったレヴィンは、この疑問に衝撃を受けた。帰宅後、ベッカーが引用した研究を一つ一つ探し出し、読み、参考文献を調べ、それらも読み、そしてガルヴァーニの論文へと辿り着くまで、何百もの論文をコピーした。
彼の情熱は趣味のままで、本業であるコーディングの副業だった。それでも、コーディングは彼の仕事に少しずつ入り込んでいった。後に、タフツ大学でコンピュータサイエンスを専攻した彼は、人工知能を作りたいと思ったが、その人工知能には自己修復能力が必要だと感じていた。しかし、機械にそれをさせる方法を見つけるには、まず自然界がどのようにそれを実現しているのかを理解する必要があった。そこで彼は物理学研究室から磁気コイルを借り、ウニの胚に巻き付け、電磁波が細胞分裂の速度に変化を与える様子を測定した。この発見が、彼の最初の2本の科学論文につながった。大学4年生になる頃には、ソフトウェア会社を立ち上げていた。しかし、彼が本当に望んでいたのは、科学の常識を変えるような発見をするために研究室に加わることだった。そこで彼はソフトウェア会社を辞め、すぐにハーバード大学医学部のタビンの研究室にたどり着いた。
当時、タビンのチームは、発生初期に体の左側で発現すると思われるシグナル伝達遺伝子を特定していた。その遺伝子が後の段階で何をするのかはある程度わかっていたが、なぜその場所にあるのかは調べていなかった。彼のポスドク研究員の誰一人として、なぜ、どのようにというより深い疑問に取り組もうとはしなかった。「私の学生たちは本当に賢く、才能があり、野心的な人たちですが、その誰一人として、その疑問に全く手を出す人はいません」とタビンは言う。彼らは、人生の何年もの時間をブラックホールに投げ込むリスクを冒したくなかったのだ。研究室に入るや否や、レビンは――論文指導教官の疑念をよそに――その研究に飛びついた。レビンは、それが科学の未開拓分野であることを「正しく」理解していたとタビンは言う。「マイクは、本当にクールなアイデアだと思うものを見つけたときは、他の人がどう思うかなんて気にしないんです」とタビンは言う。
その後、レビンは体の部位の左右対称性を制御する他の遺伝子を発見し、最終的にその動作を方向付ける遺伝子経路を解明しました。しかし、彼はまだ何か別のものが信号を駆動していると信じていました。2000年までに、それが生体電気であると確信しましたが、その仕組みをもっと深く知る必要がありました。同僚が、電圧に応じて細胞を赤、緑、黄、青に蛍光させる装置を持っていました。レビンは彼に、ニワトリの胚で試してみるように依頼しました。そして2000年の春のある日、電気が遺伝子発現に重要な役割を果たし、臓器が成長する場所と時期に影響を与えるという証拠が明らかになったのです。
切断された切断部に生命を与えて再生させるという手法は、さほど目新しいものではない。1970年代には、生物学者のライオネル・ジャッフェやリチャード・ボーゲンスといった先駆者たちが、電流を流すことでカエルの四肢再生を開始できることを示した。しかし、彼らは単純な電池を使って実験を行っていた。レビン氏は、生体電気信号を細胞レベルで精密に微調整し、それが細胞にとって何を意味するのかを解明しようとした初の研究者だ。タフツ大学で、同氏はこれを行うための複雑なツールボックスを構築した。そのツールの中には、開いたままになるイオンチャネルをブロックしたり、閉じたままになるイオンチャネルを開いたりする神経毒や薬剤、レビン氏がガラス製マイクロピペットで細胞に注入する、新しいチャネルもコード化しているRNA、細胞膜を通過してイオンを輸送できる分子、イオンチャネル（脳、腎臓、腸の専門家によって発見された）をコードする遺伝子などがある。彼は、電圧勾配が上昇するにつれて明るくなる蛍光タンパク質と染料を使用して、電圧変化の影響を追跡します。
それぞれの細胞表面には数百ものイオンチャネルが存在します。しかし、これらの電圧勾配を支配しているのはわずか1つか2つだけなので、レビンはそれらを簡単に操作することができます。例えば、臓器が体の正しい側に成長するかどうかを決定するマスターコントロールノブとして機能するのはわずか4つのチャネルです。これらのチャネルのいずれかを微調整するだけで、臓器の配置がランダムになります。レビンは、オタマジャクシの腸にチャネルを1つ追加するだけで、眼を成長させました。「『そもそも眼はどこから来るのか？』と問うなら、胚を観察してみると、内因性の眼野を形成する特定の生体電気パターンがあることがわかります」とレビンは説明します。「では、同じパターンを他の場所に形成すれば、眼はできるでしょうか？答えは、ご存知の通り、イエスです。」
手足の再生を促すには、少しの特別な愛情が必要です。オタマジャクシの尻尾を再生させるには、レビン氏は傷口を溶液に浸し、荷電イオンを細胞に送り込みます。浸す時間は1時間。8日後：新しい尻尾が生えてきます。手足の再生には24時間の浸漬が必要です。機能的な脚が再生するには約6ヶ月かかります。レビン氏によると、浸漬の目的は「遺伝子発現や細胞行動といった他のすべてのカスケードを活性化させる」ことです。
レビン氏は、ヒト、あるいはあらゆる温血哺乳類に同様の治療を施すには課題に直面している。第一に、温血動物は爬虫類よりも血圧がはるかに高い。そのため、傷口をかさぶたで覆わないと出血のリスクが非常に高くなる。第二に、温血動物の四肢は成長が遅い傾向があるため、感染症のリスクが高まる。そして、他の動物と同様に、体は炎症によって感染を攻撃し、それが細胞の成長を阻害する可能性がある。さらに、傷口周辺に電流を流すには、傷口を湿潤状態に保ち、空気から保護する必要がある。
レビン氏は、タフツ大学生物医学工学部の学部長であるデイビッド・カプラン氏と共に、動物の傷口に装着する防水バイオドームを開発した。レビン氏の希望は、人間の切断患者がバイオドームを装着するのはほんの数時間、つまり細胞に成長開始の信号を送るのに十分な時間だけで済むことだ。シリコン、ゴム、シルクで作られたこのドームは、胎児の周囲にあるものと似た水中環境を備え、四肢再生を促すイオン操作ツールが詰め込まれた構造になっている。二人はカエルの切断された四肢にバイオドームを装着し、カエルが機能する脚を再生させることに成功した。「ツールは揃っています」とカプラン氏は言う。「あとは、すべてをうまく機能させるだけです。実現は時間の問題です。」
レビン氏の研究は、近い将来、がん治療に革命をもたらす可能性がある。今年3月、彼と同僚たちは、光を用いて生体電気信号を操作し、カエルの癌性腫瘍を回復させたことで、世界的な注目を集めた。レビン氏によると、多くの癌性腫瘍は、細胞の大規模な脱分極という形で異常な生体電気信号伝達を示している。この不安定な信号こそが、腫瘍の増殖と転移を引き起こすと彼は考えている。
化学療法で体を壊滅させる代わりに、異常細胞を正常な組織に戻すことが将来可能になるかもしれない。彼はまた、カエルの前脳奇形など、胎児の先天異常を回復できることも示した。この異常は、親のアルコール乱用によってヒトの胎児に生じる異常と類似している。
医師たちはすでにイオンチャネル薬を特定の心臓疾患や神経疾患の治療に使用しています。レビン氏によると、これらの薬は、胎児期に発見されれば、必要なシグナルを回復させることで、がん治療や先天異常の矯正にも利用できる可能性があるとのことです。「今後25年以内に実現するでしょう」とレビン氏は言います。「控えめに言っても、私が生きている間には実現するでしょう。」
誰もが確信しているわけではない。再生医療の研究は、ゲノムと幹細胞を中心に行われている。一部の科学者は、そうした単一の焦点に焦点を絞ることで、生体電気などの他の潜在的要因が軽視されると考えているが、科学全体としては、生体電気が主要な誘因であるというレビンの主張をまだ受け入れる準備ができていない。
「彼が語っている多くのことを完全に受け入れるには、もう少しメカニズム的な洞察が必要だと思います」と、イェール大学システム生物学研究所所長の生物医学エンジニア、アンドレ・レフチェンコ氏は言う。「細胞の機能を制御する遺伝情報を理解するのと同じレベルで、同じ明瞭さで理解する必要があります。電位については、私たちはそこまで理解していません。もし彼が同じレベルの理解を得ることを目指しているのであれば、それは称賛に値します。彼を支援すべきです。それは明らかに、この研究の一部なのです。」
いまだに残る疑念にもかかわらず、レビンは自身の実験に対して強力な支援を得ており、その資金は国立衛生研究所から提供されている。昨年4月、マイクロソフトの共同創業者である億万長者が設立したポール・G・アレン・フロンティアーズ・グループは、1000万ドルの助成金を交付した。これは3000万ドルにまで膨れ上がる可能性がある。同グループの事務局長トーマス・C・スカラク氏は、前年の冬、レビンが自身の創作物のスライドショーを交えた講演を行った後の反響を振り返った。「衝撃的でした」とスカラク氏は言う。「生物学に対する見方がすっかり変わり、遺伝子の変化を超えたレベルで生物の形態が永久に変化できることを示すデータは見たことがないと人々は言っていました。本当に目から鱗が落ちる思いでした」。スカラク氏は、レビンがバイオサイエンスに新たな分野を切り開くことを期待している。「この分野が急速に拡大することを期待しています」とスカラク氏は言う。
レビン氏も同様だ。彼の最も野心的な目標は、実験室でも子宮内でも、望むあらゆる形状の生物を成長させることだ。そのレベルの理解があれば、どんな病気も治せるようになる。そして彼は、その実現のためにコンピュータースキルを駆使している。彼は、変化する勾配が生物の形状と機能にどのような影響を与えるかを分析・予測する計算モデルと人工知能プログラムを設計している。つまり、生命の電気的なコードを解読し、それを完全に制御しようとしているのだ。
「今のところ、私たちはほんの少ししか分かっていません」とレビン氏は言う。「本当にうまく制御するには、もっと多くのことが必要です」。彼はこれを脳科学に例える。記憶が脳に埋め込まれていることは分かっているが、神経科学者たちは特定のニューロンの状態を微調整して記憶を編集する方法をまだ知らない。「私たちも同じです」とレビン氏は言う。「電気的特性が組織に一種のパターン記憶をエンコードし、それが形態変化を引き起こすことは分かっています。しかし、それらのパターンを結びつける公式を理解し始めたばかりです」。彼はさらにこう付け加える。「長期的な成果が明らかになると楽観視しています。非常に困難で、最先端の研究です。しかし、私たちも生きているうちにそれを目にするでしょう」。
アダム・ピオーレは、『Body Builders: Inside the Science of the Engineered Human』の著者です。
この記事はもともと「The Body Electrician」というタイトルで、Popular Science 2017 年 1 月/2 月号に掲載されました。
