史上最も多くの合成DNAを持つ生物が人工生命に近づいている

フランケンシュタインは、歴史上最も有名な SF 小説の 1 つです。メアリー・シェリーが思い描いた物語が現実に一歩近づいています。ちょうど半世紀以上にわたり、研究者たちは、ヴィクター・フランケンシュタイン博士が自ら考案し、意のままに形作った生き物を作ったように、人工生命を生み出すという夢を追い求めてきました。しかし科学者たちは、怪物を生み出す現代の神になろうとするのではなく、必要に応じて医薬品、バイオ燃料、または新素材を生産するための人工生物を構築することを目指している。 200 人以上の研究者からなるチームは、実験室での生物の設計と生成に向けて重要な一歩を踏み出しました。

ニューヨーク大学の科学者ジェフ・ブーケ氏が率いるコンソーシアムは、これまでに達成された複雑な生物からの「オンデマンド」DNAの量としては最大となる5つの合成酵母染色体を初めて製造した。この成果は、パン、ワイン、ビールの製造に通常使用される生物のゲノムの 3 分の 1 以上を研究室で構築したことを意味します。合成生物学におけるマイルストーンである彼らの進歩は、サイエンス誌に掲載され、同じコンソーシアムが最初の合成酵母染色体の作成を発表してからわずか 3 年後に発表されました。

生物学の攻撃に対する工学

染色体は遺伝物質を含む「パッケージ」であり、人間の場合、ほとんどの細胞には 46 本の染色体が含まれており、これは父親と母親から受け継いだ 2 セットの染色体の結果です。 2014 年、Boeke のグループは、ヒト細胞との類似性から生物学で頻繁に使用される真菌である酵母の最初の合成染色体であるsynIII を設計して生成することができました。現在、科学者たちは、 synII 、 synV 、 synVI 、 synX 、 synXIIと呼ばれるさらに 5 つの染色体を実験室で設計および製造することに成功しました。 Synthetic Yeast 2.0コンソーシアムの取り組みにより、酵母が持つ 16 本の染色体のうち、合計 6 本の染色体を合成することが可能となり、これらを細胞に組み込んで正しく機能させることが可能であることが実証されました。

彼らの次の目標は、この種の真菌のような複雑な生物の完全な人工ゲノムを設計して製造することです。もし彼らがこれを達成できれば、2010年にクレイグ・ベンターがマイコプラズマ細菌から最初の人工細胞の作製を発表したときに達成したマイルストーンを超えることになる。その際、ヒトゲノムプロジェクトにも参加していた北米の研究者は、実験室で染色体を合成し、後にそれをこの微生物細胞に組み込むことに成功しました。酵母、植物、動物とは異なり、細菌はDNA を保管する核を持たず、染色体が 1 本であるため、はるかに単純な生き物です。しかし、真核生物と呼ばれる残りの生物は、より多くの染色体を持ち、それらのパッケージ化された遺伝物質は、核として知られる細胞内の別の区画にあります。

生物をコンピューターに例えると、染色体にパッケージされた遺伝物質が生物学的ソフトウェアを表し、残りの構造がハードウェアになります。合成生物学は生物学を「攻撃」する工学的な試みであり、 Science 誌に掲載された一連の 7 つの論文は、この新興分野における画期的な進歩です。 「彼らは新しいプログラムを書き、そのソフトウェアを既存のハードウェアに導入することに成功した」とビクトル・デ・ロレンツォ氏はHipertextualに対し、5 つの合成酵母染色体の設計と構築について言及した。 「既存のハードウェアを使わずに細胞をゼロから作成できる日が来るでしょうが、まだその段階には達していません」と国立バイオテクノロジーセンター（CNB-CSIC）の研究者はコメントしている。合成生物学の分野で最も著名な専門家。

彼の意見では、今日提示された結果は、Craig Venter の研究に関して「非常に重要な質的および量的飛躍」を示しています。 「細菌から酵母へ彼らがとった概念的なステップは、酵母から人間へのステップよりも大きいです」と専門家は付け加えた。どちらの生物も私たちの目には見えませんが、酵母細胞は、内部に真の核を持ち、細菌には見られない多数の染色体を持っているという点で人間の細胞と似ています。したがって、酵母は、そのサイズが小さいにもかかわらず、細胞周期を研究し、癌などの病気の発生を理解するためのモデルとしても使用されてきました。

ビクトル・デ・ロレンソ氏によると、ブーケ氏のチームは酵母のような複雑なシステムから出発して部品に分解し、組み立て、最適化し、問題がある箇所を分析して修正するため、「真のエンジニアリング戦略」を適用しているという。 「まるでエアバスを製造する必要があり、そのためには飛行機を構成するさまざまな部品を設計して作成する必要があるようなものです。このようにして、彼らは合成生物学を酵母などの動物や生物に近いシステムに近づけています。」人間です」と彼は付け加えた。 Boeke のグループは、新しい方法論に従って 5 つの合成酵母染色体の構築にも成功しました。Craig Venter が提案したように、分子の連続合成を実行する代わりに、研究者らは一種の「足場」を生成することを選択しました ( scaffold 、英語)、真菌の 5 つの合成染色体が得られるまで、DNA の断片をさらに配置しました。 「それらは、DNA断片を挿入する基本構造から始まります。さらに、酵母は細菌よりも強力な組換えシステムを持っており、それが有利に働いています」とCNB-CSICの科学者はコメントしています。

ビクトル・デ・ロレンソ氏の意見では、 『サイエンス』誌に掲載された 7 つの論文は、染色体に存在する柔軟性という、もう 1 つの非常に重要な概念的な新しさを提供しています。 「細胞の機能に影響を与えることなく、配列を削除、切断、シャッフルすることができます」と科学者は言います。以前は、ゲノムはその構造の点でより複雑で厳格であると考えられていたため、これらの可能性は私たちに有利に働きますが、今日発表された研究はそれを否定しているようです。

今後の課題は、完全合成ゲノムを設計・構築し、酵母に導入することだ。言い換えれば、研究者らは酵母の遺伝子ソフトウェア全体を記述して既存のハードウェア上に配置することを目指しており、これにより実験室での人工生命の創造にさらに近づくことができる。ビクトル・デ・ロレンソ教授は、この課題は2年以内に達成できる可能性があると指摘しているが、ブーケ氏のグループはやや楽観的で、2017年末までに16本の「デザイナー」染色体の合成を完了することを目指している。 「おそらくショウジョウバエ、ゼブラフィッシュ、線虫などの他の実験モデルをテストするなど、小さな進化の旅を実行する必要があるだろう」とCNB-CSICの研究者は言う。しかし、間違いなく大きな課題は、これらのアプローチをヒトゲノムに移し、将来的には実験室で「オンデマンド」で私たちの種の染色体を設計および製造できるようにすることです。