半人工生命の誕生により、私たちは「神」になるまでどのくらいの距離を歩んでいるのでしょうか?

合成生物学は、工学的思考を用いてまったく新しい生物を設計し、創造することを可能にする素晴らしい学問です。現在、科学者たちは酵母の16本の染色体すべてを合成し、その半分を1つの細胞に組み込むことに成功し、半人工酵母を作り出した。彼らはまた、酵母のゲノムをより安定させつつ、その完全な機能性を確保するために、酵母用の新しい染色体を設計した。

これらの成果は合成生物学における画期的な出来事であり、人類が完全に人工的に合成した真核細胞に向けた大きな一歩です。

著者：顧淑塵

2023年11月8日、有名な科学雑誌「Cell」、「Molecular Cell」、「Cell Genomics」が同じテーマに焦点を当て、国際協力プロジェクト「人工合成酵母ゲノムプロジェクト」（Sc2.0）を紹介する10の研究論文を一挙に発表した。この一連の結果は、米国、中国、英国などの国の科学研究チームによって共同で完成されました。この記事では、8 つの新しい酵母染色体の包括的な合成と、転移 RNA (tRNA) 染色体の革新的な設計と合成について詳しく報告します。

これまでに、Sc2.0は、以前に合成された6本と、まだ公開されていないが完成している2本の染色体を含む、酵母染色体全16本の人工合成を完了している。科学者たちはまた、7.5番染色体をサッカロミセス・セレビシエの天然株に組み込むことに成功した。この半人工酵母は野生酵母株と同様の生存能力と複製能力を持っています[1] 。つまり、半分は自然で半分は人工的に合成された酵母細胞が誕生したのです！科学者たちはまた、酵母細胞用の全く新しい染色体であるtRNA染色体[2]を設計しました。これは、世界初の完全に合成された真核細胞の作成に向けた新たな一歩です。

これらの興味深い結果はすべて、まったく新しい分野である合成生物学に属します。今日、この一連のブレークスルーは、人類がいくつかの遺伝子をいじくり回す段階から、ゲノム全体をゼロから設計し構築できる段階にまで進歩したことを意味します。

合成生物学とは何ですか?

合成生物学は近年出現した最先端の学際分野であり、「DNA二重らせんの発見」と「ヒトゲノム配列決定プロジェクト」に続く第3のバイオテクノロジー革命であると考えられています。 2004 年、MIT Technology Review は合成生物学を世界を変えるトップ 10 技術の 1 つに挙げ、2010 年には Science 誌がトップ 10 の科学的ブレークスルーの第 2 位にランク付けしました。

遺伝子工学、システム生物学、コンピュータ工学などの複数の分野を基盤とし、工学設計の概念を採用して生物の遺伝物質を設計、変換、さらには合成することで、種間の境界を打ち破り、人工生命体を創造します。合成生物学は、人類社会が直面する多くの課題を解決する可能性を秘めているだけでなく、「創造」という新たな視点から基礎生命科学の謎を解明することを可能にします。

合成生物学の本質は設計と創造にあります。「既存の自然の生物学的システムを修正する」ことであろうと、「新しい生物学的コンポーネント、デバイス、システムを設計および構築する」ことであろうと、それは DNA に基づいています。合成生物学の一般的なプロセスは、「設計-構築-テスト-学習-再構築」という研究サイクルです。

科学者はまず、コンピューターソフトウェアを使用して、合成する DNA 構造を設計します。設計された DNA は、1～1.5 kb の合成可能な断片 (シントン) に分割されます。合成断片は、一本鎖オリゴヌクレオチドを使用して組み立てられ、より大きな DNA 要素に組み合わされます。組み立てられた DNA には、配列検証と細胞に変換された後の機能検証という 2 つの検証手順が必要です。検証結果に基づいて修正が行われ、目的の機能を備えたDNA構築物が得られるまでテストサイクルが繰り返されます[3]。

しかし、生体コンポーネントの組み立ては回路の組み立てほど単純ではありません。生物のすべての生命構成要素は DNA から翻訳されることはわかっていますが、多くの構成要素について深い理解が欠けています。これらのコンポーネントの機能は、時間、場所、条件などによっても変化する可能性があります。そのため、各コンポーネントの機能がわかっていても、これらの異なる生物学的コンポーネントを組み立てると、それらの機能が欠落したり、「互換性がない」場合があります。

図1 合成生物学試験サイクル[3]。

2010年から2020年にかけて、バイオテクノロジーとバイオエンジニアリングの発展により、合成生物学は急速に進歩しました。 2010年、米国のJ.クレイグ・ベンター研究所（JCVI）の研究者らは、初の人工細胞「合成マイコプラズマ」JCVI-syn1.0[4]の構築を発表した。 2021年に、このプロジェクトの研究者らは、JCVI-syn1.0をベースに473個の遺伝子のみを持つ「最小限の細胞」JCVI-syn3.0を人工的に合成したと発表しました[5]。マイコプラズマは真核細胞よりもはるかに単純な構造を持つ原核細胞ですが、マイコプラズマの人工合成は科学者の野心を刺激し、Sc2.0 プロジェクトが開始されました。

真核生物ゲノム合成の初の試み

酵母は、人間の生活に深く関係する単細胞真核微生物の一種です。酵母は、その明確な遺伝的背景により、科学研究で最も一般的に使用されるモデル生物の 1 つにもなっています。 1996年には、科学者らはサッカロミセス・セレビシエの全ゲノム配列を解読し、ゲノムには合計約6,000個の遺伝子があり、そのうち5,000個は酵母の生命活動の維持に必要ではなく、削除したり書き換えたりできることを発見した。

2007 年、ニューヨーク大学の Jef D. Boeke 教授は、世界的な真核生物研究協力プロジェクトである Sc2.0 プロジェクトを開始しました。このプロジェクトは世界中の多くの国に分散しており、米国と中国がそれぞれ合成全体の28％と39％を占めています。 2011年、Sc2.0プロジェクトは米国、中国、英国、シンガポール、オーストラリアなどの国々で正式に開始されました。このプロジェクトの目的は、サッカロミセス・セレビシエの全16染色体の設計と化学的再構築を完了し、真核生物の染色体の体系的な研究のための応用プラットフォームを提供することです。これは人類が真核生物のゲノムをゼロから設計し合成する最初の試みであった[6]。

研究者たちは目標を達成するために、酵母ゲノムをゼロから合成し、すべてのトランスポゾンと反復要素を除去し、終止コドンを再コード化し、転移RNA遺伝子をまったく新しい染色体に移動させ、その際に適応度の欠陥を回避し、染色体の構築と操作を助ける機能を追加する予定である。 Sc2.0プロジェクトの設計過程では、遺伝子配列に対して塩基の削除、挿入、置換が行われましたが、原則として、合成株と天然株の同じ表現型を維持し、ゲノムの安定性も保証する必要があります。遺伝的柔軟性を高めるために、科学者は野生型のゲノム配列も最適化しました[6]。

2014年、ボイケ教授率いる研究チームは、最初の人工酵母染色体（最小の酵母染色体である染色体3）を作成しました[7] 。 2017年、Sc2.0プロジェクトの国際協力グループは酵母ゲノムの3分の1の設計と合成を完了したことを発表し、サイエンス誌は特別号でその報告を報じた[8]。これは Sc2.0 プログラムにとって大きな前進となります。

科学者たちは現在、16本の染色体の合成を完了し、それぞれ15本の天然染色体と1本の合成染色体を含む16本の部分的に合成された酵母株を作成しました[1] 。科学者たちはまた、異なる合成染色体を含む酵母細胞を交配し、子孫に2つの合成染色体を持つ個体を探し、人工的に合成された染色体を徐々に組み合わせて完全に合成された新しい細胞を形成しました。長い交配プロセスを経て、6 本の完全な染色体と 1 本の染色体腕が同じ細胞に統合されました。得られた6.5本の人工染色体を持つ酵母株には31%以上の合成DNAが含まれており、形態は正常で、野生酵母に比べてわずかな成長欠陥しか見られません[1]。

図2. 6.5本の合成染色体を持つ酵母細胞のSEM画像。正常な外観と出芽行動を示している[1]

染色体置換の効率を高めるために、科学者たちは効率的な染色体置換の新しい方法も開発しました。彼らはこの方法を使って酵母の最大の染色体（染色体4、synIV）を移し、その結果、7.5本の染色体を持つ酵母細胞が生まれ、そのうち50%以上が合成DNAでした。酵母の染色体は大きな変化を遂げたにもかかわらず、酵母は生き残り、複製することができた[1]。

Sc2.0 の主な目標の 1 つは、酵母ゲノムの安定性を向上させることです。しかし、天然の酵母細胞には、何もコード化していないが、自然のプロセスを通じて互いに再結合する可能性のある反復 DNA が大量に含まれており、ゲノムに大きな構造変化を引き起こし、ゲノムを不安定にします。酵母細胞をより適切に制御するために、Sc2.0 チームはコンピュータープログラムを使用して酵母ゲノムを徹底的に調べ、反復度の高い DNA 領域を見つけて、tRNA をコードするすべての DNA 断片を含めてそれらを削除しました。これらの DNA 配列は不安定ですが、それがコードする tRNA は細胞の機能に不可欠です。そこで科学者たちは、tRNAをコードするすべての遺伝子を新しい染色体、tRNAネオ染色体に集中させ、それを完全に人工的な酵母細胞に追加しました[2]。これにより、研究者は合成酵母をより適切に制御し、生物学の限界を探る新たな方法も得られます。

もちろん、このような大規模な科学研究プロジェクトが順風満帆に進むわけではありません。プロジェクトの開始当初、科学研究チームはプロジェクトの技術研究開発において挫折を経験しました。彼らは、合成を困難にする複雑な配列に遭遇しただけでなく、遺伝子自体のコーディングの問題により、従来の合成クローニングを完了することもできませんでした。さらに、ゲノムがどんどん大きくなるにつれて、いかにしてさらに効率を高め、コストを削減するかということも、科学者が解決しなければならない問題です。プロジェクトの中で最も時間と労力がかかる部分は、合成欠陥の特定と修復であり、これは酵母ゲノムの合成における最大の困難の 1 つです。他の合成ゲノムと比較すると、合成酵母に関係する配列は数が多く、性質が複雑です。欠陥のトラブルシューティングは干し草の山から針を探すようなもので、多くの検証作業が必要です。しかし最終的には、複数の国の科学者の共同の努力により、Sc2.0プロジェクトは順調に進展し、すべての人工染色体を同じ酵母に組み込むことが今後の新たな課題となるだろう。

これまでの Sc2.0 研究の順調な進展に基づいて、科学者たちは、特定の生物学的問題を研究したり、関連する応用目標を達成したりするために、酵母ゲノムにさらに深い改変を加えることができることにも気づきました。そこで、中国の科学者である戴俊標研究員は、英国マンチェスター大学の蔡一志教授、米国ニューヨーク大学のボイケ教授と共同でSc3.0プロジェクトを立ち上げた。このプロジェクトでは、科学者は酵母ゲノムをより合理的かつ詳細に設計し、最初の最小限の酵母ゲノムを構築して、活動に影響を与えずにどの酵母遺伝子を削除できるかなどの主要な生物学的疑問を探求します。それらの進化上の意義は何でしょうか?与えられた条件下で、真核生物の生命を維持するために最小限のゲノムにどのような機能が必要なのか、野生型ゲノムの構成形態は生物学的に重要な意味を持つのか、ゲノム内の遺伝子の配置や制御を人工的に設計できるのか、などです。Sc3.0プログラムのイニシアチブとプロジェクト紹介は、2020年にGenome Biology誌にも掲載されました[9]。

人間は今や生命を創造できるのでしょうか?

いいえ、現時点では教科書から答えをコピーしただけです。本質的に、この合成酵母細胞は自然の遺伝子テンプレートから逸脱したものではなく、既存の遺伝子を単にコピーまたは改変しただけです。これは「ゼロからのイノベーション」とは言えず、マップに基づいた「再最適化」に過ぎません。「最適化」の各ポイントは、酵母自体の生存活動に影響を与えるかどうかをさらに検証する必要があります。私たちの生命に対する理解も、ゼロから革新できるほどには程遠いものです。現在、科学者は真核生物のゲノムを人工的に合成することはできますが、人工ゲノム全体を同じ真核細胞に配置することはまだできません。細胞を「ゼロから」直接構築したり、天然の遺伝子配列に頼らずに一連の新しいゲノムをさらに設計したりするためには、科学者は細胞の構造、遺伝子の機能と制御についてより深く理解し、生命の性質と起源についてより明確に理解する必要もあります。

しかし、私たちは依然としてダーウィンの進化論をゆっくりと「覆しつつある」のです。 Sc1.0（天然酵母）と比較すると、Sc2.0計画は、外因性ソースから遺伝子を導入することで、直接物を「作成」するためのツールとして使用できます。理論的には、酵母ゲノムの人工的な設計と合成、およびそれに続く急速なゲノム進化研究は、酵母ゲノム全体の機能研究を実現できるだけでなく、ゲノムのランダムな変化によって生成された酵母ライブラリを通じて、酵母の進化の歴史を研究するための大量の材料を提供することもできます。さらに、酵母は人間の生活と密接な関係があります。ワイン醸造やパン作りに必要な重要な材料です。産業においては、酵母は私たちのために多くの物質を生産することができます。例えば、酵母にアルテミシニンの合成に関わる遺伝子を加えることで、アルテミシニンの大量生産が可能になります。将来的には、抗生物質、MSG、ヒアルロン酸など、他の微生物によって合成された物質を人工酵母に入れて生産することも可能になるでしょう。人工酵母は人々の生活を向上させるための多くの応用可能性を秘めており、食品生産、医薬品生産、バイオエネルギー、バイオマテリアルなどの分野で幅広く使用できると言えます。

2010年、「ヒトゲノムの父」クレイグ・ベンターは、マイコプラズマ・ミコイデスと呼ばれる微生物のDNAを組み換え、新しいDNA断片を「接着」し、別の細菌に移植して、最初のいわゆる「人工生命」を創造しました[10] 。この功績は当時かなりの論争を巻き起こしたが、彼がこの「人工生命」のゲノムに付け加えた小さな人間の文章は非常に印象的だった。「生きること、過ちを犯すこと、失敗すること、勝利すること、生命から生命を再生すること」自然は人間の世界を創造しました。そしておそらく人間も、より良い住まいに向けて別の世界を創造できるでしょう。

参考文献

[1] doi: 10.1016/j.cell.2023.09.025.

[2] doi: 10.1016/j.cell.2023.10.015.

[3] 土井: 10.1101/cshperspect.a023812。

[4] doi: 10.1126/science.1190719.

[5] doi: 10.1016/j.cell.2021.03.008.

[6] doi: 10.1126/science.aaf4557.

[7] doi: 10.1126/science.1249252.

[8] サイエンス 355巻|6329号|2017年3月10日

[9] 土井: 10.1186/s13059-020-02130-z。

[10] doi: 10.1126/science.1190719.

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています