人間は、ビールから抗生物質まで、何世紀にもわたって物を作るために生物界について知っていることを使ってきました。 しかし、その世界を非常に基本的な遺伝レベルで操作して、必要なものを作成できるとしたらどうでしょうか。 薬物を生産したり、エネルギーを生成したり、体内の病原体を攻撃したりするための細胞のプログラミングは、SFのようなもののように思えますが、それは合成生物学の新しい分野が約束することです。
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非常に基本的なレベルでは、合成生物学はレゴから複雑な構造を構築するようなものです。 レゴのエンジニアがすべての小さなブロックがどのように適合するかを把握しなければならないのと同様に、科学者は必要な遺伝要素とそれらの要素がどのように組み合わさってこれらの生物学的構造を構築するかを正確に把握する必要があります。 、または完全な染色体-数百の遺伝子を含む構造。
過去7年間、国際的な研究者チームは、酵母の染色体をゼロから構築する方法を考え出しています。 今、彼らはそれをうまく構築し、それを生きた酵母細胞に統合しました。 本日サイエンスで発表された彼らの研究は、合成生物学の分野で大きな進歩を遂げ、植物や動物のデザイナーゲノムを作成する能力への慎重な一歩を踏み出しました。
「これはこれまでに構築された中で最も広範囲に変更された染色体です。しかし、実際に重要なマイルストーンはそれを生きた酵母細胞に統合することです」
なぜ酵母？ 一つには、人間は菌類と長い関係を持っています。 古くからビール醸造用酵母（ Saccharomyces cerevisiae ）を使用してビールを作り、パンを焼きます。 今日、現代の産業バイオテクノロジー分野では、ワクチン、医薬品、バイオ燃料の製造に酵母を使用し始めています。 現代の生物学研究室では、酵母の細胞はヒト細胞と同様に機能するため、酵母もモデル生物です。 人間と酵母は両方とも真核生物です。つまり、細胞には、きつく傷ついた染色体にDNAを保存する核と呼ばれる中心的なハブが含まれています。 その結果、酵母の生物学と遺伝学について多くのことを知っています。
遺伝学者ジェフ・ボーケは、特定の染色体の合成バージョンを含む酵母コロニーのプレートを調べます（写真：NYU Langone） しかし、細胞核のない生物の場合、合成生物学はすでにゲノム全体を生成しています。 科学者は約10年間、ウイルスを設計し、再現してきました。 2008年、メリーランド州のJ. Craig Venter Instituteの研究者は、完全な細菌ゲノムを構築し、合成ゲノム（単細胞細菌）を備えた最初の生物を生産しました。 しかし、そのような微生物ゲノムには1つの染色体しか含まれていませんが、人間には 23ペアとビール酵母は16を持っています。 非常に多くの遺伝子が関与していると、1つの遺伝子を微調整するだけでゲノム全体に大きな影響を与える可能性があります。
たとえば、酵母の染色体の1つには、それ自体でゲノム全体の他のいくつかの遺伝子を支配する酵母交配型（性別のようなもの）の遺伝子が含まれています。 それは、それをボーケと彼の同僚にとって魅力的な出発点にしました。 コンピューター上で、彼らはこの染色体の合成バージョンがどのように見えるかを設計しました。 その後、ボルチモアのジョンズホプキンス大学で、ボーケのチームはDNAを必要としていたので、2007年に「Build-A-Genome」コースを通じて学部生の助けを求め始めました。学生は、DNA鎖を形成するヌクレオチド遺伝子配列のスニペットまたは「ビルディングブロック」。
これらのビルディングブロックをより大きな「ミニチャンク」に接着するために、研究者はさまざまな酵素処理を使用し、酵母自体の遺伝子アセンブリ機構も使用しました。 最後に、彼らはDNAの断片を独自のゲノムに再結合し、チャンクごとに組み立てるという酵母の傾向を利用しました。 最終的に、酵母は選択された元の染色体を合成バージョンに置き換えました。 Boekeは、プロセス全体を本の作成に例えています。まず単語を作成し、次に段落、ページ、章、そして最後に本自体を作成します。
Boekeと彼の同僚は、いったん構築した後、酵母細胞の合成染色体の機能をテストしたいと考えました。 研究者は、非必須と思われる遺伝子に特別なマーカーを含めるように染色体を設計しました。マーカーは、遺伝子によってスクランブル、削除、または複製する酵素によってトリガーされるように設計されています。
チームは次に、マーカーを体系的にトリガーして、コード内の特定のポイントで合成染色体に50, 000を超える変更を加えます。ランダムな変更は酵母細胞を簡単に殺す可能性があるためです。 「非常に広範囲に編集された染色体です」とBoeke氏は言います。 遺伝子を変更または削除すると、いくつかの細胞はさまざまな条件で他の細胞よりも成長しましたが、すべての細胞が成長しました。
さらに、研究者が成長条件をどのように微調整しても、合成染色体を持つ細胞は依然として酵母コロニーを生み出しました。 「これらすべての変更にもかかわらず、私たちは実際に酵母のように見え、酵母の匂いがし、アルコールを酵母のようにする酵母を手に入れました」とBoeke氏は語ります。これは、酵母ゲノム（少なくとも研究者が変化を引き起こした部分）が非常に回復力があり、多くの突然変異を処理できることを意味します。これは遺伝子工学の観点からは非常に印象的な発見です。
Boekeと彼の同僚によって作成されたデザイナー酵母染色体のマップ。 （画像：Boeke et al。） 「この研究は、ゼロから合成された最初のデザイナー真核生物染色体を報告します。これはデザイナー真核生物ゲノムの構築に向けた重要なステップです。 イリノイ大学アーバナシャンペーン校の生体分子エンジニアであるHuimin Zhaoは、次のように述べています。
たとえば、Boekeのチームによって作成された合成染色体は、複製しようとした通常の染色体よりも14％小さくなっています。 それでは、機能する酵母細胞を作るために必要な最小のゲノムは何ですか？ ここで適用された方法に基づいて、ラボでこれらの質問のテストを開始できます。 そして、研究経路はたくさんありますが、彼のチームの次のステップは、酵母ゲノム全体を合成するためにこれらの技術を使用することだとBoekeは言います。
ゲノムを合成した後、理論的には、研究者はマーカーを使用して、さまざまな遺伝子をより大規模に調整できます。 この それらを許可することができます 特定の目的に適した合成ゲノムで酵母細胞をカスタマイズします。
たとえば、一部のバイオテクノロジー企業は、遺伝子を迅速に複製する酵母細胞にすでに挿入して、大量の合成バージョンのマラリア薬アルテミシニンを生産しており、デザイナーゲノムを設計することで製造プロセスを改善できます。 デザイナーゲノムのエンジニアリングは、製造プロセスをどのように改善しますか？ 特別に調整された酵母を使用して、どのような新しい種類の医薬品を製造できますか？ または、利他的ではないレベルで、どのような新しい種類のビールですか？ 人間の病気を治療しようとしているか、一日の終わりに満足のいく風邪を引きたいかどうかにかかわらず、合成生物学はあなたを助けることに一歩近づいています。
