自由自在に遺伝子を書き換えられる人工酵母の誕生は、エネルギー問題や医療問題の解決に大きく役立つかもしれない。
合成生物学による次なる産業革命
少なくとも数千年前、シュメール人がビールを醸造するようになって以来、人類はビール酵母として知られる単細胞菌類である出芽酵母 (Saccharomyces cerevisiae)と密接な関係をもってきた。
発酵させることで、人間はミクロの微生物を自身のために操ることができたのだ。今日では酵母は、エタノールやインシュリンを製造するために利用され、科学研究室の主役となっている。
しかし、だからと言って出芽酵母がこれ以上改良されることがないというわけではない。少なくとも、ニューヨーク大学ランゴン医療センターのシステム遺伝学研究所のジェフ・ベイキー所長は、酵母を改良しようとしている。
ベイキー所長は、酵母のゲノムを構成する1250万に及ぶ遺伝コードを合成しようとする、数百人規模の国際チームを率いている。
実際には、1つ1つの酵母の染色体(16本)を、ストーブ大の化学合成機で作成したDNAに徐々に置き替えていくことを意味する。その行程で、ベイキー所長と10以上の研究機関の共同研究者たちは、酵母のゲノムを扱いやすくして研究者たちが自由にその遺伝子を操作できるようにしようとしている。
最終的には「Sc2.0」と呼ばれる合成酵母を自在につくれるようになることが目標だ。「今後10年間で、合成生物学はあらゆる種類の化合物や素材を微生物から製造できるようになるでしょう。我々の酵母がそれに大きく貢献することを期待しています」(ベイキー所長)
この研究をフォード社の最初の自動車に例えてみると、現段階では手作りで、さらに今のところ世界に一種だけしかない。だがいつか、私たちは日常的にコンピューター上でゲノムを設計しているかもしれない。
生物のDNAを操作したり、編集したりする代わりに、まったく新しいコピーを簡単に印刷できるようになるかもしれない。燃料を効率的に生み出すように人工的に作られた藻類、病気にならない臓器、絶滅した生物の復活──を想像してみてほしい。
ジェフ・ベイキー所長はゲノムを合成し、人工酵母をつくる研究を指揮している
「合成生物学は宇宙開発革命やコンピューター革命よりも大きなものになるでしょう」と、ハーバード大学医学部のゲノム科学者であるジョージ・チャーチ教授はいう。
これまで研究者は、ウイルスやバクテリアを動かす遺伝子を合成してきた。だが、酵母はこれらの生物とは異なり、真核性細胞である。つまり人間と同様にゲノムを細胞核の中に持ち、染色体で束ねている。また酵母のゲノムは、ウイルスやバクテリアよりもずっとサイズが大きい。
これは問題だ。なぜならDNAの合成はDNAの解析ほど安くはないからだ。ヒトゲノムは最近では1000ドルでその配列を解析でき、その費用はさらに安くなりつつある。
それに比べ、酵母のDNAの1つを組み替えるのに、ベイキー所長は125万ドル相当を払わなければならない。人件費やコンピューター・パワーの向上にかかる費用などを加えると、すでに10年ほど続いているこの研究プロジェクトのコストはかなり大きくなる。
チャーチ教授や他の研究者とともに、ベイキー所長は、今後10年間に1000倍にもなろうというゲノムの設計や編集、試験などのコストを下げようとする国際研究を提唱している組織「GP−write」のリーダーの1人でもある。
「人間は地球上の種としてあらゆる困難に直面しています。その中で生物学は大きな影響力を持つ可能性があります。ですが、それはコストを下げることができて初めて可能になるのです」
ボトムアップでの遺伝学的アプローチ
2004年の学会でロナルド・デイビスというスタンフォード大学の科学者が酵母のゲノムを合成する可能性を最初に提唱した当初、ベイキー所長はそれに意味を見いださなかった。「誰がそんなことをやりたいのだろうと思いました」と回想する。
だがベイキー所長は、酵母のゲノムを作製することはもしかしたら酵母自体を理解するベストな方法ではないかという考えを持つようになった。酵母の各部位を置き換えることで、どの遺伝子が必要不可欠で、どの遺伝子がそれがなくても酵母が生きられるかを知ることができるかもしれない。
チームの一部のメンバーはこの考え方を「理解のための作製」と呼んでいる。
「生き物がどういうしくみになっているのかを理解しようとする上での新しい方法」だと、ニューヨーク大学研究室の博士研究員であり、合成酵母の主要設計者の一人であるレスリー・ミッチェルはいう。「ボトムアップによる遺伝学的アプローチで、われわれの知識の中で何が欠けているかを知ることができます」
ジョンズ・ホプキンス大学のコンピューター科学者、ジョエル・ベーダー教授は、研究者がコンピューター上で酵母の染色体を見ることができ、その変更の履歴も保存できる、生物学版グーグル・ドキュメントのようなソフトウェアの開発に加わった。
そして2008年にはDNAを作るため、ベイキー所長はホプキンス大で「ゲノム作製」と銘打った学部コースを立ち上げた。
学生らはそれぞれが、合成酵母研究に使われる10,000個のDNA文字の繋がりを組み立てることで分子生物学の基礎を学ぶことができ、作製されたDNA文字は合成酵母プロジェクトで使われる。
その後、英国、オーストラリア、日本などの共同研究機関とともに、中国のいくつかの研究所も作業の分担に参加した。
「ちょうど本の各章を分担して割り当てるように、染色体をそれぞれのチームに割り当てています。チームは我々が設計したものに100%基づいているかぎり、何をしても構いません」とマンチェスター大学の合成生物学者であり、酵母プロジェクトの国際コーディネーターのパトリック・ケイ教授は説明する。
ベイキー所長とそのチームが、すべて人工に合成された酵母染色体を最初に発表するまでには、8年の歳月を要した。
研究プロジェクトはその後、加速した。2017年3月、5つの合成酵母の作製がサイエンス誌の論文内で説明され、ベイキー所長は、16本すべての染色体は少なくとも80パーセント完成していると述べた。これらのプロジェクトは、これまで合成されて組み合わせられた遺伝コードの最大の量である。
研究チームのゲノム変換に対して、酵母のゲノムが驚くほど耐久力があったのはよかった。「おそらくこの記事の最大の見出しは、ゲノムをあれこれ思いっきりいじっても大丈夫で、酵母は笑い飛ばしてくれる、というやつだね」とベイキー所長はいう。
あらゆる特徴を持つ無数の種類の酵母
ベイキー所長と共同研究者らは、単に天然の酵母ゲノムを合成ゲノムに置き替えているわけではない。「ただコピーを作るのは無意味」とチャーチ教授はいう。
酵母のDNA全体にわたって、あたかもマジシャンの金属の輪の見えない切れ目のように分子の切れ目も入れている。この切れ目によって、ケイ教授のいうところの、酵母の染色体をトランプのように再びシャッフルできる。
この方法は「LoxP媒介進化による合成染色体組み換えと編集」の略である「SCRaMbLE」として知られている。
その結果は、人間主導の圧倒的な進化をもたらすだろう。あらゆる特徴を持った無数の種類の酵母が、やがては医学や産業などに利用可能かどうか,目的への適合性や機能を研究室で試験されるようになる。
ミッチェル教授は、いずれSc2.0は研究室で使われる従来の酵母のすべてに取って代わるだろうと話す。
ゲノム エンジニア会議におけるハーバード大学のジョージ・チャーチ教授
ベイキー所長の研究プロジェクトの最終的な目的は、次に何のゲノムが合成されるかによって決まるのかもしれない。
当初、ベイキー所長率いるGP-write(ゲノム合成国際コンソーシアム)グループは、合成ヒトゲノムをつくることが魅力的な「壮大な挑戦」になると考えていた。だが、一部の生命倫理学者はそれに反対し、計画を痛烈に批判した。
GP-writeグループは、「合成ゲノムによる人間を作ることを目的としたプロジェクトは行なわない」とはっきり述べている。つまりデザイナー人間はない、ということだ。
倫理的な考慮を別にしても、ヒトゲノム全体(酵母のゲノムより250倍以上大きい)を合成するのは現在の技術では非合理的だ。技術を進歩させる取り組みも資金も不足している。
ベイキー所長の酵母研究は全米科学財団や中国の提携機関を含む学術機関から援助を受けているが、それより大きなGP-write構想は、米ドルで30億ドルの資金を集めたヒトゲノム・プロジェクトとは対照的に、コンピューター設計会社のオートデスク(Autodesk)からの25万ドルの寄付以外、大きな援助に恵まれていない。
「これは他に遅れをとりたくない革命です」とチャーチ教授はいう。「連邦政府と50州すべてがこの研究をやりたくなければ、我々がまいた種は我々自身が刈り取ることになります。我々は置いていかれてしまうのです」
一方、作業は続く。科学ジャーナルの表紙やチームの写真に混ざって、ベイキー所長は遺伝学者テオドシウス・ドブザンスキーの言葉をオフィスのドアに貼っている。「進化の視点以外では生物学に意味を成すものは何もない」
ネズミのゲノムの合成にせよ、ヒトに安全に移植できる臓器をつくるブタの作製にせよ、どんな壮大なプロジェクトがSc2.0を引き継ぐにしても、その進化を方向づけるのは人である。そうであるならば、Sc2.0はビールに次ぐ、酵母がもたらした2番目に重要な成果となるかもしれない。
原文はこちら(英語)。
(執筆:Bryan Walsh/米国版)
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