16.14: 合成生物学

合成生物学は、工学、分子生物学、細胞生物学、システム生物学などの分野の原理を使用する学際的な科学です。これには、タンパク質や酵素の生産、バイオレメディエーション、付加価値のある高分子の生産、作物への望ましい形質の追加などの用途のために、天然の既存の生物を改造したり、まったく新しい合成生物を構築したりすることが含まれます。

ゴールデンライス

ゴールデンライスは、ビタミンAの前駆体であるβ-カロテンが豊富な穀物を生産する遺伝子組み換えイネです。イネは本来、β-カロテンを生成する能力を持っています。しかし、穀物では生産経路の一部がオフになっているため、生産は葉でのみ行われます。フィトエンシンターゼ、フィトエンデサチュラーゼ、リコピンβ-シクラーゼという酵素をコードする3つの遺伝子をイネのゲノムに挿入すると、米粒内でのβ-カロテンの生成が引き起こされます。

人工ゲノムと人工生物

完全に新しい合成ゲノムの構築は、ゲノム再構築よりも比較的複雑であり、この方法論を段階的に開発するために、長年にわたっていくつかの努力がなされてきました。 2002年に、ポリオウイルスの最初の人工ウイルスゲノムが合成されました。しかし、大きな進歩は、2008年にマイコプラズマ ジェニタリウムの合成細菌ゲノムが合成されたことでした。M.ジェニタリウムは、DNAの約6,000,000bpにコードされた約485個の遺伝子を含む最小のゲノムの1つを持っていたため、この方法論を開発するための最適な生物として選ばれました。これらの遺伝子のうち約100個は必須ではないため、最小限の合成ゲノムを作成するために削除されました。

開発された方法論を使用して、研究者らは一歩先に進み、合成単細胞生物を作成しました。 この合成生物のゲノム配列は、マイコプラズマ ミコイデスから得られました。M. ミコイデスのゲノムサイズはM. genitaliumよりも大きいですが、増殖速度が速いため、この実験にはM. ミコイデスが選択されました。

2017年に酵母サッカロミセス・セレビシエのゲノムが部分的に合成されたのが、人工合成ゲノムのリストに追加された最新の例であり、研究者らは現在、ヒト細胞株のゲノムや他の動植物のゲノムの合成を試みている。合成生物学には数え切れないほどの利点がありますが、生物兵器の開発への利用など、合成生物学を取り巻く倫理的な懸念がいくつかあります。

合成生物学は、工学の原理を生物学に応用する学際的な科学です。これは、分子生物学、細胞生物学、およびシステム生物学の進歩に基づいています。

合成生物学は、自然界には存在しない酵素、細胞、遺伝子回路、代謝経路などの新しい生物学的構成要素やシステムを構築することを目的としています。これは、既存の生物のゲノムを再設計するか、まったく新しいゲノムを合成することによって行うことができます。

合成生物学にとって重要な2つの技術は、DNAシーケンシングとDNAの化学合成です。シーケンシングは、自然界に見られる生物の遺伝物質を研究するのに役立ち、化学DNA合成は、テスト用に新しく設計されたシーケンシャルを構築するのに役立ちます。

合成生物学は、他の生物に見られるDNAを単に組み換えるのではなく、化学的に合成されたDNA配列を使用するという点で、組換えDNA技術とは異なります。合成された配列は、自然界に見られる配列に基づいている場合もあれば、完全に新規である場合もあります。

また、ある生物や細胞から別の生物や細胞に個々の遺伝子を移す遺伝子工学や、生物自身のDNAに小さな変更を加えるゲノム編集とも異なります。

ゲノムリデザインでは、複数の遺伝子をコードする人工的に合成された配列が大量に生物のゲノムに挿入されます。再設計は通常、特定の問題を解決することを目的として行われます。

例えば、酵母Saccharomyces cerevisiaeは、細菌と植物の遺伝子を用いて再設計され、安価な抗マラリア薬であるアルテミシニンの前駆体を作製しました。

合成生物学には、全ゲノムの設計と人工的な構築も含まれます。例えば、マイコプラズマ・ジェニタリウムの細菌ゲノムは人工的に構築され、最大の合成DNA構造となっています。

これは、DNAの小さなカセットを化学合成して結合し、それらをサブアセンブリにまとめ、最終的に結合して単一のゲノムを形成することによって行われました。これは、自然界に見られるDNA修復メカニズムである相同組換えを使用して行われます。

さらに、科学者たちは、人工的に合成されたゲノムを使用して作成された単細胞生物である合成生命体も作成しており、その配列は自然界に見られる生物、マイコプラズママイコイデスに由来しています。