1.8: 合成生物学

合成生物学は、生物学と工学を組み合わせて、生物学的実体、生物、または経路を作成または再設計する分野です。この考え方は、よく知られている反応を使用して新しい化合物を合成する化学の化学合成に似ています。最終的な目標は、新しい生物学的薬物分子の作成から、老廃物を分解できるようにするための生物の改変までさまざまです。このビデオでは、合成生物学の基本原理と、生物学的モジュールの構築に使用されるいくつかの技術について説明します。最後に、この進化する分野の実際のアプリケーションをいくつか紹介します。

この新しい分野の主な目的は、生物学と生物工学を新しい分子や生物を作成するためのツールとして使用することです。個々の電気部品から機能回路を作成する電気技師のように、合成生物学の主な目標は、個々の細胞部品を使用してプログラム可能な微生物をゼロから作成することです。しかし、これは現時点ではまだ達成にはほど遠いです。これは、主に生物学的プロセスがあまり理解されていないためです。この目標は、次世代DNAシーケンシングなどの最近の進歩によって達成可能になっています。DNAシーケンシングを使用すると、研究者は、特定の望ましい形質を持つ生物のDNA配列特異的遺伝子の機能を特定できます。その後、正確なDNA配列を大量に合成し、トランスフェクションを使用して細胞を遺伝子改変するために使用することができます。トランスフェクションとは、DNAやRNAなどの遺伝物質を哺乳類の細胞に挿入するプロセスです。細菌細胞に対して行われる場合、この技術は形質転換と呼ばれます。このプロセスでは、DNAは多くの場合、正に帯電した担体分子と複合体を形成したり、ポリエチレンイミンなどの正に帯電したリポソームまたはポリマー粒子内で凝縮したりします。正に帯電した複合体は、負に帯電した細胞膜に付着し、エンドソームと呼ばれる膜結合小胞を介して分子が細胞に侵入するプロセスであるエンドサイトーシスを介して細胞に侵入します。細胞内に入ると、遺伝物質はエンドソームを離れ、最終的には核に入り、そこで細胞の機構はMRNAを作り、そこからタンパク質を作ることができます。合成生物学の基礎を紹介したところで、研究室でよく使われているトランスフェクション技術をいくつか見ていきましょう。

エレクトロポレーションは、電極を使用して細胞膜に小さな孔を作り、それによってDNAを通過させる技術です。まず、48ウェルプレートの各ウェルの底部を250マイクロリットルの抗体とカルシウムとマグネシウムを含むバッファーでコーティングします。その後、プレートを37度でインキュベートします。次に、トランスフェクションのためにRNAを調製します。1マイクロリットルのRNAストック溶液を、トランスフェクションごとにマイクロセンティフュージチューブに分注し、チューブは氷上に残ります。次に、抗体でコーティングされたプレートをバッファーで洗浄してから、細胞培地を添加します。細胞を組織培養ウェルの底部から引き離し、遠心チューブにプールし、ペレット化し、再懸濁します。細胞をカウントし、その生存率を評価します。次に、少量の細胞をRNAの各アリコートに添加します。次に、RNA中の細胞をピペット電極チップにロードし、ガラスキュベットに電解バッファーを加えます。キュベットはホルダーの内側に配置され、ピペット電極はキュベットに配置されます。セルは、約1500ボルトのパルス電圧を使用してエレクトロポレーションされます。エレクトロポレーションが完了した後、細胞は培養プレートで細胞培養培地と混合され、使用または保存されます。

別の技術は、熱を使用して細胞膜に開口部を作成するヒートショック法です。まず、適切な培地と寒天を調製し、滅菌します。次に、抗生物質を含む冷却された寒天をプレートに注ぎ、室温まで冷却します。次に、ウォーターバスを摂氏42度に設定し、化学的にコンピテントな細胞を氷上で解凍します。コールドプラスミド1マイクロリットルあたり1ナノグラムの1〜5マイクロリットルを解凍した細胞に添加し、穏やかに混合します。次に、細胞と血漿の混合物を30分間氷に戻します。この氷上でのインキュベーション後、細胞混合物を水浴に入れ、30秒間熱ショックを与えます。次に、細胞とプラスミドの混合物を直ちに氷上に置いて、新鮮な培地を加えます。次に、細胞混合物を摂氏37度の振とうインキュベーターに1時間入れ、細胞が回復できるようにします。次に、培養した細菌を20〜200マイクロリットルの培養液に加え、寒天プレート上で細胞を培養します。その後、プレートを一晩インキュベートします。翌日、寒天プレートは、細胞がプラスミドを取り込んだことを示すコロニー増殖を示すはずです。これらのコロニーは、さらなる実験に使用できるようになりました。

一般的なトランスフェクションと形質転換の方法をいくつか紹介したところで、この新しい分野のいくつかの応用例を見てみましょう。遺伝子組み換え細菌は、油残渣の分解などの環境浄化に利用できる可能性があります。合成生物学の技術を使用して、特定の環境汚染物質を分解するようにカスタム生物を操作できます。これにより、一般的な労働集約的な清掃方法よりも清掃コストが安くなる可能性があります。合成的に構築された分子スケールの生物学的システムは、癌などの特定の疾患を診断および治療するために作成することもできます。これらの生物は、がん細胞の特徴的なシグネチャーまたは抗体に応答するように作成される可能性があります。また、プログラムされたターゲティングにより、感染細胞の治療を支援することもできます。

JoveのIntroduction to Synthetic Biologyをご覧になりました。あなたは今、この新しい分野の目標と、現在の世界の問題に対処するための生物を強化し、最終的に創造するために使用されるいくつかの技術に精通しているはずです。ご覧いただきありがとうございます。