ナノ・マイクロメートル小胞における非平衡代謝ネットワークの構築
2024年4月12日
膜タンパク質を再構成し、酵素やその他の水溶性成分をサブマイクロメートルおよびマイクロメートルサイズの脂質小胞にカプセル化するためのプロトコルを提示します。
オランダでは、BaSyCコンソーシアムが分子成分から合成細胞を構築することを目指しています。BaSyCコンソーシアムは、分子生物学から化学、物理学、計算科学まで幅広い研究グループで構成されています。本コンソーシアムは、情報伝達と分断を自律的に行う自己複製システムの構築を目指しています。
そして現在、私たちはより複雑な分子システムに向けて統合された分子ネットワークの構築に焦点を当てています。合成生物学における最近の開発には、細胞機能のためのモジュールのエンジニアリング、診断、治療、合成免疫学、および適応材料への応用のための複雑なネットワークへの統合が含まれます。この進歩は、ヨーロッパ、アメリカ、アジアのグループにまたがり、合成細胞構築に対するトップダウンとボトムアップの両方のアプローチを進歩させています。
私たちの分野では、代謝ネットワークを構築・最適化するための工学的・進化的手法が現在展開されています。分子選択にはAIを、成分の分離とネットワーク形成には高度な生化学的および生物物理学的手法を使用します。また、膜の再構成、物理的カプセル化、蛍光分光法や顕微鏡法による可視化も採用しています。
モジュールの集積化に伴い、膜タンパク質や酵素の数が膨大に増加し、再構成技術やカプセル化技術に制約が生じています。サブミクロンサイズの小胞では確率的なカプセル化が問題となり、脂質膜内で複数の膜タンパク質が再構成されると、マイクロメートルサイズの小胞の形成効率が低下します。フローニンゲンでは、ATP生産のための代謝ネットワークを開発し、基質供給と製品輸出を通じて非平衡状態を維持しています。
さらに、ATPのリサイクルを脂質前駆体の合成と排泄に結びつけることで、二次小胞が脂質を産生することを可能にしたのは、当研究室の大きな進歩です。
概要
本記事では、膜タンパク質の再構成および脂質小胞への酵素の封入に焦点を当て、分子コンポーネントから合成細胞を構築するためのプロトコルを提示します。本研究は、自律的な成長と情報伝達が可能な自己複製システムの開発を目的としています。
研究の主要構成要素
科学分野
- 合成生物学
- 分子生物学
- 生化学
背景
- オランダの基本コンソーシアムは、多様な研究グループで構成されています。
- 研究分野は、分子生物学、化学、物理学、および計算科学にわたります。
- 複雑な系のための分子ネットワークの構築に重点を置いています。
- 最近の進展には、細胞機能のためのエンジニアリングモジュールの構築が含まれます。
研究の目的
- 自律的に複製および増殖が可能な合成細胞を構築すること。
- 分子構成要素を複雑なネットワークへと統合すること。
- 診断、治療、および適応性材料における応用を検討すること。
使用方法
- 膜タンパク質の再構成。
- 脂質小胞への酵素の封入。
- 合成細胞構築へのトップダウンおよびボトムアップアプローチ。
- 国際研究グループ間の連携。
主な結果
- 水溶性成分の脂質小胞への封入に成功。
- 合成細胞構築のためのプロトコルの開発。
- 設計されたモジュールの機能的ネットワークへの統合。
- 自律的成長システムに向けた進展。
結論
- 本研究は合成生物学の分野に寄与するものである。
- 自己複製システムの構築に向けた可能性を強調している。
- 今後の応用により、診断や治療に革命をもたらす可能性がある。
よくある質問
産業界における重要性
ナノおよびマイクロメートルサイズの小胞内への複雑な代謝ネットワークの再構成により、非平衡な生物学的プロセスの精密なモデリングが可能となり、合成生物学における初期段階のターゲットバリデーションおよびメカニズムのデリスキングを支援します。このアプローチは、膜タンパク質、酵素、およびセンサーを統合するためのスケーラブルなプラットフォームを提供し、経路エンジニアリングおよび機能再構成における予測信頼性を向上させます。本手法は、制御された微小環境における代謝活性のリアルタイムかつ定量的な分析を可能にすることで、発見およびトランスレーショナルリサーチを加速させる戦略的な位置づけにあります。
バイオ医薬品R&Dにおける戦略的応用
早期発見およびターゲットバリデーション
- 制御されたベシクルシステム内での代謝経路機能の解析およびターゲットエンゲージメントの検証を可能にします。
- 生細胞外で複雑なタンパク質ネットワークを再構築しモニタリングすることで、生物学的なリスク低減を実現します。
- リアルタイムの蛍光読み取りにより、合成経路設計における予測の信頼性を高めます。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- ATP/ADP比、代謝物濃度、およびpHを定量的に測定するための、検証済みの小胞ベースのシステムを提供します。
- 精製された成分と定義された封入プロトコルを用いることで、アッセイの標準化と再現性を可能にします。
- マイクロ流体デバイスにおける代謝ネットワークの性能および化合物による影響の、スケーラブルなスクリーニングをサポートします。
トランスレーショナルおよび前臨床研究
- 翻訳研究モデルに向けて、合成代謝ネットワークを疾患に関連する生化学的経路と整合させることが可能になります。
- ベシクルバイオリアクターの容量を拡大し、光学分析を統合することで、発見から前臨床検証までの連続性を確保できます。
- in vivo 研究に先立ち、経路エンジニアリングに関するメカニズム的なリスク低減を可能にします。
パイプラインおよびワークフローの統合
この小胞ベースの手法は、代謝ネットワークのモジュール構築とリアルタイム分析を可能にすることで、初期の発見、アッセイ開発、およびトランスレーショナルリサーチを橋渡しします。
- 発見生物学： 合成代謝回路を再構成しモニタリングすることで、仮説検証とパスウェイの解明を促進します。
- スクリーニング： ベシクルシステムにおけるATP産生および代謝物フラックスについて、再現性のある定量的なアウトプットを提供します。
- 分析： 蛍光ベースの測定により、ネットワーク性能の比較分析および条件の最適化を実現します。
- トランスレーショナルリサーチ： スケーラブルでマイクロ流体デバイスと互換性のあるベシクル形式により、代謝プロセスの前臨床モデリングを支援します。
- 企業での再利用： R&Dプログラム全体で、ネットワークの反復設計と機能検証に使用可能な再利用可能なプラットフォームを構築します。
運用および企業への影響
- 科学的価値： 合成経路構築における予測の信頼性を向上させ、メカニズム上の曖昧さを軽減する。
- 運用的価値： カプセル化および再構成のワークフローを標準化し、再現性と拡張性を確保する。
- 戦略的価値： 合理的な判断（go/no-go決定）を可能にし、合成生物学資産の資本効率の高い前進を実現する。
- ポートフォリオへの影響： さらなる開発に向けた、リスク調整後の設計代謝ネットワークの優先順位付けを支援する。
実施上の検討事項
- 膜タンパク質の再構成、酵素のカプセル化、および蛍光分析の専門知識が必要です。
- 超遠心分離、マイクロ流体トラッピング、および高度な顕微鏡インフラストラクチャへのアクセスが求められます。
- ベシクル調製および分析プロトコルのチーム間での標準化が必要です。
- 異なるタンパク質ネットワークやベシクルサイズに応じて、適応が必要になる場合があります。
- ネットワークの複雑さとベシクルのスケールが増大するにつれて、確率的なカプセル化および効率に関する課題が増加します。
バイオファーマ FAQ
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:13
Reconstitution of Purified Membrane Proteins into Preformed Liposomes
5:08
Encapsulation of a Metabolic Network for ATP Recycling and Glycerol 3‐P Synthesis in Submicron‐Size Vesicles
7:04
Upscaling a Metabolic Network for Micrometer‐Sized Vesicles
