1988 年に物理学者のリチャード ファインマンが亡くなったとき、彼は黒板に次のようなメモを残しました。ファインマンは科学的理解の性質を熟考していたかもしれませんが、その感情は合成生物学の精神も反映しています.その科学分野は、生物学的プロセスを解体し、正確に操作して、それらの把握をテストすることです.
カリフォルニア大学バークレー校の合成植物生物学者であるパトリック・シー氏は、「合成生物学の関係者は皆、この言葉を気に入っています。 「それはほぼ中心的な信条です。」
植物における新しい研究は、合成生物学の最も野心的な目標の実現に向けた重要な進歩を示しています。 Science で先月発表された研究 植物の根に一種の遺伝子回路を作り、実際にそれらがどのように成長するかをプログラミングしました。バイオエンジニアのジェニファー・ブロフィーと植物システム生物学者のホセ・ディネニーが率いるスタンフォード大学の研究者は、2 つの植物種の根系がより横方向に成長するか、水平方向に成長するか、および根がどの程度分岐するかを制御する遺伝子ツールキットを開発しました。彼らの研究は、植物の成長の遺伝モデルを確認し、複雑な生物の特定の組織で時間の経過とともに遺伝子活動の機能パターンをプログラムすることが可能であることを初めて示しています.
新しい遺伝子ツールキットは、他の合成生物学者の将来の実験で非常に役立つはずです。しかし、研究者の実験の結果は、Brophy と彼女の同僚が望んでいたほど単純ではなく、乱雑な生体システムにデジタル論理ゲートを適用することの難しさを示しています。
根の成長の再配線
合成生物学者は約 20 年間、遺伝子制御システムをバクテリアや複雑な培養細胞に挿入してきましたが、技術的な問題により、植物のような複雑な多細胞生物でこれを行うことははるかに困難になっています。そこで、生物学的回路を構築するために、Brophy、Dinneny、およびその同僚は、植物に腫瘍を引き起こす改変されたウイルスやバクテリアの断片を含む一連の分子ツールを組み立てて改良しました。合成生物学者は、特定の生物や実験のために必要な技術や遺伝要素を 1 回限りで作成することがよくありますが、スタンフォード大学のチームは、必要に応じてさまざまな生物に適応できる汎用ツールキットを組み立てることに関心を持っていました.
このカスタマイズ可能なツールキットを使用して、研究者は特定の生物に合わせて遺伝子回路を調整しました。この場合、彼らは 2 つの一般的なモデル生物 — Arabidopsis thaliana を使用しました。 、マスタード植物の親戚、および ニコチアナ ベンサミアナ 、タバコのいとこ。
研究者たちは、オン/オフスイッチのような合成プロモーター要素を作成し、根の成長に関与するさまざまな標的遺伝子に結合してそれらを活性化しました。次に、プログラマブル回路のブール論理ゲートのように、これらの制御要素を相互にリンクしました。この制御により、研究者は植物自身のタンパク質を動員して根の成長を促進 (または阻害) することができました。
彼らは、根毛の無秩序なクモの巣から単一の長い主根まで、プログラムされた幅広い根のバリエーションを植物に表現させました。彼らの目標は、特定の望ましい結果を生み出すことではなく、柔軟な制御を示すことでした。 「これは概念の証明です」と、新しい研究には関与していないフランス国立農業・食品・環境研究所の研究者であるオリビエ・マルタンは言いました。
根系の成長を制御することは、特に干ばつに見舞われた地域では、進行中の気候変動で生命がより悲惨になる可能性がある農業にとって革命的な可能性があります.作物は、浅い根系を成長させて、激しいがまれな雨をすばやく吸収するようにプログラムするか、根をまっすぐ下に送り、隣人のスペースを侵害しないように密集させておくようにプログラムすることができます.
アプリケーションは農業に限定されません。植物は「自然の化学者」であるとマーティンは言いました。 「彼らは信じられないほど多様な化合物を生み出します。」合成生物学を通じてその能力を利用することで、研究者は新しい医薬品を大規模に生産できるようになる可能性があります。
矛盾との戦い
しかし、合成植物生物学の成果は、まだファーマーズ マーケットやドラッグストアの棚に並ぶ準備ができていません。スタンフォード大学の実験に参加した植物のほとんどは、プログラミングに従って行動しましたが、その遺伝子発現は、研究者が望んでいたほど白黒ではありませんでした。 「『オフ』状態は完全にオフではなく、『オン』状態は相対的であるため、ブール値またはデジタルと呼ぶことさえ困難です」と Brophy 氏は述べています。
根では、「オフ」状態は、それ以上の成長を防ぐ根の巻きひげの先端にある細胞の層である完全な根冠によって示されました。 「オン」状態は、ルートまたはルートレットの存在によって単純に定義されました。しかし、研究者は、「オフ」状態の一部の根が部分的な根冠を発達させただけであることを観察しました。これは、特定の時点で成長を止めるのに十分ですが、完全に防ぐには十分ではありません.これらの異常な表現は、チームが Nicotiana 用に開発されたロジック ゲートを適用したときに最も頻繁に発生しました。 シロイヌナズナ 工場;ツールキットが シロイヌナズナ 用に調整された後、それらは消える傾向がありました
この種の部分的発現は合成生物学が直面する課題に追加されますが、それにも利点があるかもしれないと Shih 氏は述べています。動物での部分的な遺伝子発現はしばしば明らかではない (そしてより致命的である) ため、植物は動物よりも実験的試験の対象になりやすいかもしれません。 .
カナダのアルバータ大学のシステム生物学者で、この研究には関与していない Devang Mehta は、Brophy と Dinneny の研究を生物合成生物学における「大きな前進」と呼んでいます。しかし、彼は、次のステップがどれほど困難なものになるかを過小評価してはならないと警告しています。
「特にブール論理のようなものは、環境変数を実際に制御できる封じ込められた環境で非常に役立ちます」と Mehta 氏は言います。 「これを自然環境で行うのははるかに困難です。」
植物やその他の生物は、コンピューターとは異なり、環境に対して非常に敏感であり、信頼できる遺伝子回路でプログラミングするという課題を複雑にしているためです。 Brophy はそれらを計算機と対比させ、2 たす 2 は毎回 4 に等しい。 「寒いときは 2 たす 2 が 3 になり、明るすぎるときは 5 になるのは問題です」と彼女は言いました。畑で育つトウモロコシや小麦などの作物にブール遺伝子回路を実装するには、合成生物学者は天候を制御する方法を考案するか、より現実的には、植物が熱、寒さ、雨に強く反応するのを防ぐ必要があります.
「これは、この分野が非常に率直に対応する必要がある重要な制限です」と Shih 氏は述べています。彼は、ブロフィとディネニーの研究を、この課題に対処するための予備的なロードマップと見なしています。 「これで、どの [ツール] が機能し、どのツールが機能しないかがわかります。」
編集者注:ディネニーは、HHMI-シモンズ ファカルティの奨学生として、シモンズ財団から資金提供を受けています。 Quanta、この編集的に独立した科学ジャーナリズムの雑誌。
