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合成生物学（SynBio）は、生体システムと生物に焦点を当てた学際的な科学分野であり、工学原理を応用して新しい生物学的部品、デバイス、システムを開発したり、自然界に見られる既存のシステムを再設計したりします。[1]
これは、生化学、バイオテクノロジー、生体材料、材料科学/工学、遺伝子工学、分子生物学、分子工学、システム生物学、膜科学、生物物理学、化学および生物工学、電気およびコンピュータ工学、制御工学、進化生物学など、さまざまな分野からの幅広い方法論を網羅する科学の分野です。
これには、生物学的モジュール、生物学的システム、生物学的機械の設計と構築、または既存の生物学的システムを有用な目的のために再設計することが含まれます。[2]
さらに、既存の生物に工学的技術を組み込んで有用な目的のために再設計する新しい能力に焦点を当てた科学の分野でもあります。[3]
自然界にまだ存在しない新しい機能を備えた予測可能で堅牢なシステムを生み出すためには、システム設計の工学パラダイムを生物システムに適用することも必要です。欧州委員会によると、これにはリボソームなどの生体分子システムに基づく分子アセンブラーが関係する可能性があります。[4]
歴史
1910年:ステファン・ルデュクの出版物『自然と生殖の物理学』において、初めて確認できる限り合成生物学という用語が使用された。[5]彼は1912 年の別の出版物『La Biologie Synthétique』でもこの用語に言及しました。[6]
1944年：カナダ系アメリカ人科学者オズワルド・エイブリーは、 DNAが遺伝子と染色体の材料であることを証明した。これはその後のすべての遺伝子研究の基礎となった。[7]
1953年：フランシス・クリックとジェームズ・ワトソンがDNAの構造をネイチャー誌に発表。
1961年：ヤコブとモノは大腸菌のlacオペロンの研究から分子ネットワークによる細胞制御を仮説し、分子成分から新しいシステムを組み立てる能力を構想した。[8]
1973年：コーエン、ボイヤーらがプラスミド中のDNAの最初の分子クローニングと増幅をPNASに発表し、合成生物学の幕開けとなった。[9]
1978年：アーバー、ネイサンズ、スミスが制限酵素の発見によりノーベル生理学・医学賞を受賞し、シバルスキーはGene誌に論説を掲載した。
制限ヌクレアーゼに関する研究は、組み換えDNA分子の構築や個々の遺伝子の分析を容易にするだけでなく、既存の遺伝子の記述と分析だけでなく、新しい遺伝子配列の構築と評価も可能となる合成生物学の新しい時代へと私たちを導きました。[10]
1988年：耐熱性DNAポリメラーゼを使用したポリメラーゼ連鎖反応（PCR）による最初のDNA増幅が、 MullisらによってScience誌に発表されました。 [11]これにより、PCRサイクルごとに新しいDNAポリメラーゼを追加する必要がなくなり、DNAの突然変異誘発と組み立てが大幅に簡素化されました。
2000年：ネイチャー誌に発表された2つの論文では、大腸菌細胞内の遺伝子を組み合わせることで合成された生物学的回路、遺伝子トグルスイッチと生物時計が報告された。[12] [13]
2003年：最も広く使用されている標準化されたDNAパーツであるバイオブリックプラスミドがトム・ナイトによって発明されました。[14]これらのパーツは翌年 MITで設立された国際遺伝子工学機械（iGEM）コンペティションの中心となるでしょう。
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2003年：研究者らが大腸菌内でアルテミシニン前駆体経路を設計した。[15]
2004年：合成生物学に関する初の国際会議「Synthetic Biology 1.0 (SB1.0)」がMITで開催されました。
2005年：研究者らが大腸菌で光感知回路を開発。[16]別のグループは多細胞パターン形成が可能な回路を設計。[17]
2006年：研究者らは腫瘍細胞への細菌の侵入を促進する合成回路を設計した。[18]
2010年：研究者らがサイエンス誌に、 M. mycoides JCVI-syn1.0と呼ばれる初の合成細菌ゲノムを発表しました。 [19] [20]このゲノムは、酵母の組み換えを利用して化学的に合成されたDNAから作られています。
2011年：酵母内で機能的な合成染色体腕が作製される。[21]
2012年：シャルパンティエとダウドナの研究室は、DNA切断を標的としたCRISPR-Cas9細菌免疫のプログラミングをサイエンス誌に発表した。 [22]この技術により、真核生物の遺伝子編集が大幅に簡素化され、拡張された。
2019年：ETHチューリッヒの科学者らは、Caulobacter etensis-2.0と名付けられた初の細菌ゲノムが完全にコンピューターによって作成されたと報告したが、C. etensis-2.0に関連する生存可能な形態はまだ存在していない。[23] [24]
2019年：研究者らは、細菌ゲノム中の64のコドンの自然数を59のコドンに減らし、20のアミノ酸をコードすることで、大腸菌の変異体である新しい合成（おそらく人工）形態の生存可能な生命体が生成されたと報告した。[25] [26]
2020年：科学者らは、カエルの細胞から派生しAIによって設計されたプログラム可能な合成生物である初のゼノボットを作成した。 [27]
2021年：科学者らは、ゼノボットが環境中の遊離細胞を集めて新しいゼノボットを形成することで自己複製できると報告した。[28]
展望
システム統合、人工生物、実用的な発見の面でその範囲が拡大している分野です。[1]
エンジニアは生物学を技術と見なしています（言い換えれば、特定のシステムにはバイオテクノロジーまたはその生物工学が含まれます）。[29]合成生物学にはバイオテクノロジーの幅広い再定義と拡張が含まれており、最終的な目標は、情報の処理、化学物質の操作、材料と構造の製造、エネルギーの生産、食料の提供、人間の健康の維持と向上、および生物システム（生物医学工学を参照と環境に関する基礎知識の向上を実現する、設計された生きた生物システムを設計および構築できるようにすることです。]
合成生物学に取り組んでいる研究者や企業は、自然の力を利用して農業、製造業、医療の問題を解決しています。[3]
遺伝子工学の能力が向上し、DNA合成と配列決定のコストが低下したため、合成生物学の分野は急速に成長しています。2016年には、40か国で350社を超える企業が合成生物学の応用に積極的に取り組んでおり、これらすべての企業の世界市場での純資産は39億ドルと推定されています。[31]合成生物学には現在、一般的に受け入れられている定義はありません。以下にいくつか例を挙げます。
これは、新しい（つまり合成された）生命体を生み出すための、新興の遺伝子工学と物理工学の科学です。新しい特性や強化された特性を持つ生物を開発するために、この新興の研究分野では、生物学、工学、および関連分野の知識と技術を組み合わせて、化学的に合成されたDNAを設計します。[32] [33]
生体分子工学には、生体細胞に新しい技術的機能をもたらすために導入できる機能ユニットのツールキットを作成することを目的としたアプローチが含まれます。遺伝子工学には、合成染色体やMycoplasma laboratoriumのような最小生物を構築するアプローチが含まれます。
生体分子設計とは、生体分子成分の新規設計と付加的組み合わせという一般的な考え方を指します。これらのアプローチはいずれも、前段階のより単純な部分を独創的に操作することで、より複雑なレベルでより合成的な実体を開発するという同様の課題を共有しています。[34] [35]非自然システムでこれらの外因性経路を最適化するには、個々の生体分子成分を繰り返し微調整して、目的の製品の最高濃度を選択する必要があります。[36]
一方、「リライター」は、生物システムの不可逆性をテストすることに関心を持つ合成生物学者です。自然の生物システムの複雑さを考えると、興味のある自然のシステムを一から再構築し、理解、制御、操作しやすい人工の代替物を提供する方が簡単です。[37]リライターは、コンピュータソフトウェアを改善するために使用されることがある リファクタリングからインスピレーションを得ています。
カテゴリー
バイオエンジニアリング、合成ゲノミクス、原始細胞合成生物学、非従来型分子生物学、およびin silico技術は、合成生物学の5つのカテゴリーです。[38]
合成生物学の社会的・倫理的評価のためには、合成生物学のカテゴリー間の区別と類似性を再検討し、分野全体に影響を及ぼす問題と特定の分野に特有の問題を区別する必要がある。[38]
バイオエンジニアリング
バイオエンジニアリングのサブフィールドは、新しい代謝経路と調節経路の作成に重点を置いており、現在、ほとんどの研究者と資金の注目を集めている分野です。これは主に、バイオテクノロジーを正当なエンジニアリング分野として確立したいという願望によって動機付けられています。合成生物学のこの分野について言及する場合、「バイオエンジニアリング」という言葉を、単一のトランスジーンを目的の生物に導入する「従来の遺伝子工学」と混同しないでください。バイオエンジニアは、合成生物学を適応させて、生物または代謝システムを変更する方法について、大幅に統合された視点を提供しました。[38]
単一遺伝子遺伝子工学の典型的な例は、ヒトインスリン遺伝子を細菌に挿入してトランスジェニックタンパク質を作成することです。多数の遺伝子と制御コンポーネント（哺乳類細胞で緑色蛍光タンパク質（GFP）の周期的な生成を開始する発振回路など）を含むまったく新しいシグナル伝達経路の作成は、合成生物学の一部としてバイオエンジニアリングとして知られています。[38]
バイオエンジニアリングは、簡略化・抽象化された代謝・調節モジュールや、自由に組み合わせて新しい経路や生物を作り出すことができる標準化された部品を活用することで、革新的な生物学的システムを作り出すことを目指しています。この戦略は、新しい用途の無限の機会を生み出すだけでなく、バイオエンジニアリングを従来のバイオテクノロジーよりも予測可能で制御可能なものにすると期待されています。[38]
合成ゲノミクス
化学的に製造された（最小限の）ゲノムを持つ動物の形成は、合成ゲノミクスによって強調される合成生物学のもう一つの側面です。合成生物学のこの分野は、DNA合成技術の継続的な進歩によって可能になりました。これにより、数千の塩基対を持つDNA分子を合理的なコストで製造することが可能になりました。目標は、これらの分子を完全なゲノムに組み合わせて生きた細胞に移植し、宿主細胞のゲノムを置き換えて代謝を再プログラムし、異なる機能を実行することです。[38]
科学者たちはこれまで、複数のウイルスのゲノムを合成して感染性ウイルスを作成することで、このアプローチの可能性を実証してきました。科学技術のこれらの大きな進歩は、この技術に関連するリスクに関する最初の一般の懸念を引き起こしました。[38]
単純なゲノムは、特定のタスク用に作成された遺伝子の組み込みによって迅速に拡大できる「シャーシゲノム」としても機能する可能性があります。このような「シャーシ生物」は、特定の挿入部位があることに加えて、新しい機能と潜在的に衝突する可能性のある生物学的経路が少ないため、野生生物よりも新しい機能の挿入に適しています。合成ゲノミクスは、バイオエンジニアリングの方法と同様に、新しい「アーキテクチャ」を持つ生物の作成を目指しています。生物の統合的または全体論的な視点を採用しています。この場合、目的は、抽象的な基準に基づいて代謝または制御経路を設計するのではなく、必要な遺伝子とその他の必要なDNA配列に基づいてシャーシゲノムを作成することです。[38]
原始細胞合成生物学
合成細胞の試験管内生成は、合成生物学の原細胞分野である。完全なシステムとして機能するために必要なすべての構成要素を備えた脂質小胞は、これらの人工細胞を作成するために使用できる。最終的に、これらの合成細胞は、生きていると見なされるための要件、つまり自己複製、自己維持、および進化の能力を満たす必要がある。原細胞技術はこれを最終目標としているが、生きた細胞のすべての基準を満たすには至らない中間段階が他にもある。特定の機能を実行するために、これらの脂質小胞には、細胞抽出物、または酵素、核酸、リボソームなどのより具体的な生物学的高分子および複合構造のセットが含まれている。たとえば、リポソームは特定のポリメラーゼ連鎖反応を実行したり、特定のタンパク質を合成したりすることができる。[38]
プロトセル合成生物学は、最終的にはゲノムだけでなく細胞のすべての構成要素を試験管内で合成することで、人工生命を現実に一歩近づけます。これは、導入された合成ゲノムによってコード化された指示を天然細胞に実行させることに頼る合成ゲノミクスアプローチとは対照的です。この分野の合成生物学者は、他のどの技術よりも、自分たちの研究を生命が存在するために必要な条件とその起源に関する基礎研究と見なしています。しかし、プロトセル技術は応用にも適しています。他の合成生物学の副産物と同様に、プロトセルはバイオポリマーや医薬品の製造に使用できます。[38]
非伝統的な分子生物学
「非自然分子生物学」戦略の目的は、新しいタイプの核酸や新しい遺伝コードなど、異なる種類の分子生物学に基づいた新しい種類の生命を創り出すことです。独自の核酸に組み込むことができる新しいタイプのヌクレオチドの創製は、塩基や骨格糖などの特定のDNAまたはRNA構成要素を変更することで実現できます。[38]
通常の遺伝暗号は、四重コドンを挿入したり、いくつかのコドンを変更して新しいアミノ酸をコードするように変更されており、これにより、タンパク質生産においてユニークな特徴を持つ非天然アミノ酸の使用が可能になります。両方のアプローチに対して細胞の酵素機構を調整することは、科学的かつ技術的な問題です。[38]
合成核酸または合成アミノ酸のまったく新しいコード体系に基づいてゲノムを構築した生物によって、新しい種類の生命が形成されるだろう。この新しい生命スタイルにはいくつかの利点があるが、いくつかの新しい危険もある。環境に放出されても、水平遺伝子伝達や自然種との遺伝子の異系交配は起こらない。さらに、これらの種類の合成生物は、タンパク質や核酸の合成に非自然材料を必要とするように作られる可能性があり、誤って逃げ出した場合、野生では繁栄できなくなる。[38]
一方、これらの生物が最終的に管理された空間の外で生存することができれば、捕食生物や天然ウイルスに対する耐性を持つため、合成生物の管理されていない拡散につながる可能性があるため、天然生物よりも特に有利になる可能性があります。[38]
インシリコ技術
合成生物学のin silicoとさまざまな戦略は相互に関連している。代謝経路、基本的な細胞プロセス、シャーシゲノムなど、複雑な設計の開発は、上で概説した4つの合成生物学の方法が直面する大きな困難の1つである。このため、合成生物学には、システム生物学に似た強力なin silico分野があり、一般的な生物学的コンポーネントまたは合成回路の設計のための計算モデルを作成することを目的としており、これは本質的に合成生物のシミュレーションである。[38]
バイオエンジニアリングや合成生物学の他の分野を通じてシミュレーションやモデルを実用化することが、インシリコ合成生物学の長期的な目標です。これまでの合成生物の計算シミュレーションの多くは、生物と直接類似するものがほとんどないか、まったくありません。このため、この記事ではインシリコ合成生物学を別のグループとして扱っています。[38]
合成生物学の傘下にある5つの分野を1つの統一された研究分野として統合することは理にかなっています。代謝調節、必須元素、生化学的構成など、生命のさまざまな側面に焦点を当てていますが、これら5つの戦略はすべて、新しいタイプの生物を創造するという同じ目的に向かっています。さらに、多様な方法論は多数の方法論的アプローチから始まり、それが合成生物学のアプローチの多様性につながります。[38]
合成生物学は、単一の分野や技術ではなく、多くの異なる科学分野から影響を受け、刺激を受ける学際的な分野です。合成生物学者は、さまざまな方法論、技術、研究機器を採用しているにもかかわらず、新しい生命体を設計して生み出すという同じ基本的な目的を持っています。合成生物学を評価する場合、倫理的、法的、または安全性の考慮事項を検討するかどうかにかかわらず、いくつかの疑問、リスク、および問題は各技術に固有のものである一方で、他の状況では合成生物学全体を考慮する必要があるという事実を考慮する必要があります。[38]
4つのエンジニアリングアプローチ
合成生物学は伝統的にトップダウン、並列、直交、ボトムアップの4つの異なる工学的アプローチに分類されてきた。[39]
自然生物学から生じる行動を再現し、人工生命を構築するには、非天然化学物質が使用されます。もう 1 つは、生物システムから互換性のあるコンポーネントを探し、組み合わせて、自然には機能しないシステムを作成します。どちらの場合も、合成の目的は、分析では簡単に解決できない問題に取り組んで解決するために、研究者を新しい領域に進出させることです。これにより、分析では簡単にはできない方法で新しいパラダイムが生まれることになります。振動、這い、三目並べをする機器に加えて、合成生物学は感染症患者の治療を強化する診断機器を生み出しました。[40]
トップダウンアプローチ
これは、代謝および遺伝子工学技術を使用して、生きた細胞に新しい機能を付与するものである。[41]この方法は、普遍的な遺伝子を比較し、必須でない遺伝子を排除して基本ゲノムを作成することにより、既存の細胞の複雑さを軽減することを目指している。これらの取り組みは、細胞生命の単一の起源、いわゆる最後の普遍的共通祖先という仮説に基づいており、これはすべての生物を生み出した普遍的な最小ゲノムの存在を支持する。しかし、最近の研究では、生命の樹を構成する真核細胞と原核細胞は、単一の細胞からではなく、原始細胞のグループから進化した可能性があるという可能性が浮上している。その結果、「最小ゲノム」の聖杯のような追求は困難になっているが、いくつかの必須でない機能を切り取ると、生物の適応性が損なわれ、「脆弱な」ゲノムにつながる。[39]
ボトムアップアプローチ
このアプローチでは、多くの場合人工細胞の構築を目的として、「非生物」生体分子成分を組み合わせて試験管内で新しい生物学的システムを作成します[42]。
再生、複製、およびアセンブリは、これを実現するために考慮される 3 つの重要な自己組織化原理です。容器と代謝物で構成される細胞は、再生の定義では「ハードウェア」と見なされますが、複製はシステムがそれ自体の完全なコピーを複製するときに発生し、DNA の場合は「ソフトウェア」と見なされます。脂質やリポソームなどの有機分子の小さな液滴で形成された小胞または容器 (オパリンのコアセルベートなど) の場合、リン脂質を含む膜状の構造、凝集体、アセンブリが発生します。[39]
原細胞の研究は、他のin vitro合成生物学の取り組みと並行して行われており、最小限の細胞、代謝経路、または「未だ生まれていないタンパク質」を生成し、細胞分裂や成長などの生理学的機能を模倣することを目指しています。in vitro合成経路の強化は、もはや合成生物学研究として分類されていないにもかかわらず、代謝工学を含む他の合成生物学分野に影響を与える可能性があります。この研究は基本的に不可欠であり、合成生物学研究として適切に認識されるに値します。[39]
並行アプローチ
並列エンジニアリングはバイオエンジニアリングとも呼ばれます。基本的な遺伝コードは並列エンジニアリング研究の基礎であり、核酸や 20 種類のアミノ酸などの従来の生体分子を使用して生物システムを構築します。バイオコンピューティング、バイオエネルギー、バイオ燃料、バイオレメディエーション、オプトジェネティクス、医療のさまざまなアプリケーションでは、DNA コンポーネントの標準化、スイッチ、バイオセンサー、遺伝子回路、論理ゲート、セルラー通信オペレーターのエンジニアリングが含まれます。2 つ以上の遺伝子やタンパク質の発現を指示するために、これらのアプリケーションの大半は、1 つ以上のベクター (またはプラスミド) の使用に依存しています。プラスミドと呼ばれる小さな環状の 2 本鎖 DNA ユニットは、主に原核生物に見られますが、真核生物の細胞でも時々検出され、染色体 DNA から自律的に複製される可能性があります。[39]
直交アプローチ
これは垂直工学としても知られています。「化学合成生物学」とも呼ばれるこの戦略は、主に人工DNA塩基やアミノ酸を利用して生体システムの遺伝コードを変更または拡張することを目指しています。このサブフィールドは、システム化学、合成生物学、宇宙生物学、生命の起源の研究を組み合わせた新しく開発された分野である異種生物学にも関連しています。ここ数十年で、研究者はDNA標準塩基と構造的に類似した化合物を作成し、それらの「エイリアン」または異種（XNA）分子が遺伝情報のキャリアとして使用できるかどうかを確認しました。これと同様に、非標準部分がDNA糖（デオキシリボース）に取って代わりました。[39]タンパク質の20の通常のアミノ酸以外の情報を表現するために、遺伝コードを変更または拡張することができます。 1 つの方法は、直交酵素と他の生物からのトランスファー RNA アダプターを使用して、特定の非天然、非標準、または異種アミノ酸 (XAA) を 1 つ以上のタンパク質の 1 つ以上の正確な場所に組み込むことです。遺伝子変異 (遺伝子型の多様性の生成)、スクリーニングまたは選択 (特定の表現型特性)、および次の反復ラウンドのためのより優れた変異体の増幅の繰り返しサイクルを伴う「指向性進化」を使用することで、直交酵素が生成されます。多数の XAA が、ワームやハエなどのより複雑な生物、および細菌、酵母、およびヒト細胞株のタンパク質に効果的に組み込まれています。標準的な DNA 配列の変更の結果として、指向性進化は直交リボソームの開発も可能にします。これにより、XAA をタンパク質に組み込んだり、「ミラー ライフ」、つまり異なるキラル配向を持つエナンチオマーで構成された生体分子を含む生物学的システムを作成したりすることが容易になります。[39]
実現技術
合成生物学の成功には、いくつかの新しい実現技術が不可欠でした。概念には、生物学的部分の標準化と、それらの部分を合成システムで使用できるようにするための階層的抽象化が含まれます。 [43] DNAは、複雑な生命のシンフォニーの楽譜のように、生物学的プロセスがどのように機能するかを示すガイドとして機能します。過去数十年間のDNA配列の読み取り（シーケンシング）と書き込み（合成）の両方の進歩により、生物学的システムを理解し設計する能力は大幅に変化しました。これらの進歩により、DNAにエンコードされた遺伝子、材料、回路、代謝経路を設計、組み立て、変更するための画期的な技術が生まれ、生物学的システム、さらには生物全体をますます制御できるようになりました。[44]
基本的な技術には、DNAの読み取りと書き込み（配列決定と製造）が含まれます。正確なモデリングとコンピュータ支援設計（CAD） には、複数の条件下での測定が必要です。
DNAと遺伝子合成
オリゴヌクレオチド（「オリゴ」）合成のコストが劇的に低下し、PCRが登場したことにより、オリゴからのDNA構造のサイズはゲノムレベルにまで拡大した。 [45] 2000年、研究者らは化学的に合成された60～80塩基対から9.6kbp（キロbp）のC型肝炎ウイルスゲノムを合成したと報告した。 [46] 2002年、ストーニーブルック大学の研究者らは、公開された配列から7741bpのポリオウイルスゲノムを合成することに成功し、2年かけて2番目の合成ゲノムを作成した。[47] 2003年、バクテリオファージ Phi X 174の5386bpゲノムが約2週間で組み立てられた。[48] 2006年に、 J.クレイグ・ベンター研究所の同じチームが、新しい極小細菌であるマイコプラズマ・ラボラトリアムの合成ゲノムを構築して特許を取得し、それを生きた細胞内で機能させる研究を行っていました。[49] [50] [51]
2007年には、数社が2000塩基対（bp）までの遺伝子配列の合成を、1bpあたり約1ドルの価格で2週間未満で提供していると報告された。 [52] フォトリソグラフィーまたはインクジェットで製造されたDNAチップから採取されたオリゴヌクレオチドとPCRおよびDNAミスマッチエラー訂正を組み合わせることで、遺伝子システムのコドンを安価に大規模に変更して遺伝子発現を改善したり、新しいアミノ酸を組み込んだりすることができる（George M. ChurchとAnthony Forsterの合成細胞プロジェクトを参照。[53] [54]）。これは、ゼロからの合成アプローチに有利である。
さらに、CRISPR/Casシステムは、遺伝子編集の有望な技術として浮上しました。これは「合成生物学分野における約30年間で最も重要な革新」と評されました。[55]他の方法では遺伝子配列の編集に数か月から数年かかりますが、CRISPRはその時間を数週間に短縮します。[55]しかし、その使いやすさとアクセスしやすさのために、特にバイオハッキングでの使用をめぐって倫理的な懸念が生じています。[56] [57] [58]
シーケンシング
DNA 配列は、 DNA 分子内のヌクレオチド塩基の順序を決定します。合成生物学者は、DNA 配列をいくつかの方法で研究に利用しています。第一に、大規模なゲノム配列の取り組みにより、自然界に存在する生物に関する情報が継続的に提供されています。この情報は、合成生物学者が部品やデバイスを構築するための豊富な基盤を提供します。第二に、配列は、製造されたシステムが意図したとおりであることを検証できます。第三に、高速で安価で信頼性の高い配列は、合成システムと生物の迅速な検出と識別を容易にします。[59]
モジュール性
これは、システムまたはコンポーネントがそのコンテキストに関係なく動作する能力です。[60]
最もよく使われている標準化され たDNAパーツは、トム・ナイトが2003年に発明したバイオブリックプラスミドです。 [14]バイオブリックは、マサチューセッツ州ケンブリッジの標準生物学的パーツ登録所に保管されています。バイオブリック標準は、国際的な遺伝子工学機械（iGEM）コンテストで世界中の何万人もの学生に使用されています。バイオブリックアセンブリ標準10は、制限酵素EcoRIまたはXbaI（バイオブリックプレフィックス）とSpeIおよびPstI（バイオブリックサフィックス）を使用してバイオブリックコーディング配列を切り出して交換できるようにすることで、モジュール性を促進しています。[61] : 22–23
2つの遺伝要素（遺伝子またはコード配列）間の配列の重複は重複遺伝子と呼ばれ、それらの個別の操作を防ぐことができます。[62]ゲノムのモジュール性を高めるために、ゲノムリファクタリング、つまり「外部システムの機能を維持しながら、将来の使用のために既存のシステムの内部構造を改善する」[63]という手法が、合成生物学の分野全体で採用されています。[62]リファクタリングの注目すべき例としては、窒素固定クラスター[64]とタイプIII分泌システム[65]、バクテリオファージT7 [63]とΦX174などがあります。[66]
DNAは情報の保存に最も重要ですが、細胞の活動の大部分はタンパク質によって行われます。ツールは、細胞の特定の領域にタンパク質を送り、異なるタンパク質を互いにリンクすることができます。タンパク質パートナー間の相互作用の強さは、数秒の寿命（動的なシグナル伝達イベントに望ましい）から不可逆的な相互作用（デバイスの安定性や過酷な条件に対する耐性に望ましい）まで調整可能である必要があります。コイルドコイル[67] 、SH3ドメインペプチド結合[68]、またはSpyTag / SpyCatcher [69]などの相互作用は、そのような制御を提供します。さらに、光（光酸素電圧感知ドメインを使用）や化学的に誘導された二量体化による細胞透過性小分子など、細胞内のタンパク質間相互作用を制御する必要があります。[70]
生きた細胞では、分子モチーフは上流と下流のコンポーネントを含むより大きなネットワークに埋め込まれています。これらのコンポーネントはモデリングモジュールのシグナル伝達能力を変える可能性があります。超高感度モジュールの場合、モジュールの感度の寄与は、モジュールが単独で維持する感度とは異なる場合があります。[71] [72]
モデリング
モデルは、製造前にシステムの動作をより正確に予測することで、人工生物システムの設計に役立ちます。合成生物学は、生物学的分子が基質に結合して反応を触媒する方法、DNAが細胞を特定するために必要な情報をどのようにエンコードするか、および複数のコンポーネントの統合システムがどのように動作するかに関するより優れたモデルから恩恵を受けます。遺伝子制御ネットワークのマルチスケールモデルは、合成生物学のアプリケーションに焦点を当てています。シミュレーションは、遺伝子制御ネットワークの転写、翻訳、制御、および誘導におけるすべての生体分子の相互作用をモデル化できます。[73] [74] [75] [76]
関与する種の数が多く、それらの関係が複雑なため、広範囲にわたるモデリングによってのみ、研究や設計に適した形で動的な遺伝子発現を調査することができます。調節、輸送、転写、誘導、翻訳に関与する生体分子の相互接続全体の動的シミュレーションにより、分子レベルでの設計の詳細が可能になります。これは、人工ネットワークを事後的にモデリングすることとは対照的です。[77]
マイクロ流体
マイクロ流体工学、特に液滴マイクロ流体工学は、新しいコンポーネントを構築し、それらを分析および特性評価するために使用される新しいツールです。[78] [79]スクリーニングアッセイで広く使用されています。[80]
合成転写因子
研究では、 DNA転写機構の構成要素が検討されてきた。合成生物回路を作成する科学者の望みの1つは、単細胞生物（原核生物）および多細胞生物（真核生物）における合成DNAの転写を制御できるようにすることである。ある研究では、転写出力の領域における合成転写因子（sTF）の調整可能性と、複数の転写因子複合体間の協調能力をテストした。 [81]研究者は、sTFのDNA特異的構成要素であるジンクフィンガーと呼ばれる機能領域を変異させて、特定のオペレーターDNA配列部位に対する親和性を低下させ、それによってsTFの関連する部位特異的活性（通常は転写調節）を低下させることができた。彼らはさらに、真核生物の翻訳機構である複合体形成sTFの構成要素としてジンクフィンガーを使用した。[81]
アプリケーション
合成生物学の取り組みは、多くの場合、生物を再設計して、薬物や燃料などの材料を作成したり、環境内の何かを感知する能力などの新しい機能を獲得したりすることを目指しています。研究者が合成生物学を使用して作成しているものの例としては、次のものがあります。
- 微生物を利用したバイオレメディエーションにより、水、土壌、空気から汚染物質を除去します。
- 通常は植物から抽出されるが、十分な量を得ることができない複雑な天然物（例：アルテミシニンやパクリタキセルなどの天然由来の医薬品）の製造。
- ベータカロチンは、ビタミンA欠乏症を防ぐと一般的にはニンジンに関係する物質だが、遺伝子組み換えされた米から生産される。毎年、25万人から50万人の子供がビタミンA欠乏症で視力を失い、感染症で死亡する確率も大幅に上昇している。
- 香水製造者が高価な香りを作り出すために使用する新鮮なバラの持続可能で環境に優しい代替品として、酵母が作られ、ローズオイルが生産されました。[82]
バイオセンサー
バイオセンサーとは、重金属や毒素の存在など、周囲の現象を報告できる人工生物（通常は細菌）を指します。そのようなシステムの 1 つがAliivibrio fischeriのLux オペロンです[83]。これは細菌の生物発光の源となる酵素をコードしており、応答プロモーターの後に配置することで、特定の環境刺激に反応して発光遺伝子を発現させることができます。[84]作成されたそのようなセンサーの 1 つは、感光性コンピューター チップ上に生物発光細菌コーティングを施したもので、特定の石油汚染物質を検出します。細菌が汚染物質を感知すると、細菌は発光します。[85]同様のメカニズムの別の例としては、 TNTとその主な分解産物であるDNTを検出し、その結果として緑色蛍光タンパク質 ( GFP ) を生成することができる、人工大腸菌レポーター株による地雷の検出があります。[86]
遺伝子組み換え生物は環境信号を感知し、検出して診断目的に使用できる出力信号を送信することができる。微生物コホートが使用されている。[87]
バイオセンサーは、 SARS-CoV-2などの病原性シグネチャを検出するためにも使用でき、ウェアラブルにもなり得る。[88] [89]
細胞は、さまざまな一時的な環境要因を検出して反応するために、転写から翻訳後まで、幅広い調節回路を開発してきました。これらの回路は、信号をフィルタリングして生物学的反応を活性化するトランスデューサーモジュールと、分析対象物を結合して信号検出閾値を制御する慎重に設計された感度セクションで構成されています。モジュール性と選択性は、転写、翻訳、翻訳後のレベルでバイオセンサー回路にプログラムされており、2つの基本的な感知モジュールの微妙なバランスを実現しています。[90]
飲食
しかし、合成栄養製品はすべて動物性食品というわけではありません。例えば、2021年現在、商品化が近いと報告されている合成コーヒーの製品もあります。 [98] [99] [100]食品や飲料の生産に使用できる合成生物学に基づく同様の研究と生産の分野は次のとおりです。
材料
光合成微生物細胞はクモの糸の合成生産のステップとして利用されてきた。[105] [106]
生物学的コンピュータ
生物学的コンピュータとは、コンピュータのような操作を実行できる設計された生物学的システムを指し、合成生物学における支配的なパラダイムです。研究者らは、多数の生物でさまざまな論理ゲートを構築して特性評価し、 [107]生きた細胞でアナログとデジタルの両方の計算を実証しました。彼らは、細菌がアナログとデジタルの両方の計算を実行するように設計できることを実証しました。[108] [109] 2007年には、ヒト細胞で、哺乳類細胞で動作する汎用ロジック評価器が研究で実証されました。[110]その後、研究者らはこのパラダイムを利用して、生物学的デジタル計算を使用してヒトの癌細胞を検出して殺す概念実証療法を2011年に実証しました。[111] 2016年には、別の研究者グループが、コンピュータエンジニアリングの原理を使用して細菌細胞のデジタル回路設計を自動化できることを実証しました。[112] 2017年には、研究者らが「DNA切除によるブール論理と算術」(BLADE) システムを実証し、ヒト細胞でデジタル計算を設計しました。[113] 2019年に研究者らは生物系にパーセプトロンを実装し、これらのシステムにおける機械学習への道を開いた。[114]
細胞変換
細胞は、遺伝子回路と呼ばれる相互作用する遺伝子とタンパク質を使用して、環境信号への応答、意思決定、通信などの多様な機能を実行します。関与する 3 つの主要コンポーネントは、DNA、RNA、合成生物学者が設計した遺伝子回路で、転写、転写後、翻訳レベルなど、いくつかのレベルから遺伝子発現を制御できます。
伝統的な代謝工学は、外来遺伝子の組み合わせの導入と指向性進化による最適化によって強化されてきた。これには、抗マラリア薬アルテミシニンの前駆体の商業生産のための大腸菌と酵母の工学が含まれる。[115]
生物全体をゼロから作り出すことはまだできていないが、生きた細胞を新しいDNAで形質転換することはできる。合成DNA成分や合成ゲノム全体を構築する方法はいくつかあるが、目的の遺伝子コードが得られれば、それは生きた細胞に組み込まれ、成長して繁栄する間に、目的の新しい能力や表現型を発現することが期待される。[116]細胞の形質転換は生物学的回路を作成するために使用され、これを操作することで目的の出力を得ることができる。[12] [13]
合成生物学と材料科学を統合することで、細胞を微小な分子工場として利用し、特性が遺伝的にコード化された材料を生産することが可能になる。リエンジニアリングにより、バイオフィルムの細胞外物質のアミロイド成分であるカーリ繊維が、プログラム可能なナノ材料のプラットフォームとして生み出された。これらのナノファイバーは、基質への接着、ナノ粒子のテンプレート化、タンパク質の固定化など、特定の機能のために遺伝的に構築された。[117]
設計されたタンパク質
天然タンパク質は、例えば指向性進化によって設計することができ、既存のタンパク質の機能性に一致するか、またはそれを改善した新しいタンパク質構造を生成することができる。あるグループは、ヘモグロビンと同様の特性を持ち、酸素と結合できるが一酸化炭素とは結合しないらせん束を生成した。[119]同様のタンパク質構造が、さまざまな酸化還元酵素活性をサポートするために生成された。 [120 ]一方、別のグループは、構造的かつ連続的に新しいATPaseを形成した。[121]別のグループは、不活性な小分子クロザピンN-オキシドによって活性化されるが、天然リガンドであるアセチルコリンには反応しないGタンパク質共役受容体のファミリーを生成した。これらの受容体はDREADDとして知られている。[122]新しい機能性またはタンパク質特異性は、計算的アプローチを使用して設計することもできる。1つの研究では、2つの異なる計算方法を使用することができた。1つは、配列データベースをマイニングするためのバイオインフォマティクスおよび分子モデリング方法、もう1つは、酵素特異性を再プログラムするための計算酵素設計方法である。どちらの方法も、糖から長鎖アルコールを生成するための100倍以上の特異性を持つ酵素の設計に成功しました。[123]
もう一つの一般的な研究は、天然の20アミノ酸セットの拡張である。終止コドンを除いて、61のコドンが特定されているが、すべての生物で一般的にコードされているのは20アミノ酸だけである。特定のコドンは、O-メチルチロシンなどの非標準アミノ酸や4-フルオロフェニルアラニンなどの外因性アミノ酸など、代替アミノ酸をコードするように設計されている。通常、これらのプロジェクトでは、他の生物から再コードされたナンセンスサプレッサーtRNA-アミノアシルtRNA合成酵素ペアを使用するが、ほとんどの場合、大幅なエンジニアリングが必要である。[124]
他の研究者は、通常の20アミノ酸セットを減らしてタンパク質の構造と機能を研究しました。限定されたタンパク質配列ライブラリは、アミノ酸のグループを1つのアミノ酸に置き換えることができるタンパク質を生成することによって作成されます。 [125]たとえば、タンパク質内のいくつかの非極性アミノ酸はすべて、1つの非極性アミノ酸に置き換えることができます。[126]あるプロジェクトでは、コリスミ酸ムターゼの改変バージョンは、わずか9つのアミノ酸を使用した場合でも触媒活性を維持できることが実証されました。[127]
研究者や企業は、合成生物学を実践して、活性が高く、収量と効率が最適な工業用酵素を合成しています。これらの合成酵素は、洗剤や乳糖を含まない乳製品などの製品を改善し、コスト効率を高めることを目的としています。 [128]合成生物学による代謝工学の改善は、医薬品や発酵化学物質を発見するために業界で利用されているバイオテクノロジー技術の一例です。合成生物学は、生化学生産におけるモジュール経路システムを調査し、代謝生産の収量を増やすことができます。人工酵素活性と、その後の代謝反応速度と収量への影響により、「産業的に重要な生化学生産のための細胞特性を改善するための効率的な新しい戦略」が開発される可能性があります。[129]
設計された核酸システム
科学者は、デジタル情報を一本の合成DNA鎖にエンコードすることができる。2012年、ジョージ・M・チャーチは合成生物学に関する著書の1冊をDNAにエンコードした。5.3 Mbのデータは、合成DNAに保存されたこれまでの最大情報量の1000倍以上であった。[130]同様のプロジェクトでは、ウィリアム・シェイクスピアのソネット全集をDNAにエンコードした。 [ 131 ]より一般的には、NUPACK、[132] ViennaRNA、[133] Ribosome Binding Site Calculator、[134] Cello、[135] Non-Repetitive Parts Calculator [136]などのアルゴリズムにより、新しい遺伝子システムの設計が可能になる。
非天然ヌクレオチドやアミノ酸を核酸やタンパク質に組み込む技術は、試験管内および生体内の両方で数多く開発されている。例えば、2014年5月、研究者らは2つの新しい人工ヌクレオチドを細菌のDNAに導入することに成功したと発表した。培養培地に個々の人工ヌクレオチドを含めることで、細菌を24回交換することができたが、人工ヌクレオチドを利用できるmRNAやタンパク質は生成されなかった。 [137] [138] [139]
宇宙探査
合成生物学は、地球から送られる限られた化合物のポートフォリオから宇宙飛行士のための資源を生産するのに役立つ可能性があるため、NASAの関心を集めました。 [140] [141] [142]特に火星では、合成生物学は地元の資源に基づいた生産プロセスにつながる可能性があり、地球への依存度が低い占領地の開発における強力なツールになります。[140]農作物の特定の環境要因に対する耐性を高めるために使用されるものと同様の技術を使用して、過酷な火星環境に対応できる植物株の開発に取り組んでいます。[143]
合成生命
合成生物学における重要なトピックの1つは合成生命であり、生体分子やその化学的類似体から試験管内で作成された仮想生物に関するものである。合成生命実験は、生命の起源を探ったり、生命のいくつかの特性を研究したり、より野心的に非生物（非生物）成分から生命を再現したりすることを試みる。合成生命生物学は、医薬品の製造から汚染された土地や水の解毒まで、重要な機能を実行できる生物の作成を試みる。[145]医学では、デザイナー生物学的部品を新しい種類の治療法や診断ツールの出発点として使用する可能性を提供している。[145]
生きた「人工細胞」は、エネルギーを捕捉し、イオン勾配を維持し、高分子を含み、情報を保存し、変異する能力を持つ完全に合成された細胞として定義されています。[146]誰もそのような細胞を作成することができませんでした。[146]
完全に合成された細菌染色体は2010年にクレイグ・ベンターによって生成され、彼のチームはそれをゲノムが空になった細菌宿主細胞に導入した。[19]宿主細胞は成長し、複製することができた。[147] [148]マイコプラズマ研究所は完全に操作されたゲノムを持つ唯一の生物である。
2014年に、人工的に拡張されたDNAコードを持つ最初の生物が発表されました。研究チームは、ゲノムを抽出し、拡張された遺伝コードを持つ染色体に置き換えた大腸菌を使用しました。追加されたヌクレオシドはd5SICSとdNaMです。[139]
2019年5月、研究者らは画期的な取り組みとして、細菌ゲノム中の64のコドンの自然数を59のコドンに減らし、 20のアミノ酸をコードすることで、大腸菌の変異体である新たな合成（おそらく人工）形態の生存可能な生命体を創出したと報告した。[25] [26]
2017年には、合成生きた細胞の構築を目的とした国際的な大規模オープンソース研究協力であるBuild-a-Cellが開始され、[149]続いてFabriCell、 [150] MaxSynBio [151]およびBaSyC [152]を含むいくつかの国で国家合成細胞組織が設立されました。欧州の合成細胞の取り組みは、2019年にSynCellEUイニシアチブとして統合されました。[153]
2023年、研究者らは幹細胞から合成された初のヒト胚を作成することに成功した。[154]
薬物送達プラットフォーム
治療分野では、合成生物学は比較的短期間で治療範囲の変更と簡素化において大きな進歩を遂げてきました。実際、疾患メカニズムや薬物標的の発見から小分子の製造と輸送に至るまで、新しい治療プラットフォームは、生物学的成分の論理的かつモデルに基づいた設計構築によって可能になっています。[60]
合成生物学デバイスは、治療における治療法として機能するように設計されている。特定の病原体や病原経路を標的にするために、作成されたウイルスや生物を完全に制御することが可能です。したがって、2つの独立した研究91,92では、研究者は、抗生物質の活性に対する細菌の防御を特異的に標的とし、阻害する遺伝的特徴を付与することで、抗生物質耐性細菌と戦うために遺伝子組み換えバクテリオファージを利用しました。[155]
がん治療においては、従来の医薬品は腫瘍と正常組織を無差別に標的とすることが多いため、病理学的シグナルを識別して治療効果を結び付けることができる人工的に作られたウイルスや生物が役立つ可能性がある。例えば、ヒト細胞のp53経路活性をアデノウイルスに組み込むことで、ウイルスの複製を制御することができた。[155]
人工細菌ベースのプラットフォーム
細菌は長い間、がん治療に使われてきました。ビフィズス菌とクロストリジウムは選択的に腫瘍に定着し、腫瘍のサイズを縮小します。[156]最近、合成生物学者は細菌を再プログラムして特定のがん状態を感知し反応するようにしました。ほとんどの場合、細菌は治療分子を腫瘍に直接送達し、オフターゲット効果を最小限に抑えるために使用されます。腫瘍細胞を標的とするために、腫瘍を特異的に認識できるペプチドが細菌の表面に発現されました。使用されるペプチドには、ヒト上皮成長因子受容体2を特異的に標的とするアフィボディ分子[157]と合成アドヘシン[158 ]が含まれます。もう1つの方法は、細菌にANDロジックゲートを構築することにより、細菌が腫瘍の微小環境、たとえば低酸素を感知できるようにすることです。[159]次に、細菌は溶解[160]または細菌分泌システム[161 ]を介してのみ標的治療分子を腫瘍に放出します。溶解には、免疫系を刺激し、成長を制御できるという利点があります。複数のタイプの分泌システムやその他の戦略も使用できます。このシステムは外部信号によって誘導されます。誘導物質には化学物質、電磁波、光波などがあります。
これらの治療には、複数の種と菌株が適用されます。最も一般的に使用される細菌は、サルモネラチフス菌、大腸菌、ビフィズス菌、連鎖球菌、乳酸菌、リステリア菌、枯草菌です。これらの種はそれぞれ独自の特性を持っており、組織定着、免疫システムとの相互作用、適用の容易さの点で癌治療に特有です。
酵母ベースのプラットフォームを設計
合成生物学者は、治療用生物学的医薬品を送達できる遺伝子組み換え生酵母を開発している。経口投与されると、これらの生酵母はマイクロファクトリーのように機能し、消化管内で直接治療用分子を生成する。酵母は真核生物であるため、抗生物質と一緒に投与できることが重要な利点である。ヒトP2Y2プリン受容体を発現するプロバイオティクス酵母は、炎症性腸疾患のマウスモデルにおいて腸の炎症を抑制した。[162]クロストリディオイデス・ディフィシルの毒素Aと毒素Bを強力に中和する4種特異的抗毒素を送達する生きたS. boulardii酵母が開発されている。この治療用抗毒素は、前臨床モデルにおいて感染部位でC. difficileの2つの主要な毒性因子を強力かつ広範囲に中和する4つのシングルドメイン抗体（ナノボディ）の融合体である。[163] クロストリディオイデス・ディフィシル感染症の治療を目的とした、遺伝子組み換え生酵母の初めてのヒト臨床試験は2024年に予定されており、開発元のFzata社がスポンサーとなる予定です。
細胞ベースのプラットフォーム
免疫システムは癌において重要な役割を果たしており、癌細胞を攻撃するために利用することができます。細胞ベースの治療法は、主にT細胞を操作することによる免疫療法に重点を置いています。
T細胞受容体は、がんエピトープを検出するように設計され、「訓練」されました。キメラ抗原受容体（CAR）は、細胞を活性化し、増殖を引き起こすことができる細胞内T細胞シグナル伝達ドメインに融合された抗体の断片で構成されています。複数の第二世代CARベースの治療法がFDAによって承認されています。[164]
遺伝子スイッチは治療の安全性を高めるために設計された。キルスイッチは患者が重篤な副作用を示した場合に治療を中止するために開発された。[165]メカニズムはシステムをより細かく制御し、停止および再起動することができる。[166] [167] T細胞の数は治療の持続性と重症度に重要であるため、T細胞の増殖も治療の有効性と安全性を調整するために制御される。[168]
安全性と制御性を向上させるメカニズムはいくつかありますが、大きな DNA 回路を細胞内に誘導することが難しいことや、外来成分、特にタンパク質を細胞内に導入することに伴うリスクなどの制限があります。
バイオ燃料、医薬品、生体材料
最も一般的なバイオ燃料はトウモロコシやサトウキビから生産されるエタノールですが、このバイオ燃料生産方法は、農業コストが高く、エタノールの燃料特性が不十分なため、面倒で制約があります。代替の再生可能エネルギー源として、代謝経路を変更してバイオマスをバイオ燃料に変換する効率を高めた微生物が考えられます。これらの技術が成功するには、生産コストを現在の燃料生産と同等かそれ以上に抑える必要があります。これに関連して、高価な製造手順のために治療範囲が広くならない医薬品がいくつかあります。新しい材料の作成とバイオマテリアルの微生物学的製造は、どちらも新しい人工生物学ツールから大きな恩恵を受けるでしょう。[155]
クリスパー/Cas9
クラスター化された頻繁な間隔を置いた短い回文反復 (CRISPR)/CRISPR 関連 (Cas) システムは、そのシンプルさ、モジュール性、および拡張性により、さまざまな生物におけるゲノム工学の強力な方法です。この技術では、ガイド RNA (gRNA) が CRISPR ヌクレアーゼ Cas9 をゲノムの特定の場所に引き寄せ、二重鎖切断を引き起こします。相同組換えや非相同末端結合などのいくつかの DNA 修復プロセスを使用して、目的のゲノム変更 (遺伝子の削除または挿入) を達成できます。さらに、Cas9 の二重変異体 (H840A、D10A) である dCas9 (デッド Cas9 またはヌクレアーゼ欠損 Cas9) は、細菌での遺伝子発現の制御や、酵母での刺激抑制部位にリンクされたときに使用されています。[169]
規制要素
生物システムの構築と開発には、調節因子、リボソーム結合部位（RBS）、ターミネーターなどの調節コンポーネントが不可欠です。長年の研究にもかかわらず、大腸菌のプロモーターとターミネーターにはさまざまな種類と数がありますが、よく研究されているモデル生物であるサッカロミセス・セレビシエやその他の興味深い生物についても、これらのツールは非常に不足しています。この制約を克服するために、ゲノムマイニング、ランダム突然変異誘発、ハイブリッドエンジニアリング、生物物理学的モデリング、コンビナトリアルデザイン、合理的デザインなど、プロモーターとターミネーターの発見と識別のためのさまざまな技術が発明されてきました。[169]
オルガノイド
合成生物学は、医学研究や移植に応用される実験室で培養された臓器であるオルガノイドに利用されてきた。 [170]
バイオプリント臓器
3Dバイオプリンティングは、体のさまざまな部位の組織を再建するために使用できます。医療における3Dプリンティングの採用の前身は、ボストン小児病院の研究者が実施した一連の試験でした。チームは、スキャフォールドを構築し、患者の細胞でスキャフォールドを重ねて成長させることにより、7人の患者のために手作業で交換用膀胱を作成しました。移植後7年経っても患者の健康状態が良好であったため、試験は成功し、アンソニー・アタラ医学博士という研究員は、このプロセスを自動化する方法を模索するようになりました。[171]末期の膀胱疾患の患者は、バイオエンジニアリングされた膀胱組織を使用して損傷した臓器を再建することで治療できるようになりました。[172]この技術は、骨、皮膚、軟骨、筋肉組織にも適用できる可能性があります。[173]ただし、3Dバイオプリンティング技術の長期的な目標の1つは、臓器全体を再建し、移植用の臓器不足の問題を最小限に抑えることです。[174]肝臓、皮膚、半月板、膵臓など、完全に機能する臓器のバイオプリンティングはほとんど成功していない。[175] [176] [177]移植可能なステントとは異なり、臓器は複雑な形状をしており、バイオプリントするのが非常に困難です。たとえば、バイオプリントされた心臓は、構造要件だけでなく、血管新生、機械的負荷、電気信号伝播の要件も満たす必要があります。[178] 2022年には、患者自身の細胞から作られた3Dバイオプリント移植、小耳症を治療するための外耳の臨床試験の最初の成功が報告されました[179] 。 [180]
3Dバイオプリンティングは、バイオマテリアルと呼ばれる革新的な材料の研究を可能にすることで、組織工学の医療分野における大きな進歩に貢献しています。最も注目すべきバイオエンジニアリング物質のいくつかは通常、軟部組織や骨などの平均的な身体材料よりも強力です。これらの成分は、将来、元の身体材料の代替品、さらには改良品として機能する可能性があります。さらに、国防脅威削減局は、心臓、肝臓、肺などのミニ臓器を印刷して、新薬をより正確にテストし、動物実験の必要性をなくすことを目指しています。[181]
その他の移植および誘導再生
移植可能な人工臓器の作成だけでなく、人間の再生を誘発するための合成生物学に基づく方法の研究開発も進行中です。
ナノ粒子、人工細胞、マイクロ液滴
合成生物学は、薬物送達やその他の目的に使用できるナノ粒子の作成に使用できます。 [182]補完的な研究開発では、生物細胞の機能を模倣する合成細胞が求められており、作成されています。用途には、心臓発作を引き起こすアテローム性動脈硬化性プラークの一部を血液細胞に内側から食べさせるデザイナーナノ粒子などの医療が含まれます。[183] [184] [185]たとえば、藻類細胞用の合成マイクロ液滴や、藻類と細菌の相乗効果による多細胞球状微生物リアクターは、水素経済バイオテクノロジーとして水素を生成するために使用できます。[186] [187]
電気遺伝学
哺乳類のデザイナー細胞は、特定の病気と闘うために設計された合成受容体を発現する免疫細胞など、特定の動作をするように人間によって設計されています。[188] [189]電気遺伝学は、電界を利用して設計された細胞の反応を刺激する合成生物学の応用です。[190]デザイナー細胞の制御は、スマートフォンなどの一般的な電子機器を使用することで比較的簡単に行うことができます。さらに、電気遺伝学では、微小な電極を使用することで、他の刺激を使用するデバイスよりもはるかに小さくコンパクトなデバイスを作成できる可能性があります。[190]電気遺伝学が公衆衛生に役立つために使用される方法の1つは、治療薬を生成/送達できるデザイナー細胞を刺激することです。[191]これは、電気感受性の電位依存性カルシウムチャネルを含む電気HEK細胞で実装されました。つまり、イオンチャネルは電極と電気HEK細胞間の電気伝導によって制御できます。[190]これらの電気HEK細胞に含まれる人工遺伝子の発現レベルは、電圧または電気パルスの長さを変えることで制御できることが示されました。この堅牢なシステムはさらに研究され、その1つは電気信号に基づいてインスリンの放出を制御するように設計されたベータ細胞株システムです。[192]
倫理
新しい生命の創造と既存の生命の改変は合成生物学の分野で倫理的な懸念を引き起こし、活発に議論されている。 [193] [194]
一般的な倫理的な質問には次のようなものがあります。
- 自然を改変することは道徳的に正しいことでしょうか?
- 新しい生命を創造するとき、人は神の役割を演じているのでしょうか?
- 合成生物が誤って逃げ出したらどうなるのでしょうか?
- 個人が合成生物学を悪用し、有害な存在（例えば、生物兵器）を作り出してしまったらどうなるでしょうか?
- 合成生物学の成果を誰が管理し、アクセスできるのでしょうか?
- これらのイノベーションから利益を得るのは誰でしょうか? 投資家でしょうか? 医療患者でしょうか? 産業農家でしょうか?
- 特許制度は生物に対する特許を認めているのか？ヒトのHIV耐性遺伝子のような生物の一部についてはどうなのか？[195]
- 新しい創造物が道徳的または法的地位に値するとしたらどうなるでしょうか?
合成生物学の倫理的側面には、バイオセーフティ、バイオセキュリティ、新しい生命体の創造という3つの主な特徴があります。[196]言及されている他の倫理的問題には、新しい創造物の規制、新しい創造物の特許管理、利益分配、研究の完全性などがあります。[197] [193]
組み換え DNAや遺伝子組み換え生物(GMO) 技術に関する倫理的問題が浮上し、多くの管轄区域で遺伝子工学や病原体研究に対する広範な規制が実施されている。大統領生命倫理委員会の元委員長であるエイミー・ガットマンは、合成生物学全般、特に遺伝子工学を過剰に規制する誘惑を避けるべきだと主張した。ガットマンによると、「規制の倹約は、不確実性と未知への恐怖に基づいてイノベーションを抑制しようとする誘惑が特に大きい新興技術では特に重要です。法令や規制による抑制という鈍い手段は、新しい利益の分配を妨げるだけでなく、研究者が効果的な保護手段を開発するのを妨げることで、セキュリティと安全性に逆効果になる可能性があります。」[198]
生命の「創造」
倫理的な問題の一つは、新しい生命体を作ることが許容されるかどうか、つまり「神を演じる」ことが許されるかどうかである。現在、自然界に存在しない新しい生命体の創造は小規模であり、潜在的な利点と危険性は未知であり、ほとんどの研究において慎重な検討と監視が確保されている。[193]多くの支持者は、人工生命体を作ることの大きな潜在的価値（農業、医学、学術的知識など）を表明している。新しい存在の創造は、自然現象の研究から現在わかっていることをはるかに超えて科学的知識を拡大する可能性がある。しかし、人工生命体が自然の「純粋さ」を低下させる（つまり、自然は人間の介入や操作によって何らかの形で破壊される可能性がある）可能性があり、生物多様性や自然に焦点を当てた理想ではなく、より工学的な原則の採用に影響を与える可能性があるという懸念がある。また、人工生命体が自然に放出された場合、天然種を資源で打ち負かして生物多様性を妨げる可能性がある（藻類の大量発生が海洋生物を死滅させるのと同様）と懸念する人もいる。もう一つの懸念は、新たに創造された存在が痛みや感覚、自己認識を感知した場合の倫理的扱いです。そのような生命体に道徳的権利や法的権利を与えるべきかどうかについては議論が続いていますが、これらの権利がどのように管理または執行されるかについては合意が得られていません。
合成生物学に対する倫理的支援
合成生物学の特定の応用を支持する倫理的および道徳的根拠には、従来の農業（食肉生産を含む）の有害な環境影響、動物福祉、食糧安全保障、および人間の健康といった重大な地球規模の問題の潜在的な緩和、[199] [200] [201] [202]だけでなく、人間の労働ニーズの潜在的な削減や、病気の治療を通じて人間の苦しみの軽減と寿命の延長が含まれます。
バイオセーフティとバイオコンテインメント
バイオセーフティ対策を検討する際、倫理的に最も適切なものは何でしょうか。自然環境への合成生命の偶発的な導入をどう回避できるでしょうか。これらの質問には、多くの倫理的考慮と批判的思考が払われてきました。バイオセーフティは、生物学的封じ込めを指すだけでなく、潜在的に危険な生物学的因子から公衆を保護するために講じられた措置も指します。このような懸念は重要であり、未だに答えが出ていませんが、合成生物学のすべての製品が生物学的安全性や環境への悪影響に関する懸念を呈しているわけではありません。ほとんどの合成技術は無害であり、その「不自然な」特性のために外の世界で繁栄することはできないと主張されています。なぜなら、野生での適応度の利点を与えられた遺伝子組み換え微生物の例はまだないからです。
一般に、従来の遺伝子組み換え生物(GMO) 向けに開発された既存の危害管理、リスク評価方法、規制は、合成生物にも十分であると考えられています。実験室での「外因的」な生物封じ込め方法には、バイオセーフティキャビネットやグローブボックスによる物理的封じ込め、および個人用保護具が含まれます。農業では、GMO の生物封じ込め方法と同様に、隔離距離や花粉バリアが含まれます。合成生物は、「内因的」な生物封じ込め方法で設計できるため、封じ込めのない環境での成長を制限したり、自然生物への遺伝子の水平伝播を防いだりできるため、危害管理が強化される可能性があります。内因的生物封じ込めの例には、栄養要求性、生物学的キルスイッチ、生物の複製不能、または改変または合成遺伝子を子孫に受け継ぐことができないこと、代替生化学を使用した異種生物学的生物の使用 (たとえば、DNA の代わりに人工異種核酸(XNA) を使用する) などがあります。[203] [204]栄養要求性に関しては、細菌や酵母は、すべての生命にとって重要なアミノ酸であるヒスチジンを生成できないように遺伝子操作することができます。したがって、そのような生物は、実験室環境ではヒスチジンを豊富に含む培地でのみ増殖することができ、望ましくない領域に広がる恐れはありません。
バイオセキュリティとバイオテロ
倫理的問題の中にはバイオセキュリティに関連するものもあり、生合成技術が意図的に社会や環境に危害を加えるために利用される可能性がある。合成生物学は倫理的問題とバイオセキュリティの問題を引き起こすため、人類は潜在的に有害な創造物にどう対処するか、また悪質な生合成技術を阻止するためにどのような倫理的措置を講じることができるかを検討し、計画する必要がある。合成生物学とバイオテクノロジー企業の規制を除けば、[205] [206]これらの問題は以前の組み換えDNAと遺伝子組み換え生物（GMO）の議論で提起されており、多くの法域で遺伝子工学と病原体研究の広範な規制がすでに施行されているため、新しい問題とは見なされていない。[207]
さらに、合成生物学ツールの開発により、教育や訓練、機器へのアクセスが少ない個人でも、病原体を改変して生物兵器として使用することが容易になった。これにより、特にテロリストグループがCOVID-19のようなパンデミックによって引き起こされる重大な社会的、経済的、政治的混乱に気付くにつれて、バイオテロの脅威が増大する。合成生物学の分野で新しい技術が開発されるにつれて、バイオテロのリスクは増大し続ける可能性がある。[208] 2005年から2009年までテロ対策担当国家安全保障副補佐官を務めたフアン・サラテは、「新型コロナウイルスの深刻さと極端な混乱は、最も創造的で危険なグループや個人の想像力を刺激し、バイオテロ攻撃を再考させる可能性が高い」と指摘した。[209]
欧州連合
欧州連合が資金提供しているプロジェクトSYNBIOSAFE [210]は、合成生物学の管理方法に関する報告書を発表している。2007年の論文では、安全性、セキュリティ、倫理、科学と社会のインターフェースに関する主要な問題が特定されており、プロジェクトではこれを公教育と科学者、企業、政府、倫理学者間の継続的な対話と定義している。[211] [212] SYNBIOSAFEが特定した主要なセキュリティ問題には、合成DNAを販売する企業とアマチュア生物学者のバイオハッキングコミュニティとの関わりが含まれた。主要な倫理的問題は、新しい生命体の創造に関するものであった。
その後の報告書はバイオセキュリティ、特にいわゆる二重使用の課題に焦点を当てた。例えば、合成生物学は医療品のより効率的な生産につながる可能性があるが、有害な病原体（天然痘など）の合成や改変にもつながる可能性がある。[213]バイオハッキングコミュニティは、オープンソースバイオテクノロジーの分散型で拡散的な性質により、バイオセーフティとバイオセキュリティに関する潜在的な懸念を追跡、規制、または緩和することが困難であるため、依然として特別な懸念の原因となっている。[214]
もう一つのヨーロッパの取り組みであるCOSYは、一般大衆の認識とコミュニケーションに焦点を当てています。[215] [216] [217]合成生物学とその社会的影響をより広く一般に伝えるために、COSYとSYNBIOSAFEは2009年10月に38分のドキュメンタリー映画SYNBIOSAFEを公開しました。 [210]
国際合成生物学協会は自主規制を提案している。[218]これは、合成生物学業界、特にDNA合成会社が実施すべき具体的な対策を提案している。2007年、大手DNA合成会社の科学者が率いるグループが「DNA合成業界のための効果的な監視枠組みを開発するための実践的な計画」を発表した。[205]
アメリカ合衆国
2009年1月、アルフレッド・P・スローン財団は、ウッドロウ・ウィルソン・センター、ヘイスティングス・センター、J・クレイグ・ベンター研究所に資金を提供し、合成生物学に対する一般の認識、倫理、政策的影響を調査した。[219]
2009年7月9日から10日にかけて、全米アカデミーズ科学技術法委員会は「合成生物学の新興分野における機会と課題」と題したシンポジウムを開催した。[220]
最初の合成ゲノムの発表と、それに伴う「生命」の創造に関するメディア報道の後、バラク・オバマ大統領は合成生物学を研究するための大統領生命倫理問題研究委員会を設立した。[221]委員会は一連の会議を開催し、2010年12月に「新しい方向性：合成生物学と新興技術の倫理」と題する報告書を発表した。委員会は「ベンターの業績は、比較的大きなゲノムを正確に合成し、別のゲノムと置き換えることができることを実証した点で、大きな技術的進歩を示したが、それは「生命の創造」には至らなかった」と述べた。[222]委員会は、合成生物学は潜在的なリスクと利益を生み出す新興分野であると指摘した。委員会は政策や監督の変更を推奨せず、研究への継続的な資金提供と、監視、新興倫理問題の研究、公衆教育のための新たな資金提供を求めた。[207]
合成生物学は、生物学の進歩のための主要なツールとして、「生物兵器の開発、人間の健康への予期せぬ悪影響の可能性、そして環境への潜在的な影響」をもたらす。[223]このような技術の拡散により、生物兵器や化学兵器の製造が、より広範な国家および非国家主体に利用可能になる可能性がある。[224]これらの安全保障上の問題は、政策立法を通じてバイオテクノロジーの産業利用を規制することで回避できるかもしれない。遺伝子操作に関する連邦ガイドラインは、「大統領の生命倫理委員会によって提案されている。化学的に合成されたゲノムから自己複製細胞を作成するという発表を受けて、科学を規制するためだけでなく、国民を教育するための18の勧告が提出された。」[223]
反対
2012年3月13日、地球の友、国際技術評価センター、ETCグループを含む100を超える環境団体および市民団体が、宣言書「合成生物学の監視原則」を発表した。この宣言書は、より強力な規制と厳格なバイオセーフティ対策が確立されるまで、合成生物の放出と商業利用を世界中で一時停止するよう求めている。これらの団体は特に、ヒトゲノムまたはヒトマイクロバイオームに対する合成生物学の使用を全面的に禁止するよう求めている。[225] [226] リチャード・レウォンティンは、 「合成生物学の監視原則」で議論されている監視の安全原則の一部は合理的だが、宣言書の勧告の主な問題は「一般大衆には、これらの勧告を意味のある形で実現させる能力が欠けている」ことだと書いている。[227]
健康と安全
合成生物学のハザードには、労働者や一般市民に対するバイオセーフティ上のハザード、危害を及ぼすように意図的に生物を操作することから生じるバイオセキュリティ上のハザード、および環境ハザードがある。 [228]バイオセーフティ上のハザードは、既存のバイオテクノロジー分野のハザードと似ており、主に病原体や有毒化学物質への曝露であるが、新しい合成生物には新しいリスクがある可能性がある。[203]バイオセキュリティに関しては、合成生物または再設計された生物が理論的にはバイオテロに使用される可能性があるという懸念がある。潜在的なリスクには、既知の病原体をゼロから再現すること、既存の病原体をより危険になるように操作すること、および有害な生化学物質を生成するように微生物を操作することが含まれる。[229]最後に、環境ハザードには、合成生物の農業利用に起因する土地利用の潜在的な変化を含む、生物多様性と生態系サービスへの悪影響が含まれる。[230] [231]合成生物学は、意図的または無意識的に人間に危害を加えたり、環境を破壊したりする可能性のある二重使用技術の一例です。多くの場合、「科学者、そのホスト機関、資金提供団体」は、計画された研究が悪用される可能性があるかどうかを検討し、時には悪用される可能性を減らすための対策を実施します。[232]
遺伝子組み換え作物に対する既存のリスク分析システムは、一般的に合成生物には十分であると考えられているが、個々の遺伝子配列から「ボトムアップ」で構築された生物には困難があるかもしれない。 [204] [233 ]合成生物学は、一般的に遺伝子組み換え作物やバイオテクノロジー全般に対する既存の規制、および下流の商業製品に対する規制の対象であるが、一般的にどの管轄区域にも合成生物学に特化した規制はない。[234] [235]
参照
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- バイオミミクリー – 人間の問題を解決するために生物システムを模倣する
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- キラル生命概念 – 仮説上の生命形態
- 計算生物学 – 生物学の分野
- 計算バイオモデリング
- DNAデジタルデータストレージ – 合成DNA鎖間でバイナリデータをエンコードおよびデコードするプロセス
- 工学生物学
- 国際遺伝子組み換え機械 - 国際競争
- 非細胞生命 – 細胞構造を持たない生命
- オープン合成生物学
- タンパク質設計 – 新しいタンパク質分子の合理的な設計
- タンパク質工学 – バイオエンジニアリングプロセス
- 再生医療 – 組織の再生に関わる医療分野
- 合成知能 – 人工知能の別名または形態
- 合成形態学
- 合成ウイルス学 – ウイルス学の分野
- システムと合成生物学 – 科学雑誌 (2007–2015)
- 組織工学 – 生体医用工学分野
- 異種生物学 – 合成生命体の科学
- 原始細胞#人工モデル – 生きた細胞の前駆物質として提案された脂質球
- ジーワヌ
- 仮説的な生化学の種類 – 生命体が使用する可能性のある代替生化学物質
- 神を演じる（倫理） - 修辞戦略と非難
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外部リンク
- 人工病原体と非自然生物兵器：合成生物学の将来の脅威。脅威と考慮事項
- 合成生物学の本、科学の普及書、教科書
- 合成生物学入門概要 2018-04-02にWayback Machineにアーカイブされました。合成生物学の概念、開発、応用の簡潔な概要
- 合成生物学に関する共同概要記事
- 物議を醸している DNA スタートアップが顧客に生物の作成を許可 (2015-01-03)、サンフランシスコ クロニクル
- 生きている、しかしそれは生命なのか：合成生物学と創造の未来（2016年9月28日）、世界科学フェスティバル
