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人工細胞、合成細胞、または最小細胞は、生物細胞の1つまたは複数の機能を模倣する人工粒子です。多くの場合、人工細胞は生物学的に活性な物質を封入した生物学的膜またはポリマー膜です。[1]そのため、リポソーム、ポリマーソーム、ナノ粒子、マイクロカプセル、およびその他の多くの粒子が人工細胞として適格です。
「人工細胞」と「合成細胞」という用語は、さまざまな分野で使用されており、この記事のさまざまなセクションにも反映されているように、異なる意味を持つ場合があります。より厳密な定義の中には、「細胞」という用語が生物細胞に直接関連し、したがってこれらの構造は生きている（または生物の一部）必要があるという前提に基づいているものもあり、さらに、「人工」という用語は、これらの構造がボトムアップ、つまり基本コンポーネントから人工的に構築されていることを意味します。そのため、合成生物学の分野では、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、複製する能力を持つ、完全に合成された細胞として理解できます。[2]この種の人工細胞はまだ作成されていません。
ただし、他の場合には、「人工」という用語は、構造全体が人工的であることを意味するのではなく、生物細胞の特定の機能または構造を合成物で変更、簡素化、置き換え、または補足できるという考えを指す場合があります。
他の分野では、「人工細胞」という用語は、大きさや構造が生物細胞に多少似ているが、合成された、または完全に非生物成分から作られたコンパートメントを指すこともあります。「人工細胞」という用語は、薬物送達用のコンパートメントなど、直接適用される構造にも使用されます。マイクロカプセル化により、膜内での代謝、小分子の交換、大きな物質の通過防止が可能になります。 [3] [4]カプセル化の主な利点には、体内での模倣性の向上、貨物の溶解性の向上、免疫反応の減少などがあります。特に、人工細胞は血液灌流で臨床的に成功しています。[5]
生きた人工細胞のボトムアップエンジニアリング
ドイツの病理学者ルドルフ・ヴィルヒョウは、生命は細胞から発生するだけでなく、すべての細胞は別の細胞から発生するという考えを提唱しました。 「 Omnis cellula e cellula 」 [6]これまで、人工細胞を作成するためのほとんどの試みは、細胞の特定のタスクを模倣できるパッケージを作成するだけでした。無細胞転写および翻訳反応の進歩により、多くの遺伝子の発現が可能になりましたが、これらの取り組みは完全に機能する細胞を生み出すにはほど遠いものです。
人工細胞を構築するためのボトムアップアプローチには、完全に非生物材料からプロトセルを新たに作成することが含まれます。「細胞」という用語が示すように、前提条件の1つは、個々の細胞ユニットを定義する何らかのコンパートメントを生成することです。リン 脂質膜は、すべての生きている生物細胞で選択的な障壁として機能するため、コンパートメント境界として当然の選択です。科学者は、細胞サイズのリン脂質小胞に生体分子をカプセル化し、そうすることで、これらの分子が生物細胞と同様に機能するのを観察し、特定の細胞機能を再現することができます。[8]同様に、機能的な生物学的構成要素をこれらの脂質コンパートメントにカプセル化して、（いかに原始的であっても）人工細胞の合成を達成することができます。
合成遺伝情報を用いて、自己複製可能な DNA を含むリン脂質二重膜小胞を作成することが提案されている。このような人工細胞の 3 つの主要要素は、脂質膜の形成、テンプレート プロセスによるDNAおよびRNA の複製、膜を介した能動輸送のための化学エネルギーの採取である。 [9] [10]この提案された原始細胞で予測され、遭遇する主なハードルは、生命に必要なすべての情報を保持する最小限の合成 DNA の作成と、分子の自己組織化などの細胞発達に不可欠な非遺伝的要素の複製である。[11]ただし、このようなボトムアップ アプローチにより、細胞レベルでの組織と生物生命の起源に関する基本的な疑問に対する洞察が得られることが期待されています。これまでのところ、生命の分子を使用して自己複製可能な完全に人工的な細胞が合成されたことはありません。現在、さまざまなグループがこの目標に向けて取り組んでいますが、この目標はまだ遠い未来にあります。[12]
原始細胞を作成するために提案された別の方法は、原始スープとして知られる進化の過程で存在したと考えられる条件にもっと近いものです。さまざまなRNAポリマーを小胞に封入し、そのような小さな境界条件で化学反応をテストすることができます。[13]
倫理と論争
原始細胞の研究は論争と反対意見を生み出しており、その中には「人工生命」のあいまいな定義に対する批判も含まれている。[14] 生命の基本単位の創造は、最も差し迫った倫理的懸念である。[15]原始細胞に関する最も広範な懸念は、制御されていない複製によって人間の健康と環境に潜在的な脅威となることである。しかし、トップダウンアプローチで作られた人工細胞、または既存の生きた細胞を操作したその他の形態は、実験室の外で存在し、複製できる可能性がはるかに高く、したがってそのような脅威をもたらす可能性がある。
国際研究コミュニティ
2010年代半ば、研究コミュニティは、非生物的要素から完全な生物を構築するという課題が一国の資源を超えていることを認識して、合成細胞研究の分野を統一する必要性を認識し始めました。[16]
2017年、NSFの資金提供による国際的な大規模研究協力であるBuild-a-Cellが開始され、合成生きた細胞の構築を目指した。[17] Build-a-Cellは、合成細胞コミュニティの将来について議論し、導くために、関心のあるすべての人に公開された9つの学際的なワークショップイベントを開催した。Build-a-Cellに続いて、他のいくつかの国でも国立合成細胞組織が設立された。これらの国立組織には、FabriCell、[18]、 MaxSynBio [19]、BaSyC [20]などがある。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た。[21]
最小限の生きた細胞を作成するためのトップダウンアプローチ
J.クレイグ・ベンター研究所のメンバーは、トップダウンの計算手法を使用して、生体内の遺伝子を最小限の遺伝子セットにまでノックアウトしました。[22] 2010年に、研究チームは、生命の最低限の要件とみなされる合成DNAをゲノムが空の細菌に挿入し、Mycoplasma mycoidesの複製株（Mycoplasma laboratoriumと命名）を作成することに成功しました。 [22]トップダウンの生合成プロセスにより、燃料用の水素の生成や大気中の余分な二酸化炭素の捕捉など、有益な機能を実行する新しい遺伝子の挿入が可能になることが期待されています。[15]無数の調節、代謝、およびシグナル伝達ネットワークは完全には特徴付けられていません。これらのトップダウンアプローチでは、宿主生物の分子構成が複雑で完全には定義されていないため、基本的な分子制御の理解には限界があります。[23] 2019年にマイコプラズマSyn3.0細胞のすべての経路の完全な計算モデルが公開され、生きた最小生物の最初の完全なシリコモデルとなりました。 [24]
生物学への多額の投資はエクソンモービルなどの大企業によって行われており、エクソンモービルは藻類からの燃料開発でクレイグ・ベンターの生合成会社であるシンセティック・ゲノミクス社と提携している。 [25]
2016年現在、マイコプラズマ・ジェニタリウムは、実験室条件下で培養できる最小のゲノムを持つため、最小細胞を作製するための出発点として使用される唯一の生物である。野生型の品種は482の遺伝子を持ち、必須ではないとされる100の遺伝子を除去することで、成長率が向上した生存可能な株が得られた。ゲノムを縮小した大腸菌はより有用であると考えられており、ゲノムの15％を除去した生存可能な株が開発されている。[26] : 29–30
人工細胞のバリエーションとして、完全に合成されたゲノムをゲノムが空の宿主細胞に導入したものが作られました。[22]宿主細胞の細胞質成分と膜が保持されているため完全に人工的ではありませんが、設計された細胞は合成ゲノムの制御下にあり、複製することができます。
医療用途の人工細胞
歴史
1960年代にトーマス・チャンは、後に「人工細胞」と呼ばれることになるマイクロカプセルを開発した。これは人工材料で作られた細胞サイズの区画だった。[27]これらの細胞はナイロン、コロジオン、または架橋タンパク質の極薄膜で構成されており、その半透性により小分子が細胞内外に拡散することができた。これらの細胞はミクロンサイズで、細胞、酵素、ヘモグロビン、磁性材料、吸着剤、タンパク質が含まれていた。[3]
その後、人工細胞は数百マイクロメートルからナノメートルの大きさにまで広がり、微生物、ワクチン、遺伝子、薬物、ホルモン、ペプチドを運ぶことができるようになりました。[3]人工細胞の最初の臨床使用は、活性炭のカプセル化による血液灌流でした。[28]
1970年代には、研究者らは酵素、タンパク質、ホルモンを生分解性マイクロカプセルに導入できるようになり、後にレッシュ・ナイハン症候群などの疾患への臨床応用につながった。[29]チャン氏の初期の研究は人工赤血球に焦点を当てていたが、生分解性人工赤血球が開発されたのは1990年代半ばになってからであった。[30]生物細胞カプセル化による人工細胞は、1994年に糖尿病患者の治療に初めて臨床で使用され[31]、それ以来、肝細胞、成体幹細胞、遺伝子組み換え細胞などの他の種類の細胞がカプセル化され、組織再生への利用が研究されている。[32] [33]
材料
人工細胞の膜は、単純なポリマー、架橋タンパク質、脂質膜、またはポリマー脂質複合体から作ることができます。さらに、膜は、アルブミン、抗原、Na / K-ATPaseキャリアなどの表面タンパク質、またはイオンチャネルなどの細孔を呈するように設計できます。膜の製造に一般的に使用される材料には、アルギン酸塩、セルロースなどのハイドロゲルポリマー、ヒドロキシエチルメタクリレート-メチルメタクリレート（HEMA-MMA）、ポリアクリロニトリル-ポリ塩化ビニル（PAN-PVC）などの熱可塑性ポリマー、および上記のバリエーションがあります。[4]使用する材料によって細胞膜の透過性が決まり、ポリマーの場合、透過性は栄養素、老廃物、その他の重要な分子の適切な拡散を決定する上で重要です。親水性ポリマーは生体適合性になる可能性があり、ポリマーミセル、ゾルゲル混合物、物理的ブレンド、架橋粒子、ナノ粒子など、さまざまな形状に加工できます。[4]特に興味深いのは、標的送達に使用するためのpHまたは温度変化に反応する刺激応答性ポリマーです。これらのポリマーは、肉眼で見える注射によって液体の形で投与され、 pHまたは温度の違いによりその場で固化またはゲル化します。ナノ粒子およびリポソーム製剤も、物質のカプセル化と送達に日常的に使用されています。リポソームの主な利点は、細胞膜や細胞小器官の膜 に融合できることです。
準備
人工細胞の準備とカプセル化には、さまざまなバリエーションが開発されています。通常、ナノ粒子、ポリマーソーム、リポソームなどの小胞が合成されます。エマルジョンは通常、高圧ホモジナイザーやマイクロフルイダイザーなどの高圧装置を使用して作られます。ニトロセルロースのマイクロカプセル化方法も 2 つ、以下で説明します。
高圧均質化
高圧ホモジナイザーでは、油/液体懸濁液中の 2 つの液体が非常に高圧下で小さなオリフィスに押し出されます。このプロセスにより、生成物が分割され、1 nm ほどの非常に微細な粒子が生成されます。
マイクロ流動化
この技術は、特許取得済みのマイクロフルイダイザーを使用して、ホモジナイザーよりも小さな粒子を作成できる均質な懸濁液をより多く得る。まずホモジナイザーを使用して粗い懸濁液を作成し、次に高圧下でマイクロフルイダイザーに送り込む。次に、流れは2つの流れに分割され、相互作用チャンバー内で非常に高速で反応し、目的の粒子サイズが得られる。[34]この技術により、リン脂質リポソームの大規模生産とそれに続く材料ナノカプセル化が可能になる。
ドロップ方式
この方法では、細胞溶液をセルロース硝酸塩のコロジオン溶液に滴下します。滴がコロジオンを通過すると、コロジオンの界面重合特性により膜で覆われます。その後、細胞はパラフィンに沈み、膜が固まり、生理食塩水で懸濁されます。滴下法は、生物細胞、幹細胞、遺伝子組み換え幹細胞をカプセル化する大型人工細胞の作成に使用されます。
エマルジョン法
エマルジョン法は、カプセル化される物質が通常より小さく、反応室の底に置かれ、コロジオンが上に加えられ、遠心分離されるか、またはエマルジョンを作成するためにかき混ぜられるという点で異なります。カプセル化された物質は、次に生理食塩水に分散され、懸濁されます。
臨床的関連性
薬剤の放出と送達
薬物送達に使用される人工細胞は、その内容物が膜から拡散するか、宿主標的細胞に取り込まれて消化されることを意図している点で、他の人工細胞とは異なります。よく使用されるのは、ナノカプセル、ナノ粒子、ポリマーソーム、または他の用語のバリエーションと呼ばれるサブミクロンの脂質膜人工細胞です。[35]
RNA温度計を使用して人工細胞からの貨物放出のタイミングと場所を制御する温度応答システムが開発されました。 [36]これは、RNA温度計の制御下で人工細胞に孔形成タンパク質（α溶血素）を発現させることによって行われ、貨物の放出を温度変化と連動させることができます。[36]
酵素療法
酵素療法は、酵素が過剰発現、低発現、欠陥、または全く存在しない遺伝性代謝疾患に対して積極的に研究されています。低発現または欠陥酵素の発現の場合、活性型の酵素が体内に導入され、不足を補います。一方、酵素の過剰発現は、競合する非機能酵素、つまり基質を非活性生成物に代謝する酵素の導入によって打ち消される場合があります。人工細胞内に配置された酵素は、遊離酵素と比較してはるかに長い期間その機能を果たすことができ[3]、ポリマー結合によってさらに最適化することができます。[37]
人工細胞カプセル化で研究された最初の酵素は、マウスのリンパ肉腫の治療のためのアスパラギナーゼでした。この治療により、腫瘍の発症と成長が遅れました。[38]これらの最初の発見は、チロシン依存性黒色腫への酵素送達のための人工細胞の使用に関するさらなる研究につながりました。[39]これらの腫瘍は、成長において通常の細胞よりもチロシンへの依存度が高く、研究では、マウスの全身のチロシンレベルを下げると黒色腫の成長を抑制できることが示されています。[40 ] チロシンを消化する酵素であるチロシナーゼの送達に人工細胞を使用すると、酵素の安定性が向上し、食事中のチロシン欠乏に関連する重篤な副作用なしにチロシンを除去するのに効果的であることが示されています。[41]
人工細胞酵素療法は、特定の癌におけるイホスファミドなどのプロドラッグの活性化にも関心が寄せられている。このプロドラッグを活性薬剤に変換するシトクロムp450酵素をカプセル化した人工細胞は、膵臓癌に蓄積するように調整するか、腫瘍部位の近くに人工細胞を移植することができる。この場合、活性化イホスファミドの局所濃度は体の他の部分よりもはるかに高くなるため、全身毒性を防ぐことができる。 [ 42]この治療は動物で成功し[43] 、第I/II相臨床試験で進行期膵臓癌患者の平均生存率が2倍になり、1年生存率が3倍になった。[42]
遺伝子治療
遺伝性疾患の治療において、遺伝子治療は罹患した個人の細胞内に遺伝子を挿入、改変、または除去することを目的としている。この技術はウイルスベクターに大きく依存しており、挿入変異誘発と全身免疫反応に関する懸念が生じており、臨床試験ではヒトの死亡[44] [45]や白血病の発症[46] [47]につながっている。裸のDNAまたはプラスミドDNAを独自の送達システムとして使用することでベクターの必要性を回避すると、全身投与時の伝達効率の低さや組織標的化の悪さなどの問題も発生する。[4]
人工細胞は、遺伝子組み換えされた非自己細胞をカプセル化して移植し、組み換えタンパク質を体内に送達するための非ウイルスベクターとして提案されている。[48]このタイプの免疫隔離は 、マウス成長ホルモンを含む人工細胞の送達によってマウスで有効であることが証明されており、突然変異マウスの成長遅延を救済した。[49]いくつかの戦略は、膵臓癌、側索硬化症、および疼痛管理の治療のためのヒト臨床試験に進んでいる。[4]
血液灌流
人工細胞の最初の臨床使用は、活性炭をカプセル化して血液灌流に使用された。[28]活性炭は多くの大きな分子を吸着する能力があり、偶発的な中毒や過剰摂取の際に血液から毒性物質を除去する能力があることが長い間知られていた。しかし、炭を直接投与して灌流すると、塞栓症や血液細胞の損傷を引き起こし、その後血小板によって除去されるため有毒である。[ 50 ] 人工細胞は、危険な積荷を極薄の膜内に保持しながら、毒素を細胞内に拡散させる。[28]
人工細胞血液灌流は、血液濾過が物理的な膜によるサイズ分離のみで行われる血液透析[3]よりも安価で効率的な解毒方法として提案されている。血液灌流では、患者の血液が灌流される両端の2つのスクリーンを使用して、何千もの吸着性人工細胞が小さな容器内に保持される。血液が循環すると、毒素や薬物が細胞内に拡散し、吸収材によって保持される。人工細胞の膜は透析で使用されるものよりもはるかに薄く、サイズが小さいため膜表面積が大きい。つまり、細胞の一部分の理論的な物質移動は、人工腎臓装置全体の100倍になる可能性がある。[3]この装置は、偶発的または自殺による中毒の患者に対する日常的な臨床方法として確立されているが、これらの臓器の機能の一部を実行することで、肝不全や腎不全の治療法としても導入されている。[3] 人工細胞血液灌流は、人工細胞の表面にアルブミンなどの免疫吸着物質を付着させることで抗体を体内から除去できる免疫吸着への使用も提案されている。この原理は、骨髄移植のための血漿から血液型抗体を除去するために、また、低密度リポタンパク質を除去するモノクローナル抗体を介して高コレステロール血症の治療に使用されている。[ 52]血液灌流は、透析装置の製造産業が弱い国では特に有用であり、そのような国では装置が安価になる傾向があり、腎不全患者に使用される。
カプセル化された細胞
人工細胞を調製する最も一般的な方法は、細胞のカプセル化です。カプセル化された細胞は通常、液体細胞懸濁液から制御されたサイズの液滴を生成することによって達成され、その後、急速に凝固またはゲル化されて安定性が向上します。安定化は、温度変化または材料の架橋によって達成できます。[4]細胞が直面する微小環境は、カプセル化によって変化します。通常、細胞は単層からポリマー膜内のポリマー足場内の懸濁液に変わります。この技術の欠点は、細胞をカプセル化すると、細胞の生存率と増殖および分化能力が低下することです。[53]さらに、マイクロカプセル内でしばらくすると、細胞はクラスターを形成し、酸素と代謝老廃物の交換を阻害します。[54]アポトーシスと壊死につながり、細胞の有効性が制限され、宿主の免疫系が活性化されます。人工細胞は、糖尿病治療のためのランゲルハンス島、[55]副甲状腺細胞や副腎皮質細胞など、多くの細胞の移植に成功している。
カプセル化された肝細胞
臓器提供者の不足により、人工細胞は肝不全の代替療法において重要な役割を果たしている。肝細胞移植のための人工細胞の使用は、動物の肝疾患モデルおよびバイオ人工肝臓デバイスにおいて肝機能の提供における実現可能性および有効性を実証している。[56]研究は、肝細胞をマイクロキャリアの表面に付着させる実験から始まり[57] 、ポリリジンの外皮で覆われたアルギン酸マイクロ液滴の3次元マトリックスにカプセル化された肝細胞へと進化した。この送達方法の主な利点は、治療期間中に免疫抑制療法を回避できることである。肝細胞のカプセル化は、バイオ人工肝臓での使用が提案されている。このデバイスは、単離された肝細胞が埋め込まれた円筒形のチャンバーで構成され、患者の血漿が血液灌流の一種で体外循環される。マイクロカプセルは表面積対体積比が大きいため、基質拡散のための表面積が広く、多数の肝細胞を収容することができる。肝不全マウスを治療したところ、生存率が大幅に上昇した。[56]人工肝臓システムはまだ開発の初期段階にあるが、臓器移植を待つ患者や、患者自身の肝臓が十分に再生して正常な機能を回復するまでの患者に有効である可能性がある。これまでのところ、末期肝疾患患者に対する人工肝臓システムと肝細胞移植の臨床試験では、健康指標の改善が示されたが、生存率はまだ改善されていない。[58]移植後の人工肝細胞の寿命が短く凝集することが、主な障害となっている。幹細胞と共にカプセル化された肝細胞は、培養時および移植後の生存率が高く[59]、人工幹細胞のみの移植でも肝臓の再生が示された。[60]そのため、再生医療 におけるカプセル化のための幹細胞の使用に関心が高まっている。
カプセル化された細菌細胞
生きた細菌細胞コロニーの経口摂取が提案されており、現在、腸内細菌叢の調整、[61]下痢性疾患の予防、[62]ピロリ菌感染症、アトピー性炎症、[63] 乳糖不耐症[64]の治療、免疫調整[65]などの治療法として使用されています。提案されている作用機序は完全には解明されていませんが、主に2つの効果があると考えられています。1つ目は栄養効果で、細菌が毒素産生細菌と競合します。2つ目は衛生効果で、定着に対する抵抗力を刺激し、免疫応答を刺激します。[ 4 ] 細菌培養物の経口投与は、免疫系の標的となり、経口摂取すると破壊されることが多いため、問題となることがよくあります。人工細胞は、体内で擬態し、選択的または長期放出することで、細菌が胃腸系に到達する生存率を高めることで、これらの問題に対処するのに役立ちます。[4]さらに、生きた細菌細胞のカプセル化は、治療目的でペプチドなどの小分子を体内に拡散できるように設計することができます。[4] 細菌の送達に効果的であることが証明されている膜には、セルロースアセテートとアルギン酸の変種があります。[4]細菌細胞のカプセル化から生まれたその他の用途には、結核菌による感染からの保護[ 66]や免疫系からのIg分泌細胞のアップレギュレーションなどがあります。[67]この技術は、全身感染のリスク、有害な代謝活動、遺伝子転移のリスクによって制限されています。[4]しかし、十分な生存細菌を目的の部位に送達することが依然として大きな課題です。[4]
酸素運搬体としての人工血液細胞
ナノサイズの酸素運搬体は、赤血球の他の成分を欠いているものの、一種の赤血球代替物として使用されている。これらは、精製された動物、ヒト、または組み換えヘモグロビンを囲む合成ポリマーソームまたは人工膜で構成されている。[68] 全体として、ヘモグロビンの送達は、変更せずに送達すると非常に有毒であるため、依然として課題となっている。いくつかの臨床試験では、血管収縮効果が観察されている。[69] [70]
人工赤血球
人工細胞を血液に使用する研究への関心は、1980 年代のエイズ騒動後に高まりました。人工赤血球は、病気の伝染の可能性を回避するだけでなく、血液型判定、免疫反応、42 日という短い保存期間など、同種血液輸血に関連する欠点を解消するため、求められています。ヘモグロビン代替物は、冷蔵せずに室温で 1 年以上保存できます。[3]炭酸ガス、酸素運搬体だけでなく、細胞に関連する酵素も含む、完全に機能する赤血球の開発が試みられてきました。最初の試みは、1957 年に赤血球膜を極薄ポリマー膜に置き換えることで行われ[71]、その後、脂質膜[72]でカプセル化し 、最近では生分解性ポリマー膜でカプセル化しました。[3]脂質と関連タンパク質 を含む生物学的赤血球膜は、ナノ粒子をカプセル化し、マクロファージの取り込みと全身クリアランスを回避することで体内での滞留時間を延長するためにも使用できます。[73]
人工白血球ポリマーソーム
白血球ポリマーソームは、白血球の接着特性を持つように設計されたポリマーソームです。[74]ポリマーソームは、薬物や酵素などの多くの活性分子をカプセル化できる二重層シートで構成された小胞です。その膜に白血球の接着特性を追加することで、白血球の速度を落としたり、急速に流れる循環系内の上皮壁に沿って転がったりすることができます。
従来とは異なるタイプの人工細胞
電子人工細胞
電子人工細胞の概念は、2004 年から 2015 年にかけてジョン・マッカスキルが調整した一連の 3 つの EU プロジェクトで拡張されました。
欧州委員会は、2004年から2008年にかけて、プログラム可能な人工細胞進化（PACE）プログラム[75]の開発を支援しました。このプログラムの目的は、「特定の機能を実行するように遺伝的にプログラムできる単純な有機および無機物質から構築された、微視的な自己組織化、自己複製、および進化可能な自律的な実体」[75]の作成の基礎を築き、最終的には情報システムに統合することでした。PACEプロジェクトは、化学的に欠けている機能を補完できる人工細胞のマイクロ流体生命維持システムである最初のオメガマシンを開発しました（元々はノーマン・パッカード、スティーン・ラスムッセン、マーク・ビーダウ、ジョン・マカスキルによって提案されました）。最終的な目的は、複雑なマイクロスケールのプログラム可能な環境で進化可能なハイブリッド細胞を実現することでした。オメガマシンの機能は段階的に削除することができ、人工細胞化学に解決可能な一連の進化の課題を提示しました。このプロジェクトは、人工細胞の3つのコア機能（遺伝子サブシステム、封じ込めシステム、代謝システム）のペアレベルまでの化学的統合を達成し、封じ込めと遺伝子増幅の統合のための新しい空間的に分解されたプログラム可能なマイクロ流体環境を生み出しました。[75] このプロジェクトは、欧州生体技術センターの設立につながりました。[76]
この研究に続いて、2007 年にジョン・マッカスキルは、電子化学細胞と呼ばれる電子的に補完された人工細胞に集中することを提案しました。その鍵となるアイデアは、2 次元薄膜内の局所的に専用化された電子回路に結合された電極の超並列アレイを使用して、新たに出現した化学細胞機能を補完することでした。電極のスイッチングおよび感知回路を定義する局所的な電子情報は、電子ゲノムとして機能し、新たに出現したプロトコルの分子シーケンス情報を補完します。研究提案は欧州委員会で成功し、PACE コンソーシアムと部分的に重複する国際的な科学者チームが、2008 年から 2012 年にかけて電子化学細胞プロジェクトの作業を開始しました。このプロジェクトでは、特定のシーケンスの電子制御された局所輸送を将来の人工細胞の遺伝子増殖のための人工空間制御システムとして使用できること、および代謝のコア プロセスを適切にコーティングされた電極アレイによって実行できることなどが実証されました。
このアプローチの主な制限は、マイクロスケールの電気化学と電気運動学を習得する際の初期の困難さを別にすれば、電子システムがマクロスケールのハードウェアの剛性のある非自律的な部分として相互接続されていることである。2011年、マッカスキルは電子工学と化学の幾何学を逆転させることを提案した。つまり、化学物質を能動的な電子媒体に配置するのではなく、化学媒体に微視的な自律的な電子工学を配置するというものである。彼は、100μmスケールで第3世代の電子人工細胞に取り組むプロジェクトを組織した。この細胞は、2つの半細胞「ラベル」から自己組織化して内部の化学空間を囲み、浸漬された媒体によって駆動される能動的な電子工学の助けを借りて機能する。このような細胞は、電子的内容と化学的内容の両方をコピーすることができ、事前に合成された特別な微視的構成要素によって提供される制約内で進化することができる。2012年9月、このプロジェクトの作業が開始された。[77]
人工ニューロン
有機および無機の物理的な人工ニューロンの研究開発が行われています。
例えば、人工ニューロンの中には[78] [79]ドーパミン（電気信号ではなく化学信号）を受信・放出し、ラットの天然の筋肉や脳細胞と通信できるものがあり、 BCIや補綴物への応用が期待されています。[80] [81]
低電力生体適合性メモリスタは、生物学的活動電位の電圧で機能し、ニューロモルフィックコンピューティングや生物学的ニューロンとの直接通信のためにバイオセンシング信号を直接処理するために使用できる人工ニューロンの構築を可能にする可能性がある。[82] [83] [84]
ポリマー で作られた有機ニューロモルフィック回路は、イオンを豊富に含むゲルでコーティングされており、実際のニューロンのように電荷を運ぶことができるため、ロボットに組み込まれ、シミュレーションや仮想世界ではなく、現実世界の中で感覚運動的に学習できるようになりました。[85] [86]さらに、ソフトマター（ポリマー）で作られた人工スパイクニューロンは、生物学的に関連する環境で動作し、人工領域と生物学的領域間の相乗的なコミュニケーションを可能にします。[87] [88]ジーワヌ
ジーワヌ原細胞は、細胞のような構造を持ち、機能的な生命特性を持つと思われる合成化学粒子です。 [89] 1963年に単純な鉱物と基本的な有機物から太陽光にさらされて初めて合成されましたが、今でも代謝能力があり、半透膜、アミノ酸、リン脂質、炭水化物、RNAのような分子が存在すると報告されています。 [89]しかし、ジーワヌの性質と特性はまだ明らかにされていません。[89] [90]
半人工サイボーグ細胞
合成生物学、ナノテクノロジー、材料科学のアプローチ
を組み合わせて、細菌サイボーグ細胞のいくつかの異なる反復が作成された。[91] [92] [93]これらのさまざまな種類の機械的に強化された細菌は、天然細胞と非生物材料を組み合わせた、いわゆるバイオニック製造原理を使用して作成されます。 2005年、ネブラスカ大学リンカーン校の化学工学部の研究者は、バクテリアのバチルスセレウスを金ナノ粒子でコーティングすることで超高感度湿度センサーを作成しました。これは、微生物を使用して電子機器を作成した最初のものであり、おそらく最初のサイボーグ細菌またはセルボルグ回路でした。[94]カリフォルニア大学バークレー校の化学部の研究者は、植物よりも効率的に太陽光を収穫できるサイボーグ細菌の開発について説明する一連の記事を2016年に発表しました。[95]最初の研究では、研究者らは、硫化カドミウムナノ粒子を用いて非光合成細菌Moorella thermoaceticaの自己光増感を誘導し、二酸化炭素から酢酸の光合成を可能にした。[96]フォローアップ記事では、二酸化炭素と太陽光から酢酸への変換を可能にする半導体から細菌への電子伝達のメカニズムの解明について説明している。[97]カリフォルニア大学デービス校生物医学工学部と台湾の中央研究院の科学者らは、大腸菌細胞の細胞質内に合成ハイドロゲルを組み立てて細胞を分裂不能にし、環境要因、抗生物質、高酸化ストレスに対する耐性を持たせるという、サイボーグ細胞を作成する別のアプローチを開発した。 [98]合成ハイドロゲルの細胞内注入により、これらのサイボーグ細胞は人工細胞骨格を備え、獲得した耐性により、古典的な合成材料と細胞ベースのシステムの間に位置する新しいクラスの薬物送達システムになる可能性が高まります。
参照
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