マイコプラズマ研究所

マイコプラズマは、寄生性または共生性の生活様式のため細胞壁を持たない（グラム陰性である）ことが特徴ですが、マイコプラズマ門（旧テネリクテス門）のモリクテス綱に属する細菌の属です。分子生物学では、この属は哺乳類細胞培養における根絶が非常に困難な汚染物質であること（ β-ラクタム系抗生物質やその他の抗生物質に耐性がある）^{[ a 6 ]}と、ゲノムサイズが小さいためモデル生物として利用できる可能性があること^{[ a 7 ]}の両方で注目を集めています。

1996年、アルカディ・ムシェギアンとユージン・クーニンは、マイコプラズマ・ジェニタリウムと別の小型細菌であるインフルエンザ菌を比較した後、生存に必要な最小限の遺伝子セットである可能性のある256個の共通遺伝子セットが存在するかもしれないと提唱した。^{[ b6 ] [ a8 ]}

Synthiaプロジェクトの属の選択は、カール・ライヒがMycoplasma laboratoriumというフレーズを造語した2000年に遡ります。^{[ a 2 ]}

2005 年現在、Pelagibacter ubique (リケッチア目α-プロテオバクテリア) は、自由生活生物の中で最小のゲノム (1,308,759 塩基対) を持ち、自己複製する細胞としても最小の細胞の一つです。おそらく世界で最も数の多い細菌 (おそらく 10 ^{28個の細胞) であり、} SAR11 クレードの他のメンバーとともに、海洋中のすべての細菌または古細菌細胞の 4 分の 1 から 2 分の 1 を占めると推定されています。 ^{[ a 9 ]} 2002 年にrRNA 配列によって同定され、2005 年に全配列が決定されました。^{[ a 10 ]}実験室培養で高い増殖密度に達しない種を培養することは非常に困難です。^{[ a 11 ] [ a 12 ]} 新たに発見されたいくつかの種は、M. genitaliumよりも遺伝子の数が少ないが、自由生活性ではない。Hodgkinia cicadicola、Sulcia muelleri、 Baumannia cicadellinicola (セミの共生生物)、Carsonella ruddi (ハックベリー葉柄虫こぶキジラミPachypsylla venusta ^{[ a 13 ]}の共生生物) に欠けている多くの必須遺伝子は、宿主の核にコードされている可能性がある。^{[ a 14 ]} 2013 年現在、最も遺伝子の数が少ない生物は、絶対共生生物であるNasuia deltocephalinicolaである。遺伝子は 137 個しかなく、ゲノムサイズは 112 kb である。^{[ a 15 ] [ b 7 ]}

2007年、ベンターのチームは、以下の方法でマイコプラズマ・ミコイデス種の染色体をマイコプラズマ・カプリコラム種に移植することに成功したと報告した。

• M. mycoidesのゲノムの単離: 寒天に閉じ込められた細胞を穏やかに溶解し、溶融した寒天を細胞と混合してゲルを形成させ、続いてパルスフィールドゲル電気泳動を行い、正しいサイズ (環状 1.25Mbp) のバンドを単離する。
• M. capricolumの受容細胞をコンピテントにするには、栄養豊富な培地での増殖の後、栄養不足培地での飢餓状態にする必要があり、その結果、ヌクレオチドの飢餓によりDNA複製が阻害され、形態が変化する。
• ポリエチレングリコールを介した環状染色体のDNAフリー細胞への変換とその後の選択。^{[ a 16 ]}

形質転換という用語は、ベクターを細菌細胞に挿入すること（電気穿孔法または熱ショック法による）を指すのに用いられる。ここでいう移植とは、核移植と同様の意味で用いられる。

2008年にベンターのグループは、階層的戦略によって合成ゲノム、 M. genitalium G37配列L43967のコピーを作成したことを報告した。 ^{[ a 17 ]}

• 合成 → 1kbp: ゲノム配列は、Blue Heronによって1,078個の1080bpカセットに合成され、80bpの重複とNotI制限酵素部位（効率は低いが切断頻度の低い酵素）が含まれています。
• 連結 → 10kbp: 10個の連続したカセットからなる109個のグループを連結し、大腸菌のプラスミド上にクローニングし、配列決定によって正しい順列を確認した。
• マルチプレックスPCR → 100kbp: 10個の連続した10kbpアセンブリ（酵母で培養）の11グループを、各10kbpアセンブリ用のプライマーペアを使用してマルチプレックスPCRで結合しました。
• 分離と組み換え → 二次アセンブリを分離し、結合し、ベクター配列（アセンブリ811-900に存在する）なしで酵母スフェロプラストに形質転換した。

この2008年の結果であるM. genitalium JCVI-1.0のゲノムは、GenBankにCP001621.1として公開されている。これは、 M. mycoidesを基にした後の合成生物であるJCVI-synと混同してはならない。^{[ a 17 ]}

JCVI-syn1.0 のよく知られた特徴は、透かし配列の存在です。4 つの透かし (論文の補足資料の図 S1 に示されています^{[ a 1 ]} ) は、それぞれ 1246、1081、1109、1222 塩基対の長さで、DNA に書き込まれたコード化されたメッセージです。これらのメッセージは、3 つの DNA 塩基の配列がアミノ酸をコードする標準的な遺伝暗号ではなく、この目的のために考案された新しいコードを使用しており、読者はその解読に挑戦しました。^{[ b 8 ]}透かしの内容は次のとおりです。

1. 透かし1： Webブラウザで読み込まれるHTML文書。復号者を祝福するテキストと、復号を証明するために著者にメールを送信する方法が記載されている。
2. 透かし2：著者のリストとジェイムズ・ジョイスの引用「生きること、過ちを犯すこと、倒れること、勝利すること、人生から人生を再創造すること」。
3. 透かし3：さらに著者名とロバート・オッペンハイマーの言葉（クレジットなし）：「物事をあるがままに見るのではなく、あるべき姿として見よ」。
4. 透かし4：その他の著者とリチャード・ファインマンの言葉：「私が作れないものは、理解できない」。

2016年、ベンター研究所はJCVI-syn1.0の遺伝子を用いて、531,560塩基対と473個の遺伝子を含むJCVI-syn3.0と呼ばれるより小さなゲノムを合成した。^{[ b9 ]}この新しい生物では、遺伝子の数は473個にまでしか減らすことができず、そのうち149個の機能は全く不明である（2016年時点）。^{[ b6 ]} JCVI-syn3.0を作成するために、科学者たちはJCVI-syn2.0と呼ばれる株を用いて、どの遺伝子を安全に削除できるかを研究した。^{[ a19 ]}

JCVI-syn3.0細胞は脆弱で操作が困難でした。また、形状も不規則でばらつきがありました。この問題を解決するため、2017年にJCVI-syn1.0から19個の遺伝子を追加し、他の2つの遺伝子を除去したJCVI-syn3Aと呼ばれる新しい株が構築されました。追加された遺伝子には、細胞分配タンパク質FtsZとSepF、および機能不明のタンパク質が含まれています。結果として得られた細菌は、543 kbpのゲノム上に493個の遺伝子（452個のタンパク質、38個のRNA）を持っていました。syn3Aのすべての代謝経路の完全な計算モデルが2019年に発表され、生きた最小生物の最初のin silicoモデルとなりました。これは、338の化学反応を実行する155個の遺伝子を網羅しています。今後のモデルは、リボソーム生合成とtRNA生合成を網羅する予定です。^{[ a 20 ]}

2019年時点で、syn3Aの91個の遺伝子の機能は不明であった。これらのうち8個はKEGGにオルソログがあり、その機能の可能性を部分的に明らかにしている。^{[ a 20 ]}

JCVI-syn3Bは、この株の進化に関する2021年（2023年発表）の記事で初めて記述されました。^{[ 1 ]}そのゲノムは、M. mycoidesと哺乳類細胞間の相互作用のモデルシステムとしての使用を詳述した記事の一部として2024年に公開されました。Syn3Bはこれらの細胞に付着したり、細胞内寄生体として細胞内で生存したりすることはできませんでしたが、Syn1.0はできました。Syn1.0の8つの遺伝子がこれらの行動に必要であることがわかりました。Syn3Bに導入されると、形質転換株は付着することはできましたが、食作用に耐えることができませんでした。Syn3Bのゲノム（CP146056）は、いくつかの挿入・欠失とSyn3.0にも存在する1186bpの酵母由来領域の追加を除いて、syn3Aのゲノムと非常によく似ています。^{[ 2 ]}

読者は、JCVI株の機能不明遺伝子の注釈付けの取り組みについては、Bianchi et al. (2022) の序論を参照することを推奨する。これらの遺伝子を解明するために、ウェットラボ法とバイオインフォマティクス法の両方が用いられた。Bianchi et al. の研究自体が、バイオインフォマティクスを介して相同タンパク質を見つけようとする試みである。^{[ a 21 ]}

2007年10月6日、クレイグ・ベンターは英国のガーディアン紙のインタビューで、同じチームがマイコプラズマ・ジェニタリウムの単一染色体の改変版を化学的に合成したと発表した。合成されたゲノムはまだ機能する細胞に移植されていなかった。翌日、カナダの生命倫理団体ETCグループは、代表者のパット・ムーニーを通じて声明を発表し、ベンターの「創造物」は「ほぼ何でも構築できるシャーシであり、新薬のような人類への貢献にもなり得るし、生物兵器のような人類への大きな脅威にもなり得る」と述べた。ベンターは「我々は大きなアイデアを扱っている。生命のための新しい価値体系を創造しようとしている。この規模で扱う場合、誰もが満足するとは期待できない」とコメントした。^{[ b 10 ]}

2010年5月21日、サイエンス誌は、ベンター研究グループがコンピューターの記録からマイコプラズマ・ミコイデス菌のゲノムを合成し、その合成ゲノムをDNAが除去されたマイコプラズマ・カプリコラム菌の既存の細胞に移植することに成功したと報じた。この「合成」細菌は生存可能であり、複製能力があった。^{[ b 1 ]}ベンターはこれを「親がコンピューターである最初の種」と表現した。^{[ b 11 ]}

2016年3月25日、サイエンス誌で新しい合成細菌JCVI-3.0の誕生が発表された。この細菌はわずか473個の遺伝子しか持たない。ベンター氏はこれを「史上初のデザイナー生物」と呼び、必要な遺伝子のうち149個が未知の機能を持つという事実は、「生物学の分野全体が生命に不可欠なものの3分の1を見落としていたことを意味する」と主張した。^{[ a 22 ]}

このプロジェクトは、ベンターのショーマンシップのおかげでマスコミから大きな注目を集め、先駆的な合成生物学者でありエイミリスの創設者であるジェイ・キースリングは「我々に必要な唯一の規制は、私の同僚の口だけだ」とコメントするほどだった。^{[ b 12 ]}

ベンターは、合成細菌は水素やバイオ燃料を製造し、二酸化炭素やその他の温室効果ガスを吸収する生物を作り出すための第一歩であると主張している。合成生物学のもう一人の先駆者であるジョージ・M・チャーチは、大腸菌は余分なDNAをすべて持っていてもマイコプラズマ・ジェニタリウムよりも効率的に増殖するため、完全な合成ゲノムを作る必要はないという対照的な見解を示している。彼は、上記のタスクの一部を実行するために合成遺伝子が大腸菌に組み込まれていると述べている。^{[ b 13 ]}

J. クレイグ・ベンター研究所は、2006年に米国および国際的にマイコプラズマ・ラボラトリアムのゲノム（「最小細菌ゲノム」）の特許を出願した。 ^{[ b 14 ] [ b 15 ] [ a 23 ]}カナダの生命倫理団体であるETCグループは、特許の範囲が広すぎるとして抗議した。^{[ b 16 ]}