合成生物回路

合成生物回路は合成生物学の応用であり、細胞内の生物部品が電子回路で観察されるものを模倣した論理機能を実行するように設計される。通常、これらの回路は、回路の動作を作成するために相互作用する生体分子の種類に応じて、遺伝子回路、RNA回路、またはタンパク質回路のいずれかに分類される。3種類の回路の用途は、単に生成を誘導することから、緑色蛍光タンパク質などの測定可能な要素を既存の天然生物回路に追加すること、多くの部品からなるまったく新しいシステムを実装することまで多岐にわたる。^[1]

合成生物学の目標は、調整可能で特徴づけられた部品やモジュールの配列を生成し、それを使って望ましい合成生物学的回路を簡単に設計し、実装できるようにすることです。^[2] これらの回路は、細胞機能を変更したり、環境条件に対する細胞の反応を作成したり、細胞の発達に影響を与えたりする方法として機能します。細胞システムに合理的で制御可能なロジック要素を実装することで、研究者は生体システムを設計された「生物学的機械」として使用し、さまざまな有用な機能を実行できます。^[1]

詳しく研究された最初の天然遺伝子回路は、lac オペロンでした。2糖培地でのE. coliの二相性増殖の研究で、 Jacques MonodとFrancois Jacob は、 E. coli がラクトース代謝に切り替える前に、より処理しやすいグルコースを優先的に消費する ことを発見しました。彼らは、代謝の「切り替え」機能を制御するメカニズムが、lac オペロンの 2 部構成の制御メカニズムであることを発見しました。細胞内にラクトースが存在する場合、ラクトースをグルコースまたはガラクトースに変換する酵素 β-ガラクトシダーゼが生成されます。細胞内にラクトースが存在しない場合、lac リプレッサーが酵素β-ガラクトシダーゼの生成を抑制し、細胞内の非効率的なプロセスを防ぎます。

lac オペロンは、バイオテクノロジー産業で治療用の組み換え タンパク質の生産に使用されています。外来タンパク質を生成する遺伝子は、 lac プロモーターの制御下にあるプラスミド上に配置されます。最初に細胞はラクトースやその他の糖を含まない培地で増殖するため、新しい遺伝子は発現しません。細胞が成長の特定の段階に達すると、イソプロピル β-D-1-チオガラクトピラノシド (IPTG)が追加されます。IPTG はラクトースに類似した分子ですが、硫黄結合が加水分解されないため大腸菌はそれを消化しません。IPTG は新しいタンパク質の生成を活性化または「誘導」するために使用されます。細胞が誘導されると、細胞から IPTG を除去することは困難であり、したがって発現を停止することは困難です。

2000年にネイチャー誌に合成生物回路の初期の2つの例が発表された。1つはボストン大学のティム・ガードナー、チャールズ・カンター、ジム・コリンズによるもので、大腸菌の「双安定」スイッチを実証した。このスイッチは細菌培養物を加熱することでオンになり、IPTGを加えることでオフになる。彼らはシステムのレポーターとして緑色蛍光タンパク質を使用した。^[3] 2つ目はマイケル・エロウィッツとスタニスラス・ライブラーによるもので、3つのリプレッサー遺伝子が接続されてリプレッシレーターと呼ばれる負のフィードバックループを形成し、大腸菌のタンパク質レベルの自律振動を生成できることを示した。 ^[4]

現在、合成回路はシステム生物学の研究分野で急成長しており、合成生物学的回路を詳述した出版物が毎年増えています。^[5]教育とアウトリーチの促進にも大きな関心が寄せられています。国際遺伝子工学機械コンペティション^[6]では、学部生や高校生が独自の合成生物学的回路を設計できるように、 バイオブリック部品の作成と標準化を管理しています。

合成生物学的回路の使用には、代謝工学や合成生物学のさまざまな用途を含め、短期的および長期的な用途の両方があります。実証済みの用途には、医薬品製造^[7]や燃料製造^[8]などがあります。ただし、遺伝子の直接導入を伴う方法は、合成細胞回路の基本原理を呼び出さなければ、本質的に効果的ではありません。たとえば、これらの成功したシステムのそれぞれは、全か無かの誘導または発現を導入する方法を採用しています。これは、単純なリプレッサーまたはプロモーターが導入され、生成物の生成または競合する経路の阻害を容易にする生物学的回路です。ただし、細胞ネットワークと自然回路の理解が限られているため、より正確な制御とフィードバックを備えたより堅牢なスキームの実装が妨げられています。そこに、合成細胞回路への差し迫った関心があります。

細胞回路の理解が進むと、環境刺激に反応できる細胞など、刺激的な新しい改変につながる可能性があります。たとえば、毒性のある環境を知らせ、認識した毒素を分解する経路を活性化することで反応する細胞を開発することができます。^[9]このような細胞を開発するには、与えられた刺激に適切に反応できる複雑な合成細胞回路を作成する必要があります。

合成細胞回路は細胞活動の制御の一形態であるため、細胞経路を完全に理解すれば、明確に定義された遺伝子回路を持つ「プラグ アンド プレイ」^[1]細胞を設計できると考えられます。適切な部品のツールボックスが生成されれば、^[10]細胞の生存と再生に必要な経路のみを実装した合成細胞を開発できると広く信じられています。この細胞を最小限のゲノム細胞と考え、ツールボックスから部品を追加して、効果的なフィードバック システムに適した合成回路を持つ明確に定義された経路を作成できます。基本的なゼロからの構築方法と、マップされた回路部品の提案されたデータベースにより、コンピューターや電子回路のモデル化に使用される技術をミラーリングして、細胞を再設計し、トラブルシューティングや予測動作および収量を容易にするために細胞をモデル化できます。

1. 抑制装置
2. 哺乳類の同調可能な合成発振器
3. 細菌の調整可能な合成発振器
4. 結合細菌振動子
5. 全体的に結合した細菌振動子

エロウィッツらとファングらは、複数の自己調節機構を利用して遺伝子産物発現の時間依存振動を生み出す振動回路を作成した。^{[11] [12]}

1. トグルスイッチ

ガードナーらは、2つの制御ユニット間の相互抑制を利用して、一時的な刺激が持続的な反応をもたらす双安定的な方法で細胞を制御できるトグルスイッチの実装を作成しました。^[3]

遺伝子制御は発達過程の重要な部分です。発達の過程では、さまざまな組織で遺伝子のオン/オフが切り替わり、制御機構の変化によって双安定システムで遺伝子の切り替えが起こり、遺伝子スイッチは制御分子結合部位として機能します。これらは、遺伝子スイッチに着地すると転写を活性化するタンパク質であり、それによってメモリデバイスとして機能すると予想される遺伝子が発現し、細胞運命の決定が選択され、維持されるようになります。^[13]

トグルスイッチは相互に抑制する2つの遺伝子を使用して動作し、各プロモーターは反対のプロモーターによって転写されるリプレッサーによって抑制されます。トグルスイッチの設計：誘導因子1はリプレッサー1を不活性化し、リプレッサー2が生成されます。リプレッサー2は、リプレッサー1遺伝子とレポーター遺伝子の転写を停止します。^[14]

負のフィードバックと同一のプロモーターを使用することで、リニアライザー遺伝子回路は細胞外化学誘導剤の濃度に線形に依存する均一な遺伝子発現を強制することができる。^[17]

合成遺伝子回路は遺伝子発現の異質性を制御することができ、遺伝子発現の平均とは独立して制御することができる。^[18]

工学システムは、さまざまな制御メカニズムの組み合わせの実装の結果です。限定されたカウントメカニズムは、パルス制御遺伝子カスケードによって実装されました^[19]。また、ロジック要素の適用により、Taborらの研究のように細胞の遺伝的「プログラミング」が可能になり、感光性細菌エッジ検出プログラムを合成しました。^[20]

人工遺伝子合成の最近の発展とそれに伴う業界内の競争の激化により、遺伝子合成の価格と待ち時間が大幅に低下し、回路設計に使用される方法が改善されました。^[21]現在、回路設計は、既知の複数の遺伝子相互作用と数学モデルの組織化が不十分なため、ゆっくりとしたペースで改善されています。この問題は、コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを適用して、生物回路に適用された画像、テキスト、プログラミング言語を通じて回路のマルチメディア表現を提供することで対処されています。^[22]よく知られている CAD プログラムには、GenoCAD、Clotho フレームワーク、j5 などがあります。^{[23] [24] [25]} GenoCAD は、利用可能な遺伝子と生物のクローン作成に既知の遺伝子相互作用を含む、オープンソースまたはユーザー生成の「ルール」である文法を使用します。Clotho フレームワークは、Biobrick 標準ルールを使用します。^[22]

• 遺伝子制御：回路工学分野に向けて
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