Loading article…
合成生物学（SynBio）は、工学の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、自然界に存在する既存のシステムを再設計したりする学際的な科学分野です。 [ 1 ]この分野は、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包含しています。
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、または有用な目的のために既存の生物学的システムを再設計することが含まれます。[ 2 ]
さらに、工学は、既存の生物に新たな能力を組み込んで有用な目的のために再設計することに焦点を当てた科学分野です。[ 3 ]
自然界には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成するためには、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を含む可能性があります。[ 4 ]
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。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の科学者オズワルド・エイブリーは、 DNAが遺伝子と染色体を構成する物質であることを示した。これが、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の構造を科学誌『ネイチャー』に発表。
1961年：ジャコブとモノは、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提唱し、分子構成要素から新しいシステムを構築する能力を構想した。[ 8 ]
1973年：プラスミド中のDNAの最初の分子クローニングと増幅が、コーエン、ボイヤーらによってPNASに発表され、合成生物学の夜明けとなった。 [ 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、シバルスキは雑誌「Gene」に社説を寄稿した。
制限酵素の研究は、組換えDNA分子を容易に構築し、個々の遺伝子を分析することを可能にするだけでなく、既存の遺伝子を記述および分析するだけでなく、新しい遺伝子配列を構築および評価できる合成生物学の新しい時代へと私たちを導いた。[ 10 ]
1988年：耐熱性DNAポリメラーゼを用いたポリメラーゼ連鎖反応（PCR）による初のDNA増幅がMullisらによってScience誌に発表された[ 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変異誘発とアセンブリが大幅に簡素化された。
2000年：ネイチャー誌に掲載された2つの論文は、大腸菌細胞内の遺伝子を組み合わせることによって合成生物学的回路、遺伝子トグルスイッチ、および生物時計を報告した。 [ 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BioBrickプラスミドがトム・ナイトによって発明される。[ 14 ]これらのパーツは、翌年にMITで設立された国際遺伝子工学マシン（iGEM）コンペティションの中心となる。
2003年：研究者らは大腸菌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である合成生物学1.0（SB1.0）がMITで開催される。
2005年：研究者らは大腸菌で光感知回路を開発した。[ 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した。[ 17 ]
2006年：研究者らは、腫瘍細胞への細菌侵入を促進する合成回路を設計した。[ 18 ]
2010年：研究者らは、 M. mycoides JCVI-syn1.0と呼ばれる最初の合成細菌ゲノムをScience誌に発表した。 [ 19 ] [ 20 ]このゲノムは、酵母の組換えを利用した化学合成DNAから作られている。
2011年：酵母で機能的な合成染色体腕が作製された。[ 21 ]
2012年：シャルパンティエ研究室とダウドナ研究室は、DNA切断を標的とするCRISPR-Cas9細菌免疫のプログラミングをScience誌に発表した。 [ 22 ]この技術は、真核生物の遺伝子編集を大幅に簡素化し、拡大させた。
2019年：チューリッヒ工科大学の科学者らは、コンピューターのみで作成された初の細菌ゲノムであるCaulobacter ethensis-2.0の作成を報告したが、関連する生存可能なC. ethensis-2.0の形態はまだ存在しない。[ 23 ] [ 24 ]
2019年：研究者らは、細菌ゲノムの64個のコドンを59個のコドンに減らし、20個のアミノ酸をコードさせることで、細菌大腸菌の変異体である新たな合成（おそらく人工）生命体の生成を報告した。[ 25 ] [ 26 ]
2020年：科学者たちは、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最初のゼノボットを作成しました。 [ 27 ]デミス・ハサビスとジョン・M・ジャンパーは、AlphaFold 2と呼ばれるAIモデルを発表しました。このモデルのおかげで、研究者が特定した2億個のタンパク質のほぼすべての構造を予測できるようになりました。この画期的な成果以来、AlphaFold2は190か国から200万人以上の人々に使用されています。無数の科学的応用の中でも、研究者は現在、抗生物質耐性をよりよく理解し、プラスチックを分解できる酵素の画像を作成できます。[ 28 ] [ 29 ]
2021年：科学者たちは、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ことを報告した。[ 30 ]
2023年：ワクチン、RNA回路、遺伝子改変を含むRNA治療薬の進歩により、合成生物学の安全性と効率性が向上しました。RNAベースの治療薬は、宿主ゲノムに組み込まれないため、意図しない遺伝子変化のリスクが低減され、DNAベースのシステムよりも安全であると考えられています。さらに、RNAデバイスと回路から構築されたRNAベースのシステムは、転写を必要としないため、DNAベースのシステムよりも迅速に作用します。これらの進歩により、遺伝子治療、個別化医療、ワクチン開発におけるRNAの潜在的な応用が拡大しました。[ 31 ]
合成生物学は、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ある。[ 1 ]
エンジニアは生物学を技術と見なしている（つまり、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る）。[ 32 ]合成生物学はバイオテクノロジーの広範な再定義と拡張を含み、究極の目標は、情報を処理し、化学物質を操作し、材料や構造を製造し、エネルギーを生産し、食料を提供し、人間の健康を維持および向上させ、生物システムと環境に関する基礎知識を進歩させるように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ある。[ 33 ]
合成生物学に取り組む研究者や企業は、自然の力を利用して農業、製造業、医療における問題を解決しようとしている。[ 3 ]
遺伝子工学の能力向上とDNA合成およびシーケンスコストの低下により、合成生物学の分野は急速に成長しています。2016年には、40か国にわたる350社以上の企業が合成生物学の応用に積極的に取り組んでおり、これらの企業の全世界における推定純資産は39億ドルでした。[ 34 ]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。以下にいくつかの例を示します。
これは、新しい（したがって合成の）生命体を作り出すための、新興の遺伝子工学および物理工学の科学です。新規または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は、化学合成されたDNAを設計するために、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います。[ 35 ] [ 36 ]
生体分子工学には、生細胞に新たな技術的機能をもたらすために導入できる機能単位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る。遺伝子工学には、合成染色体やマイコプラズマ・ラボラトリアムのような最小生物を構築するアプローチが含まれる。
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それぞれ、より単純な部分を前のレベルで独創的に操作することによって、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共通の課題を持っています。[ 37 ] [ 38 ]非天然システムにおける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、目的の生成物の最高濃度を選択する必要があります。[ 39 ]
一方、「リライター」は、生物システムの還元不可能性を検証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は複雑であるため、関心のある自然システムをゼロから再構築し、理解、制御、操作が容易な人工的な代替物を提供する方が簡単でしょう。[ 40 ]リライターは、コンピュータソフトウェアの改善に用いられることもあるリファクタリングから着想を得ています。
バイオエンジニアリング、合成ゲノミクス、プロトセル合成生物学、非従来型分子生物学、およびインシリコ技術は、合成生物学の5つのカテゴリーである。[ 41 ]
合成生物学の社会的および倫理的評価のためには、合成生物学のカテゴリー間の相違点と類似点を検討し、分野全体に影響を与える問題と特定の分野に特有の問題を区別する必要がある。[ 41 ]
バイオエンジニアリングのサブ分野は、新しい代謝経路や調節経路の作成に重点を置いており、現在、ほとんどの研究者や資金提供者の注目を集めている分野です。その主な動機は、バイオテクノロジーを正当な工学分野として確立したいという願望です。この合成生物学の分野について言及する場合、「バイオエンジニアリング」という言葉は、目的の生物に単一のトランスジーンを導入する「従来の遺伝子工学」と混同してはなりません。バイオエンジニアは、生物や代謝システムをどのように変更するかについて、より統合的な視点を提供するために合成生物学を応用しました。[ 41 ]
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ある。多数の遺伝子と制御コンポーネントを含むまったく新しいシグナル伝達経路の作成（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ための発振回路など）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る。[ 41 ]
バイオエンジニアリングは、簡略化および抽象化された代謝および調節モジュール、ならびに新しい経路や生物を作り出すために自由に組み合わせることができるその他の標準化された部分を利用することにより、革新的な生物システムを作り出すことを目指しています。この戦略は、新しいアプリケーションのための無限の機会を生み出すことに加えて、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。[ 41 ]
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1つの側面です。この合成生物学の分野は、DNA合成技術の継続的な進歩によって可能になり、今では数千塩基対のDNA分子を妥当なコストで製造することが可能になっています。目標は、これらの分子を組み合わせて完全なゲノムを作り、それを生細胞に移植して、宿主細胞のゲノムを置き換え、代謝を再プログラムして異なる機能を実行することです。[ 41 ]
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り出すことで、このアプローチの可能性を実証してきた。科学技術における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た。[ 41 ]
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る。このような「シャーシ生物」は、特定の挿入部位を持つことに加えて、新しい機能と潜在的に競合す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る。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る。これは、生物の統合的または全体的な視点を採用している。この場合、目的は、抽象的な基準に基づく代謝経路または制御経路の設計ではなく、必要な遺伝子およびその他の必要なDNA配列に基づくシャーシゲノムの作成である。[ 41 ]
合成細胞の試験管内生成は、合成生物学のプロトセル分野に位置づけられます。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を用いて、これらの人工細胞を作製することができます。最終的に、これらの合成細胞は、自己複製、自己維持、進化といった、生命体とみなされるための要件を満たす必要があります。プロトセル技術はこれを最終目標としていますが、生命体のすべての基準を満たすには至らない中間段階も存在します。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、あるいは酵素、核酸、リボソームなどの特定の生体高分子や複雑な構造体が含まれています。例えば、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ます。[ 41 ]合成生物学の革新により、相分離した生体分子凝縮物を用いて細胞プロセスを区画化するオルガネラ様足場が開発され、RNAベースのTEARSなどが大腸菌内で開発されました。[ 42 ]これらの膜のないオルガネラは、代謝経路の足場として設計することができ、[ 43 ] PandaPureと呼ばれるワークフローによって、従来の外部クロマトグラフィー材料を使用せずにタンパク質精製を可能にすることができます。[ 44 ]
プロトセル合成生物学は、人工生命を現実に一歩近づけるものであり、最終的にはゲノムだけでなく細胞のあらゆる構成要素を試験管内で合成する。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実行するように自然細胞を強制する合成ゲノミクスアプローチとは対照的である。この分野の合成生物学者は、自分たちの研究を、他のどの技術よりも生命の存在に必要な条件とその起源に関する基礎研究と捉えている。しかし、プロトセル技術は応用にも適しており、他の合成生物学の副産物と同様に、プロトセルは生体高分子や医薬品の製造に利用できる可能性がある。[ 41 ]
「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暗号など、異なる種類の分子生物学に基づいた新しい生命体を作り出すことである。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作成は、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によって達成できる。[ 41 ]
通常の遺伝暗号は、4つのコドンを挿入したり、新しいアミノ酸をコードするように一部のコドンを変更したりすることによって改変されており、その結果、タンパク質生産において独自の特性を持つ非天然アミノ酸の使用が可能になる。細胞の酵素機構を両方のアプローチに合わせて調整することは、科学技術上の問題である。[ 41 ]
合成核酸または合成アミノ酸の全く新しいコーディングシステムに基づいてゲノムが構築された生物によって、新しいタイプの生命が形成されるだろう。この新しい生活様式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。環境に放出された場合、水平遺伝子伝達や自然種との遺伝子の交配は起こらない。さらに、このような合成生物は、タンパク質や核酸の合成に非天然の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い可能性がある。[ 41 ]
一方、これらの生物が最終的に制御された空間の外で生存できるようになった場合、捕食生物や自然ウイルスに対する耐性を持つため、自然生物よりも特別な利点を持つ可能性があり、合成生物が制御不能なほど拡散する可能性がある。[ 41 ]
インシリコ合成生物学と様々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、上述の4つの合成生物学手法が直面する大きな困難の1つである。そのため、合成生物学には、システム生物学と同様に、一般的な生物学的構成要素や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た、強力なインシリコ分野があり、これらは本質的に合成生物のシミュレーションである。[ 41 ]
バイオエンジニアリングやその他の合成生物学分野を通じたシミュレーションやモデルの実用化は、インシリコ合成生物学の長期目標である。これまでの合成生物の計算シミュレーションの多くは、生物と直接的な類似性がほとんど、あるいは全くない。そのため、本稿ではインシリコ合成生物学を独立したグループとして扱う。[ 41 ]
合成生物学という包括的な概念の下に、これら5つの分野を統合して1つの統一された研究分野とするのは理にかなっている。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るにもかかわらず、これら5つの戦略はすべて同じ目的、つまり新しいタイプの生物を作り出すことを目指している。さらに、多様な方法論は数多く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っている。[ 41 ]
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、またそれらから着想を得てい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、研究機器を使用する可能性があるにもかかわらず、新しい生命形態を設計し、生産するという共通の根本的な目標を持っています。倫理的、法的、または安全性の考慮事項を検討する場合でも、合成生物学の評価は、いくつかの疑問、リスク、および問題が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に入れる必要があるという事実を考慮に入れなければなりません。[ 41 ]
合成生物学は従来、トップダウン、並列、直交、ボトムアップの4つの異なるエンジニアリングアプローチに分類されてきた。[ 45 ]
自然界の生物から生じる行動を再現し、人工生命を構築するために、非天然の化学物質が使用される。もう一方のアプローチは、生物システムから互換性のあるコンポーネントを探し出し、それらを組み合わせて、自然には機能しないシステムを作り出すことである。いずれの場合も、合成的な目標は、研究者に新しい領域に踏み込み、分析では容易に解決できない問題に取り組むよう促す。このため、分析では容易にはできない方法で新しいパラダイムが生まれる。振動したり、這ったり、三目並べをしたりするデバイスに加えて、合成生物学は感染症患者の治療を向上させる診断機器も生み出してきた。[ 46 ]
これは、代謝工学や遺伝子工学の技術を用いて生細胞に新たな機能を与えることを伴う。[ 47 ]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除去して基本ゲノムを作成することで、既存の細胞の複雑さを軽減しようとするものである。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、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している。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、原始的な細胞のグループから進化した可能性があると指摘されている。その結果、「最小ゲノム」の聖杯のような追求はますます困難になっている一方で、多くの必須でない機能を除去すると、生物の適応度が低下し、「脆弱な」ゲノムにつながる。[ 45 ]
このアプローチでは、「非生物」の生体分子成分を組み合わせることによって試験管内で新しい生物システムを作り出す[ 48 ]。多くの場合、人工細胞を構築することを目的としている。
複製、複製、および集合は、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。容器と代謝から構成される細胞は、複製の定義では「ハードウェア」とみなされますが、複製は、DNA の場合のように、システムが自身の完全なコピーを複製するときに発生し、これは「ソフトウェア」とみなされます。脂質やリポソームなどの有機分子の微小な液滴から形成される小胞または容器 (オパリンのコアセルベートなど) では、リン脂質を含む膜状構造が凝集し、集合します。[ 45 ]
プロトセルの研究は、最小限の細胞、代謝経路、あるいは「未生成タンパク質」の生成を目指す他のin vitro合成生物学イニシアチブと並行して行われており、細胞分裂や成長などの生理機能の模倣も行われている。最近では、代謝と遺伝子発現をボトムアップで統合することにより、CO2を使用して自己維持可能な無細胞システムが開発された。[ 49 ]
並列工学はバイオエンジニアリングとも呼ばれます。基本的な遺伝暗号は並列工学研究の基盤であり、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、医学など、さまざまな用途において、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、細胞間通信オペレータ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制御するために、これらの用途の大部分は、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型の環状二本鎖DNAユニットは、主に原核生物に見られますが、真核生物でもまれに検出され、染色体DNAとは独立して複製されることがあります。[ 45 ]
これは垂直工学とも呼ばれています。この戦略は「化学合成生物学」とも呼ばれ、主に人工DNA塩基やアミノ酸を利用して生命システムの遺伝暗号を変更または拡張することを目的としています。このサブ分野は、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、研究者たちは、DNAの標準塩基と構造的に類似した化合物を作成し、それらの「異質な」または異種（XNA）分子が遺伝情報キャリアとして使用できるかどうかを調べてきました。これと同様に、非標準部分がDNA糖（デオキシリボース）の代わりになっています。[ 45 ]タンパク質の20種類の従来のアミノ酸以外の情報を表現するために、遺伝暗号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由来のトランスファー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。遺伝子変異誘発（遺伝子型の多様性の生成）、スクリーニングまたは選択（特定の表現型形質）、および次の反復ラウンドのためのより良い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、線虫やハエなどのより複雑な生物だけでなく、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配列の変化の結果として、指向性進化は直交リボソームの開発も可能にし、これにより、XAAをタンパク質に組み込みやすくしたり、「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る生体分子を含む生物システムを作成したりすることが容易になります。[ 45 ]
合成生物学の成功には、いくつかの新しい基盤技術が不可欠でした。概念には、生物学的部品の標準化と階層的抽象化があり、これによりそれらの部品を合成システムで使用できるようになります。 [ 50 ] DNAは、複雑な生命の交響曲の楽譜のように、生物学的プロセスがどのように機能すべきかの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（シーケンス）と書き込み（合成）の両方の発展により、生物システムを理解し設計する能力は大きく変化しました。これらの発展により、DNAコード化遺伝子、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、生物システムや生物全体に対する制御がますます向上しています。[ 51 ]
基礎技術には、DNAの読み書き（配列決定と合成）が含まれる。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となる。
オリゴヌクレオチド（「オリゴ」）合成コストの劇的な低下とPCRの出現により、オリゴからのDNA構築物のサイズはゲノムレベルまで増加した。[ 52 ] 2000年、研究者らは、化学的に合成された60～80マーから9.6 kbp（キロbp）のC型肝炎ウイルスゲノムの合成を報告した。 [ 53 ] 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7741 bpのポリオウイルスゲノムの合成に成功し、2年かけて2番目の合成ゲノムを作成した。[ 54 ] 2003年には、バクテリオファージPhi X 174の5386 bpのゲノムが約2週間で組み立てられた。[ 55 ] 2006年、 J. クレイグ・ベンター研究所の同じチームが、新しい最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特許を取得し、それを生細胞内で機能させる研究に取り組んでいた。[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]
2007年には、数社が最大2000塩基対（bp）の遺伝子配列の合成を、1 bpあたり約1ドルの価格で、2週間未満の納期で提供していると報告された。 [ 59 ] 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をPCRおよびDNAミスマッチエラー訂正と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可能になる（ George M. ChurchとAnthony Forsterの合成細胞プロジェクトを参照。 [ 60 ] [ 61 ]）。これは、ゼロから合成するアプローチを支持するものである。
さらに、CRISPR/Casシステムは遺伝子編集の有望な技術として登場しました。これは「合成生物学分野で過去30年で最も重要なイノベーション」と評されています。[ 62 ]他の方法では遺伝子配列の編集に数ヶ月または数年かかるのに対し、CRISPRはそれを数週間に短縮します。[ 62 ]しかし、その使いやすさとアクセスの容易さから、特にバイオハッキングでの使用に関して倫理的な懸念が生じています。[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]
DNAシーケンスは、 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、研究においてDNAシーケンスをさまざまな方法で利用しています。第一に、大規模なゲノムシーケンスの取り組みにより、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となります。第二に、シーケンスによって、製造されたシステムが意図どおりであることを検証できます。第三に、高速で安価かつ信頼性の高いシーケンスにより、合成システムや生物の迅速な検出と識別が可能になります。[ 66 ]
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を参照せずに動作する能力です。[ 67 ]
最もよく使われている標準化されたDNA部品は、 2003年にトム・ナイトによって発明されたBioBrickプラスミドである[ 68 ] : 22-23。[ 14 ] BioBrickは、マサチューセッツ州ケンブリッジにある標準生物部品登録所に保管されている。BioBrick規格は、世界中の何万人もの学生が国際遺伝子工学マシン（iGEM）コンペティションで使用している。BioBrickアセンブリ標準10は、制限酵素EcoRIまたはXbaI（BioBrick接頭辞）およびSpeIとPstI（BioBrick接尾辞）を使用してBioBrickコード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る[ 68 ] : 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、個々の操作を妨げる可能性があります。[ 69 ]ゲノムのモジュール性を高めるために、ゲノムのリファクタリング、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システムの内部構造を改善する」[ 70 ]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。[ 69 ]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[ 71 ]や III 型分泌系[ 72 ] 、バクテリオファージ T7 [ 70 ]および ΦX174 [ 73 ]などがあります。
DNAは情報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。ツールはタンパク質を細胞の特定の領域に送り込み、異なるタンパク質同士を連結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[ 74 ] 、SH3ドメイン-ペプチド結合[ 75 ]、またはSpyTag/SpyCatcher [76]などの相互作用は、こ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）や細胞透過性小分子による化学的に誘導された二量体化[ 77 ]などによって、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。
生細胞では、分子モチーフは上流および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組み込まれています。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化させる可能性があります。超高感度モジュールの場合、モジュールの感度への寄与は、モジュールが単独で維持する感度と異なる場合があります。[ 78 ] [ 79 ]
モデルは、製造前にシステムの挙動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、生体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符号化するか、多成分統合システムがどのように動作するかのモデルの改善から恩恵を受けています。遺伝子制御ネットワークのマルチスケールモデルは、合成生物学の応用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、誘導におけるすべての生体分子相互作用をモデル化できます。[ 80 ] [ 81 ]
多数の種が関与し、それらの関係が複雑であるため、研究や設計に適した形で動的な遺伝子発現を探索するには、大規模なモデリングのみが有効です。調節、輸送、転写、誘導、翻訳に関わ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、設計の分子レベルでの詳細化が可能になります。これは、事後的に人工ネットワークをモデル化することとは対照的です。[ 81 ]
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興ツールです。[ 82 ] [ 83 ]スクリーニングアッセイで広く使用されています。[ 84 ]
研究では、 DNA転写機構の構成要素が検討されてきた。合成生物学的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）と多細胞生物（真核生物）の両方で合成DNAの転写を制御できることである。ある研究では、合成転写因子（sTF）の転写出力と複数の転写因子複合体間の協調能力の領域における調整可能性がテストされた。[ 85 ]研究者らは、sTFのDNA特異的構成要素である亜鉛フィンガーと呼ばれる機能領域に変異を導入し、特定のオペレーターDNA配列部位への親和性を低下させ、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。さらに、亜鉛フィンガーを複合体形成sTFの構成要素として使用し、それが真核生物の翻訳機構である。[ 85 ]
合成生物学の取り組みは、生物を再設計して、医薬品や燃料などの物質を生成したり、環境中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的としていることが多い。研究者が合成生物学を用いて作り出しているものの例としては、以下のようなものがある。
バイオセンサーとは、重金属や毒素の存在など、環境中の現象を報告できる、通常は細菌である人工生物を指します。そのようなシステムの1つに、細菌の生物発光の源となる酵素をコードするAliivibrio fischeriのLuxオペロン[86]があり、特定の環境刺激に応答して発光遺伝子を発現させるために、応答プロモーターの後に配置することができます[ 87 ] 。作成されたそのようなセンサーの1つは、特定の石油汚染物質を検出するために、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した。細菌が汚染物質を感知すると、発光します[ 88 ] 。同様のメカニズムのもう1つの例は、 TNTとその主な分解生成物であるDNTを検出して緑色蛍光タンパク質（GFP）を生成することができる遺伝子操作されたE.coliレポーター株による地雷の検出です[ 89 ] 。
改変された生物は環境信号を感知し、検出可能な出力信号を送信して診断目的に利用できる。微生物群が使用されている。[ 90 ]
バイオセンサーは、 SARS-CoV-2などの病原体のシグネチャを検出するためにも使用でき、ウェアラブルにすることも可能です。[ 91 ] [ 92 ]
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、幅広い調節回路を発達させてきました。これらの回路は、信号をフィルタリングして生物学的応答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調節する慎重に設計された感応部で構成されています。モジュール性と選択性は、転写、翻訳、および翻訳後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 つの基本的なセンシングモジュールの微妙なバランスを実現しています。[ 67 ]
細胞農業とは、バイオテクノロジー、組織工学、分子生物学、合成生物学を組み合わせて、従来の農業から得られるタンパク質、脂肪、組織を生産するための新しい方法を作り出し、設計することによって、細胞培養から農産物を生産することです。 [ 93 ]この分野は主に、細胞培養によって得られる肉、牛乳、 [ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]、蜂蜜、[ 97 ]卵などの動物由来製品の生産に焦点を当てています。これは、環境への影響（例えば、食肉生産）、動物福祉、食料安全保障、人間の健康に関して重大な世界的な課題をもたらす畜産と屠殺の持続可能な代替手段として提案されています。[ 98 ] [ 99][100 ] [ 101 ] [ 102 ]
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ない。例えば、2021年現在、合成コーヒー製品も商業化間近と報告されている。[ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]食品や飲料の生産に利用できる合成生物学に基づく同様の研究および生産分野は以下のとおりである。
光合成微生物細胞は、クモの糸の合成生産へのステップとして利用されてきた。[ 112 ] [ 113 ]
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ように設計された生物学的システムのことであり、これは合成生物学における主要なパラダイムである。研究者らは、多くの生物でさまざまな論理ゲートを構築して特性評価し、 [ 114 ]生細胞でアナログおよびデジタル計算の両方を実証した。彼らは、バクテリアがアナログおよび/またはデジタル計算を実行するように設計できることを実証した。[ 115 ] [ 116 ] 2007年、ヒト細胞において、哺乳類細胞で動作するユニバーサル論理評価器が研究によって実証された。[ 117 ]その後、研究者らはこのパラダイムを利用して、2011年に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実証した。[ 118 ] 2016年、別の研究者グループは、コンピュータ工学の原理を使用してバクテリア細胞でデジタル回路設計を自動化できることを実証した。[ 119 ] 2017年、研究者らはヒト細胞内でデジタル計算を設計する「DNA切除によるブール論理と算術」（BLADE）システムを実証した。[ 120 ] 2019年、研究者らは生物システムにパーセプトロンを実装し、これらのシステムでの機械学習への道を開いた。[ 121 ]
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、コミュニケーションなど、さまざまな機能を実行します。3つの主要な構成要素が関与しています。DNA、RNA、合成生物学者は、転写、転写後、翻訳レベルなど、複数のレベルから遺伝子発現を制御できる遺伝子回路を設計しました。
従来の代謝工学は、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を商業生産するための大腸菌と酵母の遺伝子操作が含まれる。[ 122 ]
生細胞に新しいDNAを導入することは可能だが、生物全体をゼロから作り出すことはまだできていない。合成DNAコンポーネントや合成ゲノム全体を構築する方法はいくつかあるが、目的の遺伝コードが得られたら、それを生細胞に組み込み、成長・繁栄しながら目的の新しい能力や表現型を発現させる。[ 123 ]細胞変換は、操作して目的の出力を得ることのできる生物学的回路を作成するために用いられる。[ 12 ] [ 13 ]
合成生物学と材料科学を統合することで、細胞を微細な分子製造工場として利用し、その特性が遺伝的にコード化された材料を製造することが可能になるだろう。リエンジニアリングによって、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ー繊維が、プログラム可能なナノ材料のプラットフォームとして開発された。これらのナノファイバーは、基質への接着、ナノ粒子の鋳型形成、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。[ 124 ]
天然タンパク質は、例えば指向性進化によって、既存のタンパク質の機能に合致またはそれを上回る新規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で酸素と結合できるが一酸化炭素とは結合しないヘリックスバンドルを生成した。[ 126 ]さまざまな酸化還元酵素活性をサポートする同様のタンパク質構造が生成され[ 127 ]、別のグループは構造的にも配列的にも新規なATPaseを形成した。[ 128 ]また別のグループは、不活性小分子クロザピン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感受性を示さない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。[ 129 ]新規機能やタンパク質特異性は、計算アプローチを使用しても設計できる。ある研究では、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と分子モデリングの方法、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法である。どちらの方法も、糖からより長い鎖のアルコールを生成する特異性が100倍以上高い設計された酵素をもたらした。[ 130 ]
もう1つの一般的な研究は、 20種類のアミノ酸の自然なセットの拡張です。終止コドンを除くと、61個のコドンが特定されていますが、一般的にすべての生物でコードされているアミノ酸は20種類だけです。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来アミノ酸を含む代替アミノ酸をコードするように設計されます。通常、これらのプロジェクトでは、他の生物から再コード化されたナンセンスサプレッサーtRNA -アミノアシルtRNA合成酵素ペアを利用しますが、ほとんどの場合、かなりのエンジニアリングが必要です。[ 131 ]
他の研究者たちは、通常の20種類のアミノ酸のセットを減らすことで、タンパク質の構造と機能を調査した。限定タンパク質配列ライブラリーは、アミノ酸のグループを単一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られる。[ 132 ]例えば、タンパク質内の複数の非極性アミノ酸をすべて単一の非極性アミノ酸に置き換えることができる。[ 133 ]あるプロジェクトでは、わずか9種類のアミノ酸を使用した場合でも、コリスミ酸ムターゼの改変版が触媒活性を持つことが実証された。 [ 134 ]
研究者や企業は、高活性、最適な収率、および有効性を備えた工業用酵素を合成するために合成生物学を実践しています。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良し、コスト効率を高めることを目的としています。 [ 135 ]合成生物学による代謝工学の改良は、医薬品や発酵化学物質を発見するために産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研究し、代謝生産の収率を高める可能性があります。人工酵素活性とそれに続く代謝反応速度と収率への影響は、「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」を開発する可能性があります。[ 136 ]
科学者は合成DNAの1本の鎖にデジタル情報を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。[ 137 ]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。[ 138 ]より一般的には、NUPACK [ 139 ]、ViennaRNA [ 140 ] 、 Ribosome Binding Site Calculator [ 141 ]、Cello [ 119 ]、Non-Repetitive Parts Calculator [ 142 ]などのアルゴリズムによって、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ための多くの技術が、試験管内および生体内で開発されてきた。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。 [ 143 ] [ 144 ] [ 145 ]
合成生物学は、地球から送られる限られた化合物群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の関心を集めた。 [ 146 ] [ 147 ] [ 148 ]特に火星では、合成生物学は現地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、地球への依存度を低くした居住地の開発において強力なツールとなる可能性がある。[ 146 ]農作物の特定の環境要因に対する耐性を高めるために用いられるのと同様の技術を用いて、火星の過酷な環境に対処できる植物株の開発に取り組んできた。[ 149 ]
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、これは生体分子および/または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す。合成生命実験は、生命の起源を探る、生命の特性を研究する、あるいはより野心的に非生物（非生物）成分から生命を再現することを試みています。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を作成しようとしています。[ 151 ]医学においては、設計された生物学的部品を新しいクラス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ます。[ 151 ]
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、突然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きた。[ 152 ]これは困難であると主張されてきたが、[ 152 ]研究者たちはそのような人工細胞の候補を作り出してきた。[ 153 ]
完全に合成された細菌染色体は、2010年にクレイグ・ベンターによって作られ、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 ]宿主細胞は増殖し、複製することができた。[ 154 ] [ 155 ]マイコプラズマ研究所は、完全に遺伝子操作されたゲノムを持つ唯一の生物である。
「人工的に」拡張されたDNAコードを持つ最初の生物は2014年に発表されました。研究チームは、ゲノムを抽出して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。[ 145 ]
2019年5月、画期的な取り組みとして、研究者らは、細菌ゲノムの64個のコドンを59個のコドンに減らし、 20個のアミノ酸をコードできるようにすることで、細菌大腸菌の変異体である新しい合成（おそらく人工）生命体を作り出したと報告した。[ 25 ] [ 26 ]
2017年に、合成生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、 [ 156 ]続いてFabriCell、 [ 157 ] MaxSynBio [ 158 ]およびBaSyC [ 159 ]を含むいくつかの国の国内合成細胞組織が設立されました。ヨーロッパ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。[ 160 ]
2023年、研究者たちは幹細胞から作られた最初の人工ヒト胚を作り出すことに成功した。[ 161 ]
治療分野において、合成生物学は比較的短期間で治療範囲の変革と簡素化において大きな進歩を遂げてきた。実際、疾患メカニズムや薬剤標的の発見から低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、生物学的構成要素の論理的かつモデル誘導的な設計構築によって可能になっている。[ 67 ]
合成生物学デバイスは、治療において治療法として機能するように設計されてきた。完全に作られたウイルスや生物を制御して、特定の病原体や病気の経路を標的にすることが可能である。そのため、2つの独立した研究91,92では、研究者らは遺伝子改変バクテリオファージを利用して、抗生物質活性に対する細菌の防御を特異的に標的にして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った。[ 67 ]
がん治療において、従来の薬は腫瘍と正常組織を区別なく標的にすることが多いため、治療作用を病理学的シグナルと関連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、ヒト細胞におけるp53経路の活性をアデノウイルスに組み込んで、その複製方法を制御した。[ 67 ]
細菌は、がん治療に長年使用されてきました。ビフィドバクテリウムとクロストリジウムは、腫瘍を選択的にコロニー形成し、そのサイズを縮小します。[ 162 ]最近では、合成生物学者が細菌を再プログラムして、特定のがんの状態を感知し、それに応じて反応するようにしました。多くの場合、細菌は治療分子を腫瘍に直接送達して、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。腫瘍細胞を標的にするために、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[ 163 ]と合成接着因子[ 164 ]が含まれます。もう1つの方法は、細菌にAND論理ゲートを構築することによって、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。 [ 165 ]その後、細菌は溶解[ 166 ]または細菌分泌システム[ 167 ]のいずれかを介して、標的治療分子のみを腫瘍に放出します。溶解には、免疫系を刺激して成長を制御できるという利点があります。複数の分泌系が利用可能であり、その他の戦略も存在する。このシステムは外部信号によって誘導される。誘導因子には、化学物質、電磁波、光波などが含まれる。
これらの治療法には、複数の菌種と株が用いられます。最も一般的に使用される細菌は、サルモネラ菌（Salmonella typhimurium）、大腸菌（Escherichia coli）、ビフィズス菌（ Bifidobacterium） 、連鎖球菌（Streptococcus） 、乳酸菌（Lactobacillus）、リステリア菌（Listeria）、枯草菌（Bacillus subtilis）です。これらの菌種はそれぞれ独自の特性を持ち、組織への定着性、免疫系との相互作用、適用しやすさといった点で、がん治療において独自の役割を果たします。
遺伝子操作された酵母ベースのプラットフォーム
合成生物学者は、治療用生物学的医薬品を投与できる遺伝子組み換え生酵母を開発している。経口投与すると、これらの生酵母はマイクロファクトリーのように働き、消化管内で直接治療分子を生成する。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という重要な利点がある。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で腸の炎症を抑制した。[ 168 ] Clostridioides difficileの毒素Aと毒素Bを強力に中和する4特異性抗毒素を投与する生S. boulardii酵母が開発された。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つの主要な病原性因子を強力かつ広範囲に中和する4つの単一ドメイン抗体（ナノボディ）の融合体である。[ 169 ]クロストリジオイデス・ディフィシル感染症の治療を目的とした遺伝子操作された生酵母のヒト臨床試験は、 2024年に開始される予定で、開発元のFzata, Inc.がスポンサーとなる。
免疫系はがんにおいて重要な役割を果たしており、がん細胞を攻撃するために活用することができる。細胞療法は主に免疫療法に焦点を当てており、その多くはT細胞の遺伝子操作によるものである。
T細胞受容体は、癌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、抗体の断片と細胞内T細胞シグナル伝達ドメインが融合したもので、細胞を活性化して増殖を誘発することができます。複数の第2世代CARベースの治療法がFDAによって承認されています。[ 170 ]
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ました。キルスイッチは、患者に重篤な副作用が現れた場合に治療を中止するために開発されました。[ 171 ]メカニズムはシステムをより細かく制御し、停止および再活性化することができます。[ 172 ] [ 173 ] 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細胞の増殖も制御され、治療の有効性と安全性を調整します。[ 174 ]
安全性と制御性を向上させるためのいくつかのメカニズムが存在するものの、細胞内に大きなDNA回路を導入することの難しさや、細胞内に異物、特にタンパク質を導入することに伴うリスクといった限界がある。
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、問題が多く制約があります。代替となる再生可能エネルギー源として、バイオマスをバイオ燃料に変換する効率を高めるために代謝経路が改変された微生物が挙げられます。これらの技術が成功すると期待できるのは、生産コストが現在の燃料生産コストと同等かそれ以下になった場合のみです。これに関連して、製造工程が高額なため治療範囲が限られている医薬品がいくつかあります。新しい材料の創出とバイオ材料の微生物製造は、新しい人工生物学ツールによって大幅に恩恵を受けるでしょう。[ 67 ]
クラスター化された頻繁に間隔を置いた短い回文配列反復配列（CRISPR）/CRISPR関連（Cas）システムは、その単純さ、モジュール性、拡張性から、さまざまな生物におけるゲノム編集の強力な方法である。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、二本鎖切断を引き起こす。相同組換えや非相同末端結合など、いくつかのDNA修復プロセスを使用して、目的のゲノム変化（遺伝子の欠失または挿入など）を達成することができる。さらに、Cas9二重変異体（H840A、D10A）であるdCas9（不活性Cas9またはヌクレアーゼ欠損Cas9）は、細菌における遺伝子発現の制御や、酵母における刺激抑制部位との連結に利用されている。[ 175 ]
生物システムを構築および開発するには、調節因子、リボソーム結合部位（RBS）、および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、大腸菌にはさまざまな種類と数のプロモーターとターミネーターがありますが、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注目すべき生物では、これらのツールは非常に限られています。この制約を克服するために、ゲノムマイニング、ランダム変異誘発、ハイブリッドエンジニアリング、生物物理モデリング、組み合わせ設計、および合理的設計など、プロモーターとターミネーターの発見と識別のための多数の技術が開発されています。[ 175 ]
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構築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先駆けとなったのは、ボストン小児病院の研究者によって行われた一連の試験でした。チームは、足場を構築し、足場に患者の細胞を層状に重ねて成長させることで、7人の患者のために手作業で代替膀胱を作成しました。移植後7年経っても患者は健康状態が良好であったため、試験は成功し、アンソニー・アタラ医師という研究員がこのプロセスを自動化する方法を探し始めました。[ 177 ]末期膀胱疾患の患者は、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。[ 178 ]この技術は、骨、皮膚、軟骨、筋肉組織にも応用できる可能性があります。[ 179 ] 3Dバイオプリンティング技術の長期目標の1つは、臓器全体を再構築し、移植用の臓器不足の問題を最小限に抑えることですが、[ 180 ]肝臓、皮膚、半月板、膵臓などの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ません。[ 181 ] [ 182 ] [ 183 ]埋め込み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、バイオプリンティングははるかに困難です。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、血管形成、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。[ 184 ] 2022年に、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で最初の成功が報告されました。[ 185 ] [ 186 ] 3Dバイオプリンティングの限界は、生理学的に無関係な形態と、組織学的評価方法の不成功に関連している。[ 187 ] [ 188 ]
3Dバイオプリンティングは、生体材料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、軟組織や骨など、平均的な身体材料よりも強度が高いのが一般的です。これらの構成要素は、将来の身体材料の代替品、あるい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することで、新薬をより正確に試験し、動物実験の必要性をなくす可能性を目指しています。[ 189 ]
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を作成するために使用できます。 [ 190 ]補完的な研究開発は、生物細胞の機能を模倣する合成細胞の作成を目指しており、実際に作成しています。応用例としては、心臓発作を引き起こす動脈硬化プラークの一部を血液細胞が内側から破壊するようにする設計ナノ粒子などの医薬品があります。[ 191 ] [ 192 ] [ 193 ]例えば、藻類細胞用の合成マイクロドロップレットや、相乗効果のある藻類と細菌の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産するために使用できます。[ 194 ] [ 195 ]
哺乳類の設計細胞は、特定の疾患と戦うように設計された合成受容体を発現する免疫細胞など、特定の方法で動作するように人間によって設計されています。[ 196 ] [ 197 ]電気遺伝学は、電気場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。[ 198 ]設計細胞の制御は、スマートフォンなどの一般的な電子機器を使用して比較的簡単に行うことができます。さらに、電気遺伝学は、微細電極を使用して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する可能性を可能にします。[ 198 ]電気遺伝学が公衆衛生に役立つ方法の1つは、治療薬を生成/送達できる設計細胞を刺激することです。[ 199 ]これは、電気感受性の電圧依存性カルシウムチャネルを含む細胞であるElectro 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Electro HEK細胞間の電気伝導によって制御できます。[ 198 ]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長を変更することによって制御できることが示された。さらなる研究により、この堅牢なシステムが拡張され、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β細胞株システムである。[ 200 ]
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ており、活発に議論されている。 [ 201 ] [ 202 ]
よくある倫理的な問題には以下のようなものがある。
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つの主要な特徴があります。[ 204 ]その他に言及されている倫理的問題には、新しい創造物の規制、新しい創造物の特許管理、利益の分配、研究の誠実性などがあります。[ 205 ] [ 201 ]
組換えDNAや遺伝子組み換え生物（GMO）技術に関して倫理的な問題が浮上しており、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。ガットマンによれば、「規制の簡潔さは、特に新興技術において重要である。新興技術では、不確実性や未知への恐怖に基づいてイノベーションを阻害する誘惑が特に大きい。法律や規制による制約という粗雑な手段は、新たな利益の分配を阻害するだけでなく、研究者が効果的な安全対策を開発することを妨げることで、安全保障や安全性に逆効果となる可能性がある。」[ 206 ]
倫理的な問題の一つは、時に「神の真似事」とも呼ばれる新しい生命体を作り出すことが許容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を作り出すことは小規模であり、潜在的な利益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保証されている。[ 201 ]多くの支持者は、農業、医学、学術知識など、他の分野における人工生命体を作り出すことの大きな潜在的価値を表明している。新しい存在を作り出すことで、自然現象の研究から現在知られていることをはるかに超えて科学的知識を拡大することができる。しかし、人工生命体が自然の「純粋さ」（つまり、自然が人間の介入や操作によって何らかの形で汚染される可能性がある）を低下させ、生物多様性や自然に焦点を当てた理想ではなく、より工学的な原理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、人工生命体が自然界に放出された場合、資源をめぐって自然種を駆逐することで生物多様性を阻害する可能性がある（藻類の大発生が海洋生物を死滅させるのと同様）という懸念もある。もう一つの懸念は、新たに創造された生命体が痛み、知覚、自己認識といった能力を持つようになった場合、それらを倫理的にどのように扱うべきかという点である。こうした生命体に道徳的または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るが、これらの権利をどのように管理・執行すべきかについては合意が得られていない。
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）による環境への悪影響、動物福祉、食料安全保障、人間の健康といった重大な地球規模の問題の緩和の可能性[ 207 ] [ 208 ] [ 209 ]、人間の労働需要の削減、そして病気の治療による人間の苦痛の軽減と寿命の延長の可能性が含まれる。
生物安全対策を検討する際に、倫理的に最も適切なことは何か？自然環境への合成生命体の偶発的な導入をどのように回避できるか？これらの問いに対して、多くの倫理的考察と批判的思考がなされてきた。生物安全とは、生物学的封じ込めだけを指すのではなく、潜在的に危険な生物剤から公衆を守るための取り組みも指す。こうした懸念は重要であり、未解決のままではあるものの、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を懸念するわけではない。ほとんどの合成技術は無害であり、その「不自然な」特性のために外部世界で繁栄することはできないと主張されている。実際、野生で適応上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。
一般的に、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険制御、リスク評価手法、および規制は、合成生物にも十分であると考えられています。実験室環境における「外部」バイオ封じ込め方法には、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。農業環境においては、GMOのバイオ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、非封じ込め環境での増殖を制限したり、天然生物への水平遺伝子伝達を防いだりする「内部」バイオ封じ込め方法を用いて設計できるため、危険制御が強化される可能性があります。内部バイオ封じ込めの例としては、栄養要求性、生物学的キルスイッチ、生物が複製できない、または改変遺伝子や合成遺伝子を子孫に伝達できないこと、および代替生化学を用いた異種生物の使用（例えば、DNAの代わりに人工異種核酸（XNA）を使用するなど）が挙げられます。[ 210 ] [ 211 ]
倫理的な問題の中には、バイオセキュリティに関連するものもあり、バイオ合成技術が社会や環境に害を及ぼすために意図的に使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への対処方法、そして悪質なバイオ合成技術を抑止するためにどのような倫理的措置が講じられる可能性があるかを検討し、計画する必要がある。合成生物学やバイオテクノロジー企業の規制を除けば、[ 212 ] [ 213 ]これらの問題は、以前の組換えDNAや遺伝子組み換え生物（GMO）の議論で提起されたものであり、遺伝子工学や病原体研究に対する広範な規制がすでに多くの管轄区域で実施されているため、新しい問題とは見なされていない。[ 214 ]
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乏しい個人でも、病原体を生物兵器として改変・使用することが容易になった。これは、特にテロ組織が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、政治的混乱を認識するにつれて、バイオテロの脅威を増大させる。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高い。[ 215 ] 2005年から2009年までテロ対策担当国家安全保障副顧問を務めたフアン・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集団や個人にバイオテロ攻撃を再考させる想像力を刺激する可能性が高い」と指摘した。[ 216 ]
欧州連合の資金提供を受けたプロジェクトSYNBIOSAFE [ 217 ]は、合成生物学の管理方法に関する報告書を発表した。2007年の論文では、安全性、セキュリティ、倫理、科学と社会の接点における重要な問題が特定され、プロジェクトではこれを一般市民への教育と科学者、企業、政府、倫理学者間の継続的な対話と定義した。[ 218 ] [ 219 ] 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ていた。主要な倫理問題は、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、特にいわゆるデュアルユースの課題に焦点を当てた。例えば、合成生物学は医療処置のより効率的な生産につながる可能性がある一方で、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。[ 220 ]オープンソースのバイオテクノロジーは分散的で拡散的な性質を持つため、バイオセーフティやバイオセキュリティに関する潜在的な懸念を追跡、規制、軽減することが難しく、バイオハッキングコミュニティは特に懸念される対象となっている。[ 221 ]
COSYは、もう一つのヨーロッパの取り組みで、世間の認識とコミュニケーションに焦点を当てています。[ 222 ] [ 223 ] [ 224 ]合成生物学とその社会への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。 [ 217 ]
国際合成生物学会は自主規制を提案している。[ 225 ]これは、合成生物学業界、特にDNA合成企業が実施すべき具体的な措置を提案している。2007年には、主要なDNA合成企業の科学者らが率いるグループが「DNA合成業界の効果的な監督枠組みを開発するための実践的な計画」を発表した。[ 212 ]
2009年1月、アルフレッド・P・スローン財団は、合成生物学に対する世間の認識、倫理、政策上の影響を調査するために、ウッドロー・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た。[ 226 ]
2009年7月9日～10日、米国科学アカデミーの科学技術法委員会は、「合成生物学という新興分野における機会と課題」に関するシンポジウムを開催した。[ 227 ]
最初の合成ゲノムの発表と、それに伴う「生命」が創造されたというメディア報道の後、バラク・オバマ大統領は合成生物学を研究するために大統領生命倫理問題研究委員会を設立した。[ 228 ]委員会は一連の会議を開催し、2010年12月に「新たな方向性：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て別のゲノムと置き換えることができることを実証した重要な技術的進歩であったが、『生命の創造』には当たらない」と述べた。[ 229 ]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勧告せず、研究への継続的な資金提供と、監視、新たな倫理的問題の研究、および一般教育への新たな資金提供を求めた。[ 214 ]
生物学的進歩の主要なツールである合成生物学は、「生物兵器開発の可能性、人間の健康への予期せぬ悪影響の可能性、および環境への潜在的な影響」をもたらします。[ 230 ]このような技術の普及は、生物兵器や化学兵器の製造を、より幅広い国家および非国家主体が利用できるようにする可能性もあります。[ 231 ]これらの安全保障上の問題は、政策立案によるバイオテクノロジーの産業利用の規制によって回避できる可能性があります。「大統領生命倫理委員会は、化学合成されたゲノムから自己複製細胞が作られたという発表を受けて、遺伝子操作に関する連邦ガイドラインを提案しており、科学の規制だけでなく、国民の教育に関する18の勧告を提示しています。」[ 230 ]
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以上の環境団体と市民社会団体が「合成生物学の監視に関する原則」というマニフェストを発表した。このマニフェストは、より強固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的に一時停止することを求めている。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ことを求めている。[ 232 ] [ 233 ]リチャード・レウォンティンは、 「合成生物学の監視に関する原則」で議論されている監視のための安全原則の一部は合理的だが、マニフェストの勧告の主な問題は「一般市民がこれらの勧告を意味のある形で実現させる能力を欠いている」ことだと書いている。[ 234 ]
合成生物学の危険性には、労働者や一般市民に対するバイオセーフティの危険性、危害を加えるために意図的に生物を操作することに起因するバイオセキュリティの危険性、および環境の危険性が含まれます。 [ 235 ]バイオセーフティの危険性は、主に病原体や有毒化学物質への曝露など、既存のバイオテクノロジー分野の危険性と似ていますが、新しい合成生物には新しいリスクがある可能性があります。[ 210 ]バイオセキュリティに関しては、合成生物や再設計された生物が理論的にバイオテロに使用される可能性があるという懸念があります。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するように操作すること、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などが含まれます。[ 236 ]最後に、環境の危険性には、合成生物の農業利用によって生じる土地利用の変化の可能性など、生物多様性や生態系サービスへの悪影響が含まれます。[ 237 ] [ 238 ]合成生物学は、意図的または非意図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方法で使用される可能性のあるデュアルユース技術の一例です。多くの場合、「科学者、所属機関、資金提供機関」は、計画されている研究が悪用される可能性があるかどうかを検討し、悪用の可能性を減らすための措置を実施することがあります。[ 239 ]
遺伝子組み換え生物（GMO）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対して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生じる可能性がある。[ 211 ] [ 240 ]合成生物学は一般的に、GMOおよび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既存の規制の対象となるが、一般的には、どの法域にも合成生物学に特化した規制はない。[ 241 ] [ 242 ]