合成ゲノミクス

合成ゲノミクスは、既存の生命体に対する遺伝子改変の側面、または人工的な遺伝子合成を利用して新しい DNA または生命体全体を作成する、合成生物学の新しい分野です。

合成ゲノミクスは、生命体に自然に存在する遺伝子を使用しないという意味で、遺伝子組み換えとは異なります。合成ゲノミクスでは、カスタム設計された塩基対シリーズが使用される可能性がありますが、より拡張された、現在実現されていない意味では、合成ゲノミクスは、現在生命が使用している 2 つのDNA塩基対で構成されていない遺伝子コードを使用する可能性があります。

合成ゲノミクスの発展は、遺伝学の分野における最近の特定の技術的能力と技術に関連しています。長い塩基対鎖を安価かつ正確に大規模に構築する能力により、研究者は自然界には存在しないゲノムの実験を行うことができます。タンパク質フォールディングモデルの発展と計算コストの削減と相まって、合成ゲノミクスの分野は活気に満ちた生産段階に入り始めています。

研究者らは2010年に初めて合成生物を作り出すことに成功した。^[1]この画期的な成果は、カスタム設計されたゲノムの研究と商業化を専門とするSynthetic Genomics, Inc.によって達成された。 ^[2]これは、ギブソンアセンブリ法と形質転換関連組み換え法によって、600 kbpのゲノム（いくつかの透かしの挿入を除けば、マイコプラズマ・ジェニタリウムのゲノムに似ている）を合成することによって達成された。^[3]

制限エンドヌクレアーゼとリガーゼが発見されて間もなく、遺伝学の分野ではこれらの分子ツールを使用して、合成または天然の DNA の小さな断片から人工的な配列を組み立てるようになりました。継続的な DNA 合成ではなく組み換えアプローチを使用する利点は、合成 DNA の長さとその合成長の純度の間に逆相関関係が存在することに由来します。言い換えると、より長い配列を合成すると、現在の技術に固有のエラー率により、エラーを含むクローンの数が増えます。^{[4]組み換え DNA 技術は、}融合タンパク質とプラスミドの構築によく使用されますが、より大容量のいくつかの技術が登場し、ゲノム全体の構築が可能になりました。^[5]

ポリメラーゼサイクリングアセンブリ（PCA）は、約40〜60ヌクレオチド長の一連のオリゴヌクレオチド（またはオリゴ）を使用し、これらを合わせて合成されるDNAの両鎖を構成します。これらのオリゴは、一方の鎖からの単一のオリゴが、反対側の鎖の2つの異なるオリゴの配列と相補的な約20ヌクレオチドの長さを両端に含むように設計されており、これにより重複領域が作成されます。セット全体は、（a）60℃でのハイブリダイゼーション、（b）Taqポリメラーゼと標準リガーゼによる伸長、および（c）95℃での変性のサイクルで処理され、連続した鎖が徐々に長くなり、最終的に最終的なゲノムになります。^{[6] PCAは、史上初の合成ゲノムである}ファイX 174ウイルスの生成に使用されました。^[7]

ギブソンアセンブリ法は、ダニエル・ギブソンがJ.クレイグ・ベンター研究所在籍時に考案したもので、合成されるゲノム全体を構成する二本鎖DNAカセットのセットを必要とする。カセットは定義上コンティグと異なり、これらの配列には組み換えを目的として他のカセットとの相同領域が含まれていることに注意されたい。ポリメラーゼサイクリングアセンブリとは対照的に、ギブソンアセンブリは単一ステップの等温反応であり、配列長の容量が大きいため、6 kbを超えるゲノムではポリメラーゼサイクリングアセンブリの代わりに使用される。

T5 エキソヌクレアーゼは末端セグメントで 5' から 3' 方向にチューバック反応を行い、相補的なオーバーハングを生成します。オーバーハングは互いにハイブリダイズし、Phusion DNA ポリメラーゼが欠けているヌクレオチドを補充し、切れ目はリガーゼで封印されます。しかし、この方法のみで合成できるゲノムは限られています。DNA カセットが長くなると、ハイブリダイズを続けるために in vitro での増殖が必要になるためです。したがって、ギブソンアセンブリは、数百キロベースの大きさのゲノムを合成するために、形質転換関連組換え (以下を参照) と組み合わせて使用​​されることがよくあります。^[8]

合成ゲノミクスにおける形質転換関連組換え（TAR）技術の目的は、酵母人工染色体（YAC）による相同組換えによってDNAコンティグを結合することです。重要なのは、酵母セントロメアに対応するYACベクター内のCEN要素です。この配列により、ベクターは染色体のように動作する能力を持ち、相同組換えを実行できるようになります。^[9]

まず、ギャップ修復クローニングを行い、DNAコンティグの両側に相同領域を生成します。ギャップ修復クローニングは、DNAターゲットの配列を超えて延長された特殊なプライマーを使用するポリメラーゼ連鎖反応の特殊な形式です。 ^[10]次に、DNAカセットをYACベクターにさらし、相同組換えのプロセスを開始してDNAカセットを接続します。ポリメラーゼサイクリングアセンブリとTAR技術を組み合わせて、2008年に600kbのMycoplasma genitaliumゲノムを構築しました。これは史上初の合成生物です。^[11]数年後、同様の手順でより大きなMycoplasma mycoidesゲノムを合成しました。 ^[12]

非天然塩基対（UBP）は、研究室で作成され、自然界には存在しない、設計されたDNAのサブユニット（または核酸塩基）です。2012年、カリフォルニア州サンディエゴのスクリプス研究所の化学生物学者であるフロイドE.ロムスバーグが率いるアメリカの科学者グループは、彼のチームが非天然塩基対（UBP）を設計したことを発表しました。^[13] 2つの新しい人工ヌクレオチド、つまり非天然塩基対（UBP）は、 d5SICSとdNaMと命名されました。より技術的には、疎水性核酸塩基を持つこれらの人工ヌクレオチドは、DNA内で（d5SICS-dNaM）複合体、つまり塩基対を形成する2つの融合芳香族環を特徴としています。 ^{[14] [15]} 2014年にスクリプス研究所の同じチームが、天然のTAおよびCG塩基対とロメスバーグの研究室が設計した最も高性能なUBPを含むプラスミドと呼ばれる環状DNAを合成し、それを一般的な細菌である大腸菌の細胞に挿入したところ、複数世代にわたって非天然の塩基​​対を複製することに成功したと報告しました。^[16]これは、拡張された遺伝コードを次の世代に伝える生物の最初の既知の例です。^{[14] [17]}これは、d5SICSTPとdNaMTPの両方の三リン酸を大腸菌に効率的に取り込むヌクレオチド三リン酸トランスポーターを発現する 支持藻類遺伝子を追加することで部分的に達成されました。^[14]次に、天然の細菌複製経路がそれらを使用して、d5SICS-dNaMを含む プラスミドを正確に複製します。

3番目の塩基対の組み込みに成功したことは、DNAでコード化できるアミノ酸の数を現在の20アミノ酸から理論的には172アミノ酸にまで大幅に増やすという目標に向けた大きな進歩であり、それによって生物が新しいタンパク質を生産する可能性が広がることになる。^[16]人工DNA鎖はまだ何もコード化していないが、科学者たちは、産業や製薬に利用できる新しいタンパク質を製造するように設計できるのではないかと推測している。^[18]

2019年4月、ETHチューリッヒの科学者らは、 Caulobacter etensis-2.0と名付けられた世界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。^{[19] [20]}

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• 合成ゲノム: 技​​術と影響 - このテーマに関して DOE のために 2004 年に完了した調査。
• 合成ゲノミクスの発展の影響：下院エネルギー・商業委員会公聴会、第 111 回議会、第 2 会期、2010 年 5 月 27 日