進化を跳躍させ、新しいタイプの生命を構築する努力は、DNAの読み取りと書き込みよりも複雑であることが判明しました。イラスト:ダニエル・ゼンダー

ゼロから人生を築くためのレースの内部

合成生物学者は、人工生物で世界を変えることを目指しています。そこに着くには何が必要ですか?

2016年、J。Craig Venter Instituteの研究者は、遺伝子がたった473個のバクテリアというまったく新しい生命体を作り出したと発表しました。 Syn 3.0として知られるこの細胞は、自然界で見られるどの生物よりも小さなゲノムを持っています。これは画期的な成果として祝われ、科学者が遺伝コードを使用してデザイナーの生命体を作成する新しい時代を告げました。人工生命、ベンターと宣言された、は現実でした。 「私はそれを構築することに関与していました」と彼は言います。

全員が同意したわけではありません—そのとき、または今。 Syn 3.0を作成するために、JCVIチームは、天然細菌からゲノムのレプリカを合成し、それらをゲノムが削除された生細胞に配置しました。その後、細胞が機能しなくなるまで、遺伝子を一つずつ取り除きました。

JCVIの成果は「英雄的な仕事」の頂点でした、とスタンフォード大学の合成生物学者であるドリューエンディは言います。しかし、それは実際には人工生命としてカウントされません。

この方法で行うことのポイントは、どの遺伝子が生命に不可欠であるかを体系的に決定することでした。その結果、最小限の実行可能な生命体の一種であり、多くの重要な質問が未解決のままになりました。そのうち、473の必須遺伝子のうち149が何をするのか誰も知らない。 2016年にVenterのチームが行ったことは、エンディと他の人々が示唆するように、小説を手でコピーするようなものでした。このプロセスは、物語の構造に重要な手がかりを提供しますが、完全に新しい本を書く方法を知ることと同じではありません。

人工生命の純粋主義者の心の中では、研究者は化学的に合成された分子から完全に機能する細胞を作り出した場合にのみ成功を主張することができます。その細胞は、再生し、自身の代謝を維持し、環境に適応する必要があります。科学者は、細胞のすべての遺伝子が何をするのかを理解する必要があります。

言い換えれば、新しい生命体をゼロから作成することを目標とする場合、つまり、既存のものを単に再現する以上のことを行う必要があります。それは基本的に盲目的な模倣に過ぎません、ミネソタ大学ツインシティの生化学者ケイトアダマラは示唆しています。彼女はすべての単語をコピーすることで、「私は 『百年の孤独を書いた』と言うことができ、技術的にそれを書いた」と言います。しかし、私はその方法を理解していませんでした。」

合成生物学は、驚くべき可能性の分野です。微生物のゲノムを微調整することにより、バイオエンジニアは、ウイルス耐性作物、脳に移植する生分解性コンピューター、または火星の土壌に栄養素を加えてレッドプラネットを居住可能にする細胞を生産する可能性があります。これらの可能性は非常に刺激的であり、それぞれの新たな一歩は、病気を治し、環境を救うか、制御不能な結果で進化を放つことができる人工生物で満たされたオーダーメイドの世界についての希望と懸念の両方を引き起こします。

「現在、遺伝暗号の読み取りは非常に簡単です」とVenter氏は言います。 「すべての遺伝コードを書く-それは異なるレベルです。」

しかし、この分野には同一性の問題があり、さまざまな動機によって不明確なフィニッシュラインが混乱しています。そして、それらの矛盾するビジョンは、合成生物学の進歩を評価する際の基本的な問題を反映しています。研究が世界に新しい発明をもたらし始めたとしても、フィールドの最終目標がどうあるべきかについて誰も同意しません。つまり、そこに到達する方法についてコンセンサスがありません。

成功には非常に多くの異なる定義が存在するため、真の人工生命がいつ生まれるかの推定値は、5年から1,000年まで、あるいは決してない場合があります。 「コミュニティには可能なことに関してあいまいさがあります」とエンディは言います。人工生命の探求は、すべての最も基本的な問題にもかかっています。そもそも生命とは何ですか?

彼らのいわゆる人生

一部の科学者にとって、synbioはDNAを大規模に新しい組み合わせに配置できる場合、人工生命を作成します。遺伝子工学で現在可能な単一遺伝子の編集ではなく、一度に数百の遺伝子を追加または削除します。これらの操作は、生命の可能性の限界を押し広げ、新しい形と機能を生み出します。人工生命の概念-これまでに存在したことのない遺伝子の組み合わせを持つ新規で機能的な生物-は、実際のエンジニアリング目標によってしばしば動機付けられます:有毒廃棄物の浄化、薬物の送達、または抗生物質耐性と戦うことができる細胞のようなものの構築。

他の人にとって、究極の目標はより基本的です。合成生物学のツールを使用して、生命の起源について学ぶか、他の惑星での生命の探索で探すべきものを見つけ出すことです。この人工生命の定義では、科学者がすべての部品を作成し、各コンポーネントがどのように機能し、どのように相互作用するかをより深く理解して組み立てる必要があります。

方法も異なります。 Venterチームはトップダウンアプローチを採用し、生命体を解体して、彼らがどのように機能するかについての洞察を得ました。各コンポーネントがどのように機能するかを真に理解するために、他の科学者は、試験管内でピースを組み立てて作動セルを点火するボトムアップ戦略を使用しています。たとえば、野心的なYeast 2.0プロジェクトは、酵母細胞の16個の染色体すべて(および1200万塩基対)をゼロから合成することを目的としています。これまでのところ、研究者は16のうち6つを再構築しました。

酵母ゲノム全体を合成する技術的に挑戦的な偉業は、農業およびエタノール生産での潜在的な用途とともに、進化への新しい洞察を提供するでしょう。しかし、このようなプロジェクトでは、科学者が生物学と遺伝学における未解決の深い疑問のいくつかに直面する必要があります。

たとえば、JCVI実験で示されているように、生命に明らかに必要な100を超える遺伝子は謎であり、その機能と目的はまだ不明です。さらに、遺伝子の管理方法はまだほとんど謎です。単純な代謝プロセスでは、生命に必要なタンパク質を処理するために5つのステップが必要になる場合があり、科学者は各ステップに関与する遺伝子と酵素を正確に詳細に発見する場合があります。しかし、経路の各ステップをトリガー、制御、制御、または阻害するものを知らないと、プロセスを制御して生物を生かし続ける方法を理解することはできません。 DNAを修復および編集するための正確なツールを生み出した多くのブレークスルーにもかかわらず、科学者は遺伝子が互いにどのように相互作用するか、またはそれらをオンまたはオフにするものを説明できません。 「現在、遺伝暗号の読み取りは非常に簡単です」とVenter氏は言います。 「すべての遺伝コードを書く-それは異なるレベルです。」

ゲノムを配列する能力がより速く、より安くなったので、科学者が彼らが選んだように細胞を再プログラムすることができるようになるのは時間の問題のように見え始めました。

この目的のために、JCVIチームは、不可欠な遺伝子の生物学と、それらが互いにどのように依存しているかを調査しています。 Venter氏は、最初は必要ではないと思われた1つの遺伝子が別の遺伝子の機能に不可欠であることが判明し、現在共同作業中のこの共同依存性に関する論文があると付け加えました。 「完全には解決していませんが、非常に長い道のりを歩んできました」と彼は言います。

ただし、ある意味では、この進歩は裏目に出ています。生命とは何か、そしてその作り方を明確にする代わりに、生物工学の新時代は、生きることにふさわしいものと現実と人工の違いは何かについて混乱を招いています。 「以前の質問に答えただけでなく、今まで想像もできなかった新しい質問をすべて生成しました」と、マサチューセッツ州ノーサンプトンのスミス大学の進化生物学者であるロバート・ドリットは言います。 「ここでは端を切り落としていません。私たちは獣の腹の中にいます。」

これは実際の生活ですか、それとも偽造ですか?

人々がいつか最初から生命を創り出すことができるという考えは、少なくとも1910年代初頭にさかのぼります。フランスの生物物理学者、ステファン=アーマンニコラスレダックは、おそらく「合成生物学」という言葉を最初に使用したと思われます。レダックは、哺乳類の尿に含まれる有機分子である尿素を合成するために無機材料を使用していました。今日、尿素の合成は学部レベルの化学実験です。当時、それは劇的な成果でした。当時、生細胞によって生成される分子の人工バージョンを作成する可能性の領域を超えているように思われた、とカリフォルニア州ラホーヤのスクリップス研究所の化学生物学者であるフロイドロメスバーグは言います。 「一部の人々は、生命の火花、神、またはある種の生命力が必要だと信じていました。それから、化学者がそれを作りました」とRomesbergは言います。 「そのようなものが無生物と生物の境界を打ち砕いた。」

現代の合成生物学は、工学、分子生物学、バイオテクノロジー、その他の分野のアイデアと技術が融合して約15年前に誕生しました。ゲノムを配列する能力がより速く、より安価になったので、科学者がコードを読むだけでなく、前世代の生物学者や化学者のように選択した細胞を再プログラミングするためにDNAを使用できるようになるのは時間の問題のように見え始めました最終的には、自然には見られない有機分子を合成することを学びました。

その再プログラミングの一部は、Venterのラボなどで既に行われています。 2014年、Romesbergと同僚は、DNAのA、T、G、C塩基と統合できる2つの新しいヌクレオチド「文字」を合成しました。新しいヌクレオチドは、DNAが新しい機能を実行できる新しい形状のまったく新しいタンパク質をコードできる可能性を開きます。

2017年、Romesbergのグループは、これらの不自然な文字を本来のゲノム内に戦略的に配置することにより、潜在的な医療用途を持つ新しいアミノ酸と新しいタンパク質を作成しました。例えば、タンパク質インターロイキン-2の合成変異体は、副作用の少ない抗がん剤として有望であるとRomesberg氏は述べています。Romesberg氏は最近、新興企業のSynthorx社が1億ドルの薬剤を作るIPOを申請しました。

一般的に、数百の不自然なヌクレオチドを基本的に天然のゲノムに組み込むこれらのような半合成ゲノムは、完全に合成された生物よりも実行可能です、とRomesbergは言います。他の実用的なアプリケーションには、高熱に耐える洗濯洗剤酵素や化石燃料の人為的な代替品が含まれます。

10年以上後、チャーチは「ミラーライフ」を持ち、タンパク質が反対の構成で折りたたまれ、ウイルス、捕食者、酵素の影響を受けないようになると予測しています。

しかし、他のグループは、人生をゼロから構築しようとする集中的な(そして潜在的に無駄な)挑戦に飛び込んでいます。 Build-A-Cellと呼ばれるオープンソースの共同作業は、科学者が各遺伝子が何をするかを正確に説明する点まで理解できる、それ自体を再生できる全く新しい細胞の構築を目指しています。その細胞は、おそらく最初は細菌のような単純な原核生物になるでしょうが、科学者が試みることができるものに制限はありません。 「セルの構築の目標は、目標がないことです」と、6つのステアリンググループメンバーの1人であるアダマラは言います。 「人工細胞を構築したいと考えている人は誰でも歓迎です。」

エンディは、世界中の数十の研究グループを含むBuild-A-Cellを、人種や競争ではなく、「愛のコミュニティ」と表現しています。ボトムアップとトップダウンの両方の戦略(ベンターグループを含む)を組み込んだ取り組みは、Slackグループ、Googleドキュメント、および秘密のポリシーから成り立っています。ヨーロッパでの並行した取り組みには、FabricellとBaSyC、または合成セルの構築が含まれます。これまでのところ、研究者は、リボソームや膜を含む細胞の個々の成分の合成に向けて進歩してきました。非生物から生命を生み出すというグループの最終目標に向けた初期段階です。まだ足りないものは、これらのサブシステムをすべて統合する方法だとアダマラは言います。

並行して、ハーバード大学とマサチューセッツ工科大学の遺伝学者であるジョージ・チャーチは、植物や人間を含む大きなゲノムを合成するための国際的なコラボレーションであるGenome Project-Write(GP-Write)を共同設立しました。彼らは、既存の細胞や生物に新しいゲノムを入れることで、医学や農業に革命を起こし、がんやウイルス、または害虫に耐性のある作物に耐性を持つ細胞株を作り出すと考えています。 5月の会議で、GP-Writeの協力者は、ウイルスが細胞内で複製するために依存しているDNAのストレッチを記録することにより、これらの回復力のある細胞を作成する取り組みなどの進行中のプロジェクトについて議論しました。

NYU Langone Healthのチャーチと同僚のJef Boekeは、人間の細胞株のゲノムの約1%を置き換えることで、ウイルスやプリオン、これらの不思議な感染性タンパク質による汚染に耐性のあるワクチンや医薬品を製造するためのプラットフォームを作ることができると考えています。彼らはまた、ブタを病気に免疫させて、人間への移植に対して非常に安全なウイルス耐性器官を成長させるようにしたいと考えています。霊長類での人工ブタ移植試験はすでに始まっていますが、教会はウイルス耐性ブタ細胞が3〜10年先にあると推定しています。彼と同僚はすでに大腸菌株を構築し、細菌に321の変化を加えて、ウイルスに抵抗するのを助けました。それでも、それはそこから、人間の細胞のウイルス対策に必要な何千もの変更への大きな飛躍です。

将来的には、教会ははるかに壮大なアイデアを持っています。彼は、10年以上後に「ミラーライフ」を持ち、タンパク質が反対の構成で折りたたまれ、ウイルス、捕食者、および酵素を認識できなくなります。用途には、最終的には、生物分解抵抗性の綿、絹、木、およびロープが含まれる可能性があり、真菌、which虫、昆虫、および細菌の消化酵素を無効にします。おそらくいつか、既知のすべての病原体に対して完全に耐性のある鏡像の植物または動物の細胞があるでしょう。

「ちょっとおかしい。私たちは人生を営んでいると思われていますが、人生とは何なのかわかりません。」

教会と彼のような他の人にとって、これらの生物工学の驚異は、合成生物学の真の見返りであり、人工生命の探求です。そして、合成生活の利点が明らかになると、教会は、科学者が一般的な批判である「神を演じている」ことを人々が心配するのをやめると疑っています。 「鉄道や冷蔵、体外受精など、ある時点で人々が心配していたことのほとんどは、通常技術的に実行不可能な場合、受け入れられない非常に短い期間を経ます。うまくいかない何かに反対するのは簡単です」と教会は言います。 「それが機能し、安全で効果的であることが示された瞬間、突然抵抗しにくくなります。」

しかし、最も素晴らしい作品でさえ、未解決の疑問を残します、とアダマラは言います。科学者たちは、共同で作業することにより、自身の代謝を維持できる自己複製型の進化する生化学システムを合成する方法をすぐに理解するだろうと予測しています。しかし、コミュニティは、それが生命としてふさわしいかどうか、あるいは生きることの意味についてさえ、すぐには同意しそうにありません。細胞に代謝がないが、それ自体を複製できる場合、それは等級を作りますか?環境に適応しているが再現できない場合、それは生命なのでしょうか? 「これらの議論は常に行われています」と彼女は言います。 「ちょっとおかしい。私たちは人生を営んでいると思われていますが、人生とは何なのかわかりません。」

深刻な問題に加えて、高値などの実用的な問題もあります。 DNAの合成には、依然として塩基対あたり約1ドルの費用がかかります、とVenter氏は言います。チームの473遺伝子細菌の531,560個のヌクレオチドペアだけで、50万ドル以上になります。 「合成のコストは、人々が実験を行うことができるように、桁違いに下がるだけです」とVenter氏は言います。 「1つを設計、構築、テストし、問題を解決しようとする代わりに、それを多重化できるようにする必要があります。」

成功を宣言することは、最終的に期待を緩和することに依存するかもしれない、とベンターは付け加える。パン屋が小麦粉や砂糖などの既製の材料を「ゼロから」焼くように使用するように、一部の合成生物学者はおそらく、既存の細胞部分と、膜やヌクレオチドなどの生体分子に頼って新しい細胞を構築します。次のレベルに進む人でさえ、既存のアミノ酸を化学的に修飾するなどして、既存の分子を使用します。 「これらはすべて一定のレベルの人工性を持っています」とVenter氏は言います。 「すべてがある程度不正です。」

今のところ、人工生命の追求-それが可能であると想像し始めるために-等量の謙styとともに健康的なhealthy慢を必要とするDoritは示唆しています。 「生物がどのように生存を管理しているかについて、まだ理解していないことがたくさんあります」と彼は言います。この探求は、本質的な謎に焦点を当てています:DNAのストリングは、生細胞の再生、進化、および死をどのように調整しますか?そして、そのすべての意味を理解するための生物学の限界は何ですか?すぐに答えが出てくる可能性は低いです。ある意味で、彼はうれしいと言います。人工生命の作成が簡単であることが判明した場合、それは少し残念です。