消化器系の内部にいる「善玉」細菌は機能強化が進められており、将来的には、大腸がんや免疫疾患などの病気を検知し、最終的に治療するようプログラムできるようになるかもしれません。
本日、学術誌 Cell Systemsに掲載された論文で、MITの研究者らは、ヒトの腸内によく見られる細菌 Bacteroides thetaiotaomicronに組み込むことができる、一連のセンサー、記憶スイッチ、回路を発表しました。
これらの基本的な計算要素により、細菌は腸内のシグナルを感知し、記憶し、それに応答できるようになります。将来的には、炎症性腸疾患や大腸がんの早期発見と治療への応用も見込まれています。
研究者らはこれまで、 E. coliなどのモデル生物の内部に遺伝子回路を構築してきました。しかし、こうした株はヒトの腸内では低いレベルでしか見つからないと、生物工学および電気工学・コンピュータサイエンスの准教授であり、本研究を率いたティモシー・ルー氏は述べています。本研究はMITの生物工学教授クリストファー・ボイト氏とともに行われました。
「私たちは、 B. thetaiotaomicron のような、多くの人の体内に豊富に存在し、長期間にわたって腸内に安定して定着できる株を扱いたいと考えました」とルー氏は述べています。
研究チームは、細菌内の遺伝子発現を精密にプログラムするために使用できる一連の遺伝子パーツを開発しました。「これらのパーツを使い、 B. thetaiotaomicron内で遺伝子をオンとオフに切り替える信号に応答する、細菌のDNAに組み込むことができる4つのセンサーを構築しました」とボイト氏は述べています。
これらは、糖類を含む食品添加物となり得ます。それにより、宿主が摂取する食品によって細菌を制御できるようになる、とボイト氏は付け加えています。
細菌の「記憶」
出血や炎症の兆候を含む、腸内の病態を感知して報告するためには、細菌はこの情報を記憶し、外部へ報告する必要があります。そこで研究者らは、 B. thetaiotaomicron に遺伝子による記憶機能を持たせました。そのために、リコンビナーゼと呼ばれるタンパク質群を用いました。これは、特定のDNA上の配列を認識してその向きを反転させることで、細菌のDNAに情報を記録できるタンパク質です。
研究者らはまた、CRISPR干渉と呼ばれる技術も導入しました。この技術は、細菌内でどの遺伝子をオンまたはオフにするかを制御するために使用できます。研究者らはこれを用いて、 B. thetaiotaomicron が特定の栄養素を消費する能力と、抗菌分子によって死滅させられることへの抵抗性を調節しました。
研究者らは、遺伝子ツールとスイッチの一式が、マウスの腸内に定着した B. thetaiotaomicron 内で機能することを実証しました。適切な成分を含む餌をマウスに与えた際、細菌がマウスの食べたものを記憶できることが示されました。
ツールキットの拡張
研究者らは現在、ツールの応用範囲を異なる種の Bacteroides属へと広げる計画です。腸内の微生物組成は人によって異なるため、ある種が一部の患者では優勢な細菌になっても、他の患者ではそうならない可能性があるからです。
「私たちは、ヒトの腸内で重要な共生微生物である幅広い細菌へと遺伝子ツールキットを広げることを目指しています」とルー氏は述べています。
病気の兆候を感知し、それに応答するために微生物を用いるという概念は、体内の他の場所でも応用できる、とルー氏は付け加えています。
さらに、より高度な遺伝子コンピューティング回路を、この遺伝子ツールキットを基に Bacteroides 属の細菌内に構築し、非侵襲的な診断・治療手段としての性能を高めることができます。
「例えば、改変された細菌で疾患を診断する際には、高い感度と特異性を備えることを目指したいと考えています」とルー氏は述べています。「これを実現するために、複数のバイオマーカーを検知し、すべてが存在する場合にのみ応答を引き起こすよう細菌を改変することもできるでしょう。」
本研究には関わっていない、インペリアル・カレッジ・ロンドン合成生物学センターのグループリーダーであるトム・エリス氏は、本論文が、 E. coli を用いて合成生物学の応用向けに開発された最良のツールの多くを取り入れ、一般的な腸内細菌のクラスで利用できるよう移行させたものだと述べています。
「他の研究者らは、腸内に配置される細菌において遺伝子回路、すなわちバイオセンサーを設計するためのツールや応用を開発してきました。一方、本論文は、 Bacteroides 属の一員を最初に改変することで際立っています。これは私たちの腸内に最も多く見られる細菌の種類です」とエリス氏は述べています。
エリス氏によると、本研究はこれまでのところマウスでこのアプローチの有効性を示しており、ヒトへの使用が承認されるまでには長い道のりが待っています。
しかし同氏は、本論文が、改変された細胞が長期間にわたって私たちの腸内に常駐する将来の可能性を実際に開くものだと述べています。「これらは、センシングや記録といった作業、さらには必要なときに必要に応じて治療用分子をその場で合成するといった作業も行える可能性があります。」
本記事は、 MITとの協力により掲載されたものです。掲載されているからといって、世界経済フォーラムがその見解を支持していることを意味するものではありません。
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著者：ヘレン・ナイトはMIT Newsに寄稿しています。
画像：顕微鏡下で示された腸内細菌。REUTERS
