イェール大学のシステム生物学者で生物医学エンジニアのアンドレ・レフチェンコ氏が率いる科学者チームは、化学シグナルに対するヒト細胞の応答に見られる生化学的なばらつき、すなわち「ノイズ」をマッピングする新たな手法を開発した。米国科学アカデミー紀要に11月17日掲載されたこの研究は、患者ごとの細胞応答に合わせた薬剤送達に活用できる可能性があり、半導体チップ設計の進歩にもさらなる示唆をもたらす可能性がある。
レフチェンコ氏の手法は、同じ患者の同じ組織に由来する細胞であっても、体内の化学シグナルへの反応は一つひとつ異なるという認識に基づいている。強く反応する細胞もあれば、まったく反応しない細胞もある。応答に大きな多様性がある状態は、ノイズの多い応答とみなされる。
この新しい手法は、複雑な生化学ネットワークの複数の分岐にわたってノイズをマッピングする。「活性のばらつきがどの程度かを知ることで、ネットワーク内の活性の広がりをより的確に標的化できます」と、ジョン・C・マローン生物医学工学教授で、イェール・システム生物学研究所の初代所長を務めるレフチェンコ氏は述べた。
「たとえば、特定の細胞ネットワークにおける応答の広がりのノイズが少なければ、比較的少量の薬剤でその応答全体を標的化できるかもしれません。このマッピング手法によって、研究者や臨床医はノイズの少ないネットワークを特定できます。そうしたネットワークは患者ごとに異なる可能性があります」と同氏は語った。
この研究でレフチェンコ氏のチームは、ジョンズ・ホプキンス大学のアレックス・リー氏とレイモンド・チョン氏らとともに、サイトカインである腫瘍壊死因子（TNF）によって刺激されるシグナル伝達系を調べた。TNFは、感染に応答する細胞によって一般的に産生される。体内の見張り役となる細胞が異物を検知すると、TNF分子を放出し、免疫応答の第一線を活性化する。
実験観察と数学的アルゴリズムを組み合わせ、チームは少数の標的分子についてTNF入力の影響を測定し、その後、TNFによって引き起こされたシグナルがネットワーク内をどう伝播するかを推定した。TNFシグナルは同じ地点から始まるため、影響を受ける数十もの分子を測定せずとも、細胞内のコミュニケーションネットワークの各分岐がシグナルにどう反応したかを効率よく再構築できた。
「この分野のこれまでの実験では、私たち自身の研究も含め、一度におそらく数百万個の細胞の平均的な挙動を調べて、ネットワークの応答に注目していました」とレフチェンコ氏は述べた。「新手法の独自性は、比較的少数の標的で済む点にあります。今回観察した標的転写因子は3つだけで、シグナル伝達ネットワークのさまざまな分岐がどれほど応答するかだけでなく、どれほどノイズが多いかも再構築できました。この有効な方法論を用いて、シグナル伝達ネットワーク全体にわたるノイズの発生源を広範にマッピングする研究に着手できます。」
さらに、どのネットワークのノイズが多いかを特定したことで、コミュニケーションの連鎖が長くなるほどノイズが増える傾向を、レフチェンコ氏のチームは実験で確認できた。この知見は、生物学的ネットワークだけでなく電気ネットワークの研究にも応用できる可能性がある。
「細胞ネットワークにはノイズがあるにもかかわらず」と同氏は述べた。「生物は、細胞や個体が良好に機能することを可能にしています。同様に、今日の電子部品が小型化するにつれ、チップ設計者はシグナルノイズを調査し、回避する必要性が高まっています。効果的な計算装置の構築と効果的な医療治療法の設計という課題は、見た目以上に似ているのです。」
この学際的な性質を反映し、本研究は米国国立衛生研究所と半導体研究協会の双方から支援を受けた。
イェール・ニュースとの共同掲載 イェール・ニュース
著者：レイス・マクレイは、イェール大学工学・応用科学部の認知度を高める活動の企画・運営を担っている。
画像：2008年3月28日、東京北部の本庄にあるリサイクル工場、Dowa Holdings Coのエコシステムリサイクリング社で、廃棄電子機器から回収されたメモリチップが撮影された。ロイター／ユリコ・ナカオ。
