研究者たちは近年、電子回路のように複数の異なる入力を受け取り、特定の種類の出力を返すシステムである生物学的回路の設計と構築において、大きな進歩を遂げてきた。しかし、こうした生物学的回路の個々の構成要素は正確で予測可能な応答を示す一方、要素をさらに組み合わせるほど、その結果は予測しにくくなる。
MITの研究チームは今回、この予測不能性を大幅に低減する方法を考案し、こうした回路を電子回路とほぼ同じほど予測可能に動作させられる可能性のあるデバイスを開発した。研究成果は今週、機械工学准教授のDomitilla Del Vecchioと生物工学教授のRon Weissによる論文として、学術誌『Nature Biotechnology』に掲載された。
論文の筆頭著者は、MITの生物工学専攻大学院生Deepak Mishraである。ほかの著者には、機械工学専攻の修士課程を最近修了したPhillip Riveraと、電気工学・コンピューターサイエンス専攻のAllen Linが含まれる。
Del VecchioとWeissによれば、こうした合成生物学的回路には多くの用途が考えられる。「私たちが取り組んでいる具体例の一つはバイオセンシングです。環境中の特定の分子を検出し、それに応じて特定の出力を生み出す細胞です」とDel Vecchioは言う。一例として、がん細胞の存在を示すマーカーを検出し、その細胞を殺す標的分子の放出を引き起こす細胞が考えられる。
こうした回路が、がん細胞と非がん細胞を正確に見分け、誤った場所で殺傷能力を発揮しないようにすることが重要だとWeissは言う。そのためには、細胞内の生物学的要素から作られる堅牢な情報処理回路が「極めて重要」になるとWeissは述べる。
これまで、この種の堅牢で予測可能な動作は実現できていなかった。その一因は、生物学的回路の複数段階を導入した際に生じるフィードバック効果にある。電子回路では、各構成要素が情報を常に特定の方向へ流す配線で次の要素と物理的につながっている。これに対して生物学的回路は、細胞内部の複雑な液体環境の中で、すべての構成要素が一緒に浮遊しているため、問題が生じる。
情報の流れは各構成要素の化学的相互作用によって生み出される。理想的には、各要素は特定のほかの要素だけに影響を及ぼすはずだ。しかし実際には、こうした生物学的な結びつきを作ろうとする試みは、しばしば予想とは異なる結果をもたらしてきた。
「回路を組み立てて答え『X』を期待しているのに、代わりに答え『Y』が返ってくれば、深刻な問題になりかねません」とDel Vecchioは言う。
チームがこの問題に対処するために開発したデバイスは「ロードドライバー」と呼ばれ、その作用は電子回路で使われるロードドライバーに似ている。信号と出力の間に一種のバッファーを設け、信号の影響がシステム内を逆流して出力の遅延を引き起こすのを防ぐ。
これはまだ比較的初期段階の研究であり、商業利用に至るまでには何年もかかる可能性があるが、この概念には幅広い用途があり得ると研究者たちは述べる。たとえば、糖尿病患者の血糖値を継続的に測定し、インスリンが必要なときに自動で放出を引き起こす合成生物学的回路につながる可能性がある。
生物学的回路の設計に使える構成要素の選択肢にこのロードドライバーを加えることで、「設計可能な回路の複雑さを高めることができる」とDel Vecchioは言う。これにより、新たな用途が開かれるとともに、回路の動作を「堅牢で予測可能なもの」にできる。
この研究に関与していないボストン大学の生物医学工学教授James Collinsは、次のように述べる。「複雑な遺伝子回路を作る合成生物学の取り組みは、回路のサブモジュール間にある、予期されていなかった、あるいは特性が明らかにされていない相互作用によって、しばしば妨げられます。こうした相互作用はサブモジュールの入出力特性を変化させ、望ましくない回路動作につながります。」
しかし今回、Collinsはこう述べる。「Del VecchioとWeissは、そうした相互作用を考慮して補正できる遺伝子デバイスを作り、回路の動作をより予測可能にすることで、この分野を大きく前進させました。」
共同掲載： MIT News
著者：David L. ChandlerはMIT Newsに寄稿している
画像：2013年10月4日、ミシシッピ州ジャクソンにあるミシシッピ大学医療センターの外傷センターで、看護師が写真撮影に応じる。REUTERS/Jonathan Bachman
