自給自足の細胞?

上: Julie Trolle と Jef Boeke は、合成生物学の手法を使用して、哺乳類の細胞が必須アミノ酸を生成できるようにします。 ジュリー・トロル提供

学生たちが素晴らしい新発見をしたと主張して遺伝学者のジェフ・ブーケに近づくと、彼の最初の反応はいつも「プレートを見せてください」です。 ブーケ氏はニューヨーク大学ランゴンヘルス校システム遺伝学研究所の創設所長であり、彼の研究室での研究のほとんどは微生物に焦点を当てています。 顕微鏡で学生の細胞を直接見ることは、興味深い発見につながる可能性のある詳細を見つけ出すのに役立ちます。そのため、2017年にニューヨーク大学グロスマン医科大学の博士課程学生ジュリー・トロルが遺伝子操作されたチャイニーズハムスター卵巣（CHO）細胞の写真を彼に送ったとき、次のように言いました。彼は自分の目でそれらを見る必要があることを知っていました。 彼が目にしたのは、5億年以上前に動物で失われたアミノ酸合成経路の復活だった。

合計 20 個のアミノ酸が、あらゆる生命体の何千もの異なるタンパク質を構成しています。 しかし、動物が作ることができるのは 11 個だけです。 彼らは環境から他の必須アミノ酸を摂取する必要があります。 彼らは、通常20種類のアミノ酸すべてを生成する植物を摂取するか、植物を摂取した動物を食べることによってこれを行います。 ほとんどの植物や微生物が 20 の経路すべてを持っていることを考えると、失われた 9 つは動物の進化に関する疑問を引き起こします。これらの経路はいつ、そしてなぜ失われたのでしょうか? そして、動物は何らかの方法でアミノ酸を再び生成できるのでしょうか? トロール氏は、合成生物学と工学を利用してこの 2 番目の疑問に対処することに特に興味を持っており、そうすることでさまざまな医療上および産業上の問題に対する解決策の基礎を築く可能性がありました。

遺伝子操作された細胞を作るのは簡単ではなかった、と彼女は語った。 これらの合成経路を持つ動物の祖先は少なくとも 5 億年前に生きていました。 アミノ酸を作るのに必要な酵素間の相互作用は、これらの祖先では確かにトロールの培養プレート内のCHO細胞と同じではありませんでした。

彼女は、バリンが別の必須アミノ酸であるイソロイシンと化学的に類似しているため、バリンに焦点を当てることにしました。 バリンを生成できる細胞はイソロイシンも生成する可能性があり、単一のアミノ酸生成経路を操作するよりも効率が高くなる可能性があると彼女は述べた。

彼女はまず、動物細胞では通常産生されない酵素をコードする細菌遺伝子を業界標準のCHO細胞に導入しました。 彼女は、細胞が環境中の生化学的化合物をバリンとイソロイシンに変換できるようになることを望んでいた。 トロールは、改変した細胞と対照細胞のグループを、アミノ酸の一方または両方を欠いた培地に入れ、それらが生き残るかどうかを確認しました。

彼女が残念なことに、経路にどのような調整を加えたとしても、培地中にイソロイシンがなければ細胞はうまく生存できず、アミノ酸をまったく生成しなかったことを示しています。 しかし、トロールの細胞はバリンを含まない培地でも良好に生存し続けました。

通常の細胞と遺伝子組み換え細胞との間の結果の違いは「説得力以上のものだった」とBoeke氏は語った。 遺伝子組み換え細胞は対照細胞よりも生存率が高く、必須アミノ酸を独自に生成したことを示唆している。

トロール氏は培地中のバリンレベルを測定し、グルコースとピルビン酸を与えると細胞がバリンを合成することを確認した。 「素晴らしい成功でした」とブーケ氏は語った。 「私たちはとても興奮していました。」 しかし、チームが2021年の出版に向けて結果を提出したとき、査読者は懐疑的でした。 トロルの細胞におけるバリンの産生は20日目から減少し始め、40日目にはさらに減少しました。 査読者は、CHO細胞は一定の速度でバリンを生成できるはずであると指摘した。

Boeke や他の研究者の助けを借りて、Trolle はさまざまな調整を試みましたが、成功しませんでした。 しかし、最終的に彼女は突破口を開きました。 彼女は、この経路の問題は、細胞によって作られる中間化合物の蓄積であることを発見しました。 これを修正するために、トロール氏は、中間体を次の生成物に変換する酵素をコードする遺伝子のコピーを追加しようとしました。

この変更はうまくいきました。 突然、細胞は初期の細胞バッチよりも高い速度でバリンを生成しました。 そして、バリンの生産量は、40日間の実験を通じて一貫して増加しました1。「これは、これまで存在した中でバリンを生産する最初の動物細胞です」と、現在Boekeの研究室の博士研究員であるTrolle氏は述べています。

「これは先駆的で心強い成果だ」と細胞生物学者で遺伝学者であり、がん治療薬会社ヒューメイン・ゲノミクスの共同設立者であり、ゲノム編集と合成に焦点を当てた国際研究活動であるゲノム・プロジェクト・ライトの共同設立者および議長を務めるアンドリュー・ヘッセル氏は述べた。 ヘッセル氏はこの研究には関与していないが、以前にBoeke氏や別の研究著者らと共同研究を行ったことがある。 「これは完全独立栄養細胞の作製に向けた非常にすばらしい第一歩です」とヘッセル氏は語った。

トロル氏は必須アミノ酸を生成する動物細胞が可能であることを実証したので、他のアミノ酸が彼女の足跡をたどるのは時間の問題だとヘッセル氏は語った。 「今後数年以内に、すべてのアミノ酸を生成できる細胞が現れることになるだろう」と同氏は語った。

トロール氏は、この研究が細胞培養法に応用できることを期待している。 たとえば、彼女が研究したCHO細胞に栄養を与えるために使用される培地は高価であり、多くの場合動物性食品に依存しています。 独立栄養細胞の操作はより簡単でコスト効率が高く、実験室での肉の栽培などのプロセスがより実現可能になります。 「哺乳類の細胞を大規模に培養する応用には、拡張性を持たせるために何らかのゲノム工学が必要になる可能性が高い」と彼女は述べた。 「これはそのようなことを実現するための第一歩です。」

この研究には関与していないスタンフォード大学の合成生物学者ドリュー・エンディ氏によると、これらの経路を操作して、これまで生合成されたことのない他のアミノ酸を生成できる可能性があるという。 合成生物学会社に投資し、DNA構築会社Gen9を共同設立し、現在も助言を行っているエンディ氏は、こうした技術は新たなタンパク質や医薬品の生産につながる可能性があると述べた。

ボーケ氏は、CHO細胞を超えて、新たに改変された経路を胚性幹細胞に組み込むことに興味を持っており、研究室で餌を与えるよりも安価になる可能性がある独自のバリンを生産できるマウスを改変する可能性がある。 しかし、ブーケ氏は、今のところ、完全独立栄養の動物細胞などのプロジェクトはまだSFの話であり、「実際に細胞にこれらのアミノ酸を生成させることによって、予期せぬ結果が生じる可能性がある」と付け加えた。

それでもヘッセル氏は、この研究、特に哺乳類細胞を強化するための細菌遺伝子の使用に感銘を受けている。 「私たちの哺乳類の細胞は細菌から学ぶべきことがたくさんあります」と彼は言いました。 「バクテリアが私たちに、より自立する方法を教えてくれているのは注目に値します。」

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