アドカレ企画!バイオテクノロジーの最先端を支える「合成生物学」ってなあに?

「合成生物学(Synthetic Biology)は、組織、細胞、遺伝子といった生物の構成要素を部品と見なし、それらを組み合わせて生命機能を人工的に設計したり、人工の生物システムを構築したりする学問分野のこと。」

参照: 『日経バイオテク:合成生物学』https://bio.nikkeibp.co.jp/atcl/report/16/011900001/20/04/10/00320

 

 簡単にまとめるなら、合成生物学とは【生物システムを人工的に作り出す学問】と言うことができます。

 

 合成生物学の始まりは、フランス人であるステファン・ルデュック(1853〜1939)が著した『La Biologie Synthétique(邦題:合成生物学)』にて、生命現象は物理法則に従っており、原理を理解できれば生体内(in vivo)ではなく、試験管(in vitro)、つまり生体外でその機構を再現できる、という記述であるとされています。

 

 これはデカルト(1596-1650)以降通説となった、機械論的自然観に基づいた主張で、現代人である我々には理解しやすいものではないでしょうか。

 

 合成生物学を【生物システムを人工的に作り出す学問】と解釈するのであれば、その歴史は1980年代から本格的にスタートを切ったと言えます。1980年代の生物学といえば、遺伝子組み換え技術の確立が特に取り沙汰されます。

 

 生物と定義されるものは皆、遺伝物質としてDNA(デオキシリボ核酸)を保有しており、これを設計図にタンパク質を合成します。DNAの情報をもとにタンパク質が合成されることを遺伝情報の発現と呼びます。

 

          遺伝情報発現の流れ(DNA→RNA→タンパク質)

 我々の体の殆どはタンパク質でできていると言っても過言ではありません。タンパク質は臓器(皮膚を含む)、筋肉、毛髪に留まらず、消化酵素、ホルモン、免疫物質(抗体)などに含まれており、生命維持に極めて重要な役目を果たしています。

 

 これらをうまく機能させられなければ生命を維持することはできないので、それを調節するために、DNAという設計図を参考にして、タンパク質を合成している訳です。

 

 遺伝子組み換え技術は、このような生体の機能をうまく活用した技術であるといえます。

 今までの話から、遺伝情報を書き換えることで、合成されるタンパク質をコントロールできるということに、納得ができると思います。設計図が変われば、完成するものも変わる、という訳です。

 

 遺伝子組み換えの例を軽く見ていきましょう。

 

 植物は自身が傷ついた時、例えば昆虫に葉を食べられた時、システミンというストレスホルモンを分泌します。このシステミンはジャスモン酸という、タンパク質合成酵素を阻害する(=昆虫に害がある)化学物質の分泌を促進します。

 つまり、システミンがあると、ジャスモン酸が分泌されて虫が困る訳です。

 

 ここで例えば、昆虫による食害を減らす作物を作りたいとなった場合、農薬をばら撒くのではなく、ジャスモン酸というをより分泌しやすくなるような遺伝子を導入すれば、より人間にとって安全かつ、栽培しやすい作物が作れます。

 

 さて、今話した例の他にさまざま遺伝子組み替えによる恩恵は考えられるのですが、一概に遺伝子組み換えといっても、研究室レベルで遺伝子を組み替えるのはとても大変です。

 

 DNAはアデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)、シトシン(C)という塩基とデオキシリボースという糖、そしてリン酸により構成されています。同じ鎖上にある糖同士は、リン酸エステル結合によって繋がり、AとT、GとCは各々水素結合によって鎖を跨いで結合しています。AとTは2本の水素結合、GとCは3本の水素結合を持つため、各々相補的に結合できるようになっています。これによってDNAは二重螺旋構造を取るのですが、それはいいとして。

 こういった強固な化学結合によって結びついているDNAを特異的に編集するのは、なかなか大変そうですよね。

 これを実現するために、特定の塩基配列を認識してDNA鎖を切断する「制限酵素」という酵素を用いてDNAを切ったり、貼り付けたりして遺伝子組み換えを行います。

 しかし、これもまたなかなか大変です。本当にDNAが切断されているかを確認するために、電気泳動によって確認したり、PCRをかけたりしなくてはなりません。(電気泳動とは、DNAがリン酸基に由来する負電荷を持つことを利用して、電流を流すことで正極側にどのくらいDNAが移動するかを見ることでおよその塩基対数を確認する手法です)

 

 その上、制限酵素を用いた切断、ライゲーション(DNAが塩基の相補性によって勝手にくっつくこと)では、細かい遺伝子の編集はできません。ガッ!と切り取って、ガッ!とくっつけているので、当然です。

 

 ここで、近年合成生物学が急速に進化した理由である、Crispr cas9という技術が登場するのです!

 

 Crisper cas9とは、自分たちが書き換えたいと思った遺伝子の配列を登録すれば、任意の箇所を切り取って、書き換えたい遺伝子を挿入してくれるとかいうチート技術です。原理の説明には前提知識が必要なのでまたの機会にするとして、こう言った遺伝子組み替えの技術の進歩に支えられ、合成生物学は進歩を遂げました。

 

 この手法をうまく用いていけば、人間が必要とする成分を生物の代謝経路を利用して製造したり(exアンモニア、硝酸など)薬を体内で合成する生物を作って製薬を楽にしたり、エネルギーをなるべく消費せずに有用物質を作る仕組みを確立することができるようになります。まだまだ合成生物学は発展途上の学問ですが、今後一層の発展を遂げること間違いなしですので、今後の発展にご注目ください!

Wathematicaアドカレ企画〜Wathematicaメンバーの生態〜

こんにちは!Wathematica企画部のふりゅーげると申します。バイオインフォマティクスの記事をご覧になった皆様、再びお会いできて嬉しいです。また、本記事で初めましての皆様、今回はメンバーの方々が主役ですので、どうぞ見知らぬ僕のことは忘れて記事をお楽しみください。

 

今回はWathematicaのメンバーの生態ということですが、大きく以下の質問を用意しました!

 

・自己紹介(学年学部学科)

・Wathematicaへのモチベーション

・興味分野との出会い

・趣味

・年末の過ごし方

・一生○○ができなくなる

→ギリギリ許容できる○○は?

 

メンバーの回答を見ていきましょう!

 

 

幹事長 refuさん

・自己紹介(学年学部学科)

先進理工学部化学・生命化学科3年生

・Wathematicaへのモチベーション

自主ゼミを初めとした自主的な学術的活動や質問、興味の共有などが出来る場の需要を感じ立ち上げました。

・興味分野との出会い

通学路食パンを咥えて走っていたらばったりと。彼女こそが物性物理学でした。

・趣味

物理学, 音楽鑑賞, 映画鑑賞, カフェ巡り(チーズケーキ)

・年末の過ごし方

実験も終わり自由の身なので物理と映画に身を捧げます。

・一生○○ができなくなる.ギリギリ許容できる○○は?

数理物理学

 

編集者コメント;「立ち上げました」という圧倒的強者感がいいですね.いつもはもっとユーモラスな方なので,今後もキレキレなボケに期待がかかります.

 

定例会部長 にしりさん

・自己紹介(学年学部学科)

先進理工学部化学・生命化学科3

・Wathematicaへのモチベーション

→こういう集まりがあることに大きな意義を感じているので維持されていってほしい。そのために定例会の開催を通じて"集まり"としての強度を上げていきたい

・興味分野との出会い

→興味分野は自然科学>化学>物理/量子化学>計算化学(>密度汎関数理論(DFT))です。Twitterで「電子密度が化学反応を決定してるなら電子密度が分かればすべて予測できるのでは……?」などとつぶやきながら考えてたらFFの強者にそれはDFTだよって教わったのがきっかけでした。

・趣味

→ゲーム。最近はDQXをやりながらEpicの無料配布ゲームをやったりデス・ストランディングをやったりしてます。ただし長期休みの時に限る。

・年末の過ごし方

DFTの勉強をするなどしたいです。あとは物性論ゼミの発表準備とか講義の復習とかもやらなきゃいけないし、年始には実験科目で課された口頭発表があるのでそれの準備とかも……

・一生○○ができなくなる.ギリギリ許容できる○○は?

→「これができなくなったら困る!」ってことしか生活でやってないことに気づきました。しいて言うならテニスかも……

 

編集者コメント;幹事長のrefuさんと共にWathematica創成期を支えた方の一人です.物腰柔らかくまじめな印象を持っています.そんなにしりさんっぽさがよく表れている回答ですね◎

 

ゼミ界の王 inoshoさん

・Wathematicaへのモチベーション

→高め

・興味分野との出会い

→大学の講義

・趣味

ポケモン

・年末の過ごし方

→家族旅行

・一生○○ができなくなる.ギリギリ許容できる○○は?

→一生ラーメン食えなくなる

 

編集者コメント;とにかくたくさんのゼミに参加して活発に活動していらっしゃる,Wathematica ゼミの王です.(僕は勝手にそう思っています)

あと,inoshoさんといえば,バオッキーのイメージがありますね,,,なぜだろう?

 

新幹部 i7_yocさん

・自己紹介(学年学部学科)

基幹理工学部数学科B2です。

・Wathematicaへのモチベーション

→正直なことをいうと最初は「ゼミの教室を借りるため」という目的で入ったらしいです!...が、気づいたらゼミのメンバーはみんな偉い役職に就いていたり、僕もWathematicsで発表していたり量子計算ゼミを作っちゃいました。今後も今までと同じテンションでゆる~く貢献していきたいですね

・興味分野との出会い

→これはちょっと話が長くなるかな...?? と思ったけど、折角だしいろいろ書いてみることにします。

 

僕は数学科なので当然数学に興味があったわけですが、その中でも特に数学基礎論に興味を持ちました。(数学基礎論は、めちゃくちゃ簡単に言うと数学の論理的構造とかを調べる分野です。詳しくは僕のWathematicsのスライドを見てね) なんでかというと、当時は高校数学や数オリの問題などを解いたりしていたわけですが、やってるうちに「何をもってこの証明は"正しい"といえるのだろうか?」という疑問がわいてきたわけですね。

 

で、その後いろいろあって数学基礎論という分野の存在を知り、大学に入ってから自分で勉強して。不完全性定理まで到達することができました。

 

その後計算機科学などを経て、今は量子計算などをやってみたいな~と思っています。これもなんで量子計算なの?という話ですが、まず自分は高校の頃に競技プログラミングをやっていたので、情報系の事柄にも関心がありました。もちろん数学科なので数学にも関心があります。さらにせっかく何かを学ぶなら、自分が知らないことが少しくらいあった方が面白くないですか?、ということで「情報」「数学」「物理」が融合した分野である量子計算に出会い、勉強しようとしているわけです。(話が長い!)

・趣味

→勉強…というと怒られそうなのでそれ以外のことを。

 ・読書…あまり頻度は高くないですが、時々SFなどを読みます。最近面白かったのは劉慈欣の『三体』ですね。有名なSFですがようやく読みました。話のスケールがどんどん広くなっていって夢中になっちゃいます。勉強しに学読に行ったけど気づけばこの本を読んでた…なんてこともしばしば。

 ・乗り物・旅行…これも最近は暇がないのと感染症で全然できていませんが、昔から乗り物は全体的に好きなので、高校生の時とかはよく電車に乗って一人旅をしていました。楽しいですよ。

 ・音楽趣味とは言っていますが、世間のトレンドは全くわかりません。最近は英語を頑張って勉強しようとしているので洋楽を少し聞くようになりました。Owl CityとかAlec Benjaminとかおすすめです。

・年末の過ごし方

→兄弟が多い(4!)ので大体家で過ごしてますね。にぎやかです。

・一生○○ができなくなる.ギリギリ許容できる○○は?

→この質問めちゃくちゃ難しくないですか...? 自戒も込めて『Twitter』とかにしときましょうか。

 

編集者コメント;ものすごく熱意あふれる回答をいただけて,とても嬉しく思っています!ご本人からはカットして適宜使って欲しいとのご連絡があったのですが,せっかくなのでそのまま原文を載せました.最後の質問,『Twitter』に自戒というのはどういう意味なのでしょうか,,,次回に期待ですね!

 

saneshigeさん

・Wathematicaへのモチベーション

勉強を一人でやると続かないから.あんまり開拓できていない分野をがっつりやってる人がいるから.

・興味分野との出会い

わからん

・趣味

game(ヴァロランと)とか最近はあまりできていないが読書とかアニメ視聴とか漫画とか

・年末の過ごし方

ぐでぐでしたい(キソジが終わってさえいれば

・一生○○ができなくなる.ギリギリ許容できる○○は?

何も許容できない(できなくなるって言われると意地でもやりたくなっちゃう

 

編集者コメント;一年生で参加してくださいました,saneshigeさんです!Wathematicaへのモチベーションは僕も全く同じものを抱いていたので,学年柄なのかもしれません.

最後の回答からカリギュラ効果の波動を感じ取れますね.

 

 

ユウイチさん

・Wathematicaへのモチベーション

自主ゼミ楽し~ 先輩と知り合う場所

・興味分野との出会い

小学校のときに読んだ学習漫画「アトム博士シリーズ」(絶版)

・趣味

空想

・年末の過ごし方

家族旅行

・一生○○ができなくなる.ギリギリ許容できる○○は?

彼女 どうせできないので

 

編集者コメント;僕らと同じく,一年生です!Wathematicaは学年問わずに交流を深められるのも大きな魅力の一つですよね.最後の質問は,理工生の春の訪れが遠いことを表現する,残酷な描写で幕引きとなりました...

 

 

後書き

今回は合計6人の方にご協力いただき,本記事を作成することになりました.ご参加くださった皆様,本当にありがとうございました!おかげで楽しい記事になったと思います.

編集者(?)として,皆様の答えが本当に多種多様だったので,楽しんで記事を作成できました.

各回答についているコメントがもしかすると蛇足になっているやもしれません.お許しください.

Wathematicaアドカレ企画も終わりに近づいていますね.最後の最後まで楽しんでいってください◎

Wathematica アドカレ企画〜最近話題のバイオインフォマティクスってなあに?〜

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こんにちは!早稲田大学理工系学術サークルWathematica所属,学部1年生のふりゅーげると申します!

今回は当サークルのイベントの一環として、「バイオインフォマティクス」についてご説明したいと思います.

このテーマを選んだ理由は,生物系学問の面白さを皆さんに伝えられたらいいなと思ったからです.僕の知る限り生物というのは不遇な学問で,高校生で専門科目の選択の際に,地学の次に人気のない科目です.それは何故かというと,学校教育の異常なまでの物理化学選択の推進があるためです.理系で受験をするのであれば,物理化学を選んでおけば間違いないーー確かにそれはそうなのですが,ベターな選択を取ることだけが正しいとは限りません.物理化学専攻という選択は,あなたを量産タイプにしてしまう危険性も孕んでいるのです.

それに対し,生物というのは,真に意志の強いものしか選択することのできない,崇高な学問です.この記事があなたを生物屋さんに誘うための一助となるよう,お祈りしております.

 

※物理も化学も素晴らしい学問です.この記事には,どんな学問も貶める意図はございません.ただ,生物選択者は人数が少ない故に,高校時代に参考書が少なかったり少人数すぎて冷暖房がない教室で授業を受けさせられたりしたこともあって,仲間を増やしたいと考え,過激思想になる傾向が強いです.あらかじめご了承ください.(これってネガキャンじゃない…?)

 

今回は以下の三段階に分けてバイオインフォマティクスについて語っていきます.難しい原理は極力カットしたので,お気軽に楽しんでください◎(名前だけでも覚えていってね!)

 

 

バイオインフォマティクスの簡単な概要

バイオインフォマティクスというのは,その名の通りバイオ(生物学)とインフォマティクス(情報学)が融合した分野です.どんなものに応用されているか,一番有名なものをあげるならゲノム解析が最適でしょう.生物なんぞに興味はない!という数学屋さんや物理屋さんも,一度は耳にしたことがあると思います.

ゲノム解析とは,遺伝情報を解析して,どの遺伝子がどんな効果を生物にもたらすのかを検証する行為を言います.しかし,全ヒトゲノムを解析するヒトゲノム計画は(現在でもマイナーチェンジはあるものの)2003年に終了しています.そんな御役御免感のあるバイオインフォマティクスですが,なんと2027年まで年平均成長率15.8%[1]で成長し続けるという予想が出るほど最近ホットな分野なのです.では,なぜ最近になって脚光を浴びたのでしょうか.

 

バイオインフォマティクスのここがすごい!

 


突然ですが問題です.こちらの女性の名前をお答えください.

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……正解は,世界的大女優アンジーこと,アンジェリーナ・ジョリーさんです!

当たっていましたか? ちなみに僕はわかりませんでした.

なぜ唐突に彼女を紹介したのかというと,実は彼女がバイオインフォマティクスに深く関わっているからなのです.

アンジェリーナ・ジョリーさんは自身の遺伝子を検査した結果,乳がんの発症率が非常に高くなってしまう遺伝子が存在していることが判明しました.彼女はその結果を受け,乳がん発症を予防するため,2013年に自身の乳房を切除しました[2].今となっては,予防的乳房切除術は一般的に行われるものになってきていますが,当時は『ニューヨーク・タイムズ』誌でも物議を醸したそうです.彼女がなんの処置も取らなかった場合には,今すでに乳がんを患っていたのかもしれません.それは神のみぞ知ることですが,少なくとも,がんに対して発症を予防する技術が存在し,実用可能だというのは,医療の選択の幅を広げるという点で有効です.

そして今そのような医療技術を支えているものこそ,遺伝子を解析して,その遺伝子がどのような効果をもたらすのか知る手段である,バイオインフォマティクスです.

アンジェリーナ・ジョリーさんの例にあったように,現在バイオインフォマティクスは,遺伝子の解析により遺伝病の有無を確認して予防したり,準備を整えたりする手段に用いられています.遺伝病とは,遺伝子がさまざまな原因により変化してしまうことで生じる疾患のことで,基本的に生存に不利な方向で働くことが多いです.(ヒトに限らず,生物の体は非常によくできていることがわかりますね.

しかし,遺伝病はDNAレベルでの疾患であるため,現在の技術では遺伝病に対する根本的な治療法は存在しません.それに対して,完治させることはできないにしろ,適切な処置を施したり,備えることができるようになったりするバイオインフォマティクスは,20世紀の新しい医療といえるでしょう.

 

また,バイオインフォマティクス創薬でも大きな力を発揮します.

薬というのは,薬の分子が体内で巡っている生体分子と競合することで,作用を鈍らせたり鋭敏化させたりすることで効果を発揮します.

薬ではないですが,理工生の皆様おなじみカフェインも似たような作用機序を示します.

脳にはアデノシン受容体という化学物質が結合する組織があって,アデノシン受容体に

アデノシンという物質が結合することで,覚醒作用のある神経伝達物質の放出が抑制されます.つまり,アデノシン受容体にアデノシンがくっつくと眠くなってしまうのです.Zzz…

しかし,カフェインとアデノシンは分子の形が似ているため,アデノシン受容体にアデノシンの代わりにカフェインが結合し,眠くならなくなるのです!

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アデノシンとカフェインの分子構造

実は,薬もカフェインとアデノシンの関係のようになっていて,作用しているものがかなり多いんです.それにしても,アデノシンとカフェインの分子構造,なんとなく似ているような似ていないような微妙な形ですよね.もっといい眠気覚ましになる物質があるのではないでしょうか?

 

こんな時にも役立つのがバイオインフォマティクスです! 今までは「もっといい分子があるんじゃないか」と考えて似た分子を作っても,分子の置換基効果などの関係で,うまくいかないことが多くありました.結果,膨大な種類の化合物を試す必要があり,置換基効果まで考えて分子を設計するのにも時間がかかるため,創薬にはコストが多く必要でした.

しかし,バイオインフォマティクスを用いることによって,完成した分子がどんな効果を発揮するのかシュミレートして,候補の化合物を絞り込むことができるようになったのです!

これは創薬会社などにとっては大きな進歩で,更なるビッグデータの解析が,日夜行われているようです.

 

バイオインフォマティクスを学ぶには?

バイオインフォマティクスを学ぶのに必要な知識は大きく分けて以下の2つです.

機械学習ディープラーニングの知識

②バイオロジー,特に遺伝子や生体代謝機構

 

バイオインフォマティクスは,一番最初に説明したように,生物学と情報学の融合分野です.

生体で起こっている現象とその状況をデータとして採取し,ビッグデータとして処理するには,重み付けの程度などを考えるために,バイオロジーの知識が必要です.また,機械学習の知識も欠かすことはできません.

現在バイオインフォマティクスには技術者認定試験も存在しているようで,今後更なる発展が見込まれる分野です.進路選びに困っている場合は,一つの選択肢に入れてみてはいかがでしょうか?

この記事が,生物学に興味を持つきっかけになったらいいなと思っています.

ここまで読んでいただき,誠にありがとうございました!!

 

 

参考webサイト

[1]

prtimes.jp

[2]

style.nikkei.com