細胞外で複製し進化する人工ゲノムDNAを開発～自律的に増殖し進化する人工細胞の構築に期待～

2021-11-16

2021-11-16 科学技術振興機構,東京大学

ポイント

生物はゲノムDNAに書かれている情報を使ってDNAを複製し進化することができるが、この能力を持つ人工物はいまだ作られていない。
本研究では、人工ゲノムDNAと無細胞転写翻訳系を用いることで、細胞外で遺伝子を発現させながら複製するDNAを世界で初めて進化させることに成功した。
この人工ゲノムDNAに遺伝子を追加することにより、将来的には自律的に増殖可能な人工細胞の構築が可能となり、効率的な有用物質生産に貢献すると期待される。

JST 戦略的創造研究推進事業において、東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻・附属先進科学研究機構/生物普遍性連携研究機構の市橋伯一教授らは、核酸やたんぱく質といった無生物材料のみを用いて、生物の特徴であるDNAからの遺伝子発現と持続的な複製による進化を細胞外で行うことに世界で初めて成功しました。

増えることと進化することは生物の大きな特徴ですが、この特徴を持つ人工物はいまだに作られていませんでした。本研究グループは、DNA複製に必要な2つの遺伝子を持つ環状DNA(人工ゲノムDNA)と無細胞転写翻訳系を用いることで、遺伝子がたんぱく質へと翻訳され、その翻訳されたたんぱく質によって元の環状DNAを複製させることに成功しました。さらにこのDNA複製サイクルを約60日間続けることで、複製効率が約10倍上昇したDNAに進化させることに成功しました。

今回開発した人工ゲノムDNAに転写翻訳に必要な遺伝子を追加していけば、将来的にはアミノ酸や塩基などの低分子化合物を与えるだけで自律的に増殖する人工細胞へと発展させることができます。そのような人工細胞ができれば、現在行われている医薬品開発や食料生産のような生物を使った有用物質生産がより安定で制御しやすいものになると期待できます。

本研究成果は、2021年11月16日(米国東部時間)に米国科学誌「ACS Synthetic Biology」のオンライン版で公開されました。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業チーム型研究(CREST)

研究領域
「ゲノムスケールのDNA設計・合成による細胞制御技術の創出」
(研究総括:塩見春彦慶應義塾大学医学部教授)

研究課題名
「自己再生産し進化する人工ゲノム複製・転写・翻訳システムの開発」

研究代表者
市橋伯一(東京大学大学院総合文化研究科教授)

研究期間
令和2年11月～令和8年3月

JSTはこの領域で、ゲノムの動作原理の解明と細胞利用の基盤技術の創出を目指す。
上記研究課題では、自己再生産しながら複製し進化する人工ゲノムDNAの開発を目指す。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>

“Continuous cell-free replication and evolution of artificial genomic DNA in a compartmentalized gene expression system”: DOI:10.1021/acssynbio.1c00430