研究概要

近年、ゲノム解析技術が急速に進化し、生物界の膨大なデータが解読されています。この生物学のビッグデータはIT/AI技術と組み合わせることで、ゲノム配列と生命機能の関係性を予測する強力な道具となっています。こうした予測をもとに、デザインされた生命機能やシステムは、生命を構成する要素（DNAやタンパク質）をプラモデルのように組み上げることで、人工的に作り出すことが可能になっています。このように生命の仕組みを作り、調べ、理解する学問が「合成生物学」になります。

合成生物学で作って調べる対象は、生命の設計図たるゲノムDNA、生化学的反応を触媒する酵素、生命現象を支える生命システム、細胞、個体と多岐に渡っています。

私たちの研究室では、人工的にデザインした遺伝子を合成する人工遺伝子合成技術や長鎖DNA合成技術を基盤として、機能性酵素、遺伝子回路や人工機能性タンパク質の創出、そして微生物による有用物質生産の開発に関する研究に取り組んでいます。

難合成遺伝子配列の人工遺伝子合成技術の開発 

人工遺伝子合成とは、望みの遺伝子配列を持つDNAを人工的に作り出す技術です。遺伝子はDNAによって構成され、DNAは4種類の塩基（アデニン、グアニン、シトシン、チミン）の並びによって遺伝情報が記録されていますが、人工遺伝子合成技術を用いることで、これらの塩基を特定の順序で組み立て、目的とする遺伝子配列を持つDNAを合成することが可能になります。

人工遺伝子合成は受託サービスを利用して、望みの遺伝子配列を持つDNAを調達することが一般的であり、特殊な塩基配列領域を含む遺伝子の合成は技術的な限界が存在しています。GC-rich（ゲノム内のGC含量が高い領域）、AT-rich（ゲノム内のAT含量が高い領域）、繰り返し配列などの特殊な配列は、合成することが難しく、これらの配列を含む遺伝子の合成が制限されています。こうした問題は、合成生物学の発展を妨げる要因となっていました。

私たちの研究室では、プライマーエクステンションPCR法やオーバーラップエクステンションPCR法に最適な多段階連続アニーリングステップを含むPCR反応条件の発見を通じ、従来の人工遺伝子合成サービス企業では合成困難とされていた「難合成遺伝子配列の人工遺伝子合成技術」の開発に成功しました。この技術は神戸市内の遺伝子治療サービス企業である㈱シンプロジェンに技術移転を実現しています（特開2019-198236）。この成果により、合成生物学におけるDNA構築の難題が克服され、機能性酵素、遺伝子回路や人工機能性タンパク質の創出、そして微生物による有用物質生産の開発など多様な用途への道が開かれました。

関連業績

プレスリリース

微生物による植物由来医薬品原料生産技術の開発

 　私たち人類は長い歴史の中で植物を薬用資源として活用し、現代でもその恩恵を受けている医薬品が数多く存在しています。工業プロセスによって大量生産される医薬品原料が多い一方で、化合物の構造の複雑さから工業規模での大量生産が困難な植物由来医薬品は、依然として植物抽出に頼る製造が主流となっています。しかしこの方法には、大規模栽培に伴う作業に手間と時間がかかるだけでなく、気候変動によって収穫量に影響が出ることや、収穫・輸送・抽出工程での工業的な処理が環境負荷をもたらすことなど、さまざまな課題が存在しています。加えて原料の植物内存在量が乾燥重量比で数パーセント程度と微量であるため、市場への安定供給のために大量に生産する方法が模索されています。

　この課題を解決するため、本研究では酵母や大腸菌などの微生物に植物二次代謝経路を付与することで、植物由来薬用医薬品原料の生産能力をもつ微生物株の開発に取り組んでいます。

関連業績

プレスリリース

微生物制御のための遺伝子回路構築

　遺伝子回路は、生物の細胞内で働く、まるで「極小の高度な機械」のようなシステムです。自然界に存在する生命機能やシステムは、何億年もの進化の結果生まれた、洗練された設計によって機能しています。この神秘的で美しい生命のシステムは、互いに連携して働く遺伝子たちの調和から成り立っています。

　遺伝子回路は、細胞の環境を感知するセンサー、情報を解析し遺伝子の働きを制御するプロセッサー、そして細胞に指示を出すアクチュエーターの3つの要素から構成されています。これらの要素が組合さることで、まるでオーケストラの楽団のように、見事な調和を保ちながら細胞が働きます。

　本研究室では、遺伝子回路をデザインし、人工的に作り出すことで、まるで細胞をプログラミングするかのように、微生物や細胞を私たちが望むように制御し、医療や環境問題の解決に貢献できる技術の開発に取り組んでいます。

細胞内シグナル伝達経路評価技術の開発

細胞内シグナル伝達系は、外部からの刺激を受けて情報をネットワークを通じて転写因子に伝え、標的遺伝子の発現を制御することで、細胞の運命を決定する分子機構です。このプロセスは、タンパク質の修飾、相互作用、分解といった一連の生化学反応で構成されています。細胞内シグナル伝達経路の応答を理解することは、抗がん剤や免疫抑制剤、スキンケア剤などの医薬品開発において、リード化合物の探索や開発に大変重要な要素となります。

このような医薬品のリード化合物が細胞内シグナル伝達経路に与える影響を簡便に評価するためのシステムを開発することが求められています。本研究ではゲノム編集技術や人工遺伝子合成技術などを活用し、細胞内でのシグナル伝達経路の挙動を変化させたり、その反応を検出するセンシング技術の開発に取り組んでいます。

こうして細胞内シグナル伝達経路の働きをより正確に理解し、効果的な医薬品開発や疾患治療に貢献し、人々の健康や生活の質の向上につながることを目標としています。

関連業績

DNA複製に関する１分子イメージング技術の開発

ヒトゲノムプロジェクトの完了による塩基配列情報の解読をもとに DNAとタンパク質、そしてタンパク質同士の相互作用を中心とした機能解析が活発に展開されてきました。その成果として、転写やDNA複製といった複雑な分子モデルが提唱されるに至っています。これらの研究は試験管内実験で得られたデータを解析することで行われてきましたが、得られる情報は数百万もの分子集団の平均的な挙動に限られてしまいます。そのため、このような多分子レベルでの解析系では、DNAに働くタンパク質の動態、DNA複製や転写の反応プロセスを解析することが難しいがために、いまだ極めて限られた知見しかないのが実情です。

私たちの研究室では、1つ1つの分子を視覚的に捉え、その働きを解析するための１分子蛍光イメージング装置の開発に取り組んでいます。この装置を使うことで、分子の動きや反応プロセスについて、従来の方法ではわからなかった分子プロセスのブラックボックスに迫ることができます。これにより、DNAやタンパク質の働きに関する新たな知見が得られ、生命科学の発展に寄与することが期待されます。

関連業績

溶液内のDNA分子はブラウン運動により縮まるように振舞う。このため、顕微鏡視野内ではDNAは輝点としか観察することができません。

マイクロ流体デバイスの流路内に溶液流れを起こすことで、ガラス基板表面上に片端固定したDNA分子の形態を制御することが可能となります。