スーパーのレジ係りが、商品パッケージに付いているバーコードをスキャンして客の買い物を処理するように、研究者は高性能の顕微鏡と独自に作成したバーコードを用いて、膨大な数の細胞の同定や疾患部位のマーカー分子の同定の管理に利用する。しかし、そのバーコードは僅かなパターンしかないので、細胞の研究を行う様な一度に多くの情報のラベリングが必要な場合には、対応できない。
ハーバード大学のワイスバイオ工学研究所の研究チームがこの度、新しいデザインのバーコードを開発したが、これは無限に近い配列の組合わせが可能なもので、一度に膨大な生きた情報をコード化できる、過去に無いものとなっている。この方法は、DNAの生来の機能によって自動的に構造化されるもので、2012年9月24日付けのNature Chemistry誌オンライン版に発表され、同年10月に印刷版に掲載された。
「この新しい方法が、蛍光顕微鏡を用いて生物学の複雑系を研究するための分子ツールとなる事を期待しています。」とワイスの研究中心メンバーで同研究の心臓部である「DNA折り紙技術」を開発している共同著者のペン・ユィン博士は語る。蛍光顕微鏡はバイオメディカル領域では過去数十年に渡って「傑作」と言える技術である。判りやすく言えば、今回の発明は、蛍光素子―バーコード―と、研究対象の細胞の或る部位に結合する分子とを一緒にしたものである。サンプルトリガーのそれぞれのバーコードが、赤や青や緑の蛍光を発する事によって、目的の分子がどこにあるのかを提示する。しかし、この技術では使用できる蛍光色が3-4色に限られており、時々色がぼやける。
ここにDNAバーコードの意味が出てくるのだ。色のドットが幾何学的模様に形成されたり、蛍光線状バーコードに形成されたり、その組み合わせは無限に近い。研究者たちが観察する分子や細胞の数が増えて行っても、色によって識別するには十分である。どのような仕組みかといえば、「DNA折り紙」は塩基A（アデノシン）がT（チミン）とのみ、C（シトシン）がG（グアノシン）とのみ結合する原則に従う。この規定の事実を基に、ＤＮＡの長鎖は、より短い鎖の助けを借りて所定の形に折り畳まれて自動的に構造化される。丁度、日本の伝統アートである折り紙が1枚の紙から様々なものを形作るのと同様である。
ＤＮＡのナノ構造は更に複雑化しており、蛍光分子を意図した箇所に結合させる事によって、「折り紙法」では数種の蛍光分子だけで膨大な情報を一度にカバーする事が出来るのである。これまでになく沢山の種類の構造可能性を一度に登録できるので、細胞イメージングの「ツールボックス」に大きな可能性を付加する事になる。「合成ＤＮＡナノ構造固有の堅牢さによって、この方法は確実なものとなっています。外部からの力を使わずに蛍光色模様は保持されます。そしてこの方法では自然な環境のままで細胞の研究が出来るのです。」とユィン博士は語る。
コンセプトを実証するために、研究チームは、酵母菌表面に彼らが開発した新しいバーコードを付ける事に成功した。派生する研究テーマは例えば、細胞サンプル内でバーコードが混合されたらどうなるかであるが、これは実際の生物学的あるいは医学的イメージングでは日常的に起こっている事であり、研究の諸端では良好な結果が報告されているようだ。それは低コストで簡便で現行の方法に比べて方法論が堅牢である。「私たちは、折り紙法を駆使して、新たなDNA分子の操作方法を全力で開発しています。そしてその見通しは素晴らしいものです。分子標的薬物送達メカニズムを大幅に改善し、最新の医療イメージング機器と併用すれば、目的とする疾患領域の細胞や分子活性を探し出すことが可能となるのです。」とワイス研究所の創立者のドン・イングバーM.D.博士は説明する。
研究チームはワイス研究所創立メンバーの3人、ペン・ユィン博士、ウイリアム・シー博士そしてジョージ・チャーチ博士に率いられている。ユィン博士はハーバード大学医学部（HMS）システムバイオロジー学の准教でもある。チャーチ博士はHMS遺伝学教授、そしてハーバード大学とMITの健康科学＆工学教授でもある。シー博士はHMS生物化学部と分子薬理学部とダナ・ファーバーがんセンターがん生物学部の准教である。研究に参加した他のメンバーは、現在エール大学医学部細胞生物学准教であるチェンシャン・リン博士；ワイスの研究員であるダニエル・レブナー博士、前職がハーバード大学で現在プリンストン大学のLewis-Sigler Fellowであるアンドリュー・レイファー博士等である。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください：Harvard Researchers Engineer Highly Versatile “Origami” Fluorescent Barcodes
