合成生物学とは、ある化学物質を感知すると蛍光を発するなど、細胞に新しい機能を持たせる方法だ。通常は、ある入力をきっかけに遺伝子が発現するように細胞を改変することで実現する。しかし、細胞が必要な遺伝子を転写したり翻訳したりするのに必要な時間があるため、分子を検出するようなイベントと結果としての出力との間には、長いタイムラグがあることが多い。
今回、MITの合成生物学者らは、このような回路を設計するために、高速で可逆的なタンパク質-タンパク質相互作用のみに依存する代替アプローチを開発した。この方法では、遺伝子がmRNAに転写されたり、タンパク質に翻訳されたりするのを待つ必要がないため、数秒以内に回路を立ち上げることができると言う。
「我々は、これまで誰も体系的に開発できなかった、非常に速いタイムスケールで起こるタンパク質の相互作用を設計する手法を確立した。この種の回路は、環境センサーや、病気の状態や心臓発作などの切迫した事象を明らかにする診断装置の開発に役立つだろう」とこの研究者らは述べている。
MITの生物工学および電気工学・コンピュータサイエンスの教授であるロン・ワイス博士（写真）は、2021年7月1日にScience誌のオンライン版に掲載された本研究の上席著者である。その他の著者には、元MITのポスドクであるトリスタン・ベプラー博士、MITのコンピュータサイエンス・人工知能研究所のサイモンズ教授で計算・生物学グループの責任者であるボニー・バーガー博士、ウィスコンシン大学の助教授であるブライアン・ティーグ博士、ペンステート・ハーシー医療センターの生化学・分子生物学科の学科長であるジム・ブローチ博士が含まれている。この論文は、「内在的なネットワークの発見のために設計されたタンパク質-リン酸化トグルネットワーク（An Engineered Protein-Phosphorylation Toggle Network with Implications for Endogenous Network Discovery）」と題されている。
タンパク質の相互作用-合成回路の生成
細胞内では、免疫細胞の活性化やホルモンなどのシグナルに対する反応など、多くのシグナル伝達経路において、タンパク質間の相互作用が重要な役割を果たしている。これらの相互作用の多くは、リン酸塩と呼ばれる化学基を加えたり取り除いたりすることによって、あるタンパク質が別のタンパク質を活性化したり不活性化したりすることで行われる。
今回の研究では、回路のホストとして酵母細胞を用い、酵母、細菌、植物、ヒトなどの種から集めた14種類のタンパク質でネットワークを構築した。そして、これらのタンパク質がネットワーク内で互いに制御し合い、特定の事象に対応したシグナルを発するように改変した。
このネットワークは、リン酸化/脱リン酸化のタンパク質-タンパク質相互作用だけで構成された初めての合成回路であり、トグルスイッチとして設計されている。これは、2つの安定した状態を迅速かつ可逆的に切り替えることができる回路であり、特定の化学物質にさらされるなどの特定のイベントを「記憶」することができる。ここでは、果物に多く含まれる糖アルコールであるソルビトールがターゲットとなっている。
ソルビトールが検出されると、細胞は核に局在する蛍光タンパク質の形で、暴露の記憶を保存する。この記憶は将来の細胞世代にも引き継がれる。この回路は、別の分子（この場合はイソペンテニルアデニンという化学物質）を照射することでリセットすることもできる。
これらのネットワークは、入力に応じて別の機能を果たすようにプログラムすることもできる。このことを実証するために、研究チームは、ソルビトールが検出されると細胞の分裂能力を停止させる回路を設計した。
このような細胞を大量に配列することで、10億分の1という低濃度の標的分子に反応する超高感度センサーを作ることができる。また、タンパク質とタンパク質の相互作用が速いため、わずか1秒で信号を発することができる。従来の合成回路では、出力を確認するのに数時間から数日かかることもあった。
ワイス博士は、「非常に速いスピードへの切り替えは、合成生物学を進める上で非常に重要であり、可能なアプリケーションの種類を広げることになるだろう」と語っている。
複雑なトグルネットワークを発見
今回、研究者たちが設計したトグルネットワークは、これまでに設計されたほとんどの合成回路よりも規模が大きく、複雑であった。研究者らは、このネットワークを構築した後、生きている細胞の中に同じようなネットワークが存在するのではないかと考えた。そこで研究チームは、自分たちが設計した計算モデルを用いて、これまでに見たことのないような複雑なトグルネットワークが酵母に自然発生していることを6つ発見した。
「これらのネットワークは、直感的に理解できるものではないので、我々は探そうとは思わないだろう。必ずしも最適でエレガントなものではないが、このようなトグルスイッチの動作の例が複数見つかった」「これは、生物システムにおける制御ネットワークを発見するための、工学的に考えられた新しいアプローチだ。」とワイス博士は述べた。
応用の可能性
研究チームは現在、このタンパク質ベースの回路を使って、環境汚染物質を検出するセンサーの開発を目指している。また、カスタムメイドのタンパク質ネットワークを哺乳類の細胞内に配置し、ホルモンや血糖値の異常を検知する体内診断センサーとして活用することも考えられる。さらに長期的には、薬物の過剰摂取や心臓発作の発生を知らせる回路をヒトの細胞にプログラムすることも考えている。
「細胞がその情報を電子機器に報告し、患者や医師に警告を発するような状況が考えられる。電子機器には、システムへの衝撃を和らげる化学物質を蓄えておくこともできる」とワイス博士は語った。
BioQuick News：MIT Engineers Design First Synthetic Circuit That Consists Entirely of Fast, Reversible Protein-Protein Interactions
