微生物の遺伝子工学の進展は、感染症の診断や治療、さらには持続可能な化学製品の製造に革命をもたらす可能性があります。しかし、遺伝子操作の効率化に立ちはだかる大きな障壁とは...？
細菌は地球上のほぼすべての環境に存在し、私たちの体内外にも生息しています。これらの細菌を理解し、工学的に操作することは、感染症の診断、治療、予防の新しい方法を提供するだけでなく、作物を病害から守り、環境に優しい持続可能な化学製品を生産する細胞工場を作る機会をもたらします。このような多くの社会的利益を解き放つためには、科学者らがこれらの細菌の遺伝的内容を操作する能力を持つことが必要です。しかし、長い間、細菌の遺伝子工学における大きな障害は、外来DNAを細胞に導入するプロセスであるDNA変換の効率性にありました。これは微生物のごく一部にしか適用できないという制約を生んでいました。
この障害の主な要因は、制限修飾システムの存在です。これらの保護システムは、細菌ゲノムに特有のメチル化パターンを付加し、このパターンを欠く外来DNAを破壊します。この障害を克服するためには、細菌のパターンをDNAに追加する必要があり、これは菌株ごとに異なり、複数のDNAメチルトランスフェラーゼを含むプロセスです。これらの酵素は、メチル基（1つの炭素原子と3つの水素原子を含む小さな化学基）をDNA塩基に付加します。現在の方法では、これらのDNAメチル化パターンを再現または回避することは、労力を要し、スケールアップが容易ではないため、新しいアプローチが必要です。
この課題に対処するため、ブラウンシュヴァイク・ヘルムホルツ感染症研究センター（HZI）の拠点であるHelmholtz Institute for RNA-Based Infection Research（HIRI）が、ユリウス・マクシミリアンズ・ヴュルツブルク大学（JMU）と協力し、新しいアプローチを導入しました。彼らはこれを「IMPRINT」と名付けました。IMPRINTは、メチル化パターンを迅速に模倣することを意味し、細胞外転写翻訳（TXTL）システムを用います。この液体混合物は、追加されたDNAからリボ核酸（RNA）やタンパク質を生成できるシステムです。このシステムを使用して、細菌の特定のセットのDNAメチルトランスフェラーゼを発現させます。その後、これらの酵素を使用して、ターゲットとなる細菌に導入する前にDNAをメチル化します。
完全に新しい応用
「IMPRINTは、TXTLの全く新しい使用法を示しています。TXTLは、表現が難しいタンパク質の生産や手頃な診断ツールとして広く使用されていますが、これまで細菌のDNA変換の障害を克服するために利用されたことはありません」と、HIRIのRNA合成生物学部門の責任者であり、JMU医学部の教授であるチェイス・ベイゼル博士（Chase Beisel, PhD）は述べています。彼はノースカロライナ州立大学（NC State）と協力してこの研究を主導しました。彼らの研究結果は、2024年6月26日にMolecular Cell誌に発表されました。公開アクセス記事のタイトルは「A Cell-Free Transcription-Translation Pipeline for Recreating Methylation Patterns Boosts DNA Transformation in Bacteria」です。
現行の方法と比較して、IMPRINTは迅速かつ簡単です。「現在のアプローチでは、個々のDNAメチルトランスフェラーゼを労力をかけて精製するか、E. coliで発現させる必要があり、これはしばしば細胞毒性を引き起こします」と、研究の第一著者であり、NC Stateの化学およびバイオ分子工学部門で博士課程の学生としてこの研究を完了したジャスティン・M・ベント氏（Justin M. Vento）は述べています。「これらの方法には数日から数週間を要し、細菌のメチル化パターンの一部しか再構成できません。」
研究者らは、IMPRINTが多様なDNAメチルトランスフェラーゼを発現できることを示しました。さらに、これらの酵素を組み合わせて複雑なメチル化パターンを再現することができました。これにより、病原菌であるサルモネラやプロバイオティクスであるビフィズス菌などの細菌におけるDNA変換が大幅に向上しました。
新しい抗生物質および細胞ベースの治療法の基盤
現代医学および研究における応用範囲は広範です。IMPRINTは、病原菌の臨床分離株や感染と戦う細菌（共生細菌や抗菌化合物を生成する細菌）におけるDNA変換を改善できます。これらの微生物の遺伝子改変は、新しいクラスの抗生物質や細胞ベースの治療法の開発につながる可能性があります。
研究チームは、IMPRINTの利用を拡大することを目指しています。「私たちは、研究のために多様な細菌病原体を遺伝子操作可能にしたい」とベイゼルは述べています。彼は、IMPRINTが研究コミュニティに広く採用されることを望んでいます。「これまでは、遺伝子操作が容易であるために特定の細菌がモデルとして選ばれていました。IMPRINTを使用することで、病原性が高い細菌や抗生物質耐性を持つ細菌など、最も重要な細菌株に焦点を当てられることを期待しています。」とベイゼルは結論付けました。
この研究は、US National Science Foundation、German Research Foundation、Novo Nordisk Foundation、Camille and Henry Dreyfus Foundation、およびバイエルン州科学芸術省による研究ネットワークbayresq.netからの資金提供を受けました。
ヘルムホルツ感染症研究センター
ブラウンシュヴァイクにあるヘルムホルツ感染症研究センター（HZI）およびその他のドイツ国内拠点の科学者らは、細菌およびウイルス感染症と体の防御機構の研究に従事しています。彼らは、自然化合物研究とその貴重な抗感染剤の新規ソースとしての利用に関して深い専門知識を持っています。ヘルムホルツ協会およびドイツ感染症研究センター（DZIF）のメンバーとして、HZIは感染症に対する新しい治療法やワクチンの開発の基礎となる翻訳研究を行っています。
ヘルムホルツRNAベース感染研究所
ヘルムホルツRNAベース感染研究所（HIRI）は、感染生物学とリボ核酸（RNA）研究を組み合わせた世界初の機関です。その強力な基礎研究プログラムに基づき、同研究所の長期的な目標は、人間の感染症をより良く診断し治療するための革新的な治療アプローチを開発することです。HIRIは、ブラウンシュヴァイク・ヘルムホルツ感染症研究センター（HZI）の拠点であり、ユリウス・マクシミリアンズ・ヴュルツブルク大学（JMU）と協力しています。
