細胞は、いわば超小型コンピューターだ。インプットを受け取り、それに即したアウトプットをする。もしフラペチーノを飲めば血糖値が上昇し、膵臓の細胞がメッセージを受け取る。アウトプットはインスリンの増産だ。
だが、「細胞の演算処理」はただの比喩ではない。生物学者たちは数十年前から、細胞のアルゴリズムをハックすることで、そのプロセスを制御しようと研究を重ねてきた。「生命のソフトウェアエンジニア」としての母なる自然の地位を揺るがし、DNAの書き換えを進めてきたのだ。
細胞をプログラミングする
ボストン大学の研究チームは、ヒト細胞を109通りの論理演算命令に従うようプログラムすることに成功し、2017年3月27日に『Nature Biotechnology』誌に論文を掲載した。研究リーダーである、ボストン大学の生物学者ウィルソン・ウォンは、このように“改造”した細胞を「遺伝子回路」（genetic circuit）と呼んでいる。さらに研究が進展すれば、いずれは特定の指示や環境に反応して、病気と闘ったり化学物質を生産する細胞を生み出せるようになる可能性がある。
これらの細胞は、DNA組み換え酵素と呼ばれるタンパク質を使ってDNAを切り刻み、シャッフルして、再度くっつけることで演算命令を実行する。組み換え酵素は、DNA鎖のなかの特定部位に反応する。そして研究チームは、この酵素の反応を引き起こす方法を発見したのだ。組み換え酵素が活性化されているか否かにより、細胞はDNAの特定部位にエンコードされたタンパク質の生産を開始したり中止したりする。
この技術を使えば、たとえば細胞に「NOTゲート」をプログラムすることが可能になる。これは論理演算命令としてはもっともシンプルなもので、「引き金となる情報を受け取ったときは、～の作業を行わない」という命令だ。
研究者らはこれを利用し、命令に応じて発光する細胞をつくりだした。彼らは細胞に、ある特定のDNA組み換え酵素が存在するときは青色蛍光タンパク質をつくらないよう命令した。この組み換え酵素がない場合、これは「発光せよ」という命令になる。発光のタイミングを細かく設定するなど、はるかに複雑な命令をすることも可能だ。
特定の病気に関連するタンパク質を発光条件にすることで、この技術を診断にも応用できるとウォンは言う。細胞と血液を混ぜ発光するかをみることで診断を行う方法は、高価な機械を用いて血液サンプルを分析する既存の方法よりもはるかに安上がりだ。
だが、発光に気を取られてはいけない。この研究の本当に重要な成果は、細胞が命令に沿って正しく「演算」を実行することにある。
「電子工学の基礎を生み出したようなものです」。そう話すのは、ミネソタ大学の生物学者ケイト・アダマラだ（彼は研究にはかかわっていない）。エンジニアなら誰でも知っているとおり、複雑なArduino回路をつくるうえでの最初の一歩は、LEDを命令に応じて発光させることなのだ。
香水からガン治療まで、応用方法はさまざま
ボストン大学の研究と似たテクノロジーを使って、製薬会社は免疫細胞がガン細胞を探知する能力を向上させようとしている。ガン細胞には、特定のタイプのタンパク質などそれ固有の生物学的特徴がある。シアトルに拠点をおくJuno Therapeuticsは、こうしたタンパク質を検知し、ガン細胞を攻撃する免疫細胞を開発している。免疫細胞に論理ゲートを設ければ、ガン細胞を制御された方法で破壊するよう、免疫細胞をプログラムすることができるはずだ。
応用方法はほかにもある。たとえば、ボストンに拠点を置くGinkgo Bioworksは、酵母細胞を使って香料を製造し、香水ブランドに販売している。この酵母は酒造用の酵母と同様に糖を食べるが、アルコールをつくる代わりに芳香化合物を排出する。ただし、酵母は製造ツールとして完璧とはいえない。分裂のたびに変異しやすく、また多くの分裂を繰り返すと機能が低下してしまうのだ。しかし、生産能力が低下した際に自死するよう酵母をプログラムすれば、高品質の香水を台無しにせずにすむと、Ginkgoで酵母の研究を行うナレンドラ・マヘシュリは言う。
生物学的論理ゲートをつくりだした研究者はいままでもいたが、これだけの数を安定して作製したのはウォンたちが初めてだ。彼らの研究では、113個の回路のうち109個がうまく作動した。「経験からいって、いままでは遺伝的回路が4つに1つ動けば上出来なほうでした」とウォンは言う。こうして遺伝的回路の基本パーツを手に入れたいま、次なる段階は、異なる種類の細胞のなかで論理ゲートを作動させることだ。
しかし、それは容易なことではない。細胞は信じられないほど複雑で、しかもDNAには電子回路と違って、明確な「オン」「オフ」のスイッチがない。ウォンたちがプログラムした細胞では、特定のタンパク質の生産を停止させるため、そうした指示をエンコードするDNAの一部を改変していた。だが、この方法はいつでもうまくいくわけではない。一部の指示は重複してエンコードされている可能性もあるからだ。30億年の進化の産物をデバッグするのは、一筋縄ではいかないのである。
TEXT BY SOPHIA CHEN
TRANSLATION BY TOMOYUKI MATOBA/GALILEO