2つのタンパク質、3つの緩衝剤、2種類の脂肪分子、いくつかの化学エネルギーという、たった8つの材料がありました。 しかしそれは、弾んで脈打つ塊の群れ、つまり自分で分裂するのに必要な機械の一部を備えた、初歩的な細胞のような構造を作り出すには十分なものだったのです。

生物物理学者のPetra Schwille氏にとって、彼女の研究室での踊るような創造物は、合成細胞をボトムアップで構築するための重要な一歩を意味し、彼女は過去10年間、最近ではドイツ、マルティンスリートのマックスプランク生化学研究所でこの課題に取り組んできました。 シュヴィル氏によれば、課題は、生命系を作るためにどのような構成要素が必要かを見極めることです。 研究者たちは、20年以上にわたって人工細胞の作成を試みてきました。生命体のさまざまな側面に近づけるために、生体分子を適切な文脈でつなぎ合わせてきました。 そのような側面は数多くありますが、一般的には、空間における生体分子の分離である「区画化」、生命を維持するための生化学である「代謝」、細胞の指示の保存と管理である「情報制御」の3つのカテゴリーに分類されます。

極小の細胞成分の動きを調整できるマイクロ流体技術の最近の進歩もあり、研究のペースは加速しています。 研究グループはすでに、細胞のような塊を望みの形に作り上げる方法、細胞代謝の原型を作る方法、手作業で作ったゲノムを生きた細胞に移植する方法などを決定している。 しかし、これらの要素をすべて一緒にすることは、依然として困難です。

それにもかかわらず、この分野は探求に対する新たな楽観主義に染まっています。 2017年9月、オランダの17の研究所の研究者が、Building a Synthetic Cell（BaSyC）というグループを結成し、BaSyCとデルフト工科大学の研究室を指揮する生物物理学者マリレン・ドグテロムによれば、10年以内に「細胞のように成長し分裂するシステム」を構築することを目指しているという。 このプロジェクトは、1880万ユーロ（2130万米ドル）のオランダのグラビテーション助成金によって支えられています。

9月には、米国国立科学財団（NSF）が合成細胞に関する最初のプログラムを発表し、1000万ドルの資金が提供されました。 また、シュヴィル氏を含むヨーロッパの研究者数名が、欧州委員会の未来・新興技術フラッグシップ・スキームの1つとして合成細胞の構築を提案しており、10億ユーロの資金が提供されている。

底辺の合成生物学者は、最初の完全な人工細胞が、10年弱で命を吹き込むと予測している。 「3015>

All in the packaging

研究グループは、細胞のような生命のいくつかの側面を再現し、特に細胞を囲み内部成分を区分する膜の模倣において大きな前進を遂げました。 というのも、分子を組織化することは、分子を適切なタイミングと場所で一緒に働かせるための鍵になるからです。 例えば、10億個の細菌を開いて試験管に中身を流し込んでも、生物学的プロセスは長くは続かないだろう。 私にとっては、これは分子の社会学なのです」と、デルフト工科大学の生物物理学者であるCees Dekker氏は言います。

ほとんどの場合、これは脂質膜上または脂質膜内で生体分子を組織化することを意味します。 シュヴィル氏と彼女のチームは、膜を切り刻むエキスパートです。 約10年前から、研究チームは、脂質でできた人工膜のシートに、バクテリアの細胞分裂機構を指示するMinタンパク質を加えるようになった。 その結果、Minタンパク質が膜を飛び出したり外したりして、膜を波立たせたり渦巻かせたりすることがわかった1。 しかし、脂質の3次元球体にMinを加えると、この構造体はシャボン玉のように破裂してしまったとシュヴィル研究員は語る。 シュヴィル教授らのグループは、マイクロ流体技術を利用して、細胞サイズの膜容器（リポソーム）を構築し、膜自体にも内部にもタンパク質を何度も挿入できるようにして、この問題を克服したのである。

Schwille の大学院生 Thomas Litschel とその共同研究者は、 Minタンパク質を水に溶かして、高速回転する試験管にその液滴をリリースします。 遠心力によって液滴は高密度の脂質の層を通過し、途中でカプセル化される。 その結果、液滴は10-20マイクロメートルの大きさのリポソームとなって出てきた。これは、平均的な動植物細胞の大きさとほぼ同じである。 巨大一枚膜小胞（GUV）として知られるこのリポソームは、さまざまな方法で作ることができるが、Litschel教授の手にかかると、Minタンパク質がGUVを脈動させ、踊りまわり、中央部を収縮させた2.

Schwille教授のグループは、膜パターンと自己組織化ができるこのタンパク質に関する知識を生かそうとしている。 「私たちは、これらの分子について本当によく理解しています」と彼女は言います。 「Minsのような比較的単純な要素で、どこまでできるかを見てみたいのです」と彼女は言う。 おそらく、リッチェルの研究が示唆しているように、チームは、このタンパク質を使って、分裂のための膜を形成したり、合成細胞の一端に構成要素を集めたりできるのでしょう。 物理学者の中には、実験を微調整するためにダクトテープやアルミホイルを使う人がいるように、シュヴィルも、この便利な生体分子を使って、細胞様構造をいじれるようになればと願っているという。 「私は骨の髄まで実験主義者なのです」。

デッカー氏のチームメンバーも、マイクロ流体チップを使って、リポソームに好みのタンパク質を充填しました（「バブルマシン」の項を参照）。 チップ上では、脂質分子を含む2つの流路が水で満たされた流路に収束し、細胞サイズのリポソームを吐き出し、膜を通して貼り付けたり、容器内に自由に浮かべたりして、さまざまな生体分子を保持できる3.

彼のグループは、細胞をよりよく模倣する非球形の形状をとるために、リポソームを加圧したり変形させたり再形成する実験を行いました。 マイクロ流体デバイスは、ほとんど回路のように動作するマイクロチャネルを使用して、リポソームを移動、分類、操作するための制御を研究者に提供します。 今年、Dekker研究室は、リポソームを鋭利な点で押し上げることにより、機械的に2つに分割できるチップを設計した4。

システムにエネルギーを加える

リポソームの泡を破裂させずに成分を加えることが可能になったので、グループは分子を一緒に働かせる方法を計画することができるようになりました。 生命に近いものはほとんどすべて、通常はATPの形で細胞エネルギーを必要とします。 ボトムアップのアプローチに取り組む多くの生物学者は、真の合成細胞は、動物細胞のミトコンドリアや植物の葉緑体のような、ATPを作る独自の発電所を持つべきであると主張しています。

これを実現するために、彼のチームは新しいマイクロ流体技術を活用しました。 まず、高分子の粘性シェルに囲まれた油中水滴の中にGUVを配置し、安定化させました。 次に、この液滴で安定化したGUVがマイクロチャネルを流れると、研究チームは大きなタンパク質を小胞内に注入するか、膜表面に埋め込んだ（「組み立てライン」参照）。 この酵素は一種の分子水車として働き、プロトンが膜を通過するときに前駆体分子からATPエネルギーを作り出します。 研究チームは、酸を加えてGUVの外側のプロトンを増加させることにより、内側でATPの生成を促しました6。 例えば、次のステップでは、システムのプロトン勾配を自動的に設定するコンポーネントを追加することが考えられる。

「これは、実生活にあるような重要なモジュールです」とSpatzは言います。

生化学者のTobias Erbが率いる別のマックス・プランク合成生物学グループは、細胞の代謝経路を構築するための他のアプローチに取り組んでいます。 彼は、光合成微生物が環境から二酸化炭素を取り出し、糖や他の細胞構成要素を作るための経路に特に関心を持っています。

ドイツのマールブルグにあるマックス・プランク陸上微生物学研究所のグループリーダーであるエルブ氏は、細胞代謝経路の合成に白紙の状態でアプローチしています。 「工学的な観点から、どのように設計するかを考え、それを実験室で構築します」。

彼のグループは、CO2を光合成中に生成される主要代謝物であるリンゴ酸に変換できるシステム設計をスケッチしていました。 研究チームは、この経路が光合成よりもさらに効率的であることを予測した。 次に、Erb教授のチームは、それぞれの反応を実行する可能性のある酵素をデータベースで検索した。 いくつかの酵素については、既存の酵素に手を加えて、デザイナーズ酵素にする必要があった。

最終的に、大腸菌、古細菌、植物のシロイヌナズナ、ヒトなど、9種類の生物から17種類の酵素が見つかりました。 当然のことながら、この反応は非効率的で時間がかかりました。

「私たちは、相性の悪い酵素のチームを編成してしまいました」とErbは言います。 しかし、さらなる酵素工学を経て、チームは「バージョン5.4」を手に入れ、Erb氏によれば、光合成よりも20%効率的に動作するようになりました。 ホウレンソウをミキサーで粉砕し、その光合成機構を試験管内の酵素系に加えることにより、紫外線を当てるだけで、ATPの生成とCO2のリンゴ酸への変換を促進することができます。

試験管の中ではすべてが短時間で機能しますが、「最終的には、葉緑体のように区画化したいのです」とErb教授は言います。 彼は、複雑なコンパートメントを構築し制御できるケイト・アダマラのような合成生物学者との共同研究に期待を寄せています。

ミネアポリスにあるミネソタ大学のアダマラ教授のグループは、リポソームに簡単な遺伝子回路を導入し、それらを融合してより複雑なバイオリアクターを作ることによって、プログラム可能なバイオリアクターを作る方法を研究しています。 彼女はこれを「タンパク質を作るシャボン玉」と呼んでいる。

彼女のグループは、シュヴィル博士と同様の回転チューブシステムを用いてこれらのバイオリアクターを構築しているが、より小さなリポソームを製造することが可能である。 研究者たちは、特定の機能を果たすように設計したプラスミドと呼ばれるDNAの輪と、DNAからタンパク質を作るために必要なすべての機械類を加える。

例えば、彼女のグループは、膜孔を通して環境中の抗生物質を感知し、それに反応して生物発光シグナルを発生させることができるリポソーム・バイオリアクターを作製している8。

研究チームは、単純なバイオリアクターを順次融合することにより、より複雑な遺伝子回路を構築することができる。 しかし、このシステムは、構成要素が10個程度になると壊れ始める。 これは、この分野の大きな課題であるとアダマラは言う。 実際の細胞では、互いに干渉し合う可能性のあるタンパク質は、さまざまなメカニズムによって分離されている。 しかし、もっと単純な合成細胞では、生物学者はそのような制御を行うための別の方法を見つけなければならない。 例えば、どのリポソームをいつ混ぜ合わせるかを実験者が決定する、外部からのゲートキーパーが考えられる。 また、どのリポソームが一緒に融合できるかを制御する化学タグや、時間放出システムによっても達成できるかもしれません。

情報伝達注射

細胞を作るもうひとつの鍵は、ソフトウェアを正しく理解することです。 合成細胞が科学者の指示に従い、自己複製できるようにするには、何らかの方法で情報を保存し、取り出すことが必要です。 生物系では、これは遺伝子によって行われ、ある種の微生物では数百から、人間では数万に達します。

合成細胞が自分自身を動かすためにどれだけの遺伝子を必要とするかは、健全な議論の対象です。 シュヴィル氏らは、数十個程度に抑えたいと考えている。 また、アダマラのように、合成細胞には200-300の遺伝子が必要だと考えている者もいる。

ある人々は、生きているものから始めることを選択しました。 カリフォルニア州ラホーヤにあるJ. クレイグ・ベンター研究所（JCVI）の合成生物学者ジョン・グラスと彼の同僚たちは、地球上で最も知られている微生物ゲノムの1つ、マイコプラズマ・ミコイデスという細菌を取り出し、系統的に遺伝子を破壊して必須遺伝子を同定したのです。 そして、その情報をもとに、実験室で最小限のゲノムを化学的につなぎ合わせました。

この合成されたゲノムには、元の生物にあったものの約半分である473個の遺伝子が含まれており、これを近縁種の細菌であるマイコプラズマ・カプリコルム9に移植したのです。 2016年、研究チームは、この最小限の合成ゲノムが、成長は遅いものの、自由に生きている生物を「起動」させることができることを明らかにした10。 グラスは、この数をこれ以上減らすのは難しいと考えている。どの遺伝子を取り上げても、細胞を殺すか、成長をゼロ近くまで遅らせるかのどちらかだ、と彼は言う。

彼とJCVIの同僚たちは、彼らが作成した最新版のJCVI-syn3.0aに基づいて、「細胞のタスク」リストを作成しています。これは、細胞の最低限のTODOリストの青写真として機能し得るものです。 しかし、これらの遺伝子のうち約100個については、その遺伝子が何をするために必須なのかを特定することができない。

次の段階として、グラスとアダマラは、NSFの約100万ドルの助成金を得て、JCVI-syn3.0aゲノムを、DNAをタンパク質に変換するのに必要な機械を含む合成リポソームに組み込み、それが生き残るかどうかを確認しようとする予定である。 その場合、細胞のソフトウェアとハードウェアの両方が最初から合成されることになる。

もし成長し、分裂することができれば、それはとてつもない一歩となるでしょう。 しかし、本当に生きているシステムを表現するためには、進化して環境に適応することも必要だと多くの人が主張しています。 これこそ、最も予測不可能な結果をもたらす目標であり、最大の課題でもあるとシュヴィル氏は言う。 「ただ常に自分自身を作り続けるようなものは、生命とは言えません。 「細胞が生きているためには、新しい機能を開発する必要があるのです」。

JCVIのグラスのチームは、JCVI-syn3.0aを使って適応的実験室進化実験を行い、栄養豊富なブロスの中で速く成長する生物を選別しています。 これまでのところ、約400回の分裂を経て、元の生物より約15%速く成長する細胞を得ている。 また、遺伝子配列の変化もわずかながら確認されている。 しかし、微生物が新しい細胞機能を開発したり、体力を飛躍的に向上させたりした証拠はまだありません。

Erb は、合成細胞に進化を加える方法を見つけ出すことが、細胞を興味深いものにする唯一の方法であると言います。 生物学的システムにおけるそのちょっとした混乱が、性能を向上させることを可能にしているのです。 “エンジニアとして、私たちは完璧な合成細胞を作ることはできません。 やればやるほどよくなる自己修正システムを構築しなければならないのです」と彼は言う。

合成細胞は、他の惑星での生命のあり方についての洞察につながる可能性がある。 また、研究者が完全にコントロールできる合成バイオリアクターは、がん治療、抗生物質耐性への対処、有害物質の浄化などの新しい解決策を提供するかもしれない。 このような生物を人体や環境に放出することは危険ですが、トップダウンで操作された未知の予測不可能な行動をとる生物は、さらに危険かもしれません」

Dogterom は、合成生体細胞は、哲学的・倫理的な問題ももたらすと言います。 「これは生命なのだろうか？ これは生命なのだろうか、自律的なのだろうか。 私たちはそれをコントロールできるのでしょうか？ このような会話は、科学者と一般市民の間で行われるべきであると彼女は言う。 合成細胞が暴走するのではないかという懸念については、ドゲロム氏はそれほど心配はしていない。 「最初の合成細胞は、すでに存在するもののお粗末な模倣になると確信しています」。 そして、彼女と彼女の同僚は、合成生命の技術者として、細胞を無害化する制御装置や殺人スイッチを簡単に組み込むことができるのです。

彼女や他の合成生物学者は、生命のフロンティアの探求に邁進し続けるでしょう。 「今がそのタイミングなのです」とドグテロは言う。 「ゲノムもパーツリストも揃っている。 最小限の細胞なら数百の遺伝子で生命体のようなものができる。 何百もの部品はとてつもない挑戦ですが、何千もあるわけではありませんから、これは非常にエキサイティングです。