科学者は病気を検出するために先史時代のタンパク質を遺伝子操作した

新しい技術は、科学の可能性の限界を押し広げることから生まれることもあります。しかし、まったく古いものから形作られることもあります。

生きた細胞の内部を覗くためのよりよい方法を見つけようと、ある科学者グループが両方の手法を少しずつ取り入れました。彼らは、地球上で最も古い移動性生命体のひとつであるガス推進微生物という非常に古いものを使用し、遺伝子操作によって音波に反応するようにしたのです。

超音波でこれらの改変された細胞に音を送ると、細胞は音を返してくれる。これは、隠された装置を見つけるのに役立つ歌う Bluetooth トラッカーの顕微鏡版のようだ。これらのロケーターは、最終的にはニューロンを観察して病気の初期段階を見つけるのに使用できる可能性がある。

「基本的には、自然界で作られたものを探すことです。自然界では全く異なる目的のために進化したかもしれませんが、エンジニアとして自分の目的のためにそれを悪用することができます」と、カリフォルニア工科大学の化学エンジニアで、この研究の背後にいる研究者の一人であるミハイル・シャピロ氏は言う。シャピロ氏と彼の同僚は、先月ネイチャー・メソッド誌に最新の研究を発表した。

ガスの過去が現在を物語る

数十億年前、地球の太古の海では、小さな水生微生物が、空気で満たされたナノスケールのタンパク質チューブで自らを膨らませ、自力で上下に移動する手段を発達させていました。科学者たちは現在、このチューブをガス小胞と呼んでいます。

自分をバクテリアだと想像してください。ガス小胞を生成すれば、浮力が増し、水面近くに浮かび、より多くの太陽光を見つけて光合成し、生命エネルギーに変えることができます。深海に戻る準備ができたら、風船のようにガス小胞をいくつか破裂させるだけで、再び沈んでいきます。

現在でも、水生微生物はガス小胞を利用している。少数の専門生物学者は、1 世紀以上前からその存在を知っていた。しかし、シャピロ氏とその同僚が、進化のこの完全に自然な奇癖、特にそれを可能にする DNA を自分たちの目的のために利用できることに気付いたのは、ここ 10 年ほどのことである。

ガス小胞が特に興味深いのは、音波、特に人間の耳には聞こえないほど高音の超音波を当てると、ガス小胞が信号を返してくれることです。

この能力のおかげで、微生物がガス小胞を生成できるようにする遺伝子は、研究者がレポーター遺伝子と呼んでいます。レポーター遺伝子を別の細胞の DNA に挿入することで、科学者は細胞を「プログラム」して、研究者が簡単に細胞を見つけて内部を見ることができるようにすることができます。細胞が活性化すると、レポーター遺伝子も活性化します。

「今では、細胞活動の変化を非常に早い段階で捉えることができる」と、オンタリオ州ロンドンのローソン健康研究所でレポーター遺伝子を研究しているが、シャピロの研究には関わっていない画像科学者、ドナ・ゴールドホーク氏は言う。

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超音波の利点

この技術は、例えば、組織に損傷を与える前に人間の病気を早期に発見できる可能性がある。また、X線に伴う電離放射線の不快な影響もなく、より安全に検出できる可能性がある。さらに、レポーター細胞は何カ月も追跡できる。

「細胞に遺伝子改変を導入するたびに、その細胞の種類をその自然な寿命を通じて監視する能力が導入されることになります」とゴールドホーク氏は言う。

レポーター遺伝子には複数の種類がある。ゴールドホーク氏のグループは、MRI で光る磁性鉄含有タンパク質を生成するレポーター遺伝子を研究している。もう 1 つの非常に一般的なレポーター遺伝子は、クラゲ由来の緑色蛍光タンパク質 (GFP) を生成する。GFP を生成するためにその DNA を細胞に注入すると、その細胞は名前の通り、適切な種類の光にさらされると緑色に光る。

しかしシャピロ氏は、光よりも音を使うことにはいくつかの利点があると語る。まず、GFP は表面から 1 ミリメートル下までしか機能しないのに対し、超音波はそれよりずっと深いところまで見ることができる。つまり、超音波を使えば、生物や臓器を切開することなく観察できるのだ。

「組織の奥深くにあるものを調べたい場合、超音波はそれを実現する数少ない方法の一つです」とシャピロ氏は言う。

蛍光細胞を観察する技術は研究室以外ではほとんど存在しませんが、超音波はもう少し普及しています。「超音波は世界で最も広く使用されている生物医学画像です」とシャピロ氏は言います。「事実上、すべての診療所のどこかに超音波装置があります。」年齢にもよりますが、あなたの最初の写真は子宮の中の超音波画像だった可能性が非常に高いです。

レポーター遺伝子のポッピングの未来

シャピロのグループはここ数年、ガス小胞の DNA を細胞に挿入し、微調整してきました。現在、彼らはレポーター遺伝子から発せられる信号を劇的に増加させることに成功しました。彼らは、超音波を当てると、微生物が潜水するときのように、ポンと音が鳴るガス小胞を作成することでこれを実現しました。これが、最新のNature Methods論文に掲載されたものです。

ゴールドホーク氏によると、シャピロ氏のグループは音声ベースのレポーター遺伝子を初めて作成したとのこと。「これは間違いなく新しい技術です。」

シャピロ氏は、すべての生物学研究室に超音波装置が設置され、レポーター遺伝子を含む細胞で育てられたマウスを観察できる未来を夢見ている。しかし、それまでの道のりは非常に長い。超音波装置は非常に一般的ではあるが、実際にこの目的に使用するには、より優れたタンパク質に加えて、より優れた画像装置が必要になるとシャピロ氏は言う。「現時点では、この分野全体の進化のごく初期にいると思います」と彼は言う。

しかし、科学者たちはすでに、レポーター遺伝子の強力な能力を利用する細胞の応用について考えている。細胞を観察するだけでなく、細胞を制御するのだ。遺伝子操作された細胞を診断に使うことに加え、ゴールドホークは、例えば、レポーター遺伝子を含む細胞は、最終的には抗生物質を使わず、抗生物質耐性の猛威を振るうことなく感染症と闘えるようになるだろうと予測している。

「もし、臓器に再定着し、その細胞集団を縮小させることで感染を排除する細菌を使って感染症を治療できたらどうなるでしょうか」と彼女は言う。