地雷探知植物がデザインについて教えてくれること

地雷があると色が変わり、不注意な人々に足元の危険を知らせる植物を想像してみてください。このアイデアは、土壌に浸出した爆発物があると赤くなるシロイヌナズナを開発したデンマークの企業など、多くのグループに影響を与えています。一見すると、人道的な魅力とハイテクのクールさが完璧に融合した製品です。では、地雷探知植物がまだ存在しないのはなぜでしょうか。それはバイオデザインが悪いからです。

今日のバイオテクノロジストは、生物をバイオエンジニアリングするための膨大なツールを持っていますが、それらのツールを現実世界に適用するのは困難です。一例として、地雷探知植物を配備するには何が必要でしょうか。まず、バイオエンジニアは、爆発物を 100 パーセント確実に探知して反応する植物を作成する必要があります。偽陰性は致命的です。これはかなりの技術的課題ですが、おそらく不可能ではありません。

次に、地雷探知植物を地雷原に植える必要がありますが、地雷原なので手で植えることはできません。種子は空中投下する必要があるとしましょう。地雷原では誰もガーデニングをしていないので、種子はその後、まったく手入れをせずに健康な花を咲かせる植物に成長する必要があります。本質的には、種子は雑草のように成長し、悪条件でも生き残り、近隣の植物に勝たなければなりません。したがって、このシナリオでは、バイオエンジニアは雑草を操作し、雑草が独自の問題を引き起こすことを承知の上で、生態系全体に自由に配布します。これは、地雷が 1 つも除去される前の話です。

もう一つの解決策があります。APOPO (オランダ語で対人地雷探知製品開発) は、アフリカオオネズミに地雷を感知する訓練を行う非営利団体です。この組織は年間 40 匹のネズミを訓練するだけです。それでも昨年、13,000 個以上の地雷を回収した後、モザンビークに地雷がないことを宣言しました。これは生物学を非常にうまく応用した例です。この比較から学ぶべき教訓があります。

1 つは、生物工学者はツールを開発する前に、まず「この問題を解決する最善の方法は何か」と自問しなければならないということです。生物学が問題の解決策を提示するのであれば、その仕事に最適な生物を特定することが重要になります。地雷の特定には、ネズミの方が優れた解決策を提示するようです。ネズミは比較的簡単に訓練して、さまざまな化合物を正確に特定し、その存在を人間に知らせることができます。一方、植物には、大量の水を濾過し、有毒化合物を中和し、微生物群集を動員して相互作用し、根を通じて広範囲に土壌をサンプリングし、太陽光を食物、化学物質、バイオマスに変換する能力があります。これは、環境条件を感知して検出するように植物を設計することが役に立たないということではありません。この分野の研究は、植物が環境に適応する方法に関係する遺伝子とタンパク質に関する知識を広げ、いつか役立つツールになる可能性があります。

もう 1 つの教訓は、何かが作れるから作るべきだと簡単に信じてしまうことがあるということです。創造の自由は、最終目標が新しい知識の追求である基礎研究には最適です。しかし、現実世界のソリューションのためには、バイオエンジニアは自分の仕事をより広い文脈で考え、技術的な達成可能性を超えた疑問を投げかける必要があります。効果を上げるには、新しいデザインが世界に登場し、既存のシステムで満たされた経済や社会構造と統合する必要があります。新しいテクノロジーが直面している課題の多くは、規制や世論、ビジネス インセンティブなど、明らかに非生物学的なハードルに関係しています。

細菌を使って新しい難燃剤を開発した台湾の学生グループのような生物学的デザインの例をもっと見たい。彼らの科学は革命的ではないが（彼らは何十年も前からある技術を使って、2つのタンパク質のDNA配列を細菌に挿入した）、彼らの問題解決法は洗練されている。

まず、彼らは解決すべき問題を特定した。難燃剤は毒性が強いことが多く、毒性のある副産物に分解されることも多く、歴史に問題があり、まったく役に立たない可能性もあるため、消防士は家庭で難燃剤の使用を減らすよう要請しているほどである。チームは既存の難燃剤を自然界から探し出した。牛乳に含まれる主なタンパク質であるカゼインは、ウールと同様に耐火性がある。どちらの場合も、耐火性をもたらすのはタンパク質の特定の化学組成である。炎がこれらのタンパク質を分解すると、従来の難燃剤のように炎を消し止める窒素またはリンの濃い雲が放出される。しかし、従来の難燃剤とは異なり、カゼインとウールは無毒である。

研究チームは、この現象を人工的に作った実験用バクテリアで再現しました。そして、そのバクテリアを綿に応用しました。こちらは未処理の綿にバーナーを使っているところです。こちらは、バクテリア難燃剤で処理した綿にバーナーを使っているところです。効果的です。エレガントです。問題を解決し、適切なツールを使用しています。これは、生物学の思慮深く有用な応用です。

この記事で学んだ教訓の多くは、聞き覚えのある内容でしょう。問題に焦点を当てること、解決策に惚れ込まないこと、製品がどのように使用され、誰が使用するかを理解することです。バイオテクノロジストは、潜在的な用途を技術的な属性だけでなく、実用性とデザインに重点を置いた基準で判断する必要があります。今日、私たちはバイオテクノロジーの文化、私たちが共有する価値観、そして目指す基準を定義する機会を得ています。

キーラ・ヘイブンスは、研究室の裏にいる科学者として仕事を始め、現在は合成生物学コミュニティに加わり、複雑な問題に対する巧妙に設計されたエレガントなソリューションである美しいバイオテクノロジーの追求に取り組んでいます。彼女の現在のプロジェクトは、The One Sky イニシアチブです。これは、優れた生物学の背後にある価値を明確にし、消費者が応用生物学について効果的な決定を下すためのツールを構築する、独立した非営利団体です。空軍士官としての彼女の過去の人生と科学への復帰については、Popsci で読むことができます。