仕組み：火星探査のための生物ドローンの育成

NASA は、適度な高度から火星を調査できるドローンの試作に取り組んでいる。しかし、ドローンを火星に送る代わりに、細胞の小瓶を送って、それを使って赤い惑星で生分解性のドローンを育てられたらどうなるだろうか? スタンフォード大学、スペルマン大学、ブラウン大学の学生チームが昨年の夏、そのようなドローンを作成し、2014 年の国際遺伝子組み換え機械コンテストに出場した。

カリフォルニアの NASA エイムズ研究センターの合成生物学者リン・ロスチャイルド氏と共同で、チームは菌類や植物の生物学的材料でできたドローンを作った。ドローンが空中に飛び立つまでに材料は死んでいるので、墜落しても新しい菌類のコロニーは形成されない。「これらは軽量で安価で、環境にゴミを撒き散らすこともありません」とロスチャイルド氏は言う。「セーターを外に置いておくのと同じくらいの心配です」。では、「バイオ UAV」はどうやって作るのだろうか？

形成と成長

まず、iGEM チームは 3D モデリング ソフトウェアでドローンの形状を設計しました。この設計ファイルはバイオマテリアル会社 Ecovative Design に送られ、同社は真空成型により 8 インチ四方の菌糸体からドローンのボディを製造しました。次に Ecovative はこの型にバイオマテリアル (わらと枯れ葉) を充填しました。「バイオマテリアルに菌が接種され、菌が型の中の材料全体に広がります」と、iGEM チームのメンバーであり、ブラウン大学とロードアイランド スクール オブ デザインの二重学位プログラムの 3 年生である Eli Block 氏は説明します。「以前は緩い材料でしたが、数週間成長した後、1 つの固体の塊になりました。」直径約 8 インチでバクテリア セルロース アセテートで覆われたこれらの型 2 つがドローンのシャーシを形成しました。「見た目は乾燥したサンドイッチのようで、重さと感触は発泡スチロールです」と Rothschild 氏は言います。

「乾燥したサンドイッチのように見え、発泡スチロールのような重さと感触です。」

次に、ドローンは殺菌されます。「重要なのは、環境に有害な微生物を持ち込む可能性のあるものを飛ばさないことです」とブロック氏は言います。「また、この新しいバイオマテリアルはカビに食べられたくないものです。ですから、すぐに分解されないようにする必要があります。」

強さと能力のための遺伝子工学

iGEM チームは、生分解性の UAV を強化して、地球や他の惑星の過酷な環境でも飛行できるようにする方法について、いくつかのテストと実験を行いました。そのために、チームは 2012 年のスタンフォード ブラウン iGEM プロジェクト「ヘル セル」の改良に取り組みました。ヘル セルとは、「極限環境」細菌の遺伝子を大腸菌に組み込んで作られた遺伝子組み換え細菌です。その結果、放射線や極度の高温や低温に耐性のある細菌が生まれました。これらの強化された細胞は、ドローンを強化するだけでなく、環境から測定値を取得するバイオセンサーとしても機能する可能性があります。

「二酸化炭素濃度や放射線を感知し、何らかの色を読み出すことができる特定の細胞があるとしましょう。ドローンにかさばるセンサーを取り付けなくても、同時にさまざまなものを感知することができます」とブロック氏は言う。言い換えれば、生分解性UAVは、重いセンサーハードウェアではなく、遺伝子組み換えバイオセンサーを使用することで軽量化を維持できる。ただし、1つ注意点がある。バイオセンサーで収集したデータを活用するには、ドローン自体が回収可能である必要がある。

防水加工

暴風雨のときに飛ばしてもドローンが溶けてしまわないように、チームは防水対策としてアシナガバチに目を向けた。「アシナガバチは巣を作るときに実際にセルロース、植物のセルロースを使う生物です」と、iGEM チームに所属するスタンフォード大学 3 年生、19 歳のジョッテ・カンナパンは言う。「木の樹皮を噛んで吐き出すのですが、その唾液に含まれる何かがセルロースを防水性と耐熱性にしています。そこで私たちの実験は、唾液に含まれるどのタンパク質がその役割を果たすのかを解明することだったのです」

研究チームはアシナガバチの唾液腺からRNAの抽出を行った。

カンナパン氏によると、アシナガバチの唾液腺には何百ものタンパク質が含まれている可能性があるため、研究チームはアシナガバチの巣のサンプルから逆算して、巣から抽出されたタンパク質は防水に関係しているだろうと考えた。「ゲノムから潜在的なタンパク質に30のヒットがあり、構造に基づいて5つを選び、さらに特徴付けられていない2つを選びました」と彼女は言う。それらのタンパク質が特定されると、研究チームはアシナガバチの唾液腺からRNAを抽出し、一致するものを探した。カンナパン氏によると、研究チームはいくつかのタンパク質を分離し、それをバクテリアで培養することができた。最終生成物は試験管に入ったやや黄色がかった液体で、水より少し粘性があり、これをバイオUAVに塗りつけて防水加工できる。ただし、アシナガバチのタンパク質の特定に時間がかかったため、研究チームは防水ソリューションをドローン自体でテストする機会がなかった。

「非常に集中的な分子プロセスだったので、確かに時間が足りませんでした。途中でデバッグを何度も行いました」とカンナパン氏は言う。

バイオセキュリティと自己破壊

ドローンは菌類の菌糸体で構成され、セルロースアセテートで覆われているため、墜落すると自然に分解される。さらに厄介な問題は、ヘルセルをどうするかだ。UAV が墜落した場合に、生きた遺伝子組み換え細胞が環境に自然に存在する細胞と混ざらないようにするにはどうすればよいか。その答えは、ブロック氏が「ストップ レター」と呼ぶものを細胞の遺伝子アルファベットに挿入することだ。

本質的には、iGEM チームは Hell Cells をさらに改変して、コドン セキュリティと呼ばれるものを組み込んだ。これは、2013 年にハーバード大学医学部のジョージ チャーチ研究室が改変した大腸菌を作成するために行った研究を参考にしている。これらの改変された鎖は、使用された大腸菌で見つかった元のコドンを、遺伝子の終わりを示す 3 文字の「停止」コドンに置き換えた。

「遺伝子コードの一部が表す意味を変えていたのです」とロスチャイルド氏は言う。「本を手に取って、『今日』という単語を見るたびに、『青』という単語を読むようなものです。このシステムがどこかに衝突し、そこに生きた細胞があったとしたら、その細胞は環境内の他の細胞とは異なる言語を話すだろうという考えです。」