生きた細菌でゲノムワイドなDNA編集を実施

これまで、生物のゲノムを再構築する方法は主に2つあります。1つ目は、既存の生物をベースとして、いくつかの遺伝子を除去し、他の遺伝子を追加するといった微調整を加える方法です。2つ目は、機械で作製した短いDNA断片から新しいゲノムをゼロから構築する方法です。どちらの方法にも利点がありますが、Science誌に掲載された論文では、ゲノム全体を大規模に編集するという3つ目の選択肢が提示されています。

個々の微調整を積み重ねることで、生物の特性を細かく制御できますが、時間がかかります。個々の遺伝子を削除または置換する必要がある場合があり、ゲノムに遺伝子を追加したり、対象の生物が維持している小さなDNA断片に他の遺伝子を配置したりする必要があるかもしれません。このような長い一連の変更を実行するのは技術的に困難であり、確かに時間がかかります。代替案として、ゲノムをゼロから構築すれば、一連の広範な変更を単一のプロセスで行うことができます。しかし現時点では、この方法は、私たちが再設計したいと考えるような複雑な生化学的経路を持たない、極めて単純な生物にしか適用できません。

新しいアプローチは、これら 2 つの中間的なものであり、研究者がゲノム中に散在する DNA 配列を編集できるようにすることで、大腸菌が持つような複雑なゲノムの大規模な改変を可能にします。

論文は、著者らがこのような研究を行う理由を示唆している。彼らは、合成アミノ酸を用いてタンパク質を合成する細菌の作製に関心を持っているのだ（通常、生物は20種類のアミノ酸しか利用できないが、このクラスの化学物質には他にも多くの種類が知られている）。DNAとRNAでは、個々のアミノ酸はコドンと呼ばれる3つの塩基の組み合わせによってコードされている。例えば、AGGという塩基はアルギニンというアミノ酸を、AGCはセリンをコードしている。UAA、UAG、UGAという3つのコドンは、細胞にタンパク質の終結位置（終止コドンと呼ばれる）を指示する。

遺伝暗号を再構築するために、研究チームは既存のコドンの一つを解放する必要がありました。何千ものタンパク質が特定の場所にアルギニンを配置するためにAGGを使用しているため、単純にAGGを別のコードに利用し始めることはできません。そこで研究チームは、より単純な標的、つまり終止コドンの一つであるUAGを標的としました。UAGも依然として重要ですが、大腸菌ゲノム全体でUAG終止コドンはわずか314個しか存在しないため、研究チームはUAAに置き換えることにしました。それでも、ゲノム内の314箇所を個別に置換する必要があり、これはこれまで誰も試みたことのない規模です。

そのために、彼らはゲノムを32のセグメントに分割し、それぞれに標的となる10個の終止コドンを割り当てました。まず、彼らが以前に開発したMAGEと呼ばれる手法を用いました。これは、改変された配列を含むDNAの小さな断片を含む溶液中で大腸菌を培養するものです。数世代かけて、これらの改変された配列は細胞のゲノムに組み込まれます。すべての細胞が10個の終止コドンすべてを取り込むわけではありませんが、それらを持つ細胞をスクリーニングし、それらすべてを持つ個々の細胞を分離することが可能です。

これにより、それぞれ10個の変異を持つ分節を持つ32個の新たな細菌株が得られた。そこから、著者らは隣接する分節に変異を持つゲノムを組み合わせ始めた。このために、細菌における「接合」と呼ばれる性転換現象を利用した。接合を開始するDNAを分節の開始点の隣に挿入し、これらの株を混合して、両方の分節を持つ株を選抜した。これにより株の数は16にまで絞り込まれ、さらに別の実験で8株に絞り込まれた。各株は80個の変異を持っていた。