2022年の7つの最先端技術：量子シミュレーションと標的遺伝子治療

北京時間2月23日、ニュースによると、最近「ネイチャー」誌は、2022年に科学分野に大きな影響を与える7つの重要な科学技術の成果を挙げた。

1. 完全なゲノム

2019年、カリフォルニア大学サンタクルーズ校のゲノム研究者カレン・ミガ氏とメリーランド州ベセスダにある国立ヒトゲノム研究所の研究員アダム・フィリッピー氏は、共同研究プロジェクト「テロメア・トゥ・テロメア（T2T）」を立ち上げた。当時、世界のヒトゲノムの約10分の1はまだ配列が解読されていなかった。しかし、現在ではその数はゼロにまで減少している。 2021年5月、共同研究プロジェクトは、ヒトゲノムのテロメアからテロメアまでの初配列を発見し、ヒトコンセンサスゲノム配列マップGRCh38を使用して約2億個の新しい塩基対を追加し、ヒトゲノムプロジェクトの最終章を書き上げたと主張した。

2013 年に初めて公開された GRCh38 ゲノム配列マップは、遺伝子配列の読み取りをマッピングするための「足場」として貴重な研究ツールですが、多くの抜け穴もあります。主な問題は、遺伝子配列の読み取りは正確であるものの、染色体の末端を覆うテロメアや、細胞分裂中に新たに複製された DNA の分割を調整するセントロメアなど、反復性の高いゲノム配列を明確にマッピングするには短すぎることです。

米国のパシフィック・バイオサイエンス社と英国のオックスフォード・ナノポア・テクノロジーズ社が共同で開発したロングリード・シーケンシング技術は、画期的な技術であることが証明された。この技術は、遺伝子配列を1回読み取るだけで、数万から数十億の塩基対をシーケンシングできるが、少なくともシーケンシングの初期段階では、エラーがないわけではない。 2020年現在、T2Tプロジェクトの研究者は、2番目と3番目の個々の染色体であるXと8を再構築しました。しかし、パシフィックバイオサイエンスの配列決定作業は大きな進歩を遂げています。T2Tの科学者は、長期にわたる反復配列の小さな変化を検出できます。これらの微妙な「指紋」により、長く反復的な染色体断片の取り扱いが容易になります。ゲノムの残りの部分はすぐに配置されます。オックスフォードナノポアテクノロジーズも、遺伝子発現を制御する多くのDNA修飾を捉えています。同時に、T2T遺伝子配列決定は、ゲノム全体の規模で「エピジェ​​ネティックマーク」をマッピングできます。

配列が決定された T2T ゲノムは、2 つの同一の染色体セットを含む細胞株から抽出されました。通常の二倍体ヒトゲノムには各染色体の 2 つのバージョンがあり、研究者は現在、各配列を適切な染色体コピーに確実に割り当てる「段階的戦略」に取り組んでいます。

「私たちの目標は、ヒトの対立遺伝子多様性を平均 97% 把握することです」と、ニューヨークのロックフェラー大学の遺伝学者で、T2T プロジェクトの主任研究者の 1 人であるエリック・ジャービス氏は言います。「今後 10 年以内に、テロメアからテロメアまでのゲノム配列解析を日常的に実行できるようになると思います。また、完全なゲノムアセンブリ機能を使用して、地球上のすべての脊椎動物の完全なゲノム配列を提供したいと考えています。」

2. タンパク質構造を解析する

これまで、研究者がタンパク質構造の機能を測定することは困難でした。過去 2 年間で、科学実験とコンピューティングの進歩により、研究者は前例のない速度と解像度でタンパク質構造を解明できるようになりました。 DeepMind の子会社 Alphabet が開発した AlphaFold2 構造予測アルゴリズムは、「ディープラーニング」戦略に基づいており、アミノ酸配列から折り畳まれたタンパク質の構造を推測できます。このアルゴリズムは、2021年7月のリリース以来、プロテオミクスに適用され、ヒトおよび20種のモデル生物で発現するすべてのタンパク質の構造を決定したほか、Swiss-Protデータベース内の約44万個のタンパク質構造を決定し、信頼性の高いモデリングデータを持つタンパク質の数が大幅に増加しました。

同時に、極低温電子顕微鏡法の技術的進歩により、研究者は最も困難なタンパク質や複合体に実験的に取り組むことができるようになりました。極低温電子顕微鏡法は、電子ビームを使用して急速に凍結した分子をスキャンし、タンパク質の画像を複数の方向から生成し、その後、計算によってタンパク質の 3D 構造に再構成することができます。 2020年、クライオ電子顕微鏡のハードウェアとソフトウェアの改良により、研究チームは1.5オングストローム未満の解像度で水平方向に分解されたタンパク質構造を生成し、個々の原子の位置を捉えることができました。 「『原子分解能』という言葉についてはこれまで何度も議論されてきたが、それはあくまでも原子に限りなく近いというだけのことだ」とニューヨーク構造生物学センターのシモンズ電子顕微鏡センター副所長ブリジット・キャラガー氏は言う。「タンパク質の構造を原子レベルの分解能で解像できることを、私たちは実験的に実証したのだ」

関連する方法である極低温電子トモグラフィー（クライオ ET）は、凍結した細胞の薄片で天然のタンパク質の特徴を捉えることができますが、この技術では複雑で混雑した画像を解釈することが困難です。 「将来、難しい科学的問題を解決するには、機械学習の世界から高度なアルゴリズムを採用することが不可欠だ」とキャラガー氏は語った。

3. 量子シミュレーション

特定の条件下では、原子は高度に励起された状態に誘導され、直径が 1 ミクロン以上に達することがあります。物理学者たちは、数百個の原子の配列に対してこの種の制御可能な励起を実行することで、いくつかの困難な物理学の問題を解決し、従来のコンピューターの「大幅なアップグレード」を実現できることを確認しました。

量子コンピュータは、データを量子ビットの形で管理し、「量子もつれ」という物理現象を利用してデータを結合します。量子ビットは一定の距離内で互いに影響を与えることができ、これらの量子ビットによって計算能力が大幅に向上します。いくつかの研究チームが単一イオンをイオンサイトとして使用することに成功しているが、これらのイオンの電荷を高密度に集めることは難しい。フランス国立科学研究センターのアントワーヌ・ブロウェイスや米国ハーバード大学のミハイル・ルーキンなどの物理学者は別のアプローチを模索している。彼らは光ピンセットを使用して、密集した 2D および 3D 配列に非電荷原子を正確に配置し、次にレーザーを照射してこれらの粒子を直径の大きい「リュードベリ原子」に変え、隣接する粒子と絡み合うようにする。

「リュードベリ原子のシステムは独立して制御可能で、その相互作用はオンとオフを切り替えることができるため、プログラム可能性が得られる」と韓国科学技術院の物理学者、アン・ジェウク氏は述べた。量子シミュレーション技術はわずか数年で大きな進歩を遂げ、技術の進歩によりリュードベリ原子アレイの安定性と性能が向上し、量子ビットが数十から数百へと急速に拡大しました。量子シミュレーション分野の先駆者たちが会社を設立し、研究室で使用するためのリュードベリ原子アレイシステムを開発していると報じられている。ブラウォイ氏は、この高度な量子シミュレーターは1、2年以内に商用化される可能性があると見積もっているが、この研究は、経済、物流、デジタル暗号化など、量子コンピューターのより幅広い応用への道を開く可能性もある。

4. 精密遺伝子操作

CRISPR-Cas9 技術は強力なゲノム編集機能を備えていますが、Cas9 酵素のゲノム配列は比較的正確であるものの、この技術によって生成された二本鎖切断の細胞による修復は正確ではないため、遺伝子修復よりも遺伝子不活性化を引き起こす可能性が高くなります。CRISPR-Cas9 修復は「非相同末端結合」と呼ばれるプロセスを通じて実行されますが、これは軽微な遺伝子挿入や削除によって混乱することがよくあります。

米ハーバード大学の化学生物学者デビッド・リュー氏は、ほとんどの遺伝病は遺伝子破壊ではなく遺伝子修正が必要だと指摘した。彼と彼の研究仲間は、現在、遺伝子操作の有望な 2 つの方法を開発しました。1 つ目は塩基編集と呼ばれ、触媒機能が低下した Cas9 と、1 つのヌクレオチドを別のヌクレオチドに変換するのに役立つ酵素を組み合わせたものです。たとえば、シトシンはチミンに、アデニンはグアニンに変換されますが、現在のところこの方法は特定の塩基対にしか効果がありません。2 つ目はプライム編集と呼ばれ、Cas9 を逆転写酵素に接続し、DNA を誘導してゲノム配列に目的の編集を正確に挿入します。これらのコンポーネントは、多段階の生化学プロセスを通じてガイド RNA を DNA にコピーし、最終的にターゲットのゲノム配列を置き換えます。重要なのは、塩基編集と精密編集はどちらも DNA の 1 本の鎖のみを切断するため、細胞にとってより安全で破壊の少ないプロセスになるということです。

塩基編集技術は2016年に初めて発表され、現在では臨床応用されている。デビッド・リュー氏が設立したビーム・セラピューティクスは、ヒトの鎌状赤血球症遺伝子の修復技術として初めて米国食品医薬品局の承認を受けた。対照的に、精密編集はまだ新しい技術ですが、改良された反復技術が次々と登場しており、この技術の応用の見通しは非常に明確です。韓国ソウルの延世大学医学部のゲノム編集専門家、ヒョンボム・ヘンリー・キム氏は、精密編集技術を使ってマウスの網膜の遺伝子変異を修正することで、治癒率が16%に達することを確認した。 「最近報告されたより先進的な技術を使用すれば、治療の効率は大幅に向上し、場合によっては遺伝子の10％、あるいは1％を置き換えることができれば、病気を治すことができるだろう」と彼は語った。

5. 標的遺伝子治療

核酸ベースの医薬品は臨床治療に一定の影響を与える可能性がありますが、適用できる組織はまだ限られており、ほとんどの治療では局所投与または体外操作（患者の体から細胞を抽出して患者に移植する）が必要です。注目すべき例としては、血液を濾過し、静脈注射や皮下注射による選択的な薬物送達の効果的な標的であることが証明されている肝臓が挙げられます。

「標的遺伝子治療は非常に難しい」とマサチューセッツ工科大学の化学エンジニア、ダニエル・アンダーソン氏は語る。「人体のどの組織にも薬を届けるのは難しい。私たちの体は遺伝情報の集合体であり、新しい遺伝情報を受け入れるものではない」。研究者たちは、標的以外の組織に影響を与えずに特定の臓器系に薬を導くのに役立つ遺伝子治療の開発で着実に進歩している。

近年、アデノ随伴ウイルスは多くの遺伝子治療プロジェクトで好まれるベクターとなっています。関連する動物実験では、適切なウイルスを合理的に選択し、組織特異的な遺伝子プロモーターと組み合わせることで、臓器を標的とした効率的な治療を実現できることが示されています。しかし、関連するウイルスは大量生産が難しい場合があり、人体に免疫反応を引き起こし、効能を損なったり、有害な身体的反応を引き起こしたりする可能性があります。

脂質ナノ粒子は非ウイルス性の代替手段であり、研究者によって発表された以前の研究では、組織特異的な送達の可能性が強調されています。たとえば、研究者は脂質ナノ粒子を迅速に生成してスクリーニングし、肺などの臓器を効果的に標的とすることができます。オランダのアイントホーフェン工科大学の生物医学エンジニア、ロイ・ファン・デル・ミール氏は、これらの脂質ナノ粒子を体系的に選別し、その組成を変えると、生物体内での分布を変えることができることを示す初の研究だと語った。

6. 空間マルチオミクス解析

単一細胞オミクスの急速な発展により、研究者は個々の細胞から遺伝的、転写的、エピジェネティック、プロテオーム的知見を日常的に得ることができ、時には同時に得ることができるようになりましたが、単一細胞技術では細胞を本来の環境から取り出す過程で重要な情報も失われます。 2016年、スイス王立工科大学のヨアキム・ルンデバーグ氏は、この問題を克服する戦略を考案した。同氏と同僚は、バーコード付きオリゴヌクレオチド（RNAまたはDNAの短鎖）を使用して、無傷の組織切片からメッセンジャーRNAを捕捉できるスライドを作成し、バーコードに基づいて各転写RNAをサンプル内の特定の場所に割り当てることができるようにした。同氏は「組織切片から転写RNA分析全体を抽出できるとは誰も信じていなかったが、この戦略は非常に単純であることが判明した」と述べた。

それ以来、空間トランスクリプトミクス技術は科学者に好まれ、現在では、Lundberg の最新技術をベースにした 10x Genomics が立ち上げた Visium 空間遺伝子発現プラットフォームなど、その応用を目的とした商用システムがいくつかあります。学術チームが革新的な方法を開発し続けるにつれて、遺伝子発現をマッピングできる深さと空間解像度は向上し続けるでしょう。

現在、研究者たちは空間マップの上にさらに「階層的オミクスの洞察」を重ね合わせています。たとえば、米国イェール大学の生物医学エンジニアであるロン・ファンは、マイクロ流体システムを使用して、数千のmRNA転写産物と数百のタンパク質にオリゴヌクレオチドタグ抗体を同時に注釈付けするDBiT-seq16と呼ばれるプラットフォームを開発しました。

7. CRISPRベースの診断

CRISPR-Cas システムが特定の核酸配列を正確に切断する能力は、ウイルス感染と戦う細菌の「免疫システム」としての役割に由来しており、この関連性が、この技術の早期導入者がウイルス診断への応用を検討するきっかけとなりました。 「何十億年もかけて進化してきたのだから、自然が設計した機能を活用するのは大いに意味がある」と、ケンブリッジにあるMITとハーバード大学のブロード研究所の遺伝学者、パルディス・サベティ氏は言う。

しかし、すべての Cas 酵素が同じように作られているわけではない。 Cas9 は CRISPR ベースのゲノム操作に最適な酵素だが、CRISPR ベースの診断におけるほとんどの作業では、分子生物学者の Feng Zhang によって 2016 年に初めて発見された Cas13 と呼ばれる RNA 標的分子ファミリーが使用されている。カリフォルニア大学バークレー校のジェニファー・ダウドナ氏は、Cas13 は RNA ガイドを使用して塩基対を介して RNA ターゲットを認識し、リボヌクレアーゼ活性を活性化すると説明しました。これは、レポーター RNA を使用して診断検査として臨床的に応用されています。この研究成果により、彼女とマックス・プランク病原体科学研究所のエマニュエル・シャルパンティエ博士は2020年のノーベル化学賞を共同受賞したと報じられている。これは、Cas13 がガイド RNA によってターゲットとされた RNA を切断するだけでなく、近くにある他の RNA 分子に対しても「並行切断」を実行するためです。 Cas13 ベースの診断の多くは、蛍光を阻害するクエンチャー分子で蛍光標識されたレポーター RNA を使用します。Cas13 がウイルス RNA を認識して活性化すると、レポーター RNA を切断し、クエンチャー分子から蛍光標識を放出して、検出可能な信号を生成します。一部のウイルスは増幅せずに検出できるほど強力な信号を残すため、ポイントオブケア診断が簡素化されます。たとえば、2021年1月、カリフォルニア州サンフランシスコのグラッドストーンウイルス研究所は、携帯電話のカメラを使用して、増幅なしで新型コロナウイルスを検出できる鼻腔スワブベースのCRISPR-Cas13迅速検出法を実証しました。

同時に、RNA増幅は微量のウイルス配列に対する感度を高めることができ、研究者らは現在、数マイクロリットルのサンプルから増幅された遺伝物質のみを使用して複数の病原体を同時に検査できるマイクロ流体システムを開発しました。科学者たちは現在、サンプル1つあたり10ドル未満のコストで、21種類のウイルスを同時に検出する方法を開発した。さらに、研究者らは、169 種類以上のヒトウイルスを同時に検出できる CRISPR ベースのツールを開発しました。

ダウドナ氏は、Cas13と同様の特性を示すがRNAではなくDNAを標的とするCas12タンパク質など、他のCas酵素も診断ツールボックスを充実させる可能性があると述べている。全体として、これらの技術はより広範囲の病原体を検出し、他の非感染性疾患も効果的に診断することができます。