合成生物学

生物を創造し、改良するための生物製剤のリエンジニアリング

合成生物学とは

合成生物学とは、広い意味ではエンジニアリングの原理を用いて、微生物が予測可能な方法でタンパク質を製造するように代謝経路を操作することを指します。個々の遺伝子を改変することもあれば、ゲノム全体を編集して望ましい特性を持たせることもあります。

合成生物学は、生物学、エンジニアリング、コンピューターサイエンスの原理を組み合わせて、新しい機能や能力を持つ生物学的部品、装置、システムを設計・構築する学際的な分野です。新しい治療薬やワクチン、植物科学、バイオ燃料の創出など、合成生物学は様々な学術的・産業的応用に影響を与える可能性を秘めています。多くの場合、自然の生物学的システムの一部を生成、特性評価、単離した後、それらを工学的な生物学的経路の構成要素として使用することに重点が置かれます。

合成生物学の特徴は、これらの生物学的構成要素の設計と組み立てに合理的原則を適用することです。しかし合理的な設計であっても、外来DNAをセルに導入した場合の影響を予測することは難しいものです。そのため、望ましい結果を得るために複数の順列をテストする必要が生じます。そこでDNAパーツのモジュール設計に重点を置くことで、個々のコンポーネントを交換することにより、より多様な潜在的構築物の組み立てが可能になります。アセンブリープロセスの自動化により、複数のコンストラクトの生成にかかる時間、労力、コストが削減され、全体的な開発サイクルの短縮によるスループットの向上が可能となります。

このプロセスでは、二本鎖DNAフラグメントが容易に遺伝子を構築できるように設計されます。組み立てられた構築物は通常、発現ベクターにクローニングされ、コロニーqPCRまたは次世代シーケンス（NGS）で検証されます。しかし、ハイスループットのワークフローでは、この検証ステップは任意であるケースも少なくありません。合成構築物はその後、様々な機能アッセイで分析されます。アッセイ結果から学習することで、構築物を修正したり改良したりすることができます。この設計、構築、試験、学習のDBTL（Design, Build, Test, Learn）サイクルは、望ましい機能を生み出すDNA構築物が得られるまで繰り返されます。

ハイスループット分子クローニングワークフローのためのDBTLアプローチ

菌株エンジニアリングで用いられるDBTL（Design-Build-Test-Learn）アプローチは、大規模で多様な生物製剤のライブラリーを設計・開発する上で、大きな可能性を秘めています。これを実現するにはヌクレオチド転写産物、タンパク質、代謝産物などの標的分子の生産性を高めなくてはならないため、多くの場合ロバスト性と再現性に優れたハイスループット分子クローニングワークフローが必要になります。合成生物学の成功は、微生物の力なくしては語れません。しかし滅菌ピペットチップ、つまようじ、または接種ループを使用した形質転換された細菌コロニーの従来のスクリーニング方法は、人為的ミスが起こりやすく、労力と時間がかかり、分子クローニングワークフローのボトルネックになります。

菌株エンジニアリングのようなハイスループットの合成生物学アプリケーションでは、QPixのようなロボット制御の微生物コロニーピッカーによる生産性の向上が大きなメリットとなります。このコロニーピッカーは1日あたり最大30,000コロニーをピッキングし、自動ピックランデータ追跡とデータベース管理を行います。QPixシステムはエンドツーエンドの分子ワークフローに統合することができ、ユーザーはハイスループットの向上と離籍時間の増加を確保し、DBTLアプローチの学習要素に集中する機会を増やすことができます。

完全自動分子クローニングワークフローのための統合システムソリューションの例

手動で行っている合成生物学ワークフローをQPixで再構築

• 1.プレーティング
  合成生物学研究の初期段階であるプレーティングは、微生物セルや遺伝子構築物を固体寒天プレートに広げて個々のコロニーを形成させます。ロボット・コロニー・プレイターのような自動化システムを採用することで、このプロセスを合理化することができます。これらのシステムは高密度アレイ技術を使用し、正確かつ効率的な方法で多数のサンプルを同時にプレーティングすることができます。この自動化により時間が節約され、人為的ミスの可能性が減少するため、研究者はより短時間でより多くのサンプルをプレーティングすることができます。
• 2.スクリーニング
  プレーティングの次の段階は、目的のコロニーを同定するためのスクリーニングです。従来、プレーティングは手作業で行われており、研究者が目視でコロニーを検査し、特定の特徴に基づいてコロニーを選定しなければなりませんでした。そこでスループットを向上させる自動コロニー・スクリーニング・システムの人気が高まっています。これらのシステムでは、画像解析と機械学習アルゴリズムを利用して、あらかじめ定義された基準に基づいてコロニーを迅速に同定・分類します。このプロセスを自動化して大量のコロニーを迅速にスクリーニングすることで、時間を節約し、主観的な判断を減らすことができます。
• 3.ピッキング
  記録電極を準備する。ガラス管を引き、ピペットチップを磨く。スクリーニングで目的のコロニーが確認されたら、ピッキングを開始します。従来この工程は、滅菌ピペットチップ、つまようじ、または接種ループを使用するなどの手作業に頼っていましたが、自動コロニーピッカーを採用すれば、スループットが向上します。これらの高度なシステムでは、微細なチップや針を備えたロボットアームを利用し、選択したコロニーを様々な下流アプリケーションに正確かつ迅速に移送します。自動コロニーピッカーは、1時間あたりハイループットサンプル数を処理できるため、スループットが大幅に向上し、労働集約的な作業が軽減されます。
• 4.複製
  さらなる分析や実験のために遺伝物質を保存し、分配することを可能にするコロニーの複製は、合成生物学研究において重要なステップです。手作業による複製では、コロニーを複数のプレートにストリーキングする必要があるため、時間がかかり、人為的なミスが起こりやすいという問題がありました。自動コロニー複製システムを使用すれば、一連のプロセスを合理化できます。ロボット工学と高密度アレイ技術を採用し、コロニーを複数のプレートに同時に複製することで、一貫性と効率性を確保します。
  
  合成生物学における自動コロニーピッキングのメリット：
  • 手作業を最小限に抑えながらハイスループットを実現
  • 観的な手作業によるコロニーピッキングではなく、一貫した対物レンズによるコロニーピッキングが可能
  • 多様なアプリケーションに対応
  • 電子データ追跡により、文書化されたデータ管理が可能。
    
    
• 5.再アレイ化
  再アレイ化とは、コロニーを元のプレーティングから新しいフォーマットまたは容器に移し、長期保存または追加実験のために使用することです。遺伝資源の大規模なコレクションを維持し、ハイスループットなワークフローを促進するために不可欠なステップです。バーコードリーダーやリキッドハンドリング機能を備えるロボットコロニーピッカーのような自動再アレイ化システムは、コロニーをマイクロプレートや保存チューブのような異なるフォーマットに正確かつ効率的に移すことができます。再アレイ化を自動化することで、研究者は標準化されたエラーのない移植プロセスを達成することができ、遺伝資源のより良い整理とアクセスが可能になります。