「人工生命」の進化を解明：遺伝子コーディングと電子工学はどちらもムーアの法則に従っているのか？

コンピュータプログラミングと遺伝子合成には共通点がほとんどないように思えるかもしれません。しかし、シンシナティ大学のアンドリュー・ステックル教授によれば、前者の技術的飛躍により、大規模な遺伝子合成と生命の創造が達成できると楽観視しているという。

ステックル氏と彼の学生ジョセフ・リオロ氏は、コンピュータチップ開発と大規模コンピュータソフトウェアプラットフォームの歴史を予測モデルとして活用し、別の複雑なシステムである合成生物学の将来を理解しようとした。

「完璧な類推というものはなく、DNAはデジタルコードの定義の一部を満たしていないが、それでもゲノムとソフトウェアコードの間には多くの類似点がある」とリオロ氏は語った。

研究者らはまた、コンピューターチップの発展が合成生物学の将来に影響を与える可能性があるとも述べている。コンピュータチップの開発と比較すると、合成生命体の創造はまもなく私たちの手の届くところになるでしょう。

関連する研究分析は最近、Scientific Reports 誌に掲載されました。

人類の次の画期的な進歩

合成生物学は、遺伝子組み換え技術を説明するために、1980 年に Hobom B. によって初めて提案されました。分子システム生物学の発展に伴い、2000年のアメリカ化学会年次総会でE. クールによって再提案されました。2003年には、遺伝子断片、DNA分子、遺伝子調節ネットワーク、シグナル伝達経路から人工的な細胞の設計と合成まで、遺伝子工学とシステム生物学の工学的手法に基づく人工生物システムの研究として国際的に定義されました。

(出典: Pixabay)

現代の総合建設プロジェクトと同様に、遺伝子工学や細胞工学などのバイオテクノロジー分野にも工学の原理と手法が適用されます。合成生物学、計算生物学、化学生物学は、システムバイオテクノロジーの方法論的基礎を構成します。

関連研究によると、合成生物学は「マイクロエレクトロニクスとインターネットに次ぐ、人類にとっての次の革命的な技術進歩」となる可能性がある。新しいバイオ燃料の作成から新しい医療治療法の開発、さらには新しい生命の合成まで、その応用は無限です。

2010年、科学者たちはマイコプラズマ・ミコイデスの人工ゲノムを別の細菌細胞に移植し、人類が作った初の合成生物を生み出した。この比較的単純な人工ゲノムの作成には15年の歳月と4000万ドル以上の費用がかかった。

図 |遺伝子コードとデジタル言語の比較

（出典：ネイチャー）

この最新の研究では、研究者らは、文字、単語、文章の観点から、生物学的ゲノムとデジタルでエンコードされた言語の類似点を比較することに焦点を当てました。しかし、この研究は、DNAコード（ゲノムを構成するアデニン、グアニン、チミン、シトシンの組み合わせ）が遺伝子の複雑な物語の一部しか語っておらず、エピジェネティクスのようなものを無視していることも明らかにしている。

「戦闘機や火星探査機のシステムのプログラミングの複雑さを、細菌ゲノムの作成の複雑さと比較することはできますか？」シュテックルは尋ねた。 「それらは同じくらい複雑なのか、それとももっと複雑なのか？もし生物がもっと複​​雑なら、それは今までに作られた中で最も複雑な『プログラミング』を意味し、あまりに複雑なので人間が自然のプロセスを再現するのは難しいだろう。あるいは生物の遺伝子コードはF-35戦闘機や高級車のコードと同じくらい複雑なのかもしれない。」

図 |ヒトゲノムの複雑さといくつかの主要な工学システムの比較

（出典：ネイチャー）

しかし、研究者たちは、コンピューターチップ開発の法則を参考にして、合成生命を生み出すスピードとコストが、時間の経過とともに電子機器の性能とコストと同様の軌跡をたどる可能性があることを発見した。

ムーアの法則の発見

ムーアの法則は、コンピュータチップの開発を予測するモデルです。インテルの共同創設者でありコンピューター科学者のゴードン・ムーアにちなんで名付けられたこの名前は、単一のコンピューターチップ上のトランジスタの数が飛躍的に増加することを可能にした技術の進歩を反映しています。

ムーアが理論を提唱してから 55 年が経ちましたが、これらの進歩がもたらすパフォーマンスの向上と電力削減は以前の飛躍よりも小さいものの、その理論は今でも 3D マイクロチップで実現されています。

研究者らによると、遺伝子編集とゲノム合成のコストは2010年以降2年ごとに約半分に減少しており、これはムーアの法則とほぼ一致しているという。つまり、人工のヒトゲノムを合成するには約 100 万ドルの費用がかかる可能性があるが、カスタマイズされた細菌のような単純な生物の場合は 4,000 ドルしかかからないことになる。

図 | 2000年から2020年までのDNA配列決定の価格とコスト（a） DNAシークエンシングの価格/コスト比（b） DNA合成の価格とコスト（c）およびムーアの法則の近似値との比較

（出典：ネイチャー）

自然種とソフトウェア エンジニアリングの複雑さの比較は、基礎知識が得られれば合成生物の設計が実現可能であることを明確に示しています。合成生物学のコストがムーアの法則で説明されるのと同様の速度で低下し続けると、自然生物に見られる複雑さを持つゲノムを合成するコストも手頃になる可能性があります。 「この克服可能な複雑さと控えめなコストは、合成生物学に対する学術的な熱意を刺激し、生命の法則の研究への関心を刺激し続けるだろう。」

同様に、シュテックル氏は、コンピューターサイエンスがニッチな分野からほとんどの科学の重要な要素に成長したのと同じように、バイオエンジニアリングはほぼすべての産業と科学の不可欠な部分になる可能性があると述べた。

「コンピューティングが学問として発展していく過程には相関関係があると思います。今ではあらゆる科学分野でコンピューティングがかなりの割合を占めています。生物学や生物工学でも同じようなことが起きていると思います。生物学はあらゆるところに存在し、これらがどのように進化していくのかを見るのは興味深いでしょう」とステックル氏は語った。

図 |家電製品と合成生物学製品の製造プロセスの比較

（出典：ネイチャー）

遺伝子の配列決定と合成のコストが劇的に低下したため、現在のプロジェクトで使用される人工遺伝子を組み立て、分離し、移植するプロセスが製造上の主な課題となっています。これらのプロセスの自動化は複雑になる可能性がありますが、全体的には合成生物学の製造ニーズは民生用電子機器の製造ニーズと似ているようです。

精密製造との類似点は、最初に多額のエンジニアリング投資を行うことで、大量かつ安価な製造を可能にするプロセスが生まれることを示唆しています。さらに、合成生物学は自己複製できるという利点があり、現代のリーン生産方式の原則に適応できれば、精密製造よりもさらに多くの利点を提供できる可能性があります。

もちろん、人工生命を創造する能力に加えて、それを行う負担や道徳的権限もあります。 「これは軽視すべきことではない。なぜなら、我々はそれを実行できるからだ」とステックル氏は語った。 「しかし、それは私たちがすべきほど単純なことではありません。哲学的、さらには宗教的な意味合いも考慮する必要があります。」

参考文献:

https://www.uc.edu/news/articles/2022/03/how-can-computer-engineering-predict-the-future-of-gene-Synthetic.html

https://www.nature.com/articles/s41598-022-06723-5

出典: アカデミックヘッドライン