ネイチャー：2022 年の 7 つの「破壊的」テクノロジー

著者: ウェン・レレ

最近、ネイチャー誌は「来年の科学に影響を及ぼす可能性がある」7つの技術をレビューした。

これら 7 つの技術とは、完全ゲノム、タンパク質構造解析、量子シミュレーション、精密ゲノム制御、標的遺伝子治療、空間マルチオミクス、CRISPR ベースの診断です。

完全なゲノム

2021年5月に発表されたプレプリント論文で、テロメア・ツー・テロメア（T2T）コラボレーションは、初のヒトゲノムのテロメア・ツー・テロメア配列を報告し、広く使用されているヒト参照ゲノム配列GRCh38に約2億塩基対を追加し、ヒトゲノムプロジェクトの最終章を完了しました。

GRCh38 は 2013 年に初めて公開され、シーケンス配列をマッピングするための貴重な研究ツールおよび足場です。

しかし、それらは、高度に反復的なゲノム配列を明確にマッピングするには長さが足りません。

ロングリードシーケンス技術は、既存の技術にとって「ゲームチェンジャー」であることが証明されています。

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開発したこの技術は、1回の読み取りで数万から数十万の塩基の配列を決定することができる。

2020年にT2T共同研究チームが初めてX染色体と8番染色体を個別に再構築したとき、パシフィック・バイオサイエンスの配列解析の進歩により、T2Tの科学者は長い反復配列の小さな変化を検出できるようになりました。

これらの微妙な「指紋」により、長く反復する染色体セグメントが扱いやすくなり、ゲノムの残りの部分がすぐに適切な位置に収まります。

オックスフォード・ナノポア・テクノロジーズのプラットフォームは、遺伝子発現を制御する DNA 修飾の多くも捕捉し、T2T コラボレーションがこれらの「エピジェ​​ネティック マーク」をゲノム規模でマッピングすることを可能にします。

タンパク質構造解析

過去 2 年間で、実験と計算の進歩により、研究者は前例のない速度と解像度でタンパク質の構造を決定できるようになりました。

英国企業 DeepMind 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を利用して、折り畳まれたタンパク質の形状をアミノ酸配列から推測します。

AlphaFold2は、2021年7月に一般公開されて以来、プロテオミクス研究に適用され、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、Swiss-Protデータベース内の約44万個のタンパク質の構造を特定してきました。

同時に、クライオ電子顕微鏡の改良により、研究者は最も困難なタンパク質とその複合体に実験的にアプローチできるようになりました。

2020年、両チームは1.5オングストローム未満の構造解像度を達成し、個々の原子の位置を決定しました。

また、凍結した細胞の薄片で自然に発生するタンパク質の挙動を捉えることができるクライオ電子トモグラフィーと呼ばれる関連技術も興味深いものです。

量子シミュレーション

量子コンピュータは量子ビットの形でデータを処理します。

いくつかの研究チームが個々のイオンを量子ビットとして使用することに成功していますが、イオンの電荷により高密度に詰め込むのは困難です。

フランス国立科学研究センターのアントワーヌ・ブロワイス氏や米国ハーバード大学のミハイル・ルーキン氏などの物理学者は別のアプローチを模索している。

研究チームは光ピンセットを使用して、電荷を帯びていない原子を密集した2Dおよび3D配列で正確に保持し、次にレーザーを使用してこれらの粒子を大径のリュードベリ原子に励起し、近くの原子と絡み合うようにしました。

わずか数年で、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、量子ビットの数は数十から数百へと急速に増加しました。

Browaeys 氏は、このような量子シミュレーターは 1、2 年以内に市販されるようになると見積もっています。この研究は量子コンピュータのより幅広い応用への道を開くものでもある。

精密ゲノム制御

CRISPR-Cas9 技術は強力なゲノム編集機能を備えていますが、遺伝子を修復するよりも不活性化するのに適しています。

米ハーバード大学の化学生物学者、劉如謙氏は、ほとんどの遺伝性疾患では遺伝子破壊ではなく遺伝子修正が必要だと指摘した。

この目標を達成するために、Liu Ruqian 氏のチームは 2 つの有望なアプローチを開発しました。

最初のアプローチは塩基編集と呼ばれ、触媒的に障害のある Cas9 と、あるヌクレオチドから別のヌクレオチドへの化学変換を促進する酵素を組み合わせる。

ただし、現在のところ、このアプローチを使用して実現できるのは特定の塩基間遷移のみです。

2 番目のアプローチはガイド編集と呼ばれ、Cas9 を逆転写酵素につなぎ、変更されたガイド RNA を使用してゲノム配列に必要な編集を組み込みます。

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、どちらの方法でも 1 本の DNA 鎖のみが切断されることです。これは細胞にとってより安全で破壊の少ないプロセスです。

標的遺伝子治療

核酸ベースの医薬品は臨床的効果をもたらす可能性がありますが、適用できる組織には依然として多くの制限があります。

ほとんどの治療では、局所的な薬剤投与、患者からの細胞の抽出、体外での操作、そして患者への移植が必要になります。

アデノ随伴ウイルスは多くの遺伝子治療で選択されるベクターです。

動物実験では、適切なウイルスを慎重に選択し、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、特定の臓器に限定された効率的な薬物送達を実現できることが示されています。

しかし、ウイルスは大量生産が難しい場合があり、免疫反応を引き起こし、効果を損なったり、副作用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ベクターの一種であり、過去数年間に発表されたいくつかの研究では、その特異性を調節する可能性が示されています。

例えば、米国のテキサス大学サウスウェスタン医療センターの生化学者ダニエル・ジークヴァルト氏とその同僚が開発した選択的臓器標的化技術は、脂質ナノ粒子を迅速に生成してスクリーニングし、肺や脾臓などの組織の細胞を効果的に標的とできるものを見つけるのに役立ちます。

空間マルチオミクス

単一細胞オミクスの開発により、研究者は個々の細胞から遺伝学、トランスクリプトミクス、エピジェネティクス、プロテオームに関する洞察を容易に得ることができるようになりました。

しかし、単一細胞技術では細胞を元の環境から取り除くため、重要な情報が失われる可能性があります。

2016年、スウェーデン王立工科大学のヨアキム・ルンデバーグ氏のチームが解決策を提案した。

研究チームは、バーコード付きオリゴヌクレオチド（RNAまたはDNAの短い鎖）でスライドを作成し、無傷の組織切片からメッセンジャーRNAを捕捉して、各転写サンプルをそのバーコードに基づいてサンプル内の特定の位置にマッピングできるようにしました。

それ以来、空間トランスクリプトミクスの分野は爆発的に成長し、現在ではいくつかの商用システムが利用可能になっています。研究チームは、より深いところとより広い空間解像度で遺伝子発現をマッピングする新しい手法の開発も続けています。

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、ウイルス感染から身を守る細菌の「免疫システム」としての役割に由来しています。

このつながりは、この技術の早期導入者たちに、ウイルス診断への応用可能性を検討するきっかけを与えました。

Cas9 は CRISPR ベースのゲノム操作に最適な酵素ですが、CRISPR ベースの診断に関するほとんどの研究では Cas13 と呼ばれる標的 RNA 分子のファミリーが使用されています。

これは、Cas13 がガイド RNA のターゲットとなる RNA を切断できるだけでなく、近くにある他の RNA 分子に対して「並行切断」も実行できるためです。

Cas13 ベースの診断の多くは、レポーター RNA を使用して、蛍光タグを蛍光を抑制するクエンチャー分子に「つなぎ止める」ものです。

Cas13 がウイルス RNA を認識して活性化されると、レポーター遺伝子を切断し、クエンチャー分子から蛍光ラベルを放出して、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強力な信号を放出するため、ポイントオブケア診断プロセスが大幅に簡素化されます。

(表紙画像提供: Adrian T. Sumner/SPL)

中国科学日報（2022年2月23日1面ニュース原題：「ネイチャー：2022年に注目すべき7つの技術」）

編集者 |趙 陸

タイプセッティング |郭剛