読み物：核酸オリゴが世界を変えた方法
オリゴヌクレオチド（略して核酸オリゴ）は、現代の分子生物学において欠かせない重要なツールのひとつです。
オリゴヌクレオチド（略して核酸オリゴ）は、現代の分子生物学において欠かせない重要なツールのひとつです。もし核酸オリゴがなければ、今日のバイオテクノロジー、診断技術、さらには製薬産業は成り立たないでしょう。
核酸オリゴとは何か？
核酸オリゴとは、合成された短いDNAまたはRNAの断片を指します。
語源はギリシャ語の「olígoi（少ない、小さい）」と、核酸を構成する単位「ヌクレオチド」に由来します。オリゴは化学合成によって作られ、幅広い研究や開発の場面で利用されています。
DNAの構造が1953年に解明されて以来、その仕組みを理解しようという熱意が高まりました。1955年には、研究者たちが研究を助ける目的で人工的にDNA断片を作る試みを発表し、「オリゴヌクレオチド」という言葉もここで生まれました。
DNA合成の化学には複雑な歴史がありますが、現在の合成DNA技術は、Martin Caruthersによって開発された「ホスホロアミダイト法」に基づいており、この手法は30年以上ほとんど変わらず利用されています。
核酸オリゴは分子生物学、合成生物学、バイオテクノロジーの基盤的存在となりました。その理由は、合成DNAと細胞内で作られるDNAが構造的にも化学的にも同一だからです。唯一の違いは「どこで作られたか」だけです。
過去30年以上にわたり、核酸オリゴは科学の発展に大きく貢献してきました。特に画期的だったのがPCR（ポリメラーゼ連鎖反応）を可能にしたことです。PCRはDNAをコピーする技術で、本の1ページを何度も複写するようなものです。ただし通常のコピー機と違って、DNAをコピーする「コピー機（DNAポリメラーゼ）」は、核酸オリゴによって標的DNAの適切な場所に導かれる必要があります。
研究者は20〜30塩基ほどの短い一本鎖オリゴを設計し、標的DNAの両端に相補的に結合させます。加熱と冷却を繰り返すことでDNAの二重らせんが開き、オリゴが結合し、そこからDNAポリメラーゼが新しい鎖を合成していきます。この温度サイクルを繰り返すことで、一本のDNA配列から数十億ものコピーを得ることができるのです。
ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）の基本的な仕組み。赤色で示されたオリゴ核酸の使用に注意。（出典: ウィキコモンズ、作者: Enzoklop）
この技術は、未知の病原体を生体試料から特定する診断や、法医学における遺伝子指紋解析など、数多くの応用を支えています。
PCRでは短い核酸オリゴが用いられますが、現在のDNA合成技術では200塩基以上の長さの核酸オリゴも作ることが可能です。こうした長い核酸オリゴは、新薬開発のスピードアップや、標的型ドラッグデリバリーに用いるDNAナノ構造体の作製、さらには数万年にわたるデジタルデータの保存といった最先端の応用に利用されています。
次世代核酸オリゴ合成
単純な化学反応を利用すれば、A・T・C・Gといったヌクレオチドをレゴブロックを組み立てるように、好きな順番で一つずつつなげていくことができます。現在では、Twist Bioscienceを含む多くの企業が、学術研究や商業利用のためにオリゴヌクレオチドを大量に合成しています。
初期の方法は1本ずつ核酸オリゴを作るものでしたが、Twist Bioscienceが開発した現在の合成技術では、約100万種類ものユニークな合成オリゴを同時に作り出すことが可能です。それぞれのオリゴ配列は合成後の用途に合わせてデザインされます。従来はプラスチックやガラスを基盤にDNA配列を「書く」ように合成していましたが、Twist Bioscienceはシリコンの特性を活かすことで、世界トップレベルのスケールでオリゴ合成を実現しています。
周期表で14番目の元素であり、地球上で2番目に豊富な元素であるシリコンは、コンピュータの半導体チップで広く知られています。シリコンは高密度で均一な結晶格子を形成し、微細加工に極めて適した素材です。
半導体エンジニアはシリコン格子の化学的性質を制御することで微小な回路をチップに刻み込み、コンピュータ部品をどんどん小型化してきました。同様に、Twist Bioscienceはシリコンプレート上に微小な反応クラスターを配置することで、反応体積を小さくしながら合成のスループットを飛躍的に向上させています。
ホスホラミダイト反応とシリコン基盤での合成を組み合わせることで、DNA鎖がどこで合成されるか、またどのような塩基配列を持つかを精密にコントロールできます。さらに、この方法は品質を損なうことなく、大規模な反応スケールへ拡張することを可能にしています。
ツイストバイオサイエンスが数十万のオリゴを同時に合成するために使用するシリコン基板の一つ。
オリゴヌクレオチドは細胞機能の解明と新しい治療法の開発を助ける
従来、研究者は遺伝子の機能を理解するために、ある遺伝子を変化させたり欠損させたりしたときに細胞や生物個体にどのような変化が起こるかを観察してきました。たとえば、通常は四角い形をした細胞が、ある遺伝子を欠損すると丸くなる場合、その遺伝子が「四角さ」を制御していると推測できます。
しかし、もし研究者がどの遺伝子が機能に関わっているのか、あるいはそれがゲノムのどこに存在しているのか分からなかったらどうでしょう？どの遺伝子を削除すべきか決められません。ここで、大量並列オリゴ合成技術が画期的な力を発揮します。
遺伝子を削除するには、ゲノム編集ツールが必要です。その中で最も強力なものが CRISPR です。
CRISPRは大きく2つの要素で構成されています。ひとつは「ナノハサミ」のようにDNAをリボンを切るように切断するタンパク質、もうひとつはどこを切るのかを正確に指示するヌクレオチド由来のガイド配列です。各ガイドは通常100塩基未満の長さで、1本のオリゴでコード可能です。この仕組みによって、研究者は細胞のゲノム上の任意の部分を正確に切り取ることができるのです。
CRISPRシステムの一部として「はさみ」のようにDNA主鎖の化学結合を切断する酵素Cas9の三次元タンパク質構造。
次世代DNA合成技術を用いることで、膨大な数のオリゴヌクレオチドをプールとして一度に作り出すことができます。これらを転写すれば、細胞のゲノムに存在するすべての遺伝子を何度も削除できるほどの数のCRISPRガイド配列をコードすることが可能です。つまり、研究者はあらかじめ「どの遺伝子を削除するか」を決める必要がなく、削除したい遺伝子を一つずつ検証して、対象となる機能に関わるものを特定できるのです。
この方法では、数百万もの細胞それぞれにCRISPRの「ハサミ」とユニークなガイド配列を与えます。するとCRISPRが作動し、ゲノムから異なる遺伝子が削除された多様な「細胞ライブラリー」ができます。その中から研究者は、観察している細胞機能に異常を示す細胞を探し出し、ゲノムを解析してどの遺伝子が削除されていたのかを特定します。
この手法によって、がんやアルツハイマーのように、これまで原因遺伝子が分からず治療法のなかった病気に関わる突然変異が次々と発見されています。発見された異常遺伝子は培養細胞に導入され、病気のモデル細胞として詳しく研究されます。そして研究者は、そのモデル細胞の異常な働きを標的とする新しい治療薬を開発できるようになります。こうして、将来的に多くの難病に終止符を打てる可能性が広がっているのです。
オリゴヌクレオチドは「1万年のデータ保存庫」になる
オリゴヌクレオチドの応用の中で最も革新的なものの一つは、生物とは無関係な用途、つまり デジタルデータの保存 です。
現在、デジタルデータは磁気テープの巨大なアーカイブに保管されており、ロボットによって遅いスピードで読み出されています。まるで巨大なジュークボックスのような仕組みですが、これは長期保存に向いていません。膨大な物理スペースを必要とし、特殊な保存環境や大量のエネルギーも必要になるため、急増し続けるデジタルデータを持続的に扱うのは困難です。さらに、磁気テープの寿命はおよそ10年しかなく、定期的にアーカイブ全体をコピーし直す必要があり、そのコストは莫大です。
物理データストレージ用ロボット式テープライブラリ（出典: ウィキコモンズ、作者: Austin Mills）
Microsoft、Twist Bioscience、ワシントン大学の研究者による共同研究で、デジタルデータをDNA配列として保存する方法が開発されました。通常のデータは0と1の二進数でテープに記録されますが、この技術ではA・T・C・Gの4種類の塩基にデータを符号化し、DNAの中に格納できるのです。
DNAはデータ保存の資源として非常に優れています。1グラムのDNAに理論上蓄えられるデータ量は約1ゼタバイト（10の21乗バイト、つまり1兆ギガバイト）に達します。さらにDNAオリゴは物理的なスペースをほとんど取らず、数千年にわたって安定して保存できるため、長期保存に理想的です。
保存されたデータを取り出すには、DNAシーケンサーでオリゴを読み取り、その配列をもとにデジタルデータ（二進数）へ復号します。数百万本のオリゴを「書き込む」工程（DNA合成）と、読み出す工程（DNAシーケンス）はすでに技術的に存在しており、今後はこれをコスト効率よく実用化する研究開発が進むと期待されています。この分野では、これからもエキサイティングな進展が続くでしょう。さらに詳しく知りたい方は、このテーマについて詳しく解説した前回のブログ記事をご覧ください。
オリゴヌクレオチドが切り拓く次世代合成生物学
オリゴヌクレオチドは、より効率的で環境にやさしい化学合成を可能にする役割も担っています。研究者はオリゴを組み合わせて長い断片を作り、人工的な遺伝子を構築します。すると、大腸菌や酵母などの細胞にその遺伝子を導入して、特定の酵素（タンパク質の一種）を作らせることができます。
すべての細胞は、生命活動に必要な化学反応を触媒する酵素を生み出します。この仕組みを応用することで、従来の化学合成では困難あるいは高コストだった有用化合物を、細胞に作らせることが可能になるのです。
アルコール脱水素酵素の三次元タンパク質構造。体内でアルコール飲料から摂取されたエタノールをアセトアルデヒドに変換する酵素。
従来の化学合成の代わりに、研究者たちは酵素反応を連鎖させて利用します。これを可能にするために、複数の酵素をコードする遺伝子をつなぎ合わせ、新しい代謝経路を人工的にデザインして細菌や酵母に導入するのです。
こうした微生物は、まるで“小さな工場”のように機能します。数十億もの細胞が、それぞれに組み込まれた酵素経路を使って、プラスチック廃棄物のような低価値の原料を、高付加価値の化学製品へと変換していきます。しかも、高温・高圧などの厳しい反応条件や環境に有害な化学物質を必要とせず、より持続可能で環境負荷の少ない方法での生産が可能になります。
廃プラスチック——化学物質のグリーン酵素合成における潜在的な出発点。
オリゴヌクレオチド技術を活用することで、新しい医薬品の開発だけでなく、香料といった汎用化学品、さらには耐久性のある衣料用繊維なども生み出されています。
次に来るものは？
もしオリゴヌクレオチドがなかったとしたら、今日の科学はどうなっていたでしょうか。新薬開発は初期段階から先へ進めず、多くの治療候補を検証するための細胞株を作り出すことも難しかったはずです。人間の病気に関する理解も不十分なままで、多くは今のように治療可能にはなっていなかったでしょう。
Twist Bioscienceのシリコン基盤を利用したDNA合成技術によって、これまでになく高品質かつ大量のオリゴを生産できるようになりました。
つまり「核酸オリゴとは何か？」という問いに対する答えは──核酸オリゴとは、小さなDNA分子でありながら、世界を変えてきた歴史を持ち、そして明るい未来を切り拓く存在なのです。
