科学者たちは「生物学的人工知能」のシステムを開発した

オーストラリアの科学者たちは、「生物学的人工知能」を用いて、哺乳類細胞内で直接、新規または改良された機能を持つ分子を設計・進化させる研究システムの開発に成功しました。研究者らは、このシステムは、より特異的で効果的な研究薬や遺伝子治療の開発に役立つ強力な新ツールとなると述べています。

PROTEUS（PROTein Evolution Using Selection）と呼ばれるこのシステムは、「指向性進化」と呼ばれる手法を用いています。これは、進化の自然の力を模倣した実験技術です。しかし、数年、数十年かかる代わりに、進化と自然選択のサイクルを加速させ、わずか数週間で新しい機能を持つ分子を作り出します。

これは、より効果的な新薬の探索に直接的な影響を与える可能性があります。例えば、このシステムはCRISPRなどの遺伝子編集技術の改良に活用でき、より効果的なものにすることが可能です。

「これは、PROTEUSが私たちの体内で働くように最適化された新しい分子を生成するために使用できることを意味し、現在の技術では作成が困難または不可能な新しい薬を作ることができます」と、シドニー大学のジョン・アン・チョン博士機能ゲノム科学研究所所長で、本研究の共著者であるグレッグ・ニーリー教授は述べています。

「私たちの研究の斬新さは、指向性進化は主に細菌細胞で機能するのに対し、PROTEUSは哺乳類細胞で分子を進化させることができるという点です。」

PROTEUSシステムは、ユーザーが人工知能プラットフォームにクエリを入力するのと同様に、解が不確実な問題を解決できます。例えば、人の体内の疾患遺伝子を効果的に「オフにする」方法といった問題が考えられます。

PROTEUSは指向性進化を用いて、自然界にまだ存在しない数百万もの配列候補を探索し、問題に高度に適した特性を持つ分子を見つけ出します。つまり、PROTEUSは人間の研究者が何年もかけて見つけるような、あるいはそもそも見つけられるかどうかも分からないような解決策を見つけることができるのです。

研究者らは、PROTEUSの助けを借りて、薬剤による制御が容易なタンパク質の改良版や、がんの発生に寄与する重要なプロセスであるDNA損傷を検出できるナノボディ（抗体の小型版）を開発したと報告した。しかし、著者らが強調するように、PROTEUSの応用はこれに限定されず、ほとんどのタンパク質や分子の機能を改善するために使用できる。

この研究結果はNature Communications誌に掲載されました。この研究は、シドニー大学チャールズ・パーキンス・センターとセンテナリー研究所の研究者との共同研究で実施されました。

分子機械学習の発見

細菌に初めて導入された指向進化法の独自の開発は、2018 年にノーベル化学賞を受賞しました。

「指向性進化の発明は生化学の進路を大きく変えました。今、PROTEUSを使えば、哺乳類細胞をプログラムすることで、これまですぐに答えが出なかった遺伝学的問題を解決できるようになります。このシステムを継続的に稼働させれば、問題解決の過程を定期的にモニタリングできます」と、チャールズ・パーキンス・センターおよび生命環境科学部の主任研究者クリストファー・デネス博士は述べています。

デネス氏と彼のチームが直面した主な課題は、哺乳類細胞を、その安定性を維持しながら進化と変異の複数のサイクルに対して耐性を持たせ、システムが目の前の課題を満たさない些細な解決策を見つけることで「不正行為」をすることを防ぐ方法だった。

科学者たちは、キメラウイルス様粒子、つまりあるウイルスの外殻と別のウイルスの遺伝子を組み合わせた設計を用いることで解決策を見出した。この設計により、システムが「不正行為」を行うことが防止された。

この設計は、2つの全く異なるウイルスファミリーの要素を組み合わせ、「両方の長所を兼ね備えた」ものを生み出しました。結果として得られたシステムにより、細胞は多くの異なる解決策を並行して処理できるようになり、改善された解決策が優勢になり、誤った解決策は消滅しました。

「PROTEUSは安定性と堅牢性を備えており、独立した研究室で検証されています。他の研究グループにもこの手法を活用していただくよう奨励しています。PROTEUSを用いることで、新世代の酵素、分子ツール、そして治療薬の開発を促進できると期待しています」とデネス博士は述べています。

「このシステムは研究コミュニティに公開しており、どのように活用されるのか楽しみにしています。私たちの目標は、遺伝子編集技術を向上させ、より強力で特異的な効果を持つmRNA医薬品を改良することです」とニーリー教授は付け加えました。