微弱な電気パルスで、細菌を科学者の思惑通りに踊らせる（というか泳がせる）ことができる。研究者たちは火曜日、 Nature Communications誌に、電気刺激によって大腸菌の細胞内の特定の遺伝子をオン／オフにすることで、細菌が手足のような鞭毛を振ったり、命令に従って近隣の細菌に情報を伝達したりできることを報告した。
何も知らないバクテリアに干渉することは、生きた細胞と人工材料を混合する新しいバイオセンサーやその他のデバイスを開発するための第一歩です。しかし、バクテリア、あるいはより大きな生物を遠隔操作する方法はこれだけではありません。科学者たちは既に光と磁石を使って微生物や動物に命令を出しており、人間の細胞にもその対象を定めています。これらの遠隔操作技術は、私たちの体について理解を深め、失明、糖尿病、パーキンソン病などの病気を治療するのに役立つでしょう。その仕組みは以下のとおりです。
電気
新たな研究は、電気が細胞を活性化させる迅速かつ正確な方法であることを示しています。研究者たちは大腸菌細胞に微弱な電流を流し、ピオシアニンと呼ばれるタンパク質を供給しました。ピオシアニンは電流から正電荷を帯び、それを利用して細胞内の特定の遺伝子のオンオフを司る機構を活性化させます。この機構の近くに有用な遺伝子を配置するように大腸菌細胞を改変することで、通常は電荷に反応しないDNA指令を活性化することができました。研究チームは細菌に泳ぐよう指示し、他の細胞に伝えるメッセージ分子を分泌させました。
今回の場合、細胞は信号を受信すると光るように設計されました。しかし、電気は、改変されていない細胞の行動を誘導する可能性もあります。「この信号は、遺伝子発現の影響を受けない他の細胞によって解釈されます」と、メリーランド大学カレッジパーク校のバイオエンジニアで共著者のウィリアム・ベントレー氏は述べています。「電極に反応するように設計された細胞内の任意の遺伝子を活性化し、その後、シグナル伝達プロセスを変化させることで、通常はそのシグナル分子に反応する任意の遺伝子を活性化することができます。」
科学者たちはすでに、脳深部刺激法、経頭蓋直流電気刺激法、ペースメーカーといった器具を用いて、私たちの体に電気を流しています。しかし、この新しい手法により、通常は電気に反応しないプロセスを標的とすることが可能になる可能性があります。
そして将来的には、電気で細胞にホルモンやその他の小分子を作らせることも可能になるだろう。細菌はすでに数十年前から薬を作るようにプログラムされている。「糖尿病患者が服用するインスリンは、実は私たちが開発したのと同じ細菌で作られているのです」とベントレー氏は言う。「インスリンやその他の有益な化合物を作る生きた工場であるこれらの細菌細胞を、飲み込む小さなカプセル型のマイクロエレクトロニクスデバイスの中に組み込むことも考えられます」。カプセルやインプラントは、血糖値の異常や病原菌などの問題を検知し、遺伝子操作された細胞にインスリン、抗生物質、その他の薬剤を分泌させるように指示する。
ライト
科学者たちは、光の閃光を使って脳の活動を制御するオプトジェネティクスと呼ばれる強力なツールを池の藻類から得ている。
緑藻は基本的に、光感受性タンパク質を使って太陽の方角へと自らを誘導します。科学者たちは、遺伝子操作によってニューロンに同様のタンパク質を運ばせることができることに気づきました。こうすることで、レーザーやLEDからの光のバーストで脳細胞のオン/オフを切り替えることができるのです。
このトリックは、マウスの狩猟本能を刺激したり、ミルクシェイクをより速くすすらせたりするために使われてきました。この手法は、偽の記憶を植え付け、実際の記憶をぼかすことさえ可能です。
この技術は、より優れた（ただしより柔らかい）ロボットの開発に役立つかもしれない。3Dプリントされた「バイオボット」の一つには、光にさらされると収縮するように設計された実験室で培養された筋細胞が並んでおり、「歩く」ことができる。
光遺伝学は、パーキンソン病、PTSD、依存症、アルツハイマー病のよりよい治療法につながる可能性のある脳についての洞察ももたらしています。
この技術は一部の神経疾患の治療に有望ですが、患者の遺伝子を光に反応するように調整する必要があります。また、脳内に光を送るための光ファイバーケーブルやインプラントを外科的に挿入する必要があるため、かなり侵襲性が高いという欠点もあります。科学者たちはこの問題を回避するため、パッチや小型のワイヤレスデバイスの開発に取り組んでいます。
昨年、オプトジェネティクスが初めてヒトに応用されました。研究者たちは、光に反応するタンパク質をコードするDNAを組み込んだウイルスを女性の目に注入しました。
この女性は網膜色素変性症と呼ばれる失明の一種を患っており、目の光受容体が徐々に死滅していきます。この新しいDNAによって、網膜内の損傷を受けていない他の細胞が光に反応できるようになり、視力がいくらか回復することを期待しています。
この臨床試験は最終的に15人の参加者を対象に実施される予定です。もし成功すれば、他の研究者にも光遺伝学療法を試みるきっかけとなるかもしれません。
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磁気
神経細胞を活性化させる新たな手段として、科学者たちはマグニートー（磁化タンパク質）の活用を検討している。
バージニア大学の研究者たちは、オプトジェネティクスよりも侵襲性が低く、薬剤よりも迅速に作用する神経細胞スイッチの開発を目指しました。彼らは、2つの細胞機構を融合させることでマグニートーを設計しました。一つは鉄を貯蔵するタンパク質「フェリチン」で、マグニートーは磁場に反応します。もう一つはTRPV4と呼ばれるもので、磁気トルクなどの伸張力によって活性化し、神経細胞を発火させます。
研究者たちは、マグニートーを運ぶウイルスをマウスとゼブラフィッシュの幼生に注入した。マグニートーは、磁気を帯びた水槽に入れられた魚のニューロンを活性化させ、魚を丸くさせた。マウスの場合、マグニートーは報酬に関わる脳の領域に誘導された。これらのげっ歯類は、ケージ内の磁化された領域に居つくのが好きで、マグニートーはそこでニューロンにドーパミンの放出を促すことを発見した。
マグニートーは、特定の神経回路がどのように行動を制御しているかを解明する上で科学者の助けになるだろうと、共著者のアリ・ギュラー氏は電子メールで述べた。「現在、動物の発作を抑制できるかどうかを試験しているところです」と彼は述べた。
マグニートーは磁場を用いて神経細胞を制御する最新の装置ですが、他にも多くの装置があります。これまでにも、磁気を用いて糖尿病のマウスからインスリンを分泌させ、血糖値を下げるという研究が行われました。この遠隔制御技術は、糖尿病やパーキンソン病などの慢性疾患のコントロールに役立つ可能性があります。
「いずれ臨床応用されるかもしれません」と、ニューヨークのロックフェラー大学の生物学者で共著者のジェフリー・フリードマン氏は語る。この技術やオプトジェネティクスといった技術を実現するために、科学者たちは、ヒトに有用なタンパク質をコードする外来DNAを安全に送達する方法をまだ模索している。「実現にはまだ時間がかかると思いますが、決して不可能なことではありません」。
