生物の細胞では、DNAに書き込まれた情報を元に、タンパク質、核酸など無数の分子が合成されている。そして、それぞれの分子が相互作用することで、複雑な生命現象が営まれている。

「この生命の持つ自己組織化機能を人工的に利用することで原子や分子を制御。新しい機能をもつ分子デバイスを創出しようというのが、ナノバイオの大きな目標のひとつです。こうして生まれた新たな分子デバイスは、医療、IT、環境などさまざまな分野に、全く新しい技術革新をもたらすでしょう」というのは甲南大学先端生命工学研究所(FIBER)の杉本直己所長だ。

そして、その実現のために杉本所長が提唱しているのがデザイナブルナノバイオテクノロジー(DNB)。これは生命分子の構造や機能に関する過去の情報をデータベース化。そのデータベースを基にして、新たな機能を持つ人工分子を組み込んだ分子を創出するという新しい開発手法だ。(図1参照)
「日本には、これまでの研究で蓄積された優れた研究がたくさんあります。これらの要素研究を組み合わせることで、必要とする機能を実現する分子を設計(デザイン)することが可能になったのです。いまDNA科学はDNBへと新たな時代を迎えたといえます」(杉本所長)
杉本所長は、これまでDNAやRNAなど核酸の構造をヒントにしたさまざまな有用物質の開発に成功。そこから新たな産業が創出されようとしている。

例えば、杉本所長の研究グループがDNBの手法によって実現したのが、生きた細胞内のpH測定を可能にする新しいセンシング技術だ。

「私たち研究グループが注目したのは、DNAの二重らせん構造の安定性がpHと深く関わっているという事実でした。塩基配列を巧みに設計すれば、細胞内のpHに応じて三次元構造が変化するDNAが得られるはず。そして、構造変化をキャッチすれば、細胞内のpH変化が読み取れるというわけです」(杉本所長)

研究グループは、さまざまな熱力学的データを基に、生体には存在しないと考えられていた新規pH感受性のDNA構造の設計に成功。そして、細胞内のpH変化の観察にもちいたのは最新の蛍光染色技術であるFRET(蛍光共鳴エネルギー移動)だ。これは、蛍光顕微鏡で細胞を観察するとき、2種類の蛍光色素で染色すると、分子同士の距離に応じた波長の光を発することを応用したものだ。DNA分子に2種類の蛍光分子を付加しておくと、pHによる構造変化に伴い蛍光色素の距離も変化し、光波長をpHの指標にすることができる。(写真1参照)
生きた細胞内の局所的なpH変化を蛍光顕微鏡でイメージング(リアル画像化)する新技術が開発された。発生や細胞のがん化などに重要な役割を果たしているアポトーシスの細胞内メカニズムを解明する観察技術になるなど、生命科学分野から期待されている。(図2参照)

杉本所長は、デザイナブルナノバイオ(DNB)はナノ分子デバイスの基盤技術になるはずだと考えている。
「DNBが実現する具体的な技術の方向性。つまり技術の出口として私たちが考えているのがエコロジカルナノバイオ(ENB)およびファンクショナルナノバイオ(FNB)です」(杉本所長)

例えば、ENBが目指すのは自然環境・体内環境など多様なフィールドで物質生産を行うシステムだ。高い識別能力を持つ「ナノバイオエコセンサー」、生体に埋め込んでさまざまな検査・診断が可能な「ウェアラブル・インプラントセンサー」、生体エネルギーを電力として利用可能な「ナノバイオ電池」などが重要なテーマとして挙げられている。

またFNBが最終的なゴールとして目指すのは、人工臓器、人工オルガネラ(細胞内器官)を実現するナノバイオプラントだ。ナノバイオ材料を医療に利用する「バイオセラピューティックデバイス」や、生体分子の自己組織能を利用した回路設計技術などがテーマとしてあげられている。
いま、杉本所長は、こうしたさまざまな目標を達成するために、生体分子のなかでも注目される領域がRNAだと考えている。RNAは遺伝情報を担う分子でありながら、細胞内でさまざまな機能性分子として働いている。その特性を利用することで、さまざまな機能を持つRNAを作り出すことが可能だからだ。
「半導体による記憶素子など、これまで固体でしか構築できないと考えられてきた情報処理のキーデバイスをRNAをもちいて液体で実現。さらに、それを生命体のなかで機能させることも不可能ではないと私たちは考えています」と杉本所長。
そんな「途方もない」と思えるような夢を現実のものとするDNBは、21世紀の産業をリードする最先端のキーテクノロジーといえるだろう。

杉本直己