Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

生命は、最小の細菌から最大のクジラに至るまで、そのあらゆる形態において、周囲のすべてが変化している間も、自身は同じ状態を維持し続けることができるという、ある根本的な秘密を共有しています。この内部の安定性は「ホメオスタシス（恒常性）」と呼ばれます。天候が変化しても体が一定の温度を保ったり、食事の後に血糖値がバランスを保ったりするのは、このためです。生物は、静止しているのではなく、自身の内部の状態を常に感知し、微細で自動的な調整を行うことによって、これを実現しています。ある化学物質が多すぎると感知してその生成を遅らせたり、少なすぎると感知して生成を早めたりするのです。この繊리細なバランス調整こそが、生命を存続させるものです。ゼロから人工生命を構築しようとしている科学者にとって、このようなことを自律的に行えるシステムを作り出すことは、最も困難な課題の一つでした。ほとんどの人工細胞は閉ざされた部屋のようなものであり、中の材料を使い果たしてしまうと、反応は止まり、システムは死に絶えてしまいます。それらは、外部の世界から新鮮な燃料を取り込み、内部で起きていることに基づいてその取り込み量を調節する能力を欠いています。

サレー大学とユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの研究チームは、まさにこれを行うことができる、極小の人工細胞を構築しました。彼らは、自身の内部の化学状態を感知し、活動を一定に保つためにどれだけの燃料を取り入れるかを自動的に調整できる微小な泡を作り出したのです。最近の研究で記述されたこのシステムは、DNA構造と酵素を巧みに組み合わせることで、自己調節ループを作り出しています。研究者たちは、単にこれが起きるのを観察しただけではありません。彼らは構成要素を作り、それらを脂質膜の泡の中に組み立て、システムが安定した状態を維持する様子を16時間もの間、観察しました。このような単純な合成構造体としては、驚くほど長い時間です。

彼らが構築した人工細胞は「巨大単層小胞（GUV）」であり、これは本物の細胞の膜に似た、単層の脂肪分子で作られた大きな中空の球体です。この泡の中に、研究者たちはRNA（生物学的システムにおいてメッセンジャーや働き手として機能する分子）を作るために必要な機構を配置しました。また、RNAを分解するシステムも加えています。しかし、決定的な革新は、泡の「皮膚」にあります。研究者たちは、DNAで作られた小さな管状の構造体を膜の中に埋め込みました。これらのDNAチューブはゲートや孔（あな）として機能し、小さな分子が通過できるようにします。具体的には、リボヌクレオチド三リン酸（rNTPs）が外部環境から泡の中へと流れ込むことを可能にします。これらのrNTPsは、細胞がRNAを作るために必要な構成要素です。

この設計の素晴らしさは、細胞がこの流れをどのように制御するかという点にあります。DNAの孔は永久に開いているわけではなく、塞ぐことができます。研究者たちは、細胞がRNAを作る際に、特定のタイプのRNA鎖も同時に生成し、それが「ブロッカー（阻害剤）」として機能するようにプログラムしました。細胞がより多くのRNAを生成するにつれて、これらのブロッカーの鎖が蓄積し、物理的にDNAの孔を塞いで、新しいrNTPsの流れを止めます。これにより、負のフィードバックループが形成されます。つまり、細胞がより多く活動すればするほど、自身の燃料供給を遮断することになります。しかし、システムは閉じたままになるようには設計されていません。泡の中では、RNaseと呼ばれる酵素が、RNAブロッカーをゆっくりと分解していきます。ブロッカーが分解されるにつれて、孔が再び開き、新鮮なrNTPsが流入してサイクルが再び始まります。この、開く、閉じる、そして再び開くという連続的なサイクルにより、細胞は外部にどれだけの燃料があっても、RNA生成のレベルを一定かつ安定した状態に保つことができるのです。

このシステムが機能することを証明するために、研究者たちはまず、DNAの孔単独のテストを行いました。彼らは泡に赤色の染料を充填し、緑色の染料を含む溶液に入れました。孔が開いているとき、赤色の染料が漏れ出し、緑色の染料が流れ込み、孔が機能していることが確認されました。次に、ブロッカー鎖を加えることで、この流れを止めることができることを示し、効果的にゲートを閉じることを実証しました。次に、孔がrNTPsを十分に流入させ、内部の機構によるRNA生成を駆動できることを示しました。新たに作られたRNAに結合したときのみ光る蛍光タグを加えたところ、孔が開いている泡は明るく光りましたが、孔が塞がれた泡は暗いままでした。

最終的かつ最も重要なテストは、システム全体がホメオスタシスを維持できるかどうかを確認することでした。研究者たちは、完全に組み立てられた細胞をrNTPsを含む溶液に入れ、時間の経過とともに観察しました。孔が永久に開いている細胞では、資源を使い果たすか、あるいは混沌とした状態になるまでRNA生成が増加し続けました。孔が永久に閉じられている細胞では、RNA生成はほぼ即座に停止しました。しかし、自己調節機能を持つDNAの孔を備えた細胞では、RNAレベルはある特定の点まで上昇した後、そこにとどまり、16時間の間、安定して推移しました。システムは、RNAが分解される速度に合わせて燃料の流入量を自動的に調整し、完璧なバランスを作り出したのです。

研究者たちはまた、このバランスを調整できることも示しました。特定のDNA鎖を「閾値（しきいち）」として加えることで、RNAブロッカーが孔に到達する前にそれらを捕捉することができます。これにより、孔がより長く開いた状態となり、より多くの燃料が流入して、結果としてより高い定常レベルのRNA生成が可能になります。システム全体を再構築することなく、活動の目標レベルを設定できるこの能力は、高度な制御が可能であることを示唆しています。この研究は、輸送、遺伝子発現、および分解を単一のフィードバックループに統合することで、変化する世界の中で内部の安定性を維持する、生物のように振る舞う合成細胞を作ることが可能であることを実証しています。この成果は、より複雑で適応性の高い材料や、人間の介入なしに長期間動作できる人工細胞を構築するための設計図を提供するものです。