Living hydrogels with catalytic function grown from engineered yeast co-cultures

医療機器、ソフトロボット、あるいは食品に使用される材料が、重機や毒性のある化学物質を用いた工場で製造されるのではなく、まるで庭園のように「育てられる」世界を想像してみてください。これは、科学者が微小な生物に構造物を構築するようプログラムする分野である、エンジニアリング・リビング・マテリアル（設計された生体材料）がもたらす約束です。この物語の中心にあるのは、主に水で構成され、生細胞を保持し生命を支えることができる、柔らかいゼリー状のネットワークであるハイドロゲルです。これらの材料は、人工皮膚、傷口の包帯、組織の足場といったものに不可欠です。しかし、それらを作ることは伝統的に困難であり、しばしば有害なプロセスでもありました。液体タンパク質を固体ゲルに変えるために、製造業者は通常、強力な化学架橋剤や高価で精製された酵素を混ぜ合わせる必要があります。これらの化学物質は、ゲルが守ろうとしているまさにその細胞に対して毒性を持つことがあり、精製工程はエネルギー消費が激しく、手間もかかります。しかし、自然界は数十億年もの間、この問題を解決してきました。私たちの体や自然界における生細胞は、毒性のある添加物を一切使うことなく、タンパク質を結合させることで、ゲル状の構造を絶えず構築し、修復しているのです。研究者たちが問い続けてきたのは、「微生物に同じことを教え、液状の培養液の中でこれらの有用な材料を単に成長させるだけで作り出すことはできるのか？」ということでした。

アールト大学とインペリアル・カレッジ・ロンドンの科学者チームは、この問いに対し、「イエス」という明確な答えを出しました。彼らは、設計された酵母細胞が液状の培養液から直接、強く機能的なハイドロゲルを成長させるシステムを開発しました。これにより、外部の化学物質や複雑な製造工程を完全に回避することが可能になりました。研究者たちはまず、分子の糊として機能し、タンパク質の鎖を縫い合わせて固体ネットワークを形成することができる「トランスグルタミナーゼ」と呼ばれる特定の種類の酵素に着目しました。自然界にはいくつかのバージョンのこの酵素が存在しますが、チームは、頑健で追加のヘルパー分子を必要としない細菌由来のバージョンを使用することを選択しました。彼らは4種類の異なる細菌酵素を取り、それらを生成するように酵母細胞をプログラムしました。最適な候補を見つけるために、これらの酵素を酵母細胞の表面に提示し、どの酵素を酵母が最も効果的に生産できるかを特定するための選別プロセスを行いました。その結果、Streptomyces mobaraensis という細菌由来の酵素が、明らかに最も優れた候補であることが分かりました。

次の課題は、酵母がこの酵素を液体中に分泌させ、周囲の環境にあるタンパク質に作用させることでした。研究者たちは、酵母がこの酵素を周囲のブロス（培養液）に自由に放出するように設計しました。彼らは、酵素が機能するために必要な構成要素を豊富に含むカゼインという特定のタンパク質を液状培養液に加えました。酵母を静かで攪拌のない容器の中で成長させると、酵母は酵素を分泌し始めました。この酵素はカゼインタンパク質を結合させ始めました。しかし、問題が発生しました。酵母細胞は重いため浮遊せず、容器の底に沈んでしまったのです。その結果、酵素は底の部分でしか生成されず、ゲルもそこに厚い層を形成したため、残りの液体には変化がありませんでした。材料は均一ではなく、プロセスは非効率的でした。

これを解決するために、研究者たちは自然界にヒントを求めました。野生の酵母は、腐敗した果実や樹皮など、セルロースが豊富な植物に付着することがよくあります。チームは、これらのセルロースの微細な繊維である「ナノフィブリル」を使用して、酵母細胞を液体中に浮遊させることができるのではないかと考えました。彼らは、これらのナノフィブリルを培養液に少量加えました。これらの繊維は、穏やかで目に見えない足場として機能し、液体全体のボリュームの中で酵母細胞を適切な位置に保持しました。細胞が均一に分布したことで、それらが生成する酵素が容器内のあらゆる場所にあるカゼインタンパク質に到達できるようになりました。その結果、劇的な変化が起こりました。液体全体が数日のうちに、均一で自立したハイドロゲルへと変貌したのです。このゲルは単なる混合物ではありませんでした。それは独特な二重構造を持っていました。ネットワークの一部分は物理的に絡み合ったセルロース繊維でできており、もう一方は酵母の酵素によって化学的に接着されたタンパク質でできていました。この組み合わせにより、材料は驚くほど強く弾力性があり、握っても形を保つことができる一方で、94パーセントが水という性質を実現しました。

しかし、このリビング・システムの真の力は、単にゲルを作るだけでなく、特定の化学的タスクを実行できる能力にあります。研究者たちは、抗生物質を分解する酵素を作るように設計された第二の種類の酵母と、ゲルを作る酵母を共培養しました。両方の種類の酵母が同じ液体の中で共に成長していたため、得られたハイドロゲルには、構造タンパク質と抗生物質分解酵素の両方が含まれていました。このゲルをテストしたところ、化学指示薬の色を変化させることに成功し、この生体材料が能動的に触媒機能を果たしていることが証明されました。これは、単一のステップで、構造的なゲルであると同時に機能的なツールでもある材料を成長させられることを意味しています。

この研究は、材料の作り方に関する根本的なパラダイムシフトを表しています。科学者たちは、槽の中で化学物質を反応させるのではなく、細胞内の遺伝的指示に従って、材料自体に「成長」させたのです。プロセスは単純で、酵母を液状媒体で培養するだけであり、毒性のある架橋剤の使用を完全に回避しています。得られたハイドロゲルは強く、柔軟であり、有害物質を分解するといった特定のタスクを実行するようにプログラムすることも可能です。使用されている酵母は一般的に安全であると認められており、酵素もすでに食品業界で使用されているものであるため、このアプローチは、医学、食品、そして先端技術のための新しいタイプの生分解性材料の創出への扉を開きます。この研究は、生きている細胞の自然な能力を活用することで、過酷な工業プロセスなしでは不可能であった、複雑で高性能な材料を「育てることが」可能であることを示しています。