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私たちの技術のベースとなる“生命現象の光操作”というコンセプトは、東京大学・佐藤守俊教授のひとつのアイデアから生まれました。「光を使ったバイオイメージング技術は、世界中の研究室で利用されている。その光を使って、生命現象を“見る”だけでなく、もし“操る”ことができたら…」。光は、狙ったタイミング・狙った場所のみで、光を当てる・切ることが繰り返せるなど、高い時間的・空間的制御能を持ちます。
例えば、狙った細胞内のみでシグナル伝達を光で操作できるようになれば、代謝、分泌、細胞増殖、細胞死等の生命機能を自由自在にコントロールできます。これらの基盤技術は、生命現象を理解するためのリサーチツールとして、また、バイオものづくりや創薬への展開など、基礎研究から応用分野まで、サイエンスの発展およびバイオエコノミー社会の実現につながると確信しています。
では具体的に、光を用いて“生命現象を操作したい”と考えた場合に、それを実行するためのツールが必要となります。そこで最初に目を付けたのが、植物や菌類が持つ光受容体というタンパク質でした。光受容体は、光を吸収すると大きく構造変化したり、別のタンパク質と相互作用することにより下流に情報を伝えています。つまり光受容体は、光による入力を、力学的なシグナルとして出力できるという、とても面白い特性を持つことで知られています。そこで、数多くある光受容体タンパク質の中から、実験によってアカパンカビが有する光受容体（Vivid）を選び出し、プロテインエンジニアリングを施すこすことで、性質の大幅な改変や新しい機能を付加し、生命現象を操作する汎用的なツールを開発しました。このタンパク質は、光を当てるとくっつく（ダイマー）、光を切ると離れる（モノマー）という、まるで磁石のような性質を持ちます。そこで、この光スイッチタンパク質を、私たちはMagnet Systemと、名付けました。
まず、このMagnet Systemに対して、さまざまなタンパク質やペプチドを2つに分割し、それぞれを遺伝子工学的に連結します（図では、ＡとＢに相当）。バラバラになっている状態から、光を当てることによってMagnet Systemの持つ性質からＡとＢが近接し、そのタンパク質が活性を取り戻します。また光を切ると、Magnet System自体が離れ、同時に任意のタンパク質もＡとＢのようにバラバラに戻り、再び活性を失います。このように、タンパク質が持つ活性を、光刺激によって時間・場所特異的に自由自在にコントロールできるようになることで、さまざまな生命現象の光操作技術を可能にしました。
光スイッチタンパク質を用いて、これまで佐藤研究室ではさまざまなツールを開発し、論文を発表してきました。ここでは、そのひとつであるCre-loxPシステムと、Magnet Systemを組み合わせて、DNA組み換え反応を光で操作する技術を紹介します。Cre-loxPシステムは、遺伝子改変動物を作製する技術などに用いられており、ライフサイエンスの研究では欠かすことのできない技術のひとつです。
私たちは、まずCreタンパク質を2つに分割し、不活性化した状態でMagnet Systemにそれぞれ連結しました。マウスを用いた検証では、DNA組み換え反応により蛍光タンパク質（レポーター遺伝子）が発現するように設計しているので、図のように光を当てた場所（ここでは左足）のみにMagnet Systemの光操作技術が働いたことが可視化されました。これはつまり、光刺激によって自由自在にDNA組み換え反応を、時空間制御できることを示しています。
最後に、私たちのコア技術であるMagnet Systemを用いて、CRISPRのようなゲノム編集酵素の時空間制御、腫瘍溶解性ウイルスの増殖の制御などにも成功し、これまで幅広く論文を発表してきました。このように、さまざまな技術と組み合わせることで、狙った遺伝子の編集のみならず、遺伝子の発現も光操作で自在にON・OFFのコントロールをすることができます。
私たちは、この革新的な光操作技術を活用して、生命現象をより深く解明することができ、研究者にとってワクワクするようなリサーチツールの普及や、バイオものづくりや創薬などこれからの社会に重要となる分野での社会実装まで、幅広く展開していきます。