カテゴリー別アーカイブ: 合成生物学

Protein Producerが地球を救う、合成生物学の手法で生成されたClean Meatが続々登場

合成生物学の手法で食肉を生成するベンチャー企業から新商品が続々と登場し、米国の食品業界が激変している。これらベンチャー企業は「Protein Producers」と呼ばれ、ハイテクを駆使して代替食肉を生成する。生成された肉は「Clean Meat」と呼ばれ健康食品であるだけでなく、地球上の重要な食量源となる。🔒

出典: Impossible Foods

DNAを悪用したサイバー攻撃、遺伝子にマルウエアを埋め込みコンピュータに侵入する

DNAシークエンシング技術は高度に進化しヒトの全遺伝子配列を高速低価格で解明できるようになった。DNA編集技術も進化し、プログラムをコーディングする要領で遺伝子配列を生成できる。いまDNAを媒体とするサイバー攻撃の脅威が指摘されている。DNAにマルウェアを組み込み、これをシークエンサーで読み込むとコンピュータがウイルスに感染する。

出典: Tadayoshi Kohno et al.

DNAセキュリティ研究

これはワシントン大学コンピュータサイエンス学部 (Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering, University of Washington) がセキュリティ研究として発表したもので、DNAを使ってサイバー攻撃ができることを示している。バイオサイエンスとコンピュータの交点が攻撃の対象となっている。実際に被害が発生しているわけではないが、この研究は将来の攻撃に対して今から対策を取る必要性を説いている。

システムが攻撃を受ける仕組み

この研究では実際にマルウェアを組み込んだDNA (上の写真、中央部の液体状の物質) を生成し、これでコンピュータの制御を奪うことに成功した。まず、DNAをシークエンサーで解析し遺伝子配列を読み取る。次に、解析された遺伝子配列はコンピュータで処理され遺伝子変異などの知見を得る。しかし、マルウェアが埋め込まれた遺伝子配列をコンピュータで処理するとシステムにウイルスが侵入し制御を奪う。

DNA Processing Pipelineを攻撃

具体的には、遺伝子解析のプロセスは検体 (唾液など) をDNAシークエンサーで処理し塩基 (A, T, C, G) 配列順序を把握する。塩基配列は解析システム (一般にDNA Processing Pipelineと呼ばれる) で処理され遺伝子変異などを検出する。DNA Processing Pipelineは大規模な遺伝子配列を解析し遺伝子変異のカタログを生成するプロセスとなる。研究ではこのプロセスで遺伝子配列を装ったマルウエアがコンピュータを攻撃し制御を奪うことに成功した。

シークエンシング技術の進化

DNAシークエンシング技術はムーアの法則を上回るペースで進化している。シークエンシング技術のトップを走るのがIlluminaで遺伝子解析のインテルとも呼ばれている。Illuminaによるヒトの全遺伝子をシークエンシングするコストは2009年は10万ドルであったが2014年は1000ドルに低下した。この価格破壊が遺伝子解析ビジネスの引き金になっている。(下の写真、Illuminaのシークエンサー「HiSeq」)

出典: Illumina

遺伝子編集技術

同時に、遺伝子編集技術も高度に進化し低価格で特定の配列を持つDNAを購入できる。研究では、マルウエアを埋め込んだDNAを合成するためにIntegrated DNA Technologiesという会社のgBlocks Gene Fragmentsというサービスが使われた。同社はCoralville (アイオワ州) に拠点を置きDNA合成サービスを提供している。gBlocks Gene Fragmentsとは指定された配列でDNAを生成するサービスで、このケースでは生成にかかる費用は89ドルであった。

クルマのハッキングを警告

同学部は2010年にクルマがハッキングされる危険性に関する論文を発表した。クルマの構造が機械部品からエレクトロニクスに進化し、インターネットに接続される構成となっている。研究者は実際にクルマの電子制御部分 (Electronic Control Unit) にハッキングするデモを公表し注意を喚起した。当時はクルマがハッキングされることは想像しにくく、セキュリティに関する意識は低かった。しかし、近年はクルマをハッキングする事例が数多く報告され、論文で指摘された危険性が現実になっている。

DNAビジネスの中心はソフトウェア   

同様にDNAにマルウェアを埋め込んだ攻撃が起こるとは考えにくいのが実情である。DNAシークエンシングやDNA解析システムに関するセキュリティ意識はまだまだ低い。DNAシークエンシング価格の低下で遺伝子配列データが大量に生成されている。DNAビジネスの中心はシークエンシングハードウェアから生成された遺伝子配列データを解析するソフトウェアに移っている。個人向け遺伝子解析やPrecision Medicineと呼ばれる個人に特化した医療サービスなどが普及することになる。遺伝子解析が個人の健康を支える社会インフラになり、システムを安全に運用するためのセキュリティ対策が求められる。

合成生物学が「未来の工場」となりImpossible Materialを開発する

Zymergenというベンチャー企業は合成生物学 (Synthetic Biology) の手法で新しい製品を開発している。製品開発の背後ではAI、ロボット、バイオロジー技術が使われ、高度な予測のもと試験を繰り返す。酵素の機能を強化し新しい微生物を生成する手法で信じられない素材を生成する。

出典: Zymergen  

Impossible Materialを生成する

Zymergenの使命は「Impossible Material」を開発することにある。Impossible Materialとは既存の素材から大きく逸脱した機能を持つマテリアルを指す。古くはゴムの木からつくられたゴムボールがこれに相当する。歴史を振り返るとゴムが欧州にもたらされ産業革命を支えた。その後、石油化学に基づくImpossible Materialの研究開発が進められた。

石油化学ベースの素材

石油化学ベースのImpossible Materialは生活の中で幅広く使われている。ガラスのように加工できるが3倍軽く割れない素材が誕生した。これはポリエチレン(Polyethylene)で容器などで使われている。自重の800倍の重さの水を吸収する素材はポリアクリル酸ナトリウム (Sodium polyacrylate) でダイパーなどに使われる。弾丸を通さない強い繊維としてケブラー (Kevlar) が開発され防弾チョッキに使われている。

次世代のImpossible Material

Zymergenを含むバイオベンチャーは次世代のImpossible Materialを探している。石油化学と異なり自然界は多彩な分子構造を持っている。世界で20万種類の分子構造が発見されているが (下の写真、一部)、総数は数百万といわれている。Zymergenはこの中から360種類の生物分子 (Biomolecule) を特定し、合成生物学の手法でImpossible Materialを開発している。

出典: Royal Society of Chemistry

遺伝子工学の最新技法

合成生物学とは今までに存在しない生物部品やシステムを設計し製造する技術体系を指す。合成生物学は「Genetic Engineering 2.0」とも呼ばれ遺伝子工学の最新技法を意味する。合成生物学は遺伝子コード (Genetic Code、A、T、C、Gから構成される) を編集して微生物 (Microbe) のDNAに組み込み、微生物からたんぱく質 (これがImpossible Material) を生成する (下の写真)。これを医療、農業、製造業などに応用し、生活に役立つ物質を生成する。合成生物学のプロセスはワインの醸造に似ている。ワイナリーで葡萄 (糖分) を酵母 (微生物) で発酵させアルコールを生成する。ただ、合成生物学の手法は酵母 (微生物) のDNAを組み替えて今までに存在しない素材を生成する点が大きく異なる。

出典: Zymergen  

Radical Empiricismという手法

ロジックはシンプルであるが化学反応のプロセス (Biochemical Pathway) は極めて多彩で複雑である。このためZymergenは「Radical Empiricism」という手法で合成生物学ベースのImpossible Materialを開発する。微生物のDNA編集と発酵のプロセスをソフトウェアで自動化する (下の写真)。

出典: Zymergen  

この手法はMicrobe Engineeringと呼ばれ、人間が経験と勘に頼っていた部分をAIとロボットで置き換える。AIが酵母の遺伝子組み換えを把握し、試験の成功と失敗の事例から学習を重ねる。実際の試験は人間ではなくロボットが実行し (下の写真)、全てのプロセスが自動化されている。Zymergenはデータサイエンスに裏付けられたMicrobe Engineeringの手法を取る。

出典: Zymergen  

工業用酵素の機能を改良する技術

Zymergenは工業用酵素の機能を改良する技術も提供している。発酵によりバイオ燃料、素材、医薬品が生成されるがその市場規模は1600億ドルといわれる。これらの企業は使っている酵素の機能強化をZymergenに依頼する。ZymergenはこのプロセスでもAIとロボットで自動化し、短時間で多種類のケースを試験して酵素のDNA構造を決定する。

AIとロボットがImpossible Materialを見つける 

ワイン醸造の例に例えると杜氏に代わりAIが酵母とワインの出来をデータサイエンスの手法で把握し、酵母を改良する方法を提案する。杜氏の経験と勘を酵母のDNA編集に集約し、長い年月を要したプロセスを1か月に短縮する。酵母に含まれる遺伝子の数とその組み換えのパターンは膨大で人が直感的に理解することはできない。ここでAIが使われロボットが大規模並列で実験を繰り返す。Impossible Materialは化学者の経験と勘ではなくAIとロボットが生み出すことになる。

糖質を発酵させ蜘蛛の糸を生成、遺伝子編集で究極の素材が生まれている

蜘蛛の糸は理想の素材でこれを人工的に生成する研究が続いてきた。世界に先駆けてシリコンバレーのベンチャー企業が合成生物学の手法で蜘蛛の糸の生成に成功した。これは「スパイダーシルク」と呼ばれネクタイに編んで販売されている。

出典: Bolt Threads  

スパイダーシルクの合成に成功

スパイダーシルクの生成に成功したのはEmeryville (カリフォルニア州) に拠点を置くBolt Threadsというベンチャー企業だ。蜘蛛の糸はスチールより強くゴムより柔軟性がありウールより柔らかい。理想の素材として世界の研究者がこれを追い求めてきた。Bolt Threadsはこの開発に成功しスパイダーシルクで縫製したネクタイ (上の写真) の販売を開始した。これは編み地を使ったニットタイで素材感がありカジュアルな仕上がりとなっている。50本の限定販売で価格は314ドルと高めの設定になっている。

サステイナブル・ファッション

スパイダーシルクの特徴は素材の機能だけでなく、石油由来の製品に比べ製造工程で環境に対する負荷が小さい点が評価されている。米国では「Sustainable Fashion」という考え方が広がっている。これは持続可能性をコンセプトとしたファッションデザインで、環境に優しいお洒落が消費者の心を掴んでいる。大手ファッションブランドH&Mは「Conscious」という製品ラインを投入しサステイナブル・スタイルを提供している。Bolt Threadsは環境問題に意識の高い層に訴求する製品を投入した (下の写真)。

出典: Bolt Threads  

合成繊維は特性が偏っている

蜘蛛の糸に近い素材はナイロンで生活の中に幅広く浸透している。しかし、ナイロンなど合成繊維は特定の機能が優れているが総合的なバランスはよくない。例えばKevlar (ケブラー) は鉄鋼の5倍の強度を持つ繊維で防弾チョッキなどに使われる。一方、伸縮性や柔軟性は無く衣料品への応用は難しい。これに対して、蜘蛛の糸は強いだけでなく伸縮性や肌触りなど複数の機能をバランスよく持っている。

糖質を発酵させスパイダーシルクを生成

Bolt ThreadsはSynthetic Biology (合成生物学) のアプローチでスパイダーシルクの生成に成功した。合成生物学とは酵母の遺伝子を編集し発酵を通してマテリアルを生成する手法を指す。Bolt Threadsの場合は遺伝子を編集した酵母で糖質を発酵させスパイダーシルクたんぱく質を生成する。糖質としてはDextroseが使われている。 Dextroseとはグルコースの一種で幅広く市販されている。糖分補給のために摂取したり健康飲料のサプリメントとして使われる。簡単に入手できるDextroseからスパイダーシルクが生成された。

糸を編んでネクタイを作る

次に、合成されたスパイダーシルク片から糸を生成するプロセスとなる。スパイダーシルク片をたんぱく質を溶かす溶液の中をくぐらせ、細い糸に引き延ばす。白色の微細な繊維状の糸をよって一本の糸とする (下の写真)。最後に、この糸を編んでネクタイとして商品化された。

出典: Bolt Threads  

ファッション以外にも応用

Bolt Threadsはスパイダーシルクの応用分野をネクタイから衣服などのファッションに広げる計画である。更に、スパーダーシルクを自動車のシートに応用すると耐久性が格段に向上する。医療分野ではスパイダーシルクを人工アキレス腱として使い、また、手術の縫合糸としても使うアイディアが出されている。ネクタイは最初のステップでこれから商品レンジが拡大する。

Biomanufacturingと中国産業

自然界の素材を生成する技術は「Biomanufacturing」と呼ばれている。Biomanufacturingは石油由来の素材を生成するプロセスと対比して語られる。Biomanufacturingは環境への負荷が小さく、将来は石油由来の製品を置き換えたり補完すると期待されている。特に、中国企業がこの手法に大きな関心を示し、米国企業から技術供与を受け導入を始めている。中国の繊維・アパレル産業はGDPの6.4%を占め、全労働人口の11.24%がこの産業に従事している。中国企業は環境に与える影響を最小限にすることが求められ、繊維産業は石油製品への依存を最小限とし、Biomanufacturingへの移行を加速している。

もう一段のブレークスルーが求められている

Biomanufacturingは大きな期待を背負った技術であるが解決すべき問題も少なくない。スパイダーシルクの場合ではネクタイの原価は300万ドルといわれている。大量生産に移ると原価が下がるが、プロセス改良によるコストダウンも必須となる。プロトタイプの生成には成功したが、これを事業化するためにはもう一段のブレークスルーが求められている。

MicrosoftはDNAで記憶素子を生成、遺伝子にデータを保存する仕組みとは

Microsoft Researchは記憶素子としてDNAを使う研究を進めている。DNAで記憶装置を作りここにデータベースやビデオ映像を記録する。DNAを記憶装置に利用する理由はデータを高密度に格納できるため。MicrosoftはDNA記憶装置をデータセンターに設置する計画も明らかにした。

出典: Microsoft  

DNA素子にデータを格納することに成功

Microsoft ResearchはDNAを単位とする記憶素子にデータを格納しそれを読みだすことに成功したと発表した。DNAにビデオ映像などを格納し、それをエラー無く読み出しビデオを再生することができた。データ容量は200MBでビデオ映像の他にデータベースなどが含まれている。この実験は昨年実施されたが、今年に入り研究詳細が論文「Scaling up DNA data storage and random access retrieval」として発表された。

DNAが注目される理由

記憶素子としてDNAが注目されているのはその記憶密度にある。DNAに高密度でデータを格納でき、インターネット上のすべての情報を広辞苑一冊程度の大きさに収納できるとされる。Microsoftは研究成果を元にDNA記憶装置を開発し、数年後にはデータセンターに設置して運用する計画だ。これはプロトタイプとして位置づけられ、Microsoftが自ら次世代ストレージ開発に乗り出すことになる。

現在の記憶媒体が物理限界に近づいている

記憶素子としてDNAが注目されるもう一つの理由は現在の記憶媒体が物理限界に近づいていることがある。長期保存の記憶媒体には光学ディスクやハードディスクなどが使われる。またフラッシュメモリ(SSD)なども使われる。しかし記憶密度は1平方ミリメートルあたり10GB (10^10 B) で物理的な限界に近付きつつある (ハードディスクの場合)。これに対しMicrosoftが開発したDNAは記憶密度が1平方ミリメートルあたり10の18乗バイト (10^18 B) で1億倍高い。記憶密度が格段に高くなり次世代の記憶素子として注目を集めている。

長期の保存が可能になる

また、DNAを記憶素子として使うことで長期の保存が可能になる。DNAはシリコンと異なり柔らかく崩れやすいイメージがあるが、DNAを低温・低湿度で保存すると経年劣化が極めて小さい。事実、マンモスの化石からDNAを取り出し遺伝子配列を読み出すことができるように、数十万年前の情報が正確に保持される。(下の写真、マンモスのDNAからマンモスを再生するプロジェクトが進んでいる。) また、フロッピーディスクやカセットテープは読み出し装置の製造が中止さると使えなくなる。しかし、DNAの読み出し装置 (DNA Sequencer) は人間が存在する限り必要で長期レンジで利用できる。

出典: Wikipedia / Royal BC Museum  

DNAメモリー素子の仕組み

DNAを記憶媒体にするロジックはシンプルである。しかし、それを実際に実行するには高度な技術を必要とする。DNAをメモリーとして使うには情報2ビットをDNAを構成する塩基 (A, G, T, C) にエンコードする:

          00 ➡ A

          01 ➡ G

          10 ➡ T

          11 ➡ C

つまりA (adenine) は00を意味し、G (guanine)は01を意味し、AGは0001となる。ビデオ映像などのデータは0と1で構成されるが、これをAとGとTとCの組み合わせに置き換える。現在の記憶装置は2ビットで稼働するがDNA素子は4ビットで構成されるメモリ素子となる。

ランダムアクセス・メモリ

DNA記憶素子は論理的にはランダムアクセス・メモリ (Random Access Memory) として機能する。パソコンで使われるSRAMやDRAMに相当する。記憶する情報の基本単位(レコード)を定義し、ここにIDやアドレスやペイロードを設定する。情報を書き込むときこの構成のDNAを生成する。このプロセスはDNA Synthesisと呼ばれ、DNAの塩基を特定の配列に組み上げる。今では多くのベンチャー企業が登場しDNA Synthesis技術が高度に進化している。

データ読み出し方法

生成されたDNAは容器 (DNA Pool、下の写真) に入れて保存される。DNAを読み出す際にはDNA読み出し装置 ( DNA Sequencer) を使う。遺伝子解析の時と同じ要領で、容器の中のDNA配列を読み出す。これはSRAMに記録されたデータを読み出す方式に似ており、データにランダムにアクセスし、IDやアドレスをキーに論理ファイルを組み上げていく。

出典: Lee Organick et al.  

DNA生成速度とコストが課題

遺伝子解析の進化でDNA読み出し技術は急成長し、Illumina社などから製品が提供されている。かつては人の全遺伝子解析ではコストが27億ドルとされたが、今ではこれが1000ドル程度でできる。一方、課題はDNA生成のプロセスで、如何に高速でDNAを生成できるかがカギになる。DNAという生物体を生成するため時間がかかりコストも大きい。現在、DNA生成速度は毎秒400 バイトで200MB生成するためには80万ドルかかると推定される。商用化にはDNA生成の速度を上げ価格を下げるためのブレークスルーが必要となる。

合成生物学の進化

DNAを編集して記憶素子を生成するだけでなく、編集したDNAを微生物に組み込んで新しいマテリアルを生成する技術が急速に進化している。これはSynthetic Biology (合成生物学) と呼ばれ、新薬の開発や新素材の合成に応用されている。従来のBiologyと最新のITが融合し新しい産業が生まれている。