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半分以下の時間と10分の1のコストでDNAフラグメントを合成する―長鎖DNA合成用核酸合成機とは

本記事は、産学連携により生み出されたサービスやプロダクトを紹介する連載です。アイデアをかたちにするために、研究の力をその背景から連携の裏側、残した成果や今後の応用可能性を解説します。

「M-96-LD 長鎖DNA合成用核酸合成機」は、NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)の研究プロジェクトに参画している神戸大学と日本テクノサービス株式会社の共同研究成果をもとに、日本テクノサービス株式会社によって製品化されたものです。この装置の登場により、長鎖DNAの合成に必要な短いDNAフラグメント(200塩基、96本)を、従来の半分以下の時間と10分の1のコストで一括合成することが可能になりました。

経済産業省が打ち出した「スマートセルインダストリー」(高度に機能がデザインされ、機能の発現が制御された細胞を用いて生み出された産業のこと)を進めていく上での基盤技術として期待されています。

図1 M-96-LD 長鎖DNA合成用核酸合成機(日本テクノサービス株式会社製)

http://www.kobe-u.ac.jp/images/research_at_kobe/news/2018_10_09_01.jpg

 

図2 「植物等の生物を用いた高機能品生産技術の開発」(NEDO)

http://www.nedo.go.jp/content/100787892.png

長鎖DNA合成は、「スマートセルインダストリー」の核となる超高速微生物育種にとって必要不可欠な要素技術です。既に多くのニーズが存在するものの、特に10kb(キロベース;DNAの塩基対1000個の長さを意味する単位)を超える長鎖DNAを合成できる会社は稀で、短鎖の合成に比べると合成にかかる難度が高くなるために納期が長くなり、合成コストも高くなる傾向にあります。

一方、高い技術を持つ一部の企業が開発した長鎖DNA自動合成装置は市場に出回り始めており、世界的な開発競争が起こりつつあります。NEDOでは、2016年度より「植物等の生物を用いた高機能品生産技術の開発」プロジェクトを立ち上げ、その中の研究テーマ「高生産性微生物創製に資する情報解析システムの開発」において、委託研究機関や企業を通じて長鎖DNA合成の技術開発を進めています。本製品の試作機は、2018年10月10日から12日にかけて開催された展示会「BioJapan2018」のNEDOブースで展示され、高い注目を集めました。

長鎖DNA合成には、短いDNAフラグメント(断片)の連結が必須工程となります。

慶應義塾大学が2003年に開発した「OGAB(Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis)法」は、これまで長鎖DNA合成に用いられてきたGibson Assembly法やGolden Gate法に比べ、

・連結の正確性の高さ
・合成するDNAの長さが長くなっても作製効率の変化が少ない点
・連結に用いるDNAの糊代が3〜4塩基と少なくて済む点

等の面で有利な合成法でした。

一方で、OGAB法では素材となるDNAフラグメントの長さを均一にするための工程で熟練の技術が必要になります。また、取り扱うDNAフラグメントの数が多いことから、原料となる短いDNAフラグメントを正確に合成することが喫緊の課題となっていました。そのため、OGAB法における機械化・ハイスループット化による煩雑・熟練工程の回避と効率化は、競争力のあるバイオものづくりを目指すための必達目標と考えられていました。

表1 主なDNA合成法の比較

http://www.nedo.go.jp/content/100805435.pdf

神戸大学は学内に「バイオプロダクション次世代農工連携拠点」を設立し、生物を遺伝子レベルでデザインする「バイオファウンドリー」の基盤を確立すべく、バイオと化学の融合研究を行う開発体制を築いています。一方、日本テクノサービスは1995年よりDNAの受託合成サービスを開始し、核酸合成機の自社製造にも手がけるなど、長年にわたってDNA合成に関連した事業を一気通貫で展開している会社です。

植物生産に関する研究基盤を有する神戸大学と、核酸合成の受託サービスおよび機器開発の豊富な実績を有する日本テクノサービスがNEDOの研究プロジェクトを介して連携することにより、研究資金の面でのサポートを受けながら具体的な出口としての新製品開発につなげていくことができました。

「M-96-LD 長鎖DNA合成用核酸合成機」はまだ試作機の段階であるため、実際の使用例は今後順次増えていくものと期待されます。

参考文献
1. Construction of an infectious horsepox virus vaccine from chemically synthesized DNA fragments
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0188453
2. 化学合成DNAを高速で安価に生産可能な核酸合成機を開発
―微生物由来の高機能医薬品原料や工業材料などの開発加速に期待―
http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101029.html
http://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/collaborations/2018_10_09_01.html
http://www.ntsbio.com/library/5785fcc351fc3cd15dbb1211/5bbbf13a01f909903bf46e15.pdf
3. 日本独自の超高速微生物育種プラットフォーム「スマートセル・ファウンドリ」の開発
http://www.nedo.go.jp/content/100805435.pdf
4. OGAB法の原理
http://www.trahed.or.jp/OGAB_basis.html
5. 第二世代OGAB法の概要
http://www.trahed.or.jp/2G_OGAB_overviews.html
6. 産業技術研究開発(革新的バイオマテリアル実現のための高機能化ゲノムデザイン技術開発)(プロジェクト)技術評価結果報告書(終了時評価)(案)
http://www.meti.go.jp/committee/sankoushin/sangyougijutsu/kenkyu_hyoka/hyoka_wg/pdf/040_02_00.pdf
7. 日本医療研究開発機構 次世代治療・診断実現のための創薬基盤技術開発事業 事後報告書
https://www.amed.go.jp/content/000035611.pdf
8. ゲノム再編集のための遺伝子クラスター単位の構築
https://katosei.jsbba.or.jp/download_pdf.php?aid=668
9. 枯草菌による遺伝子集積法のOGAB法による長鎖DNA合成
https://www.sbj.or.jp/wp-content/uploads/file/sbj/9309/9309_tokushu_2.pdf
10. ゲノムスケールのDNA合成及びその機能発現技術の確立と物質生産や医療の技術シーズの創出
http://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/30/03/attach/1402605.htm
11. スマートセルインダストリーの創成に向けて スマートセル分野における国内外の研究開発動向
http://www.nedo.go.jp/content/100870414.pdf

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