利用光來操控基因和蛋白質等生物分子功能的技術研究不斷進步。東京大學開發出了利用可以到達身體深處的紅色光來開啓和關閉目標基因功能，或者切除部分基因功能的技術。該技術使用當受到光照射時其結構發生變化的「光開關蛋白」。此前主要用光觀察生命現象，此次的研究表明光還可以用作爲控制的手段。到2030年前後光或許能爲冶癒疾病等做出貢獻。
利用發光二極體在小鼠肝臟内誘導了DNA重組反應（供圖：東京大學）
率先推進光開關蛋白研究的是東京大學的佐藤守俊教授等人組成的研究團隊。2022年6月份，該研究團隊宣佈與神奈川縣立產業技術綜合研究所和理化學研究所等共同開發出了可利用紅色光有效控制功能的光開關蛋白。儘管此前也開發過利用藍色光的光開關蛋白，但藍光會被身體組織吸收，很難到達身體深處，而紅光不易被身體組織吸收，可以克服這個缺點。
佐藤教授等人的研究團隊着眼於「抗輻射細菌」所擁有的一種蛋白質，這種蛋白質遇到紅光後結構會發生變化。研究團隊設計了結構發生變化時會像磁鐵一樣粘在一起的另一種蛋白質。
在研究中，研究團隊使抗輻射細菌的蛋白質與可以強化基因功能的物質相結合，然後透過Cas9核酸酶使與其粘附的另一種蛋白質與基因結合。當照射紅光時，兩種蛋白質會粘附在一起，強化基因功能，關閉光後基因則停止工作。細胞實驗應答，照射紅光時，基因的功能最大可強化378倍。
研究團隊還調查了從體外向注射了該反應所需的分子等的小鼠照射紅光時的效果。活體內的基因功能最大強化約50倍。
此外，還開發了利用光切除部分基因的技術。把能在目標位置切除DNA鹼基序列的酶分成兩半，分別與照射紅光時粘附的蛋白質片段結合。照射光後，被分割的酶粘附到一起，功能恢復，可以在目標位置切除DNA。與以前嘗試的方法相比，利用紅發光能量以27～46倍的效率高效切除DNA。
針對這項技術，研究團隊向小鼠活體內注射反應所需的分子等，調查了從體體外曝露紅色時的效果。應答到切除DNA的酶在肝臟中被激活。
此次開發的技術有望用來開發調查或操控身體深處組織的特定基因功能的方法。可用於明確尚不清楚詳細機制的生命現象，或者冶癒遺傳病等利用以往的技術難以克服的疾病等。
佐藤教授已經成立了一家初創企業Miibio（東京都港區），以便將光開關蛋白應用於醫療等領域。計劃透過該公司和神奈川縣立產業技術綜合研究所等，加速將其應用於藥物的研究。
克服「光遺傳學」存在的問題
| 利用光操控基因和蛋白質的技術動向與未來展望 | |
| 2005年 | 美國研究人員等利用結構隨着光改變的膜蛋白開發出“光遺傳學” |
| 2000年代上半期 | 開始研究利用光操控基因的技術 |
| 2015年 | 東京大學開發出利用藍光控制基因體編輯的方法 |
| 2022年 | 東京大學等開發出利用紅光起動和關閉基因功能或者切除部分基因功能的方法 |
| 2030年前後 | 利用光控制基因功能藥物投入使用 |
| 2050年前後 | 利用可穿戴設備等，結合身體資訊用光控制基因功能的冶癒技術投入使用 |
這種被成爲「光遺傳學」的技術出現於2005年，它利用光控制蛋白質等的功能。主要以神經細胞爲物件，推進了旨在瞭解和冶癒疾病的研究，眼科領域等還實施過臨牀試驗。2021年，爲光遺傳學的隊形變換做出貢獻的3位科學家獲得了被稱爲諾貝爾獎敲門磚的美國拉斯克獎。
然而，光遺傳學目前能應用的細胞和組織有限。而東京大學等開發的方法對細胞種類沒有侷限，具有高度的通用的性。2015年，佐藤教授等人開發了透過使用藍光的光開關蛋白控制基因體（全部遺傳資訊）編輯的方法，之後用了約2年時間將其隊形變換爲起動和關閉基因功能的方法等。
用光操控基因的方法與直接向活體內植入或切除基因的冶癒相比預計不易出現副作用。還可以進行僅針對癌細胞的基因操作等。
到2030年前後，有可能出現利用光控制疾病致病基因功能的藥物投入使用。到2050年前後「可能會實施結合血糖值等可穿戴設備測量的身體資訊，透過照射光僅在需要時起動或關閉基因功能的冶癒」（佐藤教授）。
原文：藤井寬子、《日經產業新聞》，2022/7/8
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Biotechnology
論文：A red light–responsive photoswitch for deep tissue optogenetics
DOI：10.1038/s41587-022-01351-w
URL：nature.com/articles/s41587-022-01351-w
