2020年獲得諾貝爾化學獎的基因組編輯，作為改寫生物遺傳資訊的劃時代技術，其產業化應用正日益活躍。由日本廣島大學基因組編輯創新中心主任山本卓教授與該校研究生院綜合生命科學研究科、基因解析專業的坊農秀雅教授共同主導的「Bio-Digital Transformation（生物DX）產學共創基地」，正在推進生物數位化和程式設計化的研究開發工作。該基地的目標是推動研究成果的社會化應用，並為實現生物經濟社會作出貢獻。
實現生物經濟社會
逾50所大學和企業參與
實現「不讓任何一個人落伍」的可持續發展生物經濟社會——提出這一口號的是入選JST共創場所形成支援項目的「BioDigital Transformation（生物DX）產學共創基地」（以下簡稱生物DX基地）。該基地由廣島大學牽頭，30多所大學及研究機構、20多家企業參與，目標是通過生物擁有的功能來解決食品、健康、能源等問題，為實現SDGs（可持續發展目標）作出貢獻。
生物DX基地的特點在於將生物的「數位化」與「程式設計化」相結合。所謂生物的數位化，是指對生物的遺傳資訊進行解讀和解析，使其能夠通過電脳進行模擬。所謂生物的程式設計化，是指基於數位化所獲得的知識，利用基因組編輯技術，對作為生物遺傳資訊的DNA鹼基序列進行改寫，創造出有用的生物。
圖1 生物DX基地提出的三個目標。
數位化方面，由長期研究以電脳解析生物數據的「生物資訊學」的廣島大學坊農秀雅教授帶領相關研究機構進行。負責生物程式設計化的，是在基因組編輯領域擁有研究諸多業績，並擔任項目負責人的廣島大學山本卓教授。生物DX基地的優勢在於以坊農教授和山本教授為首，集結了各相關領域的頂尖人物。
廣島大學將生物DX基地定位為2021年結束的JST產學共創平台共同研究推進項目（OPERA）「‘基因組編輯’產學共創聯盟」的後續組織。山本教授表示：「OPERA在集結全日本力量的體制下推進研究，在基因組編輯方面取得了諸多成果。生物DX基地的理念就是要基於這些研究成果，進一步加速社會化應用。」以實現「通過生物DX引領可持續發展的生物經濟」為目標，生物DX基地提出了三個目標（圖1）、四項研發課題和六個最終目標（圖2）。
圖2 按目標劃分的研發課題與最終目標。力爭在2031年度前實現。
母校重逢成契機
開發Platinum TALEN
在生物DX基地中，最接近實用化且受到媒體關注的是不含引發雞蛋過敏物質的「低致敏雞蛋」的開發課題。該課題是廣島大學研究生院綜合生命科學研究科的堀內浩幸教授長期以來一直在推進的項目，通過活用基因組編輯技術，終於臨近了實用化。
引發雞蛋過敏的原因物質有多種。其中，蛋清中的「卵黏蛋白（OVM）」這一蛋白質成分強耐熱，即使加熱處理依然會引發過敏。對此，堀內教授認為，剔除了生成OVM基因的雞所產的雞蛋，就不會引發雞蛋過敏。最初研究團隊採用了轉基因技術，但開發遭遇難題——進行轉基因時，外源基因不僅會進入目標位置，還可能進入其他部位，結果導致細胞出現異常。在當時的技術手段下，大約九成的細胞會變成異常細胞。就在堀內教授尋求解決方案的時候，他在母校重逢了學生時代曾在廣島大學基因實驗設施一起從事研究的山本教授。
兩人雖然都更換了工作部門但在研究上依然時有交集，這次重逢使得堀內教授決定導入基因組編輯技術。目前基因組編輯的主流技術是於2020年獲得諾貝爾獎的「CRISPR-Cas9」。然而，該方法在經過改寫的DNA序列方面存在限制，可能無法完全剔除OVM基因的可能性。
為此，堀內教授等改良了名為「TALEN」的基因組編輯技術，採用了由山本教授等獨立開發的「Platinum TALEN」技術。堀內教授強調該技術的優勢稱：「Platinum TALEN幾乎可以自由設計，能夠將基因完全去除。由廣島大學的初創企業Platinum生物（廣島縣東廣島市）管理專利，權益關係明確，因此產業化應用的門檻也更低。」
製備OVM敲除雞蛋
臨床試驗成功後還考慮推向海外
研究首先使用Platinum TALEN技術對精子和卵子前驅物的原始生殖細胞進行基因組編輯，破壞生成OVM的基因（敲除）。然後利用基因被破壞的精子和卵子製成受精卵，並進行孵化（圖3）。堀內教授等通過對由此誕生並成長的雞所產雞蛋進行了蛋白質水平分析，確認其不含OVM（圖4-A）。此外，通過利用抗體與抗原特異性相輔作用檢測蛋白質的免疫記憶痕跡法，確認未檢測到作為基因組編輯副產物可能出現的變異OVM（圖4-B）。
圖3 由敲除生成OVM基因的精子和卵子誕生的雞。A為黃斑普利茅斯洛克雞，B為羅得島紅雞，黑色和茶色個體為排除了OVM基因的雞。
圖4 通過蛋白質水平分析確認，排除OVM基因的雞所產雞蛋中不存在OVM（A），且未檢測到作為基因組編輯副產物可能出現的變異OVM（B）。
作為基因組編輯中的一般性風險，存在將突變引入到非目標基因部位的脫靶效應。為此，堀內教授等人對本次基因組編輯產生的雞進行了全基因組解析，並採用次世代鹼基序列解析技術確定其全基因組DNA序列資訊。結果表明，未觀察到因Platinum TALEN而導致其他基因插入或在其他基因區域導入變異的脫靶效應。
將這樣製成的不含OVM的低致敏雞蛋加熱並製成粉末後，讓雞蛋過敏人群攝取的臨床試驗正在相模原醫院臨床研究中心持續開展，目前已有30人完成試驗，預計到本年度末累計將完成約50人的試驗。若在該臨床試驗中能偶確認安全性，則計畫在2年後投放市場，並考慮向東南亞和印度拓展。一旦這項源自日本的技術得以實用化，將可能為全球雞蛋過敏人群帶來希望之光。
為實現社會化應用，山本教授強調，關鍵在於創造出人們迫切需要的產品。他表示：「低致敏雞蛋對於想吃雞蛋卻無法食用的人及其家人來說，是一個極為渴望的東西。另一方面，也可能有人因不瞭解基因組編輯而感到不安。我們認為，通過對技術進行細緻說明，並通過對話讓大家理解，是非常重要的。」
「代謝通路」的解析不斷推進
數位化育種邁向社會化應用
為利用基因編輯生產有用物質或明確疾病成因，有必要事先掌握實施基因編輯對象生物的基因組資訊。然而，目前絕大多數生物的基因組資訊尚未被破譯。昆蟲作為生物DX基地目標1研發課題中的最終目標之一，同樣面臨這一問題。
在生物DX基地，主導基因組破譯與解析研究的坊農教授此前曾花費約15年的時間研究家蠶，分析與巴金森氏症具有類似特徵的變異體。他的成果是成功闡明瞭與巴金森氏症病態相關物質在體內合成與分解的機制。坊農教授強調了基因組破譯與解析的實用價值：「家蠶具有合成大量蛋白質的特性。如果能夠讓其大量合成病原體的蛋白質，就有可能作為疫苗加以利用。」
要在生物體內量產有用物質，僅對基因序列進行解析並不足夠。還需要對實際發揮功能的基因、所含物質進行全面解析，並明確這些物質的「代謝通路」——通過何種反應過程生成的。
對此，坊農教授在電脳上重現代謝通路，並對改寫某一基因時整個代謝通路將如何變化進行了模擬計算。他表示：「現階段，即使希望生產有用物質，大多數情況下其代謝通路都未明晰。通過模擬提出多個通路方案，將實驗中驗證成功的方案推進至社會化應用，這種方式正變得重要起來。」
這種利用實驗獲得的基因組序列與基因表現數據以及已公開的數據，將生物數據數位化並進行模擬，從而選定基因編輯目標基因的方法被稱為「數位化育種」。坊農教授等人與企業也在開展聯合研究。與殺蟲劑製造商合作進行的對耐藥臭蟲的基因組解析成果，今後有望推動開發出更有效的殺蟲劑。
實現第一代基因組編輯的國產化
同時致力於激活地區產業
致力於開發能夠產業化應用的基因組編輯工具的山本教授強調了國產化與自動化的重要性。國產工具更便於國內企業使用，如果能夠從高速自動生成的工具中篩選出更為有效的方案，還有望進一步實現低成本化。目前山本教授所關注的是1996年問世的第一代基因組編輯技術——「鋅指核酸酶（ZFN）」（圖5）。ZFN在工具製作上耗時且成本高，因此過去並未能夠得到廣泛應用。之後，2010年TALEN問世，2012年登場的CRISPR-Cas9已在全球各地的研究室中得到應用。
圖5 ZFN-ND1示意圖。由與DNA結合的鋅指蛋白（DNA結合結構域）和切割DNA的限制性酶（核酸酶結構域）構成的人造限制酶，通過改造DNA結合域，可以將任意序列作為靶標。
由於這兩種技術已取得專利，需要支付高額許可費，可能成為實現所開發技術商業化的障礙。而ZFN的相關專利已到期，只要解決工具開發在時間與成本上的課題，便有可能成為一種有價值的選擇。山本教授等人正在推進開發數位化流程工具，以實現ZFN工具的製作自動化。山本教授展望稱「目標是讓技術輔助人員設定後，三天後即可在培養細胞中使用」。
生物DX基地中除了上述研究之外，還在推進利用被稱為微藻的微小單細胞藻類來量產生物燃料及功能性成分二十碳五烯酸（EPA）的研究。此外，還致力於細菌的基因組編輯技術開發，作為長期目標，還將培育不產生花粉的杉樹。
生物DX基地還與地區產業進行共創。山本教授等人與廣島縣當地的食品製造商及造酒企業合作，開展與地區產業直接相關的生物基因組解析等工作，今後希望能夠進一步加快與本地企業的合作。同時，廣島大學高度重視將研究生教育與產學合作中的實際課題相結合，推進學生的培養。坊農教授表示，在大學這一方針的推動下，通過該項目取得碩士與博士學位的畢業生已開始活躍在產業界及研究領域，坊農教授滿懷期待地表示「今後年輕一代研究人員將取得怎樣的成果，十分令人期待」。（TEXT：島田祥輔、PHOTO：松井hiroshi）
原文：JSTnews 2025年11月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
