Research

私たちは, 生物を単なる部品の集合として扱うのではなく, 生物が本来持つ仕組みを活かした一つのプロセスとして捉え,その中に自然に組み込まれる設計を目指しています.

Research Philosophy

ゲノム解析技術やデジタル技術（データサイエンス, 機械学習など）の急速な進歩により, 生命科学の研究手法は大きく変化しつつあります. かつて生命科学は, 複雑な生命現象を観察し, その仕組みを「読み解く」ことを対象として研究されてきましたが, 現在では膨大なデータに基づいて仮説を立て, 設計し, 実際に確かめる対象へと広がりを見せています.

従来の生命科学は, 生きた細胞や個体を出発点として, その内部で何が起きているのかを明らかにするトップダウン型のアプローチを中心に発展してきました. 一方, 近年注目されている合成生物学では, DNAやタンパク質といった生命を構成する要素を部品として捉え, それらを組み合わせることで生命システムを構築し, その振る舞いを検証するボトムアップ型のアプローチが用いられています. この方法により, 「生命の本質とは何か」「生きているとはどのような状態なのか」「機能はどのように生まれるのか」といった根源的な問いに対して, 設計, 合成, 評価という実験的手法を通じて迫ることが可能になります. このように, 生命の仕組みを理解するだけでなく, 自ら設計, 再構成し, その結果から原理を検証する学問分野が合成生物学です.

私たちの研究室では, この合成生物学の考え方に, 化学工学の視点を融合させた研究を進めています. 化学工学は, 化学反応や物質変換を一つの「プロセス」として捉え, その流れや制御点を理解した上で, 効率的かつ再現よく目的の状態へ導くことを目指す学問です. 生物においても, 転写や翻訳, 代謝反応といった生命活動は, RNAポリメラーゼやリボソームなどの限られた分子リソースを用いながら, 精密に調整されたプロセスとして進行しています.

私たちは, 大腸菌などの微生物が本来持つこれらの内在的な生命プロセスを前提として, その流れを乱すのではなく, あたかも既存の仕組みの一部であるかのように振る舞う人工の遺伝子回路や代謝経路を設計しています. 生命システムを外部から力づくで制御するのではなく, 生物自身が持つ転写, 翻訳, 資源配分の仕組みに自然に組み込まれることで, 生物が自らの判断として動作しているかのようなシステムを構築することを重視しています. このような設計により, 単に機能を発現させるだけでなく, 「なぜその設計は生命システムの中で自然に機能したのか」, あるいは「なぜ内在のプロセスと競合し, 期待どおりに機能しなかったのか」を明らかにすることが可能になります. 私たちは, こうした成功と失敗の両方から得られる知見を, 再現性のある設計則として整理し, 基礎と応用を往復しながら, 生命を精密なプロセスとして扱う合成生物学技術へと磨き上げていくことを目標としています.

Gene Synthesis for difficult-to-synthesize DNA Sequences -難合成DNA配列でも合成可能な人工遺伝子合成技術-

DNAは4種類の塩基（A, T, G, C）から構成されており, 配列設計によってプロモーター, リボソーム結合部位（RBS）, タンパク質コード配列（CDS）, ターミネーターといった「生命の部品」を作り分けることができます. 近年では合成生物学の進展により, 所望の配列を指定して「オーダーメイド」にDNAを合成する人工遺伝子合成技術が実用段階に入っています. 一方で, GC含量が極端に高いあるいは低い領域, 長い反復配列, ヘアピン構造を形成しやすい配列などは, 既存の受託合成サービスにおいても失敗や大幅な納期遅延が生じやすい, いわゆる「難合成配列」として知られています.これらの配列特性は設計の自由度を著しく制限し, 人工遺伝子回路や代謝経路の最適化を試みる上で, 大きなボトルネックとなってきました.

私たちの研究室では, プライマーエクステンションPCR法およびオーバーラップエクステンションPCR法を基盤として改良を加え, 多段階連続アニーリング（温度を段階的に遷移させながら正しいハイブリダイゼーションを促進する温度プロファイル）を組み込んだ独自の反応条件を確立しました. これにより, 従来は合成が困難であったDNA配列に対しても, 設計どおりの配列を高い再現性で合成することが可能となりました. 得られたDNA断片はシーケンス解析によって検証され, 段階的にアセンブリすることで長鎖DNAへと構築されます. これらは, 人工遺伝子回路や人工代謝経路の設計・実装に活用されています. 本技術は, 神戸市に拠点を置く遺伝子治療サービス企業である株式会社シンプロジェンへ技術移転されており, 新薬開発, 再生医療, 高機能酵素の創出など, 幅広い分野への応用が期待されています. 従来は設計段階で排除せざるを得なかった配列領域まで設計空間を拡張できることは, 合成生物学におけるDBTL（Design–Build–Test–Learn）サイクルの加速に直結し, 基礎研究と社会実装の双方において大きな前進をもたらします.

Research Results

  1. 高橋俊介ら, 特開2023-60013
  2. Tsuge K, Takahashi S, Kondo A. Method for synthesizing double-stranded dna. US20190345527A1

Press Release 

  1. 長鎖／難合成性のDNAに対応する遺伝子合成受託サービス
  2. 新規DNA合成技術を開発、神戸大学発ベンチャーに実施許諾
  3. 短時間で長鎖DNA合成が可能な新規技術を開発、「スマートセル」インダストリー創出促進に期待

Pharmaceutical Production by Microorganisms - 微生物による植物由来医薬品生産 -

医薬品原料の多くは化学合成によって大量生産されていますが, 分子構造が複雑な植物由来成分については, 現在でも大規模な植物栽培と抽出工程に依存している例が少なくありません. 植物の生育には時間と手間を要し, 収量は気候や栽培条件に大きく左右されます. さらに, 溶媒使用や輸送を含む環境負荷, 抽出効率や純度のばらつきといった課題が重なり, 医薬品原料の安定供給を実現することは容易ではありません.

私たちはこれらの課題に対し, 微生物内に植物由来の二次代謝経路を再構築することで, 微生物そのものを医薬品生産のための「細胞工場」として設計しています. 特に, 生合成経路を担う酵素群をモジュールとして整理し, 独立に動作する複数の誘導応答系を組み合わせることで, 遺伝子発現量および発現タイミングをきめ細かく制御可能な多入力制御型の遺伝子発現システムを実装しています. これにより, 代謝フラックスの精密な最適化を可能としています.

本アプローチにより, 生合成経路の再構築過程を通じて,「どの酵素反応が律速となっているのか」「どの分岐点を制御することで生成物の選択性が向上するのか」といった代謝経路の作動原理を抽出しています. 私たちは, こうした基礎的理解を土台として,医薬品原料の安定供給や品質一貫性の実現にとどまらず, 未知の微生物資源や新規酵素の探索へと研究を広げ, 基礎研究と社会実装の両面からの発展を目指しています.

Research Results

  1. Vavricka CJ and Takahashi S et al., Nature Communications, 13, 1405 (2022)
  2. Vavricka CJ, et al., Nature Communications, 10, 2015 (2019)

Press Release 

  1. 人工知能による酵素の発見：代謝のミッシングリンクを解読して医薬品を製造する
  2. “スマートセル”開発で医薬品原料の生産性向上に成功 ―微生物の代謝経路と酵素を計算科学でデザイン―

Microbial regulation by synthetic genetic circuits -人工遺伝子回路による微生物制御-

生命は, 長い進化の過程で, 驚くほど精巧かつ柔軟な制御システムを獲得してきました. 細胞内では多数の遺伝子が, 時間, 量, 場所を巧みに切り替えながら発現し, 環境や細胞状態の変化に応答しています. 私たちは, こうした仕組みを理解するだけでなく, 目的に応じて設計し直すことで, 微生物のふるまいを意図どおりに制御することを目指しています. その中核となる人工遺伝子回路は, 環境や細胞状態を検知する「センサー」, 情報を処理・統合する「ロジック」, そして目的の遺伝子発現, 分泌, 代謝を駆動する「アクチュエータ」から構成され, 細胞内で機能する超小型の論理回路と位置づけることができます.

私たちの研究室では, プロモーター, RBS, 転写調節因子, クオラムセンシング素子, リコンビナーゼ, CRISPRi/a などを組み合わせ, 多入力かつ多段階の制御回路を設計しています. 単に回路を作動させることに留まらず, 応答曲線（ダイナミックレンジ, しきい値）, 時間応答（立ち上がり, 減衰）, ノイズ特性（細胞間ばらつき）といった 基礎指標を一つひとつ定量的に評価します.これにより, 単安定状態, 二安定状態（メモリ）, 発振状態（オシレータ）が生じる条件やその安定性を明らかにし, 遺伝子回路の振る舞いを支配する設計則として整理します. これらの回路はゲノムへ統合することで, コピー数変動やプラスミド喪失を抑制し,長期培養やスケール変動に対しても一貫して作動するよう最適化しています.

このように, まず「生命システムを意図どおりに制御できること」を基礎的に実証した上で,「なぜその設計が機能するのか」という作動原理を汎化します. 基礎と応用を往復しながら設計を洗練させることで, 微生物をより信頼性の高いものづくりのプラットフォームへと高めていくことを目指しています.

Research Results

  1. -

Synthetic Biology × Food Chemistry -合成生物学x食品化学による持続可能な食品製造プロセスの開発（共同研究）-

世界的な人口増加, 気候変動, そして限られた資源の枯渇といった課題が深刻化するなか, 食料供給の安定性と持続可能性の確保は, 21世紀における極めて重要な社会的課題となっています. こうした背景のもと, 合成生物学の技術と食品化学の知見を統合し, 食品製造プロセスを根本から見直すアプローチが注目されています.合成生物学を活用することで, 微生物を設計し, 従来の農業生産や化学合成では実現が難しかった食品成分や機能性素材, さらには代替タンパク質を効率的かつ安定的に生産することが可能になります. 一方で, 食品化学との連携により, 生成された成分の風味, 食感, 栄養価, 物性といった食品としての品質を分子レベルで評価・制御することができ, 新しい食品の創出や既存食品の機能強化へとつなげることができます.

私たちの研究室では, この先端的な手法を駆使し, より持続可能で豊かな食文化の実現に向けて研究を進めています. 特に, 発酵技術を応用した酵素による新たな食品加工技術の開発や、食品廃棄物を有用資源へと転換するプロセスの確立など、多角的なアプローチに取り組んでいます. これらの成果は, 食品産業のみならず, 地球規模で進む食料問題の解決や環境負荷の軽減にも大きく寄与すると期待しています.

Research Results

  1. 高橋俊介ら, 特願2023-205878
  2. 高橋俊介ら, 特願2022-119855
  3. Takahashi, S., et al., Food Chemistry: Molecular Sciences, 8, 100195 (2024)

DNA Manipulation and Single-Molecule Imaging/DNA操作と1分子イメージング技術の開発

ヒトゲノムプロジェクトにより, 私たちは膨大な遺伝子配列情報を手に入れました. しかし, それらの多くは「多数分子の平均的なふるまい」を示すデータであり, 個々の分子がどの順序で結合し, どのくらいの時間とどれほどの揺らぎを伴って反応するのかといった「1分子の軌跡」は, 十分に見えていません. 合成生物学で設計した要素が思いどおりに働くためには, この平均の背後にあるゆらぎやレアイベントまで理解することが重要になります.

私たちは、その理解に向けて1分子蛍光イメージングとDNA操作の技術を開発・統合しています. DNA複製や転写, タンパク質間の相互作用などを単一分子レベルで観察することで, 従来の実験手法では見過ごされがちだった微細な動きや瞬間的な変化を捉えることができます. こうした詳細なデータは, 生命現象の真のダイナミクスを理解するうえで欠かせないものであり, 新たな仮説の提案や技術開発の礎となっています.

Research Results

  1. Takahashi, S., et al., Analytical Biochemistry, 662, 115000 (2023)
  2. Takahashi, S., et al., Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 36, 32-44 (2018)
  3. Takahashi, S., et al., Analytical Chemistry, 87, 3490-3497 (2015)
  4. Takahashi, S., et al., Analytical Biochemistry, 457, 24-30 (2014)
  5. Takahashi, S., et al., Sensors, 14, 5174-5182 (2014)
  6. Takahashi, S., et al., Journal of Fluorescence, 23, 635-640 (2013)