酵母細胞のコミュニケーションシステムの進展

単細胞から多細胞生物への移行は、生物の歴史において重要な瞬間なんだ。これによって、細胞が一緒に働く方法がより複雑になった。主に細胞同士がコミュニケーションを取り合い、くっついて、異なる役割を持つようになったからだよ。酵母、特にサッカロミセス・セレビシエは、科学や産業でよく使われる生物だけど、普通は単細胞で生きてる。とはいえ、科学者たちは酵母を外部の信号に応じて細胞の機能を変えるように改変するツールを作り出した。でも、酵母にはまだ細胞間のコミュニケーションを促進したり、くっつくためのツールが不足してる。

多細胞生物では、細胞間のコミュニケーションが多くの機能を果たすために必要不可欠なんだ。細胞が互いに話す方法は、オートクライン、パラクライン、エンドクライン、ジュクスタクライン信号の4つがある。最初の3つは空気や空間を通じて信号を送るけど、ジュクスタクライン信号は細胞同士の直接的な接触に依存している。例えば、シナップスシステムは哺乳類の細胞がくっついて、より複雑な構造を作るのを助ける。

科学者たちは、動物細胞で接触ベースのコミュニケーション方法を使うのが上手だけど、酵母にはこれらの方法を適用していない。これは多くの研究や薬の開発にとって重要なんだ。これまでの研究では、酵母が哺乳類細胞と相互作用する方法や免疫応答を調べることが探索されてきたけど、酵母細胞同士の直接的な信号システムはまだ存在していない。そんなシステムの開発が、合成生物学を大きく前進させるかもしれない。

#酵母におけるGPCR信号

多くの細胞で重要なコミュニケーション方法はGPCR（Gタンパク質共役受容体）信号だ。GPCRは細胞が周囲を感知して反応するのを助ける。酵母では、これらの受容体が特定の信号、例えばα因子を感知して交配行動を調整する。このペプチドは酵母によって分泌され、他の酵母細胞のGPCRによって認識される。感知されると、細胞内部で一連の反応が起こり、遺伝子発現が変化する。

科学者たちは、哺乳類と酵母由来のGPCRを使って、酵母で分泌された信号を通じてコミュニケーションや行動を促進するのに成功している。でも、直接的な接触に基づいてこれらの信号ペプチドの可用性を作ることで、ジュクスタクラインコミュニケーションシステムを作る可能性がある。このアイデアを、酵母同士がくっつく方法と組み合わせれば、多細胞構造の作成に向けた道が開けるかもしれない。

#MARSツールキットの設計

細胞間接触に基づくコミュニケーションシステムを構築するために、研究者たちはMARS（Mating peptide-Anchored Response System）というツールキットを設計した。このシステムは、表面ディスプレイ技術を使って酵母細胞の表面に異なる信号ペプチドを付ける。これらのペプチドは、近くの酵母細胞のGPCRと相互作用できる。

MARSシステムは、交配ペプチドα因子を表面に表示するように設計された特殊な酵母株を使って作られた。2種類の酵母細胞が工学的に作られた：ペプチドを表示するディスプレイ細胞と、信号を受け取るGPCRを持つセンサー細胞。センサー細胞のGPCRが表示されたペプチドに結合すると、一連の反応が引き起こされ、遺伝子発現が変化する。

MARSシステムの初期テストでは、ディスプレイ細胞が近接しているときにセンサー細胞を活性化できることが示された。これは、静止状態と振動状態の実験を比較することで確認された。結果は、細胞が接触していないとき、信号が効果的に機能しないことを示唆していた。

#MARSの機能向上

初期テスト後、研究者たちはMARSシステムを改善して、信号をより効果的に促進できるようにする必要があった。彼らは信号ペプチドの表示方法や、ペプチドが酵母細胞表面にどのようにリンクされているかを試行錯誤した。ペプチドと表示タンパク質の間のリンカーを改良することで、GPCRとの結合相互作用を強化することを目指した。

表示ペプチドの向きを変えたり、リンカーの長さを変えたりするなど、いくつかの戦略が試された。最終的には、ペプチドの始まりにあるアミノ酸の組み合わせが細胞信号を改善する重要な要因として特定された。

最適化により、直接接触しているときのセンサー細胞の活性化が向上した。さらなる実験によって、信号システムは2種類の細胞が直接接触したときに最も効果的に機能することが確認され、効果的なコミュニケーションのために物理的な接触が重要であることが強調された。

#MARSツールキットの拡張

MARSを使って利用できるコミュニケーション方法のバリエーションを増やすために、研究者たちは追加のGPCRセンサーを探索した。既存のシステム内で表示されるペプチドやGPCRを置き換えることで、効果的に機能する新しいペアを特定した。これらの新しいペアの最適化によって、接触依存の信号オプションの幅広い選択肢を確立した。

テストされたペプチド-受容体ペアは、細胞が接触しているときとそうでないときで明確な反応の違いを示した。これらの結果は、ペア間にかなりのオルソゴナリティがあることを示していて、互いに干渉することなく独立して動作できることを意味している。

#多細胞論理回路の作成

エンジニアリングにおいて、単細胞生物は新しいDNAを取り込んだり、複雑な回路を処理する能力が限られているという課題に直面している。多細胞システムを開発することで、タスクを分担でき、複雑な行動を促進できるかもしれない。研究者たちは、これらの可能性を示すためにMARSを使って多細胞論理回路を設計することを目指した。

チームは、異なる細胞間でのコミュニケーションを可能にするスケーラブルな回路を構築した。各細胞の連鎖は、定義されたシーケンスを通じて信号を伝達でき、効果的な協力を実現した。実験では、信号が伝播するためには細胞同士の直接接触が依存していることも示され、これらのシステムにおける物理的相互作用の重要性が確認された。

MARSを使ってOR、NOR、AND、XORゲートなど、さまざまな論理ゲートが作られた。信号の特定の条件を設定することで、研究者たちはこれらの論理回路が酵母細胞のグループ内で行動を制御する方法を示した。

#SATURNツールキットの導入

多細胞システムに必要な重要な特徴の一つは、接着性で、細胞がくっつくことを可能にする。酵母は自然に塊を形成できるけど、これらの集合体は選択的ではない。SATURN（Saccharomyces Adhesion Toolkit for mUlticellular patteRNing）というツールキットが開発され、工学的に改変された酵母細胞同士の選択的な接着を実現した。

SATURNは、酵母細胞の表面に特定のタンパク質ペアを表示するように設計され、これによって他の細胞の相補的なタンパク質に接着できるようにした。研究者たちは、これを促進するために強い結合特性が知られているさまざまなタンパク質ペアを生成した。このツールキットは、表示されたタンパク質の比率に基づいて操作可能な定義された集合体の形成を成功させた。

#MARSとSATURNを組み合わせて高度な相互作用を実現

MARSとSATURNの両方のツールキットが確立されたことで、研究者たちは酵母細胞における信号伝達と接着を向上させるためにそれらを組み合わせようとした。実験では、特定の接着相互作用を追加することで、信号応答の出力レベルが増加することが示された。

異なる細胞タイプの接触を隔離し、相互作用を防ぐ最初のパターン、特定の接着相互作用を通じて選択的な集積を可能にする2番目のパターン、異なる細胞タイプ間の接続を作り、互いに活性化できる3番目のパターンがテストされた。

これらのパターンは、MARSの信号能力をSATURNによる選択的接着と組み合わせることで、酵母集団内での複雑な相互作用を作成する可能性を示した。

#JUPITERシステムの開発

JUPITER（JUxtacrine sensor for Protein-protein InTERaction）は、MARSとSATURNの両方を利用して酵母におけるタンパク質-タンパク質相互作用をモニタリングする新しいシステムとして導入された。このシステムは、2つのタンパク質間の結合強度を細胞内の遺伝子発現の変化にリンクさせる。

JUPITERを使えば、研究者たちはセンサー細胞に1つのタンパク質を表示し、ディスプレイ細胞には別のタンパク質とMARSペプチドリガンドを共同表示できる設計で、直接的な相互作用のモニタリングを可能にした。

JUPITERのコンポーネントを最適化することで、その感度と性能を大幅に向上させ、近い関係のあるタンパク質相互作用を効果的に区別できるようになった。実験セットアップでは、JUPITERが異なる結合親和性を持つさまざまなナノボディを区別できることが証明された。

#JUPITERを使った強化タンパク質のスクリーニング

JUPITERは、強化された結合能力を持つタンパク質を特定して選択するためのスクリーニングツールとして評価された。JUPITERの重要な側面は、ポジティブな相互作用を特定のダウンストリーム出力に結びつけることができ、遺伝子発現出力を必要とする実験に適していることだ。

テストでは、研究者たちは栄養が少ないメディアで成長できる融合タンパク質を設計した。センサー細胞の出力を調べることで、共培養中に特定のナノボディの結合能力を確認できた。実験は成功裏にJUPITERがさまざまなバリアントのライブラリから高親和性バインダーを効果的に区別し選択できることを示した。

#結論

まとめると、MARSとSATURNのツールキットの開発は、特に酵母細胞を操作する上で合成生物学において重要なステップを表している。MARSが細胞間コミュニケーションを可能にし、SATURNが接着の選択性を提供することで、研究者たちは複雑な多細胞構造や行動の創造に向けた新しい扉を開いた。

概念実証のJUPITERシステムは、タンパク質-タンパク質相互作用をモニタリングしながらこれらの相互作用を遺伝子発現応答にリンクさせる能力をさらに拡張している。この研究を通じて開発されたツールや戦略は、薬剤開発、バイオセンシング、バイオ製造などの分野での進展につながり、酵母をモデル生物として使うことで達成できる限界を押し広げることができる。