植田充美 京都大学大学院
渡邉幸夫 京都大学大学院
黒田浩一 京都大学大学院
秦洋二 月桂冠(株)
都築正男 奈良県産業振興総合センター
髙木俊幸 東京大学
濵真司 Bio–energy(株)
野田秀夫 Bio–energy(株);関西化学機械製作(株)
芝崎誠司 兵庫医療大学
白川利朗 神戸大学
北川孝一 神戸大学
瀨脇智満 GLOVACC(株)
谷浩行 大阪府立大学
伊東祐二 鹿児島大学大学院
森岡弘志 熊本大学
福田夏希 熊本大学
宮川(蓑毛)藍 熊本大学
異島優 熊本大学
小田切優樹 崇城大学
伊藤邦彦 静岡県立大学
中木戸誠 東京大学
津本浩平 東京大学
田丸浩 三重大学
岡﨑文美 三重大学
家戸敬太郎 近畿大学
青木航 京都大学大学院
小山正平 大阪大学
高松漂太 大阪大学
三浦夏子 大阪府立大学
片岡道彦 大阪府立大学
末信一朗 福井大学
高山勝己 福井工業高等専門学校
堀克敏 名古屋大学
仲山英樹 長崎大学
2019年6月、内閣府は、11年ぶりに「国家バイオ戦略」を練り直し、新たに「デジタルとバイオの融合」を標榜して、バイオエコノミーの新世界を目指す方針を打ち立てた。
生命や生物現象の分子解析において、ナノポアシークエンサーなどの新登場もあってゲノム配列解読のスピードが急上昇し、ゲノム配列ありきの時代が到来した。ゲノム解析技術の進歩と相まって、材料改革としてモノリス無機材料や超臨界液体などの新材料を用いた高性能ナノ分離やイメージングを取り入れた高度な質量分析など、多くの機器分析も進展してきた。さらに、各種顕微鏡などの高度化による画像解析の進展が一体化してコンピュータの性能やクラウドシステムに代表される記憶容量の高度化と相まって目覚ましく進化しつつある。ただ、生命や生物は、定性分析と定量分析が研究の主流であり、DNAやRNA、タンパク質や代謝物の解析については、不変である。
これらの研究に、さらに、「時間や空間」という要素も加味した解析が取り込まれてきている。生命を構成するこれらの分子を網羅的に解析する、いわゆるゲノミクス、トランスクリプトミクス、プロテオミクス、メタボロミクスが統合した「トランスオミクス」、さらには、それらを融合した「フェノーム(セローム)」解析時代に突入している。ゲノム編集技術なども加わり、集積データは膨大になり、まさに、「ビッグデータ」の解析時代の到来である。すなわち、多種多様な生命分子を分離・同定し定性・定量分析していく技術の高度化(微量化や超高速化も含まれる)とそれらを基盤とする実装とVR (バーチャルリアリテイ)などによる再構成がクローズアップされてきている。
この流れのなかで、生命情報処理技術を基盤としてそれをゲノム研究と結びつけて、 全生物に普遍的に存在するタンパク質の細胞表層への輸送機構の情報の集積解析から生まれた「細胞表層工学(Cell Surface Engineering)」は、アメリカの学会誌で命名され、新しいバイオテクノロジー研究領域「細胞表層の開発」が誕生した。現在、原核生物から、酵母を始め、植物・動物などの真核生物も材料にした「細胞表層工学」は、基礎的にも応用的にも世界で活用されてきている。Springer Natureからも“Yeast Cell Surface Engineering - Biological Mechanisms and Practical Applications”の成書が2019年に発刊された。生命のビッグデータの情報を、積極的に、かつ、論理的にもしっかりと整理し、それから導き出す新しい成果や概念(例えば、合成生物学や細胞工場)を、産学官の医療・創薬・モノづくり・環境などの研究領域の新しい展開研究や実用的な製品にしていく新しい時代のイノベーションの世界の基盤の確立の一例としてこの「細胞表層工学(Cell Surface Engineering)」は、先導的役割を果してきている。
現在、これまで本シリーズで取り上げてきたマルチオミクスやナノテクノロジーの目覚ましい発展と,既刊の「一細胞解析」、「ビッグデータ解析」や「AI関連のバイオ展開」でも取り上げたICTの技術との融合により,新しいバイオテクノロジーが展開しつつある。このバイオイノベーションともとらえられている展開により,生命の秘められた謎の解読とその応用により生命のもつ真の姿と再現性の担保された実用化への道が着実に見え始めている。
本著では、細胞表層に視点を置きそれを基盤として研究展開をされておられる方々に執筆をお願いしました。ご執筆頂いた先生方には、この場をお借りして深謝いたします。読者の方々には、是非、この機会に本著を利用して、新しい展開を見せ始めたバイオテクノロジーの一つの世界を実感して頂くとともに、可能なら皆さまの発想にこの新しい世界を加味していて頂ければ幸いです。
2020年1月1日
京都大学大学院 農学研究科 応用生命科学専攻 生体高分子化学分野 教授
植田充美
緒論 細胞表層工学の進展
1 はじめに
2 細胞表層工学(Cell Surface Engineering)
3 セルファクトリー構築のための細胞表層工学の実装化
4 タンパク質の機能解析のための細胞表層工学の展開
5 最後に
第1章 エネルギー,環境浄化への応用
1 細胞表層工学によるデンプンやセルロースを利用したバイオエネルギー生産
1.1 はじめに
1.2 統合バイオプロセス(CBP:Consolidated bio–processing)における細胞表層工学の有用性
1.2.1 CBPによる統合バイオ燃料生産
1.2.2 細胞表層工学のCBPへの活用
1.3 デンプンを原料としたエタノール生産
1.3.1 デンプンについて
1.3.2 デンプンからエタノール生産
1.3.3 倍数体酵母の使用によるエタノール生産量の増加
1.4 セルロースを利用したバイオエネルギー生産
1.4.1 セルロースについて
1.4.2 セルロースからの直接エタノール生産
1.4.3 セルラーゼ発現量調節によるエタノール生産量増加
1.4.4 倍数体酵母の使用によるエタノール生産量の増加
1.4.5 還元末端エキソグルカナーゼCBH2提示によるエタノール生産量増加
1.4.6 細胞表層に共提示したセルラーゼ間の相乗作用
1.5 ヘミセルロースを利用したバイオエネルギー生産
1.5.1 ヘミセルロースについて
1.5.2 キシロース代謝能付加によるヘミセルロースからの直接エタノール生産
1.5.3 細胞外キシロース変換によるヘミセルロースからの直接エタノール生産
1.6 リグニン除去によるセルロースからの直接エタノール生産量増加
1.6.1 リグニンについて
1.6.2 ラッカーゼI提示酵母によるリグニン分解がエタノール生産に与える影響
1.7 おわりに
2 スーパー酵母・スーパー麹菌によるバイオリファイナリー技術
2.1 はじめに
2.2 清酒醸造とバイオエタノール
2.3 清酒酵母と細胞表層工学
2.4 清酒酵母に麹菌の機能を付与させる
2.5 バイオマスからのエタノール発酵
2.6 安定な遺伝子発現するための新技術-HELOH法
2.7 スーパー麹菌によるバイオマスの直接分解
2.8 細胞表層工学技術を用いて,醸造微生物をバイオリファイナリー技術へ
3 アーミング酵母を用いた廃棄果実からのバイオエタノール製造方法
3.1 はじめに
3.2 バイオエタノールの原料
3.3 果実の液化
3.4 果実を液化する酵母の開発
3.5 アーミング酵母を用いた柿のアルコール発酵
3.6 おわりに
4 細胞表層工学による海藻からのバイオエネルギー生産
4.1 はじめに
4.2 酵母細胞表層工学を用いたラミナランからのエタノール発酵
4.3 酵母細胞表層工学を用いたアルギン酸の分解
4.4 酵母細胞表層工学を用いたアルギン酸からのエタノール発酵
4.5 おわりに
5 海外未利用バイオマス資源からのバイオ液体燃料生産技術への応用展開
5.1 はじめに
5.2 細胞表層工学のバイオ液体燃料生産への応用に関する既往研究
5.2.1 油脂からのバイオディーゼル生産
5.2.2 糖質からの合成液体燃料
5.3 海外未利用バイオマスを対象とした細胞表層工学の応用研究
5.3.1 特殊オリゴ糖に作用する希少酵素の細胞表層提示とその応用技術
5.3.2 安価なセルラーゼを利用可能にするセルロース系エタノール生産技術
5.4 おわりに
6 アーミング酵母による重金属・環境ホルモン汚染水環境の浄化
6.1 はじめに
6.2 水環境の浄化方法
6.3 生物機能と金属イオン
6.4 新たなバイオレメディエーション戦略
6.5 重金属イオン吸着タンパク質・ペプチドの細胞表層提示による重金属イオンの吸着除去・回収
6.6 重金属吸着酵母の高機能化
6.7 細胞表層デザインによる環境ホルモンの吸着除去
6.8 おわりに
7 細胞表層デザインによるレアメタル・レアアース回収酵母の創製
7.1 はじめに
7.2 レアメタルとその重要性
7.3 微生物機能を利用したレアメタルの吸着・回収
7.4 モリブデン吸着・回収のための細胞表層デザイン
7.4.1 ModEの細胞表層提示によるモリブデン酸イオンの吸着・回収
7.4.2 選択的吸着に向けたModEの改変
7.5 細胞表層デザインによるウラン回収酵母の創製
7.6 細胞表層デザインによるプラチナの還元回収
7.7 おわりに
第2章 医療応用
1 経口ワクチンの開発-新たな免疫誘導ツールとしての細胞表層ディスプレイ
1.1 感染症とワクチンのニーズ
1.2 表層ディスプレイ系のワクチンへの可能性
1.3 魚類ワクチンへの応用
1.4 哺乳類への経口投与～カンジダ症予防ワクチン
1.4.1 Eno1タンパク質の酵母ディスプレイ
1.4.2 乳酸菌ディスプレイ
1.5 予防効果の高いワクチン開発を目指した取り組み
2 ビフィズス菌を用いた新規経口ワクチンの開発
2.1 はじめに
2.2 抗原タンパク表層発現システム
2.3 経口腸チフスワクチンの開発
2.4 慢性C型肝炎に対する経口治療ワクチンの開発
2.5 経口がんワクチンの開発
2.6 まとめ
3 組換え乳酸菌の医薬品への展開
3.1 はじめに
3.2 遺伝子組換え技術を利用した医薬品開発事例
3.3 遺伝子組換え体そのものを利用する開発事例と粘膜免疫
3.4 デザイン乳酸菌の開発事例と臨床応用を目指したものづくり
3.5 デザイン乳酸菌の臨床応用
3.6 まとめ
4 鶏に対する新規粘膜ワクチンの開発
4.1 はじめに
4.2 粘膜アジュバントとワクチン候補抗原タンパク質を表層に発現する大腸菌の鶏用不活化ワクチンへの応用
4.2.1 粘膜アジュバントを大腸菌表層に発現する発現プラスミドベクターの構築
4.2.2 粘膜アジュバントとサルモネラワクチン候補抗原タンパク質を表層に発現する大腸菌の作製および不活化全菌体の鶏への免疫賦活効果
4.3 ワクチン候補抗原タンパク質を表層に発現する大腸菌外膜小胞の鶏用ワクチンへの応用
4.3.1 サルモネラワクチン候補抗原タンパク質を表層に発現するOMVの作製
4.3.2 サルモネラワクチン候補抗原タンパク質を表層へ発現する大腸菌OMVの鶏に対する免疫賦活効果
4.4 おわりに
5 ヒト抗体医薬開発を目指した次世代シークエンサーとファージライブラリによる抗体設計
5.1 はじめに
5.2 アルパカの細胞免疫によるVHH抗体ファージライブラリの構築
5.2.1 アルパカの細胞免疫
5.2.2 VHH抗体ファージライブラリの構築
5.3 細胞パンニングによるガン細胞特異的抗体の単離
5.3.1 フローサイトメータによる細胞パンニング
5.3.2 細胞パンニング後の抗体ファージの細胞に対する結合
5.4 次世代シークエンサーによる網羅的配列解析による抗体同定と機能評価
5.4.1 NGSを使った網羅的配列解析
5.4.2 SOPRAを使った網羅的配列解析と分子系統樹による結合配列の特定
5.5 終わりに
6 ファージディスプレイ法を用いた機能性ヒト血清アルブミンの開発
6.1 はじめに
6.2 HSAドメインIIディスプレイファージの作製
6.3 HSA分子上のBR結合部位の同定
6.4 BR高親和性HSAドメインII変異体の探索
6.5 HSAドメインIIのBR尿中排泄促進剤としての応用
6.6 おわりに
7 ファージディスプレイ法によるヒト型リコンビナントFabの作製
7.1 はじめに
7.2 抗体ファージディスプレイ法
7.2.1 繊維状ファージ
7.2.2 ヒト型抗体遺伝子ライブラリーの構築
7.2.3 パニング法によるヒト型抗体提示ファージの濃縮
7.2.4 抗体クローンのスクリーニング
7.2.5 ヒト型リコンビナント抗体の機能改良
7.3 抗体ファージディスプレイ法によるヒト型rFabの作製
7.3.1 ロタウイルスに対するヒト型rFabの単離
7.3.2 B細胞リンパ腫患者からのヒト型rFabの単離と認識抗原の同定
7.4 おわりに
8 ファージディスプレイ法による抗体改変
8.1 はじめに
8.2 ファージ表面への抗体提示の分子機構
8.3 ライブラリ作製法
8.4 パニングによる抗体取得
8.5 ライブラリ作製時の変異導入箇所の選定
8.6 ファージディスプレイを活用した抗原特異性変換
8.7 人工合成抗体ファージライブラリ
8.8 ファージディスプレイを用いたVHH取得
9 魚類へのワクチン展開
9.1 はじめに
9.2 魚類免疫系の比較
9.3 魚類ワクチンの投与法
9.4 大腸菌発現系によるゼブラフィッシュ抗体の誘導
9.5 酵母発現系によるマダイ抗体の誘導
9.6 抗原発現酵母の経口免疫によるマダイ感染試験
9.7 おわりに
10 医薬展開を目指した抗体および非抗体スキャフォールドバインダーの指向性進化
10.1 概要
10.2 背景
10.3 酵母細胞表層工学
10.4 酵母細胞表層工学による抗体および非抗体スキャフォールドの提示
10.5 抗体スクリーニング戦略のデザイン
10.5.1 抗原
10.5.2 抗体ライブラリ
10.5.3 選択圧
10.6 酵母細胞表層工学の新しい応用
10.7 展望
第3章 免疫療法への展開
1 免疫チェックポイントに対する抗体治療～抗PD–1/PD–L1抗体を中心に～
1.1 要旨
1.2 はじめに
1.3 免疫チェックポイント阻害薬登場までの免疫療法の歴史
1.4 免疫チェックポイントの発見と阻害抗体の臨床効果
1.5 免疫チェックポイント阻害薬 抗PD–1抗体/抗PD–L1抗体の作用機序
1.6 PD–1・PD–L1の細胞表面発現とその制御
1.7 最後に
2 CAR–T細胞療法
2.1 はじめに
2.2 T細胞の活性化
2.3 CAR–T細胞
2.4 血液系腫瘍におけるCAR–T細胞療法の成果と課題
2.5 固形腫瘍に対するCAR–T細胞療法の現状と課題
2.6 固形腫瘍の克服へ向けたCAR–T細胞改良の試み
2.6.1 腫瘍特異的抗原の同定とon-target,off-tumor toxicityの軽減
2.6.2 CAR–T細胞の活性化,増殖,持続性の制御
2.6.3 腫瘍局所へのCAR–T細胞の誘導
2.6.4 腫瘍微小環境の改良
2.6.5 癌細胞のエスケープ防止
2.7 おわりに
第4章 新展開の応用
1 酵素工学への展開
1.1 はじめに
1.2 酵母細胞表層工学を用いた酵素進化の概要
1.2.1 酵素進化の目的
1.2.2 酵素進化のストラテジー概要
1.3 変異酵素ライブラリの作成
1.3.1 酵素の適合性と選択
1.3.2 酵素変異ライブラリの作成
1.4 酵母細胞表層に提示された酵素ライブラリのスクリーニング
1.4.1 Microtitre plateを用いたスクリーニングと機械的自動化
1.4.2 FACS/FADSを用いたハイスループットスクリーニング
1.5 おわりに
2 有機リン検出のための新規酵母創成とセンシングシステム
2.1 有機リン農薬とは
2.2 有機リン農薬の検出法
2.3 OPH酵母細胞表層発現体を用いた有機リン農薬バイオセンサ
2.3.1 GPIアンカーによるOPH酵母表層発現
2.3.2 Flo1PアンカーによるOPH表層提示酵母
2.3.3 pWIFSSigOPD発現体を用いたバイオセンサの構築
2.4 OPHとEGFP共発現体の構築と光導波路を用いた有機リンセンシング
2.5 おわりに
3 バクテリオナノファイバーの細胞表層工学への応用
3.1 はじめに
3.2 バクテリオナノファイバーAtaA
3.3 唯一無二の着脱可能な微生物固定化技術
3.4 オン・ファイバーディスプレイ
3.5 リポソームのファイバーデコレーション
3.6 おわりに
4 中度好塩菌の細胞内と細胞表層を活用した低環境負荷型の機能性飼料添加物の開発
4.1 はじめに
4.2 動的な塩分濃度の変化に起因する浸透圧ストレスに対する中度好塩菌の適応機構
4.3 分離源の異なる中度好塩菌H.elongata近縁株の比較解析
4.4 中度好塩菌H.elongata OUT30018株を細胞工場とした廃棄バイオマスの利活用
4.5 中度好塩菌H.elongata OUT30018株の細胞表層を活用したアーミング細胞工場の開発
4.6 環境中の銅イオン濃度を感知して回収するアーミング細胞の開発
4.7 まとめと今後の展開
5 細胞表層デザインによる酵母耐性工学の確立
5.1 はじめに
5.2 ストレス耐性における細胞表層の役割
5.3 重金属イオン吸着タンパク質・ペプチドの細胞表層提示による重金属イオン耐性の向上
5.4 ランダムプロテインライブラリーの提示による有機溶媒耐性の付与
5.5 ランダムペプチドライブラリーの提示による酸耐性酵母の創製
5.6 おわりに
6 細胞センサーによる環境センシングの多様化
6.1 はじめに
6.2 グルコースセンシング
6.3 イオンセンシング
6.4 タンパク質生産量のセンシング
6.5 リガンドセンシング
6.6 分子間相互作用のセンシング
6.7 おわりに～計測技術との融合を目指して
