ゲスト寄稿 | バクテリアの '脳' はロボットを制御できるか?

「我々は、生命科学的システムを正確に制御するための技術を益々発展させている。」

Ashley Juavinet著

この10年で、私たちが生体システムとやりとりする方法は飛躍的に進歩しました。幹細胞を使って疾患をモデル化したり、ニューロンをオンにしたりオフにしたり、個々の遺伝子を編集したりすることもできるようになりました。基礎研究と治療介入の両方を目的として、生体システムを精密に制御する技術の開発が益々進んでいます。

驚くべきことに、この研究の多くは非常に単純な生物で行われています; 大腸菌は、その一つの例です(そう、時折食中毒を引き起こすのと同じ細菌属 - まあ、少なくともその特定の株)。生物学の主要なモデルとして、大腸菌の生物学的経路や挙動は非常によく研究されています。近年では、遺伝子のスイッチ、細胞周期のカウンター、生物体内のイベントのタイマーなど、様々な役割を持つ合成遺伝子を大腸菌に挿入する研究が進められています。2014年の研究では、マウスの腸内で起こっているイベントを感知し、記録することができる大腸菌をも設計しました。この研究は、腸の疾患の検出や診断に合成生物を使うことができる日が来るかもしれないということを示唆しています。

このような合成生物学の進歩に基づいて、他の研究者たちは、マクロスケールでのインプット―アウトプット反応を研究するために、生物のコミュニティを利用しています。ご想像の通り、単一の大腸菌の生物学的ネットワークを理解するだけでも非常に困難であり、したがって何百万、何千という大腸菌間のネットワーク相互作用を解明することは気が遠くなるようなことです。しかし、合成生物学とマクロスケールの研究を組み合わせることで、このような「バイオミメティック」システムを活用して、原始的な生命体でさえも驚くほど複雑な行動をとることが理解できるようになります。

そのような研究の例として、バージニア工科大学による最近の研究では、研究者は、大腸菌のアウトプットを読み取り、それを使用して、様々な刺激に対し車に指示を出すことができるようなシステムを設計しました。簡単に言えば、遺伝子組み換えされた大腸菌のコミュニティから小さなマイクロバイオームを作り、それをリモコン車に接続して、大腸菌の活動を解釈することを提案したのです。環境の変化がレポーター遺伝子の発現の引き金となり、「マイクロケモスタット」が電圧に変換し、最終的にこの電圧変化を利用してロボットホストを制御することができます。前述の遺伝子スイッチをモデル化することで、研究者らはマイクロバイオームの食べ物の嗜好を切り替えることができました。一方の構成のスイッチでは、マイクロバイオーム誘導ロボットはラクトースを好んだが、他方の構成ではアラビノースを好んだのです。

このプロジェクトの目標は、宿主とマイクロバイオームの相互作用を調べる方法を確立し、そのバイオミメティックシステムのユニークで新しい特性を探索することでした。その設計はコンピューター上のモデルですが、いくつかの説得力のある特性を示しました。興味深いことに、研究者たちは、ロボットは、ゆっくりと食べ物に近づき、一時停止した後、素早く攻撃するというパターンで移動することが多いことに気づきました。驚くべきことに、大腸菌のコミュニティから情報を読みだしても、通常はより複雑な生物に帰属する行動を模倣することができます。

最終的には、このようにしてマイクロバイオーム「脳」とそのロボット宿主の相互作用を研究することで、腸内に生息する細菌叢などの細菌が、私たちの健康や気分にどのように影響を及ぼすのかを理解することに、さらに一歩近づきます。うつ病、自閉症、肥満などの人間の症状をマイクロバイオームに結びつけるエビデンスが増えています。おそらくいくつかの行動特性もマイクロバイオームに結びつけることができます。確かに、マウスにプロバイオティクスを移植するとストレスレベルが下がるという実験結果もありますし、ミバエの交尾行動を細菌で操作できるというエビデンスもあります。(不気味だけど、同時に印象的!)

「何かを単独で選びだそうとすると、それが宇宙の他のすべてのものと結びついていることに気づく。」

- John Muir, 1911

技術革新は、しばしば自然からヒントを得て、神経科学や生物学の原理に基づいて、より速く、より効率的な機械を作ろうとします。遺伝子組み換え生物のように、目先の目的のために自然界を改変することはよくありますが、これらの改変は、興味深い行動の根底にある計算を研究するためにも利用することができます。2015年の細菌ロボット研究の著者たちは結論として、「我々は、[我々の]モデルシステムが、合成生物学および生態学から移動ロボティクスに至るまでの分野で意味を持つことを期待している」と述べています。大腸菌主導の車に乗って移動する時がすぐに来ることはありませんが、この小さくても精巧な生物が完成した計算は、我々が機械を構築する方法に、最終的には影響を与えるかもしれません。また、実際には、個人としての私たちのあり方にも影響を与えるかもしれません。

ゲストブロガーのプロフィール

Ashley Juavinettは、UCSDの神経科学博士課程の学生、NSFの大学院研究員、そして科学ライターを目指しています。Salk Institute(カリフォルニア州ラホーヤ)では、Ashleyは、in vivoイメージングを用いて、マウスの視覚知覚の基礎となる神経回路を研究しています。現在は、共同科学ライティンググループ「NeuWrite San Diego」(http://www.neuwriteSD.org)を共同運営し、自身のブログ(http://scramblingforsignificance.blogspot.com)で神経科学や社会について執筆を行っています。Ashley JuavinettのTwitterはこちら:@ashleyjthinks

Blog

Posted:
30 July, 2015

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