2020年获得诺贝尔化学奖的基因组编辑，作为改写生物遗传信息的划时代技术，其产业化应用正日益活跃。由日本广岛大学基因组编辑创新中心主任山本卓教授与该校研究生院综合生命科学研究科、基因解析专业的坊农秀雅教授共同主导的“Bio-Digital Transformation（生物DX）产学共创基地”，正在推进生物数字化和编程化的研究开发工作。该基地的目标是推动研究成果的社会化应用，并为实现生物经济社会作出贡献。
实现生物经济社会
逾50所大学和企业参与
实现“不让任何一个人落伍”的可持续发展生物经济社会——提出这一口号的是入选JST共创场所形成支援项目的“BioDigital Transformation（生物DX）产学共创基地”（以下简称生物DX基地）。该基地由广岛大学牵头，30多所大学及研究机构、20多家企业参与，目标是通过生物拥有的功能来解决食品、健康、能源等问题，为实现SDGs（可持续发展目标）作出贡献。
生物DX基地的特点在于将生物的“数字化”与“编程化”相结合。所谓生物的数字化，是指对生物的遗传信息进行解读和解析，使其能够通过计算机进行模拟。所谓生物的编程化，是指基于数字化所获得的知识，利用基因组编辑技术，对作为生物遗传信息的DNA碱基序列进行改写，创造出有用的生物。
图1 生物DX基地提出的三个目标。
数字化方面，由长期研究以计算机解析生物数据的“生物信息学”的广岛大学坊农秀雅教授带领相关研究机构进行。负责生物编程化的，是在基因组编辑领域拥有研究诸多业绩，并担任项目负责人的广岛大学山本卓教授。生物DX基地的优势在于以坊农教授和山本教授为首，集结了各相关领域的顶尖人物。
广岛大学将生物DX基地定位为2021年结束的JST产学共创平台共同研究推进项目（OPERA）“‘基因组编辑’产学共创联盟”的后续组织。山本教授表示：“OPERA在集结全日本力量的体制下推进研究，在基因组编辑方面取得了诸多成果。生物DX基地的理念就是要基于这些研究成果，进一步加速社会化应用。”以实现“通过生物DX引领可持续发展的生物经济”为目标，生物DX基地提出了三个目标（图1）、四项研发课题和六个最终目标（图2）。
图2 按目标划分的研发课题与最终目标。力争在2031年度前实现。
母校重逢成契机
开发Platinum TALEN
在生物DX基地中，最接近实用化且受到媒体关注的是不含引发鸡蛋过敏物质的“低致敏鸡蛋”的开发课题。该课题是广岛大学研究生院综合生命科学研究科的堀内浩幸教授长期以来一直在推进的项目，通过活用基因组编辑技术，终于临近了实用化。
引发鸡蛋过敏的原因物质有多种。其中，蛋清中的“卵黏蛋白（OVM）”这一蛋白质成分强耐热，即使加热处理依然会引发过敏。对此，堀内教授认为，剔除了生成OVM基因的鸡所产的鸡蛋，就不会引发鸡蛋过敏。最初研究团队采用了转基因技术，但开发遭遇难题——进行转基因时，外源基因不仅会进入目标位置，还可能进入其他部位，结果导致细胞出现异常。在当时的技术手段下，大约九成的细胞会变成异常细胞。就在堀内教授寻求解决方案的时候，他在母校重逢了学生时代曾在广岛大学基因实验设施一起从事研究的山本教授。
两人虽然都更换了工作部门但在研究上依然时有交集，这次重逢使得堀内教授决定导入基因组编辑技术。目前基因组编辑的主流技术是于2020年获得诺贝尔奖的“CRISPR-Cas9”。然而，该方法在经过改写的DNA序列方面存在限制，可能无法完全剔除OVM基因的可能性。
为此，堀内教授等改良了名为“TALEN”的基因组编辑技术，采用了由山本教授等独立开发的“Platinum TALEN”技术。堀内教授强调该技术的优势称：“Platinum TALEN几乎可以自由设计，能够将基因完全去除。由广岛大学的初创企业Platinum生物（广岛县东广岛市）管理专利，权益关系明确，因此产业化应用的门槛也更低。”
制备OVM敲除鸡蛋
临床试验成功后还考虑推向海外
研究首先使用Platinum TALEN技术对精子和卵子前体的原始生殖细胞进行基因组编辑，破坏生成OVM的基因（敲除）。然后利用基因被破坏的精子和卵子制成受精卵，并进行孵化（图3）。堀内教授等通过对由此诞生并成长的鸡所产鸡蛋进行了蛋白质水平分析，确认其不含OVM（图4-A）。此外，通过利用抗体与抗原特异性相互作用检测蛋白质的免疫印迹法，确认未检测到作为基因组编辑副产物可能出现的变异OVM（图4-B）。
图3 由敲除生成OVM基因的精子和卵子诞生的雏鸡。A为黄斑普利茅斯洛克鸡，B为罗得岛红鸡，黑色和茶色个体为排除了OVM基因的雏鸡。
图4 通过蛋白质水平分析确认，排除OVM基因的鸡所产鸡蛋中不存在OVM（A），且未检测到作为基因组编辑副产物可能出现的变异OVM（B）。
作为基因组编辑中的一般性风险，存在将突变引入到非目标基因部位的脱靶效应。为此，堀内教授等人对本次基因组编辑产生的鸡进行了全基因组解析，并采用次世代碱基序列解析技术确定其全基因组DNA序列信息。结果表明，未观察到因Platinum TALEN而导致其他基因插入或在其他基因区域导入变异的脱靶效应。
将这样制成的不含OVM的低致敏鸡蛋加热并制成粉末后，让鸡蛋过敏人群摄取的临床试验正在相模原医院临床研究中心持续开展，目前已有30人完成试验，预计到本年度末累计将完成约50人的试验。若在该临床试验中能偶确认安全性，则计划在2年后投放市场，并考虑向东南亚和印度拓展。一旦这项源自日本的技术得以实用化，将可能为全球鸡蛋过敏人群带来希望之光。
为实现社会化应用，山本教授强调，关键在于创造出人们迫切需要的产品。他表示：“低致敏鸡蛋对于想吃鸡蛋却无法食用的人及其家人来说，是一个极为渴望的东西。另一方面，也可能有人因不了解基因组编辑而感到不安。我们认为，通过对技术进行细致说明，并通过对话让大家理解，是非常重要的。”
“代谢通路”的解析不断推进
数字化育种迈向社会化应用
为利用基因编辑生产有用物质或明确疾病成因，有必要事先掌握实施基因编辑对象生物的基因组信息。然而，目前绝大多数生物的基因组信息尚未被破译。昆虫作为生物DX基地目标1研发课题中的最终目标之一，同样面临这一问题。
在生物DX基地，主导基因组破译与解析研究的坊农教授此前曾花费约15年的时间研究家蚕，分析与帕金森病具有类似特征的变异体。他的成果是成功阐明了与帕金森病病态相关物质在体内合成与分解的机制。坊农教授强调了基因组破译与解析的实用价值：“家蚕具有合成大量蛋白质的特性。如果能够让其大量合成病原体的蛋白质，就有可能作为疫苗加以利用。”
要在生物体内大量生产有用物质，仅对基因序列进行解析并不足够。还需要对实际发挥功能的基因、所含物质进行全面解析，并明确这些物质的“代谢通路”——通过何种反应过程生成的。
对此，坊农教授在计算机上重现代谢通路，并对改写某一基因时整个代谢通路将如何变化进行了模拟计算。他表示：“现阶段，即使希望生产有用物质，大多数情况下其代谢通路都未明晰。通过模拟提出多个通路方案，将实验中验证成功的方案推进至社会化应用，这种方式正变得重要起来。”
这种利用实验获得的基因组序列与基因表达数据以及已公开的数据，将生物数据数字化并进行模拟，从而选定基因编辑目标基因的方法被称为“数字化育种”。坊农教授等人与企业也在开展联合研究。与杀虫剂制造商合作进行的对耐药臭虫的基因组解析成果，今后有望推动开发出更有效的杀虫剂。
实现第一代基因组编辑的国产化
同时致力于激活地区产业
致力于开发能够产业化应用的基因组编辑工具的山本教授强调了国产化与自动化的重要性。国产工具更便于国内企业使用，如果能够从高速自动生成的工具中筛选出更为有效的方案，还有望进一步实现低成本化。目前山本教授所关注的是1996年问世的第一代基因组编辑技术——“锌指核酸酶（ZFN）”（图5）。ZFN在工具制作上耗时且成本高，因此过去并未能够得到广泛应用。之后，2010年TALEN问世，2012年登场的CRISPR-Cas9已在全球各地的研究室中得到应用。
图5 ZFN-ND1示意图。由与DNA结合的锌指蛋白（DNA结合结构域）和切割DNA的限制性酶（核酸酶结构域）构成的人造限制酶，通过改造DNA结合域，可以将任意序列作为靶标。
由于这两种技术已取得专利，需要支付高额许可费，可能成为实现所开发技术商业化的障碍。而ZFN的相关专利已到期，只要解决工具开发在时间与成本上的课题，便有可能成为一种有价值的选择。山本教授等人正在推进开发数字化流程工具，以实现ZFN工具的制作自动化。山本教授展望称“目标是让技术辅助人员设定后，三天后即可在培养细胞中使用”。
生物DX基地中除了上述研究之外，还在推进利用被称为微藻的微小单细胞藻类来大量生产生物燃料及功能性成分二十碳五烯酸（EPA）的研究。此外，还致力于细菌的基因组编辑技术开发，作为长期目标，还将培育不产生花粉的杉树。
生物DX基地还与地区产业进行共创。山本教授等人与广岛县当地的食品制造商及造酒企业合作，开展与地区产业直接相关的生物基因组解析等工作，今后希望能够进一步加快与本地企业的合作。同时，广岛大学高度重视将研究生教育与产学合作中的实际课题相结合，推进学生的培养。坊农教授表示，在大学这一方针的推动下，通过该项目取得硕士与博士学位的毕业生已开始活跃在产业界及研究领域，坊农教授满怀期待地表示“今后年轻一代研究人员将取得怎样的成果，十分令人期待”。（TEXT：岛田祥辅、PHOTO：松井hiroshi）
原文：JSTnews 2025年11月号
翻译：JST客观日本编辑部
