近年、ゲノム解析技術の飛躍的な進歩により, 生物が持つ膨大な遺伝情報が次々に解き明かされはじめています. こうした「生命のビッグデータ」にITやAIの力を活用することで, ゲノム配列から生命機能を予測し, DNAやタンパク質といった“生命の部品”を自在に組み立てられる時代が到来しつつあります. このように, 「生命の仕組み」をあらゆる角度からデザインし, 新たな機能や特性を創造する学問領域が合成生物学です. 合成生物学は, 持続可能な社会の実現や医療・エネルギーの革新など, 多方面に応用可能なポテンシャルを秘めており, 国内外で注目度が高まり続けています.

私たちの研究室では, この合成生物学を軸として,「生命を思いどおりにデザインする」研究に挑んでいます. たとえば, 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 （遺伝子配列:CDS）, ターミネーターなどの生命の構成部品を１から合成する人工遺伝子合成技術やそれらの構成部品を組立てていく長鎖DNA合成（DNAフラグメント連結）技術を活用し, これまでにない分子クローニングツールを開発したり, 非モデル微生物を利用して新たな機能を引き出す研究を進めたりしています. さらに, 機械学習と融合することで, 酵素の機能を革新的に改変し, 高効率な有用物質生産を実現することも目指しています. こうした取り組みを通じ, 私たちは社会が抱える課題にバイオテクノロジーで応え, 新たな価値を生み出していきたいと考えています.

Gene Synthesis for difficult-to-synthesize DNA Sequences -難合成DNA配列の人工遺伝子合成-

DNAは4種類の塩基（A, T, G, C）から構成され、配列パターンによってさまざまな機能を持つプロモーター, リボソーム結合部位（RBS）, タンパク質コード配列（遺伝子）, ターミネーターなど生命の構成部品を生み出すことができます。現在, 合成生物学の進展と共に, 特定の順序で塩基を組み立て, 望むDNAを“オーダーメイド”に合成することが可能な人工遺伝子合成技術が開発されています.
多くの場合, 受託合成サービスを利用すれば狙いどおりの配列を合成できますが, GC含量が極端に高い・低い領域や繰り返し配列を含む“難合成配列”は, その名のとおり合成が難しく, 合成生物学の発展を阻む要因の一つとされてきました.

私たちの研究室では, プライマーエクステンションPCR法やオーバーラップエクステンションPCR法に改良を加え,「多段階連続アニーリングステップ」を組み込んだ独自の反応条件を開発することで, これらの難合成DNA配列を効率よく合成できる手法を確立しました. この技術は, 神戸市の遺伝子治療サービス企業株式会社シンプロジェンに技術移転されており, 新薬開発や再生医療, 高機能酵素の創出など, 多様な分野で応用が期待されています. 従来技術では不可能とされていた配列を“思いどおり”に合成できるようになったことは, 合成生物学の可能性を大きく広げる一歩でもあります.

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（共同研究）-

医薬品の多くは化学合成によって大量に生産されていますが, 構造が複雑で化学的に合成しにくい植物由来成分については, いまだに植物の大規模な栽培と抽出に依存しているケースが少なくありません. 植物の生育には多くの手間や時間が必要で, 収穫量は気候に左右されます. さらに, 環境への負荷や有効成分の低い収率といった課題もあり, 安定的な供給が難しいという問題が長年指摘されています.

そこで私たちの研究室では, 大腸菌や乳酸菌などの微生物に植物由来の二次代謝経路を組み込み, 微生物自身が複雑な医薬品成分を生産できるシステムの構築を目指しています. 遺伝子組換えや代謝工学の技術を駆使し, 微生物にとっては本来存在しない経路を“人工的に付与”することで, 持続的かつ効率的な生産を実現しようとしています. このアプローチが進展すれば、医薬品を安定供給できるだけでなく, 環境負荷を大幅に削減できる可能性があります. さらに、未知の微生物資源から思いがけない有用成分を発見するチャンスが広がるなど, 基礎科学的にも意義深い研究です.

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 artificial genetic circuits -人工遺伝子回路による微生物制御-

生命は, 何億年にも及ぶ進化の果てに驚くほど精巧で柔軟なシステムとして完成されています. 細胞の中では, 数多くの遺伝子が互いに緻密な連携をとりながら働き, 多様な生命現象を支えています. 近年, この生物の巧みな制御機構を分析し, さらにデザインし直すという発想から生まれたのが「人工遺伝子回路」です. 人工遺伝子回路は, 生物の細胞内で作動する“超小型の論理回路”ともいえる仕組みで, 環境や細胞の状態を感知するセンサー, 情報処理を担う制御システム, そして目的の遺伝子発現を起動・停止させるアクチュエーターの三要素から構成されます. これらが巧みに連動することで, 微生物や細胞の挙動をまるでプログラムのように制御することが可能になります.

私たちの研究室では、この人工遺伝子回路を組み込んだ微生物の開発に力を注ぎ、環境保全や医療、バイオプロセスなど、幅広い領域での応用を目指しています. たとえば, 有害物質を検知して分解する回路を設計し, 環境浄化へ応用する試みや, 病原菌の増殖を抑制する仕組みを開発し, 感染症対策に貢献する研究などを進めています. 今後はさらに高度なシミュレーション技術や機械学習を取り入れ, 生物が本来持つ機能を飛躍的に拡張する次世代バイオテクノロジーの創出を目指してまいります.

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問題が深刻化するなか, 食料供給の安定と持続可能性の確保は21世紀の大きな課題となっています. こうした状況で注目されているのが, 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革新するというアプローチです. 合成生物学を活用して微生物を巧みにデザインすれば, 従来の農業や化学合成では実現が難しかった食品成分や代替タンパク質を効率よく生産できます. さらに, 食品化学との連携によって, 風味・食感・栄養価などを高度に制御し, 新しい食品の開発や既存食品の機能強化を図ることが可能になります.

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. 具体的には、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って, 私たちは膨大な遺伝子配列情報を得ることに成功しました. しかし, その多くは“多数の分子の平均的な挙動”を捉えたデータであり, 単一の分子が実際にどのような軌跡を描いているのかは, いまだ十分に解明されていません.

そこで私たちが注力しているのが, １分子蛍光イメージング技術の開発です. 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)