近未来テクノロジー見聞録(142) 植物にカーボンナノチューブで遺伝子を送り込む技術を開発！

理化学研究所らの研究グループは2022年5月16日、カーボンナノチューブを使って遺伝子を植物に送り込むことに成功したというプレスリリースを発表した。

この技術は、例えば、農作物の遺伝子改変に応用でき、環境耐性を持つ植物の改良や農作物の生産量の向上に貢献できるという。では、この技術はどのようなものなのか、今回はそんな話題について触れたいと思う。

なぜカーボンナノチューブを使うのか？

2022年5月16日、理化学研究所環境資源科学センターバイオ高分子研究チームのサイモン・ロウ特別研究員、京都大学大学院工学研究科沼田圭司教授、京都大学大学院工学研究科土屋康佑特定准教授、宇都宮大学バイオサイエンス教育研究センター児玉豊教授、九州大学大学院工学研究院藤ヶ谷剛彦教授らの研究グループは、「カーボンナノチューブで植物に遺伝子を送り込む－植物ミトコンドリアの効率的な遺伝子改変が可能に－」というタイトルのプレスリリースを発表した。

この技術は、農作物をはじめとしたさまざまな植物の遺伝子改変技術に応用することで、環境への耐性を持つ改良植物種の作製や作物生産量の向上に貢献できるという。

では、具体的にはどのような技術なのだろうか。その前に、理化学研究所らの研究グループは、なぜこの研究に着手したのだろうか。

それは、これまでに植物のミトコンドリアの遺伝子を自由に改変することができていない背景があるという。

植物から、医薬品やバイオ燃料などの有用物質を生産することができるのだが、しかし、これまでの遺伝子改変は、使用できる植物が限定されていたり、硬い細胞壁に覆われていて遺伝子改変が非効率であったりと、正直なところ、このあたりの研究は手付かずの状態だったようだ。

もし、この植物の遺伝子改変がもっと自由になれば、農作物の生産性の向上や環境に強い植物の生産などが実現できるのだ。

そこで、理化学研究所らの研究グループは、チームリーダである京都大学沼田圭司教授を中心に機能性ペプチドを担体とした遺伝子導入による植物改変の手法に着手。機能性ペプチドの種類を変えることで、さまざまな植物へ望みの物質を輸送することができる。そして、今回、カーボンナノチューブを利用して、カーボンナノチューブと機能性ペプチドを組み合わせた遺伝子輸送用の担体を新たに設計したのだ。

カーボンナノチューブで遺伝子を送り込むことに成功

まず、研究グループは、遺伝子を送り込むためのカーボンナノチューブを作製。このカーボンナノチューブの表面を高分子ゲルで覆っている。

カーボンナノチューブは水への分散性が非常に悪いため、カーボンナノチューブだけでは遺伝子輸送の担体として用いるのは難しい。そこで、水と親和性の高い高分子ゲルでカーボンナノチューブを被覆することで、水分散性の高いカーボンナノチューブを作製し、遺伝子輸送の担体として用いたのだ。

カーボンナノチューブによる植物への遺伝子輸送(出典:理化学研究所)

また、高分子ゲルには反応性の高い構造(反応点)を導入しており、ここへさまざまな機能性ペプチドを結合できるようにしてある。この機能性ペプチドには、細胞膜を透過する性質とプラスミドDNAを濃縮する能力を持つ「KH9」と、ミトコンドリアへ移行する能力を持つ(ミトコンドリア移行ペプチド)「Cytcox」の2種類のペプチドを結合させている。

そして、カーボンナノチューブを担体に用いて、植物細胞のミトコンドリアを標的として遺伝子を輸送する技術を開発し、植物ミトコンドリアの遺伝子改変に見事成功。そして、ミトコンドリアの遺伝子が改変された植物では、根の成長が促進されることも明らかにしている。