研究者たちは、論理的にどの細胞を殺すかを選択する合成タンパク質を作成した。
合成タンパク質とブール論理を使って癌細胞を識別するシステムの開発により、分子スケールコンピューティングの時代は新たな時代に入りつつあります。
これらのタンパク質は、細胞表面の化学マーカーに所定の組み合わせで結合し、論理積（AND）、論理和（OR）、論理否定（NOT）ゲートの役割を果たします。これはバイナリコンピュータの動作に似ていますが、電子ビットではなく生化学を用いています。
「私たちは、複雑な環境の中で特定の細胞をいかにして標的とするかという、医学における重要な問題を解決しようとしていました」と、本日サイエンス誌に掲載された研究論文の主著者の一人、マーク・ラジョワ氏はニュースリリースで説明した。
「残念ながら、ほとんどの細胞には、その細胞に特有の単一の表面マーカーが存在しません。そこで、細胞ターゲティングを向上させるために、細胞表面マーカーの組み合わせを標的とすることで、ほぼあらゆる生物学的機能をあらゆる細胞に誘導する方法を考案しました」とラジョイ氏は述べた。
ラジョイ氏は、ワシントン大学タンパク質設計研究所で博士研究員として研究員として勤務していた当時、この研究に携わっていました。現在は、この技術の商業化を目指すカリフォルニアに拠点を置くスタートアップ企業、ライエル・イムノファーマで、タンパク質・細胞工学の共同ディレクターを務めています。
この研究の共著者には、ウィスコンシン大学とシアトルのフレッド・ハッチンソン癌研究所の研究者が含まれており、その一部はライエル大学とも提携している。
この技術は、タンパク質設計研究所が開拓してきたタンパク質工学の技術を活用しています。タンパク質は分子構造に基づいて細胞と相互作用します。タンパク質は、その構造が細胞表面の対応する構造と噛み合うことで、細胞に定着することができます。これは鍵と鍵穴が噛み合うのと似ています。例えば、COVID-19を引き起こすウイルスは、とがった分子構造を利用して、標的の細胞に付着します。
しかし、多くの細胞は類似した構造を共有しています。特定の種類のがん細胞には、特異的かつアクセスしやすい標的構造が一つだけ存在しない場合があります。これは、体内のキラーT細胞を利用してがん細胞を攻撃する標的療法にとって問題となる可能性があります。
新たに開発されたアプローチでは、この問題を回避するためにCo-LOCKRと呼ばれる分子ツールを活用します。「Co-LOCKR」とは、「Co localization-dependent Latching Orthogonal Cage/ Key p Roteins（共局在依存的ラッチング直交ケージ/キープロテイン）」の頭文字を取った長い言葉です。簡単に言えば、このツールは、オフターゲット効果を回避しながら意図した細胞を標的とする、複数の鍵でロックするシステム、あるいは二要素認証システムです。
Co-LOCKRタンパク質は、論理関数を実行するようにプログラムできます。例えば、ANDゲートとして機能し、2つの表面マーカーが存在する場合にのみ分子ビーコンを作動させることができます。また、別の構成ではORゲートとして機能し、2つのマーカーのいずれかが存在する場合にのみビーコンを点灯させます。さらに別の構成ではNOTゲートとして機能し、特定のタンパク質が存在する場合、ビーコンが作動しないようにします。
コンピューターと同様に、論理ゲートを組み合わせることができます。たとえば、マーカー A が B または C のいずれかと組み合わせて存在する場合はビーコンを点灯しますが、マーカー D も存在する場合はビーコンを点灯しません。
ビーコン（実際にはペプチドと呼ばれる分子の一種）が活性化されると、キラーT細胞は標的のがん細胞を攻撃するよう信号を送ります。一方、キラーT細胞は、破滅のビーコンを発していない健康な細胞を無視します。
ラジョイ氏らは一連の実験で、Co-LOCKRタンパク質と遺伝子改変T細胞（キメラ抗原受容体T細胞、またはCAR-T細胞とも呼ばれる）を、標的細胞候補のスープと混合した。その結果、目的の表面マーカーの組み合わせを持つ細胞のみが死滅し、この技術が実験室で有効であることが実証された。
他にも、if-thenロジックを用いて不良細胞と良細胞を区別するタンパク質ベースの技術は存在する。しかし、GeekWireへのメールの中で、ラジョイ氏はCo-LOCKRは数時間ではなく数分単位で、単一細胞の解像度で動作すると述べた。
細胞ベースの癌治療は明らかな応用例ですが、それだけではありません。「Co-LOCKRは、DNA配列やタンパク質複合体といった細胞内標的を含む、近接依存的な検出が有効なあらゆる用途に使用できます」とラジョイ氏はGeekWireに語りました。
ラジョイ氏のライエル研究所共同ディレクター、スコット・ボイケン氏は、その潜在的な応用範囲は医療分野にとどまらないと述べた。「近接性に基づいて活性をオンにする能力は、de novoタンパク質設計における大きな進歩であり、生物学的機能のプログラミングに様々な可能性を開くものです」とボイケン氏はメールで述べた。
Co-LOCKRには限界があります。例えば、NOTゲートは、それを作動させるのに十分な細胞マーカーがない場合、意図したとおりに機能しません。「どの『健康な』抗原がオフターゲット組織で高く発現していて、ターゲット組織では高く発現していないかについて、事前に情報を得る必要があります」とラジョイ氏は言います。
しかし、限界を克服できれば、この技術は標準的な生物医学ツールボックスの中で重要な位置を占めるようになる可能性が高いと思われる。
「Co-LOCKRは、免疫療法や遺伝子治療など、正確な細胞標的化が求められる多くの分野で役立つと確信しています」と、ワシントン大学のタンパク質設計研究所所長で生化学者のデイビッド・ベイカー氏は述べた。
研究について：ラジョイ氏、ボイケン氏、そしてフレッド・ハッチ研究所の研究員であるアレクサンダー・ソルター氏は、サイエンス誌に掲載された研究論文「表面抗原の正確な組み合わせで細胞を標的とするタンパク質ロジックの設計」の主著者です。共著者には、ジリアン・ブルッフィー氏、アヌーシャ・ラジャン氏、ロバート・ランガン氏、オードリー・オルシェフスキー氏、ヴィシャカ・ムハンタン氏、マシュー・ビック氏、メスフィン・ゲウェ氏、アルフレド・キハノ＝ルビオ氏、ジェイリー・ジョンソン氏、ギャレック・レンツ氏、アリシャ・グエン氏、スージー・パン氏、コリン・コレンティ氏、スタンリー・リデル氏、デビッド・ベイカー氏が含まれます。
Co-LOCKRの図解について：ラジョイ氏による技術的な説明は以下のとおりです。「図には3種類の細胞が描かれています。オレンジ色は抗原A、青色は抗原B、緑色は抗原AとBの両方を持っています。『ケージ』はオレンジ色と緑色の細胞上の抗原Aに結合できます。『キー』は青色と緑色の細胞上の抗原Bに結合できます。システムのケージとキーの構成要素が共局在する結果、緑色の細胞のみがCo-LOCKRを活性化します。」
「『分子ビーコン』とは、活性化されたCo-LOCKRシステムです。CageとKeyの共局在により、ビーコンとして機能するBimペプチド（Cageタンパク質の一部）が活性化されます。そして、Bcl2エフェクタータンパク質が活性化されたBimペプチドに結合できるようになります。論文では、エフェクタータンパク質は低分子タグ付きタンパク質、あるいはT細胞上のキメラ抗原受容体（CAR）である可能性があることを示しましたが、他にも多くの可能性が考えられます。」
