NASAは、火星を適度な高度から調査できるドローンの試作機を開発中です。しかし、ドローンを火星に送る代わりに、細胞の入った小さな容器を火星に送り、それを使って赤い惑星で生分解性のドローンを育てられたらどうなるでしょうか？ スタンフォード大学、スペルマン大学、ブラウン大学の学生チームが昨年夏、そのようなドローンを開発し、2014年の国際遺伝子工学機械コンペティションに出品しました。
カリフォルニア州にあるNASAエイムズ研究センターの合成生物学者リン・ロスチャイルド氏と共同で、研究チームは菌類と植物由来の生物学的材料で構成されたドローンを開発した。ドローンが離陸する頃には材料は死滅しているため、墜落しても新たな菌類のコロニーを形成することはない。「このドローンは軽量で安価で、環境を汚染することもありません」とロスチャイルド氏は語る。「セーターを屋外に放置するのと同じくらい大きな問題です」。では、「バイオUAV」はどのように作られるのだろうか？
形成と成長
まず、iGEMチームは3Dモデリングソフトウェアでドローンの形状を設計した。この設計ファイルはバイオマテリアル企業のEcovative Designに送られ、同社は真空成型により8インチ四方の菌糸体からドローンの本体を製造した。次にEcovativeはこの型にわらや枯れ葉などのバイオマテリアルを充填した。「バイオマテリアルに菌を接種すると、菌が型内のすべての材料に繁殖します」と、iGEMチームのメンバーであり、ブラウン大学とロードアイランド・スクール・オブ・デザインのデュアルディグリープログラムの3年生であるイーライ・ブロックは説明する。「以前は少し緩い材料だったものが、数週間育てると、ひとつの固形物になりました」。直径約8インチでバクテリアセルロースアセテートで覆われたこの型2つでドローンのシャーシが形成された。「見た目は乾燥したサンドイッチのようで、重さと感触は発泡スチロールです」とロスチャイルドは言う。
「見た目は乾燥したサンドイッチのようで、重さと感触は発泡スチロールのようです。」
次に、ドローンは殺菌されます。「重要なのは、環境に有害な微生物を持ち込む可能性のあるものを飛ばさないことです」とブロック氏は言います。「また、この新しいバイオマテリアルはカビに侵食されないようにする必要があります。ですから、すぐに分解してしまうのは避けたいのです。」
強さと能力のための遺伝子工学
iGEMチームは、生分解性UAVの強化方法について、地球や他の惑星の過酷な環境下での飛行を可能にするための試験と実験を複数回実施しました。このため、チームは2012年にスタンフォード・ブラウン大学で行われたiGEMプロジェクト「ヘルセル」の改良に着手しました。ヘルセルとは、「極限環境細菌」の遺伝子を大腸菌に組み込むことで作製された遺伝子組み換え細菌です。その結果、放射線や極度の温度（高温・低温）に耐性を持つ細菌が誕生しました。この強化された細胞は、ドローンの強化に役立つだけでなく、環境からの情報を読み取るバイオセンサーとしても機能する可能性があります。
「二酸化炭素濃度や放射線を感知し、何らかの色情報を読み取れる細胞があるとしましょう。ドローンにかさばるセンサーを搭載することなく、複数のセンサーを並列にセンシングできるのです」とブロック氏は言う。言い換えれば、生分解性UAVは、重いセンサーハードウェアではなく、遺伝子組み換えバイオセンサーを使用することで軽量化を維持できる。ただし、一つ注意点がある。バイオセンサーによって収集されたデータを活用するには、ドローン自体が回収可能である必要があるのだ。
防水
暴風雨の中で打ち上げられたドローンが溶けてしまわないように、チームは防水対策としてアシナガバチに着目した。「アシナガバチは巣を作る際にセルロース、植物由来のセルロースを使う生物です」と、iGEMチームに所属するスタンフォード大学3年生、19歳のジョッテ・カンナパンは語る。「彼らは木の樹皮を噛んで吐き出しますが、その唾液に含まれる物質がセルロースに非常に高い防水性と耐熱性を与えるのです。そこで私たちの実験は、唾液中のどのタンパク質がその役割を担っているのかを解明することを目指しました。」
研究チームはアシナガバチの唾液腺からRNAの抽出を行った。
カンナパン氏によると、アシナガバチの唾液腺には数百種類のタンパク質が含まれている可能性があるため、研究チームはアシナガバチの巣のサンプルから逆算して、巣から抽出されたタンパク質が防水に関与していると考えました。「ゲノム中に候補となるタンパク質が30種類見つかり、構造に基づいて5種類を選び、さらに未解析のタンパク質を2種類選びました」と彼女は言います。これらのタンパク質が特定されると、研究チームはアシナガバチの唾液腺からRNAを抽出し、一致するタンパク質を探しました。カンナパン氏によると、研究チームはいくつかのタンパク質を単離し、バクテリアで培養することができました。最終生成物は試験管に入ったやや黄色がかった液体で、水よりわずかに粘性があり、これをバイオUAVに塗布して防水加工することが可能でした。ただし、アシナガバチのタンパク質特定に時間がかかったため、研究チームは防水ソリューションをドローン本体でテストする機会がありませんでした。
「非常に集中的な分子プロセスだったので、確かに時間が足りませんでした。途中で何度もデバッグが必要でした」と Kannappan 氏は言う。
バイオセキュリティと自己破壊
このドローンは真菌の菌糸体で構成され、セルロースアセテートで覆われているため、墜落すると自然に分解されます。より厄介な問題は、ヘルセル（地獄細胞）をどうするかです。無人機が墜落した際に、遺伝子組み換えされた生きた細胞が自然環境に存在する細胞と混ざらないようにするにはどうすればよいでしょうか？その答えは、ブロック氏が「ストップレター（停止文字）」と呼ぶものを細胞の遺伝子アルファベットに挿入することです。
iGEMチームは基本的に、Hell Cellsをさらに改変し、「コドンセキュリティ」と呼ばれる機能を組み込んだ。これは、ハーバード大学医学部のジョージ・チャーチ研究室が2013年に改変大腸菌を作製した研究に基づいている。これらの改変された鎖は、使用された大腸菌に元々存在していた3文字の「終止コドン」（遺伝子の終結を示す）を、異なる3文字の「終止コドンに置き換えた。
「遺伝子コードの一部が表す意味を変えていたんです」とロスチャイルドは言う。「まるで本を手に取って、『今日』という単語を見るたびに、『青』という単語を読むようなものです。もしこれがどこかに衝突して、そこに生きた細胞があったとしたら、その細胞は周囲の他の細胞とは異なる言語を話しているだろう、という発想です。」
