In vitro virus

in vitro virus（IVV）

in vitro virus（インビトロウイルス、略称IVV）は、タンパク質の進化分子工学分野における重要な技術の一つであり、無細胞翻訳システムを利用して、特定の機能を持つタンパク質やペプチドを効率的に選抜（スクリーニング）する方法です。特に米国では、この技術は「mRNA display法」として広く知られ、その名称が一般化しています。

概論

IVVの概念は、生きた細胞を利用するファージディスプレイ技術を、細胞を用いないシステムへと発展させたものです。無細胞翻訳系を用いることで、従来の細胞ベースの手法に比べ、より巨大な分子多様性を扱うことが可能になり、実験システムの柔軟性が向上し、処理速度も飛躍的に速くなるという大きな利点があります。これにより、膨大な数の分子の中から目的の機能を持つものを見つけ出す探索効率が格段に向上しました。

歴史的背景

IVVに至る研究の歴史は、1980年代に遡ります。1982年、日本の伏見譲氏は、タンパク質の進化を試験管内で観察するための装置「セルスタット」を開発しました。その後、1985年には米国のジョージ・P・スミスらが、バクテリオファージの表面に目的のタンパク質を発現させる「ファージディスプレイ法」を開発し、これが後のin vitroディスプレイ技術の礎となります。

そして1993年、伏見氏らはin vitro virusの基本的な考え方を提唱しました。これは、遺伝情報である核酸と、それから合成されるタンパク質を、細胞を介さずに試験管内で直接結びつけるという画期的なアイデアでした。

1997年には、米ハーバード大学のリチャード・W・ロバーツ氏とジャック・W・ショスタク氏のグループが、抗生物質であるピューロマイシンの特殊な働きを利用し、世界で初めて機能するin vitro virusモデル系の構築に成功したと発表しました。興味深いことに、日本の伏見氏らのグループも独立して、ピューロマイシンを用いたほぼ同様の概念に基づく系を、米国グループよりわずか3ヶ月早く論文として発表しています。

IVV/mRNA display技術が飛躍的に実用的なツールとして認知される契機となったのは、2001年にショスタク氏のグループが、大幅な改良を施したmRNA display法を用いて、実際に機能分子のセレクション（選抜）に成功し、その成果を科学誌Natureに発表したことです。この成功により、mRNA display（IVV）は実用的なタンパク質工学および創薬のための強力なツールとして、世界中の研究者から注目を集めることになりました。

原理

in vitro virusの核心的なコンセプトは、「もしウイルスが細胞ではなく試験管を宿主としたらどうなるか」という問いに基づいています。この問いに対する答えとして考え出されたのは、特定のタンパク質（表現型）と、そのタンパク質をコードするmRNA（遺伝子型）を、人為的に一つの分子として結合させるという方法です。

具体的には、無細胞翻訳システムを用いてmRNAからタンパク質を合成し、その新生タンパク質が自身をコードしている元のmRNA分子と、何らかの手段で物理的に結びつくように設計されます。初期の開発段階では、核酸とタンパク質を結びつけるための様々な手法が検討・試行されましたが、結果的にピューロマイシンをmRNAの3'末端に結合させて利用する手法が最も効果的であり、広く用いられるようになりました。ピューロマイシンはタンパク質合成の終結を模倣し、リボソームから離れる際に合成中のポリペプチド鎖とmRNAを一時的に連結させる役割を果たします。

伏見氏は、この試験管内で機能分子を選抜・増幅する系を、細胞内でのウイルスの振る舞いに見立てて「in vitro virus」と命名しました。この名称には、単なる工学的ツールとしてだけでなく、生命の進化を試験管内で再現することや、人工生命の創出に向けたアプローチとしての意図も込められています。

関連技術開発

1998年頃に初めて発表されたIVV技術は、その初期段階では必ずしも完成度が高いものではありませんでした。このため、日米双方の研究グループによって、実用化に向けた精力的な関連技術開発が進められました。米国ではジャック・W・ショスタク氏のグループが、日本では伏見氏のグループに加え、その研究人脈から派生したジェンコム社や慶應義塾大学の研究室などが開発を推進しました。

2000年には、米国のリチャード・W・ロバーツ氏らが、mRNAとピューロマイシンを連結するリンカー（スペーサー）の長さの最適化、ライゲーション（連結反応）手法の改良、およびタンパク質フォールディングのためのインキュベーション時間の調整など、いくつかの重要な改良点を示し、mRNA displayが実用段階に入ったことを発表しました。また、同時期にショスタク氏らは、セレクションに用いる初期ライブラリ（多様な配列を持つmRNA集団）の効率的な作製法を発表しました。

一方、日本の伏見グループも独自の研究開発を進め、米国グループとは異なる独自の優れたシステムを開発しました。2001年には、mRNAではなくDNAを遺伝子型として用いる「in vitro DNA virus（cDNA display）」という新世代の技術を開発しました。これは、単なる工学・創薬ツールに留まらず、より複雑な系を構築し、人工生命の実現に近づくことを目指したものでした。2002年には、mRNAの末端にピューロマイシン結合用スペーサーを導入する手法を改良し発表しました。さらに2004年には、MLSDS法（Multi-Step Ligation-Dependent Selection Method）と命名した、コンビナトリアルケミストリーの考え方を核酸合成に応用した新しい初期ライブラリ構築法を開発するなど、継続的に技術革新を行いました。

商業化

in vitro virus/mRNA display技術を基盤とするバイオベンチャー企業が、日米双方で設立されました。日本では、主に三菱化学が出資し、後に完全子会社となったジェンコム株式会社が設立されました。米国では、Phylos社が大規模なベンチャーとして立ち上げられました。これらの企業は、IVV技術を応用した創薬ターゲットの探索や抗体・ペプチド医薬の開発などに取り組み、多くの成果と共に、実用化における様々な課題にも直面しました。現在、これらの企業の多くは、その事業の一部が他のベンチャー企業に引き継がれる形で解散しています。このことは、技術の実用化には成功したものの、商業的な持続には困難が伴ったことを示唆しています。

IVV/mRNA display技術は、現在もタンパク質研究や分子進化工学、創薬などの分野で重要なツールとして利用・改良が続けられています。その独自性の高いコンセプトと無細胞系の利点を活かし、今後も新たな機能性分子の発見に貢献していくことが期待されます。

もう一度検索