極低濃度DNAからの無細胞タンパク質発現システムについての共著論文がACS Synthetic Biology誌に掲載されました

東京大学大学院工学系研究科の古林博士・野地博行教授との共著論文がACS Synthetic Biology誌に掲載されました。

T. Furubayashi, N. Terasaka, K. Tajima, H. Noji. Boosted cell-free gene expression for robust signal readout from a single-copy DNA template in microdroplets. ACS Synth. Biol. (2026)

マイクロコンパートメントにおける無細胞遺伝子発現は、バイオテクノロジーおよび合成生物学の基盤となっています。コンパートメントあたり1コピーを含む低濃度のDNAからのタンパク質合成は、生体分子や合成細胞のin vitro進化に不可欠です。しかし、通常サブピコモルレベルのDNA投入量ではタンパク質の収量が不十分であり、その結果、信号が検出不能になったり、目的とするタンパク質機能の活性が不十分になったりします。そこで本研究では、低濃度のDNA投入下における再構成型in vitro転写・翻訳（IVTT）の収量を制限するボトルネックを特定し、その大部分を軽減することに成功しました。市販の再構成型IVTTキットを系統的に比較した結果、20～200 pMのDNA投入範囲内では、mRNAの不足によって遺伝子発現が制限されることが明らかになりました。さらに、低DNA投入量において標準的なリボソーム濃度は過剰であり、翻訳の持続時間を短縮させることも明らかになりました。これらの知見に基づき、市販の高活性T7 RNAポリメラーゼ試薬の添加とリボソーム濃度の低減を組み合わせたシンプルな最適化法を確立しました。これにより、多様な蛍光タンパク質や酵素において、遺伝子発現が約10倍増幅されました。この低DNA量に最適化されたIVTTシステムをピコリットル液滴に封入し、PCR由来の線状DNAテンプレート（約0.12 pM）の単一コピーから、約94 nMのタンパク質発現を達成しました。この強化型IVTTプロトコルは、DNAが乏しい環境下における簡便な機能スクリーニングおよび細胞機能のin vitro再構成への道を開くものとなります。