遺伝子からタンパク質へ： タンパク質発現技術の旅路

長年にわたり、製薬会社は従来の介入策から、タンパク質治療薬などのより高度な薬理学的戦略へと優先順位をシフトしてきた。2023年だけでも、がんや代謝障害を含む無数の疾患適応症の治療薬として、20種類近いタンパク質ベースの医薬品が承認されたことは注目に値する。さらに、2023年に予想されるタンパク質ベースの治療薬の売上高は4,000億ドルである。このクラスの医薬品の人気が高まっているのは、その高い特異性、親和性、最小限の薬物-薬物相互作用、多様な生物学的・化学的特性、証明された薬理学的価値、良好な安全性プロファイルによるものと考えられる。モノクローナル抗体やワクチンなどのタンパク質治療薬に対する需要の高まりは、効率的でスケーラブルな生産を保証するタンパク質発現技術の進歩を促している。

タンパク質発現は合成生物学の分野で強力な技術であり、タンパク質だけでなく酵素やオリゴヌクレオチド（DNA/RNA）のハイスループット生産にも利用されている。ヘルスケア産業では、タンパク質発現技術は主に治療用生物製剤や高価値低分子の生産に使用されている。さらに、農業、化粧品、食品、環境科学、生物医学研究、酵素合成産業などの他の産業も、タンパク質発現プロセスの恩恵を受けている。

タンパク質発現プロセスの概要

タンパク質発現は、タンパク質生産とも呼ばれ、研究用または商業用に特定のタンパク質を生産するためのバイオテクノロジープロセスである。このプロセスでは、まずDNAをメッセンジャーRNA（mRNA）に転写する。次にmRNAは翻訳され、機能的タンパク質となる。タンパク質発現の主な構成要素は、目的の遺伝子を含むベクター（プラスミド）と宿主細胞、例えば哺乳類細胞や原核細胞である。

タンパク質発現プロセスは以下のステップに分けられる：

• 転写： 遺伝子のDNA配列がmRNAに転写される。
• mRNAの処理：mRNAはスプライシングを受け、イントロンを除去し、5’キャップとポリAテールを付加する。
• 翻訳： 処理されたmRNAはリボソームによって翻訳され、ポリペプチド鎖を合成する。
• 翻訳後修飾： ポリペプチド鎖は、リン酸化、グリコシル化、切断などのフォールディングや修飾を受け、機能性タンパク質となる。

タンパク質発現技術／システム

製薬業界では、発現させるタンパク質の種類、所望の収量、翻訳後修飾、投下資本に応じて、さまざまなタンパク質発現技術／システムを使用している。しかし、使用される発現システムは、生体適合性があり、毒性がなく、製品の品質を損なうことなくタンパク質発現プロセスのストレスに耐えられるものでなければならない。

• 藻類発現システム： この発現系は遺伝子工学、バイオ燃料生産、植物学で使用される。栄養補助食品やバイオ燃料のための優れた実験的コントロールを提供する。しかし、これはまだ始まったばかりのタンパク質発現技術であり、他の宿主系に比べると比較的発展途上である。
• 無細胞発現システム： この発現系は、毒性タンパク質の発現、ハイスループットプロテオミクス研究、トランスレーショナルインヒビタースクリーニングに使用される。高速でシンプルなフォーマットである。また、大量生産には向かない。
• 昆虫発現システム： この発現系は、機能アッセイ、構造解析、細胞内タンパク質や複合タンパク質の発現、ウイルス生産に用いられる。興味深いことに、昆虫細胞は哺乳類細胞と同様の翻訳後修飾を行う。さらに、このシステムの主な欠点は、生産時間が長く、部分的なグリコシル化が欠けていることである。
• 哺乳類発現系： この発現系は、機能アッセイ、構造解析、複合タンパク質の発現、ウイルス生産に用いられる。哺乳動物宿主細胞が最高レベルのタンパク質プロセッシングを提供することは注目に値する。バイオ医薬品の85％近くが哺乳類細胞培養を用いて生産されていることは注目に値する。しかし、これらはより厳しい培養条件を必要とする。
• 原核生物発現システム： この発現系は、構造解析、抗体作製、機能アッセイに用いられる。原核細胞は高いスケーラビリティと効率を提供する。しかし、タンパク質特異的な最適化が必要で、タンパク質の可溶化がしばしば起こる。
• 酵母発現系： この発現系は構造解析、抗体作製、機能アッセイに用いられる。生産コストが低く、発現が迅速で、必要な培地が単純であるなど、様々な利点がある。しかし、酵母細胞では非常に高い収率を得るためには発酵が必要である。

ヘルスケアにおけるタンパク質発現技術の応用

• 良質なタンパク質を効率的に発現させる能力は、様々な分野で応用されている。タンパク質発現は以下の生産に使用される：
• 改変ヒトタンパク質（タンパク質-タンパク質融合製品やPEG化タンパク質医薬品を含む）
• 自己免疫疾患、腫瘍疾患、感染症を含む様々な疾患の治療に使用されるモノクローナル抗体。
• ホルモン（遺伝子組換えインスリン、エリスロポエチン、成長ホルモンを含む）
• ゴーシェ病などの希少遺伝性疾患の治療に用いられる酵素補充療法
• 血液製剤（アルブミン、血液凝固因子、線溶薬、血栓溶解薬など）
• バイオ燃料生産、食品加工、廃棄物処理に使用される工業用酵素。

さらに、タンパク質の発現は、構造生物学や機能ゲノミクスにも利用され、さまざまな生物学的経路におけるタンパク質の機能、相互作用、役割を研究している。

タンパク質発現技術の課題

タンパク質発現業界の最新動向

タンパク質発現の分野は、バイオテクノロジーの進歩と組換えタンパク質に対する需要の高まりにより、進化し続けている。主な動向と将来の展望には以下のようなものがある：

• 合成生物学： 合成生物学：収量と機能性を向上させた、より改良された発現系を設計・設計するための合成生物学技術の活用。
• CRISPR / Cas9：CRISPR/Cas9ゲノム編集の利用は、タンパク質生産能力を向上させるカスタム宿主細胞株を開発するために、この分野で広く利用されている。
• 自動化とハイスループットスクリーニング： 大規模なタンパク質生産のための自動化されたハイスループット技術の開発により、低コストと時間の短縮が可能になる。
• 持続可能な生産： より持続可能で環境に優しい発現系を開発するための努力の高まり。その一例として、植物ベースのタンパク質発現システムの立ち上げが挙げられる。
• 無細胞発現システム： 無細胞発現システムは、従来の細胞ベースのタンパク質製造プロセスに代わる有望な方法として登場した。これらは、毒性タンパク質、膜タンパク質、その他の翻訳後修飾タンパク質を含む、いくつかの複雑なタンパク質の合成を可能にする。
• バイオ燃料とバイオポリマー： バイオ燃料やバイオポリマーを生産するための産業バイオテクノロジー・アプリケーションにおいて、タンパク質発現の利用が増加している。
• マルチオミクスの統合： ゲノミクス、エピゲノミクス、プロテオミクス、トランスクリプトミクス、メタボロミクスといった様々なオミクスを組み合わせることで、タンパク質発現とそれが疾患細胞に与える影響をより深く理解する。

まとめ

タンパク質発現は、治療、産業、研究の目的で膨大な数のタンパク質を生産するための、現代のバイオテクノロジーにおけるゴールドスタンダードである。発現システムの選択とタンパク質発現プロバイダーの専門知識は、高品質の組換えタンパク質の生産において重要な役割を果たす。先進的で使い勝手の良いタンパク質発現技術／システムに対する需要は、タンパク質治療領域における研究開発費の増加により高まっている。

長年にわたり、タンパク質発現は、従来の発現システムよりもいくつかの利点を提供する新しいタイプの発現システムを取り入れるように進化してきた。これらの新しいカテゴリーには、ハイスループット細胞発現システム、無細胞発現システム、植物ベースの発現システムなどが含まれる。これらのシステムは、その柔軟な性質により、幅広い応用分野に適用することができる。業界が進化を続けるにつれ、効率性の向上とコスト削減がさらに重視され、革新的な治療法やバイオテクノロジー応用への道が開かれることになるだろう。

情報源：Roots Analysis社

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