利用光来操控基因和蛋白质等生物分子功能的技术研究不断进步。东京大学开发出了利用可以到达身体深处的红色光来开启和关闭目标基因功能，或者切除部分基因功能的技术。该技术使用当受到光照射时其结构发生变化的“光开关蛋白”。此前主要用光观察生命现象，此次的研究表明光还可以用作为控制的手段。到2030年前后光或许能为治疗疾病等做出贡献。
利用发光二极管在小鼠肝脏内诱导了DNA重组反应（供图：东京大学）
率先推进光开关蛋白研究的是东京大学的佐藤守俊教授等人组成的研究团队。2022年6月份，该研究团队宣布与神奈川县立产业技术综合研究所和理化学研究所等共同开发出了可利用红色光有效控制功能的光开关蛋白。尽管此前也开发过利用蓝色光的光开关蛋白，但蓝光会被身体组织吸收，很难到达身体深处，而红光不易被身体组织吸收，可以克服这个缺点。
佐藤教授等人的研究团队着眼于“抗辐射细菌”所拥有的一种蛋白质，这种蛋白质遇到红光后结构会发生变化。研究团队设计了结构发生变化时会像磁铁一样粘在一起的另一种蛋白质。
在研究中，研究团队使抗辐射细菌的蛋白质与可以增强基因功能的物质相结合，然后通过Cas9核酸酶使与其粘附的另一种蛋白质与基因结合。当照射红光时，两种蛋白质会粘附在一起，增强基因功能，关闭光后基因则停止工作。细胞实验确认，照射红光时，基因的功能最大可增强378倍。
研究团队还调查了从体外向注射了该反应所需的分子等的小鼠照射红光时的效果。体内的基因功能最大增强约50倍。
此外，还开发了利用光切除部分基因的技术。把能在目标位置切除DNA碱基序列的酶分成两半，分别与照射红光时粘附的蛋白质片段结合。照射光后，被分割的酶粘附到一起，功能恢复，可以在目标位置切除DNA。与以前尝试的方法相比，利用红光能以27～46倍的效率高效切除DNA。
针对这项技术，研究团队向小鼠体内注射反应所需的分子等，调查了从体外照射红色时的效果。确认到切除DNA的酶在肝脏中被激活。
此次开发的技术有望用来开发调查或操控身体深处组织的特定基因功能的方法。可用于明确尚不清楚详细机理的生命现象，或者治疗遗传病等利用以往的技术难以克服的疾病等。
佐藤教授已经成立了一家初创企业Miibio（东京都港区），以便将光开关蛋白应用于医疗等领域。计划通过该公司和神奈川县立产业技术综合研究所等，加速将其应用于药品的研究。
克服“光遗传学”存在的问题
| 利用光操控基因和蛋白质的技术动向与未来展望 | |
| 2005年 | 美国研究人员等利用结构随着光改变的膜蛋白开发出“光遗传学” |
| 2000年代上半期 | 开始研究利用光操控基因的技术 |
| 2015年 | 东京大学开发出利用蓝光控制基因组编辑的方法 |
| 2022年 | 东京大学等开发出利用红光启动和关闭基因功能或者切除部分基因功能的方法 |
| 2030年前后 | 利用光控制基因功能药品投入使用 |
| 2050年前后 | 利用可穿戴设备等，结合身体信息用光控制基因功能的治疗技术投入使用 |
这种被成为“光遗传学”的技术出现于2005年，它利用光控制蛋白质等的功能。主要以神经细胞为对象，推进了旨在了解和治疗疾病的研究，眼科领域等还实施过临床试验。2021年，为光遗传学的发展做出贡献的3位科学家获得了被称为诺贝尔奖敲门砖的美国拉斯克奖。
然而，光遗传学目前能应用的细胞和组织有限。而东京大学等开发的方法对细胞种类没有限制，具有高度的通用性。2015年，佐藤教授等人开发了通过使用蓝光的光开关蛋白控制基因组（全部遗传信息）编辑的方法，之后用了约2年时间将其发展为启动和关闭基因功能的方法等。
用光操控基因的方法与直接向体内植入或切除基因的治疗相比预计不易出现副作用。还可以进行仅针对癌细胞的基因操作等。
到2030年前后，有可能出现利用光控制疾病致病基因功能的药物投入使用。到2050年前后“可能会实现结合血糖值等可穿戴设备测量的身体信息，通过照射光仅在需要时启动或关闭基因功能的治疗”（佐藤教授）。
原文：藤井宽子、《日经产业新闻》，2022/7/8
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Biotechnology
论文：A red light–responsive photoswitch for deep tissue optogenetics
DOI：10.1038/s41587-022-01351-w
URL：nature.com/articles/s41587-022-01351-w
