動画：DARPAプログラム・マネージャー　アリシア・ジャクソン博士 生きている世界のプログラミング
DARPA BiT 2015 LIVING FOUNDRIES

Dr. Alicia Jackson: Programming the Living World, DARPA BiT 2015 LIVING FOUNDRIES

トランスクリプト

生物学がテクノロジーの未来を切り開く

アリシア・ジャクソン 0:00

本日は、このように多くの皆様にお越しいただき、心から感謝申し上げます。私たちはここで未来を築こうとしています。そして、生物学がその中で重要な役割を果たすと信じています。スティーブとジェフが先ほど言及したように、私たちは非常に小さな機関であり、BTには9人のプログラムマネージャーしかいません。ですから、私たちが築くべきものについて、皆様のアイデアをお聞きしたいと思います。何が可能だと思いますか？ もしDARPAで構築したいアイデアがあれば、プログラムマネージャーとして私たちのもとに来てください。人生の3年間を、世界を変えるために使ってください。今日、ここで聞いたアイデアのいくつかに全力で取り組みたいのであれば、企業にいるか、学界にいるかにかかわらず、私たちと一緒に働いてください。そして、私たちが構築しているテクノロジーを商業化する方法のアイデアがあれば、私たち誰にでも連絡を取ってください。私たちは見つけやすいので、これらのテクノロジーが研究室から幅広く、グローバルに移行することを確実にするために、皆様全員と協力したいと思います。ご来場ありがとうございました。

生物学は他のテクノロジーにはない力を秘めている

さて、ほとんどの人が先端技術について考えるとき、特にDARPAと私たちが構築している素晴らしいものについて考えるとき、1時間以内に世界の一端から他端に到達できる極超音速機を思い浮かべるでしょう。DARPAロボティクスチャレンジにおける自律ロボット工学、完全に異なる宇宙に連れて行ってくれる仮想現実ヘッドセット、そして、あらゆる人とあらゆるものをつなぐモノのインターネット（IoT）を思い浮かべるでしょう。

しかし、もう1つの技術があります。生物学は、他の人工のテクノロジーや化学には不可能なことを行うことができます。単一の種子から始まり、その種子に含まれる遺伝暗号によって、驚くべき複雑な生物に成長することができます。それは自己複製ができます。数時間で1から数百万、数十億に拡大することができます。環境に適応することができます。ますます複雑な機能へと進化することができます。それは私たちに学ぶ能力を与えてくれます。それは意識を可能にします。これらのことは魔法のようです。もしこれらを活用し、テクノロジーとして使用できたらと想像してみてください。しかし、問題は、今日に至るまで、そうするためのツールとノウハウが欠けていたことです。

グローバルな課題に立ち向かうための新しいテクノロジーベクトルが必要

私たちが20世紀を終え、21世紀を築いていく中で、今日の私たちをここまで導いてくれた多くのテクノロジーが、私たちがこれから行くべき場所へと導いてくれるわけではありません。私たちは、技術的解決策を持たないグローバルな課題に直面しています。私たちは抗生物質の終焉に向かっており、最も単純な感染症でさえ私たちを破壊することができます。今日、私たちが持っているワクチンはわずか約20種類です。感染症がいくつあり、どれだけ絶えず世界中で発生しているかご存知ですか？ エボラ、H1N1、今日のMERSでそれを目の当たりにしました。私たちは、知っているものに対してさえ、必要な保護を持っていません。

材料科学の私の出身である、まったく異なる分野でさえ、材料は私たちの世界を変えるものです。考えてみれば、石器時代、青銅器時代、鉄器時代があり、今は、シリコンの時代に生きています。しかし、1950年代、60年代以降、材料革命は起きていません。そしてそれが技術進歩のペースを妨げているのです。私たちには新しいテクノロジーベクトルが必要です。今日、私たちが持っていない能力が必要なのです。

DARPAの生物工学技術室（BTO）の設立

そしてこれが、DARPAが生物工学技術室（Biological Technologies Office）を設立した理由です。私たちは、エンジニアリング、物理科学、コンピュータサイエンス、データ分析で見てきたすべての進歩を活用し、今日の生物学、ゲノミクス、CRISPR-CASシステムを通じたDNA編集、ジェフとフィリップの両氏が話した神経科学で見ている非常に急速な進歩のペースと組み合わせる機会を見出しました。そして、これら2つの分野を結びつけ、エンジニアリング世界のすべての進歩を生物学の驚くべき能力と結びつけ、今日までに見たことのないような技術能力を構築する機会を見出しました。生物学はテクノロジーであり、それこそが私たちがここで構築しようとしているものです。

材料革命を起こすための挑戦

私が4年前にDARPAに来たとき、私はそのプログラムマネージャーの1人として来ました。その後、管理職に就くという罰を受けましたが。私がDARPAに来たのは、材料革命が起きていないことにいら立っていたからです。私はナノテクノロジーの世界から来ました。そこでの私たちの目標は、ナノスケールから物質を制御可能かつ再現性を持って構築し、今まで見たことのないプロパティを持つ材料を作り出すことでした。しかし、私たちは知っているはずの材料を作ることができませんでした。必要なことを行うためのツールがなかったのです。しかし、生物学は本質的にこれを行っています。生物学は本質的に、ナノメートルからミリメートル、メートルへと、ナノスケールから材料を構築しています。そして、私たちの合成世界のどんなものよりもはるかに優れた材料を構築しています。

例えば、私たちの皮膚を取り上げてみましょう。これは私が知る中で最も驚くべき材料の1つです。それは私たちの環境を感知します。生まれてから一緒に成長します。微生物コミュニティを維持します。2週間ごとに自己再生します。自己修復します。これらの特性を持つ材料を構築できたらと想像してみてください。さて、私たちがこれまでこれに取り組んできた方法は、ますます複雑な機械を構築し、ますます無菌の環境を作り出し、コストを増大させることでした。しかし、生物学は、私たちにはるかに洗練された製造プラットフォームを提供してくれます。

酵母細胞：究極の製造プラットフォーム

この酵母細胞を例に取ってみましょう。遺伝暗号を通じてプログラム可能であり、先ほど述べたように、再プログラム可能です。それは自己複製することができます。何十億もの小さな工場を作り出し、ビールなど私たちが好きな製品を作り出します。そして、最も汚れた環境でも機能します。標準の温度と圧力で機能し、自己修復します。これは、新しい材料を構築するために使用する方法を見つけ出したいと思っていた製造プラットフォームです。

DARPA Living Foundries Program の設立

そこで、私たちDARPAはDARPA Living Foundries Programを立ち上げました。これには非常にシンプルな目標がありました。生物学を単なるテクノロジーとしてだけでなく、製造プラットフォームとして活用しようというものです。そして、私たちが追求している非常に小さな材料の範囲、つまり生化学物質、バイオ燃料、いくつかの医薬品を越えて、生物学が達成できる全体的な複雑さを捉えようというものです。新しいタイプのポリマーを作る方法を見つけ出そうというものです。過去50年間、より良いケブラー（高強度・高弾性率のパラアラミド繊維）を作ることについて話し合ってきました。さあ、それを実行しましょう。非常に低コストで新しい化学変換を行うことができる新しい触媒を構築しましょう。そして、スペクトルのもう一方の端まで行き、プログラム可能で自己修復可能な、私たちの皮膚のような生きた材料を構築しましょう。これを構築できたらと想像してみてください。

生物学を操作するための古い方法では不十分

しかし、問題は、今日の私たちが生物学を操作する方法を見ると、過去100年間、それほど変わっていないことです。私たちはまだ、高度な訓練を受けた人間を使って、無色の液体をピペットで移し替えています。人間のペースで動いているのです。人間のペースで動くとき、イノベーションは世代ごとにしか起こりません。ここであまり進歩がないのも不思議ではありません。100年前はおろか、20年前や30年前と同じように見える他の技術分野は知りません。そして、生物学者がやり方を変えたくないからではありません。ほぼ10年前までは、生物学は主に探索的科学だったからです。私たちは自然の基本的なルールを発見したかったのです。そして、ここで私が話しているのは、探索や発見ではありません。私は、生物学的システムを設計して有用な製品を作るにはどうすればよいかについて話しているのです。そのためには、私たちが生物学の周りに構築してきた全体的な枠組みを再構築する必要があります。私たちに必要なのは研究のためのツールではありません。構築するためのツールが必要なのです。

生物学のための工学的フレームワークの構築

そしてこれが重要な洞察でした。私は生物学のプログラムを運営するつもりはありませんでした。私は、生物学のための工学的フレームワークを構築することを可能にするエンジニアリングプログラムを運営するつもりでした。それは、私が実装したい設計を書き留め、高い精度でその設計を構築し、実行し、実行し、そこから学び、設計したいものを構築することを可能にするものでした。生物学のための設計-構築-テスト-サイクルが欲しかったのです。そして、これは今、生物工学技術に焦点を当てることができる最も重要なことだと思います。なぜなら、ミニチュア化とオートメーション、データサイエンスのすべてを生物学にもたらし始めると、このループを非常に素早く回ることができるようになるからです。そして、非常に素早く回るだけでなく、数万回の実験を行うことができます。そして、非常に高い精度と再現性で数万回の実験を行うとき、そのデータに分析を適用して、サイクルを回すたびに学習し、次のサイクルでははるかに深い洞察を持って回ることができ、最終目標に到達することができます。

生物学のための4つの変革的技術

そこで、私がここでお話ししたいのは、私たちがDARPAのパートナーと共に、生物学を前向きに設計するために構築してきた4つの異なる技術です。

1つ目は、遺伝的設計を低コストで、大量に、正確に構築できるようにしたいということです。ほんの数年前まで、これは不可能だったことを理解すると、あなたの心は吹き飛ぶかもしれません。私はごくシンプルなプログラム、「Hello, World」しか作ることができませんでした。実際、それもしばしば、「Well, World」のように文字化けしていました。私はこのパラダイムを変えたかったのです。そこで、Twist Biosciencesと協力して、大容量で低スループットの96ウェルプレートを使用することから、私たち全員がよく知っているシリコンを活用することに移行することにしました。シリコンのマイクロマシニングには何十億ドルもの投資がなされており、スループットを少なくとも100倍、コストを100分の1以下に簡単に上げる方法を提供してくれます。そして、すべての設計が正確になるようにプロセス制御を行います。これにより、初めて、低コストで遺伝暗号を書き、すぐに利用でき、正確なものにすることができるのです。これは状況を完全に変えるでしょう。

任意の生物をエンジニアリングするための新しいソフトウェアツール

私が投資したかった2つ目の主要技術は、地球上に3000万から300億種類もの生物が存在するという問題に対処することでした。正確な数は分かりませんが、現在、生物工学のためにほぼ2種類、酵母と大腸菌しか使用していません。私たちはもっと上手くやれるはずです。私は、温度耐性やpH耐性など、欲しい特性を持つ任意の生物を使用できるようになりたいのです。そして、その生物を見て、どこをエンジニアリングすればよいか、すぐにマッピングできるようにしたいのです。

今日のゲノムアノテーションソフトウェアを見ると、学術論文で発表できる、エキセントリックで興味深いものを探すために作られているのであって、システムの観点から生物を見るためには作られていないのが課題です。ここで示しているのは、何百万から何十億ものベースペアを取り出して線形に並べ、そのDNAのほんの一部、約500ベースペアにズームインしていることです。このようなソフトウェアでは、複雑なものを設計することはできません。

しかし、Amrisのコンピュータサイエンティストやバイオインフォマティシャンと協力することで、ゲノムのGoogleマップのようなものを実際に構築することができました。これにより、初めて、システムの観点から生物を見ることができるようになりました。生物の中で理解できる部分、機能が分かっている部分、エンジニアリングできるかもしれない部分を探すことができます。そして、非常にハイレベルな視点から見ることができます。

ここで見ていただくのは、生物全体にわたる減数分裂のデータと、それがどこに位置しているか、そして新しい機能を挿入できるかもしれない場所です。この機能があれば、生の遺伝情報を取り込んで、1日以内にその生物をエンジニアリングする方法を理解することができます。これで、私たちが利用できる生物の全パレットを開くことができます。これも状況を一変させます。

遺伝情報をアクション可能な知識に変換する

3つ目の課題は、皆さんもよくご存知だと思いますが、利点と捉えられているものです。それは、DNA配列決定のコストが急速に下がったことによって、現在収集されているゲノムデータの洪水です。これは素晴らしいことですが、これらのデータベースはデータでしかないという事実があります。それは、実際に使用できる知識ではありません。非常に少ない遺伝情報しかアクション可能ではありません。科学的な出版物に掲載されているものだけが、どのように使えばよいか理解できるかもしれません。

ですから、私がゲノムエンジニアだとすると、これらのデータベースは、たとえそのすべての情報を含んでいたとしても、実際には役に立たないのです。そこで、バークレーの2人の科学者と協力して、これらの遺伝データベースとPubMedの論文をすべてスキャンし、この情報に注釈を付け、構築できるようにする計算ツールを構築することにしました。

例えば、生物学を使ってアクセス可能な全生化学空間をマッピングすることができました。中心から外に向かって、関心のある生化学物質に到達する方法と、そこに到達するためにたどることができるさまざまな遺伝学的経路を理解し、ある経路と別の経路を比較し始めることができるようになりました。これにより、初めて、遺伝経路の合理的な設計ができるようになったのです。

さらに興味深いのは、これらの巨大なデータベースを並び替えて理解し始めることができることです。例えば、ここでは世界保健機関（WHO）の必須医薬品リストを見ていますが、従来の化学的ルートよりも生合成ルートを通じて低コストで製造し、よりアクセスしやすくできるものをターゲットにしたいかを理解することができます。

自動化とプログラム可能な実験室ベンチの実現

最後に、私がお話ししたい技術は、最も変革をもたらす可能性があるものです。それは、生物学を実際に行う方法をどのように変えるか、つまり、実験室のベンチを自動化してプログラム可能にすることです。ここでは、半導体産業とディスプレイ産業、そしてマイクロ流体工学で見られる何兆ドルもの投資を活用して、非常に低コストで、非常に高いスループットで、一度に数万から数百万の実験を行うことができる小さなプログラム可能な実験室ベンチを基本的に作っています。

このプラットフォームの強力な点は、スループット能力、つまり初めて数万回の実験ができるという事実だけではなく、プログラム可能であるという事実です。ですから、実験をコーディングすると、それをあなたと共有することができます。もう、実験室で最高のピペッター、最も正確な人である必要はありません。私たちは今、時間と規模を超えて、異なるタイプの遺伝プログラムを共有することができ、専門家である必要はありません。そして、再現可能なものを作ることができ、互いの実験の上に構築することができます。これは、コンピューティング業界で革命をもたらしたもの、つまり、広く配布可能なプラットフォームであり、参入障壁が非常に低く、他の人の設計の上に構築できるものです。

これらのツールがもたらすインパクト

さて、私たちが構築しているこれらのツールのインパクトは何でしょうか。わずか3年前、これらのツールが開発される前は、新しいバイオプロダクトを構築するには、製品ごとに数千万ドルから数億ドル、ほぼ10年かかっていました。デュポンの1,3-プロパンジオールは、3つの炭素、複雑ではありませんが、2億5000万ドル（約330億円）、ほぼ12年かかりました。革命を起こしたいのなら、このようなイノベーションのペースは許容できません。

しかし、私たちのプログラムの後、これらのツールのほんの一部を構築し、それらを統合しただけで、その時間とコストを1桁以上も削減することができました。もう一度言いますが、わずか3年足らずで、1桁以上の進歩があったのです。それは驚くべきことであり、驚嘆に値することです。そして、これからどれだけさらに下げられるか想像してみてください。

まだやるべきことはあります。先ほど述べたように、3つの炭素、それほど複雑ではありません。生化学空間の全体的な複雑さを捉える必要があります。本当に生きた材料を作りたいのであれば、複雑なプログラムを作る方法を学ばなければなりません。そして、それが今日、私たちが取り組んでいることです。

生物学的製造の未来

これはどこに向かっているのでしょうか。1920年代以前は、実際に材料のために生物学に頼っていました。自然界から収穫でき、必要に応じて磨くことのできるものでした。しかし、1920年代になると、革命が起こりました。石油化学製品が登場し、初めて、自然が与えてくれない新しい材料特性を得ることができ、必要に応じて材料を設計することができるようになったのです。

私たちは今、新しい変曲点にいます。生物学が提供してくれる複雑さと力強さのすべてを考慮に入れ、それを必要に応じて設計する能力と組み合わせ、この全く新しい材料の領域を切り開くことができるのです。これこそが、Living Foundriesでやろうとしていることですが、これらのプラットフォームは、生物学の言語が普遍的なものであるため、はるかに多くのことができます。すべてが遺伝暗号に基づいて動作しているのです。

これらのプラットフォームは、材料革命以上のことができます。それは、私たちがこれまで解決できなかった問題を解決することができます。ダン・ワッテンドルフからあとで聞くことになるでしょうが、私たちは今、以前に見たことがあるかどうかにかかわらず、あらゆる感染症に対して人々に即時の免疫を提供することを考えることができます。

マラリアやデング熱のような媒介生物が媒介する疾患に立ち向かうことができます。世界には30億人以上の人々がいます。媒介生物による疾患のリスクにさらされています。蚊は年間100万人以上の命を奪っています。これらのツールは、初めてその問題に立ち向かい、マラリア、デング熱、チクングニア熱、ジカウイルスなど、侵襲性の蚊が媒介するすべてのものを真に根絶する解決策を提供してくれます。

カリフォルニアの干ばつに見られるように、資源の制約を追求することもできますし、マルティーヌが話したように、この地球上の人口が100億人にまで拡大したときには、これらの問題を地球規模で真に攻撃できる技術が必要になるでしょう。

人為的な災害や自然災害が発生した後、私たちは初めて、地域規模で本当に環境を回復させる、完全に回復させることを考えることができるかもしれません。また、それ以上に大きなこととして、私たちは初めて、敵対的な環境を変えることができる技術的なツールキットを手に入れたのです。そしてそれは革命なのです。

 

生物学はテクノロジーです。私たちには皆さんの助けが必要です。この未来を築くために。皆さんに参加していただければ幸いです。ありがとうございました。