オックスフォードのチームが量子対応タンパク質を設計し、バイオテクノロジーの新境地を開く

オックスフォード大学工学部率いる研究チームは、世界で初めて、タンパク質内部で量子力学的プロセスを操作することが可能であることを示し、新しい種類の量子対応生物学技術への扉を開きました。

Nature に本日掲載されたこの研究は、磁場や電波と相互作用できる新しい種類の生体分子、磁気感受性蛍光タンパク質 (MFP) の作成を報告しています。これはタンパク質内の量子力学的相互作用によって可能になり、適切な波長の光にさらされると発生します。

量子効果がいくつかの生物学的プロセス（鳥の航行など）の中心であることはこれまでに示されているが、新たな実用技術群を生み出すために量子効果が操作されたのは今回が初めてである。これは、自然界における量子効果の観察から、現実世界で使用できるように意図的に設計することへの移行を示しています。

研究者らはすでにこれらの技術の生物医学への応用を模索している。研究の一環として、研究チームは、病院で広く使用されている磁気共鳴画像法（MRI）と同様のメカニズムを使用して、人工タンパク質の位置を特定できるプロトタイプの画像装置を作成した。ただし、MRI とは異なり、生体内の特定の分子や遺伝子発現を追跡することができます。このような測定は、標的薬物送達や腫瘍内部の遺伝子変化のモニタリングなどの医療課題の中心となります。

人工タンパク質を生成するために、研究チームは指向性進化として知られる生物工学技術を使用しました。この方法では、タンパク質をコードする DNA 配列にランダムな突然変異が導入され、特性が変化した何千もの変異体が作成されます。このコレクションからパフォーマンスの高いバリアントが選択され、このプロセスが繰り返されます。指向進化を何度も連続して繰り返した後、選択されたタンパク質は磁場に対する感受性が劇的に向上しました。

このブレークスルーを達成するには、英国の産業戦略の中心として最近注目されている 3 つのイノベーション分野である工学生物学、量子、人工知能の専門知識を結びつける野心的な学際的なアプローチが必要でした。この研究は、それらの交差点が新しい技術を生み出すために利用された最初のものであると考えられています。

論文の筆頭著者で工学部の博士課程学生であるガブリエル・エイブラハムズ氏は、今回の研究について「非常にエキサイティングな発見だ。私を驚かせたのは進化の力だ。本当に優れた生物学的量子センサーを一から設計する方法はまだ分からないが、細菌の進化プロセスを慎重に制御することで、自然は私たちのために方法を見つけてくれた。」と述べた。

この研究の主任著者である工学部のハリソン・スティール准教授は、「私たちの研究は、基礎科学から技術のブレークスルーに至る曲がりくねった道を予測することがいかに難しいかを浮き彫りにしている。たとえば、MFPの内部で起こっている量子プロセスに関する私たちの理解は、地球の磁場を使って鳥がどのように移動するかを何十年も研究してきた専門家のおかげで初めて明らかになった。一方、MFPをエンジニアリングするための出発点となったタンパク質は、一般的なオート麦に由来しているのだ！」と述べた。

スティール教授はさらに次のように続けた。「私たちの研究を支援してくださった方々、特に EPSRC EEBio プログラム助成金からの資金提供に非常に感謝しています。これは、ロボット工学、制御アルゴリズム、AI と並行してバイオエンジニアリングを 1 つの研究室で実行するという学際的なビジョンを実現するのに役立ってくれました。」

このプロジェクトの成功を受けて、チームは現在、オックスフォード大学化学科が主導する最近の主要なBBSRCプロジェクトの一環として、発見の多くの応用を実現し、自然界の量子効果の理解をさらに進めるための作業を加速させている。

このチームはオックスフォード大学工学部が主導し、化学科の協力者、オーフス大学、ロイヤルメルボルン工科大学、成均館大学、米国に本拠を置く企業Calico Life Sciences LLCからの国際パートナーが協力した。

エイブラハムズ G、シュトゥヘク A、スプレング V、ヘンリー R、ケンプ I、ジェームス J、セシュカー K、ステイシー S、トレレス フェルナンデス V、アンティル LM、ティンメル CR、ミラー JJ、インガラモ M、ヨーク AG、テティエンヌ JP、スティール H.
マルチモーダルセンシングのための人工タンパク質の量子スピン共鳴。
自然。 2026 年 1 月 21 日。土井: 10.1038/s41586-025-09971-3