バイオエコノミー実現を牽引する合成バイオ技術 ：...
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co 2 神戸大学大学院 科学技術イノベーション研究科 研究科長 統合バイオリファイナリーセンター長 理化学研究所 横浜研究所 環境資源科学研究センター バイオマス工学研究部門 チームリーダー 近藤昭彦 TSC Foresightセミナー「生物機能を利用した物質生産」 2017年2月10日 バイオエコノミー実現を牽引する合成バイオ技術 ：現状と今後の展望
Transcript of バイオエコノミー実現を牽引する合成バイオ技術 ：...
co2
神戸大学大学院 科学技術イノベーション研究科 研究科長統合バイオリファイナリーセンター長
理化学研究所 横浜研究所 環境資源科学研究センターバイオマス工学研究部門 チームリーダー
近藤昭彦
TSC Foresightセミナー「生物機能を利用した物質生産」 2017年2月10日
バイオエコノミー実現を牽引する合成バイオ技術現状と今後の展望
スマートセルインダストリー
【スマートセル】高度に機能がデザインされ機能の発現が制御された生物細胞【スマートセルインダストリー】スマートセルを用いた産業群
3分野の技術革新を融合することによってこれまで利用し得なかったldquo潜在的な生物機能rdquoを引き出すことが可能に
バイオテクノロジー分野で進む技術革新 ３つの分野で進む大きな技術革新
産業構造審議会 商務流通情報分科会 バイオ小委員会中間取りまとめ（概要）
バイオテクノロジーが生み出す新たな潮流〔スマートセルインダストリー時代の幕開け〕
バイオエコノミー（Bioeconomy）という概念が国際的に提唱2030年にはバイオテクノロジーを利用した産業が全GDPの27（約200兆円OECD加盟国）規模に成長する見通し背景にゲノム情報の集積分析生物機能の改変発現等に係る技術革新の急速な進展がありバイオ経済を加速させる新たな潮流が形成
「バイオインダストリー革命」
産業構造審議会 商務流通情報分科会 バイオ小委員会 中間取りまとめ（概要23）
スマートセルインダストリーが拓く未来像
探索と解析がベースで試行錯誤の要素が大きく目的生産物の生産性が不十分開発時間が長くコストが莫大ビジネス的要請は強いが生産できない物質も多い
従来型の遺伝子組換え技術
合理的設計ldquo合成バイオrdquoへ
ビジネス側化学品ターゲット（市場ニーズ有）
従来のバイオ合成可能化学品
ルート探索技術により拡大された潜在バイオ合成ターゲット
新バイオターゲットの製造法開発
新規製造法開発
ＸＸ
ＸＸＸＸ
ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ
合成バイオ技術で広がるバイオ合成ターゲット
自然界の生物が持っていない人工的な代謝経路や遺伝子回路や生産性向上戦略を計算科学的に設計計算科学ロボット高速高度分析技術の統合による開発速度の飛躍的スピードアップ開発コストの大幅削減ターゲット物質の大幅な拡張
合成バイオ技術
スマートセルバイオインダストリー基盤合成バイオ技術
スマートセルバイオインダストリー基盤合成バイオ技術による先進バイオファウンドリー
（Advanced bio-foundry platform）
細胞の完全な設計は困難 rArr DBTLのアプローチ
ゲノムレベルでの設計 長鎖遺伝子クラスター合成
HTS高精度評価AIIT技術を活用した学習
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
DARPA 1000 molecules Living Foundry Project
DARPA awards $32 million contract to MIT Broad Institute Foundry to bolster DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
MIT-Broad Foundry
wwwsbrc-nottinghamacuk sbrcnottinghamacuk
October 2013 2013-2015
BBSRCEPSRC funded 6 Synthetic Biology Research Centres (SBRCs) for 5 years-
University of Nottingham (pound143M) - focus on IBB amp platform chemicals
University of Bristol (pound140M) - broad focus including Health
University Cambridge John Innes Centre (pound12M) - focus on Plants
University Edinburgh (pound114M) ndash focus on Mammalian Systems
University of Warwick (pound105M) ndash very broad Integrative Synthetic Biology
University Manchester (pound102M) ndash focus on IB and speciality chemicals
gt pound70M on Centres
gtpound70M on CENTRES 6 synthetic biology centers for bioeconomy
BioDesign for the BioeconomyUK Synthetic Biology Strategic Plan 2016
バイオリファイナリー実現のための統合バイオプロセス（Consolidated bioprocessing）
Biomass
Consolidated bioprocessing
(CBP)
Cellulolytic
andor
Amylolytic
microbes
One-step
conversion
Alcohols
Amino acids
Aromatic compounds
Diamines
Diols
Organic acids
Bio-fuels
Bio-plastics
Bio-films
Bio-fibers
Bio-rubbers
Building blocks
Bio-fine
chemicals
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
スマートセルインダストリー
【スマートセル】高度に機能がデザインされ機能の発現が制御された生物細胞【スマートセルインダストリー】スマートセルを用いた産業群
3分野の技術革新を融合することによってこれまで利用し得なかったldquo潜在的な生物機能rdquoを引き出すことが可能に
バイオテクノロジー分野で進む技術革新 ３つの分野で進む大きな技術革新
産業構造審議会 商務流通情報分科会 バイオ小委員会中間取りまとめ（概要）
バイオテクノロジーが生み出す新たな潮流〔スマートセルインダストリー時代の幕開け〕
バイオエコノミー（Bioeconomy）という概念が国際的に提唱2030年にはバイオテクノロジーを利用した産業が全GDPの27（約200兆円OECD加盟国）規模に成長する見通し背景にゲノム情報の集積分析生物機能の改変発現等に係る技術革新の急速な進展がありバイオ経済を加速させる新たな潮流が形成
「バイオインダストリー革命」
産業構造審議会 商務流通情報分科会 バイオ小委員会 中間取りまとめ（概要23）
スマートセルインダストリーが拓く未来像
探索と解析がベースで試行錯誤の要素が大きく目的生産物の生産性が不十分開発時間が長くコストが莫大ビジネス的要請は強いが生産できない物質も多い
従来型の遺伝子組換え技術
合理的設計ldquo合成バイオrdquoへ
ビジネス側化学品ターゲット（市場ニーズ有）
従来のバイオ合成可能化学品
ルート探索技術により拡大された潜在バイオ合成ターゲット
新バイオターゲットの製造法開発
新規製造法開発
ＸＸ
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ＸＸ
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ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ ＸＸ
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ＸＸ
合成バイオ技術で広がるバイオ合成ターゲット
自然界の生物が持っていない人工的な代謝経路や遺伝子回路や生産性向上戦略を計算科学的に設計計算科学ロボット高速高度分析技術の統合による開発速度の飛躍的スピードアップ開発コストの大幅削減ターゲット物質の大幅な拡張
合成バイオ技術
スマートセルバイオインダストリー基盤合成バイオ技術
スマートセルバイオインダストリー基盤合成バイオ技術による先進バイオファウンドリー
（Advanced bio-foundry platform）
細胞の完全な設計は困難 rArr DBTLのアプローチ
ゲノムレベルでの設計 長鎖遺伝子クラスター合成
HTS高精度評価AIIT技術を活用した学習
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
DARPA 1000 molecules Living Foundry Project
DARPA awards $32 million contract to MIT Broad Institute Foundry to bolster DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
MIT-Broad Foundry
wwwsbrc-nottinghamacuk sbrcnottinghamacuk
October 2013 2013-2015
BBSRCEPSRC funded 6 Synthetic Biology Research Centres (SBRCs) for 5 years-
University of Nottingham (pound143M) - focus on IBB amp platform chemicals
University of Bristol (pound140M) - broad focus including Health
University Cambridge John Innes Centre (pound12M) - focus on Plants
University Edinburgh (pound114M) ndash focus on Mammalian Systems
University of Warwick (pound105M) ndash very broad Integrative Synthetic Biology
University Manchester (pound102M) ndash focus on IB and speciality chemicals
gt pound70M on Centres
gtpound70M on CENTRES 6 synthetic biology centers for bioeconomy
BioDesign for the BioeconomyUK Synthetic Biology Strategic Plan 2016
バイオリファイナリー実現のための統合バイオプロセス（Consolidated bioprocessing）
Biomass
Consolidated bioprocessing
(CBP)
Cellulolytic
andor
Amylolytic
microbes
One-step
conversion
Alcohols
Amino acids
Aromatic compounds
Diamines
Diols
Organic acids
Bio-fuels
Bio-plastics
Bio-films
Bio-fibers
Bio-rubbers
Building blocks
Bio-fine
chemicals
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
産業構造審議会 商務流通情報分科会 バイオ小委員会 中間取りまとめ（概要23）
スマートセルインダストリーが拓く未来像
探索と解析がベースで試行錯誤の要素が大きく目的生産物の生産性が不十分開発時間が長くコストが莫大ビジネス的要請は強いが生産できない物質も多い
従来型の遺伝子組換え技術
合理的設計ldquo合成バイオrdquoへ
ビジネス側化学品ターゲット（市場ニーズ有）
従来のバイオ合成可能化学品
ルート探索技術により拡大された潜在バイオ合成ターゲット
新バイオターゲットの製造法開発
新規製造法開発
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ＸＸ
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ＸＸ ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ
合成バイオ技術で広がるバイオ合成ターゲット
自然界の生物が持っていない人工的な代謝経路や遺伝子回路や生産性向上戦略を計算科学的に設計計算科学ロボット高速高度分析技術の統合による開発速度の飛躍的スピードアップ開発コストの大幅削減ターゲット物質の大幅な拡張
合成バイオ技術
スマートセルバイオインダストリー基盤合成バイオ技術
スマートセルバイオインダストリー基盤合成バイオ技術による先進バイオファウンドリー
（Advanced bio-foundry platform）
細胞の完全な設計は困難 rArr DBTLのアプローチ
ゲノムレベルでの設計 長鎖遺伝子クラスター合成
HTS高精度評価AIIT技術を活用した学習
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
DARPA 1000 molecules Living Foundry Project
DARPA awards $32 million contract to MIT Broad Institute Foundry to bolster DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
MIT-Broad Foundry
wwwsbrc-nottinghamacuk sbrcnottinghamacuk
October 2013 2013-2015
BBSRCEPSRC funded 6 Synthetic Biology Research Centres (SBRCs) for 5 years-
University of Nottingham (pound143M) - focus on IBB amp platform chemicals
University of Bristol (pound140M) - broad focus including Health
University Cambridge John Innes Centre (pound12M) - focus on Plants
University Edinburgh (pound114M) ndash focus on Mammalian Systems
University of Warwick (pound105M) ndash very broad Integrative Synthetic Biology
University Manchester (pound102M) ndash focus on IB and speciality chemicals
gt pound70M on Centres
gtpound70M on CENTRES 6 synthetic biology centers for bioeconomy
BioDesign for the BioeconomyUK Synthetic Biology Strategic Plan 2016
バイオリファイナリー実現のための統合バイオプロセス（Consolidated bioprocessing）
Biomass
Consolidated bioprocessing
(CBP)
Cellulolytic
andor
Amylolytic
microbes
One-step
conversion
Alcohols
Amino acids
Aromatic compounds
Diamines
Diols
Organic acids
Bio-fuels
Bio-plastics
Bio-films
Bio-fibers
Bio-rubbers
Building blocks
Bio-fine
chemicals
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
探索と解析がベースで試行錯誤の要素が大きく目的生産物の生産性が不十分開発時間が長くコストが莫大ビジネス的要請は強いが生産できない物質も多い
従来型の遺伝子組換え技術
合理的設計ldquo合成バイオrdquoへ
ビジネス側化学品ターゲット（市場ニーズ有）
従来のバイオ合成可能化学品
ルート探索技術により拡大された潜在バイオ合成ターゲット
新バイオターゲットの製造法開発
新規製造法開発
ＸＸ
ＸＸＸＸ
ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ ＸＸ
ＸＸ
ＸＸ
合成バイオ技術で広がるバイオ合成ターゲット
自然界の生物が持っていない人工的な代謝経路や遺伝子回路や生産性向上戦略を計算科学的に設計計算科学ロボット高速高度分析技術の統合による開発速度の飛躍的スピードアップ開発コストの大幅削減ターゲット物質の大幅な拡張
合成バイオ技術
スマートセルバイオインダストリー基盤合成バイオ技術
スマートセルバイオインダストリー基盤合成バイオ技術による先進バイオファウンドリー
（Advanced bio-foundry platform）
細胞の完全な設計は困難 rArr DBTLのアプローチ
ゲノムレベルでの設計 長鎖遺伝子クラスター合成
HTS高精度評価AIIT技術を活用した学習
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
DARPA 1000 molecules Living Foundry Project
DARPA awards $32 million contract to MIT Broad Institute Foundry to bolster DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
MIT-Broad Foundry
wwwsbrc-nottinghamacuk sbrcnottinghamacuk
October 2013 2013-2015
BBSRCEPSRC funded 6 Synthetic Biology Research Centres (SBRCs) for 5 years-
University of Nottingham (pound143M) - focus on IBB amp platform chemicals
University of Bristol (pound140M) - broad focus including Health
University Cambridge John Innes Centre (pound12M) - focus on Plants
University Edinburgh (pound114M) ndash focus on Mammalian Systems
University of Warwick (pound105M) ndash very broad Integrative Synthetic Biology
University Manchester (pound102M) ndash focus on IB and speciality chemicals
gt pound70M on Centres
gtpound70M on CENTRES 6 synthetic biology centers for bioeconomy
BioDesign for the BioeconomyUK Synthetic Biology Strategic Plan 2016
バイオリファイナリー実現のための統合バイオプロセス（Consolidated bioprocessing）
Biomass
Consolidated bioprocessing
(CBP)
Cellulolytic
andor
Amylolytic
microbes
One-step
conversion
Alcohols
Amino acids
Aromatic compounds
Diamines
Diols
Organic acids
Bio-fuels
Bio-plastics
Bio-films
Bio-fibers
Bio-rubbers
Building blocks
Bio-fine
chemicals
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
スマートセルバイオインダストリー基盤合成バイオ技術による先進バイオファウンドリー
（Advanced bio-foundry platform）
細胞の完全な設計は困難 rArr DBTLのアプローチ
ゲノムレベルでの設計 長鎖遺伝子クラスター合成
HTS高精度評価AIIT技術を活用した学習
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
DARPA 1000 molecules Living Foundry Project
DARPA awards $32 million contract to MIT Broad Institute Foundry to bolster DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
MIT-Broad Foundry
wwwsbrc-nottinghamacuk sbrcnottinghamacuk
October 2013 2013-2015
BBSRCEPSRC funded 6 Synthetic Biology Research Centres (SBRCs) for 5 years-
University of Nottingham (pound143M) - focus on IBB amp platform chemicals
University of Bristol (pound140M) - broad focus including Health
University Cambridge John Innes Centre (pound12M) - focus on Plants
University Edinburgh (pound114M) ndash focus on Mammalian Systems
University of Warwick (pound105M) ndash very broad Integrative Synthetic Biology
University Manchester (pound102M) ndash focus on IB and speciality chemicals
gt pound70M on Centres
gtpound70M on CENTRES 6 synthetic biology centers for bioeconomy
BioDesign for the BioeconomyUK Synthetic Biology Strategic Plan 2016
バイオリファイナリー実現のための統合バイオプロセス（Consolidated bioprocessing）
Biomass
Consolidated bioprocessing
(CBP)
Cellulolytic
andor
Amylolytic
microbes
One-step
conversion
Alcohols
Amino acids
Aromatic compounds
Diamines
Diols
Organic acids
Bio-fuels
Bio-plastics
Bio-films
Bio-fibers
Bio-rubbers
Building blocks
Bio-fine
chemicals
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
細胞の完全な設計は困難 rArr DBTLのアプローチ
ゲノムレベルでの設計 長鎖遺伝子クラスター合成
HTS高精度評価AIIT技術を活用した学習
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
DARPA 1000 molecules Living Foundry Project
DARPA awards $32 million contract to MIT Broad Institute Foundry to bolster DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
MIT-Broad Foundry
wwwsbrc-nottinghamacuk sbrcnottinghamacuk
October 2013 2013-2015
BBSRCEPSRC funded 6 Synthetic Biology Research Centres (SBRCs) for 5 years-
University of Nottingham (pound143M) - focus on IBB amp platform chemicals
University of Bristol (pound140M) - broad focus including Health
University Cambridge John Innes Centre (pound12M) - focus on Plants
University Edinburgh (pound114M) ndash focus on Mammalian Systems
University of Warwick (pound105M) ndash very broad Integrative Synthetic Biology
University Manchester (pound102M) ndash focus on IB and speciality chemicals
gt pound70M on Centres
gtpound70M on CENTRES 6 synthetic biology centers for bioeconomy
BioDesign for the BioeconomyUK Synthetic Biology Strategic Plan 2016
バイオリファイナリー実現のための統合バイオプロセス（Consolidated bioprocessing）
Biomass
Consolidated bioprocessing
(CBP)
Cellulolytic
andor
Amylolytic
microbes
One-step
conversion
Alcohols
Amino acids
Aromatic compounds
Diamines
Diols
Organic acids
Bio-fuels
Bio-plastics
Bio-films
Bio-fibers
Bio-rubbers
Building blocks
Bio-fine
chemicals
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
DARPA 1000 molecules Living Foundry Project
DARPA awards $32 million contract to MIT Broad Institute Foundry to bolster DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
MIT-Broad Foundry
wwwsbrc-nottinghamacuk sbrcnottinghamacuk
October 2013 2013-2015
BBSRCEPSRC funded 6 Synthetic Biology Research Centres (SBRCs) for 5 years-
University of Nottingham (pound143M) - focus on IBB amp platform chemicals
University of Bristol (pound140M) - broad focus including Health
University Cambridge John Innes Centre (pound12M) - focus on Plants
University Edinburgh (pound114M) ndash focus on Mammalian Systems
University of Warwick (pound105M) ndash very broad Integrative Synthetic Biology
University Manchester (pound102M) ndash focus on IB and speciality chemicals
gt pound70M on Centres
gtpound70M on CENTRES 6 synthetic biology centers for bioeconomy
BioDesign for the BioeconomyUK Synthetic Biology Strategic Plan 2016
バイオリファイナリー実現のための統合バイオプロセス（Consolidated bioprocessing）
Biomass
Consolidated bioprocessing
(CBP)
Cellulolytic
andor
Amylolytic
microbes
One-step
conversion
Alcohols
Amino acids
Aromatic compounds
Diamines
Diols
Organic acids
Bio-fuels
Bio-plastics
Bio-films
Bio-fibers
Bio-rubbers
Building blocks
Bio-fine
chemicals
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
wwwsbrc-nottinghamacuk sbrcnottinghamacuk
October 2013 2013-2015
BBSRCEPSRC funded 6 Synthetic Biology Research Centres (SBRCs) for 5 years-
University of Nottingham (pound143M) - focus on IBB amp platform chemicals
University of Bristol (pound140M) - broad focus including Health
University Cambridge John Innes Centre (pound12M) - focus on Plants
University Edinburgh (pound114M) ndash focus on Mammalian Systems
University of Warwick (pound105M) ndash very broad Integrative Synthetic Biology
University Manchester (pound102M) ndash focus on IB and speciality chemicals
gt pound70M on Centres
gtpound70M on CENTRES 6 synthetic biology centers for bioeconomy
BioDesign for the BioeconomyUK Synthetic Biology Strategic Plan 2016
バイオリファイナリー実現のための統合バイオプロセス（Consolidated bioprocessing）
Biomass
Consolidated bioprocessing
(CBP)
Cellulolytic
andor
Amylolytic
microbes
One-step
conversion
Alcohols
Amino acids
Aromatic compounds
Diamines
Diols
Organic acids
Bio-fuels
Bio-plastics
Bio-films
Bio-fibers
Bio-rubbers
Building blocks
Bio-fine
chemicals
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
バイオリファイナリー実現のための統合バイオプロセス（Consolidated bioprocessing）
Biomass
Consolidated bioprocessing
(CBP)
Cellulolytic
andor
Amylolytic
microbes
One-step
conversion
Alcohols
Amino acids
Aromatic compounds
Diamines
Diols
Organic acids
Bio-fuels
Bio-plastics
Bio-films
Bio-fibers
Bio-rubbers
Building blocks
Bio-fine
chemicals
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
細胞工場 (microbial cell factory) の構築
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
アーミング酵母とセルロース原料の相互作用
EG-D-CBH1-D EG-S-CBH1-S
Cell surface display system Secretion system
Liu et al (2016) Scientific Reports
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
GDC プラットフォームのWork Flow
代謝経路構築のコンピューター支援システム
Design
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
Araki et al (2015) Bioinformatics
人工代謝経路設計システムDesign
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
GDC プラットフォームのインターフェース（プロトタイプ）
Design
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
合成バイオ技術のプラットフォームGenome Design Cycle Platform (GDC Platform)
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
Assembly method using
B subtilis plasmid
transformation system
Assembly completes in one-step
High efficiency and fidelity
No limit on fragment size
枯草菌を用いた長鎖DNA合成技術OGAB法
Tsuge K Matsui K and Itaya M
Nucleic Acids Res 31e133 (2003)
OGAB Ordered Gene Assembly in Bacillus subtilis
Automated construction of designed
artificial gene clusters up to 100 kb
Built
100 kbまでの合成
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
DNAアセンブリー技術としてのOGAB法の優位性
OGABOrdered gene assembly
in Bacillus subtilis
Gibson Assembly Golden Gate LCRLigation Chain ReactionMethod
Principle
httppartsigemorgPartBBa_K797013
BsaI site elimination
ssDNA bridging oligo
Denature at 94˚CAnneal at 55˚C
Ligation at66˚C
Repeating temperature cycle
B subtilis
Tandem repeat-form
ligation
Plasmid DNA
Transformation
3rsquo5rsquo
3rsquo5rsquo
A
B
A + B
Chewing back by 5rsquo-exonuclease
Hybridization
DNA polymerase and ligase
Ligation of two DNAs with short landing pad sequence by action of exonucleasepolymeraseligase
Elimination of restriction enzyme side by co-reaction of TypeIIS enzyme and DNA ligase
Sequence specific ligation at high temperature via ssDNA bridging oligo
Cyclization of tandem repeat-form ligation product by B subtilis
Pros
Cons
bull Isothermal processbull Kits availablebull Applicable to gt100 kbbull Available PCR fragments
bull Possible risk of introduction of mutation by DNA polymerase
bull Simple principlebull Automation-friendly
bull Not practical for longDNA construction due to limitation of available restriction enzyme(up to 20 kb)
bull Any two DNA fragments can be ligated without prior designing
bull Available PCR fragments
bull Not applicable for larger construct (up to 20 kb)
bull Applicable up to 100 kbbull Over 50 fragments can
be assembledbull Less mutation
bull Skill requirement at DNA concentration adjustment
Ref Tsuge K et al Nucleic Acids Res (2003)
de Kok S et al ACS Synth Biol (2014)
Gibson D G et al Nat Methods (2009)
Engler C et alPLoS ONE (2008))
Built
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
B subtilis Domino AssemblyYeast AssemblyMethod
Principle
Pros
Cons
bull Essentially no size limitation (Applicable for gt1000 kb construct)
bull More than 25 fragments are assembled in one stepbull Available PCR fragmentsbull Easy to do
bull In case of Eukaryotic DNA (for example human DNA)there is possible risk of deletion andor alteration of assembling DNA
bull Low growth rate of Yeast
bull Time consuming due to repetitive transformationsbull Difficulty in preparation of long sized Domino
bull Able to clone more that 3500 kbbull High stability of assembled DNAbull Applicable for high-GC content DNAbull High growth rate of B subtilis
Ref Itaya M et al Nat Methods (2008)Gibson D G et al Science (2008)
Homologous recombination between short (~80 bp) landing pad sequence of fragments by Saccharomyces cerevisiae genetic system
長鎖DNAアセンブリ―技術の比較ドミノ法の優位性
Assembly Design
Domino clones
Stepwise extension
Stepwise extension of Domino clones by repetitive transformation
Dominos are assembled in Bacillus subtilis GenoMe (BGM ) vector by homologous
recombination
gt3500 kb
Built
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
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Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
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$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
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Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
ldquoNon-cleavingrdquo genome editing
Conventional genome editing by artificial nuclease
Unwanted rearrangementToxicity
ZFN TALEN CRISPR
A GT C A GT C
A GT C A GT C
A GT C
A
GT C
A GT C A GT C
G
Nucleotide
Exchang
Enzyme
Sequence Recognition Module
Base-exchanging reaction linked to DNA binding motif
Problematic in certain cell types (most microbes)Cleavage
RearrangementCell death
Homologous template
Recombination
Insertiondeletion
DNArecogintion
DNArecogintion
Nuclease domain
gRNA
Cas9 nuclease
切らないゲノム編集と既存の切るゲノム編集
A GT C A GT C
A GT C A GT C
AGT
CGT C
AG T
CA GC
Sequence Recognition ModuleNuclease
Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
切らないゲノム編集（Target-AID）の開発に成功
Genome editing
Patent Genomic sequence modification method for specifically converting nucleic acid bases of targeted dna sequence and molecular complex for use in sameWO2015133554A1 Priority date2014-03-05
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
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Zymergen
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微生物をデザインすることでなんでも作ります
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さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
Target-AID 切らないゲノム編集の原理Genome editing
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Uracil (U) has the base-pairing properties of thymine (T)
C -gt T
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
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In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
Target-AID を用いた様々な生物種のゲノム編集
CHO cells
Nishida et al Science 353 aaf8729 (2016)
Rice Tomato etc
Shimatani et al Nature Biotechnology in press (2017)
Gram-negative bacteria (Ecoli)Gram-positive bacteria
(C acetobutiricum)
Under review Patent filed
Genome editing
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
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Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
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国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
多くの独創的な国産技術の開発に成功している
rArr
設計のもととなるモデルの高度化と統合プラットフォームの構築を推進中(NEDOプロジェクト）
ITAI技術やゲノム合成編集を
中心とする合成バイオ時代においてはプラットフォームを活用したオープンイノベーションで競争力アップすることが重要
技術統合によるプラットフォーム形成rArr バイオファウンドリー構築へ
設計の基盤となるモデルの高度化 rArr 設計精度の向上によるスピードアップ
多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
長鎖DNAの自動合成システム（構築中NEDO）
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
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chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
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genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
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多数遺伝子発現長鎖DNAの高速安価な自動合成高効率ゲノム編集rArr 微生物構築の高速化によるスピードアップ
分析の超高精度化高速化自動化 rArr スループットの向上によるスピードアップ
迅速なスケールアップスケールダウン技術の確立rArrスケールアップのスピードアップ
バイオエコノミーの実現を加速する先進的なバイオファウンドリー構築に向けた技術開発(NEDO)
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In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
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genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
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chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
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genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
～先進バイオファウンドリーの実用化事業化～
競合
MIT-Broad Foundry
$32 million for DNA design and manufacturing (September 24th 2015 )
Amyris
Ginkgo Bioworks
Zymergen
バイオファウンドリー
微生物をデザインすることでなんでも作ります
＞Biology by design＞Automation
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
Optimized minimal genome synthesis
さらに先に向けた動き ゲノム合成
Science 351 6280 (2016)
Design and synthesis of a minimal bacterial genome
In 2010 a 1079-kb genome based on the genome of Mycoplasma mycoides (JCV-syn10) was
chemically synthesized and supported cell growth when transplanted into cytoplasm
Hutchison III et al used a design build and test cycle to reduce this genome to 531 kb (473
genes) The resulting JCV-syn30 retains genes involved in key processes such as
transcription and translation but also contains 149 genes of unknown function
Synthetic Yeast 20 httpsyntheticyeastorg
Building the worlds first synthetic eukaryotic genome together
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
国際ゲノム合成プロジェクトの始動 （2017）
国際プロジェクトには日本からも参画予定
