あらゆるものにシルクを取り入れる競争

アリ・アルワタリは、ヤギたちに出会った日のことを今でも覚えている。19年前の5月中旬、ケベック州でのことだ。太陽が古いメープルシュガー農園と、ヤギたちが暮らす小さな小屋を照らしていた。材料科学者であるアルワタリは、プロクター・アンド・ギャンブル社で化学機器をいじり、パンパースやスウィッファーに使われる繊維の開発にキャリアを費やしてきた。しかし、新興企業ネクシア・バイオテクノロジーズは全く異なる種類のポリマー製造装置を目指しており、その装置は四角い瞳孔で彼を見つめていた。

アルワタリはヤギの世話人に自己紹介をした。世界中から集められた何十種類ものヤギの品種――大きいものも小さいものも、白いものも黒いものも、長毛のものも短毛のものも――に気づいた。小屋には様々な音楽が流れていた。「レゲエを流している小屋もあれば、リズム・アンド・ブルースを流している小屋もありました」と彼は回想する。「ヤギをリラックスさせることはとても重要でした。ですから、会社はそれぞれの小屋で、それぞれの国のヤギにそれぞれの国の音楽を流していたのです」。レゲエと反芻動物が暮らすこの非現実的な環境は、「バイオスチール」と呼ばれるプロジェクトに役立った。バイオスチールとは、乳中のタンパク質から超軽量で超強靭な絹を生産するように遺伝子操作された世界初のヤギのことだ。

当時、ネクシア社は、農場で使用可能な種類の、この壊れない繊維を大量生産することを目指していました。アルワタリ氏は、その協力を引き受けました。シルクは驚異的な繊維だからです。強靭で伸縮性があり、高温や極寒にも耐えます。天然素材で生体適合性があり、科学者はクモや豊富なカイコの繭からシルクの派生品を採取することができます。軍も民間企業もシルクを欲しがっています。近い将来、医師があなたの体内にシルクを注入する日が来るかもしれません。もしかしたら、食べることさえできるかもしれません。

ネクシアは、当時10億ドル以上だった市場から自社の利益を分け与えたいと考えていました。企業は、その莫大な資金を使って、縫合糸やインプラントなどのバイオメディカル機器に使用できる人工シルクを開発しようと考えていました。

2002年、ネクシアのCEOはニューヨーク・タイムズ紙にこう語った。「まさに革命です」。（同社は2000年に4000万ドルでIPOを実施し、当時のバイオテクノロジー企業としては過去最大級の規模だった。）ヤギは長年にわたり、雑誌や新聞に掲載された。「大きな反響がありました」と、バイオスティールのバイオメディカル応用事業開発担当元副社長、ブラッド・シリー氏は語る。

「クモを模倣するという単なる科学的な好奇心から生まれたものではありません」とアルワタリ氏は語る。「2003年頃に、私たちは初めて人工クモ糸を1マイル（約1.6キロメートル）作ることに成功しました。」

しかし、有望な技術によくあるように、2004年までにその熱意は冷めてしまった。ヤギはシルクの未来ではないことが判明したのだ。ヤギが生み出す最高のシルクタンパク質は小さすぎて、それを支えるには弱すぎた。また、家畜に頼ってスーパーファイバーを作るのは現実的ではなかった。「アリと彼のチームと共に、私たちはこのポリマーを限界まで押し上げたと思います」とシリーは語る。彼とアルワタリはその後すぐに会社を去り、ネクシアは2009年に倒産した。

カナダ企業のバイオスチールプロジェクトが解散すると、分子生物学者のジャスティン・ジョーンズとランディ・ルイスはワイオミング州からカナダへトレーラーを運転し、20匹ほどの鳴き声を出す動物を積み込み、研究室へと戻りました。その後数年間、世界中の研究室や企業の研究者たちは、人工シルクへの道を探し続けました。しかし、スタートアップ企業は毎年のように挑戦し、失敗を繰り返しました。どの企業も、規模の拡大、生産コスト、そして規制上のデューデリジェンスといった、お決まりの課題に直面したのです。

ただし、現代のシルクロードを約束する人々の中には、長い年月を経て、ついにその答えを見つけたと信じている人もいる。実際、シルクをベースとした独自の技術は、ヘルスケア、食品産業、そして衣料品の分野に浸透しつつある。「ゆっくりと、しかし着実に進歩してきました」と、Vaxess Technologiesの研究開発担当副社長、ジョナサン・クルージ氏は語る。同社はシルクを別の用途、つまり常温保存可能なワクチン送達システムの開発にも活用している。「そして今、技術の臨界点に達していると考えています」

ナディア・アユブさんは、クモに素手で触れることは決してありません。バージニア州にあるワシントン・アンド・リー大学の生物学者研究室には、クロゴケグモを飼育するクリッター・キーパー社のテラリウムが目の高さに設置されています。彼女は学生たちに、E字型の段ボールでクモの巣状の繊維を集める際に、クロゴケグモの織り目に息を吹きかけるように指示しています。アユブさんによると、この手順を踏まないと、クモはクモの巣の揺れを虫のもぞもぞと動く音と勘違いしてしまうそうです。「クモは『わあ、誰か私の巣の中にいる！』と思ってしまうんです。するとクロゴケグモがやってきて、糸を集めるクモを襲おうとするんです」と彼女は言います。

アユーブ氏はクモの糸を細かく分解してタンパク質の化学組成を研究し、自然を模倣した材料の設計に役立てている。クロゴケグモを含む17科のコガネグモ科は、少なくとも7つの異なる腺から糸を紡いでいる。ある腺からは、ぶら下がったクモを吊り下げる「引き綱」と呼ばれる繊維が噴出する。別の腺からは、獲物を捕らえるための伸縮性のある「捕獲糸」が分泌される。「つまり、昆虫が糸​​に接触すると、網のような状態になるのです」とアユーブ氏は言う。伸縮性のある捕獲タンパク質は伸縮性のある素材の性能向上につながり、より丈夫なタンパク質は素材の強度向上につながる可能性がある。例えば、ロープ登りではなくバンジージャンプ用の糸のように。問題は、クモ自体の収入があまり多くなく、縄張り意識を持つこれらのクモを飼育するのは不可能だということだ。

クロゴケグモとは異なり、カイコはシルクフィブロインと呼ばれるタンパク質複合体からなる1種類の繊維しか吐き出しません。カイコは毎年10万トン以上の繭を吐き出すのに十分な量の桑の葉を噛み砕きます。この豊富な供給量により、現代の研究者たちは「この驚くべき物質が十分にあれば、どのような問題を解決できるのか？」といった疑問に取り組んでいます。

そうした研究者の一人が、タフツ大学の生物医学エンジニア、デイビッド・カプラン氏でした。1990年代後半、彼の博士課程の学生の一人が、一風変わった依頼を持ちかけてきました。彼はフットボールの試合で前十字靭帯を負傷し、膝の人工靭帯を作りたいと考えていたのです。それまでカプラン氏は、クモとカイコのタンパク質の基礎科学にのみ注力していました。彼はカイコの糸を提案したのを覚えています。「クモの糸だけでは足りないのに、カイコの糸は山ほどありました」とカプラン氏は言います。「医療機器を開発し、医療問題を解決したいなら、他に選択肢がなかったのです。」

化学レベルでは、シルクは敵を知りません。水や油とよく馴染み、表面にも馴染み、人間の細胞と薬剤の両方をサポートします。確かにシルクは環境や体内で分解されますが、科学者は分解にかかる時間を正確に制御することも可能です。成長期の子供の腕を修復するために、溶ける骨ネジが必要だとしましょう。「『10週間は機能させて、2週間で分解してほしい』と言われたら、かなり正確に設計に組み込むことができるでしょう」とカプラン氏は言います。

しかし、繭をただねじったり叩いたりして骨のネジを作ることはできません。材料科学者たちは、紡がれた繊維をどのように活用するかを考えなければなりませんでした。カイコの腺の中では、絹は水とタンパク質のゲル状の混合物です。これは小さな紡糸口金を通して切断されると固まります。繊維の域を超え、薄いフィルムや丈夫なデバイスへと進化させるには、絹のタンパク質を液体に戻すことが鍵となります。「再生」された絹は、研究者たちが絹特有の化学反応を利用した製品開発のための白紙として活用されます。

2002年、カプラン氏とフットボール選手の大学院生は、前十字靭帯（ACL）修復のための幹細胞をサポートするシルクマトリックスに関する研究成果を発表しました。彼らは、この生体適合性スキャフォールドが前十字靭帯（ACL）と同等の強度を持ち、膝に移植されたマトリックス内で靭帯組織が成長する可能性を示しました。それ以来、カプラン氏の研究室はカイコシルクの新たな用途に関する特許を次々と取得しています。

あらゆる種類のシルクを使って、研究室ではマイク、レンズ、鼻、心臓など、様々なものが次々と生み出されてきました。しかし、30年以上の研究を経ても、多くの可能性は未だ研究室の域を出ていません。

「良くも悪くも、カイコの腸から包装、そして小売に至るまでの道筋を見つける必要があります」と、タフツ大学シルクラボを率いる生物医学エンジニア、フィオレンツォ・オメネット氏は言う。「そして、研究の素晴らしさと、実際に製品として普及させる必要性が一致しないこともあるのです。」

カプラン氏やルイス氏のような企業や研究所は、早い段階でクモ糸の供給源を発明するか、より強度の低いカイコの糸を改良するかという道を選びました。どちらの道も、最後の段階で行き詰まっています。関心が薄いわけではありません。ただ、時間がかかるのです。

カプラン氏とオメネット氏が共同設立した企業を含む、数社のシルク関連スタートアップ企業は、過去10年間、自社の技術力を実証し、静かに規制当局の承認を得てきました。そして今、新たな発想のシルクは、実際に口にできるほどに現実味を帯びてきました。

HEPAフィルターをフル稼働させた時の白っぽいノイズが響く中、南カリフォルニア大学の喉頭科医マイケル・M・ジョンズ氏は次の患者のために部屋の準備を整えている。パッド付きのグレーの合成皮革製手術椅子の片側には内視鏡検査装置が備え付けられている。反対側には、新たな研究のために送られてきた、あらかじめ薬を注入した注射器が載ったトレイが置かれている。もちろん、いつものオフィス勤務の一日だが、ジョンズ氏は興奮している。今まさに、誰かの声を取り戻せる日が来るのだ。

「発声は半自動的な行為の一つです。私たちはそれについて考えるのではなく、それが自然に存在していることに頼っているのです」と南カリフォルニア大学ケック・メディシン喉頭科部門のディレクター、ジョンズ氏は言う。

喉の中には、2つの柔らかい組織片が開口部を形成しています。呼吸すると開き、食事をすると閉じ、話すと狭くなり、これらのひだは振動します。加齢、病気、あるいは手術によって、この密閉能力を失う人もいます。彼らは窒息し、呼吸や発声に苦労します。昨夏、ジョンズは南カリフォルニア大学の喉頭科臨床試験プログラムに、声帯障害治療のための新製品、シルクボイスを招待しました。これは、カプランの研究室からスピンアウトしたスタートアップ企業、ソフレゲン社によるものです。シルクボイスは、ヒアルロン酸と再生カイコ糸の微粒子を接着剤のように混ぜ合わせたもので、この密閉性を回復させることを目的としています。一般的な手術は一般的ですが、費用がかかり、侵襲性も高いです。ジョンズ氏によると、従来の充填剤は体が修復する前に分解してしまうことが多いとのことです。「この製品が非常に耐久性がある可能性があるという事実は非常に魅力的です」とジョンズ氏は言います。（彼はソフレゲン社とは提携しておらず、臨床試験の報酬も受け取っていません。彼は独立した評価者としてこの研究を行っています。）

シルクは生体適合性があり、科学者は体内での寿命を化学的にプログラムできるため、ソフレゲンの研究者たちは、このフィラーが他のどのフィラーよりも長く、最大2年持続すると期待しています。「シルクの粒子自体を見ると、非常に多孔質であることがわかります」と、ソフレゲンの最高科学責任者兼共同創業者のアン・ホアン＝リンゼイは言います。「細胞が成長し、固定されるように設計されています。」

ジョンズ氏は、内視鏡に繋がれた特殊なカテーテルを通して、小さじ1/10杯にも満たない量のシルクとヒアルロン酸の混合物を注入する。患者は注射の間、目を覚ましたまま、合成皮革の椅子にまっすぐ座ったままでいる。施術は約2分で終了する。他の声帯注射と同様に、効果はすぐに現れる。ジェルが組織を膨らませ、健康な組織が再生して元の状態に戻るまで、構造を強固にする。「患者さんたちはとても満足しています」とジョンズ氏は言う。「これは、人生を変えるような施術なのです」

ジョンズ氏との研究は約2年間続く予定ですが、シルクボイスはすでに人間への使用が承認されています。ホアン＝リンゼイ氏によると、これまでのところ、注射を受けた40人のうち大多数が改善を維持しているとのことです。

一方、ボストンを拠点とするスタートアップ企業「モリ」は、食品を守る手段としてシルクをひっそりと商品化している。

2014年、オメネット研究室で材料工学の博士研究員として働いていたベネデット・マレリ氏は、偶然食品廃棄物の解決策を発明した。「研究室でシルクを使った料理コンテストをしていたんです」とマレリ氏は語る。再生カイコのシルクにイチゴを浸し、透明なフォンデュを作るというアイデアを思いついた。結果は期待外れだった。コンテストに負けたマレリ氏はイチゴを脇に押しやり、忘れてしまった。1週間後、半分は完全に腐っていた。残りはまだ新鮮に見えた。シルクタンパク質が果物の表面にぴったりとフィットする薄い層を作っていたのだ。水は中にとどまり、酸素は外に出なかったとマレリ氏は言う。バクテリアはシルクをゆっくりと分解するため、下に埋まっている果物を汚染することはない。

このアイデアから、マレリは2016年にケンブリッジ・クロップス（現モリ）を設立しました。これは、生鮮食品をコーティングして日持ちを良くすることで、食品ロスと食料不安の解消を目指すものです。「ズッキーニヌードルを例に挙げると分かりやすいでしょう」とモリのCEO兼共同創業者であるアダム・ベーレンス氏は語ります。ワックスとは異なり、モリのコーティングは、ズッキーニの外側と内側のように、撥水性と多孔質の両方の表面に付着します。

同社は、スプレーコーティング（あるいはマレリの幸運な偶然によるディップコーティング）を食品の洗浄・包装工程に直接組み込んでいる。例えば、葉物野菜やチェリーは、スーパーマーケットに届く前に洗浄サイクルを経ることが多い。（現在、土木環境工学の准教授であるマレリは、引き続き顧問兼株主として同社の事業からは退いている。）

昨年、アレルギー専門医、毒物学者、栄養士からなる委員会は、このコーティングを「一般的に安全と認められている」と認定しました。これは、一般の人々が購入して摂取できることを意味します。モリ社はすでに全米各地の農場や食品会社で試験運用を行っており、今年後半には大規模な製造を開始する予定です。

これらのスタートアップ企業は、カイコの糸に焦点を当てている唯一の企業ではありません。タフツ大学発の別のスピンオフ企業であるVaxessは、ワクチンを投与するための使い捨てシルクマイクロニードルパッチを製造しています。このパッチは、シルクマイクロニードルの微細な先端に敏感なワクチン抗原を保持し、FDA（米国食品医薬品局）に承認済みの従来のワクチンと併用できます。クルージ氏によると、Vaxessは、より容易に投与できる常温保存可能なワクチンの開発を目指しています。ゲイツ財団はVaxessの動物実験の一部を支援しており、クルージ氏によると、ヒトに対する安全性試験の第1相試験は来年初めに開始される予定です。（オメネット氏とカプラン氏は、Vaxess、Mori、Sofregenの共同創業者です。）

養殖カイコは毎年エッフェル塔9基分の繭を吐き出すことができますが、科学者たちは他の生物から同じ繭を作り出す試みを諦めていません。「クモの糸はカイコの糸よりも強く、弾力性も優れています」と、ワイオミング大学の元生物学者で、バイオスチール社のヤギの群れを引き継いだルイス氏は言います（現在はユタ州立大学に在籍しています）。

しかし、クモの養殖は依然として不可能だ。そこでルイス氏は何十年もかけて解決策を模索してきた。1980年代後半、彼はアミノ酸の長い繰り返し鎖（新しいタンパク質）を組み立てる方法を考案した企業のコンサルタントを務めた。その企業から、クモの糸を作るのにこの技術を活用できないかと打診された。「問題は、クモの糸に関するタンパク質情報が文字通り全くなかったことです」とルイス氏は語る。

クモの糸の組み立てを制御する生物学的コードを解読するのは困難でしたが、ルイスはやる気満々でした。彼は米国海軍研究局に提案書を送りました。「2つのレビューを受けました。1つは『これはスライスされたパン以来最高のものになるかもしれない』、もう1つは『一体誰がこんなものに資金を出すのか想像もつかない』でした」とルイスは回想します。「幸いなことに、プログラム担当官は最初のレビューを真摯に受け止め、資金を提供してくれました。2年後、私たちは最初のクモの糸の遺伝子をクローン化することができました。」この研究成果は1990年に発表され、その後、彼の研究は飛躍的に発展しました。

2000年代に入ると、研究者たちは絹タンパク質を構成する単純な構成要素の配列が、なぜこれほどまでに求められる機械的特性を生み出すのかを解明しました。そして、絹を作る習性と遺伝的メカニズムを他の生物に移植する研究が始まりました。大腸菌と酵母はそれを可能にしました。もちろん、ヤギも同様です。

生物を誘導してシルクを作る科学は、バイオスティールで終わらなかった。カリフォルニアに拠点を置くBolt Threadsのようなスタートアップ企業も微生物に頼っていた。WIREDは2015年、Bolt Threadsが初めて量産可能な合成クモ糸を発表し、198ドルのウールシルク混紡ビーニー帽も取り上げた。しかし、同社のクモ糸生産への取り組みは減速した。「クモ糸に関しては、作れば必ず使い道が見つかるというのが一般的な考えでした」と、共同創業者で最高科学責任者のデイヴィッド・ブレスラウアーは、シルクの高く評価されている強度について語る。「重要なのは、何を作るかという細部に宿ると思います」。同社の微生物由来のシルク繊維は、コスト、強度、そしてほぼ無限の供給という点で、ポリエステルに太刀打ちできていない。

しかし、生産上の障害により、クモ糸研究者たちは馴染みのある場所、つまりカイコの腸にたどり着いた。ルイスとジョーンズは、5群のカイコを飼育し、それぞれ異なるクモのような糸を紡いでいる。「おそらくこれが私たちの研究の90%以上です」とルイスは言う。ジョーンズは、大手衣料ブランドと協議中だと付け加えた。

ミシガン州に拠点を置く別のベンチャー企業、クレイグ・バイオクラフト・ラボラトリーズは、2000年代初頭からカイコを原料としたクモ糸の実現に期待を寄せてきました。昨年、同社はカスタムシルクを製造するための新技術を開発しました。カイコのDNAは通常、1本の「重鎖」と2本の非常に小さな鎖で構成されたタンパク質を生成するよう細胞に指示します。クレイグ・ラボラトリーズの「ノックイン・ノックアウト」技術は、カイコの遺伝子機構に新たな指示を与え、実質的に以前のレシピを上書きすることで、カイコの重い鎖をより丈夫なクモのような代替物に置き換えます。「シルクの作り方は世界が知っています。私たちは4000年も前からそれを続けてきました」と、クレイグ・ラボラトリーズのCOO、ジョン・ライス氏は言います。「私たちがやっているのは、レシピを変えることだけです。」

クレイグ・ラボは、カイコで製造された「ほぼ純粋な」クモ糸を初めて生産したと主張しており、生産規模を拡大しています。同社はシンガポールの企業と提携して高級ストリートウェアを製造しており、ポーラテックとは高性能アウターウェアの開発に取り組んでいます。また、バイオメディカル用途や防弾防護服への応用も検討しています。

では、シルク革命はついに到来したのだろうか？「大きな期待が寄せられています。そして、活気のあるコミュニティです」とマレリ氏は言う。しかし、彼は「持続可能性を評価する必要があります」と付け加える。シルクを容易に輸送できるようになれば、画期的な進歩となるだろう。2019年、カプラン氏の研究室は、再生シルクの乾燥ペレットを製造する方法を発明した。企業は、プラスチックを輸送するのと同じように、これを溶かして成形し、そのまま使用できる。これにより、シルクは常温保存が可能になり、水分の重量もなくなるため、輸送にかかる環境コストを削減できる。

もちろん、シルクの長年の期待や最も派手な用途のいくつかが間もなく実現すると誰もが信じているわけではない。それでもオメネット氏は、シルクが最後の一歩を踏み出す前にこの分野を人気に押し上げた宣伝が、その地点に到達するのを助けたとも強調する。「何かに対する驚きの感覚が生まれる。そして、それが重要なのだ」と彼は言う。

「隣のイチゴよりも遅く腐っていくイチゴを見ることは、世界で最もセクシーなことではないかもしれないが、最も意味のあることかもしれない」とベーレンス氏は同意する。

人工シルクの初期の最も華々しいデモの一つ、遺伝子組み換えヤギはどうなったのかと疑問に思う方もいるかもしれませんが、彼らは今も生きています。ユタ州ローガンの大学の牧草地では、約40頭のヤギの群れが今も元気に草や干し草をむしゃむしゃ食べています。

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