バイオテクノロジー
オルガノイドインテリジェンスへの意義ある取り組みが進行中
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Artificial Intelligence (AI) は、今日の技術世界で馴染みのある用語となり、私たちの日常生活の多くの側面を形作っています。しかし、科学の領域で新たなフロンティアが出現しています――オルガノイドインテリジェンス（OI）――これは AI ほど広く認知されてはいませんが、驚異的な可能性を秘めています。では、オルガノイドインテリジェンスとは正確には何で、なぜ科学界で注目を集めているのでしょうか？
米国電気電子学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）は、オルガノイドインテリジェンスを「計算、薬剤研究、そして完全な脳がどのように機能するかを小規模で研究するモデルとして、幹細胞から培養された小さな球状の脳組織（ブレインオルガノイド）の利用を促進する共同の取り組み」と定義しています。
同組織は、オルガノイドの開発を可能にした二つの画期的な研究を指摘しています。これらの研究については後ほど取り上げますが、その前にオルガノイドインテリジェンスの可能性について科学界がどのように考えているかを深く掘り下げてみましょう。
関心を持つ研究チームは、OI ベースのバイオコンピューティングシステムが意思決定をより迅速にし、タスク中に継続的に学習し、エネルギーとデータの効率性を高めると考えています。また、認知症などの重度の発達性・変性疾患の病態生理を理解するのにも役立ちます。もちろん、これらの疾患に対し新たな治療アプローチを特定することで治療にも貢献するでしょう。
OI が持つ巨大な善の可能性を考えると、オルガノイドインテリジェンス（OI）に向けた多くの意義ある取り組みが進められています。これらは今後のセグメントで見ていきますが、まずは先に述べたオルガノイド開発に関する二つの画期的な研究から始めましょう。
Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Organoids
IPSC由来のオルガノイドはCOVID-19の流行時に議論の対象となりました。ある科学論文では、IPSC由来の気道オルガノイド、脳オルガノイド、腸オルガノイド、肝臓オルガノイド、血管オルガノイド、腎臓オルガノイド、内耳オルガノイドなどが詳細に列挙されています。この多様性を踏まえ、ここでは特に脳オルガノイドに焦点を絞って議論します。
論文は三つの重要な点を挙げています:
- 初めて、科学者は胚様体（EB）の自然分化を用いて脳オルガノイドを作製しました。
- 最初の脳オルガノイドは高度に不均一でした。
- この不均一性により、研究者は特定のシグナル伝達経路を操作して領域特異的な脳オルガノイドを開発しました。
オルガノイド開発に貢献した別の研究は、3D細胞培養技術に関するものでした。
3D Cell Culture
3D細胞培養技術の開発動機は、二次元での細胞培養に見られる不十分さに起因しています。二次元培養は組織の解剖学的・生理学的特性を再現できず、有益な研究に適しません。
一方、3D細胞培養技術は動物やヒトの生理により近く、成熟すれば共培養の設計・開発に役立ちます。これらの技術は臨床用組織のエンジニアリングや薬剤スクリーニング用モデルの作成に有用となるでしょう。
このような3D細胞培養の進歩は、IPSC由来オルガノイドやオルガノイドインテリジェンスの研究においても重要です。例えば、IPSCは動物体内のあらゆる細胞に分化可能です。
特に3D培養技術と3Dスキャフォールド法は、IPSC由来の神経組織を垂直・水平に成長させ、動物の脳に見られる神経間ネットワークの構築への道を開きます。
この複雑なネットワークを再現することで、オルガノイドインテリジェンスをより深く探求し、より洗練された手法の開発が可能になります。
Brain Organoid Reservoir Computing for AI
Research published in the journal Nature Electronicsは、脳の構造と働き方を模倣した脳インスパイアド・コンピューティングハードウェアの成果を指摘しています。研究者は、この開発が現在のAIの限界に対処できる可能性があると考えています。
特にこの研究は、脳オルガノイド内の生物学的神経ネットワークの適応型リザーバー計算を活用したAIハードウェアアプローチを報告しています。この手法は「Brainoware」と呼ばれ、高密度マルチ電極アレイを通じて脳オルガノイドへ情報を送受信し計算を行います。
Organic Semiconductor Synthesis: Opening Up New Horizons for Super-Efficient Electronic Devices
UNIST化学科の研究チームは、有機半導体合成における画期的な成果を達成し、イノベーションの機会をさらに広げました。研究者は、ジグザグエッジのBOBNユニットを変換して形成されたBNBNユニットを持つB2N2アントラセン誘導体の合成と特性評価を報告しています。この発見は、複数のBNユニットを有する大きなアセーンの開発に寄与し、有機エレクトロニクスで多くの応用が期待されます。
本研究の第一著者であるソンファ・ジョンによれば:
“私たちのアントラセン（有機半導体として広く認識されているアセーンの一種）に関する研究は、今後の分野の進歩の基礎を築きました。”
ジョン氏はさらに次のように述べています:
“本研究で合成された連続的なBN結合は、有機半導体への応用に大きな可能性を持っています。”
多様な研究がオルガノイドインテリジェンスの発展の道を開く中、専門家はオルガノイドインテリジェンスが将来的にコンピュータを駆動できるほどの強力な技術になる可能性があると述べています。
実験室で培養された脳細胞が大量のデータを低エネルギーで保存・取得できる未来は、もはや非現実的ではありません。さらにスケールアップが進めば、これらのソリューションは独自に考えたり感情を持った意識を持つ可能性さえあります。
Organoid Intelligence: Workshops and Funding
オルガノイドインテリジェンスの可能性をさらに検討するための多様な取り組みが進行中です。
2022年2月22日から24日にかけて、ジョンズ・ホプキンス大学は初のオルガノイドインテリジェンスワークショップを開催しました。このワークショップの目的はOIコミュニティを形成し、OIを新たな科学分野として確立する基盤を策定することでした。ワークショップの動機は、OIがコンピューティング、神経学研究、薬剤開発を根本的に変える可能性があると信じたことにあります。
OIの可能性のさらなる裏付けとして、米国国立科学財団（NSF）エンジニアリング局が2024会計年度のEmerging Frontiers in Research and Innovation（EFRI）プログラムで新たな領域を計画し、’Engineering Organoid Intelligence’（オルガノイドインテリジェンス工学）と名付けました。
NSFは科学・工学研究とそれに関わる人々を施設、機器、資金で支援することで知られています。2023会計年度の予算は95億米ドルで、約2,000の大学や研究機関に対する助成金を通じて米国全50州に資金が行き渡ります。
‘Engineering Organoid Intelligence’は、脳オルガノイドを用いたエンジニアリングバイオコンピュータの開発に関する基礎研究を支援することを目的としています。NSFは、オルガノイド培養が近い将来、電子デバイスとインターフェースを持ち、外部デジタルシステムへの入力と出力を行えるようになると考えています。
大学や研究機関、政府部門に加えて、多くの企業がオルガノイドインテリジェンスの推進に取り組んでいます。ここではそのような企業と取り組みをいくつか紹介します。
#1. Final Spark
2014年にマーティン・カッターとフレッド・ジョーダンによってスイスで設立されたFinal Sparkは、はるかに少ないエネルギーで動作する生体チッププロセッサを提唱しています。
同スタートアップは、皮膚由来の生きたヒトニューロンから思考機械を構築する取り組みの中で、すでに1,000万個のニューロンをテストしたと主張しています。
このスタートアップは高度な細胞培養技術を活用し、将来のAIモデル創出のための自己持続型コンピューティング能力を示しています。
#2. BiologiC and NVIDIA
BiologiC Technologiesは、英国ケンブリッジに拠点を置く企業で、バイオコンピュータで知られています。同社はそれを「複数の生物学的応用向けの自動化されたプログラム可能かつ再構成可能なバイオプロセッシングプラットフォーム」と定義しています。
このソリューションの特許取得済みハードウェアアーキテクチャは、四つのコアモジュールから構成されています:
- 高度なルーティングコアは、システム内で液体やバイオガスの輸送を支援します。
- 入出力ブロックは、原料の投入と最終バイオ製品の出力を制御します。
- BPUモデルは、細胞増殖やin‑vitro転写などのバイオプロセシング活動を支援します。
- 最後に、センサーコアモジュールはバイオプロセス環境のリアルタイムモニタリングを行います。
2023年3月13日、BiologiC TechnologiesはNVIDIA (NVDA ) Inceptionに参加しました。このプログラムは、BiologiCがエッジコンピューティングとAIをバイオコンピュータに統合するのに役立ちます。この統合により、BiologiCのバイオコンピュータは生物学的処理施設に革命的な改善をもたらし、持続可能でアクセスしやすく手頃な方法で疾病の脅威を低減できるようになります。
入手可能な情報によると、CPI EnterprisesはBiologiCに投資しました。CPIは高い潜在性を持つディープテック企業への投資と、技術支援の二役を担っています。
CPIの最高経営責任者であるフランク・ミラーによれば:
「長期間にわたり緊密に協業してきた結果、BiologICの実行速度と商業的牽引力に感銘を受けています。BiologICのバイオコンピュータシステムは強みがあり、同業他社に比べてバイオプロセスの生産性を向上させる能力があると見ています。」
2023年11月21日、NVIDIAは2023年10月29日で終了した第3四半期の売上高が181億2,000万ドルで、前年同期比206％、前四半期比34％増と報告しました。
#3. BioMap and MBUZAI: Joint Efforts on Creating a Biocomputing Lab
2023年3月14日、BioMapは戦略的協力を結び、Mohamed bin Zayed University of Artificial Intelligence（MBZUAI）と共に中東初のバイオコンピューティングイノベーション研究ラボを設立し、地域のライフサイエンスシナリオのニーズに応えることとなりました。
この協力により、BioMapのクロスモーダルバイオコンピューティングモデルであるxTrimo（相互作用体とマルチオミクスのクロスモデルトランスフォーマー表現）を活用し、タンパク質生成、タンパク質構造予測、細胞機能予測、その他のライフサイエンスタスクにおける大規模モデルの実現を目指します。
焦点はAI生成タンパク質（AIGP）の突破口を開くことであり、中東の医療・健康、薬剤設計、エネルギー、環境保護のニーズに貢献します。
タンパク質設計に加えて、BioMapの能力は高度な細胞特性評価、免疫細胞の初回モデリングの精密化などにも寄与します。
BaiduのCEOロビン・リーが共同設立したBioMapは、最先端のAIとバイオテックの能力を組み合わせ、ターゲット探索、デノボ薬剤設計、酵素最適化など、ライフサイエンス業界の最重要課題に取り組んでいます。
この中国のバイオコンピューティングスタートアップは、2021年8月に発表された報道によれば、シリーズA資金調達で1億米ドル以上を調達しました。主幹はCGV Capitalで、他の投資家にはBaidu、Legend Capital、Bluerun Ventures、Xianghe Capitalが含まれます。
Which Way OI is Headed to?
間違いなく、OIは科学界の想像力を捉えています。高度なテクノロジー企業や研究者も資源を投資しています。しかし、OIの未来がどのように形作られるかは、その開発的性質に関わるいくつかの重要な側面に依存します。
OIが革命的な技術イノベーションとして成功するかは、シリコンベースのコンピューティングやAIと比較して、どれだけ高速・効率的・強力になるかにかかっています。さらに、速度・効率・パワーの基準が向上すれば、エネルギー需要が低く抑えられ、より魅力的でコスト効果の高いものとなります。
将来的には、OIは真に学際的になる必要があります。現在の脳オルガノイドを耐久性のある3D構造に拡大することは極めて複雑で精緻な作業であり、これらの構造は細胞と遺伝子で満たされ、人間が新しく複雑なことを学ぶのに役立ちます。
さらに、理想的なバイオコンピュータを構築するには、これらのオルガノイドを最先端の入出力デバイス、特に高度なAIと機械学習システムを備えた電子デバイスと接続する必要があります。
この分野の研究者は、これらの脳オルガノイドと効果的かつ有意義なコミュニケーションを確立するために、新しく洗練されたモデル、アルゴリズム、インターフェース技術が大いに必要であると考えています。最高品質の出力を実現するには、オルガノイドがどのように学習し、計算し、処理し、データを保存するかを理解する必要があります。
すでに明らかなように、データの規模は膨大で莫大になるでしょう。
暫定的には、OI研究は脳とその深く複雑な神経ネットワークの機能理解を深め、神経疾患に苦しむ患者の治療に役立つでしょう。
最後に、実験室環境で人間の脳の機能を再現できれば、莫大な影響をもたらす成果となります。その悪用の可能性も非常に高くなるため、初期段階から科学界はOIに関する研究開発が社会の倫理体系に極めて敏感であることを確保しなければなりません。倫理的枠組みは、OIが将来繁栄するための決定的なパラダイムと同等に重要であるべきです。
