バイオテクノロジー — 遺伝子いでんし組ぐみ換かえからゲノム編集へんしゅうまで

この章しょうで学まなぶこと

バイオテクノロジーばいおてくのろじーとは、 生物せいぶつの仕組くみを利用りようして産業さんぎょう・医療いりょう・農業のうぎょう・環境かんきょうの役やくに立たてる技術ぎじゅつです。 高校こうこう生物せいぶつの締しめくくりとして、 ここまで学まなんだ DNA・遺伝子いでんし・細胞さいぼうの知ち識しきが 「実際じっさいの社会しゃかい」 でどう使つかわれているかを知しり、 同時どうじに 倫りん理り的課題だい (ELSI) も考えかんがえます。

• 遺伝子組換えいでんしくみかえ の基本きほん (DNA を切きる・つなぐ・運はこぶ) を理り解かいする
• PCR で微量びりょうの DNA を増幅ぷくするしくみを説明せつめいできる
• ゲノム編集げのむへんしゅう (CRISPR-Cas9) の仕組くみと用途ようとを知しる
• iPS細胞あいぴーえすさいぼう と再生医療さいせいいりょうの可能かのう性せいと課題かだいを知しる
• ELSI (倫理りんり・法ほう・社会しゃかい的てき課題かだい) を考えかんがえ、 自分じぶんの意見いけんを言いえる

ポイント: バイオテクノロジーは 両刃りょうばの剣けん です。 病気びょうきを治なおし食料しょくりょうを増ふやす力ちからがある一方いっぽう、 デザイナーベビーでざいなーべびー・遺い伝でん子ドーピング・生物兵器せいぶつへいき等とうのリスクも。 「できるか = 技術ぎじゅつ」 だけでなく 「すべきか = 倫理りんり」 を考かんがえる力ちからが不可欠ふかけつです。

1. 遺伝子いでんし組ぐみ換かえ — DNA を切きってつなぐ

遺伝子組換えいでんしくみかえ とは、 ある生物せいぶつの遺伝子いでんしを取とり出だし、 別べつの生物せいぶつに入いれて機能きのうさせる技術ぎじゅつです。 1973 年ねんに コーエンとボイヤー が大腸菌だいちょうきんで成功せいこうさせました。

必要ひつような 3 つの道具どうぐ

道具どうぐ	はたらき
制限酵素せいげんこうそ	DNA を特定とくていの配列はいれつで 切きる ハサミ
DNAリガーゼでぃーえぬえーりがーぜ	DNA 断片だんぺんを つなぐ ノリ
ベクターべくたー	遺伝子いでんしを 運はこぶ 乗のり物もの (プラスミドぷらすみど・ウイルス等とう)

制限せいげん酵素こうそ — DNA のハサミ

制限酵素せいげんこうそ は細菌さいきんが持もつ DNA 切断せつだん酵素こうそで、 数すう百ひゃく種しゅ類るいが知しられています。 それぞれ 特定とくていの 4-8 塩基えんき配列はいれつ でだけ切きります。

例れい: EcoRI は 「GAATTC」 を認識にんしきし、 G と A の間まで切断せつだん → 粘着末端ねんちゃくまったん ができる (相補そうほ的てきな末端まったん同士どうしがくっつきやすくなる)。

プラスミド — 運はこび屋や

プラスミドぷらすみど は細菌さいきんが持もつ 環状かんじょうの小ちいさな DNA で、 染色せんしょく体たいとは別べつに自律じりつ複製ふくせいできます。 これを改造かいぞうして、 目的もくてきの遺伝子いでんしを入いれ、 細菌さいきんに戻もどすと細菌さいきんがその遺伝子いでんしを発現はつげんするようになります。

遺伝子いでんし組ぐみ換かえの流ながれ

1. ヒトの インスリンいんすりん 遺伝子いでんしを制限せいげん酵素こうそで切きり出だす
2. 同おなじ制限せいげん酵素こうそで プラスミド を切きる (両端りょうたんが同おなじ粘着ねんちゃく末端まったんになる)
3. DNAリガーゼでぃーえぬえーりがーぜ でつなぐ
4. 改造かいぞうプラスミドを 大腸菌だいちょうきん に入いれる (形質転換けいしつてんかん)
5. 大腸菌だいちょうきんが増殖ぞうしょくし、 大量たいりょうの ヒトインスリン を作つくる
6. 精製せいせいして糖尿とうにょう病びょう患者かんじゃの治療ちりょうに使つかう

大事だいじ: ヒトインスリンいんすりんは 1982 年ねんに世界せかい初はつの商業しょうぎょう化かされた遺伝子いでんし組ぐみ換かえ医薬品いやくひんです。 それまではブタ・ウシのインスリンいんすりんを使つかっていたが、 アレルギーリスクがあり、 ヒト型がたで安全あんぜん性せいが大おおきく向上こうじょうしました。

GMO — 遺伝子いでんし組ぐみ換かえ作物さくもつ

遺伝子組換え作物いでんしぐみかえさくもつ (GMO) の例れい:

作物さくもつ	改造かいぞう内容ないよう
Bt トウモロコシ	殺虫さっちゅうタンパク遺伝子いでんし (Bt) を入いれて害虫がいちゅう抵抗ていこう性せい
ラウンドアップレディーダイズ	除草剤じょそうざいグリホサート耐性たいせい
ゴールデンライス	β カロテン (ビタミン A 前駆ぜんく体たい) 産さん生せい

ポイント: GMO には 食品しょくひん安全あんぜん・環境かんきょう影えい響きょう・知的ちてき財産ざいさん 等とうの議論ぎろんがあります。 EU と日本にほんは表示ひょうじ義務ぎむ化か、 アメリカは緩ゆるい等とう、 国くにごとに規制きせいが違ちがいます。 「科学かがく的てき安全あんぜん」 と 「社会しゃかい的てき受じゅ容よう性せい」 は別べつの問もん題だいです。

2. PCR — DNA のコピー機き

PCR (ポリメラーゼ連鎖反応ポリメラーゼれんさはんのう) は 1983 年ねんに マリス が発明はつめい (1993 年ねんノーベル化学かがく賞しょう) した 微量びりょうの DNA を短時間たんじかんで大量たいりょうに増幅ぷくする 技術ぎじゅつです。 現代げんだい生物せいぶつ学がくの 最もっとも基本きほん的てきな道具どうぐ になっています。

PCR の流ながれ — 3 ステップ × 25-40 サイクル

ステップ	温度おんど	内容ないよう
① 熱変性ねつへんせい	約やく 95 ℃	二に本ほん鎖くさり DNA を 1 本ほんずつにほどく
② アニーリング	約やく 50-60 ℃	プライマーぷらいまー が標的ひょうてき配列はいれつに結合けつごう
③ 伸長しんちょう	約やく 72 ℃	耐熱性DNAポリメラーゼたいねつせいDNAポリメラーゼ (Taqポリメラーゼたっくぽりめらーぜ) が DNA を複製ふくせい

これを 20-40 回かい繰くり返かえす と、 1 個この DNA 分子ぶんしが 2²⁰ = 約やく 100 万まん倍ばい 〜 2⁴⁰ = 1 兆ちょう倍ばい に増ふえます。

Taq ポリメラーゼ — 鍵かぎとなる酵素こうそ

普通ふつうの DNA ポリメラーゼは 95 ℃ で失しつ活かつします。 PCR が実用じつよう化かされたのは 好熱菌こうねつきんサーマス・アクアティクス から取とれる Taqポリメラーゼたっくぽりめらーぜ が 95 ℃ でも壊こわれないからです。 極限環境微生物きょくげんかんきょうびせいぶつの研究けんきゅうがここで役立やくだちました。

PCR の用途ようと

• 新型コロナしんがたコロナ 等とうの感染かんせん症しょう検査けんさ (RT-PCR)
• 犯罪はんざい捜査そうさ (微量びりょう DNA から個人こじん特定とくてい)
• 親子おやこ鑑定かんてい
• 進化しんか系統けいとう解析かいせき
• 遺い伝でん病の診断しんだん

大事だいじ: 新型コロナウイルスしんがたコロナウイルス (SARS-CoV-2) の検査けんさに使つかわれた RT-PCR は、 ウイルスの RNA をまず DNA に戻もどして (RT = 逆ぎゃく転写てんしゃ) から PCR で増幅ぞうふくする方法ほうほう。 微量びりょうのウイルスでも検出けんしゅつできるためパンデミック対応たいおうの主力しゅりょくとなりました。

3. ゲノム編集へんしゅう — CRISPR-Cas9

ゲノム編集げのむへんしゅう は DNA の特定とくていの場所ばしょを狙ねらって切きり、 改変かいへん する技術ぎじゅつです。 2012 年ねんに ダウドナとシャルパンティエ が CRISPR-Cas9 を開発かいはつし (2020 年ねんノーベル化学かがく賞しょう)、 簡単かんたん・安価あんか・高こう精度せいどなゲノム編集へんしゅうが可能かのうになりました。

CRISPR の由来ゆらい

CRISPRは元々もともと 細菌さいきんの免疫めんえき系けい で、 過去かこに感染かんせんしたウイルスういるすの DNA 断片だんぺんを細菌さいきんが 「メモ」 として取とり込こみ、 次つぎに同おなじウイルスが来きた時ときに Cas9 タンパク質たんぱくしつで切断せつだんして撃げき退たいするしくみです。 これを人工じんこう的てきに別べつの配列はいれつを認識にんしきするよう改変かいへんしたのが CRISPR-Cas9 ゲノム編集へんしゅうです。

しくみ

1. ガイドRNAがいどあーるえぬえー (約やく 20 塩基えんき) を人工じんこう合成ごうせい — 切きりたい場所ばしょと同おなじ配列はいれつ
2. ガイド RNA + Cas9 タンパクを細胞さいぼうに入いれる
3. ガイド RNA が標的ひょうてき DNA とペアリング
4. Cas9 が DNA を切断せつだん (両りょう鎖くさり)
5. 細胞さいぼうが修復しゅうふくする際さいにエラーが起おこり遺伝子いでんしが機能きのうを失うしなうか、 別べつの DNA を入いれ込こめる

用途ようとと期待きたい

• 遺い伝でん病やまい治療ちりょう — 鎌かま状じょう赤血球せっけっきゅう症しょう・β サラセミア・遺伝いでん性せい失明しつめい等とう
• がん治療ちりょう — がん細胞さいぼうを狙ねらうCAR-T細胞CAR-Tさいぼう療法りょうほう
• 作物さくもつ改良かいりょう — 高こう GABA トマト (日本にほんで流通りゅうつう中ちゅう)
• 新型しんがたマラリア対策たいさく — 蚊かの遺伝子いでんし改変かいへん

ELSI — 倫理りんり・法ほう・社会しゃかい的てき課題かだい

ELSI = Ethical, Legal, Social Issues。 ゲノム編集へんしゅうで特とくに議論ぎろんされる課題かだい:

課題かだい	内容ないよう
デザイナーベビーでざいなーべびー	知能ちのう・容姿ようし・身長しんちょう等とうを設計せっけいした子こ — 倫理りんり的てきに認みとめられるか
生殖細胞せいしょくさいぼう編集へんしゅう	編集へんしゅうが 子孫しそんに永遠えいえんに伝つたわる — 一度いちどやったら取とり消けせない
格差かくさ	高額こうがくな治療ちりょう → 富裕ふゆう層そうだけの恩恵おんけい
同意どうい	胎児たいじ・将来しょうらいの子孫しそんに同意どういを得えられない
生物兵器せいぶつへいき	病原びょうげん体たい強化きょうか・遺い伝でん子ドライブの軍事ぐんじ利用りよう

大事だいじ: 2018 年ねんに中国ちゅうごくの 賀建奎がけんけい が CRISPR で 「世界せかい初はつの編集へんしゅうベビー」 を誕生たんじょうさせ、 国こく際さい的に強つよい非ひ難なんを浴あびました (本人ほんにんは後ごに懲ちょう役えき刑)。 国際社会こくさいしゃかいは 「生殖細胞せいしょくさいぼう系列けいれつのゲノム編集へんしゅうはモラトリアム」 で一致いっちしていますが、 技術ぎじゅつ自じ体たいは容易よういになった為ため、 監かん視しと議論ぎろんが続つづいています。

4. iPS 細胞さいぼうと再生さいせい医療いりょう

iPS細胞あいぴーえすさいぼう (人工多能性幹細胞じんこうたのうせいかんさいぼう、 induced Pluripotent Stem cell) は 2006 年ねんに 山中伸弥やまなかしんや が発表はっぴょうした画期的かっきてきな細胞さいぼうで、 2012 年ねんノーベル生理学せいりがく・医学いがく賞しょうを受賞じゅしょうしました。

iPS 細胞さいぼうとは

通常つうじょうの 体細胞たいさいぼう (皮膚ひふ細胞さいぼう等とう) に 4 つの遺伝子いでんし (山中ファクターやまなかふぁくたー = Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc) を入いれると、 受精卵じゅせいらんのように 何なににでも分化ぶんかできる 細胞さいぼう (多能性たのうせい) に戻もどる、 という発見はっけんでした。

ES 細胞さいぼうとの違ちがい

	ES細胞いーえすさいぼう	iPS細胞あいぴーえすさいぼう
由来ゆらい	受精卵じゅせいらん (胚はい)	患者かんじゃの体からだ細胞さいぼう
倫理りんり	受精卵じゅせいらんを壊こわす → 議論ぎろん多おおい	自己じこ細胞さいぼうで倫理りんり障壁しょうへき低ひくい
拒絶きょぜつ反応はんのう	あり	なし (自分じぶん由来ゆらい)
多能たのう性せい	あり	あり

再生さいせい医療いりょうへの応用おうよう

• 加齢黄斑変性かれいおうはんへんせい の網膜もうまく移植いしょく (理化学研究所りかがくけんきゅうしょで実用じつよう化か進行しんこう)
• パーキンソン病パーキンソンびょう の神経しんけい細胞さいぼう移植いしょく (京大きょうだいで治験ちけん)
• 心筋しんきん 移植いしょく (大阪大おおさかだいで治験ちけん)
• 脊髄損傷せきずいそんしょう 治療ちりょう
• 創薬そうやく — 患者かんじゃ由来ゆらいの iPS で病気びょうきの細胞さいぼうを作つくり、 薬くすりを試ためす

課題かだい

• がん化かリスク (c-Myc はがん遺い伝でん子でもある)
• コストと時間じかん
• 移植いしょく後ごの拒絶きょぜつ反はん応のう (iPS バンクで軽減けいげん可か)
• キメラ研究キメラけんきゅう (動物どうぶつの体からだでヒト臓器ぞうきを育そだてる) の倫理りんり

5. これからのバイオテクノロジーと私わたしたち

進すすむ領域りょういき

• 合成生物学ごうせいせいぶつがく — DNA をゼロから設計せっけいして新あたらしい生命せいめいを作つくる (クレイグ・ベンターが 2010 年ねんに人工じんこう合成ごうせいゲノム細菌さいきんを作さく製せい)
• ゲノム情報ゲノムじょうほうと AI — 個人こじんゲノムを解析かいせきして最適さいてきな治療ちりょうを選えらぶ (精密医療せいみついりょう)
• マイクロバイオーム利用りよう — 腸ちょう内ない細菌さいきんを改変かいへんして病気びょうき治療ちりょう
• 培養肉ばいようにく — 動物どうぶつを殺ころさず細胞さいぼうから肉にくを作つくる

私わたしたちが考かんがえるべきこと

バイオテクノロジーばいおてくのろじーの進歩しんぽは速はやく、 法律ほうりつ・倫理りんりの議論ぎろんが追おいつかない状態じょうたいです。 高校生こうこうせいである私わたしたちも当事者とうじしゃ:

• ゲノム検査けんさで 「将来しょうらいの病気びょうき」 がわかる → 知しりたいか / 知しりたくないか
• 編集へんしゅうで病気びょうきを防ふせげるなら 「治療ちりょう」 と 「強化きょうか」 の線引せんひきはどこ
• 個人こじんのゲノムデータは 誰だれが管理かんりすべきか (国こく・企業きぎょう・本人ほんにん)
• 食料しょくりょう・環境かんきょうの危機ききで GMO や培養ばいよう肉にくを 受うけ入いれるか

大事だいじ: 答えこたえは 1 つではありません。 異ことなる立場たちば (患者かんじゃ・医師いし・宗教しゅうきょう者しゃ・経済けいざい学者がくしゃ・市民しみん) が議論ぎろんを続つづけ、 社会しゃかいとして合意ごういを形成けいせい していくことが大切たいせつです。 高校こうこう生物せいぶつで学まなんだ知ち識しきが、 こうした議論ぎろんに参加さんかする土ど台だいになります。

6. ふりかえり

• [ ]遺伝子組換えいでんしくみかえの 3 道具どうぐ (制限酵素せいげんこうそ・DNAリガーゼでぃーえぬえーりがーぜ・ベクターべくたー) を言いえる
• ヒトインスリンいんすりん が大腸菌だいちょうきんで作つくられている経緯けいいを説明せつめいできる
• PCR の 3 ステップ (熱ねつ変性へんせい・アニーリング・伸長しんちょう) と増幅ぷく倍率ばいりつを知しる
• [ ]Taqポリメラーゼたっくぽりめらーぜが好熱菌こうねつきん由来ゆらいである必然ひつぜん性せいを言いえる
• CRISPR-Cas9 の仕組くみ (ガイド RNA + Cas9) を説明せつめいできる
• iPS細胞あいぴーえすさいぼう が 山中ファクターやまなかふぁくたー 4 因子いんしで作つくられることを知しる
• [ ]ES細胞いーえすさいぼうとiPS細胞あいぴーえすさいぼうの違ちがい (倫理りんり・拒絶きょぜつ反応はんのう) を言いえる
• ELSI (デザイナーベビーでざいなーべびー・生殖せいしょく細胞さいぼう編集へんしゅう等とう) を 1 つ以上いじょう説明せつめいできる

この章しょうの安全あんぜん配慮はいりょ — 遺伝子いでんし倫理りんりと実験じっけん安全あんぜん

• 遺伝子組換えいでんしくみかえ実験じっけんは カルタヘナ法カルタヘナほう 等とうで厳きびしく規制きせいされている。 学校がっこうで行おこなう場合ばあいも 拡散かくさん防止ぼうし設備せつび (P1 レベル以上いじょう) と 教員きょういん監督かんとく が必須ひっす
• 実験じっけん後ごの 菌きんや培養ばいよう液えきは必かならず高圧こうあつ滅めっ菌きん してから廃はい棄き。 流ながしに直接ちょくせつ流ながさない
• エチジウムブロマイド 等とうの DNA 染色せんしょく剤ざいは発はつがん性せいがある。 手袋てぶくろ・保護ほごメガネ必須ひっす、 最近さいきんは安全あんぜんな代替だいたい染色せんしょく剤ざい (SYBR Green 等とう) を使つかう
• 紫外線しがいせん で DNA バンドを見みる時ときは 顔がおと手てを必かならず防護ぼうご。 直接ちょくせつ浴あびない (皮膚ひふがんリスク)
• 個人こじんのゲノム検査けんさ・遺伝いでん情報じょうほうは デリケートなプライバシー。 SNS 公開こうかい・無む同意どうい共有きょうゆう禁止きんし
• ゲノム編集へんしゅうや iPS の 倫理りんり議論ぎろんは多様たような立場たちばを尊重そんちょう して、 性急せいきゅうな結論けつろんを出ださない
• 自分じぶんの DNA キット (祖先そせん検査けんさ等とう) を安易あんいに利用りようする前まえに、 データの行ゆき先さき (海外かいがいサーバー・第三者だいさんしゃ利用りよう) を確認かくにんする

おわりに: 高校こうこう生物せいぶつ全ぜん 10 章しょうを学まなび終おえました。 細胞さいぼうから生態系せいたいけいまで、 遺伝いでんから進化しんか・バイオテクノロジーばいおてくのろじーまでを通とおして見みえてきたのは、 「全すべての生物せいぶつが 38 億おく年ねんのつながりを持もち、 同おなじ DNA の言葉ことばで語かたられている」 という事実じじつ。 そして私わたしたち人類じんるいは、 その 1 つの結果けっかでありながら、 今いまや自分じぶんの DNA を自分じぶんで書かき換かえ始はじめています。 この大おおきな力ちからをどう使つかうか、 共ともに考えかんがえていきましょう。