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遺伝子工学は、遺伝子組み換えまたは遺伝子操作とも呼ばれ、技術を用いて生物の遺伝子を改変および操作することです。これは、種の境界内および種を越えた遺伝子の移転を含み、改良された生物または新しい生物を生み出す、細胞の遺伝子構成を変更するために使用される一連の技術です。
新しいDNA は、組み換え DNA法を使用して対象の遺伝物質を分離してコピーするか、人工的にDNA を合成することによって得られます。通常、コンストラクトが作成され、この DNA を宿主生物に挿入するために使用されます。最初の組み換え DNA 分子は、1972 年にポール バーグによって、サルウイルスSV40の DNA とラムダウイルスを組み合わせて作成されました。
このプロセスは、遺伝子を挿入するだけでなく、遺伝子を除去する、つまり「ノックアウト」するためにも使用できます。新しいDNAはランダムに挿入することも、ゲノムの特定の部分をターゲットにすることもできます。[1]
遺伝子工学によって生成された生物は遺伝子組み換え (GM) であるとみなされ、その結果生成された実体は遺伝子組み換え生物(GMO) です。最初の GMO は、1973 年にハーバート・ボイヤーとスタンレー・コーエンによって生成された細菌でした。ルドルフ・イェーニッシュは、1974 年にマウスに外来 DNA を挿入して、最初の GM 動物を作成しました。遺伝子工学に焦点を当てた最初の企業であるGenentechは 1976 年に設立され、ヒトタンパク質の生産を開始しました。遺伝子組み換えヒトインスリンは1978 年に生産され、インスリン産生細菌は 1982 年に商品化されました。遺伝子組み換え食品は、 Flavr Savrトマトの発売とともに 1994 年から販売されています。Flavr Savr は保存期間を長くするように設計されましたが、現在のほとんどの GM 作物は、害虫や除草剤への耐性を高めるように変更されています。ペットとして設計された最初のGMOであるGloFishは、 2003年12月に米国で販売されました。2016年には成長ホルモンを組み込んだ サーモンが販売されました。
遺伝子工学は、研究、医療、産業バイオテクノロジー、農業など、数多くの分野で応用されています。研究では、機能喪失、機能獲得、追跡、発現実験を通じて、遺伝子の機能と発現を研究するためにGMOが使用されています。特定の状態の原因となる遺伝子をノックアウトすることで、人間の病気の動物モデル生物を作成することができます。遺伝子工学は、ホルモン、ワクチン、その他の医薬品の製造に加えて、遺伝子治療を通じて遺伝病を治療する可能性があります。チャイニーズハムスター卵巣（CHO）細胞は、産業遺伝子工学で使用されています。さらに、mRNAワクチンは、 COVID-19などのウイルスを治療するために遺伝子工学によって作られています。医薬品の製造に使用されるのと同じ技術は、洗濯用洗剤、チーズ、その他の製品用の酵素の製造など、産業用途にも使用できます。
遺伝子組み換え作物の商業化の増加は、多くの国々で農家に経済的利益をもたらしてきたが、同時にこの技術をめぐる論争の大半の原因にもなっている。これは使用初期から存在しており、最初の圃場試験は反遺伝子組み換え活動家によって破壊された。現在入手可能な遺伝子組み換え作物由来の食品は、従来の食品よりも人間の健康にリスクは大きくないという科学的コンセンサスがあるものの、批評家は遺伝子組み換え食品の安全性を最大の懸念事項とみなしている。遺伝子流動、非標的生物への影響、食糧供給の管理、知的財産権も潜在的な問題として提起されている。これらの懸念から、1975年に規制枠組みの開発が開始された。これは、2000年に採択された国際条約「バイオセーフティに関するカルタヘナ議定書」につながった。各国はそれぞれ独自の遺伝子組み換え作物に関する規制システムを開発してきたが、最も顕著な違いは米国と欧州の間に生じている。
IUPACの定義
遺伝子工学: 特定の生物の特性を変える目的で、既存の細胞に新しい遺伝情報を挿入するプロセス。
注：文献[2] [3]より改変
概要
遺伝子工学は、 DNAを除去または導入するか、既存の遺伝物質をその場で改変することによって生物の遺伝子構造を変更するプロセスです。複数の交配を行ってから望ましい表現型を持つ生物を選択する従来の動物や植物の育種とは異なり、遺伝子工学は、ある生物から遺伝子を直接取り出して別の生物に渡します。これははるかに高速で、あらゆる生物のあらゆる遺伝子（異なるドメインのものも含む）を挿入するために使用でき、他の望ましくない遺伝子が追加されるのを防ぎます。[4]
遺伝子工学は、欠陥のある遺伝子を機能する遺伝子に置き換えることで、人間の重度の遺伝性疾患を治す可能性があります。 [5]特定の遺伝子の機能を研究できる重要な研究ツールです。[6]医薬品、ワクチン、その他の製品は、それらを生産するように設計された生物から収穫されています。[7] 収穫量、栄養価、環境ストレスへの耐性を高めることで、食糧安全保障に役立つ作物が開発されています。 [8]
DNAは宿主生物に直接導入することも、細胞に導入して宿主と融合またはハイブリダイズさせることもできます。 [9]これは、組換え核酸技術を利用して遺伝性遺伝物質の新しい組み合わせを形成し、その後ベクターシステムを介して間接的に、またはマイクロインジェクション、マクロインジェクション、またはマイクロカプセル化を介して直接的にその物質を組み込むことに依存しています。
遺伝子工学には通常、伝統的な育種、体外受精、倍数性の誘導、突然変異誘発、細胞融合技術など、組み換え核酸や遺伝子組み換え生物をその過程で使用しない技術は含まれません。 [9]しかし、遺伝子工学の広義の定義には、選択的育種が含まれます。[10] クローニングと幹細胞研究は、遺伝子工学とはみなされませんが、[11]密接に関連しており、遺伝子工学はその中で使用できます。[12] 合成生物学は、人工的に合成された物質を生物に導入することで、遺伝子工学をさらに一歩進めた新興分野です。[13]
遺伝子工学によって変化した植物、動物、微生物は、遺伝子組み換え生物またはGMOと呼ばれます。[14]別の種の遺伝物質が宿主に加えられた場合、結果として生じる生物はトランスジェニックと呼ばれます。同じ種または宿主と自然に繁殖できる種の遺伝物質が使用される場合、結果として生じる生物はシスジェニックと呼ばれます。[15]遺伝子工学が標的生物から遺伝物質を除去するために使用された場合、結果として生じる生物はノックアウト生物と呼ばれます。[16]ヨーロッパでは、遺伝子組み換えは遺伝子工学と同義ですが、アメリカ合衆国とカナダでは、遺伝子組み換えはより従来の育種方法を指すためにも使用されます。[17] [18] [19]
歴史
人類は何千年もの間、自然淘汰とは対照的に、選択的育種、または人工淘汰[20] : 1 [21] : 1 を通じて種のゲノムを変更してきました。最近では、突然変異育種では、選択的育種の目的で、化学物質や放射線への曝露を利用して高頻度のランダムな突然変異を生み出しています。育種や突然変異以外の人間による DNA の直接操作としての遺伝子工学は、1970 年代から存在しています。「遺伝子工学」という用語は、ロシア生まれの遺伝学者ニコライ・ティモフェエフ・レスソフスキーが1934 年に英国の雑誌 Biological Reviews に発表した論文「突然変異の実験的生成」で造語しました。[22]ジャック・ウィリアムソンは1951年に出版されたSF小説『ドラゴン島』でこの用語を使用している。 [23]これは、アルフレッド・ハーシーとマーサ・チェイスによってDNAの遺伝における役割が確認される1年前、[24]ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックがDNA分子が二重らせん構造を持っていることを示す2年前である。ただし、遺伝子の直接操作の一般的な概念は、スタンリー・G・ワインバウムの1936年のSF小説『プロテウス島』で初歩的な形で探求されていた。[25] [26]
1972年、ポール・バーグはサルウイルスSV40のDNAとラムダウイルスのDNAを組み合わせて、最初の組み換えDNA分子を作成した。[27] 1973年、ハーバート・ボイヤーとスタンレー・コーエンは大腸菌のプラスミドに抗生物質耐性遺伝子を挿入することで、最初のトランスジェニック生物を作成した。[28] [29] 1年後、ルドルフ・イェーニッシュは胚に外来DNAを導入することでトランスジェニックマウスを作成し、世界初のトランスジェニック動物とした。[30]これらの成果により、科学界では遺伝子工学の潜在的なリスクに対する懸念が生じ、 1975年のアシロマ会議で初めて詳細に議論された。この会議の主な勧告の1つは、技術が安全であると判断されるまで、組み換えDNA研究に対する政府の監督を確立すべきであるというものだった。[31] [32]
1976年、世界初の遺伝子工学企業であるジェネンテックがハーバート・ボイヤーとロバート・スワンソンによって設立され、1年後には大腸菌でヒトタンパク質（ソマトスタチン）を生産した。ジェネンテックは1978年に遺伝子組み換えヒトインスリンの生産を発表した。[33] 1980年、米国最高裁判所はダイアモンド対チャクラバーティ事件で、遺伝子組み換え生物は特許を取得できるとの判決を下した。[34]細菌によって生産されたインスリンは、 1982年に食品医薬品局（FDA）によって販売が承認された。[35]
1983年、バイオテクノロジー企業であるAdvanced Genetic Sciences (AGS) は、作物を霜から守るためにPseudomonas syringaeのアイスマイナス株を使ったフィールドテストを行う許可を米国政府に申請したが、環境保護団体と抗議者が法的な異議申し立てを行い、フィールドテストは4年間延期された。 [36] 1987年、 Pseudomonas syringaeのアイスマイナス株は、カリフォルニアのイチゴ畑とジャガイモ畑に散布され、環境に放出された最初の遺伝子組み換え生物 (GMO)となった。[ 37 ] [38]両方のテストフィールドは、テストが行われる前夜に活動家グループに襲撃された。「世界初の試験場は、世界初の畑荒らしを引き起こした」[37]
遺伝子組み換え植物の最初のフィールド試験は1986年にフランスと米国で行われ、タバコ植物は除草剤に耐性を持つように設計されました。[39]中華人民共和国はトランスジェニック植物を商業化した最初の国であり、1992年にウイルス耐性タバコを導入しました。 [40] 1994年にカルジーンは、より長い保存期間を持つように設計されたトマトである最初の遺伝子組み換え食品であるFlavr Savrの商業的リリースの承認を取得しました。 [41] 1994年に欧州連合は除草剤ブロモキシニルに耐性を持つように設計されたタバコを承認し、ヨーロッパで商業化された最初の遺伝子組み換え作物となりました。[42] 1995年にBtジャガイモはFDAの承認に続いて環境保護庁によって安全であると承認され、米国で承認された最初の殺虫剤生産作物となりました。[43] 2009年には11種類の遺伝子組み換え作物が25カ国で商業的に栽培され、栽培面積が最も大きかったのは米国、ブラジル、アルゼンチン、インド、カナダ、中国、パラグアイ、南アフリカでした。[44]
2010年、J・クレイグ・ベンター研究所の科学者らが初の合成ゲノムを作成し、それを空の細菌細胞に挿入した。その結果生まれた細菌はマイコプラズマ・ラボラトリアムと名付けられ、複製してタンパク質を生成することができた。 [ 45] [46] 4年後、ユニークな塩基対を含むプラスミドを複製する細菌が開発され、これがさらに一歩進み、拡張された遺伝子アルファベットを使用するように設計された初の生物が誕生した。[47] [48] 2012年、ジェニファー・ダウドナとエマニュエル・シャルパンティエが協力してCRISPR/Cas9システム[49] [50]を開発した。これはほぼあらゆる生物のゲノムを簡単かつ特異的に改変できる技術である。[51]
プロセス
GMO の作成は複数のステップから成るプロセスです。遺伝子技術者は、まず生物に挿入したい遺伝子を選択する必要があります。これは、結果として得られる生物の目的によって決まり、以前の研究に基づいています。遺伝子スクリーニングを実施して潜在的な遺伝子を特定し、その後さらにテストを行って最適な候補を特定します。マイクロアレイ、トランスクリプトミクス、ゲノム配列の発達により、適切な遺伝子を見つけることがはるかに容易になりました。[52]運も関係しています。ラウンドアップ レディ遺伝子は、科学者が除草剤の存在下で細菌が繁殖していることに気づいた後に発見されました。[53]
遺伝子の分離とクローニング
次のステップは、候補遺伝子を単離することです。遺伝子を含む細胞が開かれ、DNAが精製されます。 [54]遺伝子は、制限酵素を使用してDNAを断片に切断するか[55]、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）を使用して遺伝子セグメントを増幅することによって分離されます。[56]これらのセグメントは、ゲル電気泳動によって抽出できます。 選択した遺伝子またはドナー生物のゲノムが十分に研究されている場合は、遺伝子ライブラリからすでにアクセスできる可能性があります。DNA配列がわかっていても、遺伝子のコピーが利用できない場合は、人工的に合成することもできます。[57]遺伝子が単離されると、プラスミドに連結され、細菌に挿入されます。 細菌が分裂するとプラスミドが複製され、遺伝子の無制限のコピーが利用可能になります。[58] RK2プラスミドは、さまざまな単細胞生物で複製できることで有名であり、遺伝子工学ツールとして適しています。[59]
遺伝子を標的生物に挿入する前に、他の遺伝子要素と組み合わせる必要があります。これらには、転写を開始および終了するプロモーター領域とターミネーター領域が含まれます。選択マーカー遺伝子が追加され、ほとんどの場合、抗生物質耐性が付与されるため、研究者はどの細胞が正常に形質転換されたかを簡単に判断できます。この段階で遺伝子を変更して、より良い発現や効果を得ることもできます。これらの操作は、制限消化、ライゲーション、分子クローニングなどの組換えDNA技術を使用して実行されます。[60]
宿主ゲノムへのDNAの挿入
宿主ゲノムに遺伝物質を挿入する技術は数多くある。細菌の中には、外来DNAを自然に取り込むことができるものもある。この能力は、ストレス（熱ショックや電気ショックなど）によって他の細菌に誘導することができ、ストレスによって細胞膜のDNA透過性が増加する。取り込まれたDNAはゲノムに統合されるか、染色体外DNAとして存在する。DNAは一般に、マイクロインジェクションによって動物細胞に挿入される。マイクロインジェクションでは、細胞の核膜を通して核に直接注入するか、ウイルスベクターを使用して挿入する。[61]
植物ゲノムは、物理的方法、またはT-DNAバイナリベクターにホストされている配列を送達するためのアグロバクテリウムの使用によって操作できます。植物では、DNAはアグロバクテリウム媒介形質転換を使用して挿入されることが多く、[62]植物細胞への遺伝物質の自然な挿入を可能にするアグロバクテリウムのT-DNA配列を利用します。 [63]他の方法には、金またはタングステンの粒子をDNAでコーティングしてから若い植物細胞に撃ち込むバイオリスティックス[64]や、電気ショックを使用して細胞膜をプラスミドDNAに透過させる エレクトロポレーションなどがあります。
遺伝物質で形質転換されるのは単一の細胞だけなので、その単一の細胞から生物を再生する必要がある。植物では、これは組織培養によって達成される。[65] [66]動物では、挿入されたDNAが胚性幹細胞に存在することを確認する必要がある。[67]細菌は単一の細胞で構成され、クローンとして増殖するため、再生は不要である。選択マーカーは、形質転換された細胞と形質転換されていない細胞を簡単に区別するために使用される。これらのマーカーは通常、トランスジェニック生物に存在するが、成熟したトランスジェニック植物から選択マーカーを除去できるいくつかの戦略が開発されている。[68]
生物に新しい遺伝子が含まれていることを確認するために、PCR、サザンハイブリダイゼーション、DNA配列決定法を使用したさらなる検査が行われます。 [69]これらの検査では、挿入された遺伝子の染色体位置とコピー数も確認できます。遺伝子の存在は、標的組織で適切なレベルで発現することを保証するものではないため、遺伝子産物（RNAとタンパク質）を探して測定する方法も使用されます。これらには、ノーザンハイブリダイゼーション、定量的RT-PCR、ウエスタンブロット、免疫蛍光、ELISA、表現型分析が含まれます。[70]
新しい遺伝物質は、宿主ゲノム内にランダムに挿入することも、特定の場所に標的とすることもできます。遺伝子ターゲティングの技術では、相同組み換えを利用して、特定の内因性遺伝子に望ましい変更を加えます。これは、植物や動物では比較的低い頻度で発生する傾向があり、通常は選択マーカーを使用する必要があります。遺伝子ターゲティングの頻度は、ゲノム編集によって大幅に高めることができます。ゲノム編集では、人工的に操作されたヌクレアーゼを使用して、ゲノム内の望ましい場所で特定の二本鎖切断を作成し、細胞の内因性メカニズムを使用して、相同組み換えと非相同末端結合の自然なプロセスによって誘発された切断を修復します。人工ヌクレアーゼには4つのファミリーがある：メガヌクレアーゼ、[71] [72] ジンクフィンガーヌクレアーゼ、[73] [74] 転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ（TALEN）、[75] [76]およびCas9-ガイドRNAシステム（CRISPRから適応）である。[77] [78] TALENとCRISPRは最も一般的に使用されている2つであり、それぞれに利点がある。[79] TALENは標的特異性が高く、CRISPRは設計が容易で効率的である。[79]遺伝子ターゲティングを強化することに加えて、人工ヌクレアーゼは遺伝子ノックアウトを生成する内因性遺伝子に変異を導入するために使用することができる。[80] [81]
アプリケーション
遺伝子工学は、医療、研究、産業、農業に応用されており、広範囲の植物、動物、微生物に使用できる。遺伝子組み換えされた最初の生物である細菌には、食品やその他の基質を処理する薬や酵素をコードする新しい遺伝子を含むプラスミドDNAが挿入されている。[82] [83]植物は、害虫防除、除草剤耐性、ウイルス耐性、栄養強化、環境圧力への耐性、食用ワクチンの製造のために組み換えられてきた。[84]商業化されたGMOのほとんどは、害虫耐性または除草剤耐性の作物である。[85]遺伝子組み換え動物は、研究、モデル動物、農業製品や医薬品の生産に使用されてきた。遺伝子組み換え動物には、遺伝子がノックアウトされた動物、病気に対する感受性が高まった動物、成長を促すホルモンを与えられた動物、ミルクにタンパク質を発現する能力を持つ動物などがある。[86]
薬
遺伝子工学は、医薬品の製造、人間の状態を模倣したモデル動物の作成、遺伝子治療など、医療に多くの応用があります。遺伝子工学の最も初期の用途の1つは、細菌でヒトインスリンを大量生産することでした。[33]この用途は現在、ヒト成長ホルモン、卵胞刺激ホルモン（不妊治療用）、ヒトアルブミン、モノクローナル抗体、抗血友病因子、ワクチン、その他多くの医薬品に応用されています。[87] [88]モノクローナル抗体を作成するために融合された細胞であるマウスハイブリドーマは、遺伝子工学によってヒトモノクローナル抗体を作成するために適応されています。[89]免疫を付与することはできますが、感染性配列を欠いた遺伝子組み換えウイルスが開発されています。[90]
遺伝子工学は、人間の病気の動物モデルを作るためにも使われています。遺伝子組み換えマウスは、最も一般的な遺伝子組み換え動物モデルです。[91]それらは、がん（オンコマウス）、肥満、心臓病、糖尿病、関節炎、薬物乱用、不安、老化、パーキンソン病の研究とモデル化に使われてきました。 [92]これらのマウスモデルに対して、潜在的な治療法をテストすることができます。
遺伝子治療は、一般的に欠陥のある遺伝子を有効な遺伝子に置き換えることによって人間を遺伝子操作することです。体細胞遺伝子治療を使用した臨床研究は、 X連鎖SCID、[93] 、慢性リンパ性白血病（CLL）、[94] [95]、パーキンソン病[ 96]を含むいくつかの病気で実施されています。2012年、アリポゲンチパルボベックは、臨床使用が承認された最初の遺伝子治療治療となりました。[97] [98] 2015年には、まれな皮膚疾患である表皮水疱症を患っている少年の皮膚細胞にウイルスを使用して健康な遺伝子を挿入し、成長させて、病気の影響を受けた少年の体の80％に健康な皮膚を移植しました。[99]
生殖細胞遺伝子治療は、いかなる変化も遺伝性をもたらすため、科学界では懸念が生じている。[100] [101] 2015年、CRISPRは生存不可能なヒト胚のDNAを編集するために使用され、[102] [103]、世界の主要アカデミーの科学者は遺伝性のヒトゲノム編集の一時停止を求めた。[104]この技術は治療だけでなく、人間の外見、適応性、知性、性格、行動の強化、修正、改変に使用される可能性があるという懸念もある。[105]治癒と強化の区別も難しい場合がある。[106] 2018年11月、何建奎は、 HIVが細胞に侵入するために使用する受容体をコードするCCR5遺伝子を無効にしようと、2つのヒト胚のゲノムを編集したと発表した。 この研究は、非倫理的、危険、時期尚早であると広く非難された。[107]現在、生殖細胞系列の改変は40カ国で禁止されています。この種の研究を行う科学者は、胚を数日間成長させても赤ちゃんに成長させないことがよくあります。[108]
研究者たちは、豚から人間への臓器移植の成功率を高めることを目的として、豚のゲノムを改変して人間の臓器の成長を誘発しようとしている。[109]科学者たちは「遺伝子ドライブ」を作成し、蚊のゲノムを改変してマラリアに対する免疫を作り、遺伝子改変された蚊を蚊の集団全体に広めて病気を根絶することを目指している。[110]
研究
遺伝子工学は自然科学者にとって重要なツールであり、遺伝子組み換え生物の創出は遺伝子機能の分析のための最も重要なツールの1つである。[111]さまざまな生物の遺伝子やその他の遺伝情報を細菌に挿入して保存および改変することができ、その過程で遺伝子組み換え細菌が生成される。細菌は安価で、増殖しやすく、クローン性があり、急速に増殖し、比較的簡単に形質転換でき、-80℃でほぼ無期限に保存できる。遺伝子が単離されると、細菌内に保存できるため、研究のために無制限に供給できる。[112]
生物は、特定の遺伝子の機能を発見するために遺伝子操作されます。これは、生物の表現型への影響、遺伝子が発現する場所、または他のどの遺伝子と相互作用するかなどです。これらの実験には通常、機能の喪失、機能の獲得、追跡、および発現が含まれます。
- 機能喪失実験、例えば遺伝子ノックアウト実験では、生物が1つ以上の遺伝子の活性を欠くように改変される。単純なノックアウトでは、目的の遺伝子のコピーが機能しないように改変されている。胚性幹細胞は改変された遺伝子を組み込み、既存の機能コピーを置き換える。これらの幹細胞は胚盤胞に注入され、代理母に移植される。これにより、実験者はこの突然変異によって引き起こされる欠陥を分析し、特定の遺伝子の役割を決定することができる。これは特に発生生物学で頻繁に使用される。[113]関心領域のすべての位置、または遺伝子全体のすべての位置で点突然変異を持つ遺伝子のライブラリを作成することによってこれが行われる場合、これは「スキャン突然変異誘発」と呼ばれる。最も単純で最初に使用される方法は「アラニンスキャン」であり、すべての位置が順番に非反応性アミノ酸アラニンに突然変異される。[114]
- 機能獲得実験は、ノックアウトの論理的対応物です。これらは、目的の遺伝子の機能をより細かく確立するために、ノックアウト実験と組み合わせて実行されることがあります。プロセスはノックアウトエンジニアリングとほぼ同じですが、通常は遺伝子のコピーを追加したり、タンパク質の合成をより頻繁に誘導したりすることで、遺伝子の機能を高めるように構築物が設計されている点が異なります。機能獲得は、タンパク質が機能に十分かどうかを判断するために使用されますが、特に遺伝的または機能的な冗長性を扱う場合は、必ずしもタンパク質が必要であることを意味するわけではありません。[113]
- 追跡実験は、目的のタンパク質の局在と相互作用に関する情報を得ようとするものである。これを行う方法の1つは、野生型遺伝子を「融合」遺伝子に置き換えることである。これは、野生型遺伝子と、遺伝子改変の産物を容易に視覚化できる緑色蛍光タンパク質（GFP）などの報告要素を並置したものである。これは便利な技術であるが、操作によって遺伝子の機能が破壊され、二次的影響が生じ、実験結果に疑問が生じる可能性がある。現在、モノクローナル抗体への結合モチーフとして機能する小さな配列の追加など、タンパク質産物の機能を低下させることなく追跡できる、より洗練された技術が開発されている。[113]
- 発現研究は、特定のタンパク質がいつどこで生成されるかを発見することを目的としている。これらの実験では、遺伝子のプロモーターと呼ばれる、タンパク質をコードするDNAの前のDNA配列を、タンパク質コード領域をGFPなどのレポーター遺伝子または色素の生成を触媒する酵素に置き換えた状態で生物に再導入する。こうして、特定のタンパク質が生成される時間と場所を観察できる。発現研究は、プロモーターを変更して、遺伝子の適切な発現に不可欠で、実際に転写因子タンパク質が結合している部分を見つけることによってさらに一歩進むことができる。このプロセスはプロモーターバッシングとして知られている。[115]
産業
生物の細胞を、酵素などの有用なタンパク質をコードする遺伝子で形質転換し、目的のタンパク質を過剰発現させることができる。その後、工業用発酵を使用してバイオリアクター装置で形質転換生物を培養し、タンパク質を精製することにより、大量のタンパク質を製造することができる。 [116]一部の遺伝子は細菌ではうまく機能しないため、酵母、昆虫細胞、または哺乳類細胞も使用できます。[117]これらの技術は、インスリン、ヒト成長ホルモン、ワクチンなどの医薬品、トリプトファンなどのサプリメント、食品（チーズ製造におけるキモシン）および燃料の生産を補助するために使用されています。 [118]遺伝子操作された細菌の他の用途には、バイオ燃料の製造、[119]石油流出、炭素およびその他の有毒廃棄物の除去[120] 、飲料水中のヒ素の検出など、細菌に自然のサイクル以外のタスクを実行させることが含まれます。[121]特定の遺伝子組み換え微生物は、環境から重金属を抽出し、それをより回収しやすい化合物に組み込む能力があるため、バイオマイニングやバイオレメディエーションにも使用できます。 [122]
材料科学では、遺伝子組み換えウイルスがより環境に優しいリチウムイオン電池を組み立てるための足場として研究室で使用されています。[123] [124]細菌はまた、特定の環境条件下で蛍光タンパク質を発現することによりセンサーとして機能するように設計されました。[125]
農業
遺伝子工学の最もよく知られ、かつ議論の多い応用の一つは、遺伝子組み換え作物や遺伝子組み換え家畜の作成と使用による遺伝子組み換え食品の生産である。作物は、生産性の向上、非生物的ストレスに対する耐性の向上、食品の組成の変更、または新製品の生産を目的として開発されてきた。 [127]
商業的に大規模にリリースされた最初の作物は、害虫からの保護や除草剤への耐性を提供しました。真菌やウイルスに耐性のある作物も開発されているか、開発中です。[128] [129]これにより、作物の害虫や雑草の管理が容易になり、作物の収穫量を間接的に増やすことができます。[130] [131]成長を加速したり、植物をより丈夫にしたり（塩分、寒さ、干ばつへの耐性を改善することにより）することで収穫量を直接改善する遺伝子組み換え作物も開発中です。[132] 2016年には、成長ホルモンを使ってサケを遺伝子組み換えし、通常の成体サイズにはるかに早く達するようにしました。[133]
GMOは、栄養価を高めたり、より工業的に有用な品質や量を提供することで農産物の品質を変えるように開発されてきた。[132]アンフローラジャガイモは、より工業的に有用なデンプンのブレンドを生産する。大豆とキャノーラは、より健康的な油を生産するために遺伝子組み換えされている。[134] [135]最初に商品化されたGM食品は、熟成を遅らせて保存期間を延ばしたトマトであった。[136]
植物や動物は、通常は生成しない物質を生成するように遺伝子操作されている。 ファーミングでは、作物や動物をバイオリアクターとして使用してワクチン、薬物中間体、または薬物自体を生産し、収穫物から有用な製品を精製して、標準的な医薬品製造プロセスで使用する。[137]牛やヤギは、ミルクに薬物やその他のタンパク質を分泌するように遺伝子操作されており、2009年にFDAはヤギのミルクで生産された薬物を承認した。[138] [139]
その他のアプリケーション
遺伝子工学は、保全や自然地域の管理に応用できる可能性があります。ウイルスベクターによる遺伝子導入は、外来種の制御や絶滅危惧動物の病気予防の手段として提案されています。[140]遺伝子組み換え樹木は、野生個体群に病原体に対する抵抗力を付与する方法として提案されています。[141]気候変動やその他の摂動により生物の不適応リスクが高まっているため、遺伝子の調整による適応の促進は絶滅リスクを軽減する1つの解決策となる可能性があります。[142]保全における遺伝子工学の応用は、これまでのところほとんどが理論的なものであり、まだ実践されていません。
遺伝子工学は微生物アートの制作にも利用されている。[143]一部の細菌は遺伝子工学によって白黒写真が作られている。[144]ラベンダー色のカーネーション[145] 、青いバラ[146]、光る魚[147]、[148]などの珍しい品物も遺伝子工学によって作られている。
規制
遺伝子工学の規制は、GMOの開発と放出に関連するリスクを政府が評価し管理するために取るアプローチに関係しています。規制の枠組みの開発は、1975年にカリフォルニア州アシロマで始まりました。[149]アシロマ会議は、組み換え技術の使用に関する一連の自主ガイドラインを推奨しました。[31]技術の進歩に伴い、米国は科学技術局に委員会を設立し、[150] GM食品の規制承認をUSDA、FDA、EPAに割り当てました。[151] GMOの移転、取り扱い、使用を規定する国際条約であるバイオセーフティに関するカルタヘナ議定書[152]は、 2000年1月29日に採択されました。[153] 157カ国が議定書の加盟国であり、多くの国が自国の規制の基準としてこの議定書を使用しています。[154]
遺伝子組み換え食品の法的および規制上の地位は国によって異なり、禁止または制限している国もあれば、大きく異なる規制の程度で許可している国もある。[155] [156] [157] [158]一部の国では認可を得て遺伝子組み換え食品の輸入を認めているが、栽培を認めていないか（ロシア、ノルウェー、イスラエル）、またはまだ遺伝子組み換え製品が生産されていないにもかかわらず栽培の規定を設けている（日本、韓国）。遺伝子組み換え栽培を認めていないほとんどの国でも、研究は許可している。[159]最も顕著な違いのいくつかは、米国と欧州の間にある。米国の政策は製品（プロセスではなく）に焦点を当てており、検証可能な科学的リスクのみを考慮し、実質的同等性の概念を使用している。[160]対照的に、欧州連合はおそらく世界で最も厳しいGMO規制を有している。[161]全ての遺伝子組み換え作物は、放射線照射食品とともに「新食品」とみなされ、欧州食品安全機関による広範囲かつ個別的な科学に基づく食品評価の対象となっている。認可の基準は、「安全性」、「選択の自由」、「表示」、「追跡可能性」の4つの大まかなカテゴリーに分かれている。[162]遺伝子組み換え作物を栽培する他の国々の規制レベルは、ヨーロッパと米国の中間にある。
規制当局が懸念する重要な問題の一つは、遺伝子組み換え製品にラベルを貼るべきかどうかである。欧州委員会は、情報に基づいた選択を可能にし、潜在的な虚偽広告を回避し[173]、健康や環境への悪影響が発見された場合に製品の撤回を容易にするために、義務的なラベル貼付とトレーサビリティが必要であると述べている。 [174]米国医師会[175]と米国科学振興協会[176]は、害の科学的証拠がなければ、自主的なラベル貼付であっても誤解を招き、消費者に誤った警告を与えることになると述べている。 市場での遺伝子組み換え製品のラベル貼付は 64 か国で義務付けられている。[177]ラベル貼付は、遺伝子組み換え食品の含有量の閾値レベル (国によって異なる) までは義務付けられるか、自主的になる。カナダと米国では遺伝子組み換え食品のラベル貼付は自主的であるが[178] 、欧州では、承認された遺伝子組み換え食品を 0.9% 以上含むすべての食品 (加工食品を含む) または飼料にラベルを貼付しなければならない。[161]
論争
批評家たちは、倫理的、環境的、経済的懸念など、いくつかの理由で遺伝子組み換えの使用に反対している。これらの懸念の多くは、遺伝子組み換え作物と、それらから生産された食品が安全かどうか、そしてそれらを栽培すると環境にどのような影響が及ぶかに関するものである。これらの論争は、訴訟、国際貿易紛争、抗議活動、および一部の国での商業製品の制限的規制につながっている。[179]
科学者が「神を演じている」という非難や、その他の宗教的問題は、当初からこの技術に起因しているとされてきた。[180]提起されたその他の倫理的問題には、生命の特許、[181]知的財産権の使用、[182]製品の表示レベル、[183] [184]食糧供給の管理[185]および規制プロセスの客観性などがある。[186]疑問も提起されているが、[187]経済的には、ほとんどの研究で、遺伝子組み換え作物の栽培は農家に有益であることがわかっている。[188] [189] [190]
遺伝子組み換え作物と互換性のある植物との間の遺伝子流動は、選択性除草剤の使用増加と相まって、「スーパー雑草」発生のリスクを高める可能性がある。 [191]その他の環境上の懸念としては、土壌微生物を含む非標的生物への潜在的な影響、[192]および二次的および耐性害虫の増加が挙げられる。[193] [194]遺伝子組み換え作物に関する環境影響の多くは、理解されるまでに何年もかかる可能性があり、従来の農業慣行でも明らかである。 [ 192] [195]遺伝子組み換え魚の商業化に伴い、それらが逃げ出した場合の環境への影響が懸念されている。[196]
遺伝子組み換え食品の安全性については、主に3つの懸念がある。アレルギー反応を引き起こす可能性があるかどうか、食品の遺伝子が人間の細胞に移行する可能性があるかどうか、そして人間の消費が承認されていない遺伝子が他の作物に異系交配する可能性があるかどうかである。[ 197 ]現在入手可能な遺伝子組み換え作物由来の食品は、従来の食品よりも人間の健康に大きなリスクをもたらさないが、[202] [203] [204] [205] [206]導入前に個々の遺伝子組み換え食品を個別にテストする必要があるという科学的コンセンサスがある。[207] [208] [209]それにもかかわらず、一般の人々は科学者ほど遺伝子組み換え食品を安全だと認識していない。[210] [211] [212] [213]
大衆文化において
遺伝子工学は多くのSF小説に登場します。[214] フランク・ハーバートの小説『白い疫病』では、遺伝子工学を意図的に利用して、特に女性を死に至らしめる病原体を作り出す様子が描かれています。 [214]ハーバートの別の作品である『デューン』シリーズの小説では、遺伝子工学を利用して強力な魔物トレイラクスを作り出しています。[215]遺伝子工学について観客に知らせた映画はほとんどありませんが、例外として1978年の『ブラジルから来た少年』と1993年の『ジュラシック・パーク』では、どちらも教訓、実演、科学映画のクリップを利用しています。[216] [217]遺伝子工学の手法は映画ではあまり表現されていません。ウェルカム・トラストのマイケル・クラークは、『シックス・デイ』などの映画における遺伝子工学とバイオテクノロジーの描写は「ひどく歪んでいる」としています。[217]クラークの見解では、バイオテクノロジーは典型的には「幻想的だが視覚的に目を引く形態を与えられ」、科学は背景に追いやられたり、若い視聴者に合うようにフィクション化されたりしている。[217]
参照
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年間の遺伝子組み換え作物の安全性に関する科学文献をレビューしました。そして、これまでに実施された科学研究では、遺伝子組み換え作物の使用に直接関連する重大な危険は検出されていないと結論付けることができます。生物多様性と遺伝子組み換え食品/飼料の消費に関する文献は、実験設計の適切性、統計的手法の選択、またはデータの公開に関する活発な議論を引き起こすことがあります。こうした議論は、たとえ肯定的で科学界による自然な検討プロセスの一部であったとしても、メディアによって頻繁に歪曲され、反遺伝子組み換え作物キャンペーンにおいて政治的かつ不適切に利用されることが多々ある。
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現在入手可能な遺伝子組み換え作物とそれから作られた食品は、食べても安全であると判断されており、安全性をテストするために使用された方法は適切であると見なされています。これらの結論は、ICSU（2003）によって調査された科学的証拠のコンセンサスを表しており、世界保健機関（WHO、2002）の見解と一致しています。これらの食品は、いくつかの国の規制当局（特にアルゼンチン、ブラジル、カナダ、中国、イギリス、アメリカ）によって、国の食品安全手順（ICSU）を使用して、人間の健康に対するリスクの増加について評価されています。現在までに、遺伝子組み換え作物由来の食品の摂取による、検証可能な有害な毒性や栄養上の有害影響は、世界中のどこにも発見されていません (GM 科学審査委員会)。何百万人もの人々が、主にトウモロコシ、大豆、菜種などの GM 植物由来の食品を摂取していますが、有害な影響は観察されていません (ICSU)。
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市場に出回っている遺伝子組み換え作物は食べても安全であるという広範な科学的コンセンサスがあります。14 年間の栽培と累計 20 億エーカーの栽培を経て、遺伝子組み換え作物の商業化による健康や環境への悪影響は発生していません (農業天然資源委員会、遺伝子組み換え植物の商業化に伴う環境影響に関する委員会、国立研究会議、地球生命研究部 2002)。米国国立研究会議と共同研究センター（欧州連合の科学技術研究機関であり、欧州委員会の不可欠な一部）は、遺伝子組み換え作物の食品安全性の問題に適切に対処する包括的な知識体系が存在すると結論付けています（遺伝子組み換え食品のヒトの健康に対する意図しない影響の特定と評価に関する委員会と米国国立研究会議 2004 年、欧州委員会共同研究センター 2008 年）。これらとその他の最近の報告書は、遺伝子組み換えのプロセスと従来の育種は、ヒトの健康と環境に対する意図しない結果という点では違いがないと結論付けています（欧州委員会研究イノベーション総局 2010 年）。
- ^ ただし、次も参照:
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それぞれの従来の非遺伝子組み換え植物と同じくらい安全で栄養価が高いと示唆する研究グループの数と、依然として深刻な懸念を引き起こしている研究グループの数に、初めて一定の均衡が見られたことは注目に値します。さらに、遺伝子組み換え食品が従来の育種で得られた食品と同等に栄養価が高く安全であることを示す研究の大半は、これらの遺伝子組み換え植物の商業化にも責任を持つバイオテクノロジー企業やその関連企業によって実施されたことも特筆に値します。いずれにしても、これらの企業による近年の科学雑誌への研究発表の不足と比較すると、これは注目すべき進歩です。
Krimsky S (2015). 「GMO の健康評価の背後にある幻想的なコンセンサス」(PDF) . Science, Technology, & Human Values . 40 (6): 883–914. doi :10.1177/0162243915598381. S2CID 40855100. 2016 年 2 月 7 日の オリジナル(PDF)からアーカイブ。2016年10 月 30 日閲覧。この記事は、GMO の健康への影響については科学的論争がまったく存在しないという、尊敬される科学者の証言から始まりました。しかし、科学文献を調査すると、別の事実が明らかになりました。
対照的に、 Panchin AY、Tuzhikov AI (2017 年 3 月)。「公開された GMO 研究では、多重比較で補正すると害の証拠は見つからない」。Critical Reviews in Biotechnology。37 ( 2): 213–217。doi : 10.3109 /07388551.2015.1130684。PMID 26767435。S2CID 11786594。ここ では、遺伝子組み換え作物に対する世論に強く否定的な影響を与え、GMO 禁輸などの政治的行動を引き起こした記事のいくつかには、データの統計的評価に共通の欠陥があることを示しています。これらの欠陥を考慮した上で、これらの記事で提示されたデータは、GMO の害の実質的な証拠を提供していないと結論付けています。GMO の害の可能性を示唆する発表された記事は、大きな注目を集めました。しかし、彼らの主張にもかかわらず、研究対象の GMO の害と実質的同等性の欠如の証拠は実際には弱まっています。過去 10 年間に GMO に関する 1,783 件を超える論文が発表されており、実際にはそのような違いが存在しない場合でも、それらのいくつかは GMO と従来の作物の間に望ましくない違いを報告するはずであると私たちは強調します。
および Yang YT、Chen B (2016 年 4 月)。「米国における GMO の管理: 科学、法律、公衆衛生」。Journal of the Science of Food and Agriculture。96 (6): 1851–5。Bibcode : 2016JSFA ...96.1851Y。doi : 10.1002/jsfa.7523。PMID 26536836。したがって、ラベル表示の義務付けと GMO の禁止に向けた取り組みが米国でますます政治問題になっているのは驚くことではありません
(Domingo および Bordonaba、2011 を引用)
。全体として、現在販売されている GM 食品は従来の食品よりも大きなリスクをもたらさないという広範な科学的コンセンサスがあります... 主要な国内外の科学および医学協会は、現在までに査読済みの文献で GMO 食品に関連する人間の健康への悪影響は報告または実証されていないと述べています。さまざまな懸念があるにもかかわらず、今日では、アメリカ科学振興協会、世界保健機関、および多くの独立した国際科学組織は、遺伝子組み換え作物は他の食品と同様に安全であることに同意しています。従来の育種技術と比較すると、遺伝子組み換えははるかに正確であり、ほとんどの場合、予期しない結果が生じる可能性は低くなります。
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たとえば、EU は GMO の生物学的安全性に関する研究に 3 億ユーロ以上を投資しています。EU の最近の報告書には、「25 年以上の期間にわたり、500 以上の独立した研究グループが関与する 130 以上の研究プロジェクトの取り組みから得られる主な結論は、バイオテクノロジー、特に GMO は、従来の植物育種技術などよりもそれ自体リスクが高いわけではないということです」と記載されています。世界保健機関、米国医師会、米国科学アカデミー、英国王立協会、そして証拠を調査した他のすべての尊敬される組織は、同じ結論に達しています。遺伝子組み換え作物由来の成分を含む食品を摂取することは、従来の植物改良技術によって改変された作物植物由来の成分を含む同じ食品を摂取することよりも危険ではありません。
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が
作成したオンライン要約より
）
「組み換えDNA技術を使用して生産された作物や食品は、10年未満しか利用できず、現在まで長期的な影響は検出されていません。これらの食品は、従来の食品と実質的に同等です。
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遺伝子組み換え作物由来の食品が人間の健康に及ぼすとされる悪影響に関する総合的な調査結果: 成分分析、動物に対する急性および慢性の毒性試験、遺伝子組み換え食品を与えられた家畜の健康に関する長期データ、および人間の疫学的データについて、現在商品化されている遺伝子組み換え食品と非遺伝子組み換え食品の詳細な比較調査に基づき、委員会は、遺伝子組み換え食品が非遺伝子組み換え食品よりも人間の健康に高いリスクをもたらすことを示す差異は見つかりませんでした。
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異なる遺伝子組み換え生物には、異なる方法で挿入された異なる遺伝子が含まれています。つまり、個々の遺伝子組み換え食品とその安全性はケースバイケースで評価されるべきであり、すべての遺伝子組み換え食品の安全性について一般的な発言をすることは不可能です。現在国際市場で入手可能な遺伝子組み換え食品は安全性評価に合格しており、人間の健康にリスクをもたらす可能性は低いです。さらに、承認された国の一般の人々がそのような食品を消費した結果、人間の健康に影響が示されたことはありません。コーデックス委員会の原則に基づく安全性評価の継続的な適用と、適切な場合は適切な市販後監視が、遺伝子組み換え食品の安全性を確保するための基礎となるはずです。
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私たちの見解では、遺伝子組み換え食品が有害な健康影響を引き起こす可能性は非常に低く、表明された懸念の多くは、従来法で作られた食品にも同様に当てはまります。しかし、現時点で入手可能な情報に基づいて安全性に関する懸念を完全に否定することはできません。利点とリスクのバランスを最適化しようとする場合、慎重を期し、何よりも知識と経験を蓄積して学ぶことが賢明です。遺伝子組み換えなどの新しい技術は、人間の健康と環境に及ぼす可能性のある利点とリスクについて調査する必要があります。すべての新しい食品と同様に、遺伝子組み換え食品に関する安全性評価は、ケースバイケースで行わなければなりません。 GM 審査員プロジェクトのメンバーは、関連分野の著名な専門家の多様なグループから遺伝子組み換えのさまざまな側面について説明を受けました。GM 審査員は、現在入手可能な GM 食品の販売を中止し、GM 作物の商業栽培の一時停止を継続すべきだという結論に達しました。これらの結論は、予防原則と、いかなる利点の証拠もないことに基づいています。審査員は、GM 作物が農業、環境、食品の安全性、その他の潜在的な健康への影響に与える影響について懸念を表明しました。王立協会のレビュー (2002 年) は、GM 植物における特定のウイルス DNA 配列の使用に関連する人間の健康へのリスクは無視できるほど小さいと結論付け、潜在的なアレルゲンを食用作物に導入することについては注意を促しながらも、市販の GM 食品が臨床的なアレルギー症状を引き起こすという証拠がないことを強調しました。BMA は、GM 食品が安全でないことを証明するための確固たる証拠はないという見解を共有していますが、安全性と利点について説得力のある証拠を提供するために、さらなる研究と監視を求める声を支持します。
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さらに読む
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、遺伝子工学に関連するメディアがあります。
Wikiquote には遺伝子工学に関連する引用があります。
- GMO 安全性 - 遺伝子組み換え植物の生物学的安全性に関する研究プロジェクトに関する情報。
- GMO-compass、EU における GMO に関するニュース
