遺伝子組み換え生物

遺伝子組み換え生物（GMO）とは、遺伝子工学技術を用いて遺伝物質が改変された生物のことである。遺伝子組み換え生物の正確な定義や遺伝子工学の定義は様々であるが、最も一般的な定義は「交配や自然な組換えによって自然には起こらない方法で改変された生物」である。^{[ 1 ]}動物、植物、微生物など、多種多様な生物が遺伝子組み換え（GM）されている。

遺伝子改変には、新しい遺伝子の導入や、内在性遺伝子の強化、改変、ノックアウトなどが含まれます。遺伝子改変の中には、同じ種内、種間（遺伝子組み換え生物の作成）、さらには界を超えて遺伝子が移転されるものもあります。遺伝子改変生物の作成は、複数のステップからなるプロセスです。遺伝子工学者は、宿主生物に挿入したい遺伝子を単離し、プロモーター領域やターミネーター領域、そして多くの場合選択マーカーを含む他の遺伝要素と組み合わせる必要があります。単離した遺伝子を宿主ゲノムに挿入するための技術は数多く存在します。ゲノム編集技術、特にCRISPRを用いた最近の進歩により、GMOの生産ははるかに簡単になりました。ハーバート・ボイヤーとスタンレー・コーエンは、1973年に抗生物質カナマイシンに耐性を持つ細菌という最初の遺伝子改変生物を作成しました。遺伝子組み換え動物の最初の例は、1974年にルドルフ・イェニッシュによって作られたマウスで、最初の植物は1983年に生産されました。1994年には、初の商業化された遺伝子組み換え食品であるフレーバーセーバー・トマトが発売されました。商業化された最初の遺伝子組み換え動物はグローフィッシュ（2003年）で、食用として承認された最初の遺伝子組み換え動物はアクアアドバンテージ・サーモンで、2015年に承認されました。

細菌は最も簡単に遺伝子操作できる生物であり、研究、食料生産、工業用タンパク質精製（医薬品を含む）、農業、芸術に利用されてきた。環境目的や医薬品としての利用の可能性もある。真菌もほぼ同じ目的で遺伝子操作されてきた。ウイルスは、遺伝情報を他の生物に挿入するためのベクターとして重要な役割を果たしている。この利用は、特にヒトの遺伝子治療に関連している。ウイルスから毒性遺伝子を除去してワクチンを作るという提案もある。植物は、科学研究、植物に新しい色を作る、ワクチンを投与する、作物を強化するなどの目的で遺伝子操作されてきた。遺伝子組み換え作物は、人間の健康と環境への利益が最も大きいにもかかわらず、最も物議を醸している遺伝子組み換え生物である。^{[ 2 ]}動物は一般的に遺伝子操作がはるかに難しく、大多数はまだ研究段階にある。哺乳類はヒトにとって最適なモデル生物である。家畜は、成長速度、肉質、乳成分、病気への抵抗力、生存率などの経済的に重要な形質を改善する目的で遺伝子操作されている。遺伝子組み換え魚は、科学研究、ペット、そして食用として利用されている。遺伝子工学は、多くの致死性疾患の媒介者である蚊の駆除方法として提案されている。ヒトの遺伝子治療はまだ比較的新しい技術だが、重症複合免疫不全症やレーバー先天性黒内障などの遺伝性疾患の治療に用いられている。

遺伝子組み換え作物（GMO）の開発、特にその商業化に関して、多くの反対意見が提起されている。これらの反対意見の多くは、遺伝子組み換え作物とその作物から生産される食品の安全性、そして栽培が環境に及ぼす影響に関するものである。その他の懸念事項としては、規制当局の客観性と厳格性、非遺伝子組み換え食品の汚染、食料供給の管理、生命の特許、知的財産権の使用などが挙げられる。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という科学的コンセンサスがあるものの、遺伝子組み換え食品の安全性は批判者にとって主要な問題となっている。遺伝子流動、非標的生物への影響、そして逸出は、主な環境上の懸念事項である。各国はこれらの懸念に対処するために規制措置を採用している。GMOの放出に関する規制は国によって異なり、米国と欧州の間で最も顕著な違いが見られる。規制当局が懸念する主な問題には、遺伝子組み換え食品にラベルを貼るべきかどうか、そして遺伝子編集生物の地位などがある。

遺伝子組み換え生物（GMO）の定義は明確ではなく、国、国際機関、その他のコミュニティによって大きく異なります。最も広義には、GMOの定義には、自然によって遺伝子が改変されたものも含め、あらゆるものが含まれます。^{[ 3 ] [ 4 ]}より狭義には、人間によって遺伝子が改変されたすべての生物が含まれ、これにはすべての作物と家畜が含まれます。1993年、ブリタニカ百科事典は遺伝子工学を「人工授精、体外受精（例：試験管ベビー）、精子バンク、クローン、遺伝子操作など、幅広い技術のいずれか 」と定義しました。 ^{[ 5 ]}欧州連合(EU) は初期のレビューで同様に広範な定義を含め、特に「選択育種およびその他の人工選択手段」によって生産される GMO について言及した^{[ 6 ]}これらの定義は、科学界や農業界からの圧力、および科学の発展の結果として、多数の例外が追加されて速やかに調整された。EU の定義は後に、組換え核酸や遺伝子組み換え生物を使用しない従来の育種、体外受精、倍数体の誘導、突然変異育種、細胞融合技術を除外した。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

別のアプローチとしては、食糧農業機関、世界保健機関、欧州委員会が提示した定義があり、生物は「交配や自然組換えによって自然には起こらない」方法で改変されなければならないと述べている。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}水平遺伝子伝達が比較的一般的な自然現象である ことが発見されるなど、科学の進歩により、「自然に起こる」ことに関する混乱がさらに深まり、さらなる調整や例外につながった。^{[ 13 ]}この定義に当てはまるが、通常は遺伝子組み換え作物とはみなされない作物の例もある。^{[ 14 ]}例えば、穀物作物であるトリティカレは、1930年にさまざまな技術を用いてゲノムを改変し、研究所で完全に開発された。^{[ 15 ]}

遺伝子操作された生物のゲノムをバイオテクノロジーで直接操作した場合、遺伝子組み換え生物（GMO）よりも遺伝子操作された生物（GEO）の方がより正確な用語と考えることができます。^{[ 16 ] [ 8 ]} カルタヘナ議定書は、2000年に同義語として生物改変生物（LMO）を使用し、「現代のバイオテクノロジーの使用によって得られた遺伝物質の新規な組み合わせを持つ生物」と定義しました。^{[ 17 ]}現代のバイオテクノロジーはさらに、「組換えデオキシリボ核酸（DNA）や核酸の細胞または細胞小器官への直接注入、あるいは分類学的科を超えた細胞の融合を含む、試験管内核酸技術」と定義されています。^{[ 18 ]}

元々、GMOという用語は、一般メディアでGMOの使用が一般的になるまで、科学者によって遺伝子操作された生物を説明するために一般的に使用されていませんでした。^{[ 19 ]}米国農務省（USDA）は、GMOを遺伝子工学または従来の方法によって導入された遺伝可能な変化を持つ植物または動物とみなしていますが、GEOは、特にトランスジェネシスなどの組換えDNA技術を使用して、分子生物学を使用して遺伝子が導入、除去、または再配置された生物を具体的に指します。^{[ 20 ]}

定義は製品よりもプロセスに重点を置いているため、遺伝子型と表現型が非常に似ているGMOと非GMOが存在する可能性がある。^{[ 21 ] [ 22 ]}このため、科学者たちはこれを科学的に意味のないカテゴリーとみなし、^{[ 23 ]}すべての異なるタイプのGMOを1つの共通の定義の下にグループ化することは不可能だと述べている。^{[ 24 ]}また、有機農業機関やGMOの禁止を目指す団体にも問題を引き起こしている。^{[ 25 ] [ 26 ]}さらに、新しいプロセスが開発されるにつれて問題も生じている。現在の定義はゲノム編集が普及する前に導入されたものであり、それらがGMOであるかどうかについて混乱が生じている。 EUは、遺伝子組み換え生物の定義を「突然変異誘発によって得られた生物」を含むように変更すると裁定した^が、「特定の突然変異誘発技術、すなわち従来から多くの用途で使用され、長い安全実績を持つ技術によって得られたもの」は規制から除外した。これは、従来のランダム突然変異誘発（放射線/化学突然変異育種）^{[ 28 ]を指し、遺伝子編集[ 9 ]} のような「新しい技術」（特にGMO指令の採択以降に出現したもの）を除外するものではない。これに対し、USDAは、遺伝子編集された生物はGMOとはみなされないと裁定した。^{[ 29 ]}

食品マーケティングにおけるさまざまな「非遺伝子組み換え」または「遺伝子組み換えフリー」表示スキームには、さらに大きな矛盾と混乱が伴います。有機物質や遺伝物質を含まない（したがって定義上遺伝子組み換えできない）水や塩などの製品でさえ、「より健康的」という印象を与えるために表示されています。^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

遺伝子組み換え生物（GMO）の作成は、複数のステップからなるプロセスです。遺伝子工学者は、宿主生物に挿入したい遺伝子を単離する必要があります。この遺伝子は細胞から採取することも[ ^{33 ] 、}人工的に合成することもできます^{[ 34 ]}。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、遺伝子ライブラリーから既にアクセスできる可能性があります。次に、その遺伝子は、プロモーター領域、ターミネーター領域、選択マーカーなどの他の遺伝要素と組み合わされます^{[ 35 ]}。

単離した遺伝子を宿主ゲノムに挿入するための技術は数多く存在する。細菌は、通常、熱ショックまたはエレクトロポレーションによって外来DNAを取り込むように誘導される。^{[ 36 ]}動物細胞へのDNAの挿入は、一般的にマイクロインジェクションによって行われ、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する。^{[ 37 ]}植物では、DNAはアグロバクテリウム媒介組換え^{[ 38 ] [ 39 ]} 、バイオリスティクス^{[ 40 ]}、またはエレクトロポレーションを用いて挿入されることが多い。

遺伝物質によって形質転換されるのは単一の細胞のみであるため、その単一の細胞から生物を再生する必要があります。植物では、これは組織培養によって達成されます。^{[ 41 ] [ 42 ]}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ります。^{[ 38 ]} PCR、サザンハイブリダイゼーション、およびDNAシーケンスを使用したさらなるテストを実施して、生物が新しい遺伝子を含んでいることを確認します。^{[ 43 ]}

従来、新しい遺伝物質は宿主ゲノム内にランダムに挿入されていました。二本鎖切断を生成し、細胞の自然な相同組換え修復システムを利用する遺伝子ターゲティング技術が開発され、挿入を正確な場所に標的化できるようになりました。ゲノム編集では、特定の箇所で切断を生成する人工的に設計されたヌクレアーゼを使用します。人工ヌクレアーゼには、メガヌクレアーゼ^{[ 44 ] [ 45 ]}、ジンクフィンガーヌクレアーゼ^{[ 46 ] [ 47 ]} 、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ（TALEN）^{[ 48 ] [ 49 ]}、およびCas9-ガイドRNAシステム（CRISPRから派生）^{[ 50 ] [ 51 ]}の4つのファミリーがあります。TALENとCRISPRは最も一般的に使用されている2つであり、それぞれに独自の利点があります^{[ 52 ]} 。TALENは標的特異性が高く、CRISPRは設計が容易で効率的です。^{[ 52 ]}

人類は紀元前12,000年頃から、選択的育種または人為的選択（自然選択とは対照的）を用いて植物や動物を家畜化してきた。 ^{[ 53 ]： 25}望ましい形質（したがって望ましい遺伝子）を持つ生物を次世代の繁殖に用い、その形質を持たない生物は繁殖させないという選択的育種のプロセスは、現代の遺伝子改変の概念の前身である。[ 54 ^{]：1 [ 55 ]：1遺伝学}のさまざまな進歩により、人類は生物のDNA、ひいては遺伝子を直接改変できるようになった。1972年、ポール・バーグはサルウイルスのDNAとラムダウイルスのDNAを組み合わせることで、最初の組換えDNA分子を作成した。^{[ 56 ] [ 57 ]}

ハーバート・ボイヤーとスタンリー・コーエンは1973年に最初の遺伝子組み換え生物を作った。^{[ 14 ]}彼らは抗生物質カナマイシンに対する耐性を与える細菌から遺伝子を取り出し、それをプラスミドに挿入し、他の細菌にプラスミドを組み込むように誘導した。プラスミドをうまく組み込んだ細菌は、カナマイシンの存在下でも生存できるようになった。^{[ 58 ]}ボイヤーとコーエンは細菌で他の遺伝子を発現させた。これには1974年のアフリカツメガエルの遺伝子も含まれており、異なる界の生物の遺伝子を発現する最初のGMOが作られた。^{[ 59 ]}

1974年、ルドルフ・イェニッシュは、異種のDNAを胚に導入することでトランスジェニックマウスを作製し、世界初のトランスジェニック動物とした。 ^{[ 60 ] [ 61 ]}しかし、トランスジェニック遺伝子を子孫に受け継がせるトランスジェニックマウスが開発されるまでには、さらに8年を要した。 ^{[ 62 ] [ 63 ]} 1984年には、クローン化された癌遺伝子を持つ遺伝子改変マウスが作製され、癌を発症しやすくなった。^{[ 64 ]}遺伝子を除去したマウス（ノックアウトマウスと呼ばれる）は1989年に作製された。最初のトランスジェニック家畜は1985年に生産され^{[ 65 ]}、乳汁中にトランスジェニックタンパク質を合成する最初の動物は1987年のマウスであった。^{[ 66 ]}このマウスは、血栓を分解するタンパク質であるヒト組織プラスミノーゲン活性化因子を産生するように遺伝子操作されていた。^{[ 67 ]}

1983年、マイケル・W・ベバン、リチャード・B・フラベル、メアリー・デル・チルトンによって、最初の遺伝子組み換え植物が開発されました。彼らは、抗生物質耐性遺伝子で形質転換されたアグロバクテリウムをタバコに感染させ、組織培養技術によって耐性遺伝子を含む新しい植物を育てることができました。^{[ 68 ]} 1987年には、アグロバクテリウム感染に感受性のない植物の形質転換を可能にする遺伝子銃が発明されました。[ 69 ] ^2000年には、ビタミンAを強化したゴールデンライスが、栄養価を高めて開発された最初の植物となりました。^{[ 70 ]}

1976年、最初の遺伝子工学会社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ました。その1年後、同社は大腸菌でヒトタンパク質（ソマトスタチン）を生産しました。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ました。^{[ 71 ]}細菌によって生産されたインスリンはヒューマリンというブランド名で、 1982年に食品医薬品局によって販売が承認されました。 ^{[ 72 ]} 1988年には、植物で最初のヒト抗体が生産されました。^{[ 73 ]} 1987年には、シュードモナス・シリンガエ菌株が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となりました。^{[ 74 ] [ 75 ]}

最初の遺伝子組み換え作物である抗生物質耐性タバコ植物は1982年に生産された。^{[ 76 ]}中国は遺伝子組み換え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た。 ^{[ 77 ]} 1994年、カルジーンは最初の遺伝子組み換え食品であるフレーバーセーバートマトの商業販売の承認を得た。^{[ 78 ]}また1994年には、欧州連合は除草剤ブロモキシニルに耐性を持つように遺伝子操作されたタバコを承認し、これは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った。^{[ 79 ]}害虫耐性ジャガイモは1995年に米国で販売が承認され、^{[ 80 ]} 1996年までに6か国とEUで8つの遺伝子組み換え作物と1つの花作物（カーネーション）の商業栽培が承認された。^{[ 81 ]}

2010年、J・クレイグ・ベンター研究所の科学者たちは、世界初の合成細菌ゲノムを作成したと発表した。彼らはそれをシンシアと名付け、それは世界初の合成生命体となった。^{[ 82 ] [ 83 ]}

最初に商業化された遺伝子組み換え動物は、紫外線の下で暗闇で光る蛍光遺伝子が追加されたゼブラフィッシュであるグローフィッシュでした。^{[ 84 ]} 2003年に米国市場に投入されました。^{[ 85 ]} 2015年には、アクアアドバンテージサーモンが食用として承認された最初の遺伝子組み換え動物となりました。^{[ 86 ]}承認されたのは、パナマで養殖され米国で販売される魚です。^{[ 86 ]}このサーモンは、太平洋キングサーモンの成長ホルモン調節遺伝子とオーシャンパウトのプロモーターによって形質転換され、春と夏だけでなく一年中成長できるようになりました。^{[ 87 ]}

植物は、科学研究、新しい花の色、ワクチンの投与、作物の改良のために遺伝子操作されてきました。多くの植物は多能性であり、成熟した植物から単一の細胞を採取し、適切な条件下で新しい植物に成長させることができます。この能力は遺伝子工学者によって利用され、成体植物で正常に形質転換された細胞を選択することで、組織培養と呼ばれるプロセスを通じて、すべての細胞にトランスジーンを含む新しい植物を育てることができます。^{[ 88 ]}

遺伝子工学の分野における進歩の多くは、タバコを用いた実験から得られたものである。幅広い植物における組織培養や植物細胞機構の大きな進歩は、タバコで開発されたシステムから始まった。 ^{[ 89 ]}タバコは遺伝子工学を用いて改変された最初の植物であり、遺伝子工学だけでなく、他のさまざまな分野のモデル生物と考えられている。^{[ 90 ]}そのため、遺伝子組み換えツールと手順は十分に確立されており、タバコは最も簡単に形質転換できる植物の1つとなっている。^{[ 91 ]}遺伝子工学に関連するもう1つの主要なモデル生物はシロイヌナズナである。その小さなゲノムと短いライフサイクルにより操作が容易であり、重要な作物種と多くの相同遺伝子を含んでいる。^{[ 92 ]}シロイヌナズナは最初にゲノム配列が解読された植物であり、多数のオンラインリソースが利用可能であり、形質転換されたアグロバクテリウム溶液に花を浸すだけで​​形質転換できる。^{[ 93 ]}

研究では、特定の遺伝子の機能を解明するために植物が遺伝子操作されます。最も簡単な方法は、その遺伝子を除去し、野生型と比較してどのような表現型が現れるかを確認することです。違いは、おそらくその遺伝子が欠落した結果です。突然変異誘発とは異なり、遺伝子工学では、生物の他の遺伝子を破壊することなく、標的を絞って除去することができます。^{[ 88 ]}一部の遺伝子は特定の組織でのみ発現するため、GUSなどのレポーター遺伝子を目的の遺伝子に付加することで、その位置を可視化できます。^{[ 94 ]}遺伝子をテストする他の方法としては、遺伝子をわずかに改変してから植物に戻し、表現型に同じ影響があるかどうかを確認する方法があります。その他の戦略としては、遺伝子を強力なプロモーターに付加して過剰発現させたときに何が起こるかを確認したり、遺伝子を別の場所や異なる発生段階で発現させたりする方法があります。^{[ 88 ]}

遺伝子組み換え植物の中には、純粋に観賞用のものもあります。花の色、香り、花の形、植物の構造が改良されています。^{[ 95 ]}最初に商業化された遺伝子組み換え観賞植物は、色を変えたものでした。^{[ 96 ]}カーネーションは1997年に発売され、最も人気のある遺伝子組み換え生物である青いバラ（実際にはラベンダーまたは藤色）は2004年に作られました。^{[ 97 ]}これらのバラは日本、米国、カナダで販売されています。^{[ 98 ] [ 99 ]}その他の遺伝子組み換え観賞植物には、キクやペチュニアなどがあります。^{[ 95 ]}美的価値を高めるだけでなく、水の使用量を減らしたり、寒さに強い観賞植物を開発する計画もあり、そうすれば自然環境以外でも栽培できるようになります。^{[ 100 ]}

絶滅の危機に瀕している植物種の中には、北米のエメラルドカミキリムシやヨーロッパのプラタナスの真菌病であるセラトシスチス・プラタニなどの侵入植物や病気に耐性を持つように遺伝子操作されたものもある。^{[ 101 ]} 20世紀には、パパイヤ輪点ウイルスがハワイのパパイヤの木を壊滅させたが、遺伝子組み換えパパイヤ植物に病原体由来の耐性が与えられたことで状況は改善した。^{[ 102 ]}しかし、植物の保全のための遺伝子操作は、依然として主に推測の域を出ない。特筆すべき懸念は、遺伝子組み換え種が元の種と十分に似ていないため、元の種が本当に保全されていると主張できない可能性があることである。むしろ、遺伝子組み換え種は遺伝的に十分に異なっているため、新しい種とみなされ、遺伝子操作の保全価値が低下する可能性がある。^{[ 101 ]}

作物

遺伝子組み換え作物は、農業で使用される遺伝子組み換え植物です。最初に開発された作物は、動物や人間の食料として使用され、特定の害虫、病気、環境条件、腐敗、または化学処理（除草剤への耐性など）に対する耐性を提供します。第2世代の作物は、多くの場合、栄養プロファイルを変更することによって品質を向上させることを目的としていました。第3世代の遺伝子組み換え作物は、医薬品、バイオ燃料、その他の工業的に有用な製品の生産、およびバイオレメディエーションなど、食料以外の目的で使用される可能性があります。^{[ 103 ]}

農業の進歩には、生産量の増加、農業労働者の労働条件の改善、持続可能性という 3 つの主な目的があります。遺伝子組み換え作物は、害虫の被害を軽減し、栄養価を高め、さまざまな非生物的ストレスに耐性を持たせることで収穫量を向上させることで貢献しています。このような可能性にもかかわらず、2018 年現在、商業化されている作物は、綿、大豆、トウモロコシ、キャノーラなどの換金作物にほぼ限定されており、導入された形質の大部分は除草剤耐性または害虫抵抗性のいずれかを提供しています。 ^{[ 103 ]} 2014 年に植えられた遺伝子組み換え作物の半分は大豆でした。^{[ 104 ]}農家による採用は急速に進んでおり、1996 年と 2013 年の間に、遺伝子組み換え作物で耕作された土地の総面積は 100 倍に増加しました。^{[ 105 ]}ただし、地理的には普及状況は不均一で、アメリカ大陸とアジアの一部では大きく成長しましたが、ヨーロッパとアフリカではほとんど成長していません。^{[ 103 ]}社会経済的な広がりはより均等で、2013年には世界の遺伝子組み換え作物の約54%が発展途上国で栽培されました。 ^{[ 105 ]}疑問が提起されているものの、^{[ 106 ]}ほとんどの研究では、遺伝子組み換え作物の栽培は農薬使用量の減少、作物収量の増加、農家の利益の増加を通じて農家に有益であることがわかっています。^{[ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]}

遺伝子組み換え作物の大部分は、特定の除草剤（通常はグリホサートまたはグルホシネート系）に対する耐性を持つように改変されている。除草剤耐性を持つように遺伝子操作された遺伝子組み換え作物は、従来育種された耐性品種よりも入手しやすくなっている。^{[ 110 ]}米国では、栽培されている大豆の93%と遺伝子組み換えトウモロコシのほとんどがグリホサート耐性である。^{[ 111 ]}現在入手可能な昆虫耐性遺伝子のほとんどは、バチルス・チューリンゲンシス菌由来で、デルタエンドトキシンをコードしている。一部は、植物性殺虫性タンパク質をコードする遺伝子を使用している。^{[ 112 ]}商業的に昆虫保護に使用されている遺伝子で、バチルス・チューリンゲンシス由来ではないのは、ササゲトリプシン阻害剤（CpTI）のみである。CpTIは1999年に綿花での使用が初めて承認され、現在イネでの試験が行われている。^{[ 113 ] [ 114 ]}遺伝子組み換え作物の1%未満が、ウイルス耐性、老化の遅延、植物組成の変化などの他の特性を有していた。^{[ 104 ]}

ゴールデンライスは、栄養価を高めることを目的とした最もよく知られた遺伝子組み換え作物です。これは、米の可食部でビタミンAの前駆体であるベータカロテンを生合成する3つの遺伝子で遺伝子操作されています。 ^{[ 70 ]}これは、食事性ビタミンAが不足している地域で栽培および消費される強化食品を生産することを目的としています。^{[ 115 ]}この欠乏症は、毎年5歳未満の子供67万人を死亡させ^{[ 116 ]}、さらに50万人の小児の不可逆的な失明を引き起こすと推定されています。^{[ 117 ]}元のゴールデンライスは1.6μg/gのカロテノイドを生成し、さらなる開発によりこれが23倍に増加しました。^{[ 118 ]} 2018年に食品としての使用の最初の承認を得ました。^{[ 119 ]}

植物や植物細胞は、バイオリアクターでバイオ医薬品を生産するために遺伝子操作されており、このプロセスはファーミングとして知られています。ウキクサLemna minor ^{[ 120 ]}、藻類Chlamydomonas reinhardtii ^{[ 121 ]}、コケPhyscomitrella patens ^{[ 122 ] [ 123 ]}で研究が行われています。生産されるバイオ医薬品には、サイトカイン、ホルモン、抗体、酵素、ワクチンなどがあり、そのほとんどは植物の種子に蓄積されます。多くの医薬品には天然の植物成分も含まれており、それらの生産につながる経路は、より多くの量を生産するために遺伝的に改変されたり、他の植物種に移植されたりしています。^{[ 124 ]}バイオリアクターの他の選択肢としては、バイオポリマー^{[ 125 ]}やバイオ燃料^{[ 126 ]}があります。細菌とは異なり、植物はタンパク質を翻訳後に修飾することができ、より複雑な分子を作ることができます。また、汚染されるリスクも低い。^{[ 127 ]}治療薬は遺伝子組み換えニンジンやタバコの細胞で培養されており、^{[ 128 ]}ゴーシェ病の薬物治療薬も含まれている。^{[ 129 ]}

遺伝子組み換え植物はワクチンの製造と保管に大きな可能性を秘めている。ワクチンの製造、輸送、投与には費用がかかるため、現地でワクチンを製造できるシステムがあれば、貧困地域や発展途上地域へのアクセスが向上するだろう。^{[ 124 ]}植物で発現させたワクチンを精製するだけでなく、植物で食用ワクチンを生産することも可能だ。食用ワクチンは摂取すると免疫系を刺激し、特定の病気から身を守る。植物に保存することで、冷蔵保存の必要なく配布でき、精製も不要で、長期安定性があるため、長期的なコストを削減できる。また、植物細胞内に存在することで、消化時の腸内酸からある程度保護される。しかし、遺伝子組み換え植物の開発、規制、封じ込めにはコストがかかるため、現在の植物由来ワクチンの開発のほとんどは、管理がそれほど厳しくない獣医学に応用されている。^{[ 130 ]}

_{遺伝子組み換え作物は、収量の増加、農薬使用量の削減、トラクター燃料使用量の削減、不耕起栽培などにより、農業関連の}CO2排出量を削減する方法の一つとして提案されている。2021年の研究によると、EUだけでもGE作物が広く普及すれば、温室効果ガス排出量をCO2換算で₃₃₀₀万トン、つまり農業関連排出量全体の7.5%削減できるという。^{[ 131 ]}

遺伝子組み換え動物の大部分は研究段階にあり、市場投入間近のものはごく少数にとどまっている。^{[ 132 ]} 2018年現在、承認されている遺伝子組み換え動物はわずか3種で、すべて米国で承認されている。ヤギとニワトリは医薬品を生産するように、サケは成長を促進するように遺伝子操作されている。^{[ 133 ]}遺伝子組み換えには違いや難しさがあるものの、最終的な目的は植物の場合とほぼ同じである。遺伝子組み換え動物は、研究目的、工業製品や治療製品の生産、農業利用、または健康増進のために作られる。遺伝子組み換えペットを作る市場もある。^{[ 134 ]}

哺乳類

哺乳類の遺伝子操作のプロセスは、時間がかかり、面倒で、費用がかかります。しかし、新しい技術によって遺伝子改変がより簡単かつ正確になっています。^{[ 135 ]}最初のトランスジェニック哺乳類は、ウイルスDNAを胚に注入し、その後胚を雌に移植することによって作られました。^{[ 60 ]}胚は発達し、遺伝物質の一部が生殖細胞に組み込まれることが期待されました。その後、研究者は動物が繁殖年齢に達するまで待ってから、子孫のすべての細胞に遺伝子が存在するかどうかをスクリーニングする必要がありました。CRISPR-Cas9遺伝子編集システムの開発は、生殖細胞を直接変更する安価で迅速な方法として、遺伝子改変哺乳類の開発に必要な時間を実質的に半減させました。^{[ 136 ]}

哺乳類はヒトの病気の最良のモデルであり、遺伝子操作された哺乳類は多くの深刻な病気の治療法や治療薬の発見と開発に不可欠である。ヒトの遺伝性疾患の原因となる遺伝子をノックアウトすることで、研究者は病気のメカニズムを研究し、可能な治療法をテストすることができる。遺伝子操作されたマウスは、安価で操作が容易なため、生物医学研究で最も一般的に使用されている哺乳類である。ブタも、体格や解剖学的特徴、生理機能、病態生理学的反応、食餌が似ているため、良い対象である。^{[ 137 ]}非ヒト霊長類はヒトに最も類似したモデル生物であるが、研究動物として使用することに対する一般の受容度は低い。^{[ 138 ]} 2009年、科学者たちは霊長類（マーモセット）に遺伝子を初めて導入することに成功したと発表した。^{[ 139 ] [ 140 ]}彼らがこれらのマーモセットで最初に研究対象としたのはパーキンソン病でしたが、筋萎縮性側索硬化症やハンチントン病も検討していました。^{[ 141 ]}

哺乳類で発現するヒトタンパク質は、植物や微生物で発現するものよりも、天然の対応物と類似している可能性が高い。安定した発現は、ヒツジ、ブタ、ラット、その他の動物で達成されている。2009年には、そのような動物、ヤギから生産された最初のヒト生物学的医薬品が承認された。この薬、ATrynは、手術中や出産時の血栓の可能性を低下させる抗凝固剤であり、ヤギの乳から抽出される。^{[ 142 ]}ヒトα-1-アンチトリプシンは、ヤギから生産された別のタンパク質であり、この欠乏症のヒトの治療に使用されている。^{[ 143 ]}もう一つの医療分野は、ヒト臓器移植（異種移植）の能力が高いブタを作ることである。ブタは、臓器がレトロウイルスを保有しなくなるように遺伝子操作されている^{[ 144 ]}、または拒絶の可能性を減らすように改変されている。^{[ 145 ] [ 146 ]}キメラ豚は完全に人間の臓器を運ぶことができる。^{[ 137 ] [ 147 ]}遺伝子組み換え豚の心臓の最初のヒト移植は2023年に行われ、^{[ 148 ]}腎臓は2024年に行われた。 ^{[ 149 ] [ 150 ]}

家畜は、成長速度、肉質、乳成分、病気への抵抗力、生存率など、経済的に重要な特性を改善する目的で改良されています。動物は、より速く成長し、より健康になり^{[ 151 ] 、病気に抵抗するように遺伝子操作されています[ 152 ]}。改良により、羊の羊毛生産と牛の乳房の健康も改善されました^{[ 132 ]}。ヤギは、クモの巣のような強い絹タンパク質を含む乳を生産するように遺伝子操作されています^{[ 153 ]} 。エンバイロピッグと呼ばれる遺伝子組み換え豚は、従来の豚よりも植物リンをより効率的に消化する能力を持って作られました^{[ 154 ] [ 155 ]} 。糞便中のリンの排出量が30～70%少ないため、水質汚染を減らすことができます^{[ 154 ] [ 156 ]} 。乳牛は、人間の母乳と同じ乳を生産するように遺伝子操作されています。^{[ 157 ]}これは、母乳が出ないが、粉ミルクではなく母乳を子供に与えたい母親にとって有益となる可能性がある。^{[ 158 ] [ 159 ]}研究者たちは、アレルギーのない牛乳を生産する遺伝子組み換え牛も開発した。^{[ 160 ]}

科学者たちは、研究目的で、一部の哺乳類を含むいくつかの生物に緑色蛍光タンパク質（GFP）を組み込むように遺伝子操作を行ってきた。 ^{[ 161 ]} GFPやその他の同様のレポーター遺伝子により、遺伝子改変の産物を容易に可視化および局在化できる。^{[ 88 ]}蛍光を発する豚は、ヒトの臓器移植、眼の光受容体細胞の再生、その他のトピックを研究するために繁殖されてきた。^{[ 162 ]} 2011年には、ネコ免疫不全ウイルスがHIVと関連しているため、 HIV/AIDSやその他の疾患の治療法を見つけるために緑色蛍光を発するネコが作られた。^{[ 163 ] [ 164 ]}

遺伝子工学を用いて絶滅した動物を復活させるという提案がなされている。これは、絶滅した動物に似た近縁種のゲノムを現存する近縁種のゲノムに変更するものであり、現在、リョコウバトで試みられている。^{[ 165 ]}マンモスに関連する遺伝子がアフリカゾウのゲノムに追加されたが、主任研究者は、生きたゾウを作り出すつもりはなく、すべての遺伝子を移植して長年の遺伝的進化を逆転させることは実現不可能だと述べている。^{[ 166 ] [ 167 ]}科学者たちは、失われた多様性を取り戻したり、適応した生物から進化した遺伝的利点を苦境にある生物に移植したりすることで、絶滅危惧種の動物を保護するためにこの技術を使用する可能性の方が高い。^{[ 168 ]}

人間

遺伝子治療^{[ 169 ]}は、遺伝子操作されたウイルスを用いて、ヒトの病気を治すことができる遺伝子を投与する。遺伝子治療はまだ比較的新しいが、いくつかの成功を収めている。^重症複合免疫不全症[ ^{170 ]}やレーバー先天性黒内障^{[ 171 ]}などの遺伝性疾患の治療に用いられてきた。嚢胞性線維症^{[ 172 ]}、鎌状赤血球貧血^{[ 173} ] 、パーキンソン病^{[ 174 ] [ 175} ] 、癌[176 ^{] [ 177 ] [178 ]}、糖尿病^{[ 179 ]}、心臓病^{[ 180 ]} 、筋ジストロフィー^{[ 181 ]}など、現在^{治癒不可能な他のさまざまな}疾患に対する治療法も開発されている。これらの治療法は体細胞のみに作用するため、いかなる変化^も遺伝しない。生殖細胞系遺伝子治療では、あらゆる変化が遺伝性となるため、科学界では懸念が高まっている。^{[ 182 ] [ 183 ]}

2015年、CRISPRは生存不可能なヒト胚のDNA編集に使用された。^{[ 184 ] [ 185 ]} 2018年11月、賀建奎は、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遺伝子を不活性化する試みとして、2つのヒト胚のゲノムを編集したと発表した。彼は、数週間前に生まれた双子の女児、ルルとナナは、機能的なCCR5のコピーと不活性化されたCCR5（モザイク現象）の両方を持っており、依然としてHIVに感染しやすいと述べた。この研究は、非倫理的で危険で時期尚早であるとして広く非難された。^{[ 186 ]}

他の

さまざまな動物で遺伝子組み換え生物を作成するシステムが開発されてきました。ニワトリはさまざまな目的で遺伝子組み換えされています。これには、胚発生の研究^{[ 226 ]} 、鳥インフルエンザの伝染防止^{[ 227 ]} 、逆工学を使用して恐竜のような表現型を再現することによる進化の洞察の提供^{[ 228 ]}などが含まれます。希少疾患を治療する酵素である薬カヌマを卵の中で生成する遺伝子組み換えニワトリは、2015年に米国の規制当局の承認を得ました^{[ 229 ]。}遺伝子組み換えカエル、特にアフリカツメガエルとアフリカツメガエルは、発生生物学の研究に使用されています。遺伝子組み換えカエルは、特に内分泌かく乱化学物質の汚染センサーとしても使用できます^{[ 230 ]}。オーストラリアでは、遺伝子工学を使用してオオヒキガエルを制御する提案があります^{[ 231 ] [ 232 ]}。

線虫Caenorhabditis elegansは、分子生物学の研究における主要なモデル生物の 1 つです。^{[ 233 ]} RNA 干渉(RNAi) はC. elegansで発見され^{[ 234 ]} 、二本鎖 RNA を発現するように改変された細菌を単純に与えることで誘導できます。^{[ 235 ]}また、安定したトランスジェニック線虫を比較的容易に作製でき、これは RNAi とともに、線虫の遺伝子を研究するために使用される主要なツールです。^{[ 236 ]}トランスジェニック線虫の最も一般的な用途は、レポーター遺伝子を付加することによって遺伝子発現と局在を研究することです。トランスジーンは、表現型を回復したり、遺伝子機能を研究したり、リアルタイムで細胞発生を画像化したり、異なる組織や発生段階での発現を制御したりするために、RNAi 技術と組み合わせることもできます。^{[ 236 ]}遺伝子組み換え線虫は、ウイルス、^{[ 237 ]}毒性学、^{[ 238 ]}病気、^{[ 239 ] [ 240 ]}および環境汚染物質の検出に使用されてきました。^{[ 241 ]}

ナマコの白化の原因となる遺伝子が発見され、珍しい珍味である白いナマコの遺伝子操作に利用されました。この技術は、夏に冬眠したり、腸を排出したり、死後に体を溶解したりするなど、ナマコのより珍しい特徴の原因となる遺伝子を調査する道も開きます。 ^{[ 242 ]}扁形動物は、単一の細胞から自己再生する能力を持っています。^{[ 243 ]} 2017年までは、扁形動物を効果的に形質転換する方法がなく、研究を妨げていました。科学者たちは、マイクロインジェクションと放射線を使用することで、現在、最初の遺伝子組み換え扁形動物を作り出しました。^{[ 244 ]}海洋環形動物であるゴカイは、遺伝子操作されています。ゴカイは、生殖周期が月の満ち欠けと同期していること、再生能力、進化速度が遅いことから注目されています。^{[ 245 ]}ヒドラやイソギンチャクNematostella vectensisなどの刺胞動物は、免疫の進化や特定の発生過程を研究するための魅力的なモデル生物です。^{[ 246 ]}遺伝子操作された他の動物には、カタツムリ、^{[ 247 ]}ヤモリ、カメ、^{[ 248 ]}ザリガニ、カキ、エビ、アサリ、アワビ^{[ 249 ]}および海綿動物が含まれます。^{[ 250 ]}

オクロ藻類は、珪藻やコンブなどの経済的に重要な生物を含む多様な藻類のグループである^{[ 251 ]。}

真菌は、細菌と同じ多くのプロセスに利用できます。工業用途では、酵母は、操作や培養が容易な単細胞生物であるという細菌の利点と、真核生物に見られる高度なタンパク質修飾を兼ね備えています。酵母は、食品、医薬品、ホルモン、ステロイドに使用される大きな複雑な分子の生産に使用できます。^{[ 264 ]}酵母はワインの生産に重要であり、2016年現在、ワインの発酵に関与する2つの遺伝子組み換え酵母が米国とカナダで商業化されています。1つはマロラクティック発酵の効率を高め、もう1つは発酵中に危険なエチルカルバメート化合物の生成を防ぎます。^{[ 265 ]}また、遺伝子組み換え真菌からのバイオ燃料の生産も進歩しています。 ^{[ 266 ]}

昆虫の最も一般的な病原体である真菌は、魅力的な生物農薬となる。細菌やウイルスとは異なり、真菌は接触だけで昆虫に感染するという利点があるが、効率の面では化学農薬に劣る。遺伝子工学は、通常、より毒性の強いタンパク質を追加することによって、感染率を高めたり、胞子の持続性を強化したりすることによって、毒性を向上させることができる。^{[ 267 ] [ 268 ]}病気を媒介するベクターの多くは、昆虫病原性真菌に感受性がある。生物的防除の魅力的な標的は、マラリア、黄熱病、デング熱など、さまざまな致命的な病気のベクターである蚊である。蚊は急速に進化することができるため、蚊が運ぶプラスモジウムが感染症になる前に殺すが、真菌に対する耐性を獲得するほど速く殺さないというバランスを取る必要がある。メタライジウム・アニソプリアエやボーベリア・バシアーナなどの真菌を遺伝子操作して蚊の感染力の発達を遅らせることで、耐性を進化させる選択圧が軽減される。^{[ 269 ]}別の戦略としては、マラリアの伝播を阻害するタンパク質を真菌に加える^{[ 269 ]}か、プラスモジウムを完全に除去する^{[ 270 ]}。

一般的な白いマッシュルームであるAgaricus bisporus は、褐変に抵抗するように遺伝子編集され、保存期間が長くなりました。このプロセスでは、ポリフェノールオキシダーゼをコードする遺伝子をノックアウトするためにCRISPRが使用されました。生物に外来 DNA を導入していないため、既存の GMO フレームワークの下で規制されていないとみなされ、そのため、リリースが承認された最初の CRISPR 編集生物となりました。 ^{[ 271 ]これにより、遺伝子編集された生物を遺伝子組み換え生物とみなすべきかどうか[ 272 ]}、またどのように規制すべきか^{[ 273 ]}についての議論が激化しています

左：周囲光下でpGLOを導入した細菌 右：紫外線照射下でpGLOを導入した細菌を可視化

細菌は、染色体の改変が比較的容易であることから、実験室で最初に遺伝子改変された生物である。^{[ 274 ]}この容易さにより、細菌は他の遺伝子組み換え生物の作成において重要なツールとなった。幅広い生物の遺伝子やその他の遺伝情報をプラスミドに追加し、細菌に挿入して保存および改変することができる。細菌は安価で、培養が容易で、クローン性があり、急速に増殖し、-80 °C でほぼ永久的に保存できる 。いったん遺伝子が単離されると、細菌内に保存することができ、研究のための無制限の供給が可能になる。^{[ 275 ]}多数のカスタム プラスミドにより、細菌から抽出した DNA の操作が比較的容易になる。^{[ 276 ]}

使いやすさから、遺伝子機能や進化を研究しようとする科学者にとって優れたツールとなっています。最も単純なモデル生物は細菌であり、分子生物学の初期の理解のほとんどは、大腸菌の研究から得られました。^{[ 277 ]}科学者は、細菌内の遺伝子を簡単に操作および組み合わせて、新規または破壊されたタンパク質を作成し、これがさまざまな分子システムに及ぼす影響を観察できます。研究者は、細菌と古細菌の遺伝子を組み合わせることで、これら2つが過去にどのように分岐したかについての洞察を得ました。^{[ 278 ]}合成生物学の分野では、ゲノムの合成から新規ヌクレオチドの作成まで、さまざまな合成アプローチをテストするために使用されています。^{[ 279 ] [ 280 ] [ 281 ]}

細菌は長い間食品の生産に利用されており、工業規模でのその作業のために特定の菌株が開発され、選抜されてきました。細菌は、食品生産に使用される酵素、アミノ酸、香料、その他の化合物の生産に使用できます。遺伝子工学の出現により、これらの細菌に新しい遺伝子変化を容易に導入できるようになりました。食品生産細菌のほとんどは乳酸菌であり、食品生産細菌の遺伝子工学に関する研究の大部分は乳酸菌に向けられています。細菌は、より効率的に機能し、有毒な副産物の生成を減らし、生産量を増やし、改良された化合物を生成し、不要な経路を除去するように変更することができます。^{[ 265 ]}遺伝子組み換え細菌から得られる食品には、デンプンを単糖に変換するα-アミラーゼ、チーズ製造のために乳タンパク質を凝固させるキモシン、果汁の透明度を向上させるペクチンエステラーゼなどがあります。 ^{[ 282 ]}大部分は米国で生産されており、ヨーロッパでの生産を許可する規制は存在するものの、2015年現在、細菌由来の食品はヨーロッパでは入手できない。^{[ 283 ]}

遺伝子組み換え細菌は、工業用途のタンパク質を大量に生産するために使用されています。一般的に、細菌はタンパク質をコードする遺伝子が活性化される前に大量に培養されます。その後、細菌が収穫され、そこから目的のタンパク質が精製されます。^{[ 284 ]}抽出と精製のコストが高いため、工業規模で生産されているのは高付加価値製品のみです。^{[ 285 ]}これらの製品の大部分は、医療に使用されるヒトタンパク質です。^{[ 286 ]}これらのタンパク質の多くは、天然の方法では入手不可能または困難であり、病原体による汚染の可能性が低いため、より安全です。^{[ 284 ]} GM細菌の最初の医療用途は、糖尿病を治療するためのタンパク質インスリンの生産でした。^{[ 287 ]}生産される他の医薬品には、血友病を治療するための凝固因子、^{[ 288 ]}さまざまな形態の小人症を治療するためのヒト成長ホルモン、^{[ 289 ] [ 290 ]}一部の癌を治療するためのインターフェロン、貧血患者のためのエリスロポエチン、および血栓を溶解する組織プラスミノーゲン活性化因子などがあります。 ^{[ 284 ]}医療以外では、バイオ燃料の生産に使用されています。^{[ 291 ]}コストを削減し、より多くの製品の生産を経済的にするために、細菌内で細胞外発現システムを開発することに関心が寄せられています。^{[ 285 ]}

マイクロバイオームが人間の健康に果たす役割についての理解が深まるにつれ、細菌自体を治療薬として遺伝子操作することで病気を治療できる可能性が出てきた。腸内細菌を改変して有害な細菌を破壊するようにしたり、細菌を使って不足している酵素やタンパク質を補充または増加させたりすることが考えられる。研究の焦点の一つは、HIVに対するある程度の防御を自然に提供する細菌であるラクトバチルスを、この防御をさらに強化する遺伝子で改変することである。細菌が患者の体内でコロニーを形成しない場合、必要な量を摂取するために改変された細菌を繰り返し摂取する必要がある。細菌がコロニーを形成できるようにすれば、より長期的な解決策となる可能性があるが、細菌と人体との相互作用は従来の医薬品ほどよく理解されていないため、安全性に関する懸念も生じる可能性がある。他の細菌への水平遺伝子伝達が未知の影響を及ぼす可能性があるという懸念もある。2018年現在、これらの治療法の有効性と安全性を検証する臨床試験が進行中である。^{[ 292 ]}

1世紀以上にわたり、細菌は農業で利用されてきました。作物は、生産量を増やしたり、本来の生息地以外で栽培できるようにするために、リゾビウム（そして最近ではアゾスピリルム）を接種されてきました。バチルス・チューリンゲンシス（Bt）やその他の細菌の適用は、作物を害虫の蔓延や植物病害から守るのに役立ちます。遺伝子工学の進歩により、これらの細菌は効率を高め、宿主範囲を拡大するために操作されてきました。細菌の拡散を追跡するのに役立つマーカーも追加されています。特定の作物に自然に定着する細菌も改変されており、場合によっては害虫抵抗性に関与するBt遺伝子を発現するようにしています。シュードモナス菌株は、周囲に水を氷の結晶に核形成させることで霜害を引き起こします。これが、氷形成遺伝子が除去された氷マイナス細菌の開発につながりました。作物に適用すると、改変されていない細菌と競合し、ある程度の耐霜性を付与することができます。^{[ 293 ]}

遺伝子組み換え細菌のその他の用途としては、細菌を用いて汚染物質を毒性の低い形態に変換するバイオレメディエーションがあります。遺伝子工学は、毒素を分解する酵素のレベルを高めたり、環境条件下で細菌をより安定させたりすることができます。 ^{[ 294 ]}バイオアートも遺伝子組み換え細菌を用いて制作されています。1980年代には、アーティストのジョン・デイビスと遺伝学者のダナ・ボイドが、ゲルマン語の女性性を表す記号（ᛉ）をバイナリコードに変換し、さらにDNA配列に変換して、大腸菌で発現させました。 [ ^{295 ]これ}は2012年にさらに一歩進み、本全体がDNAにエンコードされました。^{[ 296 ]}蛍光タンパク質で形質転換された細菌を用いて絵画も制作されています。^{[ 295 ]}

ウイルスは、他の生物に遺伝情報を挿入するためのベクターとして使用できるように改変されることが多い。このプロセスは形質導入と呼ばれ、成功すれば導入されたDNAの受容生物は遺伝子組み換え生物（GMO）となる。ウイルスによって効率や能力が異なる。研究者はこれを利用して、標的部位、挿入サイズ、遺伝子発現期間など、さまざまな要因を制御することができる。ウイルスに内在する危険な配列はすべて除去する必要があり、遺伝子を効果的に送達できる配列は保持される。^{[ 297 ]}

ウイルスベクターはほぼあらゆる生物にDNAを挿入するために使用できますが、特にヒト疾患の治療の可能性において重要です。主にまだ試験段階ですが、^{[ 298 ]}欠陥のある遺伝子を置き換える遺伝子治療の使用でいくつかの成功例があります。これは、アデノシンデアミナーゼ欠損症から発生する重症複合免疫不全症（ADA-SCID）の患者を治癒させた場合に最も顕著です。 ^{[ 299 ]}ただし、一部のADA-SCID患者に白血病が発生したこと^{[ 300 ]}と、1999年の試験でジェシー・ゲルシンガーが死亡したことにより、このアプローチの開発は何年も遅れました。 ^{[ 301 ]} 2009年には、レーバー先天性黒内障の8歳の男の子が正常な視力を取り戻したという別のブレークスルーが達成され^{[ 301 ]}、2016年にはグラクソ・スミスクラインがADA-SCIDの遺伝子治療薬の商業化の承認を得ました。^{[ 299 ]} 2018年現在、血友病、膠芽腫、慢性肉芽腫症、嚢胞性線維症、およびさまざまな癌の治療を含む、相当数の臨床試験が進行中である。^{[ 300 ]}

遺伝子導入に最もよく使われるウイルスはアデノウイルスで、最大 7.5 kb の外来 DNA を運ぶことができ、比較的広範囲の宿主細胞に感染しますが、宿主で免疫応答を引き起こし、短期間の発現しか提供しないことが知られています。他の一般的なベクターはアデノ随伴ウイルスで、毒性が低く、より長期間の発現が可能ですが、約 4 kb の DNA しか運ぶことができません。^{[ 300 ]}単純ヘルペスウイルスは、30 kb を超える運搬能力を持ち、長期の発現を提供する有望なベクターですが、他のベクターよりも遺伝子導入の効率は劣ります。^{[ 302 ]}遺伝子を宿主ゲノムに長期的に組み込むための最良のベクターはレトロウイルスですが、ランダムな組み込みの傾向が問題となります。レンチウイルスはレトロウイルスと同じファミリーに属し、分裂細胞と非分裂細胞の両方に感染できるという利点がありますが、レトロウイルスは分裂細胞のみを標的とします。ベクターとして使用されている他のウイルスには、アルファウイルス、フラビウイルス、麻疹ウイルス、ラブドウイルス、ニューカッスル病ウイルス、ポックスウイルス、ピコルナウイルスなどがあります。^{[ 300 ]}

ほとんどのワクチンは、ウイルスの毒性がもはや有効でないように弱毒化、無力化、弱体化、または何らかの方法で死滅させたウイルスで構成されています。理論的には、遺伝子工学を使用して毒性遺伝子を除去したウイルスを作成できます。これはウイルスの感染性に影響を与えず、自然免疫応答を誘発し、他のワクチンで起こりうる毒性機能を回復する可能性はありません。そのため、非標的感染、潜在的な副作用、および他のウイルスへの水平遺伝子伝達に関する懸念は残るものの、一般的に従来のワクチンよりも安全で効果的であると考えられています。 ^{[ 303 ]}もう一つの潜在的なアプローチは、 AIDS、マラリア、結核など、利用可能なワクチンがない、またはワクチンが効果的に機能しない疾患に対する新しいワクチンを作成するためにベクターを使用することです。^{[ 304 ]}結核に対する最も効果的なワクチンであるバチルス・カルメット・ゲラン（BCG）ワクチンは、部分的な保護しか提供しません。M. 結核菌抗原を発現する改変ワクチンは、BCGの防御効果を高めることができる。^{[ 305 ]}第II相臨床試験では、当初期待されていたほど効果的ではないものの、安全に使用できることが示されている。^{[ 306 ]}他のベクターベースのワクチンは既に承認されており、さらに多くのワクチンが開発中である。^{[ 304 ]}

遺伝子組み換えウイルスのもう 1 つの潜在的な用途は、ウイルスを改変して病気を直接治療することです。これは、保護タンパク質の発現または感染細胞を直接標的にすることによって実現できます。2004 年、研究者らは、がん細胞の利己的な行動を利用する遺伝子組み換えウイルスが、腫瘍を殺す別の方法を提供する可能性があると報告しました。^{[ 307 ] [ 308 ]}それ以来、複数の研究者が、さまざまなタイプのがんの治療として有望な遺伝子組み換え腫瘍溶解性ウイルスを開発しました。^{[ 309 ] [ 310 ] [ 311 ] [ 312 ] [ 313 ]} 2017 年、研究者らは、ホウレンソウのディフェンシンタンパク質を発現するようにウイルスを遺伝子組み換えしました。このウイルスは、 2005 年以降オレンジの生産量を 70% 減少させている柑橘類の緑化病に対抗するためにオレンジの木に注入されました。^{[ 314 ]}

粘液腫症やウサギ出血病などの自然発生的なウイルス性疾患は、害獣の個体数制御に利用されてきた。しかし、時間が経つにつれて生き残った害獣は耐性を獲得し、研究者たちは代替手段を模索するようになった。免疫避妊によって標的動物を不妊にする遺伝子組み換えウイルスが実験室で作成されている^{[ 315 ]}ほか、動物の発育段階を標的とするウイルスも作成されている^{[ 316 ] 。このアプローチの使用には、ウイルスの封じ込め[ 315 ]}や異種間感染^{[ 317 ]}に関する懸念がある。同じウイルスが、相反する目的で改変されることもある。イベリア半島のヨーロッパ野生ウサギを保護し、オーストラリアでの個体数管理を支援するために、粘液腫ウイルスの遺伝子改変が提案されている。イベリア半島の種をウイルス性疾患から保護するために、粘液腫ウイルスが遺伝子改変されてウサギに免疫が付与された一方、オーストラリアでは同じ粘液腫ウイルスが遺伝子改変されてオーストラリアのウサギの個体群の繁殖力が低下した^{[ 318 ] 。}

生物学以外の分野では、科学者たちは遺伝子操作したウイルスを使ってリチウムイオン電池やその他のナノ構造材料を構築してきた。バクテリオファージを操作して表面に改変タンパク質を発現させ、特定のパターンで結合させることが可能である（ファージディスプレイと呼ばれる技術）。これらの構造は、エネルギー貯蔵と生成、バイオセンシング、組織再生に利用できる可能性があり、現在生産されている新しい材料には、量子ドット、液晶、ナノリング、ナノファイバーなどがある。^{[ 319 ]}この電池は、 M13バクテリオファージを操作してリン酸鉄でコーティングし、カーボンナノチューブに沿って自己組織化させることで作られた。これにより、カソードで使用するための高導電性媒体が作成され、エネルギーを迅速に伝達できる。これらは、より低い温度で無毒の化学物質を使用して構築できるため、より環境に優しい。^{[ 320 ]}

遺伝子組み換え生物は政府機関によって規制されています。これは、研究だけでなく、作物や食品を含む遺伝子組み換え生物の放出にも適用されます。遺伝子工学に関する規制枠組みの開発は、1975年にカリフォルニア州アシロマで始まりました。アシロマ会議では、組換え技術およびその技術から生じる製品の慎重な使用に関する一連のガイドラインが推奨されました。^{[ 321 ]}バイオセーフティに関するカルタヘナ議定書は、2000年1月29日に採択され、2003年9月11日に発効しました。^{[ 322 ]}これは、遺伝子組み換え生物の移転、取り扱い、および使用を規定する国際条約です。^{[ 323 ]} 157か国がこの議定書の加盟国であり、多くの国がこれを自国の規制の参照点として使用しています。^{[ 324 ]}

大学や研究機関には、遺伝子工学を伴う実験の承認を担当する特別委員会が一般的に設置されています。多くの実験では、国の規制機関や法律からの許可も必要となります。すべての職員はGMOの使用に関する研修を受けなければならず、すべての研究室はGMOを扱うために規制機関の承認を得なければなりません。^{[ 325 ]} GMOに関する法律は、多くの場合、非GMOバージョンの生物に適用される規制やガイドラインから派生していますが、より厳格です。^{[ 326 ]} GMOやその他の物質が研究室の職員や地域社会に及ぼす相対的なリスクを評価するためのほぼ普遍的なシステムがあります。それらは、毒性、病気の重症度、伝染経路、予防措置や治療法の有無に基づいて、4つのリスクカテゴリーのいずれかに分類されます。研究室は、レベル1（病気とは関係のない物質を扱うのに適している）からレベル4（生命を脅かす物質を扱う）までの4つのバイオセーフティレベルに分類されます。国によってレベルを表す用語が異なり、各レベルで何ができるかについての要件も異なる場合がある。^{[ 326 ]}

遺伝子組み換え作物の放出に関する規制は国によって異なり、最も顕著な違いのいくつかは米国とヨーロッパの間で発生しています。^{[ 327 ]}規制は、遺伝子工学製品の意図された用途に応じて、特定の国で異なります。たとえば、食用を目的としない作物は、一般的に食品安全を担当する当局によって審査されません。^{[ 328 ]}一部の国は遺伝子組み換え作物の放出を禁止したり、その使用を制限したりしており、他の国は規制の程度が大きく異なる形で許可しています。^{[ 329 ] [ 330 ] [ 331 ] [ 332 ]} 2016年、38か国が遺伝子組み換え作物の栽培を公式に禁止または禁止しており、9か国（アルジェリア、ブータン、ケニア、キルギスタン、マダガスカル、ペルー、ロシア、ベネズエラ、ジンバブエ）が輸入を禁止しています。^{[ 333 ]}遺伝子組み換え作物の栽培を許可していない国のほとんどは、遺伝子組み換え作物を使用した研究を許可しています。^{[ 329 ]}規制があるにもかかわらず、執行の弱さから違法な放出が時折発生している。^{[ 8 ]}

欧州連合（EU）は、EU域内での栽培承認と輸入および加工承認を区別している。^{[ 334 ]} EUでは栽培が承認されている遺伝子組み換え作物（GMO）はごく少数だが、輸入および加工が承認されているGMOは多数ある。^{[ 335 ]} GMOの栽培は、ヨーロッパにおけるGMO市場に関する議論を引き起こした。^{[ 336 ]}共存規制によって、遺伝子組み換え作物の栽培に対するインセンティブは異なる。^{[ 337 ]}米国の政策は、他の国ほどプロセスに焦点を当てておらず、検証可能な科学的リスクに着目し、実質的同等性の概念を使用している。^{[ 338 ]}遺伝子編集生物を遺伝子組み換え生物と同じように規制すべきかどうかは議論されている。米国の規制ではこれらを別個のものとみなし、同じ条件で規制していないが、ヨーロッパではGMOは遺伝子工学技術を用いて作られた生物である。^{[ 29 ]}

規制当局が懸念している主要な問題の一つは、遺伝子組み換え食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^{[ 339 ]}、健康や環境への悪影響が発見された場合に製品の回収を容易にするために、義務的なラベル表示とトレーサビリティが必要であると述べている^{[ 340 ]} 。米国医師会^{[ 341 ]}と米国科学振興協会^{[ 342 ]}は、害の科学的証拠がない限り、自主的なラベル表示でさえ誤解を招き、消費者を誤って不安にさせると述べている。市場での遺伝子組み換え食品のラベル表示は64か国で義務付けられている^{[ 343 ]} 。ラベル表示は、一定の遺伝子組み換え含有量レベル（国によって異なる）まで義務付けられる場合と、自主的な場合がある。米国では、国家バイオエンジニアリング食品開示基準（義務的遵守日：2022年1月1日）により、遺伝子組み換え食品のラベル表示が義務付けられている。^{[ 344 ]}カナダでは遺伝子組み換え食品の表示は任意ですが、^{[ 345 ]}ヨーロッパでは、承認された遺伝子組み換え作物を 0.9% 以上含むすべての食品 (加工食品を含む) または飼料には表示が義務付けられています。^{[ 346 ]} 2014 年に、非遺伝子組み換えと表示された製品の売上は 30% 増加し、11 億ドルに達しました。^{[ 347 ]}

遺伝子組み換え作物（GMO）については、特に実験室環境外での放出に関して論争があります。この論争には、消費者、生産者、バイオテクノロジー企業、政府規制当局、非政府組織、科学者が関わっています。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る食品の安全性、栽培が環境に及ぼす影響に関するものです。これらの論争は、訴訟、国際貿易紛争、抗議活動、そして一部の国での商業製品の規制強化につながっています。^{[ 348 ]}懸念のほとんどは、GMOの健康および環境への影響に関するものです。これには、アレルギー反応を引き起こす可能性があるかどうか、トランスジーンがヒト細胞に移行する可能性があるかどうか、ヒトの摂取が承認されていない遺伝子が食品供給に混入する可能性があるかどうかなどが含まれます。^{[ 11 ]}

^{遺伝子組み換え作物から作られた現在入手可能な食品は、従来の食品よりも人間の}健康に大きなリスクをもたらすことはないという科学的コンセンサスがあるが、導入前に各遺伝子組み換え食品を個別にテストする必要がある。[358] [359] [360] それにもかかわらず、一般の^人々は科学者^{よりも遺伝子}組み換え^{食品を安全だと認識する可能性が}はるかに低い。^{[ 361 ] [ 362 ] [ 363 ] [ 364 ]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、規制の程度が大きく異なるものの^{許可している国もある。[ 329 ] [ 365 ] [ 331 ] [ 332 ]}

1990年代後半まで、野生個体群への遺伝子流入は起こりそうになく稀であり、もし起こったとしても容易に根絶できると考えられていた。これによって環境コストやリスクが増加することはないと考えられており、農薬散布によって既に引き起こされている影響以外に影響は予想されていなかった。^{[ 366 ]}しかし、それ以降の数十年間で、そのような例がいくつか観察されている。遺伝子組み換え作物と適合植物間の遺伝子流入は、広範囲除草剤の使用増加とともに、^{[ 367 ]}除草剤耐性雑草個体群のリスクを高める可能性がある。 ^{[ 368 ]}遺伝子流入の範囲と影響についての議論は、作物の多様性の中心地であるメキシコの在来種トウモロコシでトランスジーンが発見されたことを示す論文が発表された2001年に激化した。^{[ 369 ] [ 370 ]}遺伝子組み換え作物から他の生物への遺伝子流入は、一般的に自然に起こるよりも少ないことがわかっている。^{[ 371 ]}これらの懸念に対処するため、遺伝子組み換え生物（GMO）の中には、その拡散を抑制するのに役立つ特性を持つものが開発されている。遺伝子組み換えサケが野生のサケと意図せず交配するのを防ぐため、食用に飼育される魚はすべて雌で、三倍体であり、99%が生殖不能で、逃げ出したサケが生き残れない地域で飼育されている。^{[ 372 ] [ 373 ]}また、細菌も自然界には存在しない栄養素に依存するように改変されており、^{[ 374 ]}遺伝子利用制限技術も開発されているが、まだ市販されておらず、遺伝子組み換え植物の第二世代を不稔にするものである。^{[ 375 ]}

その他の環境および農業上の懸念事項としては、生物多様性の減少、二次害虫（非標的害虫）の増加、および耐性昆虫害虫の進化などが挙げられる。^{[ 376 ] [ 377 ] [ 378 ]} Bt作物が栽培されている中国および米国の地域では、昆虫の生物多様性が全体的に増加し、二次害虫の影響は最小限に抑えられている。^{[ 379 ]}最良の慣行戦略が遵守された場合、耐性の進化は遅いことがわかった。^{[ 379 ]} Bt作物が有益な非標的生物に与える影響は、1999年の論文でオオカバマダラに毒性がある可能性が示唆された後、公的な問題となった。その後の追跡調査では、野外で遭遇した毒性レベルは幼虫に害を与えるほど高くないことが示されている。^{[ 380 ]}

科学者が「神の真似事をしている」という非難やその他の宗教的な問題は、この技術の登場当初から指摘されてきた。^{[ 381 ]}人間の遺伝子操作が可能になったことで、この技術をどこまで進めるべきか、あるいはそもそも使用すべきかどうかについて倫理的な懸念が生じている。^{[ 382 ]}治療と強化の境界線はどこにあるのか、また改変が遺伝するべきかどうかについて多くの議論が交わされている。^{[ 383 ]}その他の懸念事項としては、非遺伝子組み換え食品の汚染、^{[ 384 ] [ 385 ]}規制プロセスの厳格さ、^{[ 386 ] [ 387 ]} GMOを製造・販売する企業による食品供給の支配の集中、^{[ 388 ]}遺伝子組み換えの利点の誇張、^{[ 389 ]}またはグリホサートを含む除草剤の使用に関する懸念などが挙げられる。^{[ 390 ]}その他に提起された問題には、生命の特許化^{[ 391 ]}や知的財産権の使用^{[ 392 ]}などがある。

遺伝子組み換え作物（GMO）に対する消費者の受容度には大きな違いがあり、ヨーロッパ人は北米人よりも遺伝子組み換え食品を否定的に見る傾向が強い。^{[ 393 ]} GMOが登場したのは、牛海綿状脳症などの最近の食品不安や、ヨーロッパにおける製品に対する政府規制に関するその他のスキャンダルによって、食品の安全性に対する国民の信頼が低かった時期である。^{[ 394 ]}これに加えて、さまざまな非政府組織（NGO）が行っているキャンペーンは、遺伝子組み換え作物の使用を阻止または制限することに非常に成功している。^{[ 395 ]}オーガニック消費者協会、憂慮する科学者同盟^{[ 396 ] [ 397 ] [ 398 ]}グリーンピースなどのNGOやその他の団体は、リスクが適切に特定および管理されていない[ ^{399 ]こと}、そしてGMO由来の食品が人間の健康に及ぼす潜在的な長期的な影響について未解決の疑問があることを述べている。彼らは、そのような製品に対する義務的な表示^{[ 400 ] [ 401 ]}または一時停止を提案している。^{[ 388 ] [ 386 ] [ 402 ]}