遺伝子組み換え細菌

遺伝子組み換え細菌は、その単純な遺伝子構造のため、実験室で最初に改変された生物である。^{[ 1 ]}これらの生物は現在、さまざまな目的で使用されており、特に医療用途の純粋なヒトタンパク質 を大量に生産する上で重要である。 ^{[ 2 ]}

この最初の例は1978年に起こった。カリフォルニア大学の研究室に勤務していたハーバート・ボイヤーが、ヒトインスリン遺伝子の変異体を大腸菌に挿入し、合成「ヒト」インスリンを生産したのだ。その4年後、米国食品医薬品局（FDA）によって承認された。

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

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。^{[ 3 ]}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、形質転換が比較的容易であり、-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。^{[ 4 ]}多数のカスタム プラスミドにより、細菌から切り出した DNA の操作が比較的容易になる。^{[ 5 ]}

使いやすさから、遺伝子機能や進化を研究する科学者にとって優れたツールとなっています。ほとんどのDNA操作は、別の宿主に転移される前に細菌プラスミド内で行われます。細菌は最も単純なモデル生物であり、分子生物学に関する初期の理解のほとんどは、大腸菌の研究から得られています。^{[ 6 ]}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ています。^{[ 7 ]}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。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

細菌は長い間食品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集中しています。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改変できます。^{[ 11 ]}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。^{[ 12 ]}

遺伝子組み換え細菌は、工業用途向け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、タンパク質をコードする遺伝子が活性化される前に、細菌は大量に培養されます。その後、細菌が回収され、そこから目的のタンパク質が精製されます。^{[ 14 ]}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。^{[ 15 ]}

ヒトの健康におけるマイクロバイオームの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。^{[ 24 ]}一般的に虫歯の原因となる細菌は、歯を腐食させる乳酸を生成しなくなるように遺伝子操作されている。^{[ 25 ]}これらの遺伝子組み換え細菌が人の口の中に定着すれば、虫歯の形成を減らすことができるかもしれない。^{[ 26 ]}遺伝子組み換え微生物は、最近の研究で腫瘍を殺したり阻害したり、クローン病と闘うためにも使用されている。^{[ 27 ]}

細菌が患者の体内でコロニーを形成しない場合、患者は必要な量を摂取するために、改変された細菌を繰り返し服用しなければならない。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十分に解明されていないため、安全性に関する懸念も生じる可能性がある。

消化管内で短期間しかコロニーを形成しない中間菌の一例として、ラクトバチルス・アシドフィルスMPH734が挙げられます。これは乳糖不耐症の治療に特効薬として用いられています。この遺伝子組み換えラクトバチルス・アシドフィルス菌は、乳製品、あるいはより一般的には乳製品を用いた食品に含まれる乳糖を消化するラクターゼという酵素を産生します。この短期間のコロニーは、1週間、21錠の服用によって誘導され、その後、一時的なコロニーは3ヶ月以上ラクターゼを産生し続け、自然なプロセスによって体外に排出されます。この誘導療法は、乳糖不耐症の症状に対する保護を維持するために必要なだけ繰り返すことができ、また、元の症状が再発する以外に副作用なく中止することも可能です。

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がある。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。^{[ 24 ]}

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。これにより、氷形成遺伝子が除去された氷マイナス細菌が開発されました。作物に適用すると、氷プラス細菌と競合し、ある程度の耐霜性を付与することができます。^{[ 28 ]}

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。 ^{[ 29 ]}また、GM細菌は、鉱石から銅を浸出させたり、^{[ 30 ]}水銀汚染を浄化したり、 ^{[ 31 ]}飲料水中のヒ素を検出したりするためにも開発されています。^{[ 32 ]}バイオアートも遺伝子組み換え細菌を使用して作成されています。1980年代には、アーティストのジョー・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。^{[ 33 ]}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。^{[ 34 ]}蛍光タンパク質で形質転換された細菌を使用して絵画も制作されています。^{[ 33 ] [ 35 ] [ 36 ]}

• インスリン
• B型肝炎ワクチン
• 組織プラスミノーゲン活性化因子
• ヒト成長ホルモン
• 氷を除いた細菌
• インターフェロン
• Btトウモロコシ^{[ 37 ]}
• テラフォーミング § その他の可能性

• カール・ドリカ（2004）。DNAと遺伝子クローニングを理解する：好奇心旺盛な人のためのガイド（第4 版）。ワイリー。ISBN 978-0-471-43416-0。