合成生物学時代のバイオディフェンス-4
4病原体に関する懸念事項の評価

強調オフ

合成生物学・ゲノム

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Biodefense in the Age of Synthetic Biology.

www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK535878/

病気を武器として使用したのは、少なくとも中世にさかのぼると考えられており、タルタル人がカタパルトを使ってペストの犠牲者をカファの街の防護壁を越えて投げつけた時である(Wheelis. 2002)。北米への入植者は、天然痘の犠牲者を覆っていた毛布をアメリカ先住民に贈ったため、このナイーブな人々が天然痘の惨禍にさらされる可能性があった(Duffy、1951)。微生物学的手法の出現により、特定の病原体を兵器として使用することが可能になった。この能力により、いくつかの国、特にソ連と米国は攻撃的な生物兵器プログラムを開発し、1972年に署名された「細菌(生物)兵器および毒素兵器の開発、生産および備蓄の禁止ならびにそれらの破壊に関する条約」(生物兵器禁止条約、BWC)によって法的に禁止されるまで続けられた(BWC、1972)。BWCが締結された後、病原体を兵器として開発することは、国家による秘密計画や非国家主体によるテロリズムの領域となった。病原体の兵器としての使用で最も有名なものの一つは 2001年の「アメリストラックス」バイオテロ事件である。この事件では、炭疽菌芽胞が米国の郵便サービスを通じて送られ、5人が死亡、3万人が感染の可能性から予防接種を受け、除染費用に数億ドルがかかった(司法省、2010)

これらの歴史的な例では、自然に発生する病原体が生物兵器として開発された。特定の病原体は、罹患率や死亡率を引き起こす能力と、大規模な兵器に転用する能力に基づいて、生物兵器の開発対象として選ばれた。合成生物学の時代は、病原性生物兵器が、天然に存在する病原体の病気を引き起こす特性とは異なる新しい方法で設計、開発、配備される可能性を提起している。第一に、主に北米と西ヨーロッパでは、Federal Select Agent Program(CDC/APHIS, 2017)The Australia Group (2007)などのセキュリティプロトコルが、長年にわたって危険な病原体へのアクセスを制限しようとしてきたが、合成生物学ではゲノムを合成し、それを使って実験室で自然発生生物のコピーを生成、すなわち「起動」できるため、既存の規制対象の病原体を入手する新たな機会が開かれた。第二に、合成生物学の技術を利用して、アクセス制限の対象とならない既存の生物を改変し、望ましい特性を獲得する可能性がある。例えば、このような操作により、元の病原体と比較して、病原体の毒性、抗生物質耐性、毒素、化学物質、生化学物質の生産能力、既知の予防法または治療法を回避する能力などが向上する可能性がある。第三に、合成生物学のツールは、複数の既存の生物から遺伝物質を取り込む可能性のある、まったく新しい生物を合成し、起動するために使用することができる(Zhang et al., 2016)

本章では、病原体ベースの生物兵器の製造に関連する合成生物学の応用の可能性を分析する。本章で紹介した各能力(および第5章と第6章で紹介した能力)について、懸念されるレベルを評価するために、本報告書の脆弱性評価の枠組みで説明した要素を検討した:技術の使いやすさ、武器としての使いやすさ、アクターの要求、緩和の可能性である。各要素に関連する各能力の相対的な懸念レベルに関する結論は、「低懸念」から「高懸念」までの5段階評価の形で示される。アセスメントでは、フレームワークで特定されたすべての要因と要素を考慮したが、本章で示す議論は、主に各ケイパビリティにとって最も重要であると考えられる要素、または場合によっては各ケイパビリティに固有の要素に焦点を当てている。各要素について、検討された他の能力との相対的な懸念レベルを、その相対的な懸念レベルをもたらす要素の要約とともに、章の最後に示している。本報告書で検討したすべての合成生物学的能力の相対的順位に関する結論は第 9 章で示される。

既知の病原体の再現

生物をゼロから作るには、少なくとも「ゲノムの合成」と「核酸を生体に変換する」(「ブート」)という2つのステップが必要である。図4-1は、これらの概念的なステップを示したものである。本調査では、自然界に存在する既知の病原性生物を合成生物学技術でゼロから構築する可能性を評価した。ウイルスと細菌は、それぞれ異なる生物学的特徴を持つため、別々に評価している。現時点では、真菌、酵母、寄生虫など、ゲノムの大きな真核生物の病原体の構築はかなり困難であると考えられており、成功例はまだ報告されていない。

図4-1生物をゼロから構築するために必要な活動

設計段階での考慮事項には、病原体配列の正確なコピーが必要か、同義変異を導入するか、配列のライブラリー(準種)を用意するか、などがある(詳細…)

既知の病原性ウイルスを再現する

今日の技術を用いれば、ほぼすべての哺乳類ウイルスのゲノムを合成することができ、既知のヒトウイルスの配列は、一般に公開されているすべての全DNA配列および部分DNA配列の注釈付きコレクションであるGenBank®などの公開データベースを通じて容易に入手できる(NCBI、2017)。Eckard Wimmerらによる2002年のポリオウイルスの合成は、最初に報告されたウイルスゲノムの合成の一つである(Wimmer, 2006)。研究チームは、ファージT7プロモーターの制御のもと、平均69塩基の大きさの一連のオリゴヌクレオチドから、ポリオウイルスゲノム(約7,500塩基)の相補DNA(cDNA)を組み上げた。このcDNAを使ってウイルスRNAを生産し、これを用いて試験管内試験抽出物をプログラムして感染性ポリオウイルスビリオンを生産した(Cello et al., 2002)。それ以来、より長いDNAセグメントを合成する能力の進歩を利用して、より大規模なウイルスゲノムが生成されてきた。現代のアセンブリー法は、DNAを構築できる規模を大幅に拡大し、DNAウイルスの場合はゲノムそのもの、RNAウイルスの場合はウイルスゲノムに転写できるcDNAという形で、ほぼすべてのウイルスのゲノムを構築できるようになった(Wimmer et al.)顕著な例として、新しい天然痘ワクチンを開発する取り組みの一環として、馬痘ゲノム(20万以上の塩基対からなる)の構築が最近報告された(Kupferschmidt. 2017;Noyce et al.)(なお、一部のウイルス、例えばポリオのブートは無細胞抽出物を用いて行われているが、ほとんどのウイルスは細胞内でブートする必要があり、馬痘を含む一部のウイルスは細胞内のヘルパーウイルスを使用する必要がある)

既知の病原性ウイルスの再作成に関する懸念の評価については、ここにまとめ、以下に詳しく説明する。

技術の使いやすさ 武器としてのユーザビリティ 行為者の条件 軽減の可能性
既知の病原性ウイルスの再作成に対する懸念レベル ハイ ミディアムハイ ミディアム 中低

技術の使いやすさ (高い関心)

全体として、ウイルス配列の作製とブートのコストはかなり低く、合成は安価で、時間の経過とともにそうなりつつあり、細胞培養施設の建設、維持、運用には費用がかからない。したがって、この技術の使用可能性は弱い障壁によってのみ妨げられるので、この要因に関する懸念のレベルは比較的高い。

病原体をコードするゲノムの配列がわかっている場合、既知のウイルスを合成する場合、Design-Build-TestサイクルのDesignフェーズを省略することができる。ウイルスゲノムをコードするDNAは、市販の業者に発注するか、適切なリソースがあれば社内で合成することができる。前者のアプローチでは、ほとんどの核酸合成会社が、Federal Select Agent Program Select Agents and Toxins list(CDC/APHIS, 2017)の病原体に由来する配列など、懸念される配列をスクリーニングするため、障壁となるかもしれない。しかし、この障壁は、行為者がSelect Agentsリストのウイルスに限定する必要がないこと、スクリーニングガイドラインへの業界の遵守が任意であること、オリゴヌクレオチドの注文がスクリーニングされないことなど、いくつかの理由から弱い。行為者は、少なくともゲノムの小さいウイルスについては、これらの要因を利用したり、他のアプローチでスクリーニングを回避することができる。

ゲノムを手にすることは、生存可能な生物を起動させるための最初のステップに過ぎない。ゲノムの大きさとゲノム核酸の性質(DNA、正鎖RNA、負鎖RNA)である。一般に、ゲノムは、ウイルスゲノムが複製され、感染性のウイルス子孫に組み立てることができる培養中の細胞に導入されなければならない。ウイルスを増殖させることができる細胞株がない場合、選択肢はより限られたものになる。ポリオウイルスは、精製成分や粗抽出物から試験管内試験で完全に組み立てられている(Cello et al., 2002)。この方法は、ウイルスの組み立ての研究により、より優れた試験管内試験組み立てシステムが開発されれば、他のウイルスにも適用できるようになるかもしれないが、そのようなシステムは、現在のところ、大量のウイルスを生産するための拡張性がなく、最終的には、細胞培養アプローチに移行する必要があるだろう。

正鎖RNAウイルスは、ゲノムが細胞によって直接翻訳され、ウイルスタンパク質を生成することができるため、一般的に負鎖RNAウイルスよりも合成や起動が容易である。正鎖RNAウイルスでは、ウイルスゲノムの正確なコピーを発現するように相補的DNA(cDNA)を設計する必要があり、転写と翻訳を司る5′と3′末端の適切な配列を含むが、このプロセスはかなり簡単だ。このcDNAを試験管内試験で転写してウイルスRNAを生成し、細胞にトランスフェクトすると、完全なウイルスライフサイクルを開始するウイルス複製タンパク質を生成するためのメッセンジャーRNA(mRNA)として機能する(Kaplan et al., 1985)。マイナス鎖のゲノムを持つRNAウイルスは、定義上マイナス鎖が翻訳されないため、合成の難易度がやや高くなる。これらのウイルスでは、通常、ゲノムはウイルス複製タンパク質をコードする発現ベクターとともに細胞内に導入される。そして、細胞内のRNAポリメラーゼがcDNAからウイルスRNAゲノムを生成すると、ウイルス複製機構に引き継がれる(Neumann et al., 1999)

ウイルスが増殖できる細胞株を特定できると仮定すると、一般に、小さいウイルスゲノムは起動が容易だが、大きいウイルスゲノムはより困難である(図4-2を参照)。大きなDNA分子は断片化しないように注意して操作しなければならないので、大きなゲノム(約3万から5万塩基対以上)には完全性の制約がある。しかし、重なり合ったDNA断片は、細胞内に入ると容易に再結合される。実際、断片をつなぎ合わせるために細胞を利用するこの能力(Chinnadurai et al., i79)は、遺伝子治療の初期に、様々な導入遺伝子を発現するアデノウイルスベクターの製造に広範囲に使用された。ほとんどのDNAウイルスのDNAは感染性であるため、そのDNAが核内に入ると、細胞が転写と翻訳のプロセスを引き継ぎ、最終的に子孫の集合に至る。しかし、ポックスウイルスは例外で、細胞質で複製を行うため、最初の複製を開始するためにはヘルパーウイルスとの共同感染を必要とする。最近、200,000塩基対以上を含む馬痘ゲノムの構築に成功したことは、より大きなゲノムのブート化の実現性が高まっていることを強調している(Kupferschmidt. 2017;Noyce et al., 2018)

図4-2身近な細菌、ウイルス、毒素をコードする遺伝情報の相対的なスケール

左端のボックス(薄い青色)には、1つの大きな毒素遺伝子(図中の最小サイズ、キロベースペア)が示されている。徐々に大きくなるゲノムサイズ…続きを読む)

武器としてのユーザビリティ(中・高懸念度)

ウイルスは人や他の生物に感染するために進化してきた。合成された既存ウイルスの影響は、その自然な振る舞いの知識に基づいて高度に予測可能であろう。しかし、武器として使えるかどうかは、ウイルスが本来持っている向性、病原性、環境安定性などのパラメータによって大きく左右される。歴史的な生物兵器の攻撃計画に関する知識から、生産規模と配送は、既存のウイルスを兵器として使用するための重要な障壁と考えられていた(Guillemin, 2006;Vogel, 2012)。現在でも、合成された既存ウイルスを大規模な兵器として使用するために、生産と配送の規模を十分に拡大することは、小規模な攻撃と比較してかなりの障壁となる。しかし、特に危険とされるウイルスを少量だけ合成し、少数の被害者に配布し、自然界と同様にウイルスが拡散するのを待つこともできるため、懸念レベルは中程度である。自然界には、繁殖率、感染経路、病原性を持つウイルスが存在し、最初の放出や感染後、標的とする集団に急速に拡散する可能性があるため、懸念される。

行為者の要件(中位懸念)

行為者の要件に基づく懸念は中程度である。ほとんどのDNAウイルスの生産は、比較的一般的な細胞培養およびウイルス精製の技術を有し、基本的な実験装置を利用できる個人によって達成可能であり、このシナリオは、比較的小さな組織フットプリント(例えば、バイオセーフティキャビネット、細胞培養インキュベーター、遠心分離器および一般的に入手可能な小型装置を含む)で実行可能である。ウイルスゲノムの性質によっては、cDNA構築物からRNAウイルスを得ることは、DNAウイルスを得ることよりも困難である場合もある。しかし、RNAウイルスの製造に必要な技術や資源の量は、DNAウイルスの製造に比べれば、それほど高くはない。RNAウイルスの生産に使用されるcDNAクローンの性質を改善するための継続的な取り組みが行われているが(例えば、Aubry et al., y14;Schwarz et al., z16)、これらの進歩は性質上漸進的である傾向にある。J. Craig Venter Institute(JCVI)は、A型インフルエンザウイルス(ネガティブストランドウイルス)の新菌株の塩基配列を知ってからわずか3日で、生存可能なシードストックを開発することができた。JCVIには、すべての事業者が利用できるわけではない広範なリソースと専門知識があるが、それでもこのデモンストレーションは、DNAおよびRNAウイルスのブートに関する現在の能力を明確に示している。

一方、いくつかのRNAウイルスを製造する際の重要な課題として、「準種」の概念がある。ウイルスのRNAポリメラーゼは非常にエラーを起こしやすいため、RNAウイルスのゲノムが細胞内でコピーされるたびに、一般的に1つ以上の変異が含まれる(Lauring et al., 2012)。したがって、感染細胞から排出される子孫ウイルスは、クローン集団ではなく、むしろ準種と呼ばれる、高度に関連した非同一ウイルスの混合物である。コドンは特定のコドンにしか変異しないので、集団の潜在的な遺伝的組成は、出発配列の関数である。データベースに登録されている配列の多くは、各々が準種族の単一のメンバーを表す組換えクローンに由来するため、開始配列がブート後に「野生型」の完全な病原性集団を生成しない可能性もある。このように、行為者が利用できる資源や専門知識によっては、完全な病原性のRNAウイルスを構築して試験することが困難な場合がある。

緩和の可能性(中・低懸念事項)

再創造された既知の病原性ウイルスを用いた攻撃に対する結果管理対策は、ワクチンや抗ウイルス剤などの天然病原体に対するものと同じであり、社会的距離を置くことや病人を隔離するなどの公衆衛生対策も含まれる。現在のアプローチでは、天然病原体による感染と合成病原体による感染とを区別することができないため、このような攻撃を認識し、対処することは困難であると思われる。しかし、合成ウイルスか天然ウイルスかにかかわらず、同じ公衆衛生対策が実施されることになる。自然発生したウイルスに対抗するための公衆衛生対策は完全ではないが、米国で行われている監視と封じ込めの努力はインパクトがあり、近年ではいくつかのアウトブレイクを封じるのに効果的だった。

市販の合成DNA配列をスクリーニングすることは、再作成された既知の病原性ウイルスを用いた攻撃を抑止するための唯一の現実的な選択肢の1つだろうかもしれない。しかし、このアプローチの有効性は、リストに基づくスクリーニングの固有の限界、注文をスクリーニングせず、米国の規制管理の外にある国際的な企業が存在するという予想、オリゴヌクレオチドがスクリーニングされないという事実、および購入した装置で社内で遺伝物質を合成することが可能であるという事実によって損なわれている。

現在、合成ウイルスを用いた攻撃を特定し、効果的に防ぐことはできないが、攻撃に対して採用できる既存の公衆衛生対策があるため、緩和の可能性に関する全体的な懸念は、中〜低レベルである。ただし、拡散速度が速く、感染間隔が短いウイルス(病原体に感染してから他人に感染させるまでの時間)については、懸念レベルが高くなる。

既知の病原性細菌の再作成

多くの既存細菌のゲノムは特性化されており、大規模なウイルスゲノムに使用されるのと同じ種類のDNA合成とブートアプローチは、理論的には既知の病原性細菌の再作成に応用することができる。実際、JCVIは2010年にMycoplasma mycoidesの合成とブーティングを報告した(Gibson et al., 2010)大腸菌(400万塩基対;Ostrov et al., 2016)や酵母(1100万塩基対;Mercy et al., 2017;Mitchell et al., 2017;Richardson et al., 2017;Shen et al., 2017;Wu et al., 2017;Xie et al., 2017; W.Zhang et al., 2017)といった他の微生物ゲノム合成プロジェクトは順調に進行中である。

既知の病原性細菌の再作成に関連する懸念の評価をここにまとめ、以下に詳細に説明する。

技術の使いやすさ 武器としてのユーザビリティ 行為者の条件 軽減の可能性
既知の病原性細菌の再作成に対する懸念レベル 低い ミディアム 低い 中低

技術の使いやすさ(低懸念度)

まだ、既知の細菌の再現に成功したわけではないので、技術の有用性に関しては、比較的懸念されるレベルは低いと言える。ウイルスの場合と同様に、GenBank®は既知の細菌を構築するための豊富な配列情報源である。しかし、細菌ゲノムは一般的にほとんどのウイルスゲノムよりも1〜2桁大きいことを考えると(図4-2参照)、細菌は合成と起動にはるかに大きな技術的課題をもたらす。JCVIの合成(Gibson et al., 2010)の場合、当初は1塩基対のミスで細菌の起動ができず、プロジェクトチームは数ヶ月の時間を費やした(JCVI、2010)。したがって、設計のステップは簡単だが、設計-構築-テストサイクルの構築要素、特にフルゲノムの構築は、現在、大きな障壁となっている。この困難は、DNAの構造的完全性を維持するという課題に起因している:30,000塩基対以上のDNA断片は、実験室の標準的なピペッティングを含むあらゆる種類のせん断を受けると容易に断片化し、バクテリアの構築には使用できなくなる。JCVIグループは、この障壁を克服するため、これまでの文献で唯一知られている細菌の合成において、細菌ゲノムを酵母の人工染色体として構築した。

というのも、ゲノムを試験管内試験の抽出液に加えれば、反応終了時に生きた細菌が得られるというわけではないからだ。というのも、ゲノムを試験管内の抽出液に加えれば、あとは生きた細菌が得られるというわけではないからだ。JCVIのグループは、酵母人工染色体として増殖させた合成ゲノムを、近縁種のマイコプラズマに移植することでこれを実現した(Gibson et al., 2010)。この移植法には、既知のもの(細菌の制限系や修飾系など)と未知のものの両方のハードルがある。合成細菌ゲノムが天然のゲノムから必要な機能をすべて引き継ぐプロセスは、不完全に理解されている。したがって、細菌ゲノムの出発点となるDNA成分を入手することは、技術的には比較的簡単で、社内で合成することも、選択薬剤のスクリーニングプロトコルを通過または回避することを前提に購入することもできるが、その後の組み立てステップは、ウイルスの場合よりもはるかに大きな難題となる。JCVIの合成生物学・バイオエネルギーグループのリーダーであるジョン・グラスは、研究の過程で行われた公開データ収集の場で、細菌を作るのは「非常に難しく、コストがかかる」と述べている。

既知の病原性細菌を再現する際の最大のボトルネックは、DNAから機能する生物に移行するステップであることを考えると、ゲノムの組み立てと起動を容易にする技術の進歩に注目することが重要であろう。例えば、大きなDNA断片を物理的に傷つけずに操作する方法が開発されれば、組み立ての難易度を下げることができるかもしれない。あるいは、細菌の染色体を構築した酵母から細菌の宿主に直接移植できる技術が開発されれば、剪断や移植のハードルを越えることができるだろう。しかし、酵母は交配時以外には染色体の移動すら知られていないため、このようなアプローチをとろうとすると、酵母-細菌系を一から開発する必要がありそうだ。

武器としてのユーザビリティ(懸念度:中)

病原性細菌の合成に成功した場合、その感染体としての性質は、天然に存在する細菌の既知の性質に基づいて予測することができる。したがって、合成ウイルスと同様に、懸念されるレベルは、その細菌の自然な向性、病原性、環境安定性、およびその他のパラメータに依存する。ウイルスと同様、合成細菌を大量破壊兵器として使用するために生産と輸送の規模を拡大することは、小規模な攻撃に比べて大きな障壁となり、大量拡散時の環境安定性など、兵器化の多くの古典的問題が発生する。全体として、兵器としての使用可能性に関連する懸念のレベルは中程度だが、一般的に様々な種類の細菌の兵器化の可能性の違いを反映して、異なる細菌病原体に関して幅広い懸念が存在する。例えば、芽胞を形成する細菌は、芽胞を形成しない細菌と比較して、環境中に拡散しやすく、環境中でより安定であるはずだ。

行為者の要求事項(低懸念)

現在、既存の細菌をゼロから作ることは非常に難しく、かなりの専門知識と資源を必要とする。これは、既知のウイルスを合成するのに必要な資源よりもはるかに多いものである。このため、この要素に対する懸念は比較的低い。また、大規模な細菌ゲノムを扱う専門的で実践的な経験が必要だが、このような高度な技術を習得するには何年もかかり、現在ではまれである。さらに、JCVIなどこの分野で活動しているグループの経験からも明らかなように、この作業には多額の資金とかなり長い時間が必要であるしたがって、このようなゲノムを構築し、起動する能力は、少なくとも今後5年間は、相当なリソース(資金、機器、多様でよく発達したスキルセット)を利用できる大規模な学際的チームにのみアクセス可能であると思われる。

緩和の可能性(中・低懸念事項)

全体として、既知の細菌に対する対応策が確立されているため、緩和の可能性についての懸念は中・低レベルである。結果管理の面では、細菌性病原体による攻撃を阻止するために使用できる抗生物質が豊富にある(実際、利用可能な抗ウイルス薬の数よりも豊富である)。しかし、抗菌薬耐性により、有効な薬剤の数が制限されることが予想され、エアロゾル感染可能な強毒性の抗生物質耐性菌が再び発生することがより懸念される。

予防という点では、合成された病原性細菌に基づく生物兵器の開発に使用されている施設を、合法的な学術施設や商業施設と区別することは、不可能ではないにしても、極めて困難であるだろう。連邦選択剤プログラムは、米国内のこうした活動に対してある程度の抑止力を提供するかもしれないが、スクリーニング・プロトコルには、選択剤用の細菌ゲノム断片を検出されずに合成することを可能にする多くの抜け道が残されている。また、合成された細菌を使用した攻撃の認識と帰属に関する考慮事項は、合成されたウイルスの場合と同じであり、自然の病原体による感染と合成されたバージョンによる感染を区別することは非常に難しいかもしれない。

既存病原体の危険性向上

合成生物学の時代になって、ウイルスや細菌を操作して、その遺伝子型、ひいては表現型を変えることができるようになった。遺伝子治療の分野では、ウイルスの向精神性を操作することが活発な研究分野となり、細菌は有用な化合物を生産するためのプラットフォームとして一般的に操作されている。このような実験的アプローチは、新たな兵器の開発にも利用できる可能性がある。既存の病原体をより危険なものにするために合成生物学を使用する可能性について、生物兵器を開発するために改変される可能性のあるウイルスと細菌(病原性と非病原性の両方)の特徴、現在の技術的能力、そしてそのような活動を行うために予想される将来の発展も考慮して、懸念レベルを決定した。

既存のウイルスをより危険なものに

既存の非病原性ウイルスや既存の病原性ウイルスをより危険なものにしたり、生物学的攻撃に適したものにしようとする行為者は、複数のルートを検討することができるだろう。バイオテクノロジーの利用により、病原性の高いウイルス、宿主範囲の拡大、またはその他の特徴を持つウイルスが誕生した例は、すでに文献にいくつか紹介されている。この種の活動に対してどの程度の懸念が必要かを分析するために、合成生物学または標準的な技術を使用して潜在的に試みることができる多くのウイルス形質を検討した(Box4 -1を参照)。

BOX 4-1バイラル・トレイト

以下に、ウイルス性形質の例を挙げるが、これは、バイオテクノロジーによって理論的に改良の対象となり得る形質の範囲と種類を示すために提示したものである。

オルタードトロピズム

トロピズムとは、ウイルスが特定の細胞、組織、種に感染したり、ダメージを与えたりする能力のことである。トロピズムは、主にウイルス細胞付着タンパク質と細胞上に存在する受容体との相互作用によって影響を受けるが(したがって、ウイルスの侵入を決定する)、トロピズムという大きな特性は、複数のウイルスおよび宿主細胞因子によって決定される(Heise and Virgin. 2013)。トロピズムを変化させることで、既存のウイルスの宿主範囲を拡大したり、標的とする集団にウイルスを定着させる能力を高めたりすることができる可能性がある。

ウイルスのトロピズムを変化させる能力があることは、いくつかの研究で実証されている。鳥インフルエンザH7N9株は、2013年に中国で最初に発生して以来、孤立したヒトへの感染を引き起こしているが、持続的なヒトからヒトへの移行は記録されていない。最近の発表で、de Vriesら(2017)は、ウイルスのトロピズムを鳥類からヒトに切り替え、ヒト気管上皮細胞への結合をサポートするには、ヘマグルチニン遺伝子の配列におけるわずか3つの変異変化で十分であることを示した。しかし、研究者らは、これらの変異がフェレットモデルで実際の宿主域のシフトを行うのに十分だろうかどうかを検証するフォローアップ実験を行わなかった。鳥インフルエンザを用いた先行研究では、研究者は部位特異的変異誘発法を用いてヘマグルチニン遺伝子に変異を導入し、野生型H5N1ウイルスがヒトの受容体に結合できるようにした(Herfst et al., 2012)。このグループはさらに、わずか5個の変異がフェレット間のH5N1の空気感染性をもたらすことを示した(Linster et al., 2014)。

また、SARS(重症急性呼吸器症候群)やMERS(中東呼吸器症候群)といった呼吸器症候群の研究でも、合成生物学を用いてトロピズムを変化させている。2003年にヒトで発生したSARSの起源は、コウモリのSARS様ウイルスであることを示すかなりの証拠がある(Li et al., 2005)。しかし、コウモリのウイルスは、細胞培養では増殖しない。Beckerら(2008)は、コウモリのSARS-CoVがヒトに感染するウイルスに変化するまでの過程を明らかにするため、ヒトSARSコロナウイルス受容体結合ドメインをコウモリSARS-CoVウイルスの同等ドメインに置き換え、コウモリSARSウイルスを細胞培養およびマウスで複製できるようにした。同様に、MERS-CoVの小動物モデルを開発するために、研究者はキメラ受容体を発現するマウスとウイルスの両方を改良した(Cockrell et al., l16)。

ウイルスの複製を強化

ウイルスの複製を強化することは、ウイルスベースの生物兵器の影響や拡散を高めることにつながる可能性がある。エコーウイルス7を用いた実験で、Atkinsonら(2014)は、ウイルスゲノムの1.1~1.3キロベース領域の2つのCpGおよびUpA頻度を減少させると、感受性細胞でのウイルス複製が促進されることを実証した。逆に、CpGとUpAの頻度を増加させると、ウイルス複製が減少した。この結果が動物でも同じかどうかは不明である。細胞培養での複製能力の向上が必ずしも生体内での複製能力の向上と相関するわけではなく、むしろ逆の場合もある。

強化された病原性

病原性は、単なる感染ではなく、宿主に実際の病気を引き起こすウイルスの相対的な能力を測定する。病原性は、生体内の特定の環境において特定の役割を果たす複数の遺伝子や決定因子の複合的な効果を表している(Heise and Virgin, 2013)人工ウイルスによって病原性が強化された最も有名な例として、Jacksonら(2001)は、マウスの過剰繁殖を抑制するための避妊ワクチンの製造を目的として、Orthopoxvirus属に属しマウスの自然病原体であるエクトロメリアウイルス(マウスポックス)にマウスインターロイキン4(IL-4)を発現させるように人工的に作り変えた。マウスモデルでは、組換えウイルスが一次抗ウイルス細胞媒介免疫応答を抑制し、既存の免疫に打ち勝つことが示された。また、神経生物学的な操作や宿主のマイクロバイオームを変化させるなど、自然のウイルスとは異なるメカニズムで病気を引き起こすようにウイルスを操作しようとする行為も考えられる。

イミュニティを回避する能力

マウスポックス実験で示された病原性の増大の根底には、免疫反応を回避する組換えウイルスの能力があった(前述の「病原性の強化」で説明)。このことは、生物兵器を製造しようとする行為者が、免疫反応を予測し回避する、あるいはワクチンに基づく免疫を克服するように設計されたウイルスの開発という、もう一つの潜在的なルートを示している。自然免疫系がウイルス病原体を検出すると、主に1型インターフェロンが介在する抗ウイルスメカニズムが誘導される。この一次反応は、その後、より指向性が高く、抗原特異的で、より長く持続する適応免疫応答の活性化につながる(Iwasaki and Medzhitov, 2013)。多くのウイルスは、インターフェロン誘導型抗ウイルス活性を含む自然免疫応答を覆す対抗策を持っている(総説はChan and Gack, 2016を参照)。これらの抗ウイルス活性の1つ以上の拮抗薬を、その特定の拮抗薬をまだ持っていない病原体に発現させることが可能かもしれない。このようにして、ウイルスが自然免疫応答を回避するために使用する活性の武器庫が拡大され、病原性が強化される可能性がある。

カプシド遺伝子を遺伝的に置換して開発されたキメラウイルスの作成は、よく知られている(総説はGuenther et al., r14を参照)。これらのウイルスは主に、例えば、特定の組織を標的とするアデノウイルスベクターの改良や、ウイルス遺伝子治療ベクターの使用を制限する既存のウイルス免疫を回避するアプローチとして開発されてきた(Roberts et al., 2006)。後者のアプローチは、特定の組織を標的とした毒素遺伝子を発現するキメラウイルスベクターを開発し、ベクターウイルスに対する既存の免疫を持つ集団に使用するために使用されることが考えられる。しかし、ターゲティングの分子的な決定要因は十分に解明されておらず、このようなアプローチを成功させるには、一般にかなりの試行錯誤が必要である。

検知を回避する能力

一部の改変は、現在のアウトブレイク対応アプローチでは検出が困難なウイルスになる可能性がある。ウイルスを実験室で同定する最も一般的な方法は、リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応アッセイに基づくもので、特定のプライマーと蛍光標識プローブが、ウイルスDNAまたはcDNAの保存領域と固有領域に結合するように設計されている。非標的検出法としては、アレイベースアッセイや次世代シーケンサーがあるが、臨床や商業研究室ではまだ広く使われていない。また、細胞培養法は急速に使われなくなりつつある。プライマー結合部位を標的とする変異は、したがって、認識されないウイルスをもたらす可能性がある。

治療薬に抵抗する能力

有効な治療薬が存在するかどうかによって、その必要性が変わってくるが、治療薬に抵抗できるウイルスを開発することも可能である。HIV(ヒト免疫不全ウイルス)、ヘルペスウイルス、インフルエンザウイルス、HCV(C型肝炎ウイルス)などの抗ウイルス剤には成功例があるものの、大半のウイルスには特異的な抗ウイルス剤が存在しない。抗ウイルス剤が存在する場合でも、薬剤存在下でのウイルスの複製速度を完全に阻害できない限り、あるいは、異なるウイルスの標的に対して複数の薬剤を併用しない限り、これらの薬剤に対する耐性が生じることはほぼ避けられない(Coen and Richman, 2013)。例えば、ZMapp治療薬のような免疫阻害に基づく新しい抗ウイルス薬は、エボラウイルスに対して開発された3つのヒト化モノクローナル抗体の混合物で、ウイルスに実験的に感染した非ヒト霊長類において生存利益を示している(Pettitt et al., 2013)。ヒトを対象としたランダム化比較試験では、有益な効果を示すように見えたが、事前に規定された有効性の統計的閾値を満たさなかった(Davey et al., 2016)。

伝染性の向上

病原体の空気感染は、エアロゾル化および飛沫によって起こる。空中伝播性は、ウイルスが移動する可能性のある距離を決定し、この特性の決定要因は複雑で、複数の宿主およびウイルス要因に依存している(Herfst et al., 2017)。Altered Tropism(上記)で説明したH5N1実験のフォローアップとして、変異ウイルスをフェレットで順次継代して異種ウイルス混合物の自然選択を強制し、10回の継代後、ナイーブなレシピエントフェレットを隣接ケージ内の感染フェレットに直接接触させずに曝露した。4匹のレシピエントフェレットのうち3匹が感染し、ウイルスの空気感染性に関して選択が起こったことが実証された(Herfst et al., 2017)。別の研究では、今井ら(2012)は、H5N1ウイルス由来のヘマグルチニンと2009 H1N1ウイルス由来の7つの遺伝子セグメントを有する再集団ウイルスを構築した。フェレットで継代した結果、ヘマグルチニン遺伝子に4つの変異を持つ変異体が得られ、フェレットでの呼吸器飛沫感染に成功した。この研究により、高病原性H5N1インフルエンザに哺乳類感染表現型が付与される可能性があることが示された。

安定性の向上

宿主の外でのウイルスの安定性は、温度、紫外線、相対湿度、空気の動きなどの複数の環境要因や、病原体自体の構造によって影響を受ける。エンベロープウイルスは、一般的に非エンベロープウイルスよりも宿主の外での安定性が低い(Polozov et al., 2008;Herfst et al., 2017)。エンベロープの追加は複製サイクルの特定の機能と緊密に結合しているため、エンベロープウイルスをノンエンベロープウイルスに変換することは不可能だが、ウイルスの他の機能を変更して武器化および大量拡散のための安定性を高めることは可能かもしれない。

休眠状態」のウイルスの再活性化

化学的または生物学的な手段で、潜在的または持続的なウイルスを再活性化することができるかもしれない。このような攻撃は、個人や集団にすでに存在する内因性の病原体の組み合わせに基づいて行うことができる。例えば、HCVのように慢性的な感染症を引き起こし、人生の後半まで臨床症状が現れないウイルスがある。このようなウイルスの発病を促進する化学的または生物学的トリガーを開発することは可能である。また、病原性が低く、広く普及している現代のウイルスと、それ以前の、おそらくより致命的な内因性の変異体を組み換えることも可能かもしれない。

造血幹細胞移植患者における免疫力の低下は、時に生命を脅かす広範なウイルス再活性化をもたらすことが示されており(Cavallo et al., 2013)、このようなアプローチの潜在的影響を明確に示している。感染を完全に治すためにHIVを潜在的な貯蔵庫から追い出すことに焦点を当てた研究、いわゆる「ショック&キル」戦略(Shirakawa et al., 2013)は、この分野におけるデュアルユースの可能性をさらに高めることができる。

既存のウイルスをより危険なものにすることに関する懸念の評価については、ここにまとめ、以下に詳述する。

技術の使いやすさ 武器としてのユーザビリティ 行為者の条件 軽減の可能性
既存のウイルスをより危険なものにすることへの懸念レベル 中低 ミディアムハイ ミディアム ミディアム

技術の使いやすさ(中・低懸念度)

全体として、この能力に必要な技術の使いやすさには多くの障壁があり、この要素に対する懸念は中低と評価される。科学者はウイルスとその生物学について強い理解を持ち、ウイルスを操作する多くの方法を思いつくことができるが、合理的な設計を用いてウイルスの特性を意図的に変更することは、依然として大きな課題となっている。多くの場合、ウイルスの表現型は、宿主や環境因子だけでなく、多様な遺伝的ネットワークから生じる多くのウイルス機能が相互に関連し合った結果である。この複雑な状況の好例は、空気感染と人獣共通感染症の波及の促進要因についてそれぞれ論じたHerfstら(2017)Plowrightら(2017)のレビューに見られる。特定の表現型を単一の遺伝子に、あるいは変化した表現型を特定の変異に帰することができるのはまれである。さらに、向性、感染性、その他の特性の決定因子は、しばしばよく理解されておらず、予測もできない。これまでに達成された研究の進歩の多くは、重大な試行錯誤(例:遺伝子治療ベクターのトロピズムの変更[Nicklin and Baker, 2002])、不慮の発見(例:エクトロメリアウイルスにおけるIL-4の発現結果[Jackson et al, 2001])、あるいは指示進化(例:鳥インフルエンザウイルスの伝染性を変更する実験[Herfst, 2012;Imai et al, 2012])を伴っている。これらの改変がヒト集団におけるこれらのウイルスの挙動にどのような影響を与えるかは、遺伝子型が表現型にどのように変換されるかに関する知識が限られているため、評価することは困難だが、このような改変されたウイルスがヒトにうまく導入されれば、悲惨な結果をもたらす可能性がある。しかし、複雑なウイルス形質の決定因子や、それを作り出す経路の設計に関する知識など、遺伝子型と表現型を関連付ける能力を大幅に向上させるような進展がないかを監視することが重要である。

さらに、ウイルスゲノムの構成に制約があるため、ウイルスゲノムに変異を導入すると、ほぼ必ず弱毒化(すなわち、病原性の低い)ウイルスが得られるという障壁もある(Holmes, 2003;Lauring et al, 2012)。変異の導入は、麻疹や黄熱病、Sabinポリオウイルスワクチン株(Sabin, 1985)など、多くの有効な弱毒生ワクチンの製造における古典的な方法である。これらの例の変異は、細胞培養での継代によって非指示的に導入され、有害な感染を引き起こすウイルスの能力を低下させる表現型の変化をもたらした。しかし、この中程度の懸念という評価の例外は、抗ウイルス剤耐性の導入であろう。なぜなら、薬剤耐性の原因となる正確な点突然変異はしばしば知られており、一般に大きな減衰にはつながらないからだ。

ウイルスゲノムの改変の大部分は、標準的な組換えDNA技術の手法で行うことができ、高度な合成生物学の技術を必要としない。ただし、特定の塩基の頻度を変化させ、複数の位置で同義変異を起こすためには、複数の置換が必要である。これを実現するには、合成生物学技術が製造を支援する大きなDNAの断片と、突然変異を指示的に導入し、同時に多くの突然変異を適用できる合成生物学ツールがあれば、より簡単だ。例えば、研究者は現在、ゲノムの安定性が高い弱毒生ウイルスワクチンを作るために、合成生物学を用いて多くの同義変異(タンパク質のアミノ酸配列を変えないDNAまたはRNA配列の変化を含む)を導入している(Wimmer et al., r09;Martinez et al., z16)。

合理的設計に必要な精度と限界を考慮すると、別のアプローチとして、コンビナトリアルライブラリー、ハイスループットスクリーニング、または定向進化を使用して、多くの候補の改変をテストすることが考えられる。例えば、病原体上の免疫優位エピトープがわかっていれば、計算モデル、ハイスループットスクリーニング、あるいは定向進化を用いて、最も可能性の高い抗体やT細胞受容体を回避し、特定の免疫反応を回避するようにウイルスを調整することができる可能性がある。しかし、このアプローチでさえも、標的表現型の決定要因に関する利用可能な情報の量や、コンビナトリアルライブラリーの現在のサイズの限界によって、ある程度の制約を受ける可能性がある。無限のバリエーションをテストすることは不可能だが、利用可能な技術を用いれば、十分なリソースを持つ研究者がかなりの数のテストを行うことが可能である。

最後に、テストする変異体を開発することに加えて、細胞株で組換えゲノムを起動することが必要である。ウイルスによっては、この起動のステップが大きな障壁となることがあり、起動によって、テスト可能な変異体の数がさらに制限される。

武器としてのユーザビリティ(中・高懸念度)

ウイルスには兵器として使用するのに適した特性があり、ウイルスの改変によってその特性が強化される可能性があるため、この要素に対する懸念は中程度に高いウイルスの表現型を変化させるために必要な操作の種類を予測することが困難であるのと同様に、改変されたウイルスがヒトの宿主に導入されたときにどのように振る舞うかも予測することが困難である。さらに、ウイルスを減衰させる改変の傾向は、「自然な」緩和因子として機能し、この方法で製造された生物兵器の有効性を低下させるかもしれない。改変されたウイルスをテストすることも、(行為者がヒトでのテストに積極的でない限り)障壁となる可能性がある。例えば、動物モデルは、あるウイルスがヒトでどのような挙動を示すかを常に予測できるわけではない。鳥インフルエンザウイルスがフェレットで感染したからといって、そのウイルスが空気感染経路でヒトからヒトへも感染することが確実であるとは言えないと議論されている(Racaniello, 2012;Lipsitch, 2014;Wain-Hobson, 2014)が、上述のように、もし人工ウイルスがこの特性を獲得すれば、武器使用の力学は変化する。

ウイルスをより危険なものにする目的で改造した場合、改造ウイルスを用いた攻撃の犠牲者の範囲は、天然ウイルスを用いた攻撃より大きくなる可能性がある。ウイルスの製造や運搬を容易にする目的で改造された場合、大量拡散時の環境安定性など、兵器化に対する古典的な障壁を回避することができる。そうでない場合は、既知の病原性ウイルスを再現した場合と同じように、改造ウイルスにも兵器化の機会と課題が多く存在することになる。

行為者の要件(中位懸念)

ウイルスを改変するには、優れた分子生物学的技術と高度な知識が必要である。したがって、ウイルスの表現型をうまく操作するためには、製品を理解し、検証することが専門的な障壁となる。しかし、一般的には、必要なリソースと組織的フットプリントは中程度であり、既知の病原性ウイルスを再作成する場合に必要なものと同様である。したがって、この要因に関する懸念は中程度である。

緩和の可能性(懸念度:中)

公衆衛生システムや抗ウイルス剤など、既存の緩和手段は、改変ウイルスに対して有効である可能性がある。しかし、一般的に、改変ウイルスに対しては、それらが設計されている自然発生ウイルスよりも効果が低いと予想されるため、この要因に対する懸念は中程度となる。特に、抗ウイルス抵抗性を付与したり、免疫系に認識される能力を変化させたりするような改変を施したウイルスに対しては、利用可能な医療対策が適さない可能性がある。配列決定による診断アプローチは、ほとんどの場合、実験室由来の改変ウイルスであることを特定するのに有効である(抗ウイルス抵抗性は例外)が、その能力によって帰属を効果的に促進できるかどうかは不明である。この能力に対する懸念は、緩和の可能性という点では中程度だが、インフルエンザのようにパンデミックの可能性があるウイルスでは、懸念レベルが高くなり、このようなウイルスでは、拡散を制限したり影響を軽減するための対策に大きな課題が生じる可能性がある。

既存の細菌をより危険なものにする

ウイルスの場合と同様に、既存の非病原性細菌を病原体にしたり、既存の細菌性病原体をより危険なものにしようとする行為者は、検討すべき多くの潜在的経路を持つことになる。この種の活動に対してどの程度の懸念が必要かを分析するために、バイオテクノロジーを利用して潜在的に試みられる可能性のある既存の病原性または非病原性細菌の改変の数々を検討した。Box4 –2は、このような活動が、ウイルスと比較してバクテリアの文脈でどのように異なるかを示している。

BOX4-2バクテリアの特徴

以下は、バイオテクノロジーによる形質転換の対象となり得る形質の範囲と種類を示すために示した、細菌の形質の選択例だ。このボックスでは、細菌の形質を改変することが、Box4 –1で説明したウイルスの類似の形質を改変することとどのように異なる可能性があるかに焦点を当てている。

オルタードトロピズム

細胞内病原体であるウイルスとは異なり、細菌性病原体には細胞内と細胞外がある。一般に、細胞外病原体は、比較的環境的に安定しており、環境への適応に優れている。芽胞を形成しないものでも、体内の複数の組織や細胞種、異なる場所で複製して損傷を与える能力を持つことが多い。環境的に安定していることから、根絶は難しく、感染に宿主同士の接触を必要としない場合もある。細胞内細菌は、ウイルスと同様に宿主細胞の栄養に依存し、しばしば宿主の免疫系を回避することができる(Finlay and McFadden, 2006)。細胞内病原体は通常、直接接触やエアロゾル感染によって伝染する。細胞内病原体も細胞外病原体も、アドヘリンやコロニー形成因子に依存しており、これらは宿主標的細胞との接触を容易にし、白血球の攻撃に対する耐性を付与し、重要な病原性因子となる(Ribet and Cossart, 2015)

強化された病原性

細菌の病原性には多くの因子が影響し、潜在的に改変の対象となり得る。細菌病原性の主なメカニズムには、細胞溶解(細胞内病原体の増殖または細菌毒素の作用のいずれかによる)またはアポトーシス(プログラム細胞死)の誘導による宿主標的細胞死(Böhme and Rudel, 2009)、宿主生理の機械的障害(例、宿主生理の機械的障害(例えば、侵入細菌の大きさや数、粘液産生の結果による循環路や呼吸路の閉塞)、細菌感染に対する宿主免疫応答の結果としての宿主細胞損傷、および細菌毒素の作用などである。細胞死の影響は、関与する宿主細胞に依存し、導入された細菌負荷、感染経路、宿主免疫反応によって誘発される合併症状、および感染プロセスの迅速性に影響される。コロニー形成の可能性は、一部の病原性細菌(例:赤痢菌)が感染した宿主細胞において早期のアポトーシスや予定外のアポトーシスを誘発する能力によって左右される(Gao and Kwaik, 2000)。このプロセスの初期段階では、酵素によって宿主細胞DNAに損傷が生じ、その後細胞の完全性が大きく乱されて細胞死を引き起こす。もう一つの重要な病原性因子は、一部の細菌(例:Bacillus anthracis)が多糖類とアミノ酸からなるカプセルを形成する能力である(Cress et al., 2014)。カプセルは、細菌が好中球やマクロファージによって貪食されるのを防ぐ。その他の病原性因子としては、通常染色体上にコードされているがプラスミドを介することもある侵襲因子や、細菌が宿主細胞と鉄の獲得について競合することを可能にする鉄結合因子であるシデロフォアがある(Queenee et al., 2012)

毒素産生の強化

多くの細菌性病原体は、毒素の産生によって宿主細胞や組織にダメージを与える。これらの毒素は、外毒素と内毒素の2つの形態がある。外毒素は、比較的不安定で抗原性の高いタンパク質で、宿主の体液中に分泌される。一部の外毒素は、合成後に細菌の細胞壁に結合し、侵入した細菌の溶解時に放出される(Sastalla et al., 2016)。しばしば強い毒性を持つ外毒素は、グラム陽性菌とグラム陰性菌の両方によって産生される。外毒素の中には、特定の細胞種にのみ作用するものもあれば、幅広い範囲の細胞や組織に作用するものもある。細菌病原体の中には、単一の毒素しか作らないもの(例:コレラ、ジフテリア、破傷風、ボツリヌス)もあれば、2つ以上の異なる毒素を合成するもの(例:ブドウ球菌レンサ球菌)もある。外毒素に対する抗毒素抗体は、通常、宿主によって速やかに作られる。外毒素の遺伝子決定因子は、しばしば染色体外要素、通常はプラスミドやバクテリオファージ上に見出される。

一方、内毒素は、比較的安定な、いくつかのグラム陰性菌の外膜のリポ多糖成分で、特定の状況下で毒素として作用することがある(Zivot and Hoffman, 1995)。リピッドAは、それを発現している無傷の細菌の中で作用することができる毒性成分であると思われる。エンドトキシンは一般に免疫原性が弱く、宿主に発熱を誘発する。また、血管拡張を伴う血管伝染性の亢進により低血圧を引き起こし、その結果、ショック状態に陥ることもある。内毒素の遺伝的決定因子は染色体である。

行為者は、細菌を改変して天然の毒素生産を増強したり、天然に毒素を生産しない細菌に毒素生産を導入したりすることを目指す可能性がある。このようなアプローチについては、第5章でさらに説明する。

イミュニティを回避する能力

ウイルスと同様に、免疫反応を先取りしたり、回避したりするように細菌を操作することは可能である。

検知を回避する能力

ウイルスと同様に、細菌を実験室で同定する最も一般的な方法は、リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応(PCR)アッセイに基づいており、特定のプライマーと蛍光標識プローブが細菌の染色体または染色体外DNAの保存領域と固有領域に結合するように設計されている。また、臨床微生物学研究所で広く用いられている方法として、MALDI-ToF(マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間法)がある。これは、大きな分子をイオン化し、参照標準と比較して質量分析により同定する方法である。アレイベースアッセイや次世代シーケンサーなどの非標的検出法もあるが、臨床や商業研究室ではまだ広く使われていない。培養法は急速に使用されなくなりつつある(Carleton and Gerner-Smidt, 2016)

治療薬に抵抗する能力

抗ウイルス剤の数が比較的少ないのとは対照的に、多種多様な細菌性病原体に作用することができる抗菌剤は数多く存在する。しかし、細菌は抗生物質に対して本質的に耐性を持つ場合と、染色体変異や水平遺伝子移動によって耐性を獲得する場合がある。抗生物質耐性のメカニズムは主に3つある(Blair et al., 2015)。まず、細菌は、細胞壁や膜複合体を介した抗生物質の伝染性の低下、または抗生物質の生物体外への還流や標的からの流出の増加により、抗生物質がその標的にアクセスするのを阻止することができる。第二に、抗生物質の標的が遺伝子変異によって変化し、標的が修飾されたり保護されたりすることがある。最後に、抗生物質耐性は、抗生物質の加水分解による不活性化、あるいは化学的修飾による不活性化によって、抗生物質そのものを直接修飾することによって獲得することができる。これらのメカニズムはよく研究されており、抗生物質耐性の病原性細菌を意図的に作り出すために適応できる可能性がある。

伝染性の向上

ウイルスと同様に、細菌の空気感染特性は複雑で、複数の宿主および病原体因子、特に環境安定性と組織トロピズムに依存している。細胞外細菌病原体は、環境上の課題に対して極めて順応性が高く、感染に宿主と宿主の接触を必要としない場合もあり、これらの病原体を根絶することは困難である。さらに、細胞外で複製する多くの細菌性病原体は、さまざまな細胞や組織タイプにダメージを与えることができる。一方、細胞内細菌病原体の多くは感染性(すなわち、宿主から宿主への感染が可能)であるため、コミュニティ内で急速に拡散しやすく、したがって公衆衛生を脅かす能力が高い。

安定性の向上

細菌の環境安定性は、その生理機能やライフサイクルに依存する。一般に、グラム陽性菌は細胞壁の組成や構造から、グラム陰性菌に比べて環境安定性が高いとされている。また、グラム陽性菌の中には、乾燥などの過酷な環境下に置かれた場合、代謝的に休眠状態であるにもかかわらず、数十年にわたって環境中で生存し続けることができる芽胞を形成するものがある。例えば、Bacillus anthracisの芽胞は、100年もの間、環境中で生存可能であり(Friedmann, 1994;Repin et al., 2007;Revich and Podolnaya, 2011)、この病原体の感染形態となる(植物形態には感染性がない)。エアロゾル拡散時の生存率を高め、病原体が長期間生存し、標的宿主に感染できるようにするために、細菌の細胞壁をよりグラム陽性菌に近い形にすることが、行為者にとって有利であると考えられる。

バクテリアの特徴。

既存の細菌をより危険なものにすることに関連する懸念の評価をここにまとめ、以下に詳しく説明する。

技術の使いやすさ 武器としてのユーザビリティ 行為者の条件 軽減の可能性
既存の細菌をより危険なものにすることへの懸念度 ハイ ミディアム ミディアム ミディアム

技術の使いやすさ (高い関心)

一般に、既存の細菌をより危険なものにするための技術的要件は比較的低いため、この要因に対する懸念は比較的高い。細菌をゼロから設計・製造することは技術的に難しいが、既存の細菌を改変することは分子や遺伝子のアプローチで比較的容易である。特に、抗生物質耐性や毒素生成のための既知の遺伝子など、解明された遺伝子や経路によって望ましい形質が付与される場合は、こうした能力によって、設計-構築-試験のサイクルの設計段階が比較的容易になる。構築ステップに関しては、既存の遺伝子を挿入、削除、または変更するための確立された技術がある(Selle and Barrangou, 2015;Wang et al., 2016; H.Zhang et al., 2017)。このような改変を行うには、合成生物学的アプローチが必ずしも必要ではないが、そのような技術によってプロセスを強化することができる。細菌種によっては、遺伝的に操作するのが容易なものもある。一般に、このステップは、遺伝的変化の規模が小さいか数が少ない場合は容易であり、規模が大きいか数が多い場合は困難である。さらに、病原体に近い非病原性の親戚がいる場合、研究者は病原体のゲノムの関連部分を親戚のゲノムにスプライスすることができる。

一般に、細菌を操作するのはウイルスよりも容易である。ウイルスの場合、ゲノムを小さくするために、ゲノムのパッケージングに適性圧力と制約があるため、時間の経過とともに改変が減衰する傾向がある。細菌のゲノムは遺伝的に安定しているため、修飾は細菌ゲノムに残りやすい。ウイルスでは、ある表現型が強化されると、別の表現型が減少することがよくある。これは、ウイルスでは克服が困難な要因だが、細菌を改変する場合にはそれほど障害にはならない。

複雑な細菌の形質転換を行うには、形質決定因子とそれを生成する経路の設計方法について、より深い知識が必要である。より困難なのは、トロピズムの改変である。これは、特定の細菌の生理学の基礎となる多数の細菌遺伝子の複雑な相互作用を伴う(Pan et al., 2014)。細菌におけるトロピズムは、ウイルスにおけるトロピズムに比べ、合成生物学的アプローチで変更できる可能性は低いが、追求できるルートはある。細胞内および細胞外の細菌病原体はいずれも、宿主の標的細胞との接触を促進するためにアドヘリンとコロニー形成因子に依存している(Ribet and Cossart, 2015)。合成生物学技術とビッグデータ解析能力を用いて、これらの細菌タンパク質の新規アドヘリンまたはコロニー形成因子類似体を工学的に発現させ、エピソーム上にコードするか染色体に組み込むかのいずれかで導入することが可能な場合がある。宿主と病原体の相互作用が複雑であることから、ヒトにおける細菌性病原体の伝播性や伝達性を付与したり変更したりすることも困難であるだろう。同様に、細菌性病原体を操作して、効率的な空気感染を獲得することも困難であろう。特に、病原体の成功は、その生理学とライフサイクルに内在する環境の安定性に依存する。グラム陰性菌をグラム陽性菌に、非胞子形成菌を胞子形成菌に変えるなど、細菌性病原体の環境安定性を根本的に変えることは、まだ技術的に可能ではない。この分野では、標準的な分子生物学的アプローチよりも、合成生物学的アプローチの方が成功する可能性が高いと言える。

一方、内毒素と外毒素の両方を含む細菌毒素は、明らかに重要な病原性因子であり、データ解析に基づいて容易に変更または設計できる可能性が高い。内毒素は染色体上に発現し、当該細菌の生理機能に内在するものであることから、行為者は合成生物学と標準的な分子生物学のアプローチを組み合わせて、既存の内毒素を改変したり、新しい内毒素を作ったりする必要があると思われる。さらに、標準的な分子生物学的技術によって抗菌薬に対する耐性を付与することは比較的簡単であり(何年も前に行われた事実が示すように[Steinmetz and Richter, 1994])、合成生物学のアプローチによって、薬剤耐性表現型を作り出すための標的変異がさらに可能になるだろう。

武器としてのユーザビリティ(懸念度:中)

細菌病原体をより危険なものにする兵器化の可能性は、全体として、中程度の懸念である。歴史的に、スケールアップと環境の安定性が、細菌の兵器化に対する重要な障壁となっている。合成生物学がこの方程式を劇的に変化させることはない。抗生物質耐性や毒素生産などの一部の形質については高度に理解されているものの、上記の「技術の有用性」で述べたように、生物兵器としての細菌の生産と運搬に関連する形質については、知識がまだ限られている。

行為者の要件(中位懸念)

細菌の形質に影響を与える遺伝子改変を設計するのに必要な専門知識は、改変の性質(例えば、細菌の生態を新たに変えるようなものはより困難)や、関与する遺伝子に関する利用可能な情報の量によって大きく異なる(例えば、毒素生産や抗生物質耐性に関わるものはかなり解明されているので、専門知識があまりなくてもアクセスできるだろう)。このように、より多くの形質に関連する情報が公開されれば、それらの形質に対する改変を設計するために必要な専門知識のレベルは低下する。現在の知見に基づくと、この要因による懸念は中程度である。

実際の改変を行うには、古典的な分子生物学の専門知識とバクテリアによる遺伝的アプローチの経験が必要だが、高度な合成生物学技術の訓練は必ずしも必要ではない。

緩和の可能性(懸念度:中)

この要因に対する現在の懸念レベルは「中」である。既知の病原体の再作成の文脈で述べたように、選択薬リストと自主的なスクリーニング・ガイドラインは、改変細菌病原体の開発を抑止または防止するのに十分ではないと思われる。結果管理の観点から、ユニークな特徴を持つ自然発生の新生物への対応と、意図的に配備された生物兵器である改変細菌病原体への対応との根本的な違いは、計算高い敵対者である。米国疾病管理予防センターの全国症候群サーベイランスプログラム(NSSP)のような公衆衛生システムの構成要素は、確かに自然に発生する新しい細菌の脅威を検出し封じ込めるのに適しているかもしれないが、抗生物質に耐性を持つ人工生物は、公衆衛生システムがそうした病原体を封じ込め対応する能力を困難にする。このように、ワクチンや抗生物質に対する耐性など、病原体を回避するために特別に設計された細菌性病原体を前にすると、結果管理能力はあまり効果的ではないだろう。

新たな病原体

合成生物学の分野では、有益な用途を持つ新しい生物の設計と創造が大きな目標となっている。生物兵器の文脈では、この願望が全く新しい病原体を作り出すことに向けられる可能性があることを考慮した。既存の病原体を改良するという議論とは対照的に、「新規」という用語は、複数の生物から得た遺伝的パーツの新規な組み合わせで、その製品が主に1つのソースから得たものであると認識されないという意味で使われている。これには、自然界に近縁の生物が存在せず、計算機で設計された遺伝子パーツも含まれる。このカテゴリーに属する潜在的な生物兵器の範囲は極めて広いが、将来のある時点で可能性がある、より困難な応用を説明するのに役立つ。

新しい病原体の一例として、多くの異なる天然ウイルスの一部から作られたウイルスがある。例えば、あるウイルスの複製特性、別のウイルスの安定性、第3のウイルスの宿主組織向性などを組み合わせるために、このミックスアンドマッチアプローチが使われるかもしれない。この目標には、さまざまな実験的アプローチが適用できるだろう。個々の組み合わせが成功する確率は低いものの、非常に多くの組み合わせをサンプリングすれば、成功する確率は高くなる。より明確な設計手法としては、特定の設計の特性をモデル化して予測するソフトウェアを開発し、設計-構築-テストのサイクルを何度も繰り返して構築、テスト、改良することが考えられる。しかし、「既存のウイルスをより危険なものにする」で述べたように、既存のウイルスに簡単な変更を加えるだけでも、ウイルスの主要な性質に劇的な欠陥が生じる可能性があり、このような取り組みは特に困難である。しかし、バクテリオファージゲノムの構造をモジュール化する研究(Chan et al., 2005)は、ウイルスの配列を根本的に新しく組み合わせることが可能であることを示唆している。

新しい病原体の別の例としては、合成された「遺伝子回路」付録Aに記載)に基づく病原体が挙げられる。合成生物学では、遺伝物質を用いて特定の機能を任意にプログラムすることが重要視されている。このような努力は、DNAにコード化されたプログラムの工学に代表され、個々のスイッチング機能から論理ゲートを構成するなど、情報理論やコンピュータ科学に由来する概念に大きく依存している。重要なのは、これらの機能をコード化する遺伝子材料は、生命の木のどの枝からも、あるいは自然界で観察されたことのない全く新しいDNA配列からも、原理的にはどこからでも得られるということである。遺伝回路の設計は、部品の抽象化と標準化により、時代とともに大きく複雑化している(初期の例としてToman et al., 1985を参照)。図4-3は、このような高度な設計を可能にするために開発されたソフトウェアの最近の例だが、病原体という文脈では特にない。

図4-3 回路仕様と設計を回路機能の予測モデルに結びつけるソフトウェア環境によって促進される遺伝的回路工学の図解

注:遺伝的回路は合成生物学の分野でよく使われるもので、これを利用することで(さらに…)

培養中のヒト細胞株で機能するように設計された遺伝子回路は数多く存在するが、人体で遺伝子回路を使用するアプリケーションはまだ発展途上である(Lim and June, 2017)。そのため、このような技術を使用して人体に害を及ぼす可能性は、幅広い憶測の対象になっている。新規回路は、健康な細胞をがん化させたり、自己免疫反応を誘発させたりするために使用することが(理論的には)可能である。このような回路は、転写や翻訳のレベルなど、宿主の遺伝子をオンまたはオフにする工学的な因子を用いて、宿主のDNAに作用するように設計されるかもしれない。天然または人工のマイクロRNA分子の使用や、CRISPR/dCas9タイプのプログラム可能な遺伝子抑制または活性化の使用など、このような汎用スイッチングのためのさまざまなメカニズムが実証されている(Luo et al., 2015)。重要なのは、これらは、どの宿主DNA配列を標的とできるかという点で、高度なプログラム可能性を示したメカニズムの例だ。同様に、遺伝子エフェクターの潜在的なプログラム可能性は、細胞の状態や種類(Weiss et al., 2003)、あるいは特定の遺伝子アイデンティティに基づいて感知し計算する遺伝子回路にもつながるかもしれない。場合によっては、遺伝子回路は、遺伝子治療で使用されるようなウイルス由来(第7章「遺伝子治療」参照)、あるいは非生物学的材料に基づく非複製送達機構を用いて、少数の宿主細胞に送達することができる。

難易度(および実現可能性)の極限にあるのは、この地球上の既知の生命体とは特に異質な生命体を工学的に作り出すことである。「例えば、デオキシリボヌクレオチドとリボヌクレオチドの異なる組み合わせで遺伝情報をコード化する細菌などである(Y.Zhang et al., 2017)このような取り組みの長期的な妥当性については、さまざまな専門家の意見がある。

新しい病原体を作り出すことに関連する懸念の評価は、ここで要約され、以下で詳細に説明される。

技術の使いやすさ 武器としてのユーザビリティ 行為者の条件 軽減の可能性
新たな病原体を生み出すことへの懸念度 低い ミディアムハイ 低い ミディアムハイ

技術の使いやすさ(低懸念度)

新しい病原体の創出は、ウイルスや細菌の生存に必要な最小限の要件に関する知識や、前述のウイルス組織に関する制約など、複数の大きな知識と技術の壁に直面しているため、この要因に対する懸念は現時点では非常に低いと言える。しかし、これは継続的な注意が必要な領域の明確な例だ。将来、技術的な障壁を克服することができれば、懸念のレベルは大幅に上昇するだろう。例えば、最近設計されたヌクレオカプシド(ウイルスを連想させる、自身の遺伝物質をパッケージングできるタンパク質構造[Butterfield et al., 2017])のエンジニアリングは、病原体由来のDNAに依存することなく、いくつかの病原体に似た機能を模倣できる可能性を示している。とはいえ、このような研究は、真に新しいウイルス性病原体の生産に必要な広範なエンジニアリングには程遠いものである。遺伝物質のパッケージ化はウイルスにとって不可欠な機能の一つだが、効率的な宿主や組織のターゲティング、細胞への侵入、ゲノムの複製、ウイルス粒子の成熟、出芽、放出などを工学的に行うにはさらなる障壁が存在する。これらの機能をすべて最適化し、効果的に協働させることは、さらなる困難が伴う。宿主に特定の症状を引き起こす真新しいウイルスを確実に工学的に作り出すことは、さらに困難であると思われる。

武器としてのユーザビリティ(中・高懸念度)

武器としての使い勝手に関連する懸念度は、主に2つの要因から、中程度に高い。第一に、これまでにない特徴を持つ病原体を作り出すことができるかもしれない。このような特徴には、例えば、遺伝的論理を用いて特定の組織や細胞型を標的とする能力や、異常な神経学的効果をもたらす能力などが含まれる可能性がある。同様に、このような病原体は、新しいタイミングメカニズムを採用し、曝露された時点と症状の発現との間に遅延を生じさせる可能性がある。第二に、理論的には、ゼロから設計された病原体は、ヒトが以前に同様の病原体にさらされたことがなく、したがって免疫学的にナイーブである可能性があるため、害を引き起こす能力がより高いかもしれない。

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