合成生物学時代のバイオディフェンス | ヒト宿主を変化させる生物兵器に関する懸念の評価
Biodefense in the Age of Synthetic Biology.

バイオディフェンスについては、通常、病原体（第4章）または生化学物質（第5章）の観点から考えるが、技術の進歩により、人体そのものに密接に関連する新たな能力や攻撃手段が可能になりつつある。本研究では、マイクロバイオームや免疫系に関する知識の向上が、薬剤を送達する新たな手段を可能にすること、遺伝子組み換えなど、病原体や毒素ベースの生物兵器にはない手段でヒト宿主に侵入する可能性、遺伝子自体が兵器として使用される可能性があることを検討した。これらの潜在的な活動の一部は、前の章で議論した活動と重複しているが、知識とバイオテクノロジーのツールの進歩が、悪意ある行為者が悪用できる脆弱性と武器の状況をさらにどのように変えるかを評価するために、宿主中心の角度からそれらを検討することは価値がある。

ヒトマイクロバイオームの改変

ヒトの健康は、ヒトの体内および体外に生息する微生物、特に腸、口腔、鼻咽腔、皮膚に関連する微生物に大きく依存している。これらの微生物の集団は、宿主である人間よりもはるかに操作しやすいと考えられ、マイクロバイオームを攻撃のベクトルとして利用できる可能性がある。ヒトのマイクロバイオームは、学術的にも商業的にも多くの研究の焦点となっており、マイクロバイオーム操作は、第5章でも述べたように、急速に発展しつつある分野である。マイクロバイオームを操作して害を及ぼす可能性のあるいくつかの方法を検討し、これらの可能性を総合的に分析し、正当化される懸念のレベルを決定した。

マイクロバイオームを介した有害な荷物の配送。

第5章で述べたように、有害な化学物質や生化学物質（毒素を含む）を生産するための微生物工学は中～高レベルの懸念をもたらし、マイクロバイオームを介して化学物質や生化学物質をその場で作る可能性は高いレベルの懸念を保証する。マイクロバイオームは、他の種類の有害な荷物のベクターとしても使用される可能性がある。例えば、機能的な低分子RNA（例えば、マイクロRNA[miRNA]）を産生するように微生物を改変し、腸や皮膚のマイクロバイオーム1を通じて宿主に転送して様々な健康影響を引き起こす可能性がある2。また、例えば、宿主自身の確立された微生物に有害な生化学物質を生産させるために、本来のマイクロバイオームに遺伝子カーゴを水平に転送できるように微生物を操作することも可能性としてある。このようなシナリオでは、有害な薬剤は確立されたマイクロバイオームの生物によって製造されるため、操作された微生物は、そのカーゴを十分な数の在来微生物に伝達するのに十分な時間だけマイクロバイオーム内に侵入して持続する必要がある。したがって、このアプローチでは、占有されたニッチに人工微生物を定着させることに関連する課題を回避することができる。毒素の産生をもたらす自然の水平移動事象の例は数多く知られている（Kaper et al., 2004;Strauch et al., 2008;Khalil et al., 2016)。このような遺伝子カーゴを搭載したベクターやファージ（細菌を標的とするウイルス[Krishnamurthy et al.，2016]）の拡散を促進することによって、集団に害を与えることができるかもしれない。合成生物学の手法は、例えば、プラスミドの保持を確実にするのに役立つ毒素：抗毒素カップルのエンジニアリングを通じて、このような能力を向上させることができる。また、ヒトの細胞に直接遺伝子を水平移動させる微生物が、いつの日か工学的に開発されることもあり得る。

攻撃の影響力を高めるためのマイクロバイオームの利用

マイクロバイオームは、より効果的な生物兵器を設計したり、攻撃の影響を増大させるために利用される可能性もある。例えば、ヒトと動物の間で頻繁に行われる細菌の交換を利用して、病原体やその運搬機構を変更し、集団内または集団間でより効率的に伝播できるようにするために、ヒトのマイクロバイオームの知識を利用することができる。特に、家畜は、マイクロバイオームを介して伝達される人工薬剤のキャリアとして使用することができる。例えば、不純物の混入した飼料や、動物保護施設やペットショップでの集団の意図的な汚染によって、人工の犬や猫のマイクロバイオームが確立され、その後、ヒトに感染する可能性がある。寄生虫トキソプラズマ・ゴンディの猫からヒトへの移行や、カンピロバクターの犬からヒトへの移行など、動物とヒトの接触による自然な移行は、このアプローチの実現可能性を示している（Jochem, 2017)。同様に、病原体形成におけるマイクロバイオームの役割に関する研究は、微生物の仲間によりよく支持される改良型病原体を生成する方法として、ロードマップを提供することができる。病原体の広範なトランスポゾンまたはCRISPRベースの欠失ライブラリを含む研究（Barquist et al., 2013)は、両用できるかもしれない病原体形成に関する多くの洞察を提供しており、このようなライブラリは、病原体をよりよく確立するためにどの遺伝子が内因性細菌叢と生産的にまたは特異的に相互作用するかを特定するのに役立つと考えられる。

毒素や病原体の拡散にマイクロバイオームを利用することに加え、マイクロバイオームを操作することは、他の生物学的脅威に対しても有効な補助手段となることが証明されるかもしれない。例えば、最近の研究では、真核生物ウイルスが細菌を利用して感染確率を高めることが示されている（Kuss et al., 2011)。また、ある集団に初期病原体を導入して、広域抗生物質による治療を広めるきっかけを作り、治療後の集団の「白紙状態」を利用して、（現在は破壊されている）マイクロバイオームを通じて人工生物を導入または拡大することも考えられる。このような2段階のアプローチを取る行為者は、最初の攻撃に抗生物質や抗ウイルス剤の耐性要素を組み込むことも可能である。

人工的なディスバイオーシス

ヒトのマイクロバイオームに対する理解が深まるにつれ、人工的なディスバイオシス、つまり、通常健康なマイクロバイオームに意図的に障害を与える機会が生まれるかもしれない。これは、既知のディスバイオシスを引き起こすか、あるいは新たなディスバイオシスを作り出すかのどちらかであり、いずれの場合も、病原性のない微生物を導入して、人間の健康やパフォーマンスを低下させることになる可能性がある。マイクロバイオームはヒトの免疫において重要な役割を果たすと考えられるため（Kau et al.）腸、口腔、鼻腔、皮膚のマイクロバイオームは、このようなアプローチのターゲットとなり得る。厳しい気候の中で活動を続けることによる軍の即応性の低下は、現在進行中の問題である。この状況は、皮膚マイクロバイオームを標的とした追加や変更によって、擦過傷、発疹、日焼け、かゆみの増加につながり、より悪化する可能性がある。これらは一見些細な問題だが、時間が経てば、即応性に影響を与えるほど軍事能力を低下させる可能性がある。

ヒトマイクロバイオームの改変に関連する懸念事項の評価をここにまとめ、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	アクターの条件	軽減の可能性
ヒトマイクロバイオームの改変に対する懸念レベル	中低	ミディアム	ミディアム	ミディアムハイ

技術の使いやすさ（中・低懸念度）

上記のような目的のためにマイクロバイオームを工学的に改変することは短期的には困難であるため、この要素に関する懸念は中低レベルとなる。マイクロバイオームに関する現在の理解度を考慮すると、望ましい表現型の変化をもたらすために必要な遺伝子組換えは、まだ確実ではない。所望の表現型の結果を得るには、特定の細菌種や菌株の導入、および／またはこれらの種や菌株の特定の遺伝子組み換えが必要かもしれない。ほとんどの場合、マイクロバイオーム工学は、複数の共生マイクロバイオーム種を含む複数の遺伝子導入または編集を行う必要があるため、さらに複雑になる可能性がある。また、この分野での活動は、微生物コミュニティのゲノムの多様性と可塑性に関する限られた理解によって妨げられることもある。今日のゲノムデータベースは、コンセンサス配列に基づいて構築されており、1つのサンプルから得られるゲノムのバリエーションを適切に保存したり、関連付けたりすることはできない。米国食品医薬品局が大腸菌の発生を追跡するために全ゲノム配列を初めて適用した際に観察されたゲノムの可塑性に驚くほど大きな違いが、このアプローチの不十分さを強調し（Eppinger et al., 2011)、マイクロバイオーム工学に固有の難しさも示唆している。

特定の微生物組成を促進するために環境を合理的に操作する方法を理解する上でも、同様の障壁がある。例えば、人間の食生活は世界的に大きく異なるため、様々な微生物環境が存在し、それを一律に操作することは困難である。仮に病原性微生物の挿入が可能であったとしても、培養中の代謝は宿主の代謝とは大きく異なるため、特定の表現型を達成するために所定の代謝経路を変更した場合、代替経路や副経路がヒト宿主のコンテキストで独自にオンになる可能性があり、所望のマイクロバイオームの表現型工学的成果を弱めたり妨げたりする恐れがある。しかし、マイクロバイオームは非常に活発な研究分野であり、特に環境の擾乱が種の表現に与える影響の理解（Candela et al., a12;Ghaisas et al., s16）や細菌を標的とするファージの開発に関しては、急速に能力が向上している。ヒト常在菌がヒトの健康に与える影響に対する多大な関心が研究と投資を促進し続け、限られたマイクロバイオームの理解という現在のボトルネックに影響を与えることになるため、新たな展開を監視することは重要であるだろう。

武器としてのユーザビリティ（懸念度：中）

腸、口、鼻、または皮膚のマイクロバイオームは、汚染された食品や水から空気中のスプレーに至るまで、様々な経路で摂取、経皮、またはその他の暴露経路を通じて侵入される可能性がある。さらに、多くの戦闘員が日常的に使用しているプロバイオティクスやハーブサプリメントなどの製品（Hughes et al., 10;Daigle et al., 15）が悪用される可能性もある。また、特定のマイクロバイオーム・プロファイルを持つ集団を標的とする生物兵器を設計することも可能かもしれない。人間のマイクロバイオームについてますます収集されるようになっているデータの解析、保存、分析を改善し始めた敵は、マイクロバイオームの脅威を確率的に標的とするためにも有利な立場になるだろう（第7章「標的設定」も参照）。しかし、マイクロバイオームを操作した結果の予測可能性は低く、従来の病原体とは異なり、ヒトからヒトへの感染による拡散の機会も少なくなる。バランス的には、予測可能性の欠如によって緩和された細菌導入経路の利用可能性は、この要因に対する全体的な懸念レベルを中程度とする。

アクターの要件（中位懸念）

プロバイオティクス産業は確立され、高度に分散している。プロバイオティクスは、比較的低いレベルの科学的専門知識を持つ世界中の人々によって、基本的な設備を使った小規模な施設で設計・製造されている。マイクロバイオーム工学の手法が確立されれば、その後の生物兵器の製造も比較的小規模な組織で実現できる可能性が高い。しかし、必要なエンジニアリングを行うには、高いレベルの専門知識が必要になる可能性が高い。技術的な課題を克服するために必要な専門知識と、組織的なフットプリントの小ささとのバランスから、この要因に対する懸念は中程度であると考えられる。

緩和の可能性（中・高懸念事項）

マイクロバイオームが関与する攻撃を認識し、効果的に対応する能力は、使用するアプローチによって異なると思われる。微生物集団の継承に関する理解がまだ浅いことを考えると、一般的に言って、ヒトのマイクロバイオームを標的として操作することは、検出や属性付けが困難である可能性が高い。特に、その影響が遅効性であったり、慢性的な表現型（精神的な健康障害、免疫抑制、皮膚の発疹など）である場合、こっそり導入された人工脅威の影響は、微生物組成の通常の変化の一部として簡単に見過ごされるかもしれない。もし攻撃が検出されたとしても、ヒトのマイクロバイオームは個性的で可塑性があるため、その原因を特定することは困難であると思われる。さらに、プロバイオティクスの製造に関わる施設が多数あることから、有害なプロバイオティクスの意図的な製造と、汚染や通常の製造品質管理におけるその他の故障から生じる自然な問題とを区別することは難しいかもしれない。しかし、腸内細菌などのマイクロバイオームは頑健であり、擾乱を受けた後も定期的に微生物の平衡状態を回復させる。その結果、攻撃被害者の治療は比較的容易であり、既存の公衆衛生対策や発生時対応策は、攻撃を封じ込めるのに十分な位置にある可能性がある。抗生物質耐性遺伝子の導入は治療の可能性を制限するかもしれないが、この問題は集団における抗生物質耐性の拡大に関する従来の懸念とほとんど変わらず、特に少人数の集団では新規抗菌薬の使用によって克服できる可能性がある。このような攻撃は発見が困難であるという高い懸念は、発見された場合の治療能力によっていくらか軽減される。

ヒト免疫系を改変する

人間の免疫力は、感染症から身を守るための防波堤である。自然環境における膨大な数の脅威に対して、2つの基本的なシステムが対応している。一つは自然免疫系で、グラム陽性菌のリポテイコ酸やウイルスDNAの非メチル化CpG配列など、病原体に関連した分子パターンによって引き起こされる非特異的な防御機構の集合体である。もう一つは、適応免疫系で、個々の疾患や疾患変異に合わせた特異性の高い抗体やT細胞応答を生成するものである。多くの自然病原体は、免疫反応を抑制したり（例：免疫不全ウイルス）、特定の反応をアップレギュレートしたり（例：呼吸器合胞体ウイルス、免疫系を誘導して2型ヘルパーT細胞細胞（Th2）を含む反応を優先させ、その後喘息への傾向を強める[Lotz and Peebles, 2012]）してヒト免疫システムを操作している。これらの例は、免疫反応を操作する、あるいは「操作」することができる生物兵器を開発することが可能であることを示唆している。このような生物兵器の形態として、いくつかの可能性が検討された：

免疫不全を操作する

標的集団を操作して免疫力を低下させれば、生物学的攻撃の影響を増大させることができる。この目標は、病原体を操作して免疫力の低下と疾病の発生を同時に引き起こすか（Jackson et al., 2001)、あるいは、免疫抑制剤と生物兵器を別々に標的集団に導入することによって追求することができる。免疫不全を引き起こすために使用される病原体は、病原体（例えば、HIV[ヒト免疫不全ウイルス]の陰湿な拡散）または化学物質（免疫毒性に寄与する化学物質の議論については、NRC[1992]およびIPCS[1996]を参照）の可能性がある。また、現存する適応免疫や自然免疫の障壁を回避するように病原体を設計したり、実際にその障壁を利用することによって、病原体を集団の免疫状態に合わせて調整することも可能である（さらなる議論については、第7章「健康関連データとバイオインフォマティクス」を参照）。

エンジニアリングによる過剰反応

免疫不全を工学的に解決することの裏返しとして、免疫の過剰反応を引き起こそうとすることが考えられる。病原体も化学物質も、サイトカインストームを引き起こすことが証明されている。これは、免疫反応における正のフィードバックループから生じる危険な状態である。このようなカスケードを意図的に引き起こす薬剤を開発することは可能かもしれない。例えば、炭疽菌の致死毒素をより穏やかな病媒に導入することで、サイトカインストームを引き起こすことができるとする意見がある（Muehlbauer et al., r07;Brojatsch et al., h14;ただし、異なる見解としてGuichard et al., d12を参照）。同様に、限られた数のよく知られたアレルゲンに対して、ヒト集団にすでに広範な反応が存在するという事実（ACAAI, 2017)は、生命を脅かすIgE媒介免疫反応を引き起こすような生物学的脅威を工学的に作り出す手段を提供するかもしれない。新しい免疫療法の開発と試験も、潜在的に脅威を工学的に制御するためのロードマップとなり得る。例えば、行為者は、抗CD28抗体が生命を脅かすサイトカインストームを引き起こした臨床研究から学ぶことができる（Suntaralingam et al., 2006)。

自己免疫を工学的に解明する

自然の自己免疫疾患は、重大な障害や死亡を引き起こす。自己免疫疾患を工学的に解明することは可能かもしれない。現在、自己免疫を刺激するためのマウスモデルが存在する。例えば、ヒトの多発性硬化症の症状を模倣した実験的自己免疫性脳脊髄炎は、免疫反応を引き起こす抗原（自己抗原;Miller et al., r07参照）をマウスに免疫することで発症する。通常、このような自己免疫は、自己反応する抗体やT細胞を確実に排除するメカニズムによって阻止されるが、病原体の中には、体内のタンパク質と十分に類似した抗原を提示し、本来の免疫反応が病原体から新しい人間の標的へと広がっていくものがある。チェックポイント阻害剤の研究は、腫瘍を根絶するために人間の免疫システムを解き放つように設計された化合物であり、自己免疫を意図的に操作する取り組みにも役立つ可能性がある。チェックポイント阻害剤は、免疫系を過剰に刺激することで、しばしば大腸炎の形で自己免疫につながることが示されている（June et al., 2017)。さらに、特定の化合物は、肝臓の自己免疫疾患につながることが示されている（Tanaka et al., 2017、2018)。そのような化合物をマイクロバイオーム経由で導入することも、一つの有力な攻撃経路となり得る。

免疫調節に関連する懸念事項の評価については、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	アクターの条件	軽減の可能性
ヒトの免疫系を改変することへの懸念レベル	ミディアム	中低	低い	ハイ

技術の使いやすさ（懸念度：中）

免疫システムのような複雑なシステムに工学が与える影響を正確に予測することは困難である。免疫系が外来抗原を認識するメカニズムについては、現在ようやく完全に理解され始めたところであり、免疫記憶が将来の反応を導く仕組みなど、多くの免疫メカニズムが不透明なままである。また、この分野の研究の多くは動物を対象としたものであり、その結果は必ずしもヒトにうまくマッピングされるとは限らない。さらに、自己免疫の原因に関する新たな研究は爆発的に増えているが、自己免疫疾患の発症は依然として特異的であり（Rosen and Casciola-Rosen, 2016)、米国のように遺伝的・免疫的に多様な集団で確実な効果を引き起こすことができる免疫調節兵器を作ることはおそらく困難であろう。特に、免疫不全ウイルスのパンデミックは自然に出現しているが、免疫不全の拡大を工学的に行うことは、現在のところ想像しがたい。

しかし、この分野では、方向性のない取り組みでも、懸念を抱かせるほどの成功を収める可能性がある。マウスポックスをインターロイキン4（IL-4）で増強した実験（ジャクソンら 2001)では、IL-4で変化させたワクシニアウイルスがマウスでの病原性を高めることは、先行研究ですでに判明していたが（ファンデンブロークら 2000)、変化したマウスポックスウイルスがマウスポックスに対するワクチン接種も克服できることは驚きであった。抗CD28抗体の臨床試験が失敗し、マウスモデルで安全性が示された量の500倍も低い量を投与された患者が生命を脅かすサイトカインストームに見舞われた（Suntaralingam et al., 2006)ことも、その一例だ。モデル研究では、使用された用量はヒトのT細胞集団をほぼ飽和させる（過剰活性化の可能性を示唆）ことが示されたが、この劇的な結果は、不注意による免疫過剰反応の可能性とともに、免疫調節研究の二重利用の可能性をも強調するものである。サイトカインストームを引き起こすというコンセプトは、特に感受性の高い集団において、免疫系に関する知識の向上と相まって、懸念されるようになるかもしれない。例えば、免疫を亢進させる超抗原についての知識が深まることで、このような活動の実現可能性がさらに高まる可能性がある。

ヒトの免疫についての理解も、ますます深まっているが、未知の領域である。例えば、次世代シーケンサーの出現により、ワクチンに対するB細胞およびT細胞応答の範囲が分子レベルで詳細に記述できるようになった。同様に、自然免疫系のパターン認識受容体のエフェクターも、治療的であれそうでないものであれ、工学的な応答が可能な程度に定義されつつある（Brubaker et al., 2015;Macho and Zipfel. 2015)。さらに、広く免疫療法における爆発的な研究の継続は、潜在的に免疫調節兵器の開発のためのロードマップを作成することができる。この現象の理解が進み、タンパク質構造のエンジニアリング能力が向上すれば、自己免疫疾患に存在することがすでに知られている抗原の合成シミュラクルを作成する機会も増えるだろう。しかし、より多くの個人化された健康データが利用できるようになれば、これは疾患ターゲティングの手段と見なすこともできる（第7章「健康関連データとバイオインフォマティクス」を参照）。

課題および短期・長期の機会を考慮すると、免疫調節技術が生物兵器として使用される可能性のある様々な方法に対する使用可能性については、中程度の懸念がある。

武器としてのユーザビリティ（懸念度：中・低）

免疫に影響を与える要因と個人の実際の免疫反応との関連は、まだ十分に理解されていない。人間の免疫システムの一般的な劣化、あるいは過剰な刺激や誤った刺激を想像することは可能だが、そのような脅威を特定の個人や集団に向けることは当初非常に困難であり、それによって集団の健康や軍の準備・対応に全体的な影響を与えるための明確で予測可能な経路を持つことはできないだろう。しかし、大規模かつ即座に死や衰弱をもたらそうとする敵対者にとって、免疫調節は必ずしも最も効果的なアプローチではないかもしれないが、それでもこのアプローチは国家の能力を低下させかねない。1918年のインフルエンザの大流行は、ウイルスの感染力と公衆衛生の悪化の相互作用によって助長されたと思われるが、第一次世界大戦の軍事的準備の主要因となった（Byerly, 2010)。この歴史的例は、免疫力の全般的な低下が、今日でも軍事機構に戦略的影響を与えることを思い起こさせるものである。しかし、人間の免疫システムをモデル化したり操作したりする方法は、人間を対象とした大規模な実験以外にほとんどないため、この特殊な脅威が設計-構築-テストのサイクルを経て改善される可能性は低く、近い将来、結果の予測可能性が大きな障壁として残る可能性がある。したがって、この要因に関する懸念は中低レベルであり、免疫調節因子の送達に適した送達システムの設計を監視すべき領域とする。

アクターの要求事項（低懸念）

ヒトの免疫をある程度確実に調節するために必要な専門知識は、おそらくかなり高い。特に、免疫調節介入を試験するための適切な動物モデルを選択することは、依然として少数の有能な実践者しかいない芸術である（Taneja and David, 2001;Benson et al., 2018)。さらに、検討されたアプローチのいくつかは、行為者が免疫調節兵器自体の開発と配備に成功するだけでなく、免疫調節兵器が他の生物学的攻撃（免疫不全を引き起こす最初の攻撃の後に病原体を配備するなど）や専門的な公衆衛生知識（ワクチン接種パターンが生み出す脆弱性など、第7章「健康関連データとバイオインフォマティクス」参照）と組み合わされる多面攻撃を計画、実行することに成功しなければならないと考えられる。このようなアプローチにより、免疫調節攻撃を行うために必要な専門知識はすでに高度なレベルに達しているため、この要因に対する懸念は全体的に低いと考えられる。しかし、免疫療法の研究が急速に進んでいるため、今後数年間で、こうした障壁が軽減され、適切な知識やスキルの利用が可能になる可能性がある。

緩和の可能性（高懸念事項）

ヒトの免疫系の変調や回避は、すでに多くの病原体の特徴であり、その多くは、免疫監視を回避する新しい手段を常に開発している（例えば、インフルエンザによる新しいグリコシル化部位の季節的採用）（Tate et al., 2014)。また、現在、免疫応答性を偏らせている未知の病原体や未解決の病原体も多数存在すると思われる。このような自然のダイナミクスは、自然の脅威と合成の脅威を区別することをかなりの難題にすることになる。特に、自己免疫につながる病原体の変異体における所定のエピトープにおいて、設計者の手と自然の日和見主義を識別することは、困難なことであろう。また、自己と非自己を識別するメカニズムに関する知識がないため、攻撃を認識し、効果的な対抗策を展開することに関連する課題も増加する。これらの理由から、この要因に関しては、比較的高いレベルの懸念がある。

免疫調節を伴う脅威に対しては、公衆衛生上の対策が有効である可能性があるが、問題を認識し、適切な対策を講じることは、必ずしも容易で迅速なことではない。免疫に関する現在の知識は、免疫調節兵器を作る方が、効果的な対応策よりもはるかに簡単であると思われる。たとえ良い対策ができたとしても、特に集団免疫に対するより一般的な攻撃の場合、その費用は膨大なものになる可能性が高い。

ヒトゲノムの改変

合成遺伝子を用いて、病原体やマイクロバイオームの改変を通じてヒトの生理機能に影響を与えるだけでなく、水平転送によってヒトゲノムに直接操作した遺伝子を挿入することも可能かもしれない。「遺伝子を武器にする」ということである。例えば、CRISPR/Cas9のようなツールによって、水平転送によって遺伝情報を伝達する能力が近年向上しており、ヒトの宿主に遺伝情報を合成または異種間転送する道が開かれる可能性がある。タンパク質をコードする遺伝子に加え、ショートヘアピンRNA（shRNA）やmiRNAなどのRNA産物をコードする遺伝子は、それ自体が兵器として利用される可能性がある。遺伝子やその発現を改変する技術と組み合わせることで、システム生物学への理解が深まれば、バイオディフェンスで一般的に重視される脅威の種類とは異なる病気を引き起こす新たな機会が生まれるかもしれない。合成生物学のアプローチを用いて、遺伝情報をヒトの標的に水平移動させ、危害を加える方法がいくつか検討された：

• 遺伝子の欠失や付加　もし研究者が特定の遺伝子の欠失や付加に基づいて特定の疾患状態のマウスモデルを作ることができるなら、もし人間のゲノムを同様に改変することができるなら、その改変は様々な非感染性疾患を引き起こす可能性があるということになる。特に、がん化に関連する遺伝子-がん遺伝子-に関する数十年にわたる研究により、ウイルスや細菌による感染も含め、がん化につながる遺伝子変化の多くの例が得られている（Robinson and Dunning Hotopp, 2014;Cui et al., 2015;Sieber et al., 2016)。がん遺伝子は、不自然な手段でヒトの細胞に水平移動する可能性がある。この流れで、CRISPR/Cas9は、生殖細胞や体細胞で点突然変異、欠失、複雑な染色体再配列を起こし、癌のマウスモデルを開発するために使用されている（Mou et al., 2015)。
• エピジェネティックな改変　プログラムによる遺伝子改変が可能であるように、水平転送を利用して生物のエピジェネティックな状態を害をもたらすように改変することも可能であることが証明されるかもしれない。エピジェネティックな修飾は、明らかに遺伝子発現において非常に重要であり、病態や病原性にも関与している。例えば、腫瘍のエピジェネティックな状態に基づいて、発癌の経過を予測することが可能になってきている（Jones and Baylin, 2007)。配列特異的なエピジェネティック修飾は、植物などの他の生物種では低分子RNAによって行われることがあるが、ヒトでは広くはない（He et al., 2011)。しかし、Cas9や他のCRISPRエレメントの配列特異的な結合能力により、融合タンパク質が配列特異的なエピジェネティック修飾を実行できる可能性がある（Brocken et al., 2017)。また、比較的非特異的なエピジェネティック変化をもたらす化学物質も存在する（Bennett and Licht, 2018)。
• Small RNA（スモールRNA）　小分子RNAは、水平移動が可能な機能的遺伝情報のもう一つの例だ。小分子RNAは、それ自体はゲノムの改変ではないが、遺伝子発現を変化させ、表現型の変化をもたらすことができると証明される可能性があるため重要である。ヒトを含む様々な種や異なる種の細胞における、小型干渉RNA（siRNA）、ショートヘアピンRNA（shRNA）、マイクロRNA（miRNA）（Zhang et al., g07;Huang et al., g08）およびその他の小型RNAライブラリー研究の数は多く、どの配列によってどのような疾患状態になるのか、あるいは疾患に対する防御の変調をもたらすのか、ロードマップとなりうるものである。同様に、低分子RNAをコード化し発現させることができるウイルスなどのベクターもすでに数多く存在する。多くのウイルス性病原体が、その病原性を助ける低分子RNAをすでにコードしているように見えるという事実は、この可能性をさらに強調するものである。例えば、発がん性のガンマヘルペスウイルスであるエプスタインバーウイルス（EBV）とカポジ肉腫関連ヘルペスウイルス（KSHV）は、明らかに免疫抑制の媒介として働くmiRNAをコードしている（Cullen, 2013)。ほとんどの遺伝子送達メカニズムはCRISPRエレメントによって促進されると思われるが、リポソームまたは他のビークルを介した小分子RNAの直接送達は、多くの細胞タイプで可能であることが証明されており（Barton and Medzhitov, 2002;Wang et al., 2010;Miele et al., 2012)、最近ではメッセンジャーRNA（mRNA）全体の送達がワクチン接種や細胞再プログラミングに有用であると証明されている（Stinle et al., 2017)。ネイキッドRNAは、細胞内のリボヌクレアーゼに弱いため一般に壊れやすいと考えられており、そのデリバリーは主に実験室の環境に限られているが、RNAを安定化するアプローチ（例えば、リポソーム、ナノ粒子、合成ポリマー、シクロデキストリン、リボ核タンパク質、ウイルスカプシド[「装甲」RNA]の使用）が多くの用途に使用されている。RNAは、単純な発現ベクターとして、ウイルス病原体上の低適性負担カーゴとして、またはCRISPRエレメント挿入を介して送達された遺伝子から発現させることができる。RNAデリバリーが潜在的に生物学的脅威となりうる理由の一つは、遺伝子発現の初期のわずかなゆがみ（miRNAが通常引き起こす遺伝子発現の変化など）でさえ、初期の細胞変化の確率を大きく変える可能性があることである。標的となるRNAが少量でもあれば、それ自体はゲノムを改変しないが、すでに多数の発がん促進性miRNAが発見されていることからもわかるように、細胞が腫瘍への自己変容プロセスを開始することを許容または促進するかもしれない（O’Bryan et al., 2017）.ウイルスが産生するRNAに加え、細菌は多数の小さな制御RNAを産生する。これらを内在性マイクロバイオームに導入すると、ディスバイオシスにつながる可能性がある。より大きなmRNAは、リポソームやナノ粒子を介して、あるいはワクチン製造用に開発されているRNA複製戦略によって送達することもできる（第8章「自己増幅型mRNAワクチンの迅速な開発」を参照）。これらの方法は、DNAベクターに関する脅威と同様に、毒素やがん遺伝子などの有害なカーゴの発現に用いられる可能性もある。
• CRISPR/Cas9　CRISPRエレメントは、遺伝子の部位特異的な切断に利用でき、その後、二本鎖切断修復やその他のメカニズムによる相同組換えを行うことができる。この技術は、ゲノム工学に革命をもたらした。RNAエレメントの単純な修飾によってDNA認識をプログラムできるという事実は、ジンクフィンガーエンドヌクレアーゼやTALエフェクターヌクレアーゼ（TALEN）を介したDNAの配列特異的認識といった従来の技術に比べて、ゲノム変化の精密標的化をはるかに容易にする。CRISPR技術のもう一つの利点は、その宿主範囲の広さである。CRISPRエレメントは、元々進化した種以外のDNA配列を認識し、結合することができる。このように、CRISPRのような遺伝子編集技術は、健康や病態に直接影響を与える動物モデルのゲノム変化を可能にするという事実は、生殖細胞や体細胞を操作してヒトにそのような変化をもたらすことができる可能性をさらに示唆している。また、CRISPRの配列特異性により、対立遺伝子の分布に応じた民族特異的な遺伝子兵器のターゲティングが可能になるかもしれない（第7章「健康関連データとバイオインフォマティクス」も参照）。また、CRISPRを病原体に搭載したり、マイクロバイオームを介してヒトのゲノムを改変し、個人または集団に害を及ぼす可能性もある。
• ヒトの遺伝子ドライブ　CRISPRエレメントはゲノムを改変する能力を持つため、ナイーブなゲノムに導入することで部位特異的に定着させるという、それ自体利己的な遺伝子エレメントとして再利用することができる。有性生殖生物では、CRISPRエレメントやホーミングエンドヌクレアーゼ遺伝子を適切に改変し、遺伝子ドライブとして使用することで、集団全体に拡散させることができる。遺伝子ドライブは、ショウジョウバエのPエレメントなど、自然界ではよく知られており、有性（垂直）移動に基づいてナイーブな集団の中を非特異的に移動する。遺伝子ドライブは、最近、不妊症の蚊の集団を操作するのに非常に有用であることが証明され（Hammond et al., 2016)、他の望ましくない種におけるフィットネスの減衰にも提案されている（詳細は、米国科学・工学・医学アカデミー、2016参照）。ヒト集団における遺伝子ドライブの使用に関連する懸念は、水平的遺伝子移入を伴う他の潜在的なアプローチとは別に評価した。ヒトの遺伝子ドライブの使用に関連する懸念の評価は、以下に要約される。

	技術の使いやすさ	武器としてのユーザビリティ	アクターの条件	軽減の可能性
ヒト遺伝子ドライブを用いたヒトゲノムの改変に対する懸念の度合い	低い

遺伝子組換え技術に対する懸念の評価

遺伝子導入が集団に広がるには、遺伝子を世代間で垂直移動させるために、通常、何度も生殖を繰り返す必要がある。ヒトは生殖年齢に達するまで比較的長い世代を持つため、このような方法で遺伝子ドライブをヒト集団に普及させるには数千年を要すると考えられる。さらに、遺伝子ドライブの利用を阻むものとして、すでにいくつかの耐性メカニズムが明らかになりつつある（Champer et al., 2017)。要するに、ヒトの生殖周期の長さという根本的かつ乗り越えられない制約があるため、ヒトの遺伝子ドライブに関する懸念レベルは非常に低く、技術の使いやすさ以外の他の要因については分析されていない。

遺伝子ドライブ以外のアプローチによるヒトゲノムの改変に関連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	アクターの条件	軽減の可能性
ヒトゲノムの改変に対する懸念の度合い	中低	低い	中低	ハイ

遺伝子ドライブ以外のゲノム改変に対する懸念の評価

技術の使いやすさ（中・低懸念度）

個人のゲノムに侵入して害を及ぼす遺伝子を工学的に組み込むことは技術的に困難であると考えられ、この要因に関する懸念は中・低レベルとなる。遺伝子や低分子RNAの一過性の水平移動に焦点を当てたアプローチ（例えば、改変ウイルスベクターによる）は、システム生物学の知見とともに、遺伝子や遺伝子発現の変化を操作して、がんや神経衰弱などの非感染性疾患を引き起こす、あるいは免疫力を低下させるために使用することができる。例えば、健康な細胞に腫瘍を発生させる低分子RNAを投与するために、操作された病原体を使用することは、現在の知識と技術で実現可能かもしれない。しかし、適切な標的や編集を決定し、遺伝子カーゴをウイルスベクターにパッケージングし、適切な宿主細胞に送達するためには、大きな課題があるであろう。

CRISPRを用いたゲノム編集技術は急速に進歩しており、これを用いて、病原性ベクターを操作して伝播させる遺伝子改変や、ヒト細胞への水平転送を実現できる可能性がある。しかし、DNAの認識と切断に必要なタンパク質ベースの機械の大きさもあり、何らかの形でウイルスのライフサイクルと連動しない限り、（おそらくウイルス性の）病原体に多額の適応コストを課すことになるため、このようなゲノム改変を実施することは困難であろう。言い換えれば、ウイルス性病原体はゲノムを切断する必要がないため、ゲノム切断機構を持つウイルスの生存能力は制限される可能性が高い。とはいえ、ユビキタスなCRISPR/Cas9システムに代わる新たな選択肢、たとえば小型のCpf1（Zetsche et al., 2015)、Staphylococcus aureusCas（Ran et al., 2015)、あるいは新たに見つかったCasXとCasY（Burstein et al., 2017)などはこのバリアを低減できるかもしれない。

もし、ある行為者が標的とする個人に癌を発生させようとした場合、癌化を開始し、自立した転移性の癌を発生させるためには、少数の細胞を改変すればよいかもしれない。したがって、送達のためのメカニズムは比較的非効率的であり、最初の分配のために複製する病原体を必要としないかもしれない。十分な遺伝子修飾は、例えば、CRISPRエレメントのリボ核タンパク質（RNP）を遺伝子としてではなく、それ自体で導入し、細胞膜を通過するためのタンパク質転位ドメインを付随させることで達成できる（Liu et al., 2015;Kouranova et al., 2016)。このため、CRISPR RNPは、従来の病原性生物学的脅威というよりも、毒素に近い可能性がある。同様に、細胞内での発現につながるDNAの複製は必要ない。宿主に一過性にトランスフェクトすることができ、それによって大きな貨物でも一過性に発現させることができる多くの円形および線形のプラスミドベクターがある（Nafissi and Slavcev, 2012)。このルートは、CRISPR/Cas9とそれに付随する発がん性ガイドRNAの宿主への送達を促進するために使用される可能性がある。さらに、RNAベースのワクチンを作ろうとする最近の推進力の結果、遺伝子送達のための多くのRNAベースのメカニズムが注目されるようになった（Kranz et al., 2016;Pardi et al., 2017)。これらの方法は、もともと導入された核酸の増幅につながるが、そうでなければ個体間で拡散することはない。したがって、特異的にターゲットとした集団の発がんを促進するために使用することができる。

武器としてのユーザビリティ（低懸念度）

仮に、遺伝子を用いて発がん、神経変性疾患、免疫崩壊などの望ましくない状態を引き起こすことが技術的に可能になったとしても、病原体や遺伝子の拡散を促進する高度な不自然な水平移動メカニズムがなければ、行為者がこれらの目的のために遺伝子を提供する能力は限定的である。したがって、この障壁を考慮すると、兵器としての使用可能性に関する懸念レベルは比較的低い。（病原体そのもの以外の）拡散のメカニズムは収量が少なく、病状の植え付け確率も低く、病状の発症も急速ではないと思われる。しかし、このような制限は、行為者がこのような兵器を追求することを必ずしも排除するものではない。特に、このような兵器は、依然として士気や即応性に大きな影響を与えうるからだ。さらに、想定される遺伝子兵器の多くは、侵入経路として血流ではなく皮膚を利用することができれば、より狡猾になり、経皮投与が改善されれば、脅威の状況は大きく変化する。チロシン水酸化酵素やチロシナーゼを標的とし、色素沈着した傷跡を治療する手段としてsiRNAを使用した例（Xiu-Hua et al., 2010)は、この方法がいかに有効だろうかを示すものであり、この分野の今後の発展を見守ることが重要であろう。

アクターの条件（中・低コンサーン）

遺伝子を兵器として使用する際に役立つと思われる技術のほとんどすべてが、まだ発展途上の段階にあり、主に研究所で実用化されており、臨床では使われていない。従って、アクターの要件に関する懸念レベルは中～低である。想定される生物兵器の種類を実現するためには、技術力だけでなく、高度な研究知識や経験が必要であろう。siRNAのようなデュアルユース技術の開発に最適な先進企業であっても、バイオ医療に応用するためのデリバリー方法の開発はまだ十分とはいえない。環境中の化学物質ががんの疫学にどのような影響を与えたかという知識や、動物にがんを誘発させる方法に関する実験データから、そのような攻撃の可能性を推測することができるだろう。さらに、CRISPR要素ツールセットを用いたゲノム操作の技術が急速に普及すれば、行為者の参入障壁が低下する可能性があることも注意点として挙げられる。例えば、遺伝子編集を利用して、風土病の昆虫やその他の害虫の集団に遺伝子ドライブを仕込み、有害物質や感染性物質の運搬を支援することが考えられる。このようなシナリオでは、たとえ機能性の低い遺伝子ドライブであっても、効果を得るためにそれほど長い時間成功する必要はないかもしれない。

緩和の可能性（高懸念事項）

全体として、遺伝子ベースの兵器による被害軽減の可能性に関連する懸念の相対的レベルは高い。ある種の影響は容易に認識でき、意図的な攻撃に起因すると考えられるが、ある種の影響、例えば新たな癌の蔓延を生物兵器に起因すると追跡することは極めて困難である。このような攻撃は非常にゆっくりと展開し、人々の健康状態を徐々に歪めていくかもしれない。過去数十年間、有毒廃棄物処理場付近のがん震源地を特定し、追跡し、対処した経験が示すように、このような場合、緩和は非常に困難となる。意図的ながんの流行を緩和することは非常に困難であることが、この潜在的な脅威に対する緩和策に関する懸念が高いことの主な要因である。しかし、いったん脅威が認識されれば、検疫のような確立された緩和手段や、治療的ゲノム編集のような潜在的な新しい手段が、ある種の遺伝子ベースの兵器に対して有効である可能性がある。

エクソーム配列のデータが飛躍的に増加していることから、ヒトやその他の高等生物にCRISPR要素が導入された場合、迅速に特定され、直ちに警戒すべき原因と認識される可能性が高い。また、癌遺伝子を持つことが知られていないウイルスに、これまで知られていなかった癌遺伝子が存在することも、直ちに警戒すべき原因となるだろう。しかし、発がん性低分子RNA配列が、特にタンパク質をコードする遺伝子の中に埋め込まれている場合は、あまり目立たず、発見されないかもしれない。

サマリー

• 従来の病原体とは異なるメカニズムによるヒトの変質は、重要な潜在的懸念領域である。将来、主要なボトルネックや障壁が減少または除去されれば、本章で取り上げたアプローチのいくつかがより実現可能なものになる可能性がある。
• マイクロバイオームの理解が進むにつれ、悪用される可能性も高まり、合成生物学を用いてマイクロバイオームを操作し、有害遺伝子の導入、ヒトの免疫力の低下、病原体の侵入や拡散の改善、ディスバイオースの創出を実現することが可能になるかもしれない。
• ヒトの免疫制御がもたらす脅威は、現在の知識では限界があるが、知識は急速に蓄積されているので、ヒトの免疫系を予測可能に改変することは十分に可能だろう。
• ヒトゲノムの改変や遺伝子発現を望ましくない方向に変化させる戦略として、遺伝子編集、RNA分子の送達、エピジェネティック効果を持つ化学物質の使用などがあるが、技術的・送達的に大きな障壁があり、実現可能性に制約がある。

従来のバイオディフェンスのパラダイムでは、病原体や化学物質などの病原体が脅威と脆弱性の検討の中心に据えられていたが、本章では、ヒトの宿主との相互作用や潜在的な改変が脅威の状況をどのように変えるかを検討することによって、このパラダイムの再構築を試みる。ヒトマイクロバイオーム、ヒト免疫、ヒトゲノムの理解が進むにつれて、誤用の可能性も高まっている。さらに、個人の遺伝的変異の理解と個人の変異を利用する能力の進歩により、宿主を改変する攻撃を個人または小集団に向けることがより現実的になるかもしれない（さらに第7章「健康関連データとバイオインフォマティクス」で議論）。

ヒトのマイクロバイオームに関する知識は急速に増えており、合成生物学を利用してマイクロバイオームを操作し、有毒遺伝子の導入、ヒトの免疫力の低下、病原体の侵入や拡散の改善、あるいは異常な生物状態を作り出すことは可能かもしれない。しかし、危険な化合物の原位置生産（第5章「原位置合成による生化学の製造」で詳述）を除けば、こうした潜在的な脅威は、病原体や化学物質を中心とした従来の攻撃よりも懸念が少ない。活発な研究分野であるにもかかわらず、マイクロバイオームはまだ完全に解明されておらず、確立された常在コミュニティの中でコロニー形成し、持続する微生物を作り出すことは重要な課題である。さらに、抗生物質を適切に使用することは、マイクロバイオームを通じて伝播する攻撃への有効な対策となり得る。実際、マイクロバイオームの研究と工学によって人間の健康を改善しようとする強い動きを考えると、マイクロバイオームに基づく対策には脅威よりもはるかに強固な機会があるのかもしれない。

ヒトの免疫制御がもたらす全体的な懸念は、マイクロバイオーム工学がもたらす全体的な懸念と同様であり、同様の理由によるものである。一方では、現在の知識の限界から、この潜在的な脆弱性が近い将来に重要な形で利用されることはないだろう。一方、知識の蓄積は急速に進んでおり、ヒトの免疫系を予測可能に改変することは十分に可能であり、そのために必要な専門知識も今後数年で広まる可能性がある。さらに、予測不可能な改変であっても、害を及ぼす可能性はある。マウスポックスのゲノムにIL-4が挿入されると、ウイルスがワクチン接種を克服できるようになることは予測できたが（Müllbacher and Lobigs, 2001)、ヒトの変異型ウイルスに同じタイプの改変を加えた場合、同様の悲惨な結果になるかはまだ不明である。一方、抗CD28抗体の開発は、臨床試験の厳密な審査により十分安全であると判断されたが、生命を脅かすことが判明した（Suntharalingam et al., 2006)。全体として、免疫亢進とそれに続く病態の構築は、免疫低下や自己免疫の構築よりも大きな脅威であるように思われる。前者は急性で、個々の病原体や兵器化のシナリオに容易に適合する。後者は慢性で、十分な先見性があれば、伝染病を抑えるための通常の公衆衛生対策によって社会的レベルで対処できる可能性がある。

この分析に基づき、今回の評価ではヒトの免疫系に焦点を当てたが、操作の対象となりうるシステムが他にも存在することを念頭に置いておくことが重要である。例えば、人間の神経生物学は非常に複雑であり、個人の精神的な健康状態を操作するための遺伝的、化学的な手段はすでに様々なものが存在する。とはいえ、特定の結果を得るためのシステムを確実に構築することは困難である。このような複雑なシステムを理解し、改変するための進歩に、今後も注目していくことが重要であろう。

武器としての遺伝子の概念には、人間の生理機能を変化させることができる合成遺伝子を開発することが含まれる。この概念は、干渉メカニズムによって宿主の生理学に影響を与えることができる低分子RNAの合成遺伝子（または合成低分子RNAそのもの）を提供する可能性も含んでいる。遺伝子は、ゲノムの一部であり、病原体の一部であると考えられる場合と、毒素であり、必ずしも複製されることなく害を及ぼすことができる化学化合物である場合の中間に位置し、生物学的脅威のパンテオンの中で独特の地位を占めている。毒素の運搬には様々な困難があり、敵対者が1回の戦闘や作戦よりも長い期間にわたって人間の生理機能を変化させることに価値を見出すような軍事シナリオは限られている。とはいえ、ヒトの生理機能を変化させるshRNAやmiRNAを作成するための皮膚へのトランスフェクションや、有害な化合物をヒトに送達するために昆虫の集団を変化させる遺伝子ドライブの使用など、いくつかのシナリオは敵の立場からするとより魅力的な選択肢となるかもしれない。

さらに、病原体がもたらす脅威との相乗効果で、遺伝子の水平移動に関連する脅威が、新たな攻撃手段につながる可能性もある。免疫療法の臨床試験がサイトカインストームを工学的に制御するためのロードマップとなりつつあるように、ヒト細胞の遺伝子欠失、遺伝子付加、低分子RNA修飾に関する知識の増加は、病原体工学によって助長されうる非感染性疾患状態（逆に、免疫不全ウイルス経由など病原体自体の拡散を助長しうる）を誘発するロードマップとなるかもしれない。

これらの能力ごとにモニターすべき関連する開発を、表6-1にまとめた。

表6-1 現在検討されている能力を制約するボトルネックと障壁、およびこれらの制約を軽減する開発^a