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www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7150198/
オンライン公開 2015/07/24
デイビッド・P・クラーク 米国イリノイ州カーボンデール、南イリノイ大学微生物学科
ナネット J. パズデルニク ワシントン大学医学部米国ミズーリ州セントルイス市
要旨
生物兵器というと、中世の戦士が死んだ家畜を城壁に投げ込んだり、政府の秘密工作員が謎の微生物を敵地に密かに放ったりするイメージがある。もちろん、生物兵器はそのような活動を含んでいるが、生物兵器を構成するものの大半は、もっと平凡なものである。約38億年前に地球上で生命が誕生して以来、生物は互いに殺し合うための新しい方法を常に考案してきた。バクテリアからヘビに至るまで、毒素を利用する生物はすべて、生物戦争の一形態に関与している。生物戦争に参加する人間は、このような毒素を作り出す生物を利用している。
キーワード バクテリオシン、バイオセンサー、黒死病、ボツリヌス毒素、黒死病、チェッカーボードハイブリダイゼーション、優勢陰性変異、エルゴ、高密度の実験室、培養時間、カッパ粒子、リシン、ファージ療法、毒配列、クォームセンシング、リシン、シドロフォア、天然痘、毒素、武器化
はじめに
生物兵器というと、中世の戦士が死んだ家畜を城壁に投げ込んだり、政府の秘密工作員が謎の微生物を敵地に密かに放ったりするイメージがある。もちろん、生物兵器はそのような活動を含んでいるが、生物兵器を構成するものの大半は、もっと平凡なものである。約38億年前に地球上で生命が誕生して以来、生物は互いに殺し合うための新しい方法を常に考案してきた。バクテリアからヘビに至るまで、毒素を利用する生物はすべて生物戦争の一形態に従事している。生物戦争に参加する人間は、こうした毒素を産生する生物を利用している。
生物戦の博物誌
他の生物を殺すために毒素を使用する生物の例は、教科書一冊で埋め尽くすことができるだろう。そこで、生物兵器に関する自然史について簡単に触れるにとどめる。
細菌は生物兵器として特に優れている。人類は感染症との戦いで抗生物質を非常に重宝しているが、バクテリアは私たちの利益のために抗生物質を作ったわけではない。むしろ、同じ生息地や資源をめぐって競合する他の細菌を殺すために、抗生物質を作る。同様に、細菌はバクテリオシンと呼ばれる毒性タンパク質を合成し、近縁の細菌を殺す。なぜなら、近縁の細菌は互いに競争しやすいからだ。例えば、大腸菌の多くの株は、他の大腸菌を殺すことを目的とした多種多様なバクテリオシン（コリシンと呼ばれる）を配備している。コリシンの遺伝子は通常プラスミドに搭載されており、これらのプラスミドの多くは分子生物学や遺伝子工学でよく利用されている（3章参照）。ペスト菌であるエルシニア・ペスティスも、同種の競合株を殺すことを目的としたバクテリオシン（この場合、ペスティシンと呼ばれる）を作る（図22.1)。
図22.1 バクテリオシンは他の細菌を抑制する
チーズに含まれるラクトコッカスのバクテリオシン産生株は、関連する微生物の増殖を抑制することができる。
Garde S, et al.より。(2011).羊乳チーズにおけるバクテリオシン産生乳酸菌培養物によるClostridium beijerinkii芽胞のアウトグロース阻害。Int.J FoodMicrobiol150, 59-65.
一点だけ確認バクテリオシンと毒素の区別は、標的の違いに関係している。バクテリオシンは、細菌が仲間の細菌（近縁種も多い）に対して、意図的に殺す目的で放出する。一方、細菌が生産するタンパク質で高等生物に作用するものは毒素と呼ばれる。しかし、病原性細菌は通常、感染した生物を殺すことを意図しているわけではない。むしろ、生き残り、繁殖するのに十分な時間、生物を操作することを望んでいる。宿主の生存期間が長ければ長いほど、感染する細菌の住処となる。抗生物質と同じように、細菌の毒素の中には、人間にとって有用なものもある。バチルス・チューリンゲンシスという細菌は、脊椎動物には無害な殺虫毒素を産生し、この「Bt毒素」は遺伝子組み換え作物に広く利用されている。(第15章参照)。
下等真核生物も、定期的に生物兵器に手を染めている。繊毛原生動物であるゾウリムシは、カッパ粒子と呼ばれる共生細菌（Caedibacter）を持ち、大きな真核細胞内で増殖・分裂する（図 22.2）。
図22.2 細菌毒素を利用したキラーゾウリムシ
(A）カッパ粒子はゾウリムシの細胞質内に存在する。(B）カッパ粒子は、ゾウリムシの多くの株で見られる共生型カイジバクターでありながら、独自のDNAを持ち、典型的な細菌のように分裂する。
カッパ粒子を持つゾウリムシの株はキラーと呼ばれ、未知の遺伝的要因や抵抗機構により、自然にカッパ粒子に耐性を持つようになる。キラー株はκ粒子を環境中に放出し、敏感なゾウリムシ（κ粒子を保有する能力を持たないもの）がたった1個のκ粒子を食べて消化すると、タンパク質の毒素が放出されてゾウリムシを死に至らせる。興味深いことに、この毒素は細菌の染色体上の遺伝子ではなく、欠陥のあるバクテリオファージに由来するプラスミドにコードされている。つまり、κ粒子細菌に感染したウイルスがコードする毒素が、ゾウリムシの他の株を殺す目的で徴用されたのである。
このような現象は決して珍しいことではない。ヒトに感染する病原性細菌が使用する毒素の多くは、実はウイルス、プラスミド、トランスポゾンといった非染色体由来の外来DNAによってコード化されている。これらの要素は、病原性細菌の菌株の染色体に組み込まれることが多い。例えば、ジフテリアの原因菌であるコリネバクテリウム・ジフテリアのうち、ヒトにとって危険なのは、毒素をコードするウイルスを持つ菌株だけだ。
高等真核生物は、ヘビやサソリの毒のように自ら毒素を作り出すか、他の種が作り出す毒素を利用することができる。タバコを食べるある種の毛虫は、有害なニコチンをクモに向かって吐き出し、クモを追い払うことができる。また、微生物を利用して生物戦を仕掛ける昆虫もいる。ある種の寄生蜂は、植物を食べる昆虫のウジ虫（幼虫）の中に卵を注入する。卵が孵化すると、生まれたばかりのスズメバチが生きたウジ虫を内部から食べる（図22.3）。
図22.3 スズメバチがウジ虫にウイルスを使う
ある種のスズメバチは、タバコシバンムシの幼虫の中に卵を産み付ける。スズメバチは幼虫の背中に降り立ち、卵とアデノウイルスを卵鞘からウジ虫に注入する。アデノウイルスは幼虫の食害を防ぐため、蛹になるまでの発達を阻害する。卵が孵化すると、幼虫の体内を餌にして成長し、スズメバチ成虫に成長する。
やがてウジ虫は死滅し、新しい世代のスズメバチが放たれる。スズメバチの成功の秘訣は、卵と一緒にアデノウイルスを注入することである。このウイルスは、ウジ虫の「脂肪体」（高等動物の肝臓に何となく似ている）を狙い、ウジ虫の発生制御系や免疫系を麻痺させる。ウジ虫は植物に対する食欲を失い、脱皮して次のライフサイクルであるサナギになることができなくなる。
多くの異なる種類の生物が生物兵器に従事している。細菌は抗生物質やバクテリオシンで他の細菌を殺す。また、高等生物を標的とした毒素を作ることもある。真核生物は、自ら毒素を作ることも、下等生物が作った毒素を利用することもできる。
微生物が人間に対抗する：抗生物質耐性の台頭
しかし、感染症は、生物学的な戦争であり、生命体のいたるところに存在するものである。宿主と病原体の進化的関係は、基本的に終わりのない軍拡競争である。病原体が新しい毒素を開発すれば、宿主はそれに対する反応を進化させる。人類は、ワクチンや抗生物質の工業的大量生産などの技術を駆使して、この軍拡競争を一歩前進させた。しかし、微生物たちは反撃に転じる。
現在、医療微生物学を悩ませている最大の問題は、抗生物質耐性の増加であろう。細菌がこのような耐性を獲得した理由は様々ですが、どの説明にも共通しているのは、抗生物質の普及と誤用である。例えば、感染症にかかった患者に対して、その病気が細菌性であるかどうかが不明であっても、医師はしばしば抗生物質を処方する。また、間違った抗生物質が処方されることもある。多くの発展途上国では、抗生物質は処方箋なしで市販されている。さらに、抗生物質を投与された患者は、推奨量を守らず、体調が良くなるとすぐに治療を終えてしまうというジレンマがある。これは、すでに薬剤に対してわずかな耐性を獲得しているバクテリアの生存を選択する効果をもたらす。患者が感染を拡大させるとき、知らず知らずのうちに、この強靭化した生き残りを受け継いでしまうのである。また、農家が家畜を太らせるために使用する飼料に抗生物質が広く使われていることも、この問題の大きな原因となっている。
今日、多くの専門家が「不治の病」である感染症について心配している。メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）がメディアで注目されているが、心配な微生物はこれだけではない。その名の通り、あらゆる治療に耐性を持つように見える「完全薬剤耐性結核」の報告が世界各地から上がっている。2013年、米疾病対策センター（CDC）は、下痢を引き起こすクロストリジウム・ディフィシル、医療現場で他の感染症のために抗生物質を投与された患者が感染することが多い、カルバペネム耐性腸内細菌科（CRE）、例えばクレブシエラやE. coliなどによる感染について緊急警告を発した。3）淋病の原因菌である淋菌は、いくつかの抗生物質に対する耐性が高まっている。
こうした動きは憂慮すべきものだが、抗生物質耐性の増加に対抗するために、多くの研究が行われている。微生物は私たちの抗生物質の攻撃に反応しているが、私たちは再び優勢になるためにいくつかの新しい武器を開発している。
抗生物質の新規ターゲット
「ポスト抗生物質の時代」が避けられないとの憶測もあるが、新規抗生物質の開発チャンスはまだまだある。
その一つは、細菌の代謝やライフサイクルにおいて、これまで利用されていなかった脆弱なカ所、できれば細菌が耐性を獲得することで容易に防御できないカ所を攻撃する戦略である。例えば、細菌はシデロフォアと呼ばれる鉄キレート剤を用いて、鉄を結合させ、宿主のタンパク質から鉄を抽出する。シデロフォアは排泄され、鉄と結合した後、特殊な輸送システムによって再び細菌内に取り込まれる。ペストや結核では、高力価のシデロフォアがないと病原性がほとんどなくなる。哺乳類はシデロフォアを作らないため、そのユニークな生合成経路は、新規抗生物質の開発にとって魅力的なターゲットとなる。いくつかの病原性ヤシニア属のシデロフォアであるヤルシニアバクチンは、サリチル基でキャップされている（図22.4）。
図22.4 Salicyl-AMSによるYersiniabactinの産生抑制効果について
yersiniabactinの構造では、サリチル基が赤色で示されている。サリチル酸をATPで活性化すると、前駆体であるサリチルアンプが作られる。スルファモイル類似体であるsalicyl-AMSは、yersiniabactinへのサリチル基の取り込みを阻害する。
ATPがサリチル酸を活性化することで生成される経路の中間体がサリチルアンプである。化学的に合成されたサリチル酸AMPの類似体であるサリチル酸AMSは、リン酸をスルファモイル基で置き換えたものである。この化合物は活性が高く、シデロフォア合成を特異的に阻害する。これにより、人体で遭遇するような鉄制限条件下でのエルシニアの増殖を防ぐことができる。
もう一つの戦略は、新規の微生物に抗生物質をスクリーニングすることである。先に述べたように、細菌は他の細菌を殺すという明確な目的のために抗生物質を生産する。自然界に存在する微生物の多くは培養も同定もされていないため、まだ多くの天然抗生物質が発見されていないと思われる。2013年、海に生息する放線菌からアントラシマイシンと呼ばれる新しい抗生物質が分離された。この新しい抗生物質は、バチルス・アンスラシスやMRSAに有効であり、塩素基で修飾することで活性スペクトルが拡大した。
さらに、抗菌剤の生合成経路の候補を特定し、クローニングする方法もある。例えば、ある研究グループは、サッカロモノスポラという放線菌のDNA配列から、抗菌性リポペプチドを生成すると予測される生合成遺伝子群をクローニングした。この技術の大きな利点は、実験室での培養が困難な微生物にも適用できることで、この遺伝子群を発現させることで、新しい抗生物質であるタロマイシンAを発見した。
別のアプローチとしては、新しい抗生物質を開発するのではなく、既存の抗生物質耐性を破壊することである。例えば、人間の腸内に生息するようなバクテリオファージは、細菌間で抗生物質耐性遺伝子をシャトルすることができる。そのため、バクテリオファージを殺したり、無効化したりする薬剤を開発することは、抗生物質耐性の拡大に対抗する革新的な方法となる。さらに、細菌のクオラムセンシングを阻害することも提案されている。細菌は、行動を調整するためのコミュニケーションシステムとしてクオラムセンシングを使用している（図22.5）。
図22.5 クオラムセンシング
細菌は、集団の密度を示すシグナル分子の存在を検知することで、行動を調整することができる。
Boyen F, et al.より。(2009).動物用病原体におけるクオラムセンシング：メカニズム、臨床的重要性、将来の展望.Vet.Microbiol135, 187-195.
細菌は、特定の化学物質を環境中に放出することで、閾値の人口密度（クォーラム）に達したことを検出することができる。多くの病原体は、集団が特定の密度に達した後、抗生物質耐性のバイオフィルムを構築する。このコミュニケーションシステムを破壊すれば、細菌は行動を調整する能力を失い、抗生物質に対してより脆弱な状態に置かれることになる。
ファージ療法と細菌性捕食者
ファージ療法の歴史は、バクテリオファージ（「ファージ」とも呼ばれる）を使って細菌感染症を治療することであり、1921年のフランスに始まる。その年、微生物学者のFelix d’Hérelleは、赤痢に苦しむ患者の治療にファージを使用した（図22.6）。
図 22.6 フェリックス・デレル
微生物学者フェリックス・デレルがファージ療法の先駆者となる。
1927年には、南アジアでコレラの被害者を治療するためにファージ療法を用いたこともある。しかし、残念ながら、米国をはじめとする多くの科学者が彼の研究を再現することができず、1945年に抗生物質の普及が始まると、科学界はほとんどファージ療法への関心を失ってしまった。しかし、フランスでは1990年代まで熱心にファージ療法を実践し、その70年間に腸チフス、大腸炎、敗血症、皮膚感染症、その他さまざまな細菌疾患の治療に成功したという報告がある。ファージ療法を導入した国には、ポーランド、ロシア、グルジアなどがある。現在では、慢性的な細菌感染症や抗生物質耐性菌の感染症に対してファージ療法を受けることができる。
1990年代以降、欧米の科学界では、ファージ療法への関心が再び高まっている。抗生物質とは対照的に、ファージを使用する利点の一つは、その特異性にある。抗生物質は多くの種類の細菌を殺すので、有用な腸内細菌を破壊してしまうと有害だが、個々のファージ種は非常に近縁な細菌群にしか感染しない。理論的には、あらゆる細菌感染を、極めて特異的なファージがターゲットにすることができる。
しかし、予想通り、細菌もファージに対する耐性を獲得することができる。それは、主にウイルスの付着を阻止することによってである。現在、研究者たちは、ファージが溶菌サイクルの一環として細菌の細胞壁を破壊するために使用する毒素の一種であるリジンを利用することを検討している（図22.7）。リジンはペプチドグリカン内の保存領域を標的とするため、細菌は耐性を獲得しにくくなると考えられている。リジンはグラム陽性菌に最もよく効くが、遺伝子工学によって活性スペクトルを拡大し、グラム陰性菌にも作用させることができる。
図 22.7 バクテリオファージ「Tsamsa」がバシラス・アンソラシス（炭疽菌）を死滅させる
バクテリオファージTsamsaから分離されたリジンは、Bacillus anthracisと他の近縁種を殺す。
Ganz HH, et al.より。(2014).Bacillus anthracis由来の新規巨大Siphovirusは、珍しいゲノムの特徴を持つ。PLoSOne9(1), e85972.
ファージに代わるものとして、ヒトの病原体に対する捕食性細菌を配備することができるかもしれない。ウイルスのように他の細菌に侵入するブデロビブリオや、細菌の細胞表面に付着するミカビブリオは、試験管内で抗生物質耐性の病原性細菌を殺すことが確認されている。
遺伝子工学で病原体と闘う
新規の抗生物質が枯渇するのではないかという懸念が根強いため、細菌感染に対抗するための巧妙な新技術が数多く提案されている。これらの抗生物質の中で最も有望なものの中には、遺伝子工学を利用したものがある。
例えば、多くの病原性大腸菌は、FimHアドヘシンを用いて、表面糖タンパク質上のマンノース残基を介して哺乳類細胞に結合している。アルキルマンノースやアリールマンノースの誘導体は、この接着剤に非常に高い親和性で結合し、天然の受容体への接着を阻害する。したがって、このようなマンノース誘導体は、抗アドヘシン薬として機能する可能性がある。しかし、医薬品を製造するにはかなりのコストがかかる。それよりも、病原性のない大腸菌を遺伝子操作して、マンノース誘導体を細胞表面に発現させる方がはるかに安上がりである。病原性細菌は、哺乳類の細胞ではなく、このデコイに結合することになる。大腸菌のおとり株は腸内で自然に増殖するため、糖誘導体の連続投与も必要ない。あるいは、非病原性の大腸菌にアドヘシン遺伝子を組み込んで、哺乳類細胞の受容体をめぐって病原体と競合させることも可能である。(このような遺伝子組み換え株は、タンパク質医薬品や遺伝子治療用の大きなDNAを哺乳類細胞に送り込むことができるという利点もある）。
これとは異なるアプローチとして、天然型の毒素を阻害するような変化した毒素を生成する方法がある。典型的なA-B型細菌毒素は、標的細胞内で毒性酵素反応を行う単一の「活性」Aサブユニットと、細胞表面に付着して送達システムとして機能する複数の「結合」Bサブユニットから作られることが多い。活性サブユニットを送達するためには、適切に機能する複数の結合サブユニットが必要であるため、抗毒素療法の1つのアプローチとして、毒素の結合サブユニットのドミナントネガティブ変異を利用することができる。このメカニズムは、機能的なサブユニットに欠陥のあるタンパク質サブユニットが結合することで、全体として不活性な複合体が形成されるというものである。(ドミナントネガティブとは、異常な遺伝子産物が野生型遺伝子産物の活性を阻害する変異を指す。そのため、ドミナントネガティブ変異の多くは、複数のサブユニットを持つタンパク質に影響を及ぼす)。炭疽毒素のBタンパク質（「防御抗原」と呼ばれる）には、意図的にドミナントネガティブ変異が単離されたことがある。変異型サブユニットと野生型サブユニットを混合すると、炭疽毒素のAサブユニット（「致死因子」「浮腫因子」と呼ばれる）と結合する不活性なヘプタマーが形成された。その結果、毒性を持つAサブユニットが標的細胞内に輸送されなくなる（図22.8）。この技術は、ヒトの培養細胞やマウスやラットを致死レベルの炭疽毒素による死から守ることができることが示されている。
図 22.8 ドミナントネガティブ変異
炭疽菌の場合、Bサブユニット（PA63タンパク質または「防御抗原」と呼ばれる）がAサブユニット（致死因子、LFおよび浮腫因子、EFと呼ばれる）と結合し、エンドサイトーシス小胞を介して標的細胞の細胞質内に輸送される。PA63タンパク質のドミナントネガティブ阻害（DNI）変異体（紫）は、正常なPA63モノマー（ピンク）と一緒に集合し、小胞から細胞質へLFとEFの毒素を放出できない不活性複合体を形成する。
ナノテクノロジーで病原体と闘う
病原体と戦うことを目的としたナノテクノロジーの進歩の多くは、殺菌性のある表面を作り出すことにある（ナノテクノロジーについては第7章を参照）。いくつかの金属は、本質的に抗菌性を持っている。例えば、銀イオンは、活性酸素の発生やタンパク質のジスルフィド結合の破壊など、いくつかのメカニズムで細菌を殺す。銀、セレン、銅のナノ粒子でコーティングされた表面は、いずれも抗菌活性を示す。
金属だけが選択肢ではない。「ブラックケイ素」と呼ばれる物質は、小さな「ナノピラー」でできており、機械的ストレスによってエンドスポアを含む細菌を物理的に破壊することができる（図 22.9）。また、ナノカーペットと呼ばれるカーボンナノチューブを積層したものでも抗菌活性が確認されている（7章参照）。さらに、エステルや環状炭化水素のポリマーは、細菌の付着を抑制する。このような発見により、医療現場での衛生環境の改善や抗菌性医療機器の製造が可能になると考えられる。
抗生物質耐性は深刻な問題だが、一般的な報道とは異なり、必ずしも難治性の問題ではない。抗生物質の新規ターゲット、ファージ療法、遺伝子工学、ナノテクノロジーは、抗生物質耐性病原体と戦うための複数の可能性を提供する。
図 22.9 ナノ構造で細菌を殺すことができる
ブラックケイ素表面の走査型電子顕微鏡写真で、階層構造を示す。(A）周期的に配列されたマイクロピラーアレイ、（B）ナノ構造を有するマイクロピラー、（C）マイクロピラー上部に形成されたナノ構造。
He Y, et al.より。(2011).Deep reactive ion etching and galvanic etchingによるマイクロ・ナノ階層構造を有する超疎水性ケイ素表面。J Colloid InterfaceSci364, 219-229.
人類生物戦の歴史
歴史上、人間は他の人間を殺すための新しい革新的な方法を考案してきた。テクノロジーが原始的だった頃、戦士たちは自然が与えてくれるものを何でも利用した。農作物を燃やすことは、敵を弱体化させるための最も簡単で最も早い戦法であったと思われる。また、死んだり腐ったりした動物で地域の飲み水を汚染することもあった。
初期人類生物戦
兵士が槍に糞をつけたり、毒蛇を投げたりするようになると、生物兵器がやや高度な形態で出現した。1300年代半ばの黒死病の流行では、タルタル人はペストに冒された死体を城壁を越えてヨーロッパの敵が住む都市に運び込んだ。このことがペストを広めたとされることもあるが、ペストを広めるには、死体との接触よりもネズミやノミの方がはるかに効果的だった（図 22.10）。
図 22.10 ブボニックペスト
アーノルド・ベックリンが描いたこの絵は、「ペスト」というシンプルなタイトルで、古代に流行したペストが引き起こした恐怖を描いている。
ET Rietschal, et al.より。(2004).How the mighty have fallen: divine composersの致命的な感染症。Infect Dis Clin NorthAm18, 311-339.
中世の町や城の衛生状態を考えると、外部から感染源を提供する必要はほとんどなかった。ペスト、腸チフス、天然痘、赤痢、ジフテリアなどがすでに存在していたため、自然の成り行きに任せるしかなかったのである。同様に、ヨーロッパからの入植者が意図的にアメリカ先住民に天然痘を感染させたという俗説も広まっている。1700年代半ばのフレンチ・インディアン戦争で、イギリス軍がこの作戦を試みたのは事実だが、ネイティブ・アメリカンの死者の大部分（おそらく人口の95%）は、天然痘やその他の病気への不注意な感染によるものであった。
実は、ごく最近まで、人間は特別に衛生的な存在ではなかった。例えば、ジョセフ・リスターが発明し、現在では現代医学の主流となっている消毒手術が広く普及したのは、1870年代の終わり頃だった。それ以前は、軍隊も民間人も非常に不潔で病気に侵されており、細菌戦を行うことは豚に泥を塗るようなものだった。生物兵器が脅威として意味を持つようになったのは、現代の衛生的な時代になってからだ。
現代人の生物戦とバイオテロリズム
ドイツ軍は人に対する生物学的製剤の使用を拒否したが、動物に対しては使用し、連合軍の馬に鼻疽菌（Burkholderia mallei）と炭疽菌を感染させた。フランスもドイツ馬に鼻疽菌を使用した。第二次世界大戦中、悪名高い日本の731部隊は、中国の捕虜にコレラ、流行性出血熱、性病などの恐ろしい病気を実験的に感染させた。また、ペストに感染した「ノミ爆弾」を中国の都市に投下したこともあったが、ペストがすでに流行していたこともあり、ほとんど効果はなかったと思われる（図 22.11）。
図 22.11 ユニット731
日本軍の731部隊は、実験的な感染症や生物兵器で数千人の中国人を殺害した。
出典はこちら図6より：López-Muñoz F, et al.(2007).歴史的観点から見た精神医学と政治的・制度的虐待：ニュルンベルク裁判60周年記念の倫理的教訓。Prog Neuropsychopharmacol BiolPsychiatry31, 791-780.
第二次世界大戦後、特に朝鮮戦争の間、米国は生物兵器計画を強化した。この計画で最も物議を醸したのは、兵器の飛散状況を調べるために、比較的無害なセラティア・マルセッセンスなどの生物製剤をアメリカの都市上空で意図的に放出したことだろう。軍は意図せず11人の民間人に感染させ、そのうちの1人が死亡した。1969年までに、米国は炭疽菌と野兎病菌を兵器化した。しかし、1975年、米国は生物兵器禁止条約（BWC）に調印し、すべての生物兵器を放棄した。
ソ連もBWCに署名したが、その後、ごまかしながらその取り組みを拡大した。ソ連の計画は驚くべき規模であった。ソ連は数百トンの炭疽菌を製造し、1979年に誤って放出したところ、66人が死亡した。また、天然痘やペストも何千ポンドも製造し、1989年には、エボラ出血熱に似た致死的な出血熱を引き起こすマールブルグウイルスの兵器化に成功したとされている。これらの疑惑はまだ確認されていない。1992年、エリツィン大統領の下でロシアは生物兵器計画を終了したが、備蓄された兵器の運命はまだ不明である。
今日、生物兵器は国家からではなく、テロ集団や「一匹狼」からも恐れられている。しかし、この脅威がどの程度のものなのかについては意見が分かれている。多くの人は、テロリストが効果的で大規模な生物学的攻撃を行うことは不可能であると考えている。例えば、1984年、ラジニーシ教団は、オレゴン州の小さな町で、政治的な目的のために、サラダバーにサルモネラ菌を混入し、市民約750人に食中毒を起こさせた。1995年に東京の地下鉄でサリン事件を起こした日本のオウム真理教も、生物兵器の実験を行ったが、効果はなかった。2001年に米国で発生した炭疽菌攻撃（次項で詳述）では、5人しか死亡しなかった。懐疑論者は、このような事件は、バイオテロリストが広範囲に損害を与えることができない証拠であると指摘する。しかし、他のアナリストはそう考えていない（図22.12）。
図 22.12 バイオテロリズム
遠くない将来に大規模なバイオテロが発生すると考える専門家もいれば、バイオテロは効果のない戦術だとする専門家もいる。攻撃方法には、食糧や水源の汚染（A）、爆弾（B）、郵便物の利用（C）、水の汚染（F）、エアゾール化した薬剤の散布（E、G）、直接注射（D）、「自殺感染者」の潜入（H）などがある。
Osterbauer PJ, Dobbs MR (2005)より。神経生物学的武器。Neurol Clin23, 599-621.
炭疽菌のような生物学的製剤の中には、増殖や兵器化にほとんど専門知識を必要としないものもある。微生物学的な情報がインターネット上で普遍的に入手できるようになった今、大規模なバイオテロが発生するのは時間の問題だと考える専門家もいる。炭疽菌を積んだ小型の飛行機が大都市上空を飛行すれば、数百万人どころか数十万人が死亡する可能性がある。この問題をさらに深刻にしているのは、2010年の連邦委員会が、米国はバイオテロ攻撃への備えがまったくできていないことを明らかにしたことである。
心理的な影響とコスト
ベトナム戦争で、ベトコンゲリラはブービートラップとして迷路のような穴を掘った。その中には、研ぎ澄まされた竹の杭や、人間の排泄物が付着した破片が置かれていることが多い。これらから厄介な感染症にかかることもあったが、主な目的は心理的なものであった。この戦術は成功した。アメリカ軍の反応は、実際の脅威とは不釣り合いな形で動きを変えるものであった。2001年にアメリカで起きた炭疽菌の攻撃でも、同様のシナリオが展開され、郵便業務が大混乱に陥り、膨大な費用が新たに発生した。しかし、死者はわずか5名であった。(同じ年にインフルエンザや肺炎で死亡したアメリカ人の数は約62,000人である）
これらの例はいずれも、2つの重要な点を強調するのに役立つ：第1に、生物兵器が直接的な影響よりも心理的な影響の方がはるかに大きいことはほぼ確実であること、第2に、生物兵器による攻撃に対する防護措置はコストがかかり、不便であることである。例えば、起こりうるすべての生物学的病原体に対するワクチンを兵士に投与することは非現実的であり、もしそれが徹底的なテストなしに緊急事態の下で開発されたものであれば、危険である可能性がある。また、ワクチンには副作用がある。1971年に承認されたアメリカ陸軍の炭疽菌ワクチンを考えてみよう。ワクチン接種には6回の接種と毎年のブースターが必要である。5〜8%に注射部位の腫れや炎症、約1%に重篤な局所反応が出るが、全身に大きな反応が出ることは稀である。自然暴露に対しては効果があるが、炭疽菌の芽胞が濃縮されたエアロゾルに対しては効果があるかは不明である。
あるいは、天然痘ワクチンについて考えてみよう（図22.13）。CDCは、100万人がワクチンを接種するごとに、1,000人が重篤な副作用を、14〜52人が生命を脅かす副作用を、そして1〜2人が死亡すると推定している。多くの人が死んだり病気になったりすることをあらかじめ承知の上で、ありもしない脅威から守るために軍隊や国民全体にワクチンを接種する価値があるのだろうか。疫学的に見れば、答えは明らかに「ノー」であり、国民が天然痘の予防接種を受けない理由もそこにある。公衆衛生の一般的なルールは、病気のリスクがワクチン接種のリスクよりも大きい場合にのみ、ワクチン接種を行うことである。
図 22.13 天然痘ワクチン
人の患者における天然痘ワクチン接種の正常な皮膚反応の進行の仕方
出典米国疾病対策センター（Centers for Disease Control and Prevention）。
ワクチン接種をやめて、防護服や人工呼吸器など他の対策に切り替えたとしても、経済的な負担は残る。バイオテロ対策に多額の資金を投じた国は、その資金をもっと生産的な方法で使うことができたかもしれない。軍隊に特殊な衣服や装備を着せることは、熱ストレスを助長し、通常兵器の標的になりやすくなる可能性がある。さらに、感染症を予防するために服用する薬は高価で、100%有効であることはまれであり、長期的に健康に悪影響を及ぼす可能性がある。
生物兵器は古来より行われてきた。しかし、効果があったのはごくまれである。自然に発生する感染症の方がはるかに多くの人を殺している。しかし、バイオテロは今日、深刻な脅威となる可能性がある。たとえ死者が比較的少なくても、心理的な影響は甚大である。
生物兵器に適した薬剤を特定する
生物兵器は、敵を殺傷し、心理的に威嚇するために使用される。後述するように遺伝子操作で「改良」することは可能かもしれないが、自然界に存在する多くの病気が有効な薬剤である。
効果的な生物学的製剤を作るにはどうすればいいのか？5つの主要な要素を考慮する必要がある。
準備すること
病原性微生物の中には、培養が比較的容易なものもあれば、大量に製造することが極めて困難であったり、高価であったりするものもある。例えば、ウイルスは宿主細胞内でのみ増殖可能であり、動物細胞の培養は細菌の培養よりも複雑である。同様に、マラリア原虫やアメーバ赤痢菌のような病原性真核生物も大量培養が難しいが、病原性真菌の中には比較的容易に培養できるものもある。細菌は一般に大規模な製造が最も容易だが、ほとんどの細菌感染症は抗生物質で治すことができる。ウイルスは培養が難しいが、抗ウイルス剤の種類は少ないが増えているにもかかわらず、ほとんど治らないという利点がある。
もう一つの要因は兵器化である。病原体は、保管や拡散を容易にする方法で準備されなければならない。細菌の細胞や芽胞は自然に塊になる傾向があるため、効果的に運搬できるように武器化する必要がある。
分散
生物兵器にとって分散は特に難しい課題である。最も可能性が高いのは、何らかの形で空輸することであろう。しかし、屋外で使用する場合、この戦術は天候の影響を受けやすい。心地よい風が吹くだけでなく、風向きが適切でなければならない！1950年代、英国政府は無害な細菌を使ったフィールドテストを行った。農地の上空で風に吹かれると、空気中に浮遊していたバクテリアの多くが生き残り、生きて地上にたどり着いた。一方、工業地帯、特に石油精製所などの上空を風が通過すると、空気中のバクテリアはほとんど死滅した。皮肉なことに、大気汚染はバイオテロ攻撃から都市住民を守るのに役立つかもしれない。屋内攻撃のために生物兵器をエアロゾル化するには、建物の換気装置や医療用ネブライザーを使うことができる（図22.14）。
図 22.14 ネブライザー
医療用ネブライザーは、屋内攻撃用の生物製剤をエアロゾル化するために使用される可能性がある。一般的には、加圧ガスを使用するジェットネブライザーと超音波振動に頼る超音波ネブライザーの2種類が使用されている。
永続性
永続性は、最も考慮すべき難しい要素かもしれない。一方では、生物学的製剤は配備の準備が整うまで貯蔵しておくことができ、敵に感染するのに十分な期間、環境中で生存していなければならない。一方では、勝者が敵地に侵入して征服することができないほど長く生き延びることは避けなければならない。
多くの感染症は乾燥に弱く、長時間空気に触れると不活性化する。さらに、太陽からの自然な紫外線も、多くの細菌やウイルスを不活性化させる。したがって、ほとんどの生物兵器用薬剤は、使用前にこの「外気要因」から保護し、その後できるだけ迅速に分散させる必要がある。例えば、多くのウイルスは、動物や人間の宿主の外では、数日しか生きられない。(しかし、これらの病原体による感染症は地域住民の間で持続する可能性がある）。
炭疽菌は、長期間の生存が可能であることから、生物兵器としてよく選ばれている。この病気の原因菌である炭疽菌は、丈夫で破壊しにくい芽胞を形成して拡散する（図22.15）。芽胞は、人間の肺の中などで適当な条件が整うと発芽し、通常の細菌細胞として増殖を再開し、生命を脅かす毒素を放出する。
図 22.15 炭疽菌の胞子
炭疽菌の芽胞は、細菌の細胞内で形成されるため、破壊することが難しく、非常に長い間持続する。
Ringertz SH, et al.より。(2000).ヘロイン・スキンポッパーにおける注射用炭疽。Lancet356, 1574-1575.
潜伏期間
通常兵器と比較して生物兵器に特有の問題は、感染症による死亡や無力化が比較的ゆっくりとしたプロセスであることである。エボラウイルスや肺ペストのような最も毒性の強い病原体であっても、死滅させるのに数日かかる。したがって、感染した敵は、かなりの期間、まだ戦うことができるだろう。しかし、あまりにも早く死滅する生物学的製剤は、敵の集団の中に広がる時間がないかもしれない。
高密度の実験室
感染性生物製剤の研究開発には、高密度の実験室が必要である。生物学的封じ込めは、4段階のレベルで評価される。バイオセーフティレベル1（BSL-1）の微生物は、非病原性の大腸菌など、ほとんどが無害である。BSL-2生物はヒトの病原体だが、サルモネラ菌のように実験室内で容易に感染するものではない。BSL-3の生物は危険で、結核やSARSのようにエアロゾルを介して感染することがよくある。BSL-4実験室は、エボラ出血熱のような極めて危険で容易に感染する微生物用である。
BSL-4の実験室は、全体が密閉され、通常の大気圧より少し低い状態に保たれている。万が一漏れた場合は、外気が実験室に流れ込み、汚染された空気が外に漏れることなく、実験室に留まることができるようになっている。作業はグローブポートのある安全キャビネットの中で行われる。BSL-4実験室に入るには、エアロックを使用し、外衣を実験着に交換する必要がある。実験着には、専用の空気供給装置を備えた特別な「宇宙服」がある（図22.16 ）。
図 22.16 バイオハザードの衣服の今昔
(A） ブブニック・ペストの時も、医師は致命的な病原体にさらされないように防護服を着ていた。大きなくちばしには、しばしば花やハーブが詰められ、心地よい香りがペストを遠ざけると考えられていた（Bartholin, Thomas Hafniae, 1654-1661:Historiarum aNATOmicarumに図解あり）。
提供：米国国立医学図書館
(B）今日のスーツは、より科学的で合理的だが、同じ目的を果たす。BSL-4の防護服を着用する実験従事者。
提供：USAMRIID、DoD、NIAID Biodefense Image Library。
終了後、科学者は実験着を脱ぎ、消毒液シャワーと紫外線ライトを備えた出口を使用する。一部の高密度の実験室では、出口が消毒液のプールに完全に浸かるように設計されている。紫外線ライトは、特にウイルスを扱う場合、実験室そのものとエアロックの両方を滅菌するために使用される。
研究のために高密度の施設を使用することは、費用と時間がかかる。生物兵器を工業的規模で製造する場合、不都合はそれに比例して大きくなる。しかし、テロリスト集団やならず者国家は、秘密保持にしか関心がなく、バイオセーフティへの配慮を放棄する可能性がある。米国陸軍の生物兵器に関する基準は、Box 22.1に示されている。
生物兵器の使用に影響を与える5つの主要な要因は、準備、分散、持続性、潜伏時間、および高密度の研究室の必要性である。有効な薬剤として、様々なウイルス、細菌、毒素が提案されている。これらは、疾病管理予防センター（CDC）によって、その危険度に応じて3つのカテゴリーに分類されている。
Box2 2.1
生物兵器に必要な条件
米国陸軍によると、生物兵器は以下の要件を満たす必要がある：
- 1.一貫して死や障害、損害を生み出すものでなければならない。
- 2.入手可能な材料から経済的かつ軍事的に十分な量を生産することができるものでなければならない。
- 3.製造・保管条件、軍需品、輸送の各条件下で安定であること。
- 4.既存の技術、装置、または弾薬によって効率的に普及させることができるものであること。
- 5.軍用弾から散布された後も安定していること。
生物兵器用選択薬に迫る
米国疾病管理予防センター（CDC）は、生物兵器が社会にもたらす潜在的な脅威のレベルに基づいて、3つのカテゴリーに分類している。これらの分類は、表 22.1に要約されている。炭疽菌は 2001年に米国で発生したバイオテロで使用された（Box 22.2参照）。
表22.1 生物兵器に関連するCDCリスト入りエージェント
| カテゴリーaの薬剤には、以下の理由でリスクをもたらす生物が含まれる： | |
|---|---|
|
|
| 細菌類 | |
| アンスラックス | 炭疽菌 |
| ペスト | エルシニア・ペスティス |
| 野兎病 | ツラレン菌 |
| ウイルス | |
| 天然痘 | しゅじゅつ |
| フィロウイルス | エボラ出血熱 |
| マールブルグ出血熱 | |
| アレナウイルス | ラッサ熱 |
| ジュニンウイルス | |
| 毒素 | |
| ボツリヌス菌由来ボツリヌストキシン | |
カテゴリーBのエージェントは、以下のものを含む：
|
|
| 細菌類 | |
| ブルセラ病 | ブルセラ菌 |
| グランダース | バークホルデリア・マレイ |
| メリオイドーシス | バークホルデリア・シュードマレイ |
| Q熱 | コクシエラバーネッティ |
| 食品または水を媒介とするいくつかの腸内細菌性疾患。 | サルモネラ菌、赤痢菌、ビブリオコレラ菌 |
| ウイルス | |
| アルファウイルス | ベネズエラ脳脊髄炎 |
| 東・西馬音内脳脊髄炎 | |
| 毒素 | |
| トウゴマ由来のリシン・トキシン | |
| Clostridiumperfringens由来ε-トキシン | |
| スタフィロコッカス由来エンテロトキシンB | |
| カテゴリーCのエージェント | |
| ニパウイルス、ハンタウイルス、フラビウイルス（黄熱病、デング熱）、多剤耐性結核など、将来的に大量伝播する可能性のある新興病原体。 | |
Box2 2.2
2001年の米国における炭疽菌攻撃について
2001年9月の世界貿易センタービルへのテロ攻撃の直後、炭疽菌の芽胞が米国郵政公社を通じて配布された。この炭疽菌による攻撃は、2つの点で注目された。それは、生物兵器が実際にはあまり有効でないことを裏付けるものであった。また、バイオテロは心理学的な側面が重要である。間違いなく、政府の過剰反応と国民のパニックは、炭疽菌攻撃そのものよりもはるかに大きな被害をもたらした。
アメリカのバイオディフェンス研究所の内部関係者が攻撃を行ったのである。犯人は陸軍の科学者で炭疽菌の専門家であったブルース・アイビンスであると刑事は考えているが、彼は起訴されることなく2008年に自殺した。2010年、FBIはこの事件を正式に解決した。しかし、アイビンズの証拠に疑問があることから、再捜査を求める声も出ている。
犯人が使用したのは、全米の研究所で広く使用されている炭疽菌のエイムズ株である。炭疽菌の発生源を追跡する際の大きな問題は、炭疽菌の様々な菌株がすべて密接に関連しており、見分けるのが難しいことである。16S rRNA、23S rRNAのいずれの配列も異なる菌株間で違いは生じない。実際には、一塩基多型（SNP）や可変長タンデムリピート（VNTR;23章参照）を用いて解析が行われる。例えば、Bacillus anthracisのvrrA遺伝子は、機能未知のタンパク質のコード領域内にCAATATCAACAAという配列が2〜6コピー含まれている（図A）。
図A 炭疽菌のvrrAVNTRについて
炭疽菌のvrrA遺伝子（青）は、コード領域に伸縮自在のリピートがある。炭疽菌の株によって、ポリメラーゼの滑りのために繰り返しの数（緑色）が異なるため、繰り返しの数を比較することで追跡することができる。PCRは、リピートを含む領域を増幅するために使われる。PCR産物の長さから、リピートの数がわかる。
これらの繰り返しは、もともと複製時にDNAポリメラーゼが滑ることによって生じたと思われる。このリピートはリーディングフレームを変化させないが、コードされたタンパク質内でGln-Tyr-Gln-Glnの4アミノ酸配列の対応するリピートをもたらす。このほかにも、pOX1ビルレンスプラスミド上のものも含め、いくつかのVNTRが現在使用されている。炭疽菌の多様性は、VNTR解析の結果、アフリカ南部が最も高く、炭疽菌の故郷である可能性が高いと考えられている。
炭疽菌とその他の細菌性薬剤
炭疽病は、牛の悪性疾患であり、人間にも容易に感染する。炭疽菌は培養が比較的容易で、芽胞を形成し、ほとんどの細菌が死滅するような過酷な条件下でも生き延びることができる細菌である。芽胞は土の中で何年も休眠し、適当な動物に接触すると発芽することがある。
炭疽病は主に3つの型が発生する。皮膚炭疽は、皮膚に感染しても危険なことはほとんどない。胃腸炭疽は、主に放牧動物に発生し、人間には比較的少ないが、汚染された肉から細菌や芽胞を摂取することにより発生することがある。肺から芽胞が侵入する吸入性炭疽は、死亡率が高い。炭疽菌は、致死性で感染力が強く、製造コストが安く、芽胞がよく保存できる理想的な生物兵器といえる。
しかし、炭疽菌の問題は、芽胞が非常に丈夫で寿命が長いため、敵対関係が終わった後に駆除することがほとんど不可能であることである。第二次世界大戦中、英国はスコットランド沖に浮かぶ小さな島、グリュイナード島で炭疽菌の実験（標的は羊）を行った。火攻めや消毒が行われたが、土壌に炭疽菌の芽胞が残っていたため、50年近く人が住めない島だった。1990年にホルムアルデヒドと海水の溶液で処理され、ようやく安全が確認された。炭疽菌の芽胞が破壊されないということは、軍事的な占領には問題があるが、防衛手段としては有用であろう。炭疽菌の芽胞を人口の少ない土地の土壌に播くことで、外敵の侵入を防ぐことができる。
ペストの原因菌であるYersinia pestisは、中世に流行した悪名高い黒死病の原因菌であり、現在ではバイオテロリズムの脅威ともなっている。ペストは通常、ノミに刺されることで感染する。しかし、エアロゾル化した細菌が肺炎型ペストを引き起こすことがある。この病型は感染力が強く、未治療の場合、死亡率は100%に近い。第二次世界大戦中、日本が生物兵器としてペストを使用した（前述）ほか、イギリスの生物兵器センター、ポートン・ダウンでは、戦後数年間、大規模なペストの培養を続けていた。1960年代には、米国がベトナム、ラオス、カンボジアでネズミの間にペストを拡散させる実験を行ったが、ほとんど実用的な効果はなかった。ペストは自然界から比較的容易に入手できるため、バイオテロリストにとって魅力的な武器となるかもしれない（図22.17）。
図 22.17 ペスト貯水池
リスやプレーリードッグなどの齧歯類は、ペストの自然な貯蔵庫となる。写真はカリフォルニアの地リス。
ヘイワードP.(2013)より。米国における希少な人獣共通感染症。Lancet InfectDis13, 740-741.
2009年の未確認情報では、アルジェリアのアルカイダテロリスト40人が偶然ペストに感染し死亡したとのことで、おそらく生物兵器の実験が失敗したものと思われる。
その他の潜在的な細菌剤としては、以下のものがある：
- ブルセラ症とは、牛、ラクダ、ヤギ、およびその関連動物の病気である。ブルセラ病は、1954年から1969年にかけて、米国が生物兵器として開発したものである。ヒトでは、症状が出るまでの時間や病気の経過が不規則である。数週間にわたり重症化することが多いが、未治療でも致命的になることはほとんどない。無力化剤として使用される可能性がある。
- フランシゼラ・ツラレンシス（Francisella tularensis）。野兎病は、ネズミや鳥の病気で、未治療の場合、ヒトでは5～10%の死亡率になる。感染力が強く、一般に罹患すると無力化するとされている。
- メリオイダス症は、馬の病気である鼻疽（Burkholderia mallei）に関連している。メリオイダス症は極東の齧歯類の珍しい病気で、ネズミノミによって伝播する。メリオイダス症は、鼻疽よりも毒性が強く、未治療の場合、ヒトでは95%程度が致命的となる。
多くの点で、炭疽菌は最高の生物兵器の一つである。炭疽菌は致死的で、感染力が強く、製造が容易で、胞子が長持ちする。ペストも致死的で、その肺炎型は人から人へ感染する可能性がある。また、ブルセラ病や野兎病など、無力化する可能性のある薬剤もある。
天然痘およびその他のウイルス性病原体
天然痘の原因ウイルスであるバローラは、ポックスウイルスの仲間である。この大きなウイルスは、二本鎖（ds）DNAを含んでいる（図22.18）。
図 22.18 バリオラウイルス
天然痘を含むポックスウイルスは、その構造とDNA配列が密接に関連している。これらのウイルスは、2つのエンベロープ層で囲まれたdsDNAのゲノムを持つ。パリセードと呼ばれるタンパク質層がコアエンベロープの中に埋め込まれている。また、感染後すぐに複製ができるように、あらかじめ作られたウイルス酵素がゲノムと一緒にパッケージされている。ポックスウイルスは動物に感染し、一番外側のウイルス膜は、前の宿主細胞の膜に由来するものである。
ポックスウイルスは、動物のウイルスの中で最も複雑で、光学顕微鏡で見ることができるほど大きなウイルスである。その大きさは、大腸菌などの細菌が1.0×0.5ミクロンであるのに対し、約0.4×0.2ミクロンである。ポックスウイルスは、細胞核内で複製する他の動物用DNAウイルスとは異なり、宿主細胞の細胞質でdsDNAを複製する。そして、細胞内に封入体と呼ばれる細胞内工場を作り、その中でウイルス粒子を製造する。ポックスウイルスは、150から200の遺伝子をコードする185,000個のヌクレオチドを持ち、これは複合細菌ウイルスのT4ファミリーと同程度の数である。
痘瘡は人にしか感染しないため、世界保健機関（WHO）によって1980年までに根絶された。天然痘は感染力が強く、2つの型が存在する：致死率30〜40%の大型と致死率1%程度の小型がある（図22.19）。両者のゲノム配列は約2%異なる。ワクシニアウイルスは、生ワクチンに使用される近縁の起源不明の弱毒ポックスウイルスである。天然痘やサル痘など、近縁のポックスウイルスに対して免疫が付与される。
図 22.19 天然痘
天然痘にかかった人は、特徴的な発疹が出る。
出典米国疾病対策センター（Centers for Disease Control and Prevention）。
政府にとって、天然痘のように粒子がかなり安定で長寿命のウイルスを大量に調製することは実現可能である。先に述べたように、旧ソ連がそれを行ったと考えられている。ウイルスは医療用のネブライザー（図22.14参照）を使うか、自殺志願者を使って意図的に自分に感染させ、人口密度の高い目標地域に移動させることで投与することができる。その際、大規模なイベントへの参加や交通機関の利用など、できるだけ多くの人と交わるようにする。しかし、感染には密接な接触が必要であり、感染力が最も強い時には、実際に人前を歩き回ることができないほど体調が悪くなっていることもある。
多くのウイルスは大量培養が困難であり、保存中も不安定だが、他のいくつかのウイルスは生物兵器としての可能性があると考えられている：
- フィロウイルス エボラウイルスとマールブルグウイルスは、フィロウイルスと呼ばれる負の一本鎖（ss）RNAウイルスの一群を構成し、細長いフィラメントを形成する（図 22.20）。患者は嘔吐し、目や耳を含む様々な開口部から血液をにじませる。スーダンやザイールで発生したエボラ出血熱の致死率は80〜90%であったが、近縁種でそれほど強毒性のものは存在しない。例えば、1989年、バージニア州レストンの研究施設において、オナガザルの間でエボラ出血熱が発生した。しかし、この株は人間に対して致死的なものではなかった。感染には、一般に感染した体液にかなり触れる必要があるため、フィロウイルスは気軽な接触で感染することは困難である。このため、フィロウイルスは生物兵器として使用するには、比較的不向きなウイルスと言える。
図 22.20 エボラウイルス
エボラウイルスを写した電子顕微鏡写真である。
Moran GJ, Talan DA, Abrahamian FM (2008)より。生物学的テロリズム。Infect Dis Clin NorthAm22, 145-187.提供：米国疾病管理予防センター/シンシア・ゴールドスミス。
- フラビウイルス デング熱と黄熱病は、どちらもフラビウイルス科のメンバーによって引き起こされる。黄熱病は致死率が高いのに対して、デング熱は致死率が低いものの、痛みが強く、数日間動けなくなる。しかし、どちらも虫に刺されることで感染するため、生物兵器としての利用は困難である。
- アレナウイルス 1960年代後半にナイジェリアのラッサ川流域で発生したアレナウイルスは、症状的にエボラ出血熱に類似したラッサ出血熱を引き起こす。この分割型ssRNAウイルスは死亡率が極めて高く、通常ネズミによって拡散される。
天然痘は、生物兵器として最も利用されやすいウイルスである。感染力が強く、死亡率は30%から40%に達することがある。死亡率の高い他のウイルスは、配布が法外に困難な場合がある。
サビとその他の菌類
真菌類は、例えば穀物やジャガイモなど、食糧供給の重要な部分を占める主食用作物に対して最も効果的に使用できるかもしれない。これらの作物を破壊する真菌は、さび病、スマット病、カビ病など、多種多様なものが存在する。その胞子は感染力が強く、風や雨で飛散しやすいものが多く、有効な治療法がない場合も多い。
大豆のさび病や小麦の茎のさび病は、主要作物を破壊する可能性のある病原性真菌の例だ。作物を破壊するだけでなく、ある種の真菌は毒素を産生することもある。例えば、エルゴがライ麦などの穀物に繁殖すると、エルゴ中毒と呼ばれる症候群を引き起こす混合毒素を生成し、痙攣、幻覚、そして死に至ることもある（図22.21）。セイラムの魔女裁判を引き起こしたヒステリーの原因は、このエルゴット中毒にあったのではないかと考える研究者もいる。
図 22.21 クワズイモのエルゴット
小麦やライ麦などの穀物や、ここに紹介するヤブガラシなどのイネ科植物に、クラビセプスプルプレアのような真菌が感染する。成熟した菌は、エルゴットボディやスクレロティアと呼ばれる紫色から黒色の体を、通常なら穀物が位置する場所に形成する。
オハイオ州立大学園芸作物学部のDavid Barker提供。
また、穀類や豆類に感染し、発がん性のあるアフラトキシンを生成するAspergillus flavusも真菌の可能性がある。アフラトキシンは、急性中毒で肝障害を起こし死亡することがあり、慢性的に暴露されると癌になることがある。アフラトキシンのない食品を供給するために、多大な努力が払われている。
生物兵器という観点から見ると、農作物に対して真菌類を使用することには多くの利点がある。第一に、たとえごく一部が感染していても、作物全体をスクリーニングしなければならず、大きな混乱と経済的損失が生じる可能性がある。第二に、農地の上空に真菌の胞子を飛行機で散布することで、簡単に拡散させることができる。また、種子が感染する可能性もある。特に、種子の多くは米国に輸入されており、より容易に汚染にアクセスできる可能性がある。第三に、現代の農業は、遺伝子的に同一の品種が高密度に植えられていることが多いため、感染に対して特に脆弱である。このように遺伝的可変性がないため、感染が急速に拡大する可能性がある。最後に、農作物を攻撃する真菌は、それを使用する人にほとんど危険を及ぼさない。
感染力の強い菌類の胞子は、主食用作物を狙った生物兵器として利用される可能性がある。
精製された毒素
生物兵器に対するもう一つのアプローチは、生きた感染性物質ではなく、精製した毒素を使用することである。相当量の精製が可能な様々な毒素が知られている。細菌、藻類や菌類などの原始的な真核生物、高等植物、動物はすべて毒素を作る（表 22.2）。
表22.2 生物兵器に関連する毒素
| トキシン | LD50 (μg/kg) | 生産者オーガニズム |
|---|---|---|
| ボツリヌス毒素A | 0.001 | ボツリヌス菌 |
| エンテロトキシンB | 0.02 | 細菌（ブドウ球菌） |
| シガトキシンP-CTX-1 | 0.2 | 海洋性渦鞭毛藻類 |
| バトラコトキシン | 2 | ポイズンアローフロッグ |
| リシン | 3 | ひまし |
| テトロドトキシン | 8 | フグ |
| ブイエックス | 15 | 合成神経剤 |
| 炭疽病致死毒素 | 50 | 炭疽菌 |
| アコニチン | 100 | 植物（モンシロチョウ、別名：狼煙） |
| マイコトキシンT-2 | 1200 | 真菌（フザリウム） |
ボツリヌス菌の毒素
最も毒性の強い物質として知られているのがボツリヌス毒素である。嫌気性細菌であるボツリヌス菌によって作られ、重症の食中毒であるボツリヌス中毒の原因となっている。生物兵器として提案されたこともあるが、実際にはボトックスという名前で化粧品に最も多く応用されている。また、筋弛緩剤が必要とされるいくつかの臨床症状の治療にも使用されている。
ボツリヌス毒素は神経毒で、神経から筋肉への信号の伝達を遮断し、筋麻痺を引き起こす。ボツリヌス毒素の驚くべき効能は、その酵素活性によるものである。亜鉛プロテアーゼであり、神経伝達物質であるアセチルコリンの放出に必要な神経筋接合部のSNAREタンパク質を切断する。死因は一般に肺の麻痺と呼吸不全である(図 22.22)．
図22.22 ボツリヌス毒素の作用機序
ボツリヌス毒素は、アセチルコリンの放出を阻害することにより、神経筋接合部の正常な機能を阻害する。
Sykes JE(2014)より。破傷風とボツリヌス症．イヌとネコの感染症、Ch.54、pp.520-530にて。Saunders/Elsevier, Philadelphia, PA, USA.
C.ボツリヌス菌はほとんど感染症を引き起こさないが、不適切な缶詰の中で増殖する。適切な缶詰は、圧力鍋を使って、クロストリジウムが作り出す丈夫な芽胞を破壊する。芽胞が破壊されないと、発芽する可能性がある。細菌が死んだ後、ボツリヌス毒素を放出し、食品に蓄積される。ボツリヌス毒素はわずか50ngで平均的な人間を殺すのに十分である。しかし、この毒素は加熱することで破壊することができる。
先に述べた日本のカルト教団オウム真理教のテロリストは、ボツリヌス毒素の使用を試みている。1990年から1995年にかけて、東京の様々な場所や在日米軍施設にエアロゾルが散布されたことが何度かあった。この攻撃は失敗に終わったが、その主な理由は、教団が毒素を生成できないC.ボツリヌス菌の菌株を使用したからだ。一方、何百万人もの人々が、シワをなくすために、ボツリヌス毒素（ボトックス）の極めて希薄な製剤を進んで顔に注射している。ボツリヌス毒素がシワの原因となる筋肉の収縮を抑制するため、この処置は有効である。
リシン
多くの高等植物がリボソーム不活性化タンパク質（RIP）を作っている。この酵素は、リボソームRNAの特定の配列からアデニンとリボースの間のN-グリコシド結合を切り離す。rRNAからアデニンを切り離すと、リボソームは完全に不活性化する。RIP1分子ですべてのリボソームを不活性化し、細胞全体を死滅させるのに十分である。RIPは前駆体タンパク質として合成され、植物細胞の細胞質から出た後に初めて完全に処理されるため、この毒素は植物を殺すことはない。異なる種類の生物から採取された不活性リボソームは、RIPに対する感受性が大きく異なる。哺乳類のリボソーム（28S rRNAを含む）は、圧倒的に感受性が高い。一方、細菌のリボソーム（23S rRNAを含む）に対する多くのRIPの活性は低いか無視できる程度であり、このため、いくつかのRIPの遺伝子をクローニングし、大腸菌で発現させることができた。
リシンは、多くの細菌毒素と同様に、A鎖が毒性酵素活性を示し、B鎖が標的細胞への侵入を媒介する典型的なA-B毒素である。リシンの致死量は約3μg/kg（体重）であり、300μgで大柄な人間であれば死亡することになる。リシンは、ヒマシ科の植物Ricinus communis（図22.23）の種子から抽出される。この植物は、観賞用として、またひまし油の生産用として広く栽培されている。リシンは、広く入手可能で、毒性が強く、安定で、解毒剤もないため、生物兵器として使用された例がいくつもある。
図 22.23 ひまし油の種子
提供：Dan Nickrent（南イリノイ大学植物生物学部、カーボンデール、イリノイ州）。
リシンは1978年、ブルガリアの亡命者ゲオルギー・マルコフがロンドンの路上でリシンによって暗殺され、国際的に有名になった。共産主義者の暗殺者は傘を改造し、リシンを充填した直径0.6mmの中空金属球をマルコフの脚に注入したのである。1991年、ミネソタ州で反政府・反税制の思想を持つ過激派グループ「愛国者会議」のメンバー4人が、自宅の実験室でリシンを精製。彼らはリシンでIRSや法執行機関を殺害することを企てたとして逮捕された。2013年末には、女優のシャノン・リチャードソンが、別居中の夫に罪を着せる目的で、リシンの入った手紙をバラク・オバマ大統領とニューヨーク市長のマイケル・ブルームバーグに郵送したとして有罪を認めた。全く別の事件では、2014年1月、ジェームズ・ドゥッチェも、個人的な確執があったエルビス・プレスリーの物まね芸人を陥れる目的で、オバマ大統領や他の政府関係者にリシンを送ったとして有罪を認めた。
アブリン
あまり知られていないが、リボソーム不活性化タンパク質でもあるアブリンは、リシンの4倍の毒性がある。アブリンは、一般にジキリティやロザリオエンドウとして知られるAbrus precatoriusの種子から得られる（図22.24）。
図 22.24 ロザリオエンドウの種子Abrus precatorius
ロザリオエンドウの美しい種子は、被膜が傷つくと強い毒性を発揮する。
イリノイ大学Kenneth R. Robertson提供。
美しい種子は、宝飾品、特にロザリオビーズに広く利用されている。しかし、この種子は非常に毒性が強く、割れたり傷ついたりすると、皮膚を少し刺しただけで致死量のアブリンを吸収してしまう。宝飾品製造者や種子を摂取した人がアブリン中毒になったという報告があるが、アブリンが生物兵器として使用された例は知られていない。
コノトキシン
円錐カタツムリは、少なくとも100種類以上のコノトキシンを含む毒カクテルを使って獲物を麻痺させ、殺す捕食者である。人間にとって最も危険な巻貝であるConusgeographusは、口吻にある毒を含んだ「銛」で魚を刺す（図22.25）。
図 22.25 円錐形のカタツムリ、Conus geographus
コガネムシは猛毒の毒を出す。
Andreotti N, et al.より。(2010).動物の毒からのペプチドの治療価値。化学、分子科学、化学工学のレファレンスモジュール、包括的天然物II.Chemistry and Biology（化学と生物学）。Vol.5 Ch.10, pp.287-302.Reedijk, J. Elsevier, Waltham, MA, USA.編著。
コニシキガイの刺傷による死亡は、主にα-コノトキシンによるもので、筋麻痺を引き起こし、呼吸停止に至る。他の毒素が心肺機能の低下を引き起こすこともある。症状的には、α-コノトキシンはボツリヌス毒素に似ているが、作用機序は異なる。ほとんどのコノトキシンは10～30アミノ酸の短いペプチドであるため、生物戦の観点から懸念されるのは、政府やテロリストがコーンカタツムリから毒を採取することではなく、毒素が化学的に合成されることである。
精製された毒素は生物兵器となる可能性がある。天然毒素はバクテリア、植物、動物から分離できるが、その他の毒素は化学的に合成することが可能である。ボツリヌス毒素は神経筋接合部を破壊し、最も強力な毒素として知られている。リシンとアブリンは、特定の植物が作るリボソーム不活性化タンパク質である。
バイオテクノロジーによる生物兵器用薬剤の強化
遺伝子操作によって、より危険な感染症病原体が作られる可能性が指摘されることがある。この主張には真実味もあるが、次のように考えてみる：
バイオテロリストが、大腸菌のような無害な実験用細菌を遺伝子操作で改造しようとしたとしよう。この細菌は、人体に侵入する際、免疫システムから隠れて「隠れる」ように設計することができる。さらに、毒素を注入して免疫細胞を拒絶するようにプログラムしたり、血液細胞から重要な鉄分を奪うための遺伝子を追加することもできる。さらに、細菌を感染力の強いものに変更することもできる。このような生物兵器は、恐ろしい武器になる。
残念ながら、この細菌はすでに存在している。それはYersinia pestisと呼ばれるものである。中国、インド、マダガスカル、米国など、世界の多くの地域で現在も流行しているペスト菌である。バイオテロリストは、致命的な生物兵器の遺伝子操作に何年もかける代わりに、母なる自然の産物を単離することができる。したがって、遺伝子工学による感染症の「改良」は、おそらく小さな脅威である。
しかし、生物兵器の遺伝子操作は理論的には可能であるため、ここではこの問題を簡単に考察することにする。
病原体の致死性を高めるエンジニアリング
ソ連の細菌戦施設では、天然痘ウイルスを改造し、さまざまな人工変異体やハイブリッドを生成したことが知られている。その詳細はほとんど不明である。しかし、最近のマウスポックス（エクトロメリアウイルス）の実験では、不安な結果が得られている。マウスポックスは天然痘と近縁だが、感染するのはマウスだけだ。その毒性はマウスの系統によって大きく異なる。遺伝的に抵抗力のあるマウスは、抗体ではなく、細胞媒介免疫に頼っている。ナチュラルキラー（NK）細胞や細胞傷害性T細胞が、天然痘ウイルスに感染した細胞を破壊し、ウイルスを体内から排除する。
研究者たちは、マウスポックスウイルスに、サイトカインであるインターロイキン4（IL-4）のヒト遺伝子を挿入して改良した。IL-4は、抗体を合成するB細胞の分裂を刺激することが知られている。IL-4が抗体の産生を促し、よりバランスのとれた免疫反応の改善につながるというのが、ウイルス工学の根拠であった。しかし、実際に起こったことは、予想とは正反対で、病原性が非常に高いウイルスが誕生したことだった。遺伝的に抵抗性のあるマウスをすべて殺しただけでなく、マウスポックスのワクチンを接種したマウスの50%をも殺したのである。過剰なIL-4の発現は、NK細胞や細胞傷害性T細胞を抑制した。さらに、抗体反応を高めることもできなかった。その理由は完全には解明されていないが、免疫系が極めて複雑な制御下にあることを改めて認識させるものである。
天然痘の予防接種に使われるワクチニアウイルスの株でも同様の結果が得られている。天然痘ウイルス自体にIL-4やその他の免疫制御因子を挿入することで、免疫反応を阻害して病原性を高めることができるかどうかは不明である。痘瘡ウイルスはすでに、NK細胞や細胞障害性T細胞の働きを阻害してウイルスを保護するための遺伝子を持っている（図 22.26）。これはサイトカイン応答修飾（crm）遺伝子と呼ばれるもので、その効果はポックスウイルスによって異なる。天然痘の病原性が高い理由のひとつは、すでに体の細胞媒介性免疫反応を破壊しているからかもしれない。この場合、IL-4を加えても病原性を高めることは期待できない。
図 22.26 ポックスウイルスの免疫回避
ポックスウイルスは、感染した細胞が宿主の免疫システムから攻撃されるのを防ぐために、様々なタンパク質を展開する。
カモフラージュされたウイルスの作成
遺伝子工学を用いれば、危険なウイルスを無害なバクテリアの中に隠すことも可能である。バクテリオファージが細菌の染色体やプラスミドにゲノムを挿入し、後に再出現して他の宿主に感染する場合、この戦略は自然界ですでに用いられている。
理論的には、小さな動物や植物のウイルスの全ゲノムを細菌のプラスミドにクローニングすることで、生物兵器を作ることができる。より大きなウイルスは、細菌や酵母の人工染色体で対応することができる。RNAウイルスの場合、細菌ベクターにクローニングする前に、まず逆転写酵素でウイルスゲノムのcDNAコピーを作成する必要がある。細菌のプラスミド上で安定的に維持されない塩基配列であるポイズン配列を含むウイルスは、おそらく別々の断片としてクローン化される可能性がある。このような戦略は黄熱病ウイルスには有効だが、完全で機能的なcDNAを得るには、試験管内試験で断片を結紮する必要がある。
細菌と真核生物の両方を含む多くの種類の細胞は、ある状況下で形質転換によりDNAまたはRNAを取り込むことができる。その結果、多くのウイルスの裸の核酸ゲノムは、DNAとRNAの両方が、そのタンパク質のカプシドやエンベロープがない場合でも感染性を持っている。したがって、ウイルスゲノムをクローン化すると、それを含むDNA分子自体が感染性を持つ可能性がある。また、RNAウイルスのcDNAは宿主細胞に感染し、RNAを含む新たなウイルス粒子を生み出すことができるものもある。これは、ポリオウイルス、インフルエンザ、コロナウイルスなどのRNAウイルスで実証されている。
RNAウイルスを作る最も簡単な方法は、ゲノムのcDNAバージョンを、強力なプロモーターの下流の細菌プラスミドにクローニングすることである（図22.27）。ウイルスゲノムの天然RNAバージョンは、転写によって生成される。誘導されると、細菌細胞は感染性のウイルス粒子を大量に生成することになる。危険なヒトRNAウイルスが、腸内の状況に対応するように設計されたプロモーターの制御下で、無害な腸内細菌に搭載されれば、恐ろしい脅威となる。
自然界に存在する微生物の多くはすでに非常に危険であるため、遺伝子操作によって生物兵器がより強力になることは小さな脅威である。しかし、ある種のポックスウイルスは、より強毒になるように改良されている。無害な細菌が持つプラスミドにウイルスのDNAを挿入することで、カモフラージュされたウイルスを作り出すことができる。
図 22.27 クローン化したRNAウイルスの発現
RNAウイルスのクローニングには、逆転写酵素を使って二本鎖DNAのコピーを作成する必要がある。このcDNAを適切な細菌プラスミドに挿入し、細菌細胞に形質転換する。ウイルスDNAの発現を制御するために、ウイルスcDNAの上流に強力なプロモーターを配置する。プロモーターが誘導性であれば、細菌に適切な刺激を与えると、ウイルスcDNAが発現し、多くの人に感染しうるウイルス粒子が生成される。
生物兵器の検出
実験室では、病原性細菌の中には増殖が遅いものや、まったく増殖しないものがある。これは、その微生物が潔癖な栄養要求をしていたり、宿主生物以外での培養が困難なためと思われる。しかし、バイオテクノロジーの進歩により、感染性の微生物はさまざまな手法で同定できるようになった。
分子生物学的診断法
分子診断学は、従来の微生物学的手法で病気の原因となる物質を培養して同定するのではなく、分子を分析するもので、一般的にはDNAが用いられるが、RNA、タンパク質、揮発性有機化合物を用いることもある。(その他の診断法としては、抗体技術を用いたものがあり、第6章で説明する）分子診断法には、より早く、より正確で、より高感度であるという利点がある。
診断法の一つに蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH：詳細は3章参照）というものがある。生検やその他の患者サンプルに、目的の病原体に特異的な蛍光DNAオリゴヌクレオチドを直接プローブする。病原体が存在すれば、プローブはその染色体の相補的なDNAに結合し、蛍光を顕微鏡で可視化することができる。ペプチド核酸（PNA）と呼ばれる新機軸は、DNAのマイナスに帯電した糖-リン酸骨格を中性のペプチド骨格に置き換えたものである。PNAでできたプローブは、相補的なDNAとより強く結合し、細菌細胞に入りやすくなる（図22.28）。
図 22.28 PNA FISHプローブ
ペプチド核酸（PNA）プローブを用いた蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）により、血液培養から酵母Candida albicansを検出する。蛍光顕微鏡観察、原倍率500倍。
ブラボーLT、プロコップGW(2009)より。診断用微生物学における最近の進歩。SeminHematol46, 248-258.
DNAを検出する他の方法の多くは、試料からDNAを抽出し、PCRで増幅するものである。特定の病原体に特異的なDNA配列を増幅するプライマーを設計することができるため、PCR自体が診断ツールとして機能する。PCR法の利点は、理論上1分子の標的DNAしか必要とせず、実験室で培養できない微生物にも有効であることである。欠点は、PCRが汚染や偽陽性の影響を受けやすいことである。PCRの一種であるランダム増幅多型DNA（RAPD）は、同じ細菌種の異なる菌株を区別するために使用することができる（第4章参照）。この機能は、疫学において感染症の広がりを追跡するのに有用である。
さらに、微生物の種ごとに異なる小サブユニット型リボソームRNA（SSU rRNA）配列（細菌では16S rRNA、真核生物では18S rRNA）を持っている。したがって、患者が未知の感染症にかかっている場合、臨床医はPCRを用いて微生物のSSU rRNAをコードする遺伝子を増幅することができる。SSU rRNAの保存領域を認識するプライマーを用いて、遺伝子を増幅する。その後、PCR断片の塩基配列を決定し、既知のDNA配列のデータベースと比較する。
一般的にSSU rRNAに依存するもう一つの技法は、チェッカーボードハイブリダイゼーションである。これは、1つのサンプルで複数の細菌を同時に検出・同定することができる。異なる細菌に対応する一連のプローブを、ハイブリダイゼーション膜に水平に並べて貼り付ける（図22.29）。PCR法は、様々な病原体が混在している可能性のある臨床サンプルから、SSU rRNA遺伝子の一部を増幅するために使用される。PCR断片は蛍光色素で標識され、膜に垂直に貼られる。変性とアニーリングを行いハイブリダイゼーションを可能にした後、メンブレンを洗浄して結合していないDNAを除去する。プローブとハイブリダイズしたサンプルは、明るい蛍光スポットとして現れる。
図 22.29 チェッカーボードハイブリダイゼーション
各候補菌の16S rRNAに対応するプローブをメンブレンフィルターに横に長いストライプ状に付着させる（1ストライプに1候補）。患者サンプルからのDNAを抽出し、16S rRNAのプライマーを用いたPCRで増幅する。PCR断片は蛍光色素でタグ付けされ、縦ストライプに貼付される。このように、各サンプルはそれぞれのプローブに暴露される。16S PCR断片が16Sプローブと一致すると、両者は結合し、2本のストライプが交差する部分に強い蛍光シグナルが形成される。
PLEX-IDというブレイクスルー技術がアボット・ラボラトリーズによって開発された。これは、従来のPCRと質量分析を組み合わせて、患者サンプル中の未知の微生物を特定するものである。DNAを抽出し、さまざまな標的配列を増幅するために、さまざまなプライマーセットを使用する。そして、その断片を質量分析計で分析し、質量を決定する。この情報から、DNAの塩基配列が推測され、病原体が特定される。PLEX-IDでは、8時間で診断が可能である。
将来、「電子鼻」を使って病気を診断することができるようになるかもしれない。その名の通り、このデバイスは、病原体や特定の病的状態にある身体から放出される揮発性有機化合物を検出するものである。
バイオセンサー
バイオセンサーは、生物学的なメカニズムに依存した反応を検出・測定するためのデバイスである（図 22.30）。バイオセンサーは、従来から医療診断や食品・環境分析に利用されてきた。最も大きな用途は、グルコースオキシダーゼという酵素を用いて、糖尿病患者のグルコースレベルを臨床的にモニターすることである。
図 22.30 バイオセンサー
バイオセンサーは、一般に、共通の設計を有している。高度に特異的な生物学的受容体分子が、例えば生物兵器など、関心のある標的分子を検出または相互作用する。信号が生成され、処理され、ユーザーのために表示される。
Arya SK, et al.より改変。(2012).バイオセンサー用途のZnOナノ構造および薄膜における最近の進歩：レビュー。Anal ChimActa737, 1-21.
今日、バイオセンサーを使った生物兵器検出への関心が高まっている。ショッピングモールや地下鉄の駅など、人通りの多い場所にバイオセンサーを設置すれば、継続的な監視が可能になる。さらに、攻撃の可能性がある現場で迅速な対応を可能にする携帯型デバイスは、非常に有用である。特定の抗体や抗体断片を生物兵器用の検出器として使用するいくつかの提案がある（抗体工学については第6章を参照）。
B細胞はある抗原に特異的な抗体を持っているので、B細胞全体をバイオセンサーに使うという案もある。B細胞の表面にある抗体に抗原が結合すると、シグナルカスケードが発動する。そこで、発光クラゲであるオワンクラゲの発光タンパク質「イクオリン」を発現させたB細胞を作製した。イクオリンは、カルシウムイオンの働きで青色に発光する（図22.31）。生きたクラゲは、実際に青色光の閃光を発し、有名な緑色蛍光タンパク質（GFP）により緑色に変換される。
図 22.31 イクオリンによる発光
オワンクラゲ由来のイクオリンは、基質であるコエンテラジンに酸素とカルシウムを加えると青色光を発する。酵素は酸素を介してイクオリンと結合し、カルシウムが存在すると、複合体は青色光を放ち、基質をコエレテラミドに分解し、二酸化炭素を放出する。
バイオセンサーでは、B細胞が病原体（あるいは特定の抗原）を検出すると、シグナルカスケードの活性化により、カルシウムイオンが細胞内に溢れ出す（図22.32）。このとき、イクオリンによる発光が誘発される。発光した光は、感度の高い電荷結合素子（CCD）検出器によって検出される。この方法では、生物兵器に含まれる5～10個の粒子を検出することができる。異なる病原体に特異的な約10,000個のB細胞を、バイオセンサー内に設置されたチップにアレイ状に組み立てることができる。
図 22.32 B細胞光学バイオセンサー
B細胞にイクオリンを発現させれば、B細胞活性化の検出システムができる。生物兵器などのトリガー分子がB細胞のレセプターに結合すると、カルシウムチャネルが開かれ、カルシウムが細胞内に溢れ出す。カルシウム濃度が高くなると、イクオリンが活性化して青色光を発するようになる。電荷結合素子（CCD）がこの発光を測定し、生物兵器が使用されていることを警告する。
オーストラリアのアンブリ社が開発したもう一つの方式は、人工生体膜に抗体断片を取り付け、それを金電極層で覆われた固体支持体に密着させるものである。膜にはナトリウムイオンのチャネルが組み込まれている。イオンチャネルが開くと、ナトリウムイオンが膜を横切って流れ、金電極に電流が発生する。イオンチャネルは2つのモジュールで構成され、それぞれが膜の半分にまたがっている。上下のモジュールが一体化すると、イオンチャネルは開いた状態になる。上のモジュールが引き離されると、イオンチャネルは動作できなくなる。抗体断片による生物兵器との結合は、チャネルの2つの半分を分離し、その結果、電気信号に影響を与える（図22.33）。
分子技術、特にリボソームRNA配列をコードする遺伝子を用いた病原性細菌の診断は、従来の微生物学的手法よりも迅速かつ高感度である。バイオセンサーは、生体成分そのものを利用して、疑わしい生体分子を監視するものである。
図 22.33 抗体イオンチャネルバイオセンサー
特定の生物学的薬剤に結合する抗体断片を設計し、人工膜の固定位置にテザーで固定することができる。同じ抗体フラグメントの別の分子は、ナトリウムチャネルにテザリングされている。人工膜は、電極として機能する金でコーティングされた固体支持体上に運ばれる。これにより、イオンチャネルを通過するナトリウムイオンを検出する。生物学的物質が存在すると、抗体フラグメントがそれに結合し、ナトリウムチャネルの上半分と下半分の位置がずれるように引っ張られる。ナトリウムイオンは金電極を通過しなくなり、信号が減少する。
まとめ
生物兵器は、生命が進化したときから存在していた。人類が最も懸念しているのは、感染症や、微生物が抗菌剤に対する耐性を進化させる能力など、私たちに向けられた生物兵器である。このような進展は憂慮すべきことだが、増大する抗菌剤耐性問題に反撃するために、新たな戦略や技術が開発されている。
人類はこれまで、生物学的製剤を戦争に利用することをしばしば試みてきたが、全体としての成功はほとんどなかった。炭疽菌、ペスト、天然痘などの強毒性感染症や、リシン、アブリンなどの生物学的毒素は、生物兵器の可能性があると考えられている。遺伝子工学によって「改良型」生物兵器が生み出されるかどうかは、まだ不明である。微生物の迅速な検出・診断方法の開発は、活発な研究分野である。
章末の問題
- 1.細菌の毒素は何を殺すことができるだろうか？
- a.昆虫細胞
- b.人間の細胞
- c.他の細菌細胞
- d.原生動物
- e.上記すべて
- 2.新規抗菌戦略について、正しい記述はどれか。
- a.シデロフォアはヒトに存在しないので、副作用が薄れるので良いターゲットである。
- b.クオラムセンシングを阻害すると、細菌はより多くの抗生物質耐性バイオフィルムを生成する。
- c.アルキル-およびアリール-マンノース誘導体はFimHアドヘシンに結合し、天然レセプターへの付着が促進される。
- d.ファージ療法は、トランスダクションにより菌の病原性を増加させる。
- e.アフラトキシンを生産することで、穀類に付着した真菌の増殖を抑制する。
- 3.細菌戦の重要な考察はどれか。
- a.分散
- b.病原体の持続性
- c.潜伏期間
- d.薬剤の保存と調製
- e.上記すべて
- 4.アメリカ陸軍によると、生物兵器の要件は次のうちどれだろう？
- a.経済的に生産できるものであること。
- b.一貫して死、障害、または損害をもたらすものでなければならない。
- c.生産から納品まで安定していること。
- d.迅速かつ効果的に普及させることが容易であること。
- e.上記はすべて生物学的製剤の要件である。
- 5.次のうち、生物兵器としての可能性がほとんど考慮されていないものはどれか。
- a.ウイルス
- b.バクテリア
- c.病原性真核生物
- d.病原性真菌
- e.上記のどれでもない
- 6.本文によると、生物兵器の中で最も優れているものはどれだろうか？
- a.炭疽菌
- b.マラリア
- c.アメーバ赤痢
- d.天然痘
- e.上記のどれでもない
- 7.B. anthracisの菌株は近縁であるため、どのようにして菌株を区別することができるのだろうか？
- a.16S rRNAの塩基配列決定
- b.VNTRs
- c.23s rRNAシーケンシング
- d.遺伝子発現プロファイル
- e.上記のどれでもない
- 8.黒死病はどのように感染するのか？
- a.ダニ
- b.人から人へ
- c.ノミ
- d.げっ歯類
- e.鳥類
- 9.天然痘の生ワクチンとして使用されるのは次のうちどれ？
- a.大バリオラ
- b.サル痘
- c.小児バリオラ
- d.ワクシニアウイルス
- e.上記のどれでもない
- 10.デング熱と黄熱病は、どのようなウイルスファミリーに属するだろうか？
- a.フラビウイルス
- b.ポックスウイルス
- c.フィロウイルス
- d.バリオラウイルス
- e.アレナウイルス
- 11.シデロフォア（siderophore）はどれだろう？
- a.アフラトキシン
- b.PA63
- c.イェルシニアバクチン
- d.アントラシマイシン
- e.ライジン
- 12.リシンの作用機序は？
- a.転写の不活性化
- b.rRNAの不活性化
- c.アポトーシス経路の活性化
- d.免疫系の不活性化
- e.細胞壁への孔の形成
- 13.農作物に対する生物学的製剤として使用可能なものはどれか。
- a.ウイルス
- b.バクテリア
- c.病原性真菌の芽胞
- d.プリオン
- e.上記のどれでもない
- 14.IL-4遺伝子の導入により病原性を獲得したものはどれか。
- a.サル痘
- b.天然痘
- c.水痘（みずぼうそう
- d.マウスポックス
- e.キャメルポックス
- 15.バイオセンサーを使って、どのように病原体を検出するのであるだろうか？
- a.電気信号や発光のトリガーとなる部品に接続された抗体によって。
- b.試料から病原体を直接分離する
- c.バイオセンサーは、ウェスタンブロットと同様に、特定の病原体に対する抗体を検出する。
- d.PCRを用いて病原体のゲノムの可変領域を増幅する。
- e.上記のいずれでもない
- 16.表面への細菌の付着を防ぐことで、医療現場の衛生環境を改善したのは次のうちどれだろう？
-
- a.ブラックケイ素
- b.ナノピラー
- c.ナノカーぺット
- d.エステル・環状炭化水素の重合体
- e.上記すべて
-
- 17.ボツリヌス毒素の作用機序は？
- a.アセチルコリンの遊離を阻害する
- b.アセチルコリンの遊離を活性化させる
- c.筋肉を収縮させる
- d.アセチルコリンの作用を模倣する
- e.アセチルコリン受容体を刺激する
- 18.PCRと質量分析の両方を用いて、8時間以内に病原体を特定する技術はどれか。
- a.FISH
- b.PNA
- c.VNTR
- d.SNP解析
- e.PLEX-ID