Series50RX - sooki.co.jp · iii 本書の読み方 ・手順は連続測定を設定した場合のものです。その他の測定方法について は「D」に記載がある場合がありますので、ご覧ください
ImPACT野地プログラム調査報告書 ～長鎖DNA合成技術の進 …2019/03/01 · 1...
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ImPACT 野地プログラム調査報告書
～長鎖 DNA 合成技術の進展と課題～
ii
はじめに
生命科学・生命工学の地殻変動が起こりつつある。生命システムの物質的基盤は、核酸・蛋白
質・脂質・糖などの高分子・分子集合体をはじめとする極めて多様な分子にあるが、その設計図は第一
近似としてゲノム DNA にコードされていると言って良いだろう。これまでのゲノム DNA の理解は、配列決
定という分析的アプローチによって牽引されて来た。一方で、ゲノム編集技術が爆発的に広まり、ゲノム配
列を人為的に局所改変することによるゲノム配列の新しい理解および制御ができるようになっている。ゲノ
ム編集に代表されるようなゲノム配列の人為操的操作によるアプローチの極限は、ゲノム配列をゼロから
人工設計・合成しその機能を検証することであろう。近年、化学合成されたオリゴヌクレオチドからのゲノム
DNA の合成、および合成ゲノム DNA の細胞内での機能発現がいくつかのグループから発表され、「ゲノ
ム DNA を書く」という新しい潮流が生まれている。国際コンソーシアムとしての Genome Project Write
（GP-Write）は、そのような潮流の象徴と言える。
このように、「ゲノムを読む」という分析的アプローチから、「ゲノムを編集する」そして「ゲノムを書く」とい
う合成的なアプローチも取り込んだ新しい取り組みが活発化することが期待されている。しかし、現在のゲ
ノム合成技術自体はこれまでの遺伝子操作技術に立脚しており、「ゲノムを書く」研究が本格化するため
には、「ゲノム編集」における CRISPR/Cas9 のような技術革新が必要である。
現在、我々は内閣府革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）の「豊かで安全な社会と新し
いバイオものづくりを実現する人工細胞リアクタ」プログラム（2015 年 10 月-2019 年 3 月）の中で、
新しいゲノム合成に資する無細胞長鎖 DNA 合成技術の確立と社会実装に取り組んでいる。
本調査を実施した動機は、ImPACT「人工細胞リアクタ」プログラムで開発した長鎖 DNA 合成技
術の社会実装の戦略を策定するにあたり、関連技術を精査する必要があったことに加え、その技術が及
ぼす社会的影響を検討する必要が発生したことにある。特に、長鎖 DNA 技術が社会実装され広く普
及されるとバイオセキュリティ・バイオセイフティ上の問題（BS2 問題）が発生する可能性がある。そこで、
プログラムマネージャー（PM）および PM 補佐グループでプロジェクトを発足させ調査を実施した。これを
まとめたものが第 3 章の基礎となっている。さらに、ImPACT プログラム期間を通して調査した長鎖および
ゲノム DNA 合成技術の調査結果をまとめたものが第 1・２章となる。
本調査書をまとめるにあたり、合成ゲノム DNA 技術を利用した応用例を含む案も検討したが、応
用範囲が極めて多岐にわたるうえに個別性も高い。そのため、今回の調査書には含めなかった。
本調査書は、上述の通り本来 ImPACT プログラムでおこなった調査結果をプログラム内で共有す
ることを第一の目的としているが、合成 DNA 領域に参入する研究者やユーザーにとって有用であれば企
画・執筆したものにとって望外の喜びである。
2019 年 2 月
ImPACT プログラム・マネージャー 野地 博行（東京大学 教授）
iii
目次
ImPACT 野地プログラム調査報告書
～長鎖 DNA 合成技術の進展と課題～
第１章 概説 ································································································ 1
1. 背景 ······························································································· 1
2. 言葉の定義 ······················································································· 2
3. 合成生物学の勃興 ·············································································· 3
4. 合成生物学の世界市場 ········································································· 4
5. DBTL サイクル ···················································································· 6
6. ゲノム構成原理の解明 ··········································································· 7
7. DNA 合成のコスト低減 ·········································································· 8
8. 長鎖 DNA 合成の課題 ·········································································· 9
9. 国際コンソーシアム ············································································· 11
9-1 The Genome Project-write (GP-write) ········································· 11
9-2 Synthetic Yeast 2.0（Sc2.0） ····················································· 12
9-3 Techonology Working Group on future DNA synthesis technology ···· 13
10. 日本国内の状況 ··············································································· 15
10-1 神戸大学 ··············································································· 15
10-2 立教大学 ··············································································· 18
11. 調査方法 ······················································································· 20
12. 参考文献 ······················································································· 21
第２章 長鎖 DNA 合成の技術動向 ··································································· 23
1. 全体ワークフロー ················································································ 23
2. 技術動向分析 ················································································· 27
2-1 オリゴ DNA の化学合成（<102 mer） ··············································· 27
(1) ホスホロアミダイト法 ······································································· 27
① 反応原理 ··············································································· 27
② ホスホロアミダイト法のハイスループット化 ·············································· 30
(2) 酵素法（TdT 法） ······································································ 31
① TdT の酵素反応 ······································································ 31
② TdT 法の改良 ········································································· 32
(3) 技術分析 ················································································· 33
2-2 オリゴ DNA の連結（102~103 bp） ·················································· 34
(1) PCA 法の原理 ··········································································· 35
(2) オーバーラップ配列のデザイン ····························································· 35
iv
(3) PCA 法のハイスループット化 ······························································ 36
① On-chip 法 ············································································ 36
② Off-chip 法 ··········································································· 37
2-3 人工ゲノムの合成（>103 bp） ························································ 40
(1) オーバーラップ配列を用いる方法（Gibson Assembly 法） ························· 42
(2) Type IIs 制限酵素を用いる方法（Golden Gate 法）····························· 42
(3) DNA 熱変性反応を用いる方法（LCR 法） ·········································· 43
(4) 細胞を用いる方法（酵母集積法） ···················································· 44
2-4 エラー修復 ················································································· 46
(1) 酵素法 ···················································································· 47
(2) 次世代シークエンサー（NGS）法 ······················································ 48
① 物理的回収法 ········································································· 48
② 選択的 PCR 増幅法 ·································································· 49
3. 長鎖 DNA 合成の事例調査 ·································································· 50
3-1 アカデミア ·················································································· 50
3-2 長鎖 DNA 合成メーカー ································································· 51
3-3 バイオファウンドリー ········································································ 53
4. 米国特許調査 ················································································· 55
4-1 俯瞰的調査 ··············································································· 55
(1) Microarray ·············································································· 55
(2) Assembly ················································································ 57
(3) Error Correction ······································································· 59
4-2 出願人別調査 ············································································ 61
(1) Agilent Technologies（調査対象：46 件） ······································ 62
(2) Gen9（調査対象：45 件） ··························································· 63
(3) Synthetic Genomics（調査対象：31 件） ······································· 64
(4) Twist Bioscience（調査対象：28 件） ············································ 64
(5) GeneArt（調査対象：17 件） ······················································· 65
(6) Bioneer（調査対象：11 件） ······················································· 66
5. 参考文献 ······················································································· 67
第 3 章 人工ゲノム合成時代の到来とバイオセキュリティ ··············································· 72
1. 緒言 ····························································································· 72
1-1 背景および調査目的 ····································································· 72
1-2 言葉の定義 ··············································································· 72
1-3 調査方法（文献、学会参加、インタビュー） ··········································· 73
2. 重大インシデント発生に伴う規制の強化 ······················································ 73
2-1 バイオテロ ·················································································· 74
(1) 米国での対応 ············································································· 74
v
(2) 日本や世界での対応 ····································································· 76
2-2 熱帯性感染症 ············································································ 76
(1) 米国での対応 ············································································· 77
(2) 日本や世界での対応 ····································································· 77
3. デュアルユース研究の懸念（DURC） ························································ 77
3-1 人工マイコプラズマ ········································································ 78
3-2 鳥インフルエンザウイルスの感染性増強 ·················································· 79
3-3 人工馬痘ウイルス ········································································· 79
4. 国際コンソーシアムでの取り組み（遺伝子配列と顧客情報のスクリーニング） ············· 80
4-1 共通プロトコールの作成 ·································································· 80
4-2 ワークフロー ················································································ 82
4-3 スクリーニング結果の公表 ································································· 83
5. 日本での取り組み ·············································································· 83
5-1 JST CRDS の提言······································································· 84
5-2 日本学術会議の提言 ···································································· 85
6. ImPACT 野地プログラムでの取り組み（シンポジウムの開催） ····························· 85
6-1 講演 ······················································································· 86
(1) ゲノム合成時代の到来 ··································································· 86
(2) ゲノム合成技術の社会への影響 ························································· 87
6-2 パネルディスカッション ······································································ 87
7. まとめ ···························································································· 89
8. 参考文献 ······················································································· 91
1
長鎖 DNA 合成技術の進展と課題
第１章 概説
1. 背景
2018 年 6 月 15 日に政府が閣議決定した「統合イノベーション戦略」の中で、バイオテクノロジー
分野で開発に注力すべき基盤技術の 1 つとして「長鎖 DNA 合成」が挙げられている(1)。長鎖 DNA
合成技術は、21 世紀に入り勃興した合成生物学の中核的な基盤技術であり、欧米や中国においては
政府から莫大な公的資金が投入され、熾烈な技術開発競争が行われている。このような世界情勢の下、
我々、ImPACT 野地プログラム「豊かで安全な社会と新しいバイオものものづくりを実現する人工細胞リ
アクタ」では、従来の長鎖 DNA 合成技術を革新すべく、世界初となる無細胞系における長鎖 DNA 合
成技術の開発を進めている（詳細は 10-2 節を参照）。
上述のように、長鎖 DNA 合成技術は合成生物学の中核的な技術であり、同技術の進展に伴い、
食品・化学品・バイオ燃料・バイオ医薬品などの有用物質の生産効率が格段に高まり、今後、合成生
物学関連の世界市場が急速に拡大すると予想されている（詳細は 4 節を参照）。一方で、長鎖
DNA 合成技術が汎用技術として社会実装され、人工ゲノム・人工ウイルス・人工細胞などの作製が現
在よりも格段に容易となった際の社会的影響（バイオセキュリティ）も大きいと予想されており、研究者
自らが研究のメリットとリスクを積極的に情報発信し、研究の意義や正当性について一般社会を含めて
議論することが重要ととなっている(2)。しかしながら、合成生物学の若手研究者や一般社会向けに、近
年の長鎖 DNA 合成の技術動向を体系的に解説し、同技術の進展に伴う社会的影響を分析した日
本語の報告書や書籍はほとんどない。このような状況を踏まえて、ImPACT 野地プログラムの PM グルー
プ（田端和仁 PM 補佐、景山茂樹 PM 補佐、奥野大地 PM 補佐、高久春雄 PM 補佐）では、長
鎖 DNA 合成技術の全体像を正しく理解し、同技術を駆使した最先端の合成生物学のメリットとリスク
を多面的に議論するため、「長鎖 DNA 合成技術の進展と課題」と題した本調査報告書を取り纏めた。
最初に、第１章では合成生物学について俯瞰的な調査を行い、長鎖 DNA 合成技術の現状と課
題、そして課題解決に向けた国内外の取り組み状況等について概説した。次に、第２章では長鎖 DNA
合成技術を、オリゴ DNA の化学合成、オリゴ DNA の連結（人工遺伝子の合成）、人工ゲノムの合
成（人工遺伝子の集積）、塩基配列のエラー修復の４つの要素技術に分類し、各要素技術の動向
や特許状況について解説した。最後に、第３章では合成生物学に携わる国内研究者への意識啓発を
目的に、人工ゲノム合成時代の到来に伴うバイオセキュリティ・セーフティ（BS2）問題やデュアルユース
問題（下図）について解説した。なお、本調査報告書は ImPACT 野地プログラムで独自に取り纏めた
ものであり、内閣府や科学技術振興機構の見解を述べたものではないことを注記しておく。
2
長鎖 DNA 合成技術の進展とバイオセキュリティ・セーフティ（BS2）とデュアルユース問題
2. 言葉の定義
DNA の鎖長による分類（命名法）は完全には確立されていないが、本報告書では便宜上、鎖
長の短い方から長い方へ以下のように定義する。
① オリゴ DNA（<102 mer スケール）
• ホスホロアミダイト法などにより化学合成された一本鎖 DNA
• DNA オリゴヌクレオチドが正式名だが、本調査報告書では略式の一般名であるオリゴ
DNA に統一
② 人工遺伝子（102~103 bp スケール）
• PCA 法などにより数個から数十個のオリゴ DNA を連結した二本鎖 DNA
③ 人工遺伝子クラスター（103~105 bp スケール）
• Gibson Assembly 法などにより複数の人工遺伝子を連結した二本鎖 DNA
④ 人工ゲノム（>105 bp スケール）
• 酵母などの宿主細胞内で多数の遺伝子クラスターを連結した二本鎖 DNA
参考までに、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業（新技術シーズ）について
平成 30 年度の戦略目標として決定した「ゲノムスケールの DNA 合成及びその機能発現技術の確立と
物質生産や医療の技術シーズの創出」においては、オリゴ DNA は数百 mer 以下、遺伝子および遺伝
子クラスターは数百～105bp、ゲノムは 105bp 以上のサイズと定義されている(3)。近年の長鎖 DNA
合成技術の著しい進展により、鎖長が約 104bp までの人工遺伝子や人工遺伝子クラスターであれば、
DNA 受託合成会社にインターネットで注文して最短２-3 週間で入手できるようになったが、104bp 以
上の長鎖 DNA 合成においては酵母などの細胞内で長鎖 DNA 同士を集積する技術が必要である。以
下に、マイコプラズマ・大腸菌・酵母・ヒトのゲノム鎖長と、人工合成が可能なオリゴ DNA・遺伝子・遺伝
3
子クラスター・ゲノムの DNA 鎖長、受託合成会社へ外注可能な DNA 鎖長の関係を図解する。
DNA 鎖長の比較
3. 合成生物学の勃興
目的の遺伝子を意のままに改変できるゲノム編集は、制限酵素を基礎とした従来の遺伝子工学に
大きなイノベーションをもたらした。制限酵素は認識配列が固定されており、一般的には 6 塩基程度を認
識する。すなわち、確率的には 4096(4 の 6 乗)塩基対に１カ所の頻度で認識部位が存在し、ゲノム
レベル DNA（約 105 bp 以上）の改変には原理的に使用できない。ゲノム編集（gene editing）
はこの問題を抜本的に解決する技術として開発された。ゲノム編集の技術動向ついては本邦でも多くの
出版物があるので、本調査報告書では説明を割愛するが、第 3 世代の CRISPR-Cas9 の登場により、
ゲノム編集が誰でも簡単に安価で使える実験ツールとなり、遺伝子工学にイノベーションがもたらされたこ
とは周知のとおりである（JST 研究開発戦略センター･ライフサイエンス･臨床医学ユニット、調査報告書
「ゲノム編集」、CRDS-FY2014-RR-06）(4)。このように、ゲノム編集は画期的な技術であるが、天
然ゲノム配列を局所的に改変することしかできない点では従来の遺伝子工学ツールと同じである。例えば、
有用物質の生産性向上を目的とした新規代謝経路のデザインやゲノム全体にわたる遺伝暗号の改変
を行う場合、天然配列に依拠したゲノム編集では到底対応しきれない。
21 世紀に入り勃興した合成生物学（synthetic biology）は生物学と工学を融合して生命を
よりシステマティックに理解する学問領域であり、ゲノムをゼロから自由自在に設計する長鎖 DNA 合成技
術は合成生物学における基盤技術の１つである。近年の急速な技術開発により、ゲノムレベルの鎖長を
持つ人工 DNA の合成が可能となり、人工ゲノムマイコプラズマ(5)、人工ゲノム大腸菌(6)、人工ゲノム
酵母(7) の作製などに成功している。長鎖 DNA 合成を基盤技術とした合成生物学は、将来的に食
品・化学品・バイオ燃料・バイオ医薬品などの有用物質生産にイノベーションをもたらすと期待されており、
4
ImPACT 野地プログラム「豊かで安全な社会と新しいバイオものづくりを実現する人工細胞リアクタ」にお
いても、独自開発した無細胞人工ゲノム合成技術（課題 3A）と世界トップクラスの人工細胞デバイス
技術（課題 4A）を融合し、革新的な長鎖 DNA 合成技術の研究開発を進めている(8)。
参考までに、PubMed 検索でヒットしたゲノム編集（genome editing）と合成生物学
（synthetic biology）の論文数を左図に、遺伝子合成（gene synthesis または synthetic
gene）とゲノム合成（genome synthesis または synthetic genome）の論文数を右図に示す。
21 世紀初頭に勃興した合成生物学については 2004 年頃から論文数が指数的に増加し、2017 年
には 1,400 件以上の論文が発表された。一方、最新の遺伝子工学ツールであるゲノム編集については
2010 年頃から論文数が指数的に増加し、2017 年には 1,300 件近くの論文が発表された。また、長
鎖 DNA 合成技術に関連する遺伝子合成やゲノム合成の論文については、合成生物学という学問領
域が確立される以前から報告されているが、近年の合成生物学の進展に伴い、両者の論文数は漸増
傾向にある。ただし、ゲノム合成については遺伝子合成よりも技術的ハードルが格段に高いため、論文数
は相対的に少なく、2017 年においても 20 件程度に留まっている。
PubMed 検索でのヒット論文数の年次推移（2000-2017 年）
4. 合成生物学の世界市場
米国 Orion Market Research 社の分析によれば、合成生物学の世界市場は従来の伝統的な
分子生物学や細胞生物学とは異なる手法（例えば、人工遺伝子のデザインと合成に基づく酵素や代
謝経路の改良・創出）により生産される商品（農産物・医薬品・化学品・バイオ燃料など）とその技術
開発に必要な R&D 関連品（試薬や装置等）により構成される。同社の市場調査レポート「Global
Synthetic Biology Market Research and Forecast 2017-2022」(9)によると、合成生物学の
世界市場は急成長を続けており、2016年に2,200M$であった世界市場は年率30％で拡大を続け、
2022 年には 11,390M$に達すると予想されている。2016 年における地域別シェアでは北米が世界シ
ェアの 37.1%を占め最大市場で、次に欧州と環太平洋地域がそれぞれ約 27.5%と 26.8%とほぼ同
率で並んでおり、これらの地域別シェアは 2022 年まで大きく変動しないと予想されている。
5
合成生物学の世界市場（M＄、地域別）
Orion Market Research 社の許可を得て同社のレポート（OMR2017192）から転載
また、2016 年における合成生物学の世界市場を応用別に分析すると、農業が全体の約 1/3 を
占め、次に医薬品・診断薬、バイオ燃料、R&D、化学工業と続き、いずれの応用分野でも 2022 年ま
で年率約 30％で市場は急拡大すると予想されている。
合成生物学の世界市場（M＄、応用別）
Orion Market Research 社の許可を得て同社のレポート（OMR2017192）から転載
6
参考までに、各分野での具体的な応用例と企業名の一例を以下に示す。
① 農業
• 酵素改良による家畜飼料の消化性や栄養吸収性の向上（Agrivida 社）
• 砂糖の生産性向上や害虫予防を目的とした植物（ビーツ）の改変（Plant Sensory
Systems 社）
② 医薬
• 酵母の代謝経路改良による抗マラリア治療薬アルテミシニンの発酵生産（Amyris 社）
• 酵母の代謝経路改良によるグルコースからのオピオイド（麻薬性鎮痛薬）の発酵生産
（Antheia 社）
③ バイオ燃料
• 微生物改変によるメタノールや二酸化炭素からのバイオ燃料の発酵生産（LanzaTech 社）
④ 化学工業
• 酵母の代謝経路改良による二酸化炭素や砂糖からのマロン酸（医薬・農薬・香料・染料
などの原料）の発酵生産（Lygos 社）
• 微生物改変によるブタノール（接着剤・洗剤・塗料・香料などの原料）の発酵生産
（Green Biologics 社）
5. DBTL サイクル
従来の遺伝子工学ツールを用いた研究では、コストや技術的な制約のため、ゲノム情報に基づ
く複合的な生命現象を個々の遺伝子まで分解して調べるトップダウン的なアプローチが主流であった。
一方、生命科学と工学が融合した合成生物学（構成生物学）においては、個々の遺伝子をデザ
イン・合成し、複雑な生命システムを人工的に構築して調べるボトムアップ的なアプローチが用いられ
7
る。このボトムアップ的な手法を用いた有用物質生産の成功例として有名なのが植物由来の抗マラリ
ア薬であるアルテミシニンの前駆体（アルテミシニン酸）の生合成経路の構築である(10)。具体的
には、酵母の内在性遺伝子の間接的発現強化（10 遺伝子）と直接的発現強化（3 遺伝子）
に加え、外来 3 遺伝子を導入することにより、世界で初めてアルテミシニンの前駆体の発酵生産の実
用化に成功し、開発者（Dr. Keasling）らはバイオベンチャー（Amyris 社）を起業してアルテミ
シニンの安定供給を行っている。
しかし、実際には上述のアルテミシニンのような成功例は限られており、効率的な代謝経路を新
規に構築するためには、各遺伝子の挿入順序や発現量・発現タイミングを最適化する必要がある。
そこで、合成生物学（構成生物学）においては、遺伝子回路の設計（Design）、構築
（Build）、試験（Test）、学習（Lean）の DBTL サイクルを何度も繰り返し、生産効率の最
適化に向け改良を積み重ねることが一般的である。
近年の長鎖 DNA 技術の発展に伴い、上記の DBTL サイクルの内、構築（Build）について
は研究期間やコストが大幅に低減された。一方、DBTL サイクルの開始となる設計（Design）につ
いては、ゲノムや遺伝子クラスターの構成原理やネットワーク解明の学問領域が相対的に遅れている
ことに起因して DBTL サイクルのボトルネックとなっている。例えば、ヒトゲノム配列は 2003 年に解読
されたが、15 年経過した現在でもヒトゲノム構成原理はほとんど解明されていない。特に、99%を占
める非遺伝子領域の役割については未だ謎が多い(11)。
6. ゲノム構成原理の解明
2003 年に発足した ENCODE（The Encyclopedia of DNA Elements）プロジェクトで
は世界中の研究機関が役割分担し、約 57 種のヒト細胞株について各細胞内で転写されている全
ゲノム領域を同定した(12)。更に、同プロジェクトでは 428 種の転写因子が結合しているゲノム領域
も同定し、ヒトゲノム全体の約 80%に転写・ヒストン修飾・転写因子などが結合する生化学的な機
能があることを解明した(13)。このように ENCODE プロジェクトは大きな研究成果を挙げつつあるが、
同プロジェクトの研究手法は合成生物学における「構成」のアプローチとは異なり、ゲノムや転写因子
などの「分析」に過ぎないことには留意すべきである。例えば、ある転写因子が特定遺伝子のプロモー
ターに結合していることが観察されたとしても、その転写因子が特定遺伝子の転写を実際に制御して
いるとの結論は下せない。合成生物学の手法により、その転写因子が結合するプロモーター配列を
人工的に構築（削除または改変）し、特定遺伝子の転写に変化が起こることを実証して初めて結
論が導ける。
合成生物学のアプローチによりゲノム構成原理の解明を目指す試みとしては、米国クレイグ・ベ
ンター研究所が行った人工最小マイコプラズマゲノム（minimal genome）に関する一連の研究
が挙げられる。ベンターらは生命とは何かとうい生物学の根源的な命題に答えるため、マイコプラズマ
（M. mycoides）の人工ゲノム（1.08 x 106 bp; JCVI-Syn1.0）から生命維持に必須でない
遺伝子を極力そぎ落とす研究を進め、2016 年に約半分の鎖長の人工ゲノム（0.53 x 106 bp;
JCVI-Syn3.0）で増殖するマイコプラズマを人工合成した(14)。そして、JCVI-Syn3.0 が持つ全 473
遺伝子の機能解析を行った結果、41%（195 遺伝子）はゲノム情報の発現、7%（34 遺伝子）
8
はゲノム情報の保存、18%（84 遺伝子）は細胞膜の構造や機能、17%（81 遺伝子）は細胞質
での代謝に関わる遺伝子であることが分かったが、残り 17%（149 遺伝子）については生物学的な機
能が不明であった。本章の 2 節で図解したように、マイコプラズマは大腸菌や酵母よりも短いゲノムである
が、機能不明な遺伝子が 150 近く残っており、現状では微生物のゲノム構成原理が解明されたとは到
底言えない。ましてや、マイコプラズマの約 3,000 倍（3 x 109 bp）の長さのヒトゲノムの構成原理の
解明については気の遠くなるような長い道のりが予想される。JCVI-Syn3.0 を人工合成した手法につい
ては、第 2 章の 1 節で全体のワークフローを解説する。また、酵母のゲノム構成原理の解明を目的とした
共同プロジェクト Sc2.0（Synthetic Yeast 2.0）については本章の 9-2 節で解説する。
本調査報告書では長鎖 DNA の合成技術にフォーカスを当てているが、ゲノム構成原理の解明
は合成生物学が更なる発展を遂げる上で決定的に重要な命題であり、本章の 9-1 節と 9-2 節で
解説する GP-write（Genome Project-write）や Sc2.0（Synthetic Yeast 2.0）の国際
共同プロジェクトにおいても大きな目標の 1 つとして掲げられている。もし、ゲノム配列と細胞機能の間
に存在する普遍的なルールを見い出すことができれば、有用物質生産の効率化などバイオ産業への
インパクトの大きさは計り知れない。
7. DNA 合成のコスト低減
DNA は科学的視点でみれば、炭素・水素・窒素・リンの各原子からなる有機化合物であり、人工
的な化学合成が可能である。遺伝暗号の解読でノーベル賞を受賞した Khorana は、1950 年代後半
にリン酸ジエステル法(15)により DNA の化学合成に世界で初めて成功した。その後、1980 年代後半
までに Caruthers らによりホスホロアミダイト法を用いたオリゴ DNA 合成法(16)が開発され、現在の
DNA 固相合成法の基礎が築かれた。ホスホロアミダイト法の詳細については第 2 章の 2-1 節（オリゴ
DNA の化学合成）で解説するが、この方法をベースとしたオリゴ DNA 合成は、高精度化（エラー率の
低減）・自動化・並列化・迅速化・長鎖化などを目的に長年改良が重ねられ、現在では鎖長が約 200
塩基までのオリゴ DNA の自動並列合成が可能となり、米国では 1 塩基当たり 10 円以下で DNA 合
成を受託する会社も登場した。例えば、George Church らの研究グループが人工大腸菌ゲノム
（Ultra-safe cell）製造した際に、原料として調達した合成 DNA の購入価格は下表のように報告さ
れている(17)。
合成 DNA の購入価格
（Nili Ostrov et. Al, 2016. Science の Supplementary Materials を参考に作成）
9
しかしながら、オリゴ DNA の購入価格が 1 塩基当たり約 10 円に低減されたとしても、ヒトゲノムは
約 30 億塩基対であり、全ゲノム合成には原料となるオリゴ DNA の合成だけで約 300 億円が必要と計
算され、今後の合成生物学の更なる発展にはオリゴ DNA 合成の大幅なコストダウンが必須とされる。オ
リゴ DNA 合成には高価な化学試薬を使用するため、化学反応容器の微小化による化学試薬の節減
がコストダウンの鍵となる。カラム法では 96 well や 384 well フォーマットの自動合成装置が開発され化
学試薬の節減に成功したが、近年は更なる化学反応容器の微小化と並列化を目的にインクジェット技
術や半導体技術を応用したマイクロ/ナノアレイ法によるオリゴ DNA 合成が急速に普及しつつある(18)。
更 に最 近 で は 、高 価 で 有 害 な化 学 試 薬 を一 切 使 用 せ ず 、Terminal Deoxynucleotidyl
Transferase（TdT）による酵素反応だけでオリゴ DNA を合成する技術が開発され今後の動向が注
目されている(19)。人工遺伝子や人工ゲノムを合成するための全体コストを大幅に削減するには、オリゴ
DNA の連結（assembly）や増幅（amplification）のプロセスについても酵素反応容器の微細
化・並列化・自動化を進める必要があるが、これらについては第 2 章の 2-2 節と 2-3 節で近年の技術
動向を解説する。
DNA 合成技術の歴史
8. 長鎖 DNA 合成の課題
前節で DNA 合成コスト低減について述べたが、長鎖 DNA 合成においてはコスト低減の他に改善
すべき技術的課題が残されている。その１つが、大腸菌や酵母などの宿主細胞を用いたクローニングや
相同組換え（Homologous Recombination）の工程である。近年、Gibson Assembly 法に代
表されるような無細胞系で 104 -105 bp の長鎖 DNA を連結する方法が開発された。これらの方法は
制限酵素を用いる従来の連結法とは異なり、制限酵素切断配列の設計が不要なため、作業効率が著
しくに向上した。Gibson Assembly 法の概略を以下に示す（詳細は第２章の３節を参照）。
10
Gibson Assembly 法による長鎖 DNA の連結
しかし、105 bp 以上のゲノムスケールの長鎖 DNA は物理的に剪断されやすく、試験管内（無細
胞系）で取り扱うのが困難であり、Gibson Assembly 以降の工程は大腸菌や酵母などの細胞内で
行わることが多い。大腸菌や酵母は細胞内で DNA の相同配列どうしをつなぎ合わせる相同組換え
（Homologous Recombination）機構を有しており、細胞内に導入した外来 DNA 断片を連結す
ることができる。また、大腸菌や酵母内における DNA の複製は非常に正確であり、エラー配列はほとんど
発生しない。米国クレイグ・ベンター研究所（JCVI）では Gibson Assembly 法と酵母を宿主とした
相同組換え法を組み合わせ、マイコプラズマの人工ゲノム（1.08 x 106 bp; JCVI-Syn1.0）を合成
した（詳細は第２章の 1 節を参照）。
上述のように、大腸菌や酵母を宿主とした相同組換え法は人工ゲノム合成において有力な手法と
言えるが、決して万能な方法ではない。何故なら、異種生物のゲノムを宿主細胞に導入する場合、外
来遺伝子が宿主細胞に干渉して毒性を示す可能性がある。また、宿主と GC 含量が大きく異なる外来
遺伝子を導入すると遺伝子の集積や複製が行われないこともある。例えば、GC 含量が比較的高い
（55%）外来遺伝子（シアノバクテリア）を酵母に導入する場合、外来遺伝子の鎖長が 200kp 未
満であれば導入できるが、200kbp以上の長鎖DNAは安定的に導入できないと報告されている(20)。
実際に、DNA 合成受託会社はカタログ上では 10kbp 以上の長鎖 DNA 合成サービス（大腸菌や酵
母でのクローニング作業を含む）を展開しているが、配列によっては合成できない（あるいは受託を受け
ない）場合も知られている（私信）。大腸菌や酵母を使わないクローニング法の開発が急務であり、本
章の 10-1 節で解説する日本の研究グループが開発した枯草菌の高い相同組換え活性を利用した長
鎖 DNA の正確な合成技術が注目されている。
しかしながら、長鎖 DAN の合成やクローニングに細胞を使う限り、上述の細胞毒性や GC 含量
の問題を根本的に回避することは難しいため、本章の 10-2 節で解説するように ImPACT 野地プログ
ラムでは無細胞系で長鎖 DNA を合成する革新的な技術開発に取り組んでいる。
11
9. 国際コンソーシアム
9-1 The Genome Project-write (GP-write)
2016 年に米国を中心とする 25 名の合成生物学者が、ゲノム合成や人工細胞の技術開発を加
速させ、ゲノム構成原理を体系的に究明するため、The Genome Project-write (GP-write)という
国際コンソーシアムを立ち上げた(21)。GP-write は 2000 年初頭に成功裏に終了したヒトゲノム解読
プロジェクトの合成版として世界の注目を集めている（合成生物学の分野では DNA シークエンシングの
Read に対し、DNA 合成を慣例的に Write と呼ぶ）。
2017 年５月にはニューヨークで世界 10 カ国から約 250 名が参加して GP-write の Kick-off
Meeting が開催され、今後 10 年間で DNA 合成コスト（正確には DNA を合成する費用だけでなく、
その合成した DNA の機能評価に必要な費用も含む）を 1/1,000 に激減させるという野心的な目標
が掲げられた。1990-2003 年に行われたヒトゲノム解読プロジェクトでは全ゲノム解読に約 30 億ドルを
要したが、その後、同プロジェクトで培った技術をベースに次世代シークエンサー（Next Generation
Sequencer; NGS）が開発され、現在ではヒトの全ゲノム解読を約 1,000 ドル（3 百万分の１のコ
スト）で実施できる。しかしながら、DNA シークエンスのコスト低減ペースと比較して、DNA 合成のコスト
低減ペースは明らかに鈍く（下図）、DNA 合成にも NGS のような革新的な技術開発が求められてい
る。
塩基対当たりの DNA シークエンス･合成の価格
（R. Carlson, March 2016. www.synthesis.cc を参考に作成）
また、GP-write はヒトゲノム解読プロジェクトとは異なり、公式な国家プロジェクトではなく、人工ゲノ
ム合成の研究をリードしている J. Craig Venter も参加していないなど、運営面や資金面で見通しが明
確でない。2018 年５月にはボストンで GP-write の Scientific Working Meeting が開催され、ヒト
12
ゲノムの書き換え（recode）によるウイルス耐性ヒト細胞株（ultra-safe cell）の樹立を GP-write
の大きな目標の 1 つに掲げた(22)。GP-write の創設者の一人である Nancy Kelly が述べているよう
に、有用なヒト細胞株に開発目標を絞ったことで国や医薬品業界からの資金集めに展望が開けるかもし
れない。ultra-safe cell の開発に伴い、ウイルス感染の恐れがない安全性の高いバイオ医薬品の生産
システムが確立されれば、バイオ医薬品産業に及ぼすインパクトは絶大である。豊富な研究資金を背景
にGP-writeプロジェクトが加速され、長鎖DNA合成技術にイノベーションがもたらされれば、近い将来、
合成コストが劇的に下がると期待される。
9-2 Synthetic Yeast 2.0（Sc2.0）
酵母はバイオ産業界にとって重要な真核生物であり、パンやビールなどの食品加工に加え、バイオ燃
料や化学品の製造にも使用されている。酵母ゲノムを自由に設計・合成し、システマチックに品種改良を
行う手法が確立されれば、バイオ産業に及ぼすインパクトは絶大である。Sc2.0（Sc は出芽酵母の学
名 Saccharomyces cerevisiae の略）は、2011 年に発足した人工酵母ゲノム合成の国際プロジェ
クトであり、酵母による有用物質生産にイノベーションを起こすことを最終目標としている(23)。
2014 年 3 月に Jef Boeke らは、酵母の 16 本の染色体の内の 1 本（synIII）を人工的に設
計・合成し、その 1 本を野生型の染色体と置き換え、その人工染色体を酵母内で機能させ、更に 125
世代まで安定的に増殖させることに成功した(24)。synIII の鎖長は 270kb であり、酵母の全染色体
配列の約 2.5%に過ぎないが、完成までには約 8 年の歳月を費やし、世界初となる真核生物の人工ゲ
ノム合成に成功した。その後、Sc2.0 はプロジェクトの規模を拡大し、2017 年 3 月に米国・中国・英
国・フランスの研究チームが、新たに 5 本（synII、synV、synVI、synX、synXII）の人工染色体の
合成に成功したことをサイエンス誌の一連の論文で中間報告した(25)。これで酵母の 16 本の染色体の
内、3 分の 1 以上に当たる 6 本が人工合成されたことになる。更に Sc2.0 はプロジェクトを加速させ、残
り 10 本の染色体に加え、野生株の酵母には存在しない新規な 1 本の人工染色体の合成を進めてい
る。この 17 番目の染色体は、将来の効率的な有用物質生産に備えて多数のトランスファーRNA をコー
ドしている。Sc2.0 では人工染色体のデザインに特別設計のソフトウェア（BioStudioⓇ）を使用し、反
復配列など生存や物質生産には不要と考えられる配列をゲノムから極力削除（野生型の 8％相当）
している。また、天然の酵母遺伝子と人工の酵母遺伝子を区別（置換の成否を確認）するために、人
工ゲノムに使用する遺伝子の全てに PCR tag が付与されている。更に、将来的に個々の遺伝子の欠
損や置換を容易に行うため、染色体の全体に約 5,000 個の loxP を挿入し、この LoxP を介した酵母
染色体の効率的な進化（SCRaMbLE; Synthetic Chromosomes Rearrangement and
Modification by LoxP-mediated Evolution）が可能となっている。2018 年 5 月の Nature
Communication 誌に Sc2.0 の進捗状況について 7 本の論文が掲載され(26)、この SCRaMbLE
法を応用した研究成果が詳細に報告されているが、本報告書では説明を割愛する。Sc2.0 プロジェクト
が完遂された暁には、酵母ゲノムのネットワーク解析が急速に進み、従来の天然細胞に依拠したバイオ
産業にイノベーションがもたらされると期待される。
13
Sc2.0 プロジェクトの酵母染色体合成の作業分担と進捗状況
（S. M. Richardson et al. 2017 Science を参考に作成）
9-3 Techonology Working Group on future DNA synthesis technology
近年、長鎖 DNA は合成生物学の分野だけではなく、次世代データ保存媒体（DNA data
storage; DNA memory）としても注目されている。マイクロソフト社によれば、1g の DNA に 10 億
テラバイト（1 ゼタバイト）のデータが保存でき(27)、既存のハードディスクやフラッシュメモリーなどよりも集
積度が約 107 倍も高い（下図）。また、DNA の半減期は 521 年という報告もあり（Nature
1993）、太古の生体試料から DNA 断片を抽出して塩基配列が決定できるように、DNA はデータ保
存期間においても優れた特性を有する。
マイクロソフト社は、米国の新興企業である Twist Bioscience 社から大量の DNA を購入し、
DNA ストレージの研究開発を行っている(28)。Twist Bioscience 社は、独自のマイクロアレイ技術に
より多種のオリゴ DNA ライブラリーをハイスループット合成し、マイクロソフト社へ提供している(29)。
14
データ保存媒体の集積密度
（2017 年 10 月 22 日に発行された上記 Meeting の Summary report を参考に作製）
上述のように DNA ストレージは次世代データ保存媒体の 1 つの候補として優れたポテンシャルを有
するが、DNA ストレージを社会実装するには DNA 合成コストを現在よりも大幅に削減することが必須で
ある。2017 年 9 月に米国アーリントンで開催された DNA ストレージに関する掲題の技術会議
（Technology Working Group Meeting on future DNA synthesis technology）では、マ
イクロソフト社や Twist Bioscience 社の代表者に加え、DNA 受託製造会社やアカデミアから計 22 名
の専門家が参加し、DNA 合成のコスト低減に向けた技術的な課題を議論してサマリーレポートを作成し
公開した(30)。同レポートによれば、DNA の読み（シークエンシング）書き（合成）のコストをいずれも
1.9 x 10-10 ドル/bp にするのが最終目標であり、現状の DNA 合成コスト 1.0 x 10-6 ドル/bp (同グ
ループ内での私信)を 1 万分の 1 に低減させる必要がある。これは GP-write よりも高い目標設定であ
り、DNA 合成技術に更なるイノベーションを起こさなければならない。同グループでは、既存のマイクロアレ
イ や 電 気 化 学 的 手 法 に よ る DNA 自 動 合 成 技 術 の 改 良 に 加 え 、 酵 素 法 （ terminal
deoxynucleotidyl transferase）(19)や 8 mer オリゴ DNA ライブラリー連結法(31)など新しいタ
イプの DNA 合成技術にも注目している。
Optical HDD Tape Flash DNA
現在 将来 限界
100
10- 210-1
101102103104
106
105
107108
1010
109
集積密度（G
bit/m
m3）
107倍の集積密度
15
DNA 読み書きのコスト低減ペースと最終目標とのギャップ
（2017 年 10 月 22 日に発行された上記 Meeting の Summary report を参考に作製）
10. 日本国内の状況
10-1 神戸大学
2017 年 2 月に本邦初となる長鎖 DNA 合成を基盤技術としたベンチャー企業（株式会社シンプ
ロジェン）が設立された。同社では神戸大学大学院科学技術イノベーション研究科の柘植謙爾特命准
教授や近藤昭彦教授らの研究成果を基に以下の事業展開を目指している。
• 長鎖 DNA（～50kb）の受託合成事業
• 長鎖 DNA 合成技術を用いた受託微生物育種事業
• 長鎖 DNA デザインについてのコンサルティング事業
同社の基盤技術は枯草菌の遺伝子集積システムを利用した長鎖 DNA 合成技術であり、大腸菌
や酵母を用いた従来技術では 104bp を超える長鎖 DNA を正確に合成するのは困難（配列によって
は合成不能）であったが、同社の技術では 105bp 程度のゲノムスケールまで長鎖 DNA を正確に合成
することができる。同社の長鎖 DNA 合成法（第２世代 OGAB 法）(32)のワークフローを以下に示す。
16
第２世代 OGAB 法の全体ワークフロー（Scientific Report 誌の図を一部改変）
OGAB 法の原理は第２章の 2-3 節で解説するが、OGAB 法では無細胞系で多数の DNA 断
片（OGAB ブロック）を環状ではなく、タンデムリピート状に集積した後、枯草菌内でプラスミドを環状化
する。一般的に多数の DNA 断片を環状に連結するのは難しいが、タンデムリピート状の連結であれば比
較的容易である。OGAB 法では、タンデムリピート状のプラスミド DNA の繰り返し回数が多いほど枯草菌
内での集積効率が高くなるため、タンデムリピート・プラスミドを調製する際、個々の OGAB ブロックのモル
濃度を揃えることが重要である。第 2 世代の OGAB 法ではモル濃度を厳密に揃えるため、独自開発し
た OGAB 法支援ソフトウエアを用いてほぼ同じ長さ（CV=0.2%）の OGAB ブロックを設計する。同じ
長さの DNA であれば分光光度計で測定した吸光度を揃えるだけで、モル濃度を正確に揃えることができ
る。神戸大学ではOGAB法支援ソフトウエアに加え、DNA化学合成装置、液体分注ロボットシステム、
長鎖 DNA 合成ロボット、DAN 断片サイズ分画装置などの装置を独自開発し、50 個以上の DNA 断
片を１ポッドで同時に連結することを可能とし、シンプロジェン社の基盤技術を確立した。
以下に、神戸大学の柘植謙爾准教授にヒアリングした際に撮影させていただいた DNA 合成装
置・液体分注装置・長鎖 DNA 集積装置の写真を掲載する。
17
DNA 合成装置 液体分注装置 長鎖 DNA 集積装置
また、神戸大学の研究成果をもとに、日本テクノサービス (株) が共同開発した長鎖 DNA 合成
用核酸合成機（M-96-LD）の写真を以下に掲載する。
長鎖 DNA 合成用核酸合成機（M-96-LD）
18
10-2 立教大学
本章の第 8 節で述べたように、DNA 配列によっては細胞毒性や GC 含量の問題でゲノムスケール
の長鎖 DNA 合成を大腸菌や酵母などの宿主細胞内で行うのは難しいことがあるため、ImPACT 野地
プログラムでは立教大の末次正幸准教授を研究開発責任者（課題 3A）として無細胞系での長鎖
DNA クローニング技術（RA-RCR 法）の開発を進めている。RA-RCR 法は、多断片 DNA の同時連
結法（Recombination Assembly;RA 法）と長鎖 DNA の等温増幅法（Replication Cycle
Reaction; RCR 法）(33)の２つの要素技術で構成されており、世界初の無細胞ゲノムスケール長鎖
DAN 合成ツールとして注目されている。RA-RCR 法の原理は第２章の 2-3 節で解説するが、ここでは
RA 法と RCR 法の技術的特徴を以下にまとめた。
① RA（Recombination Assembly）法
• 微生物の高効率な相同組換えシステムを試験管内で再現（つなぎ目のない DNA 連結法）
• 50 種を超える DNA 断片を一度に設計通り正しく連結・集積（30 分の等温反応）
② RCR（Replication Cycle Reaction）法
• 大腸菌ゲノム複製システムを試験管内で再現（25 種のタンパク質を再構成した増幅法）
• １分子の環状 DNA を数時間の等温反応で数十億倍以上に増幅
• 200 kb を超える長鎖環状 DNA の増幅も可能（試験管内 DNA 増幅法としては世界初）
• 増幅正確性は PCR 法（Taq ポリメラーゼ）の１万倍（試験管内 DNA 増幅法としては最
高レベル）
上記のように、RA-RCR 法は無細胞系の等温反応でゲノムスケールの長鎖 DNA を配列による制
限なしに短時間で合成できる画期的な合成生物学ツールである。従来の DNA 増幅法（PCR 法や細
胞を使った DNA クローニング）と RA-RCR 法の違いを下表にまとめた。
19
従来法と RA-RCR 法の比較
ImPACT 野地プログラムでは、RA 法キットと RCR 法キットの試作品を作成し、国内外の研究者
に提供することにより、RA-RCR 法の認知度を向上させると共に用途開発を行っている。今後、両キット
の社会実装が進めば、合成生物学の発展に大きなインパクトを与えると期待している。
RA 法キットと RCR 法キットの試作品
20
11. 調査方法
ImPACT 野地プログラムの PM グループでは本調査に当たり、以下の文献調査、米国特許調査、
学会への参加、専門家へのインタビューを行った。
① 文献調査
• PubMed を用いた学術論文検索
• 有料の市場調査レポート
• 合成生物学に関連する専門誌および学会誌
• インターネット情報
② 米国特許調査
• DNA 合成技術の俯瞰的分析、出願人別分析（住化技術情報センターに外部委託）
③ 学会への参加
• GP-write キックオフ・ミーティング（2017 年 5 月 9-10 日；ニューヨーク）
• 7th International meeting on synthetic biology (SB 7.0)（2017 年 6 月
13-16 日；シンガポール）
• 第３回バイオセキュリティ研究会（2017 年 7 月 13 日；東京）
• 「細胞を創る」 研究会 10.0（2017 年 10 月 19-20 日；京都）
• ImPACT 野地プログラム国際シンポジウム（2018 年 4 月 5-6 日；東京）
• 第４回バイオセキュリティ研究会（2018 年 7 月 25 日；東京）
• ImPACT 野地プログラム合成生物学ワークショップ（2018 年 9 月 28 日；東京）
• 「細胞を創る」 研究会 11.0（2018 年 10 月 18-19 日；仙台）
④ 専門家へのインタビュー
• 立教大学 理学部生命理学部 末次正幸 准教授（ImPACT 野地プログラム 課題
3A 研究責任者）（2018 年 7 月 12 日）
• 東京工業大学 生命理工学院 相澤康則 准教授（ImPACT 野地プログラム アドバ
イザー）（2018 年 7 月 24 日）
• 神戸大学 大学院科学技術イノベーション研究科 柘植謙爾 准教授（ImPACT 野
地プログラム アドバイザー）（2018 年 8 月 21 日）
• 株式会社 日立製作所 バイオシステム研究部 横井崇秀 主任研究員、西田洋一
主任研究員（2018 年 9 月 3 日）
• 東京工業大学 生命理工学院 清尾康志 准教授、正木慶昭 助教 （2018 年 9
月 19 日）
• Dr. Suri Kosuri, Assistant Professor, UCLA （2018 年 9 月 28 日）
21
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29. https://twistbioscience.com/company/press/twist-bioscience-announces-
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30.
https://www.src.org/texis/search/?mode=&opts=&pr=webprod&dropXSL=html&
sq=&prox=page&rorder=500&rprox=500&rdfreq=500&rwfreq=500&rlead=500
&rdepth=0&sufs=1&order=r&query=Bishop+Mccorkle+Zhirnov+Summary+Re
port+Technology+Working+Group+Meeting+on+future+DNA+synthesis+techno
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31. Feldhaus MJ, Lualhati M, Cardon K, Roth B, Kamb A. (2000) Oligonucleotide-
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534-543.
32. Tsuge K, Sato Y, Kobayashi Y, Gondo M, Hasebe M, Togashi T, et al. (2015) Method
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33. Su'etsugu M, Takada H, Katayama T, Tsujimoto H. (2017) Exponential propagation
of large circular DNA by reconstitution of a chromosome-replication cycle. Nucleic
Acids Res, 45, 11525-11534.
23
第２章 長鎖 DNA 合成の技術動向
1. 全体ワークフロー
2010 年 3 月に米国クレイグ・ベンター研究所は、人工的に全合成されたゲノム（1.08×106
bp）の遺伝情報だけで増殖する世界初の微生物（マイコプラズマ、JCVI-Syn1.0）の作製に成功し
(1)、人工生命創出への大きな一歩として日本でも新聞やテレビで大々的に報じられた(2)。この研究は、
長鎖DNA合成技術を駆使すれば自律的に自己複製する細胞の全ゲノムを人工合成できることを実証
した点で意義深い。ベンターらは 4,000 万ドルの研究費を使って 15 年にも及ぶ試行錯誤の末、これを
達成した(3)。
その後、ベンター研究所では増殖に必須ではない遺伝子を極力そぎ落としたマイコプラズマ（JCVI-
Syn3.0）の人工最小ゲノム（5.31×105 bp）をデザインし、それを 3 週間で人工合成するシステマ
ティックな手法を発表した(4)。彼らのワークフローを下図に示す。
オリゴ DNA を出発材料とした JCVI-syn3.0 の全体ワークフロー
24
ベンター研究所が発表した人工ゲノム合成法を例として、人工ゲノム合成の全体ワークフローを以
下で概説する。なお、各工程の詳細は次節の長鎖 DNA 合成の技術動向で解説する。
① オリゴ DNA の化学合成
一般的に人工ゲノム合成の出発材料となるオリゴ DNA プールのデザインは各研究機関で行う
が、デザインに基づく実際の化学合成については DNA 受託合成会社に外部委託されることが多
い。ベンター研究所では次工程におけるオリゴ DNA プールの連結で PCA 法を使うため、オーバーラ
ッピング配列を持つオリゴ DNA プール（各オリゴ DNA の鎖長は 60-80 bp）を Synthetic
Genomics 社の ArchetypeⓇ software package を用いてデザインし、実際の化学合成は
Integrated DNA Technologies (IDT) 社へ外部委託した。一般的に DNA 受託合成会社
ではカラム法またはマイクロアレイ法にてオリゴ DNA プールを化学合成するが、IDT 社ではカラム法
を採用し、各オリゴ DNA のサブプールを 96 well または 384 well プレートに分注して納品した
（各 well に約 48 種のオリゴ DNA を含む）。オリゴ DNA 化学合成の詳細は、2-1 節で解説
する。
② PCA 法による遺伝子合成
一般的にオリゴ DNA プールの連結には PCA（Polymerase Cycling Assembly）法が
用いられる。PCA 法では反応サイクルを繰り返すことにより、最大で 50 種程度のオリゴ DNA を連
結できる。ベンター研究所においては上記で化学合成した各 well に含まれる約 48 種のオリゴ
DNA サブプールを 1 ポッドで連結し、約 1.4 x 103 bp の二本鎖 DNA を調製した。PCA 法の
詳細は、2-2 節で解説する。
③ 酵素法によるエラー修復
一般的に化学合成したオリゴ DNA には 0.5-1%程度の割合でエラー配列が含まれるが、精
製工程での除去が困難なため、このエラー配列が PCA 以降の工程に持ち込まれることが多い。ま
た、PCA 法は簡便かつ効率的にオリゴ DNA を連結できる非常に優れた方法だが、最終工程にお
ける PCR 増幅時にある割合（ポリメラーゼの種類とプライマー中のエラー配列含量に大きく依存）
でエラー配列が発生する。遺伝子クラスターやゲノムレベルの長鎖 DNA になるとエラー修復が困難
になることから、一般的には、まず、遺伝子レベルの DNA 鎖長の時にエラー修復を行うことが多い。
ベ ン タ ー 研 究 所 に お い て は 2 種 の 酵 素 （ Surveyor mismatch recognition
endonuclease、Exonuclease III）を用いてエラー修復を行った。エラー修復法の詳細は、2-
4 節で解説する。
④ Gibson Assembly 法に遺伝子クラスター合成
複数の遺伝子からの遺伝子クラスターの合成には Gibson Assembly 法が用いられる場合
が多いと思われるが、他にも種々の連結法が知られており、103~104kb の長鎖 DNA 合成の手
法を一般論として述べるのは難しい。ベンター研究所においては Gibson Assembly 法を用いて
1.4 x 103 bp の遺伝子 5 つを連結し、7 x 103 bp の遺伝子クラスターを合成した。遺伝子クラ
25
スター合成の詳細は、2-3 節で解説する。
⑤ 酵母を用いた相同組換え法によるゲノム合成
一般的に複数の遺伝子クラスターからのゲノム合成には酵母を宿主として用いた相同組換え
法が用いられる。酵母は相同組換え活性が非常に強く、遺伝子工学ツールも揃っており、人工ゲ
ノム合成には好適である。ベンター研究所においては 2 段回に分けて酵母を用いた相同組換えを
行っており、1 回目では 7×103 bp の遺伝子クラスター15 種から約 1×105 bp のゲノムを合成
し、更に 2 回目では約 1×105 kbp のゲノム 8 種から最終的に 5.31×105 bp の人工マイコプラ
ズマゲノム（JCVI-Syn3.0）を合成した。酵母集積法の詳細は、2-3 節で解説する。
長鎖 DNA 合成における各工程の概念図を以下に示す。エラー修復の工程は、オリゴ DNA の化
学合成後に実施する場合もあるが、一般的にはベンター研究所におけるマイコプラズマ人工ゲノム合成
（JCVI-Syn3.0）の時のように、オリゴ DNA の連結後に実施する場合が多い。本調査報告書ではオ
リゴ DNA の化学合成、オリゴ DNA の連結、人工ゲノムの合成、エラー修復の順番で各工程の詳細を
次節で解説する。
26
長鎖 DNA 合成における各工程の概念図
27
2. 技術動向分析
2-1 オリゴ DNA の化学合成（<102 mer）
第１章の 7 節で述べたように、1980 年代以降、オリゴ DNA の化学合成はリン酸ジエステル法に
よる液相合成からホスホロアミダイト法による固相合成へと移行し、現在では、ほぼ全ての研究機関や
DNA 受託合成会社でホスホロアミダイト法が採用されている。一般的に、固相合成は液相合成と比較
して洗浄効率が高く、オリゴDNA化学合成の長鎖化・高精度化（エラー率の低減）・自動化・並列化
に適している。1980 年代の初頭に Caruthers らにより開発されたホスホロアミダイト法は(5, 6)、今日
に至るまで長年にわたり改良が積み重ねられ、現在ではガラスビーズ（Controlled Pore Glass；CPG）
を支持担体として約 100-200mer のオリゴ DNA の合成が可能となっている。特筆すべきは、その合成
収率の高さであり、１塩基伸長当たりの収率は 99.５%以上に達し、有機反応としては既にほぼ完成
の域に達している。このように、ホスホロアミダイト法は非常に優れたオリゴ DNA の化学合成法であるが、
高価で有害な化学試薬を使用するという課題がある。この課題を克服するため、近年、ガラスビーズの替
わりにマイクロアレイを支持担体する技術が開発され、反応体積を微小化することにより化学試薬の使用
量を大幅に節減し、オリゴ DNA 合成のコスト低減とハイスループット化に成功している。一方で、高価で
有害な化学試薬の使用が不可避というホスホロアミダイト法の課題を根本的に解決するため、化学試薬
を一切用いない酵素法（Terminal Deoxynucleotidyl Transferase; TdT 法）の開発も進めら
れており、今後の技術動向が注目されている。本節では、ホスホロアミダイト法と酵素法によるオリゴ DNA
合成について解説する。
(1) ホスホロアミダイト法
上述したように、ホスホロアミダイト法は使用する支持担体により合成スケールが異なるが、いずれも
反応原理は基本的に同じであり、脱保護→カップリング→キャッピング→酸化の４工程を支持担体の表
面で連続的に繰り返し、１サイクル毎に１つの塩基を３‘→５’の方向に伸長（縮合）する。まずは、ホ
スホロアミダイト法の原理を解説し、次に支持担体や微細化技術の違いによるホスホロアミダイト法の分
類について解説する。
① 反応原理
ホスホロアミダイト法の４つの反応工程を図示し、ホスホロアミダイト法の改良研究を長年続けてき
た M.H. Caruthers の総説(7)を基に各反応ステップを解説する。
28
ホスホロアミダイト法の反応工程
ステップ１（脱保護）
安定なエステル結合で支持担体（CPG）に固定したポリデオキシオリゴヌクレオチドから、その
末端の５‘-水酸基を保護しているジメトキシトリチル（DMT）基を弱酸条件で脱保護する。この
反応は、通常、塩化メチレン（CH2Cl2）中の３％無水トリクロロ酢酸（TCA）で行われる
（1~2 分で反応完了）。次に、無水アセトニトリルで残存する試薬を完全に洗浄し、次工程にお
ける５’ 水酸基を保護した塩基モノマー 5‘-O-(4,4’-ジメトキシトリチル)-2’-デオキシヌクレオチド
3’-（2-シアノエチル N,N-ジイソプロピルホスホロアミダイト）（下図に一例としてアデノシン塩基を
有す構造式を示す）との縮合反応の準備を行う。これらの脱保護（脱 DMT）反応に伴い、ヌク
レオチドの伸長ステップ前に毎サイクルで合成済みのポリヌクレオチドが弱酸環境に置かれるため、副
反応として酸性条件で起こる脱プリン反応が誘発される。この副反応の速度は、アデノシン>グアニ
ン>>チミン、シトシンの順に速く、アデノシンが最も離脱しやすい(8)。この脱プリン反応は、ホスホロ
アミダイト法における収率悪化の最大の要因であったが、Agilent 社による脱保護反応の改良(9)
など長年の改良研究により、現在では１サイクル当たりの合成収率 99.５%を超えるに至った。
① 脱保護（ 第１ サイクル）
( 3 % TCA/CH 2Cl2 )
③ キャッ ピング
（ Ac2O）
DMTr② 縮合
( Te tr o zo le )
④ 酸化
（ I 2/H 2O/THF）
①ʼ 脱保護(次サイクル)(繰り返し ）
DMTr基（5ʼOH基の保護基）4,4ʼ-ジメトキシトリチル基
未反応物
Base-1Base-1
Base-1Base-1
Base-1
Base-1
Base-2Base-2
Base-2
DMTrO
DMTrO
DMTrO
DMTrOAc2O
固相担体固相担体
固相担体
固相担体固相担体
固相担体
29
2’-デオキシアデノシンホスホロアミダイト（アデノシンは R で保護）の構造式
ステップ２（縮合）
伸長用の保護済みモノマー（構造式は上図参照）をテトラゾールのような弱酸を触媒とし、
固相に結合したポリヌクレオチドの５’- 水酸基と縮合させる。この縮合反応は非常に速く進行し、
DNA は１分以内、RNA は通常３～10 分で伸長が完結する。ホスホロアミダイトは(RO)2PNR2
の一般式で表されるが、ホスホロアミダイト法では上図のように５’-ジメトキシトリチル-３‘-N、N-ジイ
ソプロピルホスホロアミダイトが多用されている。ジイソプロピル-アミノ基の３価のリンは５’-水酸基の
求核攻撃を受け易く、縮合反応の際にジイソプロピルアミノ基が離脱する。また、ジイソプロピルアミノ
基は適度な立体障害を有しており、伸長用の原料である保護済みモノマーの安定性向上に貢献
している(10)。縮合反応の工程では、反応を触媒する弱酸の選択が重要であり、M.H.
Caruthers らの研究チームは、アミン塩酸塩、ハロゲン生成酢酸、スルホン類などを試したが、これ
らには吸湿性があるか容易に分解する欠点があり、また、2-ニトロプロパンは変異原性があり、これら
は推奨されていない。最終的には吸湿性がなく、アセトニトリル溶液として安定的に保存できるテトラ
ゾールが触媒として選択された。
ステップ３（キャッピング）
キャッピング反応は、前工程で縮合反応が進まなかった未反応の 5‘-水酸基を、テトラヒドロフ
ラン（THF）／アセトニトリルを溶媒として、無水酢酸と N-メチルイミダゾールで不活性化（アシル
化）する工程である。一般的に未反応の５’-水酸基が残存する割合は極めて低いが（1-2％）、
この未反応体を確実にアシル化しないと、最終目的産物よりも 1～2 塩基短いオリゴ DNA が副生
成物として生じ、精製を困難にする。また、このキャッピング反応には、デオキシヌクレオチド塩基へ副
反応として結合した Phosphite 付加物の加水分解を促進する効果がある。仮に Phosphite 付
加物が残存すると、次工程の酸化反応でこの付加体は Phosphate として安定化され、オリゴヌク
レオチド分岐物が生成して収率が低下する。
ステップ４（酸化）
最終工程の酸化反応では、ヌクレオチド間の Phosphite 結合を、ヨウ素（I2）のテトラヒドロ
フラン（THF）／ピリジン溶液で Phosphate へと酸化し、次サイクルのステップ１である脱保護工
程の準備を行う。Phosphite 中間体はステップ１の脱保護反応で使用する酸に対して不安定で
30
あり、この中間体が Phosphate へ酸化されなかった場合は、オリゴ DNA は加水分解されてしまう。
この酸化反応も短時間で完結するが、各サイクルで毎回確実に酸化を行うことが重要である。
② ホスホロアミダイト法のハイスループット化
冒頭で述べたように、ホスホロアミダイト法は支持担体の違いにより CPG（カラム）法とマイクロアレ
イ法の２つに大別されるが、単にホスホロアミダイト法と言った場合は、技術開発の歴史が長い CPG 法を
指す場合が多い。一般的に CPG 法は合成量の調整が容易であり、nano-mol（10-9 mol）～
micro-mol（10-6 mol）オーダー以上のオリゴ DNA 合成に多用されている。一方、マイクロアレイ法
は合成のハイスループット化に適しており、femto-mol（10-15 mol）オーダーの少量多品種のリゴ
DNA プールの合成に用いられる。
近年、ホスホロアミダイト法は自動化装置の開発が進み、多くの長鎖DNA合成メーカーで96 well
または 384 well プレートに対応した CPG 法によるオリゴ DNA の並列自動合成が行われている。また、
一部のメーカー（Agilent Technologies や Twist Bioscience）では、更なるオリゴ DNA 合成のハ
イスループット化やコスト低減のため、マイクロアレイ法により 104-106 種のオリゴ DNA の超並列自動合
成を行っている(9, 11-16)。人工ゲノム合成や DNA ストレージ研究の材料として少量多品種のオリゴ
DNA が必要な場合は、一般的にコスト低減の観点から CPG 法よりもマイクロアレイ法の方が優れてい
る。しかし、マイクロアレイ法には高度な微細加工技術が要求され、CPG 法と比較してエラー率も高いた
め、オリゴ DNA の供給で商業的にマイクロアレイ法を採用しているのは、Agilent Technologies や
Twist Bioscience など米国の一部企業に限られる。以下に、CPG 法（カラム）とマイクロアレイ法のデ
バイスのイメージ図を示す。
CPG（カラム）法とマイクロアレイ法のデバイス（イメージ図）
右側の図ではインクジェット技術（インクジェット法）を用いて微細化したマイクロアレイ法のデバイス
をイメージしているが、Affymetrix や Evonetix などのベンチャー企業では半導体技術（半導体技術
法）を用いてマイクロアレイ法の技術開発を進めている。インクジェット法も半導体法も基本的にはホスホ
ロアミダイト法であるが、両者では脱保護の工程が異なる。すなわち、インクジェット法では CPG 法と同様
31
にトリクロロ酢酸（TCA）を用いて一斉に脱保護を行うが、光電気化学法などでは半導体技術を応用
して光で直接脱保護するか（Affimetrix）(17, 18)か、光や電気をトリガーとして位置特異的に有機
酸を発生させて局所で脱保護を行う。この半導体技術法は診断分野では成功しているが、長鎖 DNA
合成を目的とするオリゴ DNA 合成においては、現時点では、インクジェット法と比較して光電気化学法
の実用化は遅れている。しかしながら、光電気化学法には集積度をより高められるポテンシャルがあり、熱
信号をトリガーとするいう Evonetix などの新興ベンチャー企業の今後の動向が注目されている(19)。
(2) 酵素法（TdT 法）
上述のように、ホスホロアミダイト法によるオリゴ DNA の化学合成はマイクロアレイ法の登場により、
高価で有害な化学試薬の使用量が低減し、ハイスループット自動合成装置の開発にも成功した。しかし
ながら、オリゴ DNA 合成を化学反応に依存している限り、このような化学試薬の使用量をゼロにすること
はできない。そこで、近年注目されているのが Terminal Deoxynucleotidyl Transferase（TdT）
を用いる酵素法である。
① TdT の酵素反応
多くの DNA ポリメラーゼは、二本鎖の DNA を基質とし、5‘→3‘鎖をプライマー、3‘→5‘鎖をテンプレ
ートとして DNA の塩基対形成を触媒することにより、DNA を 5‘→3‘方向に伸長する。一方、TdT は
DNA ポリメラーゼの一種であるが、伸長反応に DNA のテンプレートを必要とせず、周辺に存在する 4 種
の塩基を任意の順番に取り込んで、一本鎖の DNA を 5‘→3’方向にランダムに伸長する(20)。その酵
素反応の模式図を下図に示す。
DNA polymerase と Terminal Deoxynucleotidyl Transferase（TdT）の反応機構
（総説(20)掲載の模式図を参考に作成）
G
3ʼ 5ʼ
テンプレート
（鋳型）
プライマー
5ʼ
AT
AG
C
T
T A
DNA polymerase
プライマー
5ʼ
G
Terminal Deoxynucleotidyl Transferase (TdT)
T TC
A
32
TdT の本来の生理的な役割りは、哺乳動物の抗体や T 細胞受容体（TCR）の VDJ 遺伝子
再構成であり、これらの生体分子が多様なアミノ酸配列を確保する上で重要な酵素となっている(21,
22)。酵素法がホスホロアミダイト法よりも潜在的に有利な点を以下に示す(23)。
• 水溶液中の反応であるため有害物質が少ない
• 反応が穏やかな条件であるため副反応が少ない
• 天然の DNA（すなわち、３‘水酸基を保護しない DNA）を使用できる可能性がある
• 有機化学反応では合成が難しい塩基配列にも適応できる可能性がある
しかし、有害物質が少ないこと以外は、これら利点は十分に実証されておらず、酵素法の実用化は
まだ先の話と思われていた。そんな中、2018 年 10 月にサンフランシスコで開催された SynBioBeta
2018 において、2014 年にパリで創立されたバイオベンチャーの DNA Script は酵素法により 150mer
のオリゴ DNA 合成に成功したと発表した(24)。驚くべき事に、１回の伸長反応の収率は 99.5%であ
り、ホスホロアミダイト法に匹敵する反応収率を達成したという。同社では、2018 年 5 月に 50mer オリ
ゴ DNA の合成に成功したと発表していたが、僅か 5 ヶ月後に３倍の鎖長となる 150mer の合成に成
功したことになり、その開発スピードに世界が驚愕した。現時点では彼らの技術の詳細は明らかになってい
ないが、2020 年までに一日で 1,000mer のオリゴ DNA を合成する手法を開発するという野心的な目
標を掲げており、今後の技術開発の動向が非常に注目される。
② TdT 法の改良
TdT を用いる酵素法によるオリゴ DNA 合成では、ビーズなどの支持担体に５’-水酸基を介して固
定したヌクレオチドに１種類の塩基（３‘-水酸基を保護済み）を添加し、１塩基ずつ正確に DNA を
伸長する。もし、添加する塩基の３‘-水酸基が保護されていないと TdT による伸長反応が連続して進
行し、意図せず同じ塩基が複数回伸長してしまうため、酵素法においては３‘-水酸基の保護が重要とな
る。1960 年代から酵素法に適した保護基の探索研究が行われてきた(25)。しかし、TdT の基質認識
ポケットが狭く、TdT の良好な基質認識性に影響を与えず、かつ脱保護が容易な保護基の探索は難航
した。この課題を克服するため、天然の TdT を改変して３‘-水酸基の認識ポケットを大きくする検討もな
されたが、そのポケット近傍に TdT の主鎖があり、酵素活性を保持したまま基質認識ポケットを改変する
のは難しかった(23)。この問題を克服するために、最近、３‘-水酸基がフリーのヌクレオチド三リン酸（ｄ
NTP）と TdT とのコンジュゲートを使用する方法(23)が提案されている。この方法では、予め TdT の基
質認識ポケットに 1 つの dNTP 分子を共有結合（TdT のシステイン残基と dNTP の塩基部位にスペー
サーを介して S-S 結合）させておくことにより、1 塩基伸長後のオリゴ DNA は TdT から遊離することな
く、TdT 分子内に共有結合を介して留まり、意図しない連続した塩基の伸長反応を防いでいる（1 塩
基伸長後の末端のフリーの３‘-水酸基は、嵩高い TdT 分子に保護され、別の TdT-dNTP コンジュゲ
ート分子はアクセスできない）。次の伸長反応を行うには、残存する未反応の TdT-dNTP コンジュゲー
トを除去した後、３’末端の塩基が TdT と結合したオリゴ DNA を還元処理により S-S 結合を切断して
1 塩基伸長後のオリゴ DNA からコンジュゲートの TdT を切り出す（脱保護）。反応の模式図を下図
33
に示す。この方法は、論文レベルではオリゴヌクレオチドの合成に成功しているが、図にも示した通り、TdT
を触媒でなく１塩基伸長ごとに毎回使い切る試薬として使うので、コスト面から実用化へのハードルは高
いと思われる。
前項で紹介した DNA Script の方法で如何なる保護技術が使われているか現時点では公開され
ていないが、３‘-水酸基の保護あるいは TdT の改変に独自の技術が使われていると推察される。
TdT-dNPT コンジュゲートを用いた１塩基身長反応
（論文(23)掲載の模式図を参考に作成）
(3) 技術分析
下表に示すように、長鎖 DNA 合成のためのオリゴ DNA 合成は化学合成法と酵素法の 2 つに大
別される。化学合成法においては並列自動合成が難しいリン酸ジエステル法・同トリエステル法（液相
法）はほとんど普及しておらず、現在ではホスホロアミダイト法（固相法）が主流となっている。特に、マイ
クロアレイ法は少量多品種のオリゴ DNA プールの超並列自動合成が可能であり、人工ゲノム合成や
DNA ストレージの研究領域で今後の更なるコスト低減が期待されている。一方、TdT を用いる酵素法
は実用化が難しいと考えられていたが、2018 年 10 月の DNA Script の報道を受け、ホスホロアミダイ
ト法に置き換わるポテンシャルがある新技術として俄然注目されるようになった。
34
合成法 特徴
化学合成法 リン酸ジエステル法 • 1950 年代に開発された液相合成法
• 初めての遺伝子合成（トランスファーRNA）に応用された
• 並列自動合成が難しく、現在では、ほとんど普及していない
リン酸トリエステル法 • 1970 年代に開発された液相合成法
• ソマトスタチン・インスリンの全長遺伝子合成で使用
ホスホロアミダイト法 • 1980 年代に開発された固相合成法
• エリスロポエチン・ヒト成長ホルモンの遺伝子合成に応用
• 支持担体により、カラム法(CPG 法)とマイクロアレイ法に分
類される（いずれも、１塩基伸長の収率は 99.5%、
200mer まで合成可能、コストは約 10 円/塩基）
• カラム法は、合成のスケールアップが比較的容易
• マイクロアレイ法は、少量多品種のオリゴ DNA プールのハイ
スループット合成に適する
• マイクロアレイ法は、インクジェット法（Agilent や Twist
Bioscience）と光電気化学法（Evonetix 等）に大別
されるが、現時点ではインクジェット法が優位
酵素法 TdT • テンプレート配列が不要
• DNA Script 社では、１塩基伸長の収率は 99.5%、
150mer まで合成可能（コストは不明）
• 今後、オリゴ DNA 合成を革新する可能性あり
上述のように、人工ゲノム合成や DNA ストレージなどのホットな研究領域では、オリゴ DNA 合成
の更なるハイスループット化とコスト低減が求められている。第 1 章の 7 節や 9 節でも解説したように、こ
れら研究領域では現在よりも数桁低いコストで研究材料であるオリゴ DNAを入手する必要であり、従来
のホスホロアミダイト法をベースとした改良研究では明らかに限界が見えている。今後、TdT 法などの新技
術により、オリゴ DNA 合成にイノベーションがもたらされることが期待される。
2-2 オリゴ DNA の連結（102~103 bp）
前節のオリゴ DNA の化学合成で解説したように、マイクロアレイ法では少量多品種のオリゴ DNA
を超並列的に合成することが特徴である。例えば、米国の Agilent Technologies や Twist
Bioscience では独自のマイクロアレイ技術により、2,000-1,000,000 種類のオリゴ DNA プール（各
オリゴ DNA の鎖長は 200mer 以下、収量は 0.1 fmol 以上）の受託合成サービスを提供している。
一般的に、長鎖 DNA 合成の出発材料となるオリゴ DNA プールは少量多品種の一本鎖 DNA の混合
物として提供されるため、長鎖 DNA 合成を効率的に行うにはオリゴ DNA の連結工程（アセンブリ）を
ハイスループット化する必要がある。
本章１節の全体ワークフローで概説したように、オリゴ DNA プールの連結は PCA（Polymerase
Cycling Assembly）法が多用されている。3-1 節でも解説するが、PCA 法が普及する以前は、人工
ゲノム合成に LCA（Ligase Chain Assembly）法が使われた事例（58、59）もあるが、現在では
35
ポリメラーゼによる伸長反応を組み合わせることにより、オーバーラップ配列をより短くすることが可能な
PCA 法が主流となっている。以下に、PCA 法の原理とハイスループット化の技術動向を解説する。
(1) PCA 法の原理
PCA 法は、化学合成した一本鎖オリゴ DNA（<102 mer）から遺伝子レベル（102~103 bp）
の二本鎖 DNA を作製する方法として最も広く普及している。PCA 法ではオーバーラップ配列（通常
15-25 bp）を持つように設計された 2 つのオリゴ DNA（通常 60-80 mer）どうしをアニーリングし、
一本鎖部分のギャップ（通常 数十 bp）を耐熱性 DNA ポリメラーゼで埋めて（合成して）二本鎖
DNA を調製する。そして、熱変性による一本鎖化→アニーリング→DNA ポリメラーゼによる DNA 合成
のサイクルを繰り返すことにより、最大で約 50 断片の一本鎖オリゴ DNA から目的とする遺伝子レベルの
二本鎖 DNA を 1 ポッド反応で連結できる(26-28)。オリゴ DNA プールを出発材料とした場合、PCA
の反応液中には連結が完結していない短鎖の DNA 断片が残留するため、最後に目的配列の両端をプ
ライミングサイトとした PCR（Polymerase Chain Reaction）を行い、目的とする長鎖 DNA だけを
指数的に増幅させる（下図）。PCR により増幅可能な DNA の長さは最大で数千 bp であるため、自
ずと PCA 法が適用できるのは数千 bp が限界となる。なお、この PCA 法は Polymerase Chain
Assembly 法や assembly PCR 法と呼ばれることもあり、過去に多くのレビュー(29-32)が執筆されて
いる。
PCA 法によるオリゴ DNA の連結（末次正幸、現代化学 2018 年 1 月号より転載）
(2) オーバーラップ配列のデザイン
前述のように、PCA 法による連結反応は相補配列（オーバーラップ配列）間のアニーリングを基本
原理としている。GC 間の結合力は AT 間の結合力より強いため、極端に GC リッチな相補配列は非特
異的なアニーリングの原因となり、逆に極端に AT リッチの相補配列はアニーリングの安定性低下の原因と
なる。また、目的とする長鎖DNAが繰り返し配列を含む場合、非特異的なアニーリングを誘発しやすい。
36
これらの問題を低減するため、オリゴ DNA の設計段階でオーバーラップ配列部分には適度な Tm 値を設
定し、極端な GC 含有率や繰り返し配列を避けるなどの対策が重要である。PCA 法により多断片のオリ
ゴ DNA を同時に連結する場合、指定した順序と方向で各オリゴ DNA を連結するためのオーバーラップ
配列のデザインがより複雑になる。そこで、各研究機関では、独自開発したコンピュータソフトを用いてオー
バーラップ配列をデザインしていることが多い(33-35)。
(3) PCA 法のハイスループット化
マイクロアレイ法によるオリゴ DNA プールの並列自動合成技術の発展に伴い、オリゴ DNA 合成
のコストは著しく低減された(36-38)。しかし、マイクロアレイ法で合成されたオリゴ DNA プールに含まれる
各 DNA 量は通常 femto-mol (10-15 mol) オーダーに過ぎない。一方、試験管内で PCA 法による
オリゴ DNA の連結を行うには少なくとも pico-mol (10-12 mol) オーダーの DNA が必要とされる。この
DNA 量のギャップを埋める方策としては、PCA 法の反応体積を微小化し、分子数としては少量のオリゴ
DNA であっても濃度としては試験管内と同程度にすることが考えられる。ただし、アニーリングの効率や選
択性の問題で PCA 法で同時に連結できるオリゴ DNA 断片の数は最大でも 50 程度であり、単に反応
体積を微小化しただけでは、マイクロアレイ法により合成された 103~105 種類のオリゴ DNA を 1 ポッド
の PCA 反応で同時に連結することはできない（Ref,NAR2010）。そこで、マイクロアレイ法により合成
されたオリゴ DNA プール（103~105 種類の DNA が混在）から連結すべき近隣のオリゴ DNA だけを
選択的に増幅し、サブプール（<102 種類の DNA が混在）に分割してから PCA 法で連結する手法が
開発された。現在では、この手法の並列自動化技術が進み、長鎖 DNA（103~104 bp）の合成をメ
ーカーに外部委託することが可能になった（最短で納期 2~3 週間、米国では価格 10~30 円/bp）。
オリゴ DNA プールを出発材料とした PCA 法による長鎖 DNA 合成（103~104 bp）は多数報
告されているが、連結反応前にチップ上でオリゴ DNA の増幅を行う方法（On-chip 法）と、チップから
オリゴ DNA を剥がした後に増幅を行う方法（Off-chip 法）の 2 つに大別される。Off-chip 法は PCR
により指数的増幅を行うことから、一般的に On-chip 法よりも反応時間を短縮できるが、近隣のオリゴ
DNA 群を識別するためのアダプター配列を付加する必要があり、オリゴ DNA の設計が複雑になる。以
下にそれぞれの技術を図解する。
① On-chip 法
On-chip 法では、予め区画化された１つのマイクロウェル内で近接したオリゴ DNA（3’末端に共
通のアダプター配列を付加）のサブプールを化学合成する。そして、オリゴ DNA がマイクロアレイに結合し
た状態でプライマー（共通のアダプター配列をプライミングサイトとして利用）を添加して DNA ポリメラー
ゼにより非指数的な増幅反応を行う。そして、アダプターを制限酵素で除去した後、１つのマイクロウェル
内で PCA 法による連結反応を行う。このように予め近接するオリゴ DNA のサブプール（数種から数十
種）を 1 つのマイクロウェル内に配置しておけば、1 ポッドの PCA 反応でサブプールの連結反応が完結す
る(39)。他のマイクロウェル内でも同時並行的にこの一連の操作を行えば、目的の長鎖 DNA 合成に必
要な全てのサブプールの連結反応が短時間で完結する。
37
On-chip 法によるオリゴ DNA 連結のハイスループット化
（R. A. Hughes and A. W. ELLington の 2017 年の総説を参考に作図）
② Off-chip 法
Off-chip 法では、近接するオリゴ DNA を識別するためのアダプターを両端に付加したオリゴ DNA
をマイクロアレイ法で合成し、化学処理によりオリゴ DNA をマイクロアレイから剥がす。そして、１種類のプ
ライマーを添加して近接したオリゴ DNA だけを選択的に PCR で増幅し（両端のアダプターをプライミング
サイトとして利用）、オリゴ DNA のサブプールを作成する。そして、アダプターを制限酵素などで除去した
後、PCA 法による連結反応を行い、近接するオリゴ DNA を連結する(15)。他の種類のプライマーを使
用して一連の操作を行えば、別のオリゴ DNA サブプールの連結を同時並行的に行うことができ、目的の
長鎖 DNA 合成に必要な全てのサブプールの連結が短時間で完了する。
38
Off-chip 法によるオリゴ DNA 連結のハイスループット化
（R. A. Hughes and A. W. ELLington の 2017 年の総説を参考に作図）
近年、Off-chip 法は更なるハイスループット化を目的に改良が重ねられ、2018 年にエマルジョン
PCR を使う方法（DropSynth 法）が開発された(40)。DropSynth 法ではマイクロアレイ法で合成
した多種類のオリゴ DNA プールを近接したオリゴ DNA のサブプール（予め各サブプールには共通のアダ
プターを付加）に仕分けるため、予めアダプター捕捉用プライマーを固相化したビーズを用意する。このビ
ーズをオリゴ DNA プールと混合し、ビーズ上に同じアダプターを付加したオリゴ DNA サブプールを捕捉した
後、油中水滴エマルジョン（ビーズが 1 つだけ入る粒径）中で PCR による増幅反応と PCA による連結
反応を行う（エマルジョンで区画化されているので他の DNA サブプールの混入はない）。実際には全種
類のダプター捕捉用ビーズを同時に混合して、全サブプールのエマルジョン内での仕分けを短時間で超並
列的に行うため、目的の長鎖 DNA 合成に必要な全てのサブプールの連結が効率的に行える。
39
DropSynth 法によるオリゴ DNA 連結のハイスループット化
40
2-3 人工ゲノムの合成（>103 bp）
前節で述べたように、オリゴ DNA（100mer 以下）を出発材料とした遺伝子レベル（102~103
bp 程度）の DNA の集積には PCA 法が使われる場合が多い。一方、それよりも長い遺伝子クラスター
（>103 bp）に相当する長鎖 DNA の集積には、種々の集積法（アセンブリ法や連結法とも呼ばれ
る）が使われている。ただし、いずれの集積法も基本的には同じ原理であり、隣り合わせになる DNA 断
片末端の相補配列（数塩基から数キロ塩基）を利用して断片間の対合形成を行っている。断片間の
対合形成はその配列によって一義的に決まるため、各 DNA 断片末端の相補配列を適切に設計してお
けば、指定した順序と方向で DNA 断片を集積することができる。
上述のように、集積法の基本的な原理は同じであるが、対合形成のプロセスにより、(1)オーバーラ
ップ配列を用いる方法、(2)Type IIs 制限酵素を用いる方法、(3)DNA 熱変性反応を用いる方法、
(4)細胞を用いる方法、の 4 つに分類できる。下表に、それぞれの方法の具体例を示す。
長鎖 DNA の集積法 具体例
(1) オーバーラップ配列を用いる方法 Gibson Assembly 法、SLIC 法、in-fusion 法、USER 法、
NE-LIC 法、RA-RCR 法、SLiCE 法
(2) Type IIs 制限酵素を用いる方法 Golden Gate 法、PSA 法、MASTER 法
(3) DNA 熱変性反応を用いる方法 LCR 法、CPEC 法、PaperCrip 法、TPA 法、SHA 法、
DATEL 法
(4) 細胞を用いる方法 酵母集積法、OGAB 法
次に、上表の具体例に記載した各方法について、論文で報告されている 1 ポッド反応で連結した
DNA 断片数と DNA コンストラクト鎖長を下図にまとめた。本節では、上記４つの方法の代表例として、
Gibson Assembly 法、Golden Gate 法、LCR 法、酵母集積法を選び、それぞれの集積法について
解説する。
41
42
(1) オーバーラップ配列を用いる方法（Gibson Assembly 法）
Gibson Assembly 法は、ベンター研究所（JCVI）の Daniel Gibson が開発した方法(41)で
あり、T5 exonuclease、Phusion DNA polymerase、Taq DNA ligase の 3 種の酵素を使用す
る。まず、T5 exonuclease の 5’→3’ exonuclease 活性によりインサート（DNA 断片）と直線状
に開いたベクターの末端に突出部分を形成させる。次に、突出部分の相補配列（15-80 bp）を利用
してアニールし、隣り合わせの DNA 断片とベクターを全て同時に連結する。そして、Phusion DNA
polymerase により欠失している DNA 部分を伸張させ、最後に Taq ligase によりニック部分をシール
して集積反応は完了する。Gibson Assembly 法については、SYNTHETIC GENOMICS（SGI）
社から HiFi 1-Step Kit と Ultra Kit の 2 種類が販売されている。前者は 5 断片で全長 100 kbp、
後者は 15 断片で全長 1,000 kbp の集積が可能とされる。なお、前者のキットは NEB 社からも販売
されており、同社のホームページで実験プロトコールの概略が掲載されている（下図）。Gibson
Assembly 法は 50℃の恒温反応で行うのでサーマルサイクラーなどの高価な装置は不要であり、また、
自前で試薬を調製することも可能であり、世界で最も広く普及している集積法の 1 つである。
Gibson Assembly 法は論文での使用実績も豊富であり、例えば、マイコプラズマ(42)やマウスミ
トコンドリア(43)の人工ゲノム合成にも使われている。詳細は割愛するが、多段階の Gibson
Assembly 法により、前者では最終的に 583 kbp、後者では最終的に 16.5 kbp の人工ゲノム合成
に成功している。
(2) Type IIs 制限酵素を用いる方法（Golden Gate 法）
Golden Gate 法は、Type IIs 制限酵素と ligase を使用し、37℃、30 分の恒温反応で、1 ポ
ッドで多断片の同時連結を行う(44)。Type IIs 制限酵素は多種類存在するが、例えば、BsaI を用い
Overlap
T5 エキソヌクレアーゼによるChew-back反応（50°C）
Phusionポリメラーゼによる伸張、Taqライゲースによるライゲーション（50℃）
アニール（50°C）
5ʼ5ʼ
5ʼ5ʼ
3ʼ
3ʼ
3ʼ
3ʼ
5ʼ5ʼ
5ʼ5ʼ
3ʼ
3ʼ
3ʼ
3ʼ
5ʼ
5ʼ5ʼ
5ʼ3ʼ3ʼ
3ʼ3ʼ
5ʼ5ʼ3ʼ
3ʼ
43
る場合、下図の青い四角で囲った塩基配列が認識され、認識サイトの外側（点線部分）で切断され、
4 塩基の突出部分（1234）を持つ DNA 断片が形成される。このときに、連結する相手の DNA 断片
に相補的な配列（1234）を設計しておけば、意図した順序で多数の DNA 断片をアニーリングすること
ができる。そして、アニーリング後に T4 DNA ligase により DNA 断片同士をライゲーションし、連結反応
を完了させる（下図）。上述のように、Type IIs 制限酵素は認識配列の外側に切断サイトがあり、目
的の連結産物中に認識配列が残らないことが、従来の制限酵素とは異なる利点である。
本法は、遺伝子シャッフリングによる酵素の進化工学に研究にも使われている。例えば、種々のト
リプシノーゲン（bovine cationic trypsinogen, bovine anionic trypsinogen, human
cationic trypsinogen）を９つのモジュールに分割した DNA 断片をシャッフリングして発現ベクターに
連結する際に本法が使われている(45)。また、第 1 章の 10-1 節で解説したように、神戸大のグループ
が開発した OGAB 法においても Type IIs 制限酵素が利用されている。ただし、OGAB 法では最終的
には枯草菌内で DNA 断片の集積を行うので、ここでは(4)項の細胞を使う方法に分類した。
(3) DNA 熱変性反応を用いる方法（LCR 法）
LCR (Ligase Cycling Reaction)法では、連結させたい 2 本の DNA 断片（二本鎖）を熱変
性させて一本鎖にした後、互いの一本鎖 DNA の相補配列をコードしている一本鎖 DNA の架橋オリゴ
（60-90 bp）を介して、3’と 5’末端が横並びになるように近接させる。近接した末端は Ligase
（Ampligase® Thermostable DNA Ligase）によって結合する（下図のサイクル１）。その後、
再加熱し、熱変性により架橋オリゴを解離させ、連結後の一本鎖 DNA と連結前の一本鎖 DNA をアニ
ールし、Ligase で連結させて二本鎖 DNA の連結が完了する（下図のサイクル 2）。このサイクルを繰
り返せば、複数断片を連結させることができる。
44
ACS SyntheticBiol., (2014), 3: 97-106 を参考に作成
LCR 法では温度サイクルをかける必要があり、例えば、熱変性は 94℃（10 sec）、アニーリング
は 55℃（30 sec）、ライゲーションは 66℃（60 sec）の反応条件で行われる。LCR 法でも多断片
を 1 ポッドで連結することができるが、全ての断片の連結を完了させるには温度サイクルの回数を増やす
必要がある。2014 年の論文では、上記の温度サイクルを 50 回行うことにより、20 断片（500 bp）
の 1 ポッドでの合成に成功している(46)。また、LCR 法では長鎖 DNA の連結も可能であり、この論文
で20 kbp（2 kbp×10断片）の連結にも成功している。更に、この論文では、他の連結法（CPEC、
Gibson Assembly、酵母集積法）との比較も行われており、CPEC と Gibson Assembly では 4 断
片の連結を 50%以上の正確性で行うことができなかったが、LCR 法と酵母集積法では 12 断片の連結
を 60-100%の正確性で行うことができたと報告している（酵母集積法の欠点として、培養工程を含む
ので時間がかかることを指摘）。
(4) 細胞を用いる方法（酵母集積法）
酵母は DNA 二本鎖切断の修復時に相同組換機構で DNA を修復する機能を有するが、この相
⼀重鎖DNA架橋オリゴ
⼆重鎖DNA A ⼆重鎖DNA B
変性、アニール
⼀重鎖DNA A ⼀重鎖DNA B
ライゲーション
⼀重鎖DNA A + B
変性、アニール
⼀重鎖DNA A+ B
⼀重鎖DNA A ⼀重鎖DNA B
ライゲーション
⼆重鎖DNA A + B
サイクル
1サイクル
2
45
同組換システムを利用して酵母に取り込ませた DNA 断片を相同配列間（20-30 bp の相同配列領
域が必要）で連結する方法が、酵母集積法である。この方法では、直線状のプラスミドは細胞内で複
製されず、相同な配列同士が連結して環状になったプラスミドのみが複製される。
酵母集積法は長鎖 DNA 合成（マイコプラズマの人工ゲノム合成）の論文で多用されており、例
えば、590 kbp（17-35 kbp×25 断片）(47)、1 Mbp（100 kbp×11 断片）(1)、583 kbp
（290 kbp×2 断片）(41)などの事例が報告されている。
酵母による連結法（Curr. Protoc. Mol. Biol. (2016), 113: 3.26.1-3.26.20, を参考に作成）
一般的に、大腸菌を用いてクローニング可能な DNA の長さは数 10kpp が限界であり、上記の
マイコプラズマの人工ゲノム合成のように 100kbp を超える集積を行う場合は、現状では酵母集積法
が唯一の選択肢となっている。酵母は相同組換え（homologous recombination）の活性が高く、
一方、DNA 断片をその末端から分解するエキソヌクレアーゼ活性や非末端同士を連結して DNA 断
片のエラー配列を修復する非相同末端連結（Non-homologous end joining；NHEJ）の活性
は低く抑えられており、DNA 断片の大規模集積には好適な細胞である。しかし、酵母集積法には GC
含量による制約があり、GC 含量が高い DNA 断片の場合は、200kb 以上の集積が難しいと報告さ
れている(48, 49)。
断⽚ A
断⽚ B
相同組換え
46
2-4 エラー修復
マイクロアレイ法によるオリゴ DNA プール合成の技術開発により、DNA 合成はハイスループット化や
コストダウンに成功したが、ホスホロアミダイト法をベースとしたオリゴの化学合成では 0.5-1%程度の確率
でエラー配列が発生する。また、PCR による増幅時にもエラー配列の発生は避けられない（エラー率は使
用するポリメラーゼの種類に大きく依存）。遺伝子の機能解析では基本的には１塩基のエラー配列も
許されず、長鎖 DNA 合成においてエラー修復は極めて重要な技術となる。
一般的には、長鎖 DNA 合成は最終工程で大腸菌や酵母を宿主としたクローニングを行い、複数
の菌株についてシークエンスを確認してエラーフリーの長鎖 DNA を選別する。しかし、このクローニング作業
は培養工程を含むため、時間短縮や自動化が難しく、コスト上昇の要因となる。エラー率が高いほど、多
数の菌株をクローニングしなければエラーフリーの長鎖 DNA は取得できず、エラー修復技術によりクローニ
ング数を削減できれば、長鎖 DNA 合成のコストダウンに直結する。
これまでに多数のエラー修復法（エラーフリー選別法）が報告されているが、ミスマッチ結合タンパク
やミスマッチ切断酵素を利用する方法（酵素法）と、次世代シークエンサーを用いて超並列配列解析
を行う方法（NGS 法）の 2 つに大別される。更に、NGS 法については物理的回収法（マイクロピペッ
トやレザー）と選択的 PCR 増幅法（tag-directed retrieval や dial-out PCR）の 2 つに細分化
される。各エラー修復法の具体的な論文報告とエラー修復の結果を下図にまとめた。
エラー修復率の比較
（Phillip Kuhn et al. 2017 Engineering in Life Science を参考に作製）
47
上図のように 2004 年以降、酵素法をベースとしたエラー修復が多くの研究機関で実施され、長鎖
DNA のエラー率を 1/10 から 1/100 に低下することに成功した。2010 年以降は高性能な NGS が開
発されたのに伴い、エラーフリーの DNA 断片の選別効率が向上し、エラー率が 1/100 以下になった事
例も報告されている(50, 51)。上図からも分かるように、CPG 法で合成した少ない種類のオリゴ DNA の
エラー修復には酵素法と NGS 法の両方が適応可能であるが、マイクロアレイ合成した多種類のオリゴ
DNA についてはハイスループット化に適した NGS 法が一般的である。以下に、各エラー修復法の基本
的な原理を解説する。
(1) 酵素法
下図に示すように、正常な配列の 2 本鎖 DNA とエラー配列を含む 2 本鎖 DNA の混合物を熱変
性させて全て 1 本鎖にしてランダム化した後、再ハイブリダイゼーションを行い 2 本鎖 DNA にミスマッチを
生じさせる。そして、ミスマッチ結合タンパク（MutS）やミスマッチ切断酵素（Endonuclease）を用い
てエラー配列を除去する。
ミスマッチ結合タンパクまたはミスマッチ切断酵素によるエラー修復
ミスマッチ結合タンパクを用いる場合は、分子量の増加を利用してフィルター・電気泳動・ゲル濾過な
どの手法によりエラー配列を除去するか、あるいはミスマッチ結合タンパクを固定化したビーズを使いエラー
配列を除去する(52, 53)。また、ミスマッチ切断酵素としては、T7 endonuclease I、CEL1
（ErrASE）、T4 endonuclease VII、E. coli endonuclease V などが使われるが、それぞれ基
質選択性が異なりオールマイティーな酵素は存在しないため、一般的には 1 塩基欠損（deletion）や
1 塩基挿入 (insertion)の認識性が高い酵素と 1 塩基置換（substitution）の認識性が高い酵
素を混ぜて使う場合が多い。なお、長鎖 DNA のエラー修復を行う場合は、ミスマッチ結合タンパクによる
48
エラー配列除去とミスマッチ切断酵素酵素によるエラー配列除去を組み合わせ行うこともある(54)。
このように多種多様なミスマッチ結合タンパクやミスマッチ切断酵素を用いたエラー修復法が報告され
ているが、一般的に酵素法によるエラー修復は自動化やハイスループット化が難しく、マイクロアレイで合
成されたオリゴ DNA プールのエラー修復においては、次に解説する NGS 法を使う場合が多い。
(2) 次世代シークエンサー（NGS）法
近年の次世代シークエンサー（NGS）の急速な普及に伴い、酵素法によるエラー修復の工程はス
キップし、多数の DNA 断片（エラーフリーの DNA 断片の含有率は低い）の中からエラーフリーの DNA
断片を NGS で直接選別する手法が開発された。冒頭で説明したように、NGS 法は物理的回収法と選
択的 PCR 増幅法の２つに細分化される。それぞれの方法について解説する。
① 物理的回収法
両末端にアダプターを結合した DNA 断片とアダプターの相補配列を固定化したビーズ（DNA 断片
に対して過剰量）を混合し、ビーズ上に１分子の DNA 断片を捕捉する。次に、油中水滴エマルジョン
（ビーズが 1 つだけ入る粒径）中で PCR を行い、1 分子の DNA 断片を数百万コピーまで個別に増幅
して 1 つのビーズ上に捕捉する（エマルジョンで区画化されているので他の DN 断片の混入はない）。そ
して、エマルジョンを破壊した後、ビーズが 1 つ入る大きさの 454 well ピコタイタープレートに分注し、NGS
（ロッシュ社、Genome Sequencer-FLX）で超並列配列解析（massive parallel sequencing）
を行い、エラーフリーの DNA 分子を選別する。エラーフリーの DNA が結合したビーズは、マイクロピペット
(55)やレーザー(56)を用いて回収し、制限酵素などによりアダプターを切断してエラーフリーの DNA 断片
を調製する。
49
NGS と物理的回収によるエラー修復
② 選択的 PCR 増幅法
個々の DNA 断片を識別するためのバーコードタグを DNA 断片の両端に連結し、バーコードタグ部
分の配列を含めて全長の DNA 断片について NGS で超並列配列解析（massive parallel
sequencing）を行い、エラーフリーの DNA 断片を選別する。次に、エラーフリーの DNA 断片のバーコ
ードタグをプライマーとして利用し、エラーフリーの DNA だけを選択的に PCR で増幅する。この方法は
dial-out PCR または tag-directed retrieval などと呼ばれている(51, 57)。
NGS と限定増幅 PCR によるエラー修復
50
3. 長鎖 DNA 合成の事例調査
前節では長鎖 DNA 合成を４つの工程（オリゴ DNA の合成、オリゴ DNA の連結、人工ゲノムの
合成、エラー修復）に分けて、それぞれの工程で使われている技術を細分化して解説したが、本節では
各研究機関（アカデミア、DNA 受託合成会社、ファウンドリー）における長鎖 DNA 合成の事例を調
査し、技術のトレンドを解説する。
3-1 アカデミア
人工ゲノム合成の歴史は、2002 年の NY 州立大によるポリオウイルス合成に始まる。その後、長
鎖 DNA 合成技術の進展に伴い、マイコプラズマや酵母などより長いゲノムの人工合成が可能となり、そ
の研究成果が次々と論文発表された。ここでは、人工ゲノム合成関連の代表的な論文を選択し、これら
論文で使用されている手法を DNA の鎖長別に整理した（下図）。
人工ゲノム合成関連の論文で使用されている手法の分析結果
年、合成ゲノム、ゲノ
ム長、Ref ／鎖長
100 ～1K ～10K ～300K ～１M
2002 年
ポリオウイルス
(7.5 Kbp)(58)
CPG 法
60-77 断片
LCA 法
PCA 法
PCA 法
7.5 Kbp
2003 年
ΦX174 ファージ
(5.4 Kbp) (59)
CPG 法
42 断片
LCA 法
700 bp
PCA 法
5.4 Kbp
2008 年
マイコプラズマ
(0.58 Mbp) (41)
CPG 法
50 断片
記載なし 合成委託
6 Kbp
Gibson 法
～124 Kbp
出芽酵母
0.58 M
2010 年
マイコプラズマ
(1.08 Mbp) (1)
CPG 法
記載なし
合成委託
1080 bp
出芽酵母
10 Kbp
出芽酵母
～144 Kbp
出芽酵母
1.08 M
2014 年
出芽酵母
第 3 染色体
(0.27 Mbp) (60)
CPG 法
60-79 断片
PCA 法
750 bp
USER 法
Gibson 法
出芽酵母
2～4 Kbp
出芽酵母
0.27 Mbp
2016 年
マイコプラズマ
(0.53 Mbp) (4)
CPG 法
60 断片
PCA 法
1.4 Kbp
Gibson 法
7 Kbp
出芽酵母
～70 Kbp
出芽酵母
0.53 M
2018 年
馬痘ウイルス
(0.21 Kbp) (61)
CPG 法 記載なし 合成委託
10-30Kbp
哺乳類細胞
0.21 Mbp
51
第 1 節で解説したように、人工ゲノム合成のワークフローは、オリゴ DNA の合成（<100mer）、
オリゴ DNA の連結（102-103 bp）、人工ゲノムの合成（>103 bp）の一連の工程からなる。今回
の論文の調査結果から、人工ゲノム合成の出発材料となるオリゴ DNA の合成については、全ての論文
で CPG 法（カラム法）が使われており、先端技術であるマイクロアレイ法や酵素法で合成されたオリゴ
DNA は使われていないことが分かった。また、1 Kbp までのオリゴ DNA の連結（アセンブリー）は PCA
法と LCA 法（PCA 法の原型であるが、ポリメラーゼによる伸長反応を利用しない）に集約されるが、1-
300 Kbp の長鎖 DNA の連結には PCA 法(28)、Gibson assemby 法(42)、USER 法(62)、出
芽酵母での相同組換え法(47)、哺乳類細胞など多用な技術が採用されており、研究機関による独自
色が強いことが分かった。ただし、300 kbp を超える人工ゲノム合成では、いずれの場合も出芽酵母を用
いる方法でアセンブリーが行われている。なお、2-3 節の酵母集積法でも述べたが、GC 含量が多い塩基
配列の場合は、出芽酵母を用いる方法では 200 kbp 以上の長鎖 DNA の合成は難しいとされるが、
マイコプラズマのゲノムは AT リッチなので合成が可能であった(48, 49)。
3-2 長鎖 DNA 合成メーカー
International Gene Synthesis Consortium（IGSC）に加盟する長鎖 DNA 合成メーカー
12 社（2018 年 10 月現在）の本拠地と各社が採用しているオリゴ DNA の合成法を下表にまとめ
た。なお、IGSC の活動内容については、第３章の 4 節で解説する。
International Gene Synthesis Consortium（IGSC）に加盟する長鎖 DNA 合成メーカー
メーカー 本拠地 オリゴ DNA 合成法
BGI 中国、深圳
Sc2.0 にオリゴ DNA を供給
CPG 法
BLUE HERON 米国、ワシントン CPG 法
ATUM 米国、カリフォルニア CPG 法
IDT 米国、アイオワ CPG 法
THERMO FISHER
SCIENTIFIC
英国、マンチェスター
GeneArt 社（1999 年設立、ドイツ）が傘下
CPG 法
SGI-DNA 米国、アイオワ
Synthetic Genomics（ベンター研）の子会社
CPG 法
GENESCRIPT 米国、ニュージャージー （設立は中国） CPG 法
BIONEER CORP 韓国 CPG 法
EDINBURGH
GENOME FOUNDRY
英国、エジンバラ CPG 法
BATTELLE 米国、オハイオ CPG 法
TWIST BIOSCIENCE 米国、サンフランシスコ
DNA ストレージ研究用にマイクロソフトに供給
マイクロアレイ法
GINGKO BIOWORKS 米国、ボストン
2017 年に Gen9 を買収
マイクロアレイ法
52
上表のように、IGSC に加盟する 12 社の内、Gingko Bioworks と Twist Bioscience を除
く、10 社が CPG 法(カラム法)を採用している。2-1 節でも述べたように、ホスホロアミダイト法をベースに
した CPG 法は 1980 年代に開発された技術であるが、その信頼性の高さから現在でも多くの DNA 合
成メーカーで採用されている（日本国内の DNA 合成メーカーも全て CPG 法を採用）。CPG 法は長
年にわたり改良が積み重ねられ、現在では 96well や 384well プレートに対応した並列自動合成機が
普及している。また、前節で述べたように、CPG 法で合成されたオリゴ DNA は、アカデミアによる人工ゲノ
ム合成の出発材料として合成生物学の発展に大きく貢献してきた。一方、マイクロアレイ法は遺伝子発
現解析を目的として 1990 年代前半に半導体製造技術を応用した Affimetrix により開発され(17,
18)、現在の主流となったインクジェット法は 2000 年代前半に主に Agilent Technologies により実
用化レベルまで改良された先端技術であり(14, 63)、2009 年に設立された Gen9（2017 年に
Gingko Bioworks が買収）や 2013 年に設立された Twist Bioscience がこのインクジェット方式に
よるマイクロアレイ法を採用している(11, 64)。
上述のように、現時点ではマイクロアレイ法を採用している企業は少数であるが、DNA 合成コストの
大幅な低減が求められる DNA ストレージなどの研究領域ではマイクロアレイ法への期待が大きく、今後、
新たなバイオベンチャーが登場するかもしれない。実際、2018 年 10 月にサンフランシスコで開催された
SynBioBeta 2018 において、英国のバイオベンチャーである Evonetix は半導体技術を用いたマイクロ
アレイ法により 104 種類のオリゴ DNA を並列合成し、アセンブリーやエラー修復を行う手法を開発したと
発表した(19)。現時点では、同社の手法は並列合成の集積度としては、インクジェット方式の Twist
Bioscience の手法（105-106 種類のオリゴ DNA を並列合成）よりも見劣りするが、半導体技術を
応用した新しいマイクロアレイ法として今後の技術開発の飛躍的進展が期待される。
以下に、従来技術の CPG 法と先端技術のマイクロアレイ法について利点と欠点を整理する。
CPG 法とマイクロアレイ法の比較
DNA 合成法 利点 欠点
CPG 法 • オリゴ DNA 合成の安定供給が可能
• 出荷までの期間が短い
• 合成コストの低減に限界がある
• ハイスループット化に限界がある
マイクロアレイ法 • 合成コストが圧倒的に安価
• 超並列自動合成が可能
• 塩基配列の正確性
• 出荷までの期間が長い
• 大きな設備投資が必要
次に、各メーカーの長鎖 DNA 合成（約 10 kbp）のワークフローの調査結果について簡単に
説明する。各メーカーが採用しているオリゴ DNA 合成法（CPG 法またはマイクロアレイ法）はホームペ
ージ等で公表されていたが、オリゴ DNA のアセンブリー以降の工程は各社で独自にノウハウを蓄積してお
り、詳細な作業工程はほとんど公表されていなかった。インターネットや特許などの限られた公開情報から
推定される長鎖 DNA 合成メーカーの基本的なワークフローを以下に示す。
53
① CPG 法またはマイクロアレイ法によるオリゴ DNA 合成（約 100mer）
② PCA 法によるアセンブリ―（～１kbp）
③ 大腸菌によるクローニングと配列確認
④ Gibson assembly 法など（多様な選択肢あり）によるアセンブリ―（～10 kbp）
⑤ 塩基配列のエラー修復（工程②のアセンブリー後に実施するケースもある）
⑥ 大腸菌によるクローニングと配列確認
⑦ 出荷（～10kbp）
また、長鎖 DNA 合成メーカーでは合成可能な塩基配列に制限があり、以下のような塩基配列は
合成が困難とされている。例えば、IDT 社のホームページでは、以下のような塩基配列は合成困難性が
高いため、コドンの変換を推奨している。
① ヘアピン構造を取る(相補配列がある)場合
1. 10bp 以上の相補配列で、GC 含率が 80%以上を超える場合
2. 15bp 以上の相補配列で、GC 含率が 65%を超える場合
3. 20bp 以上の相補配列がある場合
② G もしくは C のみが 10bp 以上続く場合、A もしくは T のみが 24bp 以上続く場合
③ 繰り返し配列がある場合
④ 配列全体の GC 含率が 65%を超えるもしくは 25%を下回る場合
⑤ 部分配列(150bp)の GC 含率が 75%以上もしくは、35%以下の場合
3-3 バイオファウンドリー
2030 年にはバイオテクノロジーを利用した産業が全 GDP の 2.7%（OECD 加盟国で約 200
兆円）まで拡大するとの見通しを踏まえ、バイオエコノミー（Bioeconomy）という概念が国際的に提
唱されている。合成生物学の世界では、大学や研究センターが政府系の高額な助成金を活用して、
自らの組織内で実用化研究を行うための体制や設備を整えている（合成生物学工場）(65)。合成
生物学工場では、長鎖 DNA 自動合成機（例えば、SGI-DNA 社の Digital-to-converter 技術
(66)で製品化した DNA プリンタ BioXpⓇ）だけでなく、DNA 配列の設計・改変体作製ロボット・改
変細菌のオミックス分析装置・質量分析装置などゲノムの設計から構築を行う設備、更には有用物質
の生産効率を解析する設備などを整え、基礎から実用化までの一連の研究開発を支援することを目
標としている。日本国内では、神戸大学が NEDO の「スマートセルインダストリー」事業の一環としてバ
イオファウンドリーの構築を目指しており、2017 年に Synplogen（長鎖 DNA 精密合成）と
BioPallet（ゲノム編集）という 2 つのバイオベンチャーを設立した。世界の代表的なバイオファウンドリ
ーの本拠地と特徴を下表にまとめた。
54
世界の代表的なバイオファウンダリー（近藤昭彦 教授のスライドから抜粋）
DNA 合成ファウンドリー 本拠地 特徴
JBEI (Joint
Bioenergy Institute)
米国、CA • 2007 年に DOE（米国エネルギー省）が設立
• UC Berkeley 大の Jay Keasling 教授が CEO
• バイオ燃料など
MIT, Broad Institute
Foundry
米国、MA • DARPA（アメリカ国防高等研究計画局）の予算で設立
• 有用物質 1,000 分子の合成を目指す
Univ. Illinoi 米国、IL • DARPA の予算で設立
• DBTL サイクルの自動化（iBioFAB）
JCVI（J. Craig
Venter Institute）
米国、CA • Synthetic Genomics, Inc.で事業化
• 人工ゲノム合成
New York Univ.
(NYU)
米国、NY • Jef Boeke 教授
• GP-write（2017）を主導
Imperial College
London
英国、
ロンドン
• £２M の助成金を獲得し 2016 年 4 月スタート
• DNA 合成と構築
Manchester Univ. 英国、
マンチェスタ
ー
• DBTL の研究者が集結
• ファインケミカルや新規抗生物質の開発
The Edinburgh
Genome Foundry
(EGF)
英国、
エジンバラ
• UK Research Council とエジンバラ大により設立
• パートナー企業は AUTODESK と Themo Fisher
Scientific
NUS Synthetic Biology
Foundry
シンガポー
ル
• DBTL の研究者が集結
神戸大学 日本 • スマートセルインダストリー事業
• 長鎖 DNA 精密合成、ゲノム編集
各バイオファウンドリーの詳細は、紙面の都合上割愛するが、神戸大学の状況については第 1 章の 10-
1 節で解説した。
55
4. 米国特許調査
DNA 合成の技術動向を知るため、本技術領域で世界をリードする米国での特許出願状況を住
化技術情報センター（STIS）に外部委託して調査した。1 次調査では 「Microarray」、
「Assembly」、「Error Correction」 の３つをキーワードとして俯瞰的解析を行い、2 次調査では米
国において長鎖 DNA の受託合成サービスを展開している代表的な企業 16 社について出願人別解析
を行った。なお、今回の特許調査は出願件数の年次推移を把握し、DNA 合成の技術トレンドを推察す
ることに主眼を置いており、各特許の詳細な内容については深掘りしていない。今回の特許調査方法の
概要を以下に示す。
• 調査範囲：特許のタイトル または アブストラクト または クレームの中に、DNA または オリゴ
ヌクレオチド または ポリヌクレオチドを含む特許群を基礎データセットとし（鎖長や合成方法は
限定せず）、これに抽出キーワードや除外ワード、出願人情報などを掛け合わせることにより、調
査対象となる特許を絞り込んだ（詳細は各項の検索式を参照）。
• 出願国：技術動向を調査する上で重要な特許については世界最大市場の米国が出願国の
１つとして含まれている可能性が高いことから、2000 年以降に米国で出願された特許を調査
対象とした（ダブルカウントを防ぐため、登録特許の件数は除外）。ただし、出願人別解析にお
いて米国出願を見いだせない場合は、EP および WO 出願を含めた。
• 特許データベース：主に FPO（Free Patents Online.com）を使用
4-1 俯瞰的調査
(1) Microarray
第１章の 7 節で述べたように、合成生物学の発展にはオリゴ DNA 合成の大幅なコストダウン
が必須とされるが、オリゴ DNA 合成には高価な化学試薬を使用するため、マイクロアレイを用いた
化学試薬の節減がコストダウンの鍵となる。また、マイクロアレイはオリゴ DNA プールのハイスループッ
ト合成やオリゴ DNA の自動並列アセンブリなど広範囲な用途が想定されるため、マイクロアレイに関
する特許の俯瞰的解析を行った。
56
【検索方法】
概要 microarray (micro array や micro-array も含む)と DNA（oligonucleotide
や polynucleotide も含む）の２つの単語を同時に含む特許から、DNA 合成やアセ
ンブリに無関係なノイズ（主に疾病診断に関する用途特許）を低減するため、以下の
除外ワードを含む特許を排除した。
除外ワード cancer 、 disorder 、 pharmaceutical 、 diagnosis 、 therapy 、 prognosis 、
disease、antibody、antisense
検索式 (((ABST/((microarray OR "micro array" OR micro-array) AND
(oligonucleotide OR polynucleotide))) OR (ACLM/((microarray OR
"micro array" OR micro-array) AND (oligonucleotide OR
polynucleotide))) OR (TTL/((microarray OR "micro array" OR micro-
array) AND (oligonucleotide OR polynucleotide)))) NOT
((ABST/(cancer OR disorder OR pharmaceutical OR diagnosis OR
therapy OR prognosis OR disease OR antibody OR antisense)) OR
(TTL/(cancer OR disorder OR pharmaceutical OR diagnosis OR
therapy OR prognosis OR disease OR antibody OR antisense)))) AND
APD/1/1/2000->7/1/2018（ヒット件数：1,835 件）
テキスト
マイニング
Twist Bioscience 社と Gen9 社については、タイトル or アブストラクト or クレーム
中に microarray という単語を使わない場合が多かったので、両社については全文中
に microarray（micro array や micro-array を含む）という言葉が含まれていれ
ばヒット件数に含めた。
【結果】
• 調査対象：1,835 件
• 年次推移：全件を出願年別に集計した結果を下図に示す。マイクロアレイに関する米国特許
出願は 2000 年時点では 10 件程度に過ぎなかったが、2001 年から急増し、2003 年のピー
ク時には 200 件を超えた。しかし、2004 年から 2008 年の 5 年間で急減し、それ以降も緩や
かに減少傾向が続き、2017 年には 50 件を下回った。この年次推移から、マイクロアレイ技術
は 2000 年初頭に勃興したが、現在は成熟期に入ったと推察される。
57
• 出願人：上記の調査対象 1,835 件中、10 件以上がヒットした出願人を下表に示す。上位
3 社は、いずれもマイクロアレイ法による DNA 合成を手がけている Gen9（2017 年に Ginkgo
Bioworks が買収）、Affymetrix（2016 年に Thermo Fisher Scientific が買収）、
Twist Bioscience（2013 年に Agilent から独立）であった。近年、上位３社は買収や独
立を経験しており、マイクロアレイを技術基盤とした DNA 受託合成会社は、業界再編の過渡
期にあると推察される。
なお、Microarrayの俯瞰的調査では上記検索式でヒットした特許件数を自動的にカウン
トしたものであり、DNA 合成とは無関係なノイズが含まれている可能性は排除できない
（Assembly や Error Correction の俯瞰的調査も同様）。
(2) Assembly
第 2 章の 2 節で述べたように、オリゴ DNA プールからの遺伝子合成、遺伝子からの遺伝クラ
スターやゲノム合成など DNA 鎖の連結反応には多種多様なアセンブリ技術が用いられている。長
鎖 DNA の調製においてはアセンブリが極めて重要な基盤技術であることから、マイクロアレイの次に
アセンブリに関する米国特許出願の俯瞰的解析を行った。
【検索方法】
概要 assembly と oligonucleotide (polynucleotide を含む)の２つの単語を同時に
含む特許から、長鎖 DNA のアセンブリに無関係なノイズ（主に疾病診断に関する用
途特許）を低減するため、以下の除外ワードを含む特許を排除した。
除外ワード disease 、 nanotube 、 antigen 、 cancer 、 siRNA 、 influenza 、 vaccine 、
antibody、receptor、organism、disorder、pharmaceutical、diagnosis、
therapy 、antisense
検索式 ((ABST/(DNA OR oligonucleotide OR polynucleotide) OR TTL/(DNA
58
OR oligonucleotide OR polynucleotide) OR ACLM/(DNA OR
oligonucleotide OR polynucleotide)) AND (ABST/assembly OR
TTL/assembly OR ACLM/assembly) AND APD/1/1/2000->7/1/2018)
NOT (ABST/(disease OR nanotube OR antigen OR cancer OR siNA OR
influenza OR vaccine OR antibody OR receptor OR organism OR
disorder OR pharmaceutical OR diagnosis OR therapy OR antisense)
OR TTL/(disease OR nanotube OR antigen OR cancer OR siNA OR
influenza OR vaccine OR antibody OR receptor OR organism OR
disorder OR pharmaceutical OR diagnosis OR therapy OR antisense))
（１次ヒット：2,481 件）
テキスト
マイニング
上記の検索式でヒットした 2,481 件の中には DNA 合成に無関係と思われる特許が
多数含まれていたことから、追加不要ワード（tissue, sensor, marker, mutation,
virus, variant, host cell）を設定し、これらの単語がタイトルあるいはアブストラクト
中に含まれる特許は除外した（2 次ヒット：2,033 件）。
【結果】
• 調査対象：2,033 件
• 年次推移：全件を出願年別に集計した結果を下図に示す。アセンブリは 2000 年以前から汎
用されていた技術であり、今回の調査対象である 2000 年以降も毎年 100-150 件程度が継
続して出願されている。詳細に見ると、2009-2010 年に一時的に 100 件を下回ったが、
2011-2016 年には再び 100 件以上（2013-2014 に小さなピーク）に回復しており、近年
もアセンブリ技術の改良が重ね続けられていると推察される。
• 出願人：上記の調査対象 2,033 件中、10 件以上がヒットした出願人を下表に示す。Gen9
（ 21 件 ） 、 Affymetrix （ 20 件 ） 、 Twist Bioscience （ 17 件 ） 、 Synthetic
Genomics（11 件）、Agilent Technologies（10 件）など著名な DNA 合成受託会社
59
の出願も多いが、他のベンチャー企業や米国の大学による出願も上位を占めた。なお、１位の
Life Technologies（48 件）や 8 位の Invitrogen（17 件）は現在では Thermo
Fisher Scientific に買収されている。
(3) Error Correction
第 2 章の 2-4 節で述べたように、ホスホロアミダイト法をベースとしたオリゴ DNA の化学合成
や PCR による増幅反応においてはエラー配列の発生が不可避である。遺伝子の機能解析では基
本的には１塩基のエラー配列を許されず、長鎖 DNA 合成においてエラー修復は極めて重要な基
盤技術である。2000 年以降、種々のエラー修復技術が論文報告されており、今回、エラー修復に
ついても米国特許出願の俯瞰的解析を行った。
【検索方法】
概要 error correction（error reduction、mismatch binding、MutS を含む）と
oligonucleotide (polynucleotide、DNA を含む)の２つの単語を同時に含む特
許から、DNA のエラー修復に無関係なノイズ（主に疾病診断に関する用途特許）を
低減するため、以下の除外ワードを含む特許を排除した。
除外ワード antibody 、cancer、 tumor、antigen 、methylation 、 therapy 、patient、
disorder、mutagenesis
検索式 (ABST/(oligonucleotide OR polynycleotide OR DNA) OR
60
ACLM/(oligonucleotide OR polynycleotide OR DNA) OR
TTL/(oligonucleotide OR polynycleotide OR DNA)) AND (ABST/("error
correction" OR "error reduction" OR "mismatch binding" OR MutS) OR
ACLM/("error correction" OR "error reduction" OR "mismatch binding"
OR MutS) OR TTL/("error correction" OR "error reduction" OR
"mismatch binding" OR MutS)) AND APD/1/1/2000->7/1/2018（１次
ヒット：276 件）
テキスト
マイニング
i. 上記の検索式でヒットした 276 件の内、タイトルあるいはアブストラクトに追加不
要 ワ ー ド （ Antibody 、 cancer 、 tumor 、 antigen 、 methylation 、
mutagenesis、therapy、patient、disorder）を含む特許を除外
ii. 次に、タイトルあるいはアブストラクトに抽出キーワード（error correction、
error reduction 、 mismatch 、 mismatch repair 、 base pair
mismatch、fidelity、microfluid、repair）を含む特許を抽出
iii. 最後に、アブストラクト中の参考ワード（Assembly、synthesis、analysis、
detection、amplification、purification、determining、screening、
assay、RPA）にタグを付け、査読による要否判定（2 次ヒット：113 件）
【結果】
• 調査対象：113 件
• 年次推移：全件を出願年別に集計した結果を下図に示す。エラー修復の出願総数（113
件）は、前述のマイクロアレイ（1,698 件）やアセンブリ（2,033 件）と比較して 1/10 以下
であった。エラー修復は 2000 年以降に普及し始めた技術であり、2001-2006 年の間には年
6-8 件が出願されている。2007-2012 年の間は一時的に減少したが、2013 年以降は年 5-
6 件がコンスタントに出願されている。2013 年以降の出願件数の増加には次世代シークエンサ
ー（NGS）の普及が関連しているかもしれない。
61
• 出願人：上記の調査対象 113 件中、3 件以上がヒットした出願人を下表に示す。Gen9
（11 件）が１位であり、Massachusetts Institute of Technology（7 件）が２位、
Synthetic Genomics（６件）が３位と続いた。なお、下表には入れていないが、Twist
Bioscience からは 2 件が出願されていた。
4-2 出願人別調査
前節の俯瞰的解析ではヒット件数が多く、各特許の技術的特徴を分析するのが困難であったため、
調査対象を米国で長鎖 DNA の受託合成サービスを展開している代表的な企業 16 社に絞り、出願人
別に技術的特徴を分析し、出願件数の年次推移を調査した。
【検索方法】
出願国 2000 年以降の米国および国際出願（WIPO）。ただし、重複カウントを防ぐため、
同一出願日で同一タイトルの出願は WIPO のデータを削除した。
検索式 Assignee に対象出願人を指定 （AN/”出願人名“）
テキスト
マイニング
データ件数が多い出願人に対しては、DNA 合成と関連が薄いと考えられる Word
（除外ワード）を含むデータを解析対象から除外した。次に、選別されたデータセット
に対し、タイトルとアブストラクトとクレームを査読して DNA 合成関連の特許を抽出し、
技術的分類を行ったた。なお、データ件数が少ない出願人に対しては、除外ワードによ
るテキストマイニングの工程をスキップした。
【結果】
各社による特許出願の総件数と、そこから抽出された DNA 合成関連の特許数を下表に示
す。DNA 合成関連の出願数では、Agilent Technologies（46 件）と Gen9（45 件）が
僅差で 1 位と２位、３-6 位は Synthetic Genomics（31 件）、Twist Bioscience（28
件）、GeneArt（17 件）、Bioneer（11 件）であった。
62
DNA 合成関連の出願が 10 件以上ヒットした上位６社について、出願件数の年次推移
（2000-2018 年）と技術的特徴を調査した。なお、１つの出願が複数の技術分類に属する
場合や技術分類が困難な場合もあるため、調査対象数と各技術分類の累積数は一致しない。
(1) Agilent Technologies（調査対象：46 件）
(年次推移)
2002 年と 2015 年をピークとした２つの山があり、前者（2001-2007 年）
は主に固相合成技術、後者（2012-2017 年）は主にマイクロアレイ合成
技術の出願であった。これらの特許群を技術基盤として、現在、Agilent はマ
63
イクロアレイ法による DNA 受託合成を展開していると推察される。
(技術的特徴)
➢ Synthesis 関連
• Solid phase synthesis（DNA 固相合成）技術：20 件
• Oligonucleotide arrays（マイクロアレイ）技術：6 件
• DNA polymerization（ポリメラーゼ等）技術：10 件
• Error reduction（エラー減少）技術：2 件
➢ Microarray, Assembly 関連
• DNA fragment assembry（DNA 断片連結）技術：5 件
• Ligation（DNA 断片の末端同士を連結）技術：3 件
• Nicking（DNA 鎖の切断）や Annealing（DNA 相補鎖の結合）技術：2 件
(2) Gen9（調査対象：45 件）
(年次推移)
2010 年までは多くても年 2 件であった出願が、2011 年に急増し、
2012-2017 年までの間はコンスタントに年３件以上が出願されている。なお、
2017 年に Gen9 は Ginkgo Bioworks に買収された。
(技術的特徴)
• In vitro assembly 技術：16 件
• Error reduction or remove 技術：7 件
• Solid phase microarray 技術：7 件
• Fragment assembly（microarray も含む）技術：9 件
64
(3) Synthetic Genomics（調査対象：31 件）
(年次推移)
2003 年から断続的に年１件ほど出願されているが、2013 年には 4 件に
急増し、2017 年には過去最大となる 6 件が出願されている。2011 年に
Gibson Assembly で著名な Dr. Daniel Gibson が SGI に参画したことが
影響していると推察される。
(技術的特徴)
• Assembly 技術：24 件（内、発明者に Daniel Gibson を含む出願は 13 件）
• Synthesis 技術（Fragment library や Error reduction を含む）：19 件
(4) Twist Bioscience（調査対象：28 件）
(年次推移)
Twist Bioscience は、2013 年に Agilent から独立して設立された会社
であり、2014 年以降に出願が始まった。ピークである 2016 年に 13 件、翌
65
2017 年にも 10 件が出願されており、インクジェット方式による独自のマイクロ
アレイ技術により DNA 受託合成の業界で存在感を高めている。
(技術的特徴)
• Microarray 技術：23 件
• de novo synthesis 技術：17 件
• Library preparation 技術：18 件
• Error reduction 技術：14 件
(5) GeneArt（調査対象：17 件）
(年次推移)
調査対象の出願数は計 17 件であり、年次推移を分析するのは難しいが、
2011 年以降は assembly 技術を中心に毎年出願が続けられている。
(技術的特徴)
• Assembly 技術：6 件
• Library, fragment, template 技術：1 件
• Error reduction 技術：2 件
• Recombination 技術：1 件
66
(6) Bioneer（調査対象：11 件）
(年次推移)
調査対象の出願数は計 11 件であり、年次推移を分析するのは難しいが、
2001 年以降に PCR 関連の技術が断続的に出願されている。
(技術的特徴)
• Reverse transcription PCR（RT-PCR）技術：3 件
• high-throughput PCR 技術：2 件
• PCR 技術：9 件
• DNA amplification 技術：4 件
67
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72
第 3 章 人工ゲノム合成時代の到来とバイオセキュリティ
1. 緒言
1-1 背景および調査目的
第１章で述べたように、長鎖 DNA 合成は合成生物学の中核を担う基盤技術であり、21 世紀の
食品・化学品・バイオ燃料・バイオ医薬品などの有用物質生産に革新をもたらそうとしている。一方、近
年のマイクロアレイ技術の進展に伴い、DNA の合成コストは急速に下がり始めており、長鎖 DNA 合成
について僅かな知識と技術があれば大学院生でも人工ウイルスを合成できる時代となった。そのため、バ
イオセキュリティやデュアルユース問題への対応が世界的に急務となっている。しかしながら、これらの問題
に対する過剰な法規制は科学技術の進展を妨げることになり、生命学者やバイオセキュリティの専門家
だけでなく、一般社会を含めて、科学技術の進展と法規制のバランスについて多面的に議論する必要が
ある。例えば、3-3 節で詳しく解説するが、2017 年 6 月にカナダの研究グループ（Alberta 大学の
David Evans ら）は天然痘ワクチンの開発を目的に馬痘ウイルス（天然痘の近縁ウイルス）を人工
合成する新しい手法を確立した。しかし、この手法は世界から撲滅された天然痘ウイルスの人工合成に
転用可能な技術であり、Science 誌と Nature Communications 誌はデュアルユース研究の懸念
（Dual Use Research of Concern: DURC）から、この研究成果の掲載を拒否した(1)。その後、
この研究成果は 2018 年 1 月に PLoS One 誌から公表されたが(2)、学術雑誌への掲載の賛否につ
いては現在でも各方面で多面的な議論が続いている(3-8)。
本報告書の第 2 章では、長鎖 DNA 合成技術の進展に伴う人工ゲノム合成時代の到来について
技術的な側面を中心に解説したが、第 3 章では、これら技術の進展に伴うデュアルユース問題やバイオ
セキュリティ・セーフティ問題（BS2 問題）について安全保障や研究倫理など社会的な側面から解説し、
科学技術の進展と法規制のバランスを多面的に議論するための題材としたい。
1-2 言葉の定義
2013 年 5 月に研究開発法人 科学技術振興機構（JST） 研究開発戦略センター（CRDS）
ライフサイエンス･臨床医学ユニットから発行された報告書「ライフサイエンス研究開発におけるバイオセキュ
リティの実装戦略/CRDS-FY2013-WR-02」(9)では、デュアルユース、バイオセーフティ、バイオセキュリ
ティを以下のように定義している。
① デュアルユース
• 研究開発成果やその産物、技術が人類の平和や健康、経済発展などの平和利用に寄
与する一方、意図的な破壊的行為につながる可能性のある利用により、ヒトや環境に重
篤な影響を与える「両義性」のこと。
② バイオセーフティ
• ヒト（の健康）や社会、経済、環境に重篤な影響をもたらす生物由来物質や毒素の暴
露の防止と関連情報等の流布を防ぐための、施設内もしくは施設間輸送における管理方
針の策定や安全対策の実装のこと。
73
③ バイオセキュリティ
• ヒト（の健康）や社会、経済、環境に重篤な影響をもたらす生物由来物質や毒素、 そ
れらの関連情報等の不正な所持、紛失、盗難、誤用、流用、意図的な公開等の防止、
管理、ならびにそれらの説明責任のこと。
1-3 調査方法（文献、学会参加、インタビュー）
ImPACT 野地プログラムの PM グループでは合成生物学の進展に伴うバイオセキュリティやデュアル
ユース問題への各国の対応を調査するに当たり、以下の通り、文献調査、ガイドライン調査、学会参加、
シンポジウム開催、専門家へのインタビュー等を行った。
① 文献調査
• 科学誌、学会誌、専門誌、一般紙
• インターネット情報
② 各国ガイドライン
• 日本、米国、欧州、WHO 他
③ 学会参加
• GP-write キックオフ・ミーティング（2017 年 5 月 9-10 日；ニューヨーク）
• 7th International meeting on synthetic biology (SB 7.0)（2017 年 6 月
13-16 日；シンガポール）
• 第３回バイオセキュリティ研究会（2017 年 7 月 25 日；東京）
• 第４回バイオセキュリティ研究会（2018 年 7 月 25 日；東京）
④ パネルディスカッション
• 細胞を創る会（2017 年 10 月 19-20 日；京都）
⑤ 専門家へのインタビュー
• 防衛医科大学校 防衛医科研究センター長 四ノ宮成祥 教授
• 政策研究大学院大学 隅藏康一 教授
• 農業･食品産業技術総合研究機構 加藤祐輔 主席研究員
2. 重大インシデント発生に伴う規制の強化
これまでのバイオテクノロジー関連の規制強化の歴史を振り返ると、戦争やバイオテロで病原菌が使
用された際、致死性のウイルス性疾患が発生した際、もしくは社会への影響が大きい革新的な生命工
学技術が開発された際に、犯罪防止や被害軽減を目的に法規制が強化された。例えば、第二次世界
大戦中の生物兵器使用による惨事を教訓に制定されたニュルンベルグコード（1947 年）や生物兵器
74
禁止条約（1975 年発効）(10)、新型インフルエンザや SARS ウイルスの蔓延に伴う世界保健規則
の大幅な改正（2005 年）(11)、1970 年代の遺伝子組み換え技術の開発に伴うアシロマ会議開
催（1975 年）と組換え DNA 実験ガイドライン（NIH ガイドライン）の制定（1976 年）などが該当
する。
本節では、2000 年以降に発生したバイオテロや熱帯性感染症などの重大インシデントに伴う、バイ
オセキュリティ対策の強化について解説する。
2-1 バイオテロ
第二次世界大戦以降に発生したバイオテロ関連の事例を下表に示す。これまでに、日本を含めて
複数のバイオテロ事件が発生しているが、2001 年に米国で発生した 9.11 同時多発テロの 7 日後に
発生した炭疽菌封筒事件は米国全土を震撼させ、世界各国でバイオセキュリティ対策を強化する契機
となった。この炭疽菌封筒事件では、米国の大手テレビ局や出版社、上院議員に対し、炭疽菌が入った
封筒が 2 度にわたり送りつけられ、その結果、5 名が肺炭疽を発症して死亡し、17 名が負傷した。この
事件では、容疑者が逮捕前に自殺したため、犯行理由は明らかになっていないが、FBI の調査報告によ
れば、連邦政府内の研究者が自らの炭疽菌に関する研究テーマの打ち切りに対して不満を抱いたインサ
イダー犯行とされている。ここでは、この重大インシデントの発生に伴う規制強化について、まず、米国での
対応を解説し、その後、日本と世界（WHO 等）について簡単に記す。
年 バイオテロ関連の主な事例 発生国
1978 年 リシン毒素によくマルコフ殺人事件 英国
1984 年 ラジニース教団によるサラダバーへのサルモネラ混入事件 米国オレゴン州
1993 年 オウム真理教 亀戸 炭疽菌事件 日本 東京
1995 年 オウム真理教 霞ヶ関駅 ボツリヌス菌撒布事件 日本 東京
2001 年 炭疽菌封筒事件 米国
(1) 米国での対応
米国では 2001 年の 9.11 同時多発テロと炭疽菌封筒事件を受け、同年に PATRIOT 法（米
国愛国者法、the Provide Appropriate Tools Required to Intercept and Obstruct
Terrorism）が制定され、テロを未然に防止するため、市民への監視が正当化されるようになった(12)。
また、公衆衛生安全保障及び生物テロ準備対応法（Public Health Security and Bioterrorism
Preparedness and Response Act of 2002）が制定され、バイオテロへの警戒を強めた(13)。更
に、翌年の 2002 年に、ニューヨーク州立大学の研究グループがポリオウイルスの人工合成に成功し、
Science 誌に発表したことも受け(14)、生命工学研究に対する規制強化にも動き出した。ポリオウイル
ス（小児麻痺ウイルス）は、WHO や NIH の多大な努力の結果、1950 年代に米国内で撲滅した致
死性ウイルスであり、生物兵器やバイオテロへの悪用が可能であり、デュアルユース研究への懸念
（DURC）が社会に浸透する契機にもなった。この一連の出来事を踏まえ、米国では Fink レポートが
作成され、NSABB の設置に繋がった。以下に、Fink レポートと NSABB について解説する。
75
① Fink レポートの作成
全米科学アカデミー（National Academy of Science）では、上記の出来事の社会的影響の
大きさを認識し、生命工学に関連の深い科学者が主体的に集まり、研究者や米国政府の在り方を「テ
ロリズムの時代における生命工学研究（Biotechnology Research in an Age of Terrorism）」
と題した報告書に取り纏め、2004 年に発表した(15)。この報告書の作成に当たり、微生物学の専門
家を中核メンバーとし、生物剤・化学剤防御の専門家や国防大学教授、軍備管理の専門家などを加
えた総勢 18 人で構成されるレポート作成委員会が設置されたが、マサチューセッツ工科大学の遺伝学
教授 Gerald Fink が委員長を務めたことから、この報告書（提言）は通称 Fink レポートと呼ばれる。
この米国科学アカデミーの自主的な行動は、遺伝子組み換え技術開発に伴う、1974 年のアシロマ会
議開催の伝統を引き継いでおり、Fink レポートの冒頭には、生命工学は国家の公衆衛生上不可欠な
ものであり、生命工学の進歩を妨げることなくバイオテロや生物兵器開発の脅威を最小化することが本委
員会の役割であると述べられている。以下に、慶應義塾大学グローバルセキュリティ研究所から発行され
た“フィンク・レポート”エグゼクティブ・サマリー(16)から引用した Fink レポートの骨子を示す。
1) 科学コミュニティの教育
• 生命工学におけるデュアル・ユース・ジレンマ（有用な民生技術が同時にテロ等に悪用され
るリスクを持つこと）の性質と、そのリスクを軽減する責任に関して科学者を対象とした教育
プログラムの作成
2) 実験計画の審査
3) 出版段階の審査
• 科学者の自主管理に基づく安全保障上の潜在的なリスク確認
4) 国家バイオディフェンス科学諮問委員会（NSABB）の創設
5) 悪用を防ぐための追加的要素
• 生物学的物質の防御とこれらの物質を扱う職員の監視を行うための、NSABB による定期
的な見直しをともなう現行法規制の履行
6) バイオテロや生物兵器戦争を防ぐための取り組みに生命科学が果たす役割
• バイオテロのリスクをいかに低減するかについて国家安全コミュニティおよび法執行機関が生
命科学コミュニティとの持続的なコミュニケーションを行う新たな経路の開拓
7) 調和のとれた国際的な監視
② NSABB の設置
Fink レポートでの提言（上記骨子の項目 4）を受け、2005 年にバイオテクノロジー分野の安全
保障の組織として米国保健福祉省（DHHS）内部に国家バイオディフェンス科学諮問委員会
（National Science Advisory Board for Biosecurity；NSABB）が設置された。この組織のミ
ッションは、米国政府の要請を基づき、バイオセキュリティ及びデュアルユース研究に関する問題に取り組む
ことである。NSABB が設置されたことで、米国では各省庁の縦割り行政ではなく、国家として統合的され
た指針を打ち出せることになった。なお、NSABB は 25 人以下の投票権がある科学コミュニティメンバー
（分子生物学、感染症、公衆衛生学、獣医学、植物学、国家安全保障、バイオ防衛、法執行機関、
76
科学雑誌出版などの専門家）と、15 人の投票権のない米国政府メンバーで構成され、科学コミュニテ
ィが主体的に国家政策に影響を与える仕組みとなっている(17)。
(2) 日本や世界での対応
日本では、1990 年代のオウム真理教による度重なるテロ事件や、2001 年の米国同時多発テロ
と炭疽菌封筒事件を受け、以下のテロ対策が発表された。個々のテロ対策の説明は割愛するが、日本
でのテロ対応の全般は、「NBC テロ対処ハンドブック」(18)に要約されており、警察、保健所、自衛隊な
どで情報共有され、各組織が協力してテロ対策を行う仕組みが講じられている。
1998 年：「重大テロ事件等発生時の政府の初動措置について」（閣議決定）
2000 年：NBC テロ対策会議設置(19)
2001 年：「NBC テロその他大量殺傷型テロへの対処について」（NBC テロ対策会議）(20)
2001 年：「NBC テロ対処現地関係機関連携モデル」（内閣官房）(21)
2002 年：｢生物テロに対する厚生労働省の対応について｣（厚生労働省）(22)
2003 年：感染症法の改正（天然痘の追加）(23)
2004 年：｢テロを未然防止に関する行動計画｣（16 項目）(24)
2006 年：感染症法の改正（バイオテロ対策の追加）(25)
2007 年：バイオリスクマネイジメント実験施設バイオセキュリティガイダンス（国立感染研究所）
(26)
また、世界では炭疽菌封筒事件の発生を受け、詳細は割愛するが、以下のような規制の強化や
声明の発表があった。
2003 年：生物剤リストの改正（WHO）；炭疽菌封筒事件の発生を受け、30 年ぶりにガイド
ラインが改正された。
2005 年：バイオセキュリティに関する IAP 声明(27)；世界各国の科学アカデミーのネットワークで
ある IAP より、各国の政府や科学団体が独自に行動規範を策定する際の指針が示された。
2006 年：Biorisk management “Laboratory biosecurity guidance” （WHO）
（28）；天然痘撲滅、ポリオ撲滅策と研究、炭疽菌封筒事件、SARS の研究室内感染などを
受け、バイオリスクに関するガイダンスが発表された。
2-2 熱帯性感染症
1918 年から 19 年にかけスペイン風邪が世界的に大流行（パンデミック）した結果、約 5 億人が
感染し、5,000～1 億人が死亡したとされる(29)。それ以降も、地域的な伝染性疾患は繰り返し発生
したが、社会を混乱させるほどの規模ではなかった。しかし、近年、発展途上国とその周辺国の航空網が
整備され、欧米など先進国へも飛行機で頻繁に移動できるにようになったこともあり、熱帯で発生した新
興性または再興性ウイルスが発生地域に留まることなく、短期間に他の地域に伝播するようになったため、
パンデミックに対する対策が強化された。下表に 2000 年以降に発生した熱帯再興性新興性ウイルス疾
77
患の事例を示す。
発生年 ウイルス 主な発生国
2002 H5N1 高病原性鳥インフルエンザウイルス 東南アジア
2002-2003 SARS ウイルス（重症急性呼吸器症候群） 香港、シンガポール
2009 H1N1 インフルエンザウイルス 全世界（パンデミック）
2012 MERS ウイルス（中東呼吸器症候群） 韓国、中国
2013 H1N7 豚インフルエンザウイルス
2014、2018 エボラウイルス アフリカ中央部
2016 ジカウイルス ブラジル
(1) 米国での対応
2000 年以降、熱帯感染症が次々と発生したのに伴い、米国では、これらのウイルス性疾患への対
応に変化が生じた。すなわち、これまでは公衆衛生の分野として位置づけ、米国疾病予防管理センター
（CDC）の指揮の下で医師や医療従事者が中心になって対応してきが、これらのウイルス性疾患は国
家の安全保障を脅かす存在であるとの認識に変わり、公衆衛生（Public Health）と安全保障
（Security）を統合した健康安全保障（Health Security）の考えが浸透してきた。そして、2006
に、パンデミック及びオールハザード事前準備法（PAHPA, Pandemic and All-Hazards
Preparedness Act）が制定され(30)、米国保健福祉省内に公衆衛生と安全保障が統合する事前
準備対応次官補局（Assistant Secretary for Preparedness and Response：ASPR）が組
織された(31)。これにより、パンデミックの発生が予想された際には、国家として迅速に対応策を決定して
対処できる体制になった。
(2) 日本や世界での対応
日本では、新型 H1N1 インフルエンザのパンデミックを受け、即座に、新型インフルエンザ対策ガイド
ラインを策定し（2009 年）(32)、外務省、厚労省、国交省等の役割を明確にした上で、国立感染
症研究所を中心とした新興型・再興型感染症への対処が継続されることになった。米国における公衆衛
生と安全保障を統合した体制への変化を受け、2011 年以降は日本でも、国際感染症対策とデュアル
ユース対策が強化され、国立感染症研究所などの厚生労働省の下部組織が中心となり、パンデミック発
生に備えた体制が構築された。
世界的には、2005 年に世界の感染症を防止する法的根拠である世界保健規則（IHR）が大
幅に改正され（施行は 2007 年）、重要な全ての国際的公的衛生危機情報（PHEIC）が報告対
象となった(33, 34)。
3. デュアルユース研究の懸念（DURC）
第 2 章の 3-1 節でも述べたように、近年の長鎖 DNA 合成技術の進展に伴い、人工ウイルスや人
工細菌が誕生した。現時点では幸いなことに、長鎖 DNA 合成技術を悪用したバイオテロなどの事件は
報告されていない。しかしながら、現在の長鎖 DNA 合成技術を駆使すれば、地球上から撲滅されたウ
78
イルスの復元や既存ウイルスの毒性を増強することができる。しかも、近年のマイクロアレイ法の開発に伴
い、人工ゲノムの原料となるオリゴ DNA の価格が大幅に低下し、研究資金の乏しい個人の研究者でも
学術論文に掲載されている手法を再現すれば人工ウイルスが合成できる時代となった。下表に、2000
年以降にデュアルユース研究の懸念（Dual Use Research of Concern: DURC）が指摘された論
文の事例を示す。
論文公開年 デュアルユース研究の主な事例
2000 マウスポックスウイルスの改変(35)
2002 ポリオウイルスの作成(14)
2005 インフルエンザウイルス（1917 年スペイン風邪株）の作成(36)
2010 マイコプラズマ（世界初の自己増殖可能な人工細菌）の作成(37)
2012 鳥インフルエンザウイルスの感染性増強(38, 39)
2015 酵母による S-レチクリン（モルヒネ生合成の中間体）の生産(40)
2018 馬痘ウイルス（ヒト天然痘ウイルスの近縁種）の作成(2)
1-2 節の「言葉の定義」でも説明した通り、デュアルユースとは、「研究成果や技術が人類の平和や
経済発展などに寄与する一方、意図的に技術を悪用すれば人類や環境に重篤な影響を与える両義性」
のことである。デュアルユース研究の懸念（DURC）は合成生物学に限った話ではないが、一般社会で
は未知の生物を生み出すという漠然とした恐怖から、合成生物学に関しては研究のメリットよりもリスクの
方が過大評価されてしまう傾向にある。しかし、合成生物学はバイオ産業にイノベーションをもたらす有望
な学問領域であり、科学技術の進展と法規制のバランスを慎重かつ多面的に議論する必要がある。そ
れには、まず研究者自身が一般社会に向けて研究のメリットとリスクを正確に情報発信することが重要で
ある。
本節では、マイコプラズマの作成（2010 年）、鳥インフルエンザウイルスの感染性増強（2012
年）、馬痘ウイルスの作成（2018 年）の事例を題材として、生命工学の進展とバイオセキュリティ対策の
強化について解説する。
3-1 人工マイコプラズマ
2010 年 5 月に米国ベンター研究所（JCVI）は、人工ゲノムで起動するマイコプラズマを作製し、
自己増殖可能な世界初の人工細菌として、この研究成果を Science 誌で発表した(37)。これに大き
な衝撃を受けた米国では、新たな生命体を創造することを目的とした合成生物学のリスクを検証するた
め、オバマ大統領の指令で生命倫理問題研究に関する大統領諮問委員会（PCSBI）が設立された。
そして、Science 誌の論文掲載から半年後の 2010 年 12 月に、PCSBI は計 180 ページにもおよぶ
報告書を公表した(41)。その中で「合成生物学のリスクは限定的であり、慎重な自己規制のもとで同技
術を発展させれば、将来、クリーンエネルギー・汚染管理・医療などの分野に革新をもたらす可能性があ
る」とし今後も合成生物学の研究を妨げるべきではなく、「今後、合成生物学の研究が進捗すれば、将
来、新たなデュアルユース問題が発生するかもしれないが、現時点では合成生物学に対する規制やモラ
トリアム（研究の一時停止）を支持する理由はない」との答申を出した。更に、「合成生物学および新
規技術の倫理」（合成生物学がもたらす潜在的な利益を損なわない範囲において必要な倫理原則）
79
として、以下の 5 項目を示した。
① 公共の利益（public beneficence）
② 責任ある管理（responsible stewardship）
③ 研究の自由と責任（intellectual freedom and responsibility）
④ 民主的な熟議（democratic deliberation）
⑤ 正義と公正（justice and fairness）
3-2 鳥インフルエンザウイルスの感染性増強
2011 年にオランダおよび米国の研究グループは鳥インフルエンザウイルスに人への感染性が高まると
予想される変異を意図的に入れ、フェレット（人インフルエンザウイルスが感染するモデル動物）の鼻で 5
回継代し、人へ飛沫感染する可能性が高い高病原性インフルエンザウイルスを作成したとして Nature
誌と Science 誌に投稿した。驚くべき事に、鳥にしか感染しなかったウイルスに 4-5 カ所のアミノ酸変異
を入れるだけで人に感染する可能性があることが分り、デュアルユース研究の懸念から大きな議論が巻き
起こった。人へ感染する強毒性の鳥インフルエンザウイルスは、いずれ自然界でも発生すると予想されてお
り、同研究グループは早期のワクチン開発に繋がる有用な研究成果だと主張したが、バイオテロや高病原
性インフルエンザのパンデミックに繋がるリスクがあるとして、論文掲載(38, 39)までに約 1 年間も議論が
続いた。これらの混乱を踏まえ、今後の問題に対処するため、2013 年に米国保健福祉省から、鳥イン
フルエンザ H5N1 研究費拠出に関するフレームワークが発表された(42)。
このデュアルユース問題が契機となり、米国では Gain of Function Research（GOF 研究; 機
能獲得研究）に対する方針が決まるまで、2014 年 10 月に、インフルエンザ、MERS、SARS の研究
に限定であるが、関連分野での研究の一時的な停止（モラトリアム）が発表された(43)。このモラトリア
ムは３年余りも続いたが、2017 年 1 月に米国政府からインフルエンザ、MERS、SARS の研究に限定
した形で GOF 研究に関するガイドラインが発表され、このモラトリアムは解除された(44)。モラトリアムが
長期化した要因として、当時、バイオ研究者の不注意と倫理欠如による不祥事が連続して起きたことが
挙げられる。例えば、2014 年に 6 月に CDC で炭疽菌漏出事故が発生し、翌 7 月には NIH では存
在してはならない天然痘ウイルスが保管されているのが発見された。米国を代表する連邦政府の研究機
関で初歩的な管理を怠っていたことが明らかになり、米国での規制強化とモラトリアムの長期化に繋がった
とされる(45)。これらの不祥事も契機となり、2014 年 9 月に米国政府が生物科学分野への研究費拠
出に関し、対象施設がデュアルユース研究の監視を自ら行うとする政策（Policy）が発表され(46)、
翌年 9 月に実施された(47)。この政策に従い、米国大学ではデュアルユース問題への対応や方針を決
定する内部管理体制が整備された。
3-3 人工馬痘ウイルス
2017 年 6 月にカナダの研究グループは新たな天然痘ワクチンの開発を目的に馬痘ウイルス（天
然痘の近縁ウイルス）を人工合成する新しい手法を確立した。この手法は世界から撲滅された天然痘
ウイルスの人工合成に転用可能な技術であり、Science 誌と Nature Communications 誌はデュア
80
ルユース研究の懸念から、この研究成果の掲載を拒否した(1)。天然痘は紀元前より、伝染力が非常に
強く死に至る疫病として人々から恐れられていたが、天然痘ワクチン（種痘）が開発され、患者数は
徐々に減少し、WHO は 1980 年 5 月に天然痘の世界根絶宣言を行った。それ以降、世界で天然痘
患者の発生例はなく、現在は米国疾病予防管理センターとロシア国立ウイルス学バイオテクノロジー研究
センターの 2 施設のみに現存しているとされる。
カナダの研究グループは、天然痘の自然発生やバイオテロに備え、より効果が高く安全な新しいワク
チンの開発が必要と主張しており、論文掲載の可否について多くの議論が巻き起こったが、その後、この
研究成果は内容を一部修正の上、2018 年 1 月に PLoS One 誌から公表された(2)。学術雑誌への
掲載の妥当性については現在でも各方面で多面的な議論が続いている。例えば、2018年10月には、
PLoS One の姉妹誌である PLos Pathogens において、米国やスイスの大学教授らが、DNA のアセ
ンブリアセンブリーはどこでも容易にできるようになったからには、原料である合成 DNA の監視体制を強め
るべきで、また、パンデミック発生の潜在的リスクが高まる研究成果については、研究者コミュニティによる
議論にとどまらず、規制当局や一般社会を含めて合成生物学のメリットとリスクを多面的に議論すべきで
あると警鐘を鳴らしている(4, 5, 7)。一方、この批判記事に対して、論文を執筆したカナダの Evans 教
授らは、技術の進歩に逆行するような規制を行うよりも、合成生物学のリスクを正確に理解した上で、こ
れを軽減するための戦略や教育が重要であると反論している(6)。
4. 国際コンソーシアムでの取り組み（遺伝子配列と顧客情報のスクリーニング）
2009 年に、遺伝子合成に関するバイオセキュリティ問題に対応するため、米国を中心とした長鎖
DNA 合成メーカーが自主的に結集し、International Gene Synthesis Consortium (IGSC) と
いう国際的な非営利団体を創設した(48)。第 2 章の 3-2 節で説明したように、2018 年 10 月の時
点で IGSC に加盟するメーカーは 12 社である。IGSC の資料によれば、加盟 12 社で世界の遺伝子合
成の約 80%の生産能力を保有している。IGSC の内部審査に合格すれば新たに加盟することも可能だ
が、残念ながら現時点で IGSC に加盟している日本企業は存在しない。なお、米国では保健福祉省
（HHS）により DNA 合成監視に関するガイダンス(49)が制定されているが、これには強制力がないた
め、上記のような DNA 合成メーカーによる自主的な取り組みが重要となっている。
4-1 共通プロトコールの作成
ISGC では共通のプロトコールに従い、合成依頼のあった遺伝子の DNA 配列スクリーニングと顧客
情報スクリーニングを実施し、人工遺伝子の悪用を未然に防いでいる。2017 年 11 月には、各国のガイ
ドラインやデータベースのアップデートに対応するため、この共通プロトコールの改訂を行った(50)。以下に
改訂された共通プロトコールの概略を記載する。
IGSC 共通プロトコールの概要（ver 2.0）
第 1 章
序文
• 合成遺伝子の誤用を防止するため、IGSC は共通のスクリーニング・プロトコール（遺伝子配列と
顧客情報）を作成し、継続的に改良を実施
• IGSC は、2009 年に貿易業界団体として設立され、2015 年にカリフォルニア州を拠点とした非
営利団体として改組された。IGSC メンバー全体で、世界の商用遺伝子合成能力の約 80％を
占める
81
第 2 章
遺伝子配列
スクリーニング
2.1 遺伝子配列に規制病原体や危険性を有する配列が含まれないかスクリーニング
2.2. データベースを共有・配備
• Regulated Pathogen Database (RPD)
• NCBI/GenBank、EBI/EMBL、DDBJ
• Selected Agent list
• Australia Group List
最低限、以下のリストに含まれる病原体および毒素遺伝子のスクリーニングを実施
• The US Select Agents and Toxins List
• The US Commerce Control List
• The EU list of dual-use items
2.3 合成遺伝子をアミノ酸配列に翻訳し、上記データベースのタンパク質配列と比較
2.4 自動相同性スクリーニングにより、病原体や毒素の DNA 配列を検出。検出された場合は、
専門家が IGSC 共通のスクリーニング・クライテリアに従いレビューを行い、承認・条件付き承認
（要顧客調査）・拒否に分類
第３章
顧客
スクリーニング
3.1 顧客に対して最低限、送付先住所・機関名・国名・電話番号・email アドレスの情報開示
を要求。私書箱（受領サイン不要）への送付は行わない
3.2 顧客スクリーニングには以下のリストを使用
• OFAC’s SDN List
• The Department of State’s Debarred List
• BIS’s Denied Persons, Entity, and Unverified lists
• The HADDEX list、他
3.3 規制対象の DNA 配列は、正当な公立研究所・大学・非営利研究機関・民間企業に限
定送付。Select Agent（Biological Select Agents or Toxins; GSATs）または
Australia Group DNA フ fragments を注文する顧客は、合成製品の趣意書の提出が
必須。I 以下 2 点を独立して検証
• 顧客および購買組織の身元
• 使用趣意書と購買組織の活動との一致
3.4 以下の勧告を利用
• CDC, Department of Agriculture, European Commission (CR42)
3.5 DNA やフラグメントはエンドユーザーへ直送（代理店や再販会社には送付しない）
第４章
記録管理
4.1 DNA 配列、ベクター、顧客 ID と送付先住所を少なくとも８年間保管
4.2 配列スクリーニングの結果を少なくとも８年間保管
第５章
注文拒否と
報告
5.1 注文を拒否する権利を保持。他の IGSC メンバーや専門家と情報共有
5.2 地方や国内の執行機関や諜報機関との協同体制の構築し、人工遺伝子の誤用防止
5.3 第２条に該当する病原性遺伝子や疑わしい顧客から発注があった場合の報告
第６章
規制遵守
6.1 遺伝子合成その他製品の合成・所有・移動・輸出・輸入に関する全ての法律や規制の遵守
6.2 天然痘ウイルス DNA および類縁体の遺伝子合成の禁止
第７章
コンソーシアム協同
活動
7.1 規制病原体データベースの年次改訂
7.2 遺伝子配列スクリーニング・アルゴリズムの最適化
7.3 各国政府機関との連携、国際協調
7.4 規制・科学・公益機関からの勧告受け入れ
第 8 章
プロトコールの改訂
8.1 規制・科学・公益機関からの助言を歓迎。これら助言や科学技術・規制動向の変化に応じて
定期的に改訂
82
第 9 章
用語
9.1 遺伝子合成（オリゴからの 2 本鎖 DNA の合成）
9.2 オリゴヌクレオチド（化学合成した 1 本鎖 DNA）
3.3 合成遺伝子（典型的には 200bp 以上の DNA）
第１０章
配列スクリーニング
関連
リンク先
10.1 オーストラリア・グループ（AG）
10.2 WHO 勧告
10.3 EU 評議会
10.4 ドイツ輸出管理
10.5 米国保健福祉省（HHS）
10.6 米国農務省（USDA）＋CDC
10.7 米国商務省
10.8 米国疾病対策予防センター（CDC）
第１１章
顧客スクリーニング
関連
リンク先
11.1 米国財務省
11.2 米国国務省
11.3 米国商務省
4-2 ワークフロー
IGSC に加盟する DNA 合成受託会社では、上述のプロトコールに基づき、共通データベースを使
って配列スクリーニングと顧客スクリーニングを実施し、スクリーニング結果を最低 8 年間は保存している。
スクリーニングのワークフローを以下に図解する。
共通プロトコールによるスクリーニングのワークフロー
83
4-3 スクリーニング結果の公表
IGSC では過去のスクリーニング結果を定期的に公開し、バイオセキュリティへの取り組みを一般社
会へ情報発信している。少し古い情報であるが、以下に 2010-2014 年の５年間におけるスクリーニン
グ結果の集計を以下に示す(51)。
西暦 スクリーニング件数 スクリーニング結果
承認 条件付き承認 拒否
2010-2013 年 286,130 98.13% 1.41% 0.46%
2014 年 309,942 95.04% 4.29% 0.67%
また、IGSC では、2014 年の 1 年間でスクリーニング作業に費やした時間やコストを調査し、公表
している。以下に 2014 年の集計結果を示す(52)。
審査結果
(2014 年)
審査結果の
割合
1 件当たりの作業時間 1 件当たりの
人件費
($150/hr)
バイオインフォーマ
ティクス
顧客情報の
フォローアップ
承認 95% 0.5 min 0 min $ 1.25
条件付き承認 4.3% 4.5 min 79 min $ 209
拒否 0.7% 7.5 min 232 min $ 598
5. 日本での取り組み
本章の 3-2 節で述べたように、日本国内でも、インフルエンザウイルスの感染性増強研究などが契
機となり、デュアルユース研究の懸念（DURC）が社会問題化し、この問題への対策が急務となった。そ
して、科学技術振興機構の研究開発戦略センター（JST CRDS）や日本学術会議から DURC に関
する提言が発表された。これらの提言は今から約 5 年前に作成されたものであるが、提言内容は現在に
も良く当てはまる。しかしながら、実際に各ステークスホルダーで実行された施策は多いとは言えない。本
節では、これら提言に書かれている内容を整理し、合成生物学の研究者やその他のステークスホルダーに
とって DURC への対応が不可欠であることを再認識する契機としたい。なお、以下、これらの提言の要旨
を表にまとめたが、分かりやすくする意図で、内容を箇条書きにし、また、対象と考えられるステークスホル
ダーを追記するなど原文に変更を施したので、詳細は原文で確認いただきたい。
84
CRDS 提言（2013 年 3 月） 日本学術会議 提言（2014 年 1 月）
5-1 JST CRDS の提言
2013 年 3 月に JST CRDS から、戦略プロポーザル「ライフサイエンス研究の将来性ある発展のた
めのデュアルユース対策とそのガバナンス体制整備」という提言が発表された(9)。以下に、同プロポーザル
の要旨を示す。
ステークスホルダー 提言内容（実施すべき内容）
府省等行政機関 デュアルユースに関するわが国としての統一的な対応方針の策定とその共有（内閣
府 総合科学技術会議）
デュアルユースの懸念ある研究事業の迅速な把握、府省間の情報共有、ならびに研
究プロジェクトの適切な事前評価と進捗管理体制の整備
資金配分機関 関連事業におけるデュアルユースの懸念ある研究課題の適切な把握、事前評価、な
らびに進捗管理体制の整備
新たな研究事業などの構築におけるデュアルユースの懸念の検証と対応策の提示
ファンディングを通した、研究者ならびに大学・研究機関におけるデュアルユース対応の
喚起、実施状況の把握、評価科学メディアに対するデュアルユースリテラシーの習得
機会の提供
学会などの研究者
コミュニティ
デュアルユースに関する専門家集団としての対応方針の策定
コミュニティへの啓発
自主的な指針の策定と遵守
学術論文の査読体制の整備
科学メディアに対するデュアルユースリテラシー習得機会の提供
大学・研究機関 機関レベルでの安全・安心が担保される「管理」体制の整備
研究従事者（大学においては学生を含む）を対象としたデュアルユースの「啓発・研
修・教育」の実施
科学メディアに対するデュアルユースリテラシーの習得機会の提供
85
研究者個人・研
究室
デュアルユースに関する意識を持って研究に携わること
セキュリティ面、ならびに研究室レベルでの安全・安心に配慮した実験（実験手技・
手法及び成果）の管理
成果公表とそれに伴うプレス発表などにおける「専門家としての説明責任」の実践
5-2 日本学術会議の提言
2014 年 1 月に日本学術会議から、提言「病原体研究に関するデュアルユース問題」が発表され
た(53)。以下に、同提言の要旨を示す。
項目 ステークスホルダー 提言内容（実施すべき内容）
(1)
危険性の認知と
その限局化の努
力
研究者･技術者
科学・技術の用途の両義性を常に考慮しながら研究を行なわ
なくてはならない。
特に指導的立場に
ある主任研究者
この点に留意してリーダーシップ を発揮し、科学研究実施に伴
う危険性に対して限局化を図る努力をする。
(2)
各研究機関によ
る教育と管理
各研究機関
病原体研究の危険性を認知し、研究を実施するための教育
を 徹底する。研究者養成の段階で科学・技術の用途の両義
性に関する教育を行なうほか、 すでに研究開発に携わってい
る研究者・技術者に対しても本問題に関する教育の機会を
提供する。また、研究機関としても起こり得る危険性の限局化
の方策を整備し、管理する。
(3)
学協会の役割
学協会 研究者・技術者が本問題に適切に対処できるよう教育機会を
設け、 広報活動を推進するとともに、論文審査体制のあり方
等についても議論を深める
(4)
国際的連携と日
本学術 会議 の
役割
上記ステークスホルダ
ー
科学・技術の用途の両義性に関わる研究に関する国際的議
論に積極的に参画する。そ れと同時に、国際動向を国内の
研究者・技術者コミュニティにも反映させ、国内におけ る議論
を強く推進する。
日本学術会議 そのための場と情報を提供し、議論を牽引する役割を担う。
6. ImPACT 野地プログラムでの取り組み（シンポジウムの開催）
ImPACT 野地プログラムでは、「細胞を創る」研究会において、「ゲノム合成時代の到来とバイオセ
キュリティ・セーフティ」というタイトルのシンポジウムを 2017 年 10 月 19 日に開催した。本シンポジウムで
は、バイオセキュリティ・セーフティの観点から、人工ゲノム合成技術の進展に潜む潜在的な問題を議論し、
課題抽出を行うことにより、シンポジウム参加者に向けて意識啓発を行った。以下に、シンポジウムのプロ
グラムを示す。
86
講演番号 演題と演者
S2-1 ゲノム合成時代の到来とバイオセキュリティ・セーフティ
野地博行 (内閣府 ImPACT、東京大学)
S2-2 機能未解明ゲノム領域に対するスペクレイティブデザイン
相澤康則 (東京工業大学)
S2-3 DNA 集積・増幅反応からなる無細胞ゲノム合成技術
末次正幸 (立教大学)
S2-4 遺伝暗号の改変とウルトラセーフセル
木賀大介 (早稲田大学)
S2-5 病原体の人工合成とバイオセキュリティ問題
四ノ宮成祥 (防衛医科大学校)
S2-6 バイオセキュリティ・セーフティに関する標準化・規格化に向けて
隅藏康一 (政策研究大学院大学)
S2-7 バイオセーフティに関する活動の紹介
横井崇秀 (日立製作所)
S2-8 パネルディスカッション ～事例研究 『馬痘ウイルスの人工合成』～
パネリスト：演者 7 人、 司会：田端和仁、木賀大介
同シンポジウムでは、冒頭（S2-1）に野地プログラム・マネージャ（PM）から本シンポジウム開催
の趣旨を説明し、前半 3 題（S2-2～S2-4）では合成生物学の分野で高名な研究者を招聘し、人
工ゲノム合成に関する最新の科学技術をご紹介していただいた。次に、後半 3 題（S2-5～S2-7）で
は BS2 問題の専門家を招聘し、合成生物学の急速な進展が社会へ及ぼす影響について解説していた
だいた。そして、シンポジウムの最後（S2-8）に、馬痘ウイルスの人工合成を題材として、田端PM補佐
と木賀教授の司会で、演者 7 人によるパネルディスカッションを行い、デュアルユースや BS2 問題について
フロア参加者を含め活発な討論を行い、これら問題についてフロア参加者を含めて情報を共有した。
6-1 講演
本シンポジウムにおける 6 名の招待講演者の講演要旨を以下に示す。
(1) ゲノム合成時代の到来
① 相澤康則准教授（東京工業大学）
ヒトゲノム解読完了宣言の次ステ-ジとして、マイコプラズマ（ベンター研）、大腸菌（Church
研）、出芽酵母（Boeke 研ら）での全ゲノム構築研究の進行状況、及び本領域の国際コンソーシア
ム Genome Project-write（GP-write）の発足･動向･真の目的などについて解説していただいた。
更に、同コンソーシアムのプロジェクトに日本人で初めて参画したことや、真核生物ゲノムについて機能未
知で広大な領域の機能解明を目指している先生ご自身の研究内容もご紹介いただいた。
② 末次正幸准教授（立教大学）
87
25 種のタンパク質を使用する長鎖環状 DNA 増幅技術の開発に成功したことをご紹介いたた。こ
の方法は 200kb 以上の長鎖 DNA を増幅することが可能であり、その正確性は PCR を大幅に凌ぐこ
と、操作は試験管内の無細胞反応であり簡易であること、将来的にはキット化して社会実装を目指すこ
とをご紹介いただいた。
③ 木賀大介教授（早稲田大学）
翻訳システムの構成成分の中から tRNA とアミノアシル tRNA 合成酵素を改変することにより、地
球生命に普遍的に存在する遺伝暗号表の改変した事例や、先生ご自身の先駆的な研究の内容をご
紹介いただいた。この中には、生物学的封じ込めを目指す Church らの大腸菌でのコドン変更や非標
準アミノ酸依存性への変換が含まれ、それらが、GP-write の主要テーマの 1 つとして認定されていること
をご紹介いただいた。
(2) ゲノム合成技術の社会への影響
① 四ノ宮成祥教授（防衛医科大学校）
バイオ分野でのデュアルユース研究、特に病原体の改変や作成に関する研究について、過去四半世
紀の歴史からバイオセキュリティ上の問題が指摘された典型例をご紹介いただいた。具体的には、「インフ
ルエンザウイルス合成」と「痘瘡ウイルス研究」の 2 つの事例を取り上げ、問題の要点をご説明いただいた。
② 隅藏康一教授（政策研究大学）
新しい技術がイノベーションとして市場に出される際、多くの場合に生じる負のインシデント、そのリスク
を軽減するために、適切な標準化･規格化を導入した事例のご紹介をいただいた。また、バイオセキュリテ
ィ･セーフティに関する標準化･規格化の可能性と合成生物学研究への示唆をご説明いただいた。
③ 横井崇秀主任研究員（日立製作所）
企業が新技術を開発する際に考慮する規制等への対応事例をご紹介いただいた。
6-2 パネルディスカッション
本パネルディスカッションでは、冒頭で司会の田端ＰＭ補佐より、2017 年７月にサイエンス誌の
記事（How Canadian researchers reconstituted an extinct poxvirus for $100,000
using mail-order DNA?）で問題提起された、カナダの研究者による馬痘ウイルスの人工合成とその
デュアルユース研究の懸念について解説を行った。すなわち、この研究のメリットは天然痘ウイルスワクチン
の開発が促進されることであり、逆にリスクは、その技術が公開されて悪用された場合、撲滅された天然
痘ウイルスが復元され、生物兵器やテロ兵器に使用されることである。Nature Communication 誌と
Science 誌は、この研究成果の公表はメリットよりもリスクの方が大きいと判断し、両紙での掲載を拒絶
した。これを研究事例として、最初に各パネリストから意見やコメントを出していただいた後、全パネリストと
フロア参加者の間で、デュアルユースや BS2 問題について活発な議論を行った。以下に、パネリストやフロ
ア参加者から出された意見やコメントを要約した。
88
分類 ステークスホ
ルダー
意見･コメント
現状分析
全般
• 現時点で長鎖 DNA 合成が誰でも簡単にできるようになった訳ではないが、
今後、自動ロボット化が進めば、人工ゲノム合成時代が到来するであろう。
• 現状ではオリゴ DNA 合成のコストが高く、個人による人工ゲノム技術の悪
用に歯止めをかけているが、今後、イノベーションにより合成コストが低下す
れば、悪用のリスクが増大する恐れがある。
行政機関・
学会・大学
• 現在の日本は（性悪説に基づく）リスク管理はされていない。米国は性悪
説も考えリスク管理をしている。
• BS2 を正しく判断できる専門家が足りない。
• 遺伝子組換え作物（GMO）について、米国では規制が厳し過ぎて産業
の発展を阻害したとの反省も聞く。
研究者
• GP-write では BS２が問題提起されている（欧米）。
• 一般の人への情報共有化の働きかけが足りない（日本）。
研究計画
承認
行政機関 • 基本的には、生命科学の進展にブレーキをかけるべきではない。研究目的
が正当であり、リスク管理が適切に講じられていれば承認してよい。
• 審査やリスク管理のプロセスを明確にすることが望ましい（規格化・標準
化）
• 厳格すぎる規制はよくない（米国、北海道の GMO 規制の例）
研究者 • 研究者自身がリスクを正しく評価し、ミニマイズする努力を行うことが肝要。
リスク管理
行政機関 • 性善説ではなく、性悪説を立って意図的な悪用に対する防護策を考える。
• 病原体の遺伝子配列情報へのアクセスは制限すべきかもしれない。
行政機関・
学会・大学
• BS2 に関する専門家の人材育成が急務であり、科学者も積極的に貢献
する。
メーカー • 防ぐことのできない悪用に備え、技術的な防護策を準備することも重要。
研究者・
社会学者
• 医師や化学者が犯行に関与したオウム真理教の事件から、彼らがなぜその
ようになったかの心理を学ぶことで犯行の「やんわり」とした抑止につながる。
情報発信
研究者
• 合成生物学のリスクだけではなく、ベネフィットも積極的に発信すべき。一般
の人にはリスクは分りやすいが、ベネフィットは一般人には分りにくいので丁寧
な説明が必要。（過剰な拒絶反応を防ぐ）
• 「啓蒙」という言葉は教え導くという意味であり、社会活動として適切でな
い。米国では科学者が社会と共に考える「共創」や「共働」という言葉が好
まれる。このような働きかけと一般の人との共有が大事である。
上表にまとめたように、本パネルディスカッショを開催することで、国内の合成生物学の研究者 100
名余りとデュアルユースや BS2 問題について意見交換する機会が得られた。また、後日、フロアにいた新
聞記者からヒアリングを受け、新聞で本シンポジウムが紹介され、合成生物学の社会実装への期待と課
題を一般社会に情報発信することができ、大変有意義なシンポジウムであった。
参考までに、パネルディスカッションの様子を示す写真を以下に添付する。
89
野地ＰＭの挨拶 司会（左：木賀教授、右：田端ＰＭ補佐）
パネリスト（左から相澤准教授、野地 PM、木賀教授、末次准教授、横井主任研究員、隅蔵教授、
田端ＰＭ補佐、四ノ宮教授）
7. まとめ
冒頭でも述べたが、合成生物学はバイオ産業にイノベーションをもたらす有望な学問領域であり、デ
ュアルユースや BS2 問題に対する過剰な法規制は学問の進展を妨げかねない。科学技術の進展と法
規制のバランスを慎重かつ多面的に議論するためには、まず研究者自身が自らの研究のメリットとリスクを
正確に理解し、一般社会に向けて研究の情報発信することが重要である。米国では、2018年6月19
日に、米国科学工学医学アカデミーが合成生物学の進化に伴う安全保障上の懸念を取り纏め、「合成
生物学の時代のバイオテロ防衛」という報告書を公開した。この報告書は、国防総省（DOD）の要請
により作成されたものだが、近年の合成生物学の進展に伴い、GOF（Gain of Function）の研究領
域で、新たな生物兵器が開発されるリスクが高まっていると結論づけている。そして、以下の 4 つの観点か
ら GOF 研究のリスクを正しく評価するように提言している。更に、この 4 つの観点から現在の GOF 研究
を分析した結果も公開されており、最も懸念レベルが高い分野として 3 つの研究分野を特定している。以
下に、この報告書で提言されている、4 つのリスク評価の観点と、3 つの懸念レベルが高い研究分野を示
す。
【リスク評価の観点】
① 技術の有用性
② 兵器としての有用性
③ 専門知識の要否や研究材料へのアクセス
④ 脅威への抑止策や予防策
90
【懸念レベルが高い研究分野】
① パンデミック（世界流行）をもたらす既存ウイルスの人工合成
② 病原性が高い細菌への改変
③ 毒素を生成する微生物への改変
上記のように、米国ではアカデミアが主体となり、合成生物学のメリットとリスクについて提言や報告
書を公開するなど、一般社会に向けて積極的に情報発信を続けている。日本においても、2020 年オリ
ンピック･パラリンピック東京大会の開催に備えたテロ対策の検討が進む中、上記のような米国アカデミーで
の取り組みを参考とし、研究者自身が合成生物学に潜むデュアルユース問題や BS2 問題の重要性につ
いて再認識し、一般社会に向けて積極的に情報発信してもらいたい。
91
8. 参考文献
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以上
94
【謝辞】
本報告書の作成に当たり、DNA 合成に関する科学的な見地から情報提供やご助言をいただい
た、以下の先生方に感謝申し上げます。
• 末次正幸（立教大学 准教授；ImPACT 野地プログラム 課題 3A 研究責任者）
• 柘植謙爾（神戸大学 准教授；ImPACT 野地プログラム アドバイザー）
• 相澤康則（東京工業大学 准教授；ImPACT 野地プログラム アドバイザー）
• 板谷光泰（慶應義塾大学 教授；ImPACT 野地プログラム アドバイザー）
• 横井崇秀（株式会社 日立製作所 主任研究員）
• 西田洋一（株式会社 日立製作所 主任研究員）
• 清尾康志（東京工業大学 准教授）
• 正木慶昭（東京工業大学 助教）
• Dr. Suri Kosuri (University of California, Assistant Professor)
また、シンポジウム開催や本報告書の作成にあたり、バイオセキュリティに関する専門的な見地から
情報提供やご助言をいただいた、以下の先生方に感謝申し上げます。
• 四ノ宮成祥（防衛医科大学校 教授）
• 隅藏康一（政策研究大学院大学 教授）
• 加藤祐輔（農業･食品産業技術総合研究機構 主席研究員）
• 木賀大介（早稲田大学 教授；ImPACT 野地プログラム アドバイザー）
【本報告書の作成メンバー】
野地博行（東京大学 教授；ImPACT 野地プログラム PM）
田端和仁（東京大学 講師；ImPACT 野地プログラム PM 補佐）
景山茂樹（科学技術振興機構；ImPACT 野地プログラム PM 補佐）
奥野大地（科学技術振興機構；ImPACT 野地プログラム PM 補佐）
高久春雄（科学技術振興機構；ImPACT 野地プログラム PM 補佐）
表紙デザイン：佐藤暁子（東京大学）
以上
