第Ⅰ編

1．からだを守る生体防御のしくみ
1・1

生体防御とは何か

ヒトの体は約 60 兆個の細胞から成り立っていて，その一つ一つの細胞には 2 万 3000 個の遺伝子があり，毎日 3000 億個の細胞が生まれ，3000 億個の細胞が死んでいるといわれています．この生命を維持していくために，体を取り巻く環境中のウイルス，細菌および真菌などの微生物，寄生虫などの異物を排除あるいは共存しながら，体を守るシステムが生体防御です．これらの異物を外敵として生体を守る最初の防御系は，からだの表面を覆っているバリアとしての皮膚や粘膜です．次いで食物を摂取する口腔，胃，腸などの臓器や血液で，そこに存在する生体防御に働く細胞群がお互いに密接に連携して外敵を排除します．また，内なる敵である「がん」を攻撃し体を守っています．このような生体防御の主体が免疫です．

1・2

免疫系を構成する役者たち「この世界はすべて一つの舞台だ．人は男女を問わず役者にすぎぬ．自分の出番がくると，大声でわめき，登場したり，退場したり，その間一人一人がさまざまな役を演じ，そして舞台から消えていく．
」シェイクスピア，『お気に召すまま』第 2 幕，第 7 場
細菌やウイルスなどの病原体である異物を，自分の体の成分と区別して，非自己である抗原を認識して，体を守るために，以下の，さまざまな働きをする細胞がドラマの役者のように登場します．
・マクロファージ：第一次防衛部隊として，最初に抗原を発見して働くのが，マクロファージです．マクロファージは骨髄でつくられた単球が血管外に出て変身した細胞で，抗原を捕らえて貪食します．このマクロファージは全身に分布していて，存在部位やその機能によって，名前が異なります．樹1

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第Ⅰ編

レッドバイオ枝のような突起をもつ樹状細胞（DC）は，全身に分布していて抗原を提示し抗原特異的な反応を開始させる細胞であることから，マクロファージや B細胞とともに抗原提示細胞（APC）とも呼ばれます．このほかに，肺に存在する肺胞マクロファージ，肝臓に存在するクッパー細胞，皮膚に存在して，アレルギーに関与するランゲルハンス細胞などがあります．
・T 細胞：APC は二次防衛部隊の司令塔であるヘルパー T 細胞の Th1 細胞および Th2 細胞にその抗原情報を伝えます．情報を受け取った Th1 細胞は細胞傷害性 T 細胞（TCL）を増強し，ウイルスが感染した細胞やがん細胞を排除し，マクロファージの働きを増強します．
・B 細胞：ヘルパー T 細胞（Th 細胞）は B 細胞に抗体を産生するように指令を出します．抗体は敵を攻撃する弾丸やミサイルなどにたとえられます．
また，B 細胞はその弾丸，ミサイルを製造する武器工場にたとえられます．
・ナチュラルキラー細胞（NK 細胞）：NK 細胞は，警察官のように体内をパトロールしているリンパ球です．そして，がん細胞やウイルスが感染した細胞を発見すると，相手を特定することなく，単独で素早くパーフォリンとい201_責.indd 2

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2．クスリとバイオ第Ⅰ編「人間は誰でも体の中に百人の名医をもっている．
」
古代ギリシャの医師，ヒポクラテス（紀元前 460 頃〜紀元前 370 頃）「すべての物質は毒である．毒か薬かは用量によって決まる．
」
ルネサンス初期のスイスの医師・思想家，パラケルスス（1493 〜 1541）

2・1

はじめに

2012 年，国連の世界の人口統計および平均寿命の統計によると，我が国の男女平均寿命は 83 歳で，世界のなかで長寿国であり続けています．その理由は，第二次世界大戦後，すぐれた和食文化の伝統と豊かな食生活に恵まれた環境，そしてすぐれた健康保険制度と医療に守られた社会に生活していたためと考えられます．その健康を守るための医療において，薬が大きな役割を果たしています．薬は病気の予防と治療に役立つ働きをする化学物質です．
薬はヒトに投与される注射剤や錠剤などになると医薬品と呼び，この薬の発見から医薬品になるプロセス，すなわち創薬を支える重要な技術が，バイオテクノロジーです．

2・2

くすりの歴史と開発のながれ

じん のう ほん ぞう きょう

古代中国の神農帝による薬物書，『神 農 本 草 経 』には，多くの薬が記載されています．古代ギリシャでは，ヒポクラテスが，柳の木からの煎じ薬を痛み止めとして用いています．江戸時代，華岡青州は，乳がん患者に漢方薬を用い世界で初めて全身麻酔を行い，蘭学の外科手術に成功．19 世紀には，古代ギリシャの痛み止め成分はサリシンであることが判明．その分解物のサリチル酸から，アスピリンが合成され，鎮痛剤として販売．20 世紀には，青カビからペニシリンがつくられました．
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第Ⅰ編

レッドバイオ

20 世紀後半，本格的に医薬品の研究開発が始まりました．表 2‑1 に，医薬品の研究開発の大きな流れと代表的な医薬品を示しました．① 第一世代の医薬品として，ペニシリンの誘導体およびその関連化合物である抗生物質が数多く誕生．細菌感染の治療やウイルスの二次感染の予防に貢献しました．② 第二世代の医薬品として，高齢化社会の到来に伴い疾患構造が変化，生活習慣病（成人病）克服が課題となり，心臓脳血管疾患である循環器病およびがんに対する医薬品を中心に開発が行われてきました．③ 20 世紀の後半，細胞工学，タンパク質工学および遺伝子工学などの進歩により，最先端技術の医薬品への応用が活発化し，第三世代医薬品として，バイオ医薬品が誕生しました．それらは，成長ホルモン，インシュリン，エリスロポエチンなどのタンパク質でした．その後，モノクローナル抗体の生産技術など，免1002_青訂.indd 10

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3．プロバイオティクス

アレルギー発症メカニズム
アレルゲン（花粉など）
樹状細胞

Th2Th1菌

IgE 抗体

肥満細胞

乳酸

酸

乳

B 細胞

ヒスタミン受容体
ヒスタミン放出アレルギー症状（くしゃみ，鼻づまり目のかゆみなど）

菌

菌

酸

乳

Th1Th2乳酸菌の作用

図 3-2 アレルギーの発症メカニズムと乳酸菌の推定作用
アレルギーの発症には Th1 細胞と Th2 細胞と呼ばれる免疫細胞が関与している．通常は，両者はバランスを保って免疫反応を調節しているが，食生活や生活環境の変化などによりバランスが崩れて Th2 側に偏ると，花粉などのアレルゲンと反応する IgE 抗体が過剰につくられてアレルギー症状が発症する．乳酸菌には，この Th1 と Th2 の免疫バランスを改善する作用があると推定されている．

メカニズムの解明も含めて，さらなる研究が必要と思われます．
（3）プロバイオティクスの動物への応用
ほかの哺乳類も，菌の構成はヒトとは若干異なりますが，基本的にはビフィズス菌や乳酸桿菌が優勢菌として検出されます（光岡ら，1978）．それらの研究成果をもとに，家畜やペットなどの動物用プロバイオティクスが開発されています．効能としては，ヒトと同じく，整腸作用を目的としたものが多いですが，アレルギー症状の改善などへの応用も検討されています．
（4）腸以外の部位におけるプロバイオティクスの活用
私たちの体には，腸管以外にもさまざまな部位に微生物が存在し，健康と密接にかかわっています．たとえば，虫歯治療歴のない健常人の唾液中から，虫歯菌と歯周病菌の働きを抑える乳酸菌が見つかり，この乳酸菌でつくったヨーグルトを摂取すると，それらの菌数が減少したという報告があります（二川ら，2004）．また，胃潰瘍の原因菌としてピロリ菌（）が有名ですが，その増殖抑制作用をもつ乳酸菌のヨーグルトも開発されています．

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第Ⅰ編

レッドバイオ

3・6

プロバイオティクスの実用化に向けて（1）関連する法規制についてプロバイオティクスを用いて，発酵乳を開発することが多いと思いますが，日本では，法律で定められた成分規格（表 3‑2）に従う必要があります．
また，商品に効果効能を表示する場合は，消費者庁から，特定保健用食品の許可を得る必要があります．
（2）プロバイオティクスの定義に関する最近の見解
近年，研究が進展した結果，生きた菌だけではなく，殺菌体でも下痢改善効果が見られることや，とくに，免疫系への作用は，殺菌体でも一定の効果が認められたという報告が多いことから，研究者によっては，プロバイオティクスの効果は，殺菌体にまで広げて考える必要性があると提唱しています（Salminen ら，1998）．殺菌体での効果は，生きた菌の場合と同様に，菌種や菌株の違いが影響すると考えられますが，開発した製品を冷蔵保存する必要がなくなることから，さまざまな製品への応用が広がるため，作用メカニズムなど，今後の解明が期待されます．
（3）プロバイオティクスを活用した製品を製造するために
ここでは，生菌の発酵乳タイプの商品を想定して述べます．実は，プロバ
イオティクス用の乳酸菌やビフィズス菌の多くは，一般的なヨーグルトで使用されているような酪農用の乳酸菌と異なり，乳中で十分に生育できるもの
表 3-2

発酵乳，乳製品乳酸菌飲料，乳酸菌飲料の成分規格＊
規格

種類

無脂乳
固形分＊＊

乳酸菌数または酵母数（1 mL 当たり）

大腸菌群

8.0 ％以上

1000 万以上

陰性生菌

3.0 ％以上

1000 万以上

陰性

殺菌

3.0 ％以上―陰性

3.0 ％未満

100 万以上

陰性

発酵乳
乳製品
乳酸菌飲料
乳酸菌飲料
＊
＊＊

厚生労働省の「乳及び乳製品の成分規格等に関する省令（乳等省令）」より．
牛乳から水分と乳脂肪分を除いた成分のことで，おもにタンパク質，乳糖，ミネラ
ル，ビタミンを含む．

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6．化粧品の安全性
6・1

第Ⅰ編

はじめに

日本語の化粧は，昔「化粧（けわい）」といい，まわりの気配，まわりの方への気配り，まわりの方への気遣いが元々の意味です．つまり，自分自身を清潔にする，見た目を整えることによって，まわりの方への配慮もするという，なんともすばらしい行為を指す言葉なのですね．
さて，この「化粧」行為としては泥やヘチマ水を顔に塗るのもよいですが，製品として「化粧品」を消費者に提供するためには，機能と安全性を考えた上で，品質を保持しなくてはなりません．そのために，「化粧品・医薬部外品＊1」の製造および販売は医薬品と同様に，薬事法により厳格に規制されています．なかでも安全性評価にかかわる試験はバリデーション＊2（脚注次頁）という客観的な評価を得て，はじめて製品（化粧品原料）試験に用いら＊1

日本の薬事法第 2 条第 2 項に定められた，人体に対する作用が緩和なものであって，機械器具などではないもの．
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第Ⅰ編

レッドバイオれます．その試験法開発には生物学的手法が欠かせません．
本章では，化粧品の安全性にかかわる規制と評価に応用される技術を紹介しながら，バイオのかかわりを見て行きたいと思います．

6・2

化粧品と薬事法

この法律は，医薬品，医薬部外品，化粧品及び医療機器の品質，有効性及び安全性の確保のために必要な規制を行うとともに，指定薬物の規制に関する措置を講ずるほか，医療上特にその必要性が高い医薬品及び医療機器の研究開発の促進のために必要な措置を講ずることにより，保健衛生の向上を図ることを目的とする．（薬事法第１条）（下線は筆者）

化粧品および医薬部外品は薬事法で定義されており，化粧品については56 項目の効能の範囲が規定され，医薬部外品については 15 項目の効能・効果の範囲が規定されています．医薬品・医薬部外品・化粧品ともに薬事法第66 条で「誇大広告禁止」がいわれていますが，化粧品メーカーによっては，化粧品の効能・効果の範囲を逸脱するような（医薬品の範疇）表現に踏み込みがちです．したがって，化粧品・医薬部外品の範囲を規定することは，その点を規制しているといえます．つまり，もともと健常な人への使用であって，人体に対する作用は緩和なものであり，医薬品のような病気の治療を目的とはしていないこと（医薬品成分の配合禁止）が根底にあるからです．
2001 年には化粧品の全成分表示制度が導入されました．これは，消費者への必要な情報提供を確保した上で，消費者の需要の多様化に対応したより多くの選択を可能とするために検討されました．
同時に，欧米に歩調を合わせ，配合禁止・配合制限成分リスト（ネガティブリスト）および特定成分群（防腐剤，紫外線吸収剤およびタール色素）の配合可能成分リスト（ポジティブリスト）による規制に移行しました．
＊2

バリデーションとは「候補試験法について，試験結果の信頼性（reliability）と再現性（reproducibility）とを証明し，それが特定の毒性試験の目的に使用できるだけの確実性（credibility）があることを確認する手順である」とされている．代替法のバリデー
ション研究を行う公的な機関としては，日本では「日本動物実験代替法評価センター（JaCVAM），EU では ECVAM，米国では ICCVAM がある．
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7．再 生 医 療
7・1

第Ⅰ編

はじめに生物のなかには高い再生能力をもつものがいます．たとえば，ザリガニの足や眼柄は切除されても再生することはよく知られています．ゴキブリも足を再生する能力をもっています．無脊椎動物以外にも，イモリやカエルなど，尾や足を再生することができる生物もいます．一方，ヒトの手足は切れてしまえば二度と生えてきません．ところが，近年，細胞を投与したり，増殖をコントロールしたりして，失われた組織や臓器を再生させることが現実となりつつあります．これが再生医療です．本章では，再生医療の基盤となる技術を解説するとともに，その研究例についても概説します．

7・2

幹 細 胞

体を修復する重要な働きをするのが，幹細胞と呼ばれる細胞です．幹細胞

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7．再 生 医 療

自己複製幹細胞

幹細胞ニッチ

分化分化細胞（成熟細胞）
図 7-1

幹細胞の自己複製能と多分化能には，きわだった能力が 2 つあります．一つは，自分自身とまったく同じ細胞に分裂することができる能力です．これを「自己複製能」といいます（図7‑1）．同じ細胞に分裂することは，一見当たり前に思えるかもしれません．
確かに，大腸菌やアメーバなどの単細胞生物などではその通りですが，高等生物の場合，細胞は分裂すると，分裂前の細胞とは少し違った状態になります．簡単にいうと，分裂するごとに細胞は年をとるのです．これに対し，幹細胞は，いわば年をとらないといえます．生体のなかでも特殊な存在なのです．
幹細胞のもう一つの能力は，さまざまな種類の細胞になることができる力です．ほかの細胞に変化することを分化というので，幹細胞のもつこの能力を，「多分化能」といいます．
「多能性」ということもあります．
自己複製能と多分化能という 2 つの性質は，一見，矛盾するように思える5107_責.indd 51

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15．バイオマス利用
15・1

第Ⅲ編

はじめに

私たちの生活を支えているのは，石油や石炭といった化石資源です．とくに石油は，燃料としての利用だけでなく，私たちの身近にある化学製品の原料として使われています．
石油資源は有限で，かつ再生不可能な資源です．また，地球温暖化対策として二酸化炭素排出量を削減することが求められています．化石資源の使用は，地球上の二酸化炭素量を増加するために，地球環境に負担をかけることになります．そのため，石油資源に依存している化学産業は，微生物や酵素といった生体触媒を用いて，環境に調和した持続可能（サステイナブル）な物質変換を行う産業技術であるホワイトバイオテクノロジーへの技術革新が迫られています．

15・2

バイオマス原料

ホワイトバイオテクノロジーにおける原料は，再生可能資源であるバイオマスです．地球上のバイオマスの 99 ％は陸上に存在し，その賦存量は 1 兆〜 2 兆トンと見積もられています．バイオマスの純生産量は年間 800 億〜1500 億トンと推定されています．石油採掘量の年間約 43 億トン（2010 年調
べ：約 310 億バレル）と比べはるかに多いことから，バイオマス資源はサステイナブルな資源といえます．
微生物が利用（もしくは変換）できる物質はおもにグルコースに代表される糖類ですので，バイオマスを分解して糖を得る必要があります．私たちにとって身近なところでは，穀物やイモ類に含まれるデンプンがあげられます．デンプンは入手が容易な上，アミラーゼ処理で容易にグルコースにまで加水分解されます．ですが，デンプンや砂糖は私たち人間や家畜が生存する
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第Ⅲ編

ホワイトバイオために必要な栄養源でもあります．世界の穀物の生産量は年間約 23 億トンで，世界で必要とされる食糧の約 2 倍量が生産されています．もし余剰穀物をすべてバイオ燃料に変換したとしても，得られるバイオ燃料は石油の年間採掘量よりも少ないため，原料として充分な量があるとはいえません．現在のホワイトバイオテクノロジーでは，経済的・技術的な理由からデンプンや砂糖を主原料としていますが，将来的には食糧と競合しないバイオマス原料から糖を生産する必要があります．
食糧と競合しないバイオマスで陸上に最も多く存在するのはセルロースです．セルロース（図 15‑1（a））は地球上で最も多く存在する炭水化物で，グルコースがグリコシド結合により直鎖状に重合した構造をもつ天然高分子です．セルロースは，植物細胞壁の約半分（40 〜 60 ％）を占めていますが，植物細胞壁にはそのほかに，マンノースやキシロースなどの糖が重合したヘミセルロース（図 15‑1（b））や，芳香族高分子のリグニン（図 15‑1（c））が存在します．植物細胞壁中では，セルロース，ヘミセルロース，リグニンは共有結合や水素結合により強固に結び付けられています．植物細胞を建物にた
とえれば，セルロースは鉄筋，リグニンはコンクリート，ヘミセルロースは鉄筋とコンクリートの間にある針金の役割を果たしています．そのため，リグニンを多く含む樹木は物理強度や耐久性が高いという特徴をもっています．この特徴は建築材としての利用においては長所と考えられますが，ホワ

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17．バ イ オ 燃 料
17・1

第Ⅲ編

なぜバイオ燃料が必要なのか

地球が温暖化しているという認識は全世界的に共通しており，1997 年に採択された「気候変動に関する国際連合枠組条約の京都議定書」に基づいて，日本でも地球温暖化ガスの一つである二酸化炭素の排出量を 2008 年から2012 年までの間に 1990 年比で 6 ％削減するという目標が定められました．
2010 年度の確定値では，1990 年度比で 0.3 ％減となっており，目標達成には引き続き削減努力が必要です．ただし京都議定書の目標は一つの目安であり，継続的に地球温暖化ガスの排出量削減を図らなければなりません．
これまで我々は，石油などの地下資源を燃焼させて二酸化炭素を排出してきましたが，昨今，植物を使って燃料をつくり出す取り組みがさかんになっています．植物は光合成によって大気中の二酸化炭素を取り込みます．それを燃焼させても，排出される二酸化炭素は大気中に戻されるだけなので，差引きゼロと考えられます．この考え方をカーボンニュートラルといいます．
たとえば，植物原料からバイオエタノールを生産するときの化学反応は以下の通りです．
① 光合成によって，水と地上の二酸化炭素からグルコースと酸素が生成
6 CO2 ＋ 6 H2O → C6H12O6 ＋ 6 O2（1）② アルコール発酵によって，グルコースからアルコールと二酸化炭素が生成
C6H12O6 → 2 C2H5OH ＋ 2 CO2（2）③ アルコールが燃焼することで，二酸化炭素と水が生成
2 C2H5OH ＋ 6 O2 → 4 CO2 ＋ 6 H2O（3）上の（1）〜（3）式の左辺および右辺それぞれの二酸化炭素の分子数を足し合わせると，どちらも 6 分子になります．二酸化炭素が増加しない燃料創出反応ですので，カーボンニュートラルといえるわけです．
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17．バイオ燃料

地下資源への依存度を減らすため，地上の二酸化炭素をさまざまな生命活動によって燃料にするバイオ燃料の製造技術が，ますます重要になっていくでしょう．

17・2

さまざまなバイオ燃料

バイオ燃料には稲わらや薪などの植物素材そのものや，木材を顆粒に成形した木材ペレット，天ぷら油を含めた動植物油を加工し燃料としての適性を向上させたバイオディーゼル，発酵による変換を経たバイオエタノールやメタンガスなど，さまざまなものがあります．木材ペレットなど固形の燃料は熱源としての利用が主で，生産地と消費地が近い場合にメリットが大きい燃料です．また自動車などのエンジンを動かすためには液体であるバイオディーゼルやバイオエタノールが利用されます．液体燃料は運搬しやすいことから，利用しやすい燃料といえます．気体燃料であるメタンは，汚泥やし尿など価値が低く，比較的エネルギーを取り出しにくい原料から生み出される高付加価値の燃料です．

17・3

米を原料としたエタノール生産

米を原料としたバイオエタノールの製造プロセスは，① 原料米の粉砕 →② 高温液化 → ③ 発酵 → ④ 蒸留精製となります．それぞれの工程で，処理方法は複数ありますが，ここでは一例を示します（図 17‑1）．

図 17-1

米を原料としたバイオエタノール製造プロセス
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28．環 境 浄 化 技 術28・1

第Ⅳ編

はじめに各種の産業界から排出される環境汚染物質（有機化合物：塩素系溶剤，有機塩素系農薬，揮発性化合物，PCB，石油系炭化水素など，無機化合物：重金属など）は，長い時間をかけて地上から地下深くにしみ込み，土壌や地下水の汚染を引き起こしています．
図 28‑1 に示すように，汚染土壌や地下水の恒久的対策は，原位置で浄化する方法と，掘削して汚染土壌を別の場所に移動させて処理する方法に大きく分けられます．
前者は，低濃度の汚染が広範囲に分布しているような汚染サイトに対して，汚染土壌や地下水を原位置で処理する方法です．具体的な処理法としては，非生物学的方法として，原位置で分解させないで汚染物質を抽出して除去する方法（土壌ガス吸引法や地下水揚水曝気法など）が知られていますが，これら以外に汚染物質を原位置で直接分解する方法も考えられており，近年もっとも行われているのが，生物学的な方法，すなわち微生物を利用した浄化工法（バイオレメディエーション）や，植物あるいは植物や根圏微生物を利用した浄化工法（ファイトレメディエーション）です．
一方，後者は，高濃度の汚染が局所的に分布しているような汚染サイトに対して，汚染土壌を掘削し，別のところへもっていって処理する方法です．
具体的な処理法としては，汚染土壌の溶媒洗浄や高圧熱水洗浄，焼却処理等の非生物学的方法以外に，上述の原位置分解よりも微生物による分解条件（酸素や栄養源の供給など）を可能な限り整え，バイオレメディエーション工法の効果を最大限に高めた工法によって分解・浄化することもあります．
この章では，種々の汚染土壌・地下水の浄化技術のうち，多様な汚染サイトに広く適用可能な生物学的浄化法であるバイオレメディエーションやファ
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28．環境浄化技術

恒久対策

低濃度広範囲汚染

高濃度局所的汚染

原位置浄化

原位置抽出

掘削除去
・溶媒洗浄

（固体処理）

・高圧熱水洗浄バイオレメディ

・焼却

エーション

原位置分解

・土壌ガス吸引・地下水揚水曝気

レーション
バイオオーギュメン
テーション

ファイト
レメディエーション（例）【土壌】
・バイオパイル・生物的浄化法

・ランドファーミングバイオレメディエーション

・スラリー処理【地下水】
バイオスティミュ

原位置外浄化* 直接注入工法* 地下水循環工法（バイオリアクター）* 微生物壁工法【土壌】

バイオレメディエーション（例）

栄養剤による微生物の活性化
汚染土壌・地下水
微生物の浄化・活性化

無害化* 直接注入工法
・バイオベンティング

重金属の・バイオスパージング

吸収・蓄積

ファイトレメディエーション

図 28-1

化学物質汚染土壌・地下水の浄化方法

イトレメディエーションの有効性について考えます．

28・2

生物を利用した環境浄化技術の特徴（1）微生物を利用した環境浄化技術（バイオレメディエーション）の工法と課題
a．バイオレメディエーション工法の定義
バイオレメディエーションとは，微生物の機能を利用して土壌や地下水の浄化を行う技術で，大きく 2 つの工法に分けられます．一つは，もともと現
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