はじめに
カイコは，カイコガという鱗翅目昆虫の一種でミツバ チと同様にヒトが古くから利用してきた昆虫である．特 にカイコは高級な繊維であるシルクを生産する昆虫とし て，長い時間をかけてヒトが利用しやすいように改良が 続けられてきた．その結果，カイコが作るシルクはその 野生種であるクワコのシルクとは比べ物にならないほど 長く立派な繊維になった．また，改良の過程でカイコは 歩き回って餌を探すことをせず，成虫も飛ぶことができ ない昆虫になった．ヒトが世話をしない限り生きていけ ない生物で，一般に家畜と言われるウシやブタ，ニワト リ以上に家畜化された生物と言える．
シルクは，カイコがサナギになる際に作る繭からとら れる繊維で，ほとんどタンパク質だけでできた1,000〜
1,500 mほどの1本の長い糸である．通常，私たちはこ の糸を10〜20本束ねたものを生糸として使っている．
カイコの幼虫は，卵から孵化してから3週間かけて成長 して繭を作るが，それまでに体重を孵化時のおよそ 10,000倍の3 g程度に増やす．そして体重の10％に達す る300 mgほどのシルクを繭として作り出す．これをヒ トに例えると，3,000 gで生まれた新生児が3週間後に体 重が30 tになり，3 tの糸を吐き出すことに相当する．カ イコがいかに効率よく成長し，短期間で大量のシルクを 作り出すことができるかわかる．また，カイコは極めて
扱いやすく，きちんと管理することで一度に数万頭規模 で飼育が可能である．
ヒトはこの，カイコがもつ素晴らしい機能を「シルク の生産」という形で利用してきたが，2000年にカイコ の遺伝子組換え技術が確立(1)されたことで，「機能性や 力学物性を改変したシルクを生産」し，またカイコのタ ンパク質生産能力を「有用タンパク質の生産」に利用で きるようになった．
遺伝子組換えカイコの利用法
カイコの遺伝子組換えには， というトラン スポゾンを利用して，目的とする遺伝子をカイコのゲノ ムDNAに導入する．実際の作業については，詳しく解 説した記事がいくつかあるので(2〜4)興味のある方は参照 いただきたい．では，作り出された遺伝子組換えカイコ は，どのようなことに利用できるのだろうか？ いくつ かの例で紹介したい．
まず，純粋に科学的な観点からカイコの遺伝子の機能 解析に使われている．たとえば，カイコの成虫の複眼は 黒色をしているが，その色素を作るための遺伝子がすべ て知られているわけではない．そこで，候補となる遺伝 子について遺伝子組換えを使ってその機能を抑えたり，
逆に増強したりして対象とした遺伝子が本当に目的の機 能をもつものか調べることができる．このようにして，
日本農芸化学会
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セミナー室
昆虫の科学-8遺伝子組換えカイコが開くシルク利用の最前線
小島 桂
農業・食品産業技術総合研究機構生物機能利用研究部門新産業開拓研究領域
w1(5)，w3(6)，re(7)といった遺伝子が同定されている．ま た，カイコの生理機能を改変する試みがある．たとえ ば，養蚕業に重大な被害をもたらす核多角体病というウ イルス病があるが，このウイルスが体内で増えにくくす る遺伝子を導入して病気に抵抗性を示すカイコの作出が 行われている(8)．
ほかにも，先に述べたようにカイコの高いシルク生産 能力を利用して，有用なタンパク質をカイコの繭に作ら せ，回収する試みが近年盛んに行われている．たとえば，
サイトカインの一種であるbFGF(9)や，ヒトのコラーゲ ン(10)，抗体(11)を繭中に発現する遺伝子組換えカイコが作 出され，これらのタンパク質が繭から抽出され利用され ている．繭から抽出されたこれらのタンパク質は，比較 的容易に高純度に精製できることや，エンドトキシンの 混入が少ないこと，また，狂牛病の発生で注目されるよ うになった動物由来の成分（血漿など）が含まれないこ となどから美容や医療の分野から注目を集めている．
遺伝子組換えカイコの利用法として，もう一つ大きな 分野がシルクそのものの改変である．私たちのグループ では，シルクに外来タンパク質を発現させてシルクその ものの機能性や強さを変化させて利用しようという試み を続けてきた．この取り組みのなかで生まれた成果が，
蛍光シルクやクモ糸シルクなどである．次項では，これ らの改変シルクについて紹介したい．
シルクを改変する試み
蛍光シルクやクモ糸シルクの作出は，新しいシルク素 材を作り出したいという願いから始まった．シルクは古 くから和服や肌着の素材として利用されていることから もわかるように高級繊維の代表である．しかしその一方 で，洗濯がしにくい，毛羽立つ，黄ばむと言った欠点も
少なからず存在する．遺伝子組換えカイコの技術を使っ たシルクの改変研究は，こういったシルクの欠点を補い，
また新しい機能性の付与を目的とした研究から始まった．
残念ながらこれらの欠点を補う改変シルクはいまだ実現 していないが，新しいシルクがいくつか開発されている．
シルクの本体はフィブロインという繊維で，フィブロ インは3種類のタンパク質からできている．シルクを改 変する試みでは，このうち最も大きなタンパク質である フィブロインH鎖タンパク質を改変する技術開発から 始まった．
1. 蛍光シルク
フィブロインH鎖タンパク質の組換えタンパク質を どのように設計してカイコに作らせ，繭の中に発現した ことがわかるようにするか？ という問題の解決策とし て，緑色蛍光タンパク質（GFP）が利用された．カイコ のフィブロインH鎖遺伝子の大きな繰返し領域の代わ りにGFP遺伝子を組み込んで，さらに幼虫の後部絹糸 腺（シルクのうちフィブロインを合成する組織）で発現 するように組換え遺伝子を構築し，遺伝子組換えカイコ を創出した(4)．できあがった遺伝子組換えカイコは，組 換えフィブロインH鎖-GFP融合タンパク質を絹糸腺で 発現し，緑色の繭を作った．この繭はさらに，ブラック ライトや青色光を当てるときれいな緑色蛍光を発し，目 的の遺伝子組換えカイコの創出に成功したことが一目瞭 然であった．現在では，蛍光シルクはGFPとは別の蛍 光タンパク質を利用することで緑色に加えて，赤やオレ ンジなど多数の色で実現され(12)（図1a, b）ている．現 代美術家のスプツニ子氏やブライダルファッションデザ イナーの桂 由美氏らが蛍光シルクを利用した作品を発 表しており，ほかにも蛍光シルクを用いた試作品がいく つも作出され，注目を集めている(13, 14)．
図1■蛍光シルクと，クモ糸シルク a, b: 種々の蛍光シルク繭と，生糸．c, d: ク モ糸シルクの生糸と，ニット．
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蛍光シルクの開発は，当初純粋に技術開発から始まっ たものであったが，それが今や実用化まで進んでいる．
機能改変シルクへの関心の高さを示すよい例である．
2. クモ糸シルク
蛍光シルクができたことで興味深かったのは，繭が緑 色で緑色蛍光をもったことであった．つまり，この方法 でシルクに外来タンパク質を発現させた場合，そのタン パク質が本来の機能性を発揮できることが示されたの だ．そこで，次に挑戦したのがクモの糸をカイコに作ら せることであった．ご存じのように，クモの糸は強くよ く伸びることで有名である．実際にオニグモというクモ の縦糸を取ってきてカイコのシルクと力学物性を比べて みると強度が3倍，伸びが1.5倍もあった．この強さと 伸びをカイコのシルクに反映させることができれば，シ ルクの価値は格段に上がると期待された．そこで，この オニグモから縦糸のタンパク質遺伝子をクローニングし てGFP遺伝子の代わりに用い，遺伝子組換えカイコの 作出を始めた．まず2007年にオニグモの縦糸タンパク 質をシルクに作らせた最初の遺伝子組換えカイコを報告 した(15)が，実験系統のカイコ品種を使っていたため糸 が取れなかった．そこできちんとした糸が取れる実用品 種のカイコを用いて遺伝子組換えカイコを作り直すこと とし，2014年にようやく「クモ糸シルク」について発 表できた(16)．「クモ糸シルク」には，重量にして0.6％の クモ糸タンパク質が含まれていた．わずか0.6％であっ たが，糸の強さを測定したところ強度が1.1倍，伸びが 1.4倍，強靭さが1.5倍に向上したシルクであった（表 1）．そこで，クモ糸シルクの生糸や布，ニットなどを作 製したところ，肌触りが柔らかくしなやかな製品ができ あがった(3)（図1c, d）．現在，クモ糸シルクは強靭さが 増した切れにくいシルクとして，衣料用繊維のみならず 工業用素材としての可能性を視野に応用展開が図られて いる．
3. アフィニティーシルク
蛍光シルク・クモ糸シルクは，シルクそのものを繊維 として利用する試みのなかで得られた改変シルクであっ
た．これとは別にシルクをタンパク質材料として考え，
利用する試みがある．シルクの中に外来タンパク質を発 現させることで新たな機能性をシルクに付与し，利用す る方法である．その一つがアフィニティーシルクである．
アフィニティーシルクは，「フィブロインL鎖」と
「抗体の可変部からなる一本鎖抗体（scFv）」との融合 タンパク質を発現させた改変シルクで，抗原特異的な結 合活性をもつシルクである．scFvを別の抗体のものに 変えることで，異なる抗原を結合するアフィニティーシ ルクを多数作り出すことができる．また，抗体とは異な り，カイコの飼育量を増やすことで容易に大量生産でき る特徴がある．アフィニティーシルクは，シルク繊維そ のものに抗原結合活性が期待できるほかに，シルクを溶 解した水溶液や，水溶液から調製したシルクパウダーや フィルムにおいても抗原特異的結合活性が期待できる．
実際に，WASP（Wiscott‒Aldrich syndrome protein）と いうタンパク質に特異的に結合するモノクローナル抗体 から作られたscFvをシルクにもつ遺伝子組換えカイコ を作出し，そのシルクをパウダーやフィルムに加工した ところ，WASP特異的な抗原結合活性が保持されてい た．アフィニティーシルクが免疫沈降やELISA実験に 親抗体と同等に使用できることが判明している(17〜19)．
アフィニティーシルクは，今ある抗体を用いた製品に 抗体の代替品としてそのまま利用できるほか，今後たと えばインフルエンザウイルスと結合するscFvをもつア フィニティーシルクが作り出されれば，インフルエンザ ウイルスをキャッチするマスクなどに応用できる技術と して発展すると期待している．
4. そのほかの改変シルク
これらのほかにも，遺伝子組換えカイコが作った改変 シルクを医療用の材料として利用するための研究も進め られている．シルクはこれまでも手術用の縫合糸として も利用されており，生体に優しい材料として認められて いる．遺伝子組換え技術によりもっと体になじむシルク ができれば，さらに医療用途への利用が広がるであろ う．その一つとして私たちが取り組んだのが，シルクを 細胞が接着しやすいように改良することであった．
表1■クモ糸シルク生糸の力学物性
破断強度（MPa） 破断伸び（％） ヤング率（MPa） タフネス（MJ・m−3） コントロールシルク 521.3（50.5） 19.3（1.6） 13645.0（1238.8） 75.8（11.6）
クモ糸シルク 591.7（35.0） 27.5（1.4） 14298.7（1058.3） 116.1（9.5）
各40サンプルの平均値（S.D.）．クモ糸シルクと，その親系統カイコの繭から生糸（27d）を調製し，引張試験した結果．クモ糸シルクは，
コントロールに比べて破断強度で1.13倍，破断伸びで1.42倍となり，タフネスは1.53倍であった．
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“RGDS” （アルギニン‒グリシン‒アスパラギン酸‒セ リン）という4つのアミノ酸が並んだペプチドには，細 胞のインテグリンがこれを認識して結合する．そこで
“RGDS” ペプチドを融合した組換えフィブロインL鎖タ
ンパク質をシルクの中に発現する遺伝子組換えカイコを 作出した．この遺伝子組換えカイコが作ったシルク
（RGDSシルク）を溶解して調製したシルクスポンジや シルクフィルム上には培養細胞がよく接着することが見 いだされている(19, 20)．また，このRGDSシルクで作っ たスポンジで軟骨の細胞を培養すると効率よく軟骨様組 織ができることが見いだされている(21)．これらの性質 は，改変シルクを再生医療用材料にしたり，手術用の縫 合糸として利用したりした場合に大いに役立つと期待さ れている．また，同様にRGDSペプチドの代わりに前述 のbFGFを融合したシルクでは，このシルク素材の上で 培養した細胞がよく増殖するという結果も得られてお
り(22, 23)，サイトカイン融合シルクについても，再生医
療用材料として期待している．
5. これからの組換えカイコ
現在の遺伝子組換えカイコは というトラン スポゾンを使った方法で作出されており，組換え体作出 の成否は偶然に左右される．特に目的タンパク質のシル クへの発現量の制御はほぼ不可能で，できあがった組換 えカイコの繭を調べるまではわからないのが現状であ る．そのため，より効率良く組換えタンパク質をシルク に発現させ，あるいはシルクタンパク質そのものを改変 して全く新しいシルクを作り出すための技術が求められ てきた．近年，ZincFinger Nuclease（ZFN）やTALEN, Crisper/Cas9といったゲノム編集技術が開発され，ゲ ノム上の特定の遺伝子を切断して機能を止めたり，切断 部位に新しい遺伝子を挿入したりといったことに利用さ れつつある．カイコへの応用は現在研究が進められてい る最中で，カイコにもこれらの技術が利用可能であるこ とがわかりつつある(24)．今後のシルクの改変において もこれらの技術の適用と，利用価値がさらに高まったシ ルクの開発が期待される．
シルクの加工
これまでに少し触れたが，シルクの利用は繊維にとど まらない．特に遺伝子組換えカイコが作る改変シルク は，さまざまな形態に加工されてその機能性を発揮する ことも多い．最後に，シルクから作られる水溶液・パウ ダー・フィルム・スポンジなどの素材について紹介した
い(25)（図2）．
1. シルク水溶液
シルクは不溶性のタンパク質であるが，塩化カルシウ ムの濃厚溶液(26)や，臭化リチウム水溶液(27)などに溶解 することが知られている．これらの水溶液に溶解したシ ルクは，透析して水溶液にできる(28)．シルク水溶液は，
そのまま化粧品などの原料として利用されるほか，以下 のさまざまなシルク素材の出発材料となる重要な素材で ある．
2. シルクフィルム・スポンジ
シルクフィルムは，シルク水溶液を平坦な基材に広げ 乾燥することで調製できる．調製したフィルムはオブ ラートのように容易に水に溶けるが，水蒸気にあてた り，アルコール処理することで水に溶けないフィルムに することができる(25)．シルクフィルムは，細胞培養の 基材などに利用される．
シルクスポンジの調製法にはいくつか方法があり，そ れぞれ一長一短ある．シルク水溶液に塩の粒子を加えて 作る方法(25)は，ポアサイズを一定にできるが成型が困 難である．一方，私たちのグループでは，フィブロイン 水溶液に有機溶媒を少量加えて冷凍することでフィブロ インスポンジを調製する方法を確立している(29)．この 方法では，シルク水溶液の濃度や溶媒の種類，凍結条件 などを調整することでさまざまな構造や物性をもつシル クスポンジを調製できる(29, 30)．このシルクスポンジは，
肌触りが滑らかなことから香粧分野での利用が進められ ている．また，冒頭で紹介したbFGF融合シルクや
図2■シルクから作られるさまざまな素材
カイコの繭を精練して得られるシルク（フィブロイン）からは，
直接・間接にさまざまな形態に加工することができる．左から反 時計回りに，水溶液，スポンジ，パウダー，フィルム，プラス チック様成型体．
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RGDSシルクから作ったシルクスポンジでは，これらを 基材とした細胞培養で細胞の増殖や組織分化に特徴があ るなど，再生医療用材料として有望な結果が示されてお り，シルクスポンジの再生医療分野への応用が期待され ている．
3. シルクパウダー
シルクパウダーは上記のさまざまなシルク材料から作 ることができる．シルクそのものや水溶液を凍結乾燥し たもの，フィルムやスポンジを破砕することでシルクパウ ダーが調製でき，出発材料によってかさ高さなどが異な るシルクパウダーとなる．シルクパウダーは，食品や化 粧品原料として用いられているほか，アフィニティーシル クでは研究用担体としての応用研究が進められている．
おわりに
遺伝子組換え技術により，カイコが作り出すシルクは 多様性を増し，応用範囲も広がりつつあることを紹介し た．カイコはヒトが世話をしなければ生きていけない生 物であることから，間違って外界に逃げた場合にも生存 できないと考えられており，遺伝子組換え生物として優 れた特性をもつ生物と考えられている．また，カイコは 集団での飼育が可能なことから，今回紹介したさまざま なシルク素材や医療材料などを遺伝子組換えカイコを 使った生産はこれからますます盛んになるだろう．カイ コとシルクが遺伝子組換えという手法により新しい利用 法を得たことで，今後「新蚕業」として花開くことを期 待している．
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プロフィール
小 島 桂（Katsura KOJIMA）
＜略歴＞1997年北海道大学農学部応用生 命科学科卒業／2002年同大学大学院農学 研究科博士後期課程修了／同年農業生物資 源研究所ポスドク／2003年同任期付き研究 員／2008年同主任研究員／2016年組織合 併により現所属，現在至る＜研究テーマと 抱負＞カイコのシルクをクモ糸並の強さに したい＜趣味＞家庭菜園
Copyright © 2016 公益社団法人日本農芸化学会 DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.54.915
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