バイオテクノロジー

PCR・電気泳動・組換えDNA・ゲノム編集など、遺伝子工学の基本技術を学ぶ。

この単元の目標

PCRの原理と温度サイクルの各工程を説明できる
組換えDNAに関わる制限酵素とDNA連結酵素の役割を説明できる
電気泳動でDNA断片を解析する原理を説明できる
ゲノム編集と従来の遺伝子組換えとの違いを述べられる

📑 目次

PCR——DNAを試験管内で増やす
組換えDNA——遺伝子を運ぶベクター
ゲノム編集——狙った場所を書き換える
練習問題

PCR——DNAを試験管内で増やす

PCR（ポリメラーゼ連鎖反応）は、目的の DNA 領域を短時間で大量にコピーする技術です。増やしたい領域の両端に対応させた短い一本鎖 DNA（プライマー）と耐熱性の DNA ポリメラーゼ、材料のヌクレオチドを混ぜ、温度サイクルを繰り返します。高温で二本鎖をほどき（変性）、低温でプライマーを相補的な配列にくっつけ（アニーリング）、中温でポリメラーゼが新鎖を伸ばす（伸長）という3段階を1サイクルとして、繰り返すたびに DNA 量が約2倍ずつ増えます。元の鋳型鎖が毎回保存され、新鎖が積み重なる仕組みは、半保存的複製の考え方を試験管内で応用したものといえます。

工程	温度	起こること
変性	約94〜95℃	水素結合が切れて二本鎖DNAがほどける
アニーリング	約50〜60℃	プライマーが相補的な塩基配列に結合する
伸長	約72℃	耐熱性DNAポリメラーゼがプライマーから新鎖を合成する

PCR で使われるポリメラーゼは温泉などの高温環境に生息する細菌（サーマス・アクアティカス）由来の Taq ポリメラーゼで、94℃程度の高温でも変性しないため、サイクルごとに酵素を追加し直す必要がありません。

組換えDNA——遺伝子を運ぶベクター

異なる由来の DNA 断片を人工的につないだものを組換えDNAといいます。制限酵素は特定の塩基配列を認識して DNA を切断し、DNA連結酵素（DNAリガーゼ）は DNA の糖・リン酸骨格を共有結合でつなぎます。塩基どうしの相補的な対合と、骨格の連結は別の現象です。ベクターは DNA を運ぶ役割をもつもので、プラスミドなどが利用されます。インスリン生産などへの応用がありますが、DNA を運ぶだけで常に目的のタンパク質が作られるわけではなく、発現には適切な調節も必要です。

制限酵素: 特定の配列（パリンドローム的配列）を認識して DNA を切断する「はさみ」
DNA連結酵素（リガーゼ）: 切った DNA の骨格（リン酸ジエステル結合）を縫い合わせる「のり」
プラスミド: 細菌がもつ小型の環状 DNA。ベクターとして外来遺伝子を運ぶ
形質転換: 組換えDNAを大腸菌などの細胞に取り込ませること

🔍 電気泳動でDNAの大きさを見分ける原理

DNAは負に帯電している
$\text{DNA} \;\Rightarrow\; (-)$
リン酸基が酸性なので、pH中性の溶液中で DNA 分子全体はマイナスに帯電する。
電場をかけると陽極へ移動する
$(-) \longrightarrow (+)$
ゲルの一方を陰極、他方を陽極にすると、DNA は陽極側へ向かって移動を始める。
ゲルの網目が移動速度を決める
$v_{\text{small}} > v_{\text{large}}$
小さい断片ほど網目を抜けて速く進み、大きい断片ほどゆっくりしか進まない。
結果として帯（バンド）が分かれる
$\text{long} \;|\; \cdots \;|\; \text{short}$
泳動後のゲルを染色すると、長さごとに帯が分かれて見える。これで PCR 産物の有無や断片のサイズを判定できる。

ゲノム編集——狙った場所を書き換える

ゲノム編集は、ゲノムの特定の位置を標的として配列に変化を生じさせる技術です。代表例の CRISPR-Cas9 では、ガイドRNAとDNAの相補性、および Cas9 が認識する配列条件が標的の認識に関わります。DNA 切断後の細胞の修復に伴って配列が変化しますが、必ず意図どおりになるわけではなく、標的以外の変化にも注意が必要です。従来の遺伝子組換えをすべて「ランダムな挿入」とするのは不正確で、外来遺伝子の有無だけで両者を区別することもできません。ここでは原理と社会的影響を学び、改変の実用手順は扱いません。ヒトの生殖細胞への応用では、変化が次世代へ伝わることを含め慎重な倫理的検討が必要です。

例題

PCRで30サイクル行ったとき、目的領域の DNA は理論上およそ何倍に増えるか。ただし初期テンプレートを 1 コピーとして概算せよ。

解答・解説

各サイクルで約 2 倍になるから、 $2^{30} \approx 1.07 \times 10^{9}$ 倍（約10億倍）。指数関数的に増えるのが PCR の大きな特徴。

練習問題

PCR の温度サイクルにおける変性・アニーリング・伸長の3工程について、それぞれ何が起こるか簡潔に述べよ。
ヒント
二本鎖をほどく→くっつける→伸ばす、の順で考える。
解答・解説
**変性**: 高温で水素結合が切れ、二本鎖 DNA が一本鎖になる。**アニーリング**: 温度を下げてプライマーが相補配列に結合する。**伸長**: 耐熱性 DNA ポリメラーゼがプライマーの 3′ 末端から新鎖を合成する。
組換えDNAを作る際、制限酵素とDNA連結酵素の役割をそれぞれ一言でいえば何か。
ヒント
切り出す道具とつなぐ道具。
解答・解説
制限酵素は特定の配列を認識して DNA を**切断**するはさみ、DNA連結酵素は切断された DNA の骨格を**連結**するのりの役割を果たす。
電気泳動で DNA 断片を陽極側へ移動させる理由は何か。
ヒント
DNA分子の表面電荷に注目する。
解答・解説
DNA はリン酸基のおかげで**マイナスに帯電**しており、電場の中では陽極（＋極）に引かれて移動するため。さらに小さい断片ほど速く進むことでサイズの分離が可能になる。
CRISPR-Cas9 において、Cas9 が標的の近くまで案内される仕組みは何か。
ヒント
ガイドRNAとDNAの塩基配列の相補性を考える。Cas9 側にも認識に必要な配列条件がある。
解答・解説
標的配列に相補的な**ガイドRNA**がその配列に結合することで、Cas9 はガイドRNAとともに正しい位置へ運ばれ、そこで DNA を切断する。

確認クイズ

問1. PCR に使われる DNA ポリメラーゼが耐熱性である理由はどれか。

問2. 電気泳動において、より小さい DNA 断片はどうなるか。

問3. ゲノム編集が従来の遺伝子組換えと異なる点はどれか。

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