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遺伝子を扱った技術

バイオテクノロジー

DNAの仕組みが明らかになってから、目的の遺伝子を取り出して調べる技術や遺伝子を変化させる技術が進歩してきました。これらの技術はいずれもバイオテクノロジーとよばれています。

人間の遺伝子も大腸菌の遺伝子も、DNAという化学物質で出来ています。つまり、DNAを切る鋏(はさみ)とそれを貼り合わせる糊があれば、ゲノムにある多くの遺伝子から目的の遺伝子を切り出したり、縫い合わせたり出来ます。切った遺伝子の数が少なくても、すぐに増殖させられます。

遺伝子組み換え

遺伝子組み換えでは、ある生物の目的遺伝子のDNAを一部切り取って、別の生物のDNAに繋ぎ合わせます。例えば、人間に良い蛋白質を作る遺伝子を大腸菌のDNAに戻せば、大腸菌を育てて、人間に良い蛋白質を簡単に作り出せます。

制限酵素・DNAリガーゼ

DNAリガーゼ

そのために使われるのが、「鋏(はさみ)」のような役割をして、DNAから目的の遺伝子を切り出す制限酵素です。制限酵素は、二本鎖DNAをある塩基配列の部分で切り離します。そのため、遺伝子を切り離したのと同じ制限酵素で別の生物のDNAを切り離すと、切り離された塩基配列が揃います。そして、切り出したDNAの断片を他の生物のDNAと混ぜると、切り出したDNAの断片は他の生物のDNAの一部になります。しかし、２つのDNAの断片は、DNA配列の一部分に相補的に結合しているだけなので、どこかで分かれてしまいます。DNAリガーゼ酵素は、DNAの骨格を構成するデオキシリボースとリン酸を「糊付け」するために使われます。DNAの鎖は、リン酸基とデオキシリボースによって繋ぎ合わされています。この方法で、他の生物の遺伝子を持つDNAを作ります。

参考：制限酵素の名称由来とその特徴

EcoR1（制限酵素）を切り離している図。

制限酵素という名前は、その仕事が外来DNAの侵入を防ぐ働きからきています。DNAを持ったウイルスやプラスミドが細菌に入り込むと、細菌は自分自身の制限酵素を使って、特定の塩基配列の部分でDNAを切り離します。様々な細菌によって、多くの制限酵素が見つかっています。

制限酵素は、DNAの中の４〜８個の塩基のあるパターンを探して、そこで二本鎖のDNAを切断します。DNAには４種類の塩基があるので、ある塩基が現れる確率は${\tfrac {1}{4}}$です。$({\tfrac {1}{4}})^{3}$は特定の塩基が3つ並ぶ頻度です。同じように、$({\tfrac {1}{4}})^{4}$は特定の塩基が4つ並ぶ塩基配列の頻度、$({\tfrac {1}{4}})^{8}$は特定の塩基が８つ並ぶ塩基配列の頻度です。したがって、４つの塩基しか認識出来ない制限酵素でゲノムDNAを切り取ると、短いDNAの欠片が出来ます。８つの塩基しか認識出来ない制限酵素でゲノムDNAを切り取ると、より長いDNAが出来ます。制限酵素が認識出来る塩基配列は、２本のDNAが同じ塩基配列を持ちながら逆の順序で並んでいる場合（回文構造）です。

PCR法

クローニングとは、目的の遺伝子と同じ塩基配列を持つDNAの断片を取り出せるようにする作業をいいます。近年、クローニングの方法として、ポリメラーゼ連鎖反応（Polymerase Chain Reaction）法が注目されています。

PCR（Polymerase Chain Reaction）法は、DNAの特定の領域を増幅（複製）するための分子生物学的な手法です。 PCR法は、DNAの少量から大量の特定のDNA断片を効率的に作成することができます。

PCR法は次のような手順で行います。

1. 鋳型となるDNAとともに、２種類のプライマー、耐熱性のDNAポリメラーゼ、A（アデニン）、T（チミン、G（グアニン）、C（シトシン）の４種類の塩基を持つヌクレオチドで反応液を作ります。ここで、プライマーとは、DNAを作るプロセスを開始するために使われる短いヌクレオチドの鎖を指します。プライマーは化学的に作れ、DNAの両端の配列が同じなら、必要に応じてその部分だけが拡がります。
2. Denaturation（変性）: PCR反応が始まる前に、反応混合物を95℃で30秒から1分間程度加熱します。これにより、DNAの二重らせん構造が解離し、2本鎖DNAが単鎖DNAに変性します。
3. Annealing（プライマー結合）: 反応混合物を60℃程度まで急冷し1分間保持し、DNAプライマー（短いDNA断片）が特定の領域に結合することができるようにします。プライマーは、増幅したいDNA領域の始点と終点に相補的な配列を持っています。
4. Extension（伸長）: DNAポリメラーゼを反応混合物に加え、プライマーに結合したDNA領域を伸長します。DNAポリメラーゼは、プライマーに対して新しいDNA鎖を合成します。この過程により、DNA領域が増幅されます。

上記の3つのステップ（変性、プライマー結合、伸長）を繰り返すことで、増幅したいDNA領域が指数関数的に増加します。各サイクルごとにDNA断片の量が倍増するため、PCRは非常に効率的なDNA増幅法となります。

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  １００μＬの反応混合物が入ったPCRチューブが８本ずつあります。
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  政府医科大学エルナクラム校の遠隔PCR研究所には、Covid-19の感染を検査するための生体実験室が整備されています。
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  PCRは、犯罪現場で採取されたDNAサンプルを調べるためによく使われます。

　２本鎖の分離→焼なまし→DNA複製という流れを数分間ずつ約３０回行うと、数時間で大量のDNAを作れます。このDNAポリメラーゼは、温泉に生息していた細菌から取り出した成分です。９５℃でもまだ使えるので、反応の最初に加えるだけで構いません。DNAポリメラーゼは高温でもよく働くので、PCR法は実際の現場で使えるようになりました。少量のDNAとプライマーで済むため、短時間で遺伝子を作り出せます。そのため、PCR法は、遺伝子組み換え、ＣＯＶＩＤ－１９の検査方法、親子鑑定、犯罪捜査など、様々な分野で利用されています。

遺伝子の導入の方法

トランスジェニック生物

トランスジェニック技術は、生物の遺伝子組成を変えるための手法であり、ウイルスの利用もその一つです。ウイルスは、その特性を利用して遺伝子を効率的に他の生物体に導入することができます。

例えば、バクテリオファージと呼ばれるウイルスは、細菌に感染して増殖する性質を持っています。この性質を利用して、特定の遺伝子をバクテリオファージに組み込み、感染した細菌に遺伝子を導入することができます。これにより、目的の遺伝子を持つ細菌を作り出したり、特定のタンパク質を大量に生産するための工具として利用することができます。

また、他のウイルスもトランスジェニック技術で利用されることがあります。たとえば、アデノウイルスや lentivirus（レンチウイルス）などは、哺乳類細胞に遺伝子を導入するためのベクターとして使用されることがあります。これらのウイルスは、遺伝子を運ぶ能力を持っており、特定の組織や臓器に遺伝子を導入することができます。

ウイルスを利用したトランスジェニック技術は、遺伝子導入の効率性や特定の細胞や組織への遺伝子のターゲティングなど、他の方法に比べて優れた特性を持っています。ただし、ウイルスを使用する場合、安全性や倫理的な問題に留意する必要があります。ウイルスが感染した生物体や環境への影響を評価し、適切な規制や安全対策を講じることが重要です。

ゲノムの多様性とその応用

ゲノムの多様性とその応用は、現代の遺伝子工学やバイオテクノロジーの分野において重要なテーマです。 ゲノムは、ある生物の遺伝情報全体を指し、その中には生物の形質や機能を決定する遺伝子が含まれています。

1. ゲノムの多様性： ゲノムは生物種や個体によって異なる特徴を持っています。例えば、異なる生物種のゲノムは、遺伝子の数や配置、ゲノムサイズなどが異なる場合があります。また、同じ生物種内でも個体間でゲノムの一部に変異が生じることがあります。この多様性は、生物の進化や適応能力に関与しています。
2. ゲノム解析： ゲノムの多様性を理解するために、ゲノム解析が行われます。ゲノム解析では、DNAシーケンシング技術を用いてゲノム中の遺伝子やその他の機能的な領域を特定し、解読します。ゲノム解析により、生物の遺伝子構造や進化の仕組み、疾患の原因遺伝子の同定などが可能となります。
3. ゲノムの応用： ゲノムの多様性を理解することで、さまざまな応用が可能となります。例えば、農業分野では、農作物の品種改良において特定の遺伝子を操作することで、収量向上や耐病性の向上などが実現されます。また、医療分野では、ゲノム解析を通じて遺伝子疾患の予測や個別化医療の実現が進められています。さらに、環境保護やエネルギー生産分野でも、ゲノムの解析や遺伝子工学の技術が応用されています。