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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」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法は次のような仕組みになっています。

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、Ｔ、Ｇ、Ｃ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. ほとんどの場合、反応液は９５度で３０秒から１分間加熱されます。熱により二本鎖のＤＮＡにくっ付いている水素結合が切れて、一本鎖のＤＮＡとなります。
3. 通常、６０℃程度まで急速に温度を下げて、１分間保温します。プライマーは鋳型ＤＮＡの塩基配列と一致させて結合します。
4. 通常、７２℃で１〜２分間加熱します。耐熱性ＤＮＡポリメラーゼが働き、プライマーの末端に相補的な塩基を持つヌクレオチドが１つずつ加えられます。その結果、一方向に半保存的な複製が行われます。

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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

　もし、外来遺伝子を受精卵に入れたとしても、それが細胞のＤＮＡの一部とならなければ、そこに存在出来ません。そこで、科学者達は、ＤＮＡの組換えやウイルスなどがＤＮＡに侵入出来る性質を利用して、細胞のＤＮＡに外来遺伝子を入れる方法を考え出しました。ＤＮＡに外来遺伝子を組み込んだ受精卵から生まれた細胞は、全てその遺伝子を持ちます。トランスジェニック技術とは、それまでなかった外来遺伝子を加えて生物を変える方法です。トランスジェニック生物とは、トランスジェニック技術によって変えられた生物を指します。