高等学校 生物/遺伝子を扱った技術
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遺伝子を扱った技術[編集]
バイオテクノロジー[編集]
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[編集]
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[編集]

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[編集]

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です。は特定の塩基が3つ並ぶ頻度です。同じように、は特定の塩基が4つ並ぶ塩基配列の頻度、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[編集]
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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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[編集]
トランスジェニック生物[編集]
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。