細菌の形質転換

バックグラウンド

20^世紀初頭には、肺炎は感染症による死亡の大部分を占めていました¹。肺炎に対する効果的なワクチンを開発するために、フレデリック・グリフィスは、肺炎球菌の2つの異なる株、すなわち、粗い外観の非毒性株(R株)と、外側の多糖類カプセル²による滑らかな外観の毒性株(S株)の研究に着手しました。このS株細菌の外層により、彼らは宿主の免疫系に耐えることができ、最終的には生命を脅かす病気につながりました。グリフィスがマウスにどちらかの系統の熱死菌を別々に注射したとき、マウスは生きました。しかし、彼がマウスに熱死させたS株と生きたR株の組み合わせを注射したとき、マウスは死にました²。この組み合わせを注入した死マウスから得られたサンプルを分析したところ、生きたS株細菌が存在することが観察されました。1928年、グリフィスは、非毒性の細菌を毒性のある株に変えるために「形質転換」プロセスが起こったに違いないと述べました。細菌の形質転換に関する最初の発見として知られている彼の発見は、遺伝子工学における重要なツールである形質転換³の開発への道を開きました。

形質転換とは、環境からのDNAの摂取による細胞内の遺伝的変化です。グリフィスの実験では、S株細菌の保護多糖類コーティングをコードするDNAが熱ショックで分解されず、R株に導入されたため、R株はマウスの免疫系をバイパスすることができました。このプロセスは、野生では生物と異なる種の間で常に発生しますが、科学者は研究目的で実験室で細菌を変換します⁴。

プラスミドを用いた細菌の形質転換

細菌は、外因性の遺伝物質を容易にゲノムに取り込み、それを急速に増幅できるため、形質転換に理想的な生物です^3,5。それらは、細胞質内に1つの環状染色体とプラスミドと呼ばれる複数の小さな環状DNA片を持っています。これらのプラスミドは、染色体DNAとは独立して複製することができ、一般に、抗生物質に対する耐性などの特定の機能的利点を提供する^6,7。自然環境では、細菌はコンジュゲーション⁸と呼ばれるプロセスで他の細菌からプラスミドを取り込むことにより「細菌の形質転換」を行います。さらに、それらが増殖すると、それぞれの子孫は新しいプラスミドのコピーを受け取ります。

実験目的で使用されるプラスミドは、プラスミドベクターと呼ばれます。実験室では、DNA断片をプラスミドベクターに挿入することにより、科学者は約5,000〜10,000塩基対の長さの「組換えプラスミド」を人工的に作成できます。これらの組換えプラスミドには通常、複製起点(ORI)、抗生物質耐性遺伝子、マルチクローニング部位、プロモーター、選択マーカー、目的遺伝子などの特定の要素があります。レプリケーションの起点は、レプリケーションが始まるところです。抗生物質耐性遺伝子は、プラスミドを取り込んだ細菌が、特定の抗生物質薬の存在下でプレート上で生存することを可能にします。プラスミドはDNAの比較的小さな断片ですが、科学者はプラスミドが細胞膜を貫通できるように宿主細胞を処理する必要があります。したがって、形質転換の効率は、ホスト膜の多孔性に直接関係しています。 一般的なアプローチの1つは、塩化カルシウム溶液⁹で処理された細菌にヒートショックを与えることです。プラスミドを取り込まない細菌は形質転換しないため、プレート上で生存して見える抵抗力はありません。複数のクローニングサイトは、目的の遺伝子を挿入してライゲーションできるプラスミドを切断するための制限酵素の部位を含むことにより、DNA挿入を支援します。プロモーターは、目的の遺伝子の転写を促進します。これは、マーカー、通常は緑色蛍光タンパク質(GFP)などの蛍光タンパク質によってタグ付けされるか、または追加の抗生物質耐性遺伝子である可能性があります。抗生物質耐性遺伝子やその他の選択マーカーは、採取した細菌に目的のプラスミドが含まれているかどうかを判断するのに役立ちます。

アプリケーション

効果的な形質転換法により、科学者は遺伝子と遺伝子産物を分離してプロファイリングすることができ、効果的な医薬品の開発、遺伝子組み換え作物の生成、高度な診断ツールなど、ライフサイエンスと医学に多くの進歩をもたらしました¹⁰。 さらに、技術の進歩に伴い、新しい変革の方法が出現しています。例えば、Gateway Cloningは、複数のDNA断片を異なるベクターに挿入するだけでなく、プラスミド間でのDNA配列の転写を可能にする¹¹。さらに、clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)-Cas9は、ゲノム内のヌクレオチドを直接修飾する遺伝子編集技術であり、プラスミドの使用を必要としない¹²。形質転換後、研究者はしばしば目的の遺伝子とその産物を単離し、プロファイリングします。その結果、遺伝子クローニングの全プロセスが、遺伝子操作の新しい分野を切り開きました。遺伝子クローニングのおかげで、研究者は細菌を操作して、糖尿病患者を治療するためのインスリンなどの特定のヒトタンパク質を大量に生成することができます¹⁰。クローニングは、現代の農業においても大きな役割を果たしています。遺伝子組み換え生物(GMO)は、遺伝子クローニングと細菌の形質転換の直接的な結果である¹⁰。例えば、科学者たちは、窒素固定遺伝子をゲノムに組み込んだ遺伝子組み換え作物を作製して、食料生産を促進し、肥料の使用を減らし、肥料の経済的および環境的影響を減らすことに取り組んでいます¹³。要するに、細菌の形質転換は、現代のバイオテクノロジーの第一歩であり、将来の研究発見の基盤です。

参照

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