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生物

バイオテクノロジー — 遺伝子いでんしぐみえからゲノム編集へんしゅうまで

最終確認日:

このしょうまなぶこと

バイオテクノロジーばいおてくのろじーとは、 生物せいぶつの仕みを利用りようして産業さんぎょう医療いりょう農業のうぎょう環境かんきょうやくてる技術ぎじゅつです。 高校こうこう生物せいぶつめくくりとして、 ここまでまなんだ DNA・遺伝子いでんし細胞さいぼうしきが 「実際じっさい社会しゃかい」 でどう使つかわれているかをり、 同時どうじりん的課だい (ELSI) も考えかんがえます。

  • 遺伝子組換えいでんしくみかえ基本きほん (DNA をる・つなぐ・はこぶ) をかいする
  • PCR微量びりょうの DNA を増ぷくするしくみを説明せつめいできる
  • ゲノム編集げのむへんしゅう (CRISPR-Cas9) の仕みと用途ようと
  • iPS細胞あいぴーえすさいぼう再生医療さいせいいりょう可能かのうせい課題かだい
  • ELSI (倫理りんりほう社会しゃかいてき課題かだい) を考えかんがえ自分じぶん意見いけんえる

ポイント: バイオテクノロジーは 両刃りょうばけん です。 病気びょうきなお食料しょくりょうやすちからがある一方いっぽうデザイナーベビーでざいなーべびーでん子ドーピング・生物兵器せいぶつへいきとうのリスクも。 「できるか = 技術ぎじゅつ」 だけでなく 「すべきか = 倫理りんり」 をかんがえるちから不可欠ふかけつです。

PCRに使う0.2mLチューブ
PCR (ポリメラーゼ連鎖れんさはんのう) で使つかはんのうチューブ (0.2 mL)。 サーマルサイクラーで温度おんどしゅうてき変化へんかさせ、 1 ほんDNAすう時間じかんすうおくばいに増ぷくする。 新型コロナしんがたコロナ検査けんさでも使用しよう
CRISPR-Cas9のタンパク質結晶構造
CRISPR-Cas9 タンパク質たんぱくしつけっしょうこうぞう (PDB: 4QYZ)。 ガイドRNAがいどあーるえぬえーが DNA のひょうてきはいれつさがし、 Cas9 がせつだんする。 2020 年ノーベル化学賞ノーベルかがくしょう (シャルパンティエ・ダウドナ)。 ゲノムへんしゅうかくめい

1. 遺伝子いでんしぐみえ — DNA をってつなぐ

遺伝子組換えいでんしくみかえ とは、 ある生物せいぶつ遺伝子いでんしし、 べつ生物せいぶつれて機能きのうさせる技術ぎじゅつです。 1973 ねんコーエンとボイヤー大腸菌だいちょうきん成功せいこうさせました。

必要ひつような 3 つの道具どうぐ

道具どうぐはたらき
制限酵素せいげんこうそDNA を特定とくてい配列はいれつ ハサミ
DNAリガーゼでぃーえぬえーりがーぜDNA 断片だんぺんつなぐ ノリ
ベクターべくたー遺伝子いでんしはこ もの (プラスミドぷらすみど・ウイルスとう)

制限せいげん酵素こうそ — DNA のハサミ

制限酵素せいげんこうそ細菌さいきんつ DNA 切断せつだん酵素こうそで、 すうひゃくしゅるいられています。 それぞれ 特定とくていの 4-8 塩基えんき配列はいれつ でだけります。

れい: EcoRI は 「GAATTC」 を認識にんしきし、 G と A の切断せつだん粘着末端ねんちゃくまったん ができる (相補そうほてき末端まったん同士どうしがくっつきやすくなる)。

プラスミド — はこ

プラスミドぷらすみど細菌さいきん環状かんじょうちいさな DNA で、 染色せんしょくたいとはべつ自律じりつ複製ふくせいできます。 これを改造かいぞうして、 目的もくてき遺伝子いでんしれ、 細菌さいきんもどすと細菌さいきんがその遺伝子いでんし発現はつげんするようになります。

遺伝子いでんしぐみえのなが

  1. ヒトの インスリンいんすりん 遺伝子いでんし制限せいげん酵素こうそ
  2. おな制限せいげん酵素こうそプラスミドる (両端りょうたんおな粘着ねんちゃく末端まったんになる)
  3. DNAリガーゼでぃーえぬえーりがーぜ でつなぐ
  4. 改造かいぞうプラスミドを 大腸菌だいちょうきんれる (形質転換けいしつてんかん)
  5. 大腸菌だいちょうきん増殖ぞうしょくし、 大量たいりょうヒトインスリンつく
  6. 精製せいせいして糖尿とうにょうびょう患者かんじゃ治療ちりょう使つか

大事だいじ: ヒトインスリンいんすりんは 1982 ねん世界せかいはつ商業しょうぎょうされた遺伝子いでんしぐみ医薬品いやくひんです。 それまではブタ・ウシのインスリンいんすりん使つかっていたが、 アレルギーリスクがあり、 ヒトがた安全あんぜんせいおおきく向上こうじょうしました。

GMO — 遺伝子いでんしぐみ作物さくもつ

遺伝子組換え作物いでんしぐみかえさくもつ (GMO) のれい:

作物さくもつ改造かいぞう内容ないよう
Bt トウモロコシ殺虫さっちゅうタンパク遺伝子いでんし (Bt) をれて害虫がいちゅう抵抗ていこうせい
ラウンドアップレディーダイズ除草剤じょそうざいグリホサート耐性たいせい
ゴールデンライスβ カロテン (ビタミン A 前駆ぜんくたい) さんせい

ポイント: GMO には 食品しょくひん安全あんぜん環境かんきょうえいきょう知的ちてき財産ざいさん とう議論ぎろんがあります。 EU と日本にほん表示ひょうじ義務ぎむ、 アメリカはゆるとうくにごとに規制きせいちがいます。 「科学かがくてき安全あんぜん」 と 「社会しゃかいてきじゅようせい」 はべつもんだいです。

2. PCR — DNA のコピー

PCR (ポリメラーゼ連鎖反応ポリメラーゼれんさはんのう) は 1983 ねんマリス発明はつめい (1993 ねんノーベル化学かがくしょう) した 微量びりょうの DNA を短時間たんじかん大量たいりょうに増ぷくする 技術ぎじゅつです。 現代げんだい生物せいぶつがくもっと基本きほんてき道具どうぐ になっています。

PCR のながれ — 3 ステップ × 25-40 サイクル

ステップ温度おんど内容ないよう
熱変性ねつへんせいやく 95 ℃ほんくさり DNA を 1 ほんずつにほどく
アニーリングやく 50-60 ℃プライマーぷらいまー標的ひょうてき配列はいれつ結合けつごう
伸長しんちょうやく 72 ℃耐熱性DNAポリメラーゼたいねつせいDNAポリメラーゼ (Taqポリメラーゼたっくぽりめらーぜ) が DNA を複製ふくせい

これを 20-40 かいかえ と、 1 の DNA 分子ぶんし2²⁰ = やく 100 まんばい2⁴⁰ = 1 ちょうばいえます。

Taq ポリメラーゼ — かぎとなる酵素こうそ

普通ふつうの DNA ポリメラーゼは 95 ℃ でしつかつします。 PCR が実用じつようされたのは 好熱菌こうねつきんサーマス・アクアティクス かられる Taqポリメラーゼたっくぽりめらーぜ が 95 ℃ でもこわれないからです。 極限環境微生物きょくげんかんきょうびせいぶつ研究けんきゅうがここで役立やくだちました。

PCR の用途ようと

  • 新型コロナしんがたコロナ とう感染かんせんしょう検査けんさ (RT-PCR)
  • 犯罪はんざい捜査そうさ (微量びりょう DNA から個人こじん特定とくてい)
  • 親子おやこ鑑定かんてい
  • 進化しんか系統けいとう解析かいせき
  • でん病の診断しんだん

大事だいじ: 新型コロナウイルスしんがたコロナウイルス (SARS-CoV-2) の検査けんさ使つかわれた RT-PCR は、 ウイルスの RNA をまず DNA にもどして (RT = ぎゃく転写てんしゃ) から PCR で増幅ぞうふくする方法ほうほう微量びりょうのウイルスでも検出けんしゅつできるためパンデミック対応たいおう主力しゅりょくとなりました。

3. ゲノム編集へんしゅう — CRISPR-Cas9

ゲノム編集げのむへんしゅうDNA の特定とくてい場所ばしょねらってり、 改変かいへん する技術ぎじゅつです。 2012 ねんダウドナとシャルパンティエCRISPR-Cas9開発かいはつし (2020 ねんノーベル化学かがくしょう)、 簡単かんたん安価あんかこう精度せいどなゲノム編集へんしゅう可能かのうになりました。

CRISPR の由来ゆらい

CRISPR元々もともと 細菌さいきん免疫めんえきけい で、 過去かこ感染かんせんしたウイルスういるすの DNA 断片だんぺん細菌さいきんが 「メモ」 としてみ、 つぎおなじウイルスがときCas9 タンパク質たんぱくしつ切断せつだんしてげき退たいするしくみです。 これを人工じんこうてきべつ配列はいれつ認識にんしきするよう改変かいへんしたのが CRISPR-Cas9 ゲノム編集へんしゅうです。

しくみ

  1. ガイドRNAがいどあーるえぬえー (やく 20 塩基えんき) を人工じんこう合成ごうせいりたい場所ばしょおな配列はいれつ
  2. ガイド RNA + Cas9 タンパクを細胞さいぼうれる
  3. ガイド RNA が標的ひょうてき DNA とペアリング
  4. Cas9 が DNA を切断せつだん (りょうくさり)
  5. 細胞さいぼう修復しゅうふくするさいにエラーがこり遺伝子いでんし機能きのううしなうか、 べつの DNA をめる

用途ようと期待きたい

  • でんやまい治療ちりょうかまじょう赤血球せっけっきゅうしょう・β サラセミア・遺伝いでんせい失明しつめいとう
  • がん治療ちりょう — がん細胞さいぼうねらCAR-T細胞CAR-Tさいぼう療法りょうほう
  • 作物さくもつ改良かいりょうこう GABA トマト (日本にほん流通りゅうつうちゅう)
  • 新型しんがたマラリア対策たいさく遺伝子いでんし改変かいへん

ELSI — 倫理りんりほう社会しゃかいてき課題かだい

ELSI = Ethical, Legal, Social Issues。 ゲノム編集へんしゅうとく議論ぎろんされる課題かだい:

課題かだい内容ないよう
デザイナーベビーでざいなーべびー知能ちのう容姿ようし身長しんちょうとう設計せっけいした倫理りんりてきみとめられるか
生殖細胞せいしょくさいぼう編集へんしゅう編集へんしゅう子孫しそん永遠えいえんつたわる一度いちどやったらせない
格差かくさ高額こうがく治療ちりょう富裕ふゆうそうだけの恩恵おんけい
同意どうい胎児たいじ将来しょうらい子孫しそん同意どういられない
生物兵器せいぶつへいき病原びょうげんたい強化きょうかでん子ドライブの軍事ぐんじ利用りよう

大事だいじ: 2018 ねん中国ちゅうごく賀建奎がけんけい が CRISPR で 世界せかいはつ編集へんしゅうベビー」誕生たんじょうさせ、 こくさい的につよなんびました (本人ほんにんちょうえき刑)。 国際社会こくさいしゃかい生殖細胞せいしょくさいぼう系列けいれつのゲノム編集へんしゅうはモラトリアム」一致いっちしていますが、 技術ぎじゅつたい容易よういになったためかん議論ぎろんつづいています。

4. iPS 細胞さいぼう再生さいせい医療いりょう

iPS細胞あいぴーえすさいぼう (人工多能性幹細胞じんこうたのうせいかんさいぼう、 induced Pluripotent Stem cell) は 2006 ねん山中伸弥やまなかしんや発表はっぴょうした画期的かっきてき細胞さいぼうで、 2012 ねんノーベル生理学せいりがく医学いがくしょう受賞じゅしょうしました。

iPS 細胞さいぼうとは

通常つうじょう体細胞たいさいぼう (皮膚ひふ細胞さいぼうとう) に 4 つの遺伝子いでんし (山中ファクターやまなかふぁくたー = Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc) をれると、 受精卵じゅせいらんのように なににでも分化ぶんかできる 細胞さいぼう (多能性たのうせい) にもどる、 という発見はっけんでした。

ES 細胞さいぼうとのちが

ES細胞いーえすさいぼうiPS細胞あいぴーえすさいぼう
由来ゆらい受精卵じゅせいらん (はい)患者かんじゃからだ細胞さいぼう
倫理りんり受精卵じゅせいらんこわす → 議論ぎろんおお自己じこ細胞さいぼう倫理りんり障壁しょうへきひく
拒絶きょぜつ反応はんのうありなし (自分じぶん由来ゆらい)
多能たのうせいありあり

再生さいせい医療いりょうへの応用おうよう

  • 加齢黄斑変性かれいおうはんへんせい網膜もうまく移植いしょく (理化学研究所りかがくけんきゅうしょ実用じつよう進行しんこう)
  • パーキンソン病パーキンソンびょう神経しんけい細胞さいぼう移植いしょく (京大きょうだい治験ちけん)
  • 心筋しんきん 移植いしょく (大阪大おおさかだい治験ちけん)
  • 脊髄損傷せきずいそんしょう 治療ちりょう
  • 創薬そうやく患者かんじゃ由来ゆらいの iPS で病気びょうき細胞さいぼうつくり、 くすりため

課題かだい

  • がんリスク (c-Myc はがんでん子でもある)
  • コストと時間じかん
  • 移植いしょく拒絶きょぜつはんのう (iPS バンクで軽減けいげん)
  • キメラ研究キメラけんきゅう (動物どうぶつからだでヒト臓器ぞうきそだてる) の倫理りんり

5. これからのバイオテクノロジーとわたしたち

すす領域りょういき

  • 合成生物学ごうせいせいぶつがく — DNA をゼロから設計せっけいしてあたらしい生命せいめいつくる (クレイグ・ベンターが 2010 ねん人工じんこう合成ごうせいゲノム細菌さいきんさくせい)
  • ゲノム情報ゲノムじょうほうと AI個人こじんゲノムを解析かいせきして最適さいてき治療ちりょうえらぶ (精密医療せいみついりょう)
  • マイクロバイオーム利用りようちょうない細菌さいきん改変かいへんして病気びょうき治療ちりょう
  • 培養肉ばいようにく動物どうぶつころさず細胞さいぼうからにくつく

わたしたちがかんがえるべきこと

バイオテクノロジーばいおてくのろじー進歩しんぽはやく、 法律ほうりつ倫理りんり議論ぎろんいつかない状態じょうたいです。 高校生こうこうせいであるわたしたちも当事者とうじしゃ:

  • ゲノム検査けんさで 「将来しょうらい病気びょうき」 がわかる → りたいか / りたくないか
  • 編集へんしゅう病気びょうきふせげるなら 「治療ちりょう」 と 「強化きょうか」 の線引せんひきはどこ
  • 個人こじんのゲノムデータは だれ管理かんりすべきか (こく企業きぎょう本人ほんにん)
  • 食料しょくりょう環境かんきょう危機ききで GMO や培養ばいようにくれるか

大事だいじ: 答えこたえは 1 つではありません。 ことなる立場たちば (患者かんじゃ医師いし宗教しゅうきょうしゃ経済けいざい学者がくしゃ市民しみん) が議論ぎろんつづけ、 社会しゃかいとして合意ごうい形成けいせい していくことが大切たいせつです。 高校こうこう生物せいぶつまなんだしきが、 こうした議論ぎろん参加さんかするだいになります。

6. ふりかえり

  • [ ]遺伝子組換えいでんしくみかえの 3 道具どうぐ (制限酵素せいげんこうそDNAリガーゼでぃーえぬえーりがーぜベクターべくたー) をえる
  • ヒトインスリンいんすりん大腸菌だいちょうきんつくられている経緯けいい説明せつめいできる
  • PCR の 3 ステップ (ねつ変性へんせい・アニーリング・伸長しんちょう) と増ぷく倍率ばいりつ
  • [ ]Taqポリメラーゼたっくぽりめらーぜ好熱菌こうねつきん由来ゆらいである必然ひつぜんせいえる
  • CRISPR-Cas9 の仕み (ガイド RNA + Cas9) を説明せつめいできる
  • iPS細胞あいぴーえすさいぼう山中ファクターやまなかふぁくたー 4 因子いんしつくられることを
  • [ ]ES細胞いーえすさいぼうiPS細胞あいぴーえすさいぼうちがい (倫理りんり拒絶きょぜつ反応はんのう) をえる
  • ELSI (デザイナーベビーでざいなーべびー生殖せいしょく細胞さいぼう編集へんしゅうとう) を 1 つ以上いじょう説明せつめいできる

このしょう安全あんぜん配慮はいりょ遺伝子いでんし倫理りんり実験じっけん安全あんぜん

  • 遺伝子組換えいでんしくみかえ実験じっけんカルタヘナ法カルタヘナほう とうきびしく規制きせいされている。 学校がっこうおこな場合ばあい拡散かくさん防止ぼうし設備せつび (P1 レベル以上いじょう) と 教員きょういん監督かんとく必須ひっす
  • 実験じっけんきん培養ばいようえきかなら高圧こうあつめっきん してからはいながしに直接ちょくせつながさない
  • エチジウムブロマイド とうの DNA 染色せんしょくざいはつがんせいがある。 手袋てぶくろ保護ほごメガネ必須ひっす最近さいきん安全あんぜん代替だいたい染色せんしょくざい (SYBR Green とう) を使つか
  • 紫外線しがいせん で DNA バンドをときがおかなら防護ぼうご直接ちょくせつびない (皮膚ひふがんリスク)
  • 個人こじんのゲノム検査けんさ遺伝いでん情報じょうほうデリケートなプライバシー。 SNS 公開こうかい同意どうい共有きょうゆう禁止きんし
  • ゲノム編集へんしゅうや iPS の 倫理りんり議論ぎろん多様たよう立場たちば尊重そんちょう して、 性急せいきゅう結論けつろんさない
  • 自分じぶんの DNA キット (祖先そせん検査けんさとう) を安易あんい利用りようするまえに、 データのさき (海外かいがいサーバー・第三者だいさんしゃ利用りよう) を確認かくにんする

おわりに: 高校こうこう生物せいぶつぜん 10 しょうまなえました。 細胞さいぼうから生態系せいたいけいまで、 遺伝いでんから進化しんかバイオテクノロジーばいおてくのろじーまでをとおしてえてきたのは、 すべての生物せいぶつが 38 おくねんのつながりをち、 おなじ DNA の言葉ことばかたられている」 という事実じじつ。 そしてわたしたち人類じんるいは、 その 1 つの結果けっかでありながら、 いま自分じぶんの DNA を自分じぶんはじめています。 このおおきなちからをどう使つかうか、 とも考えかんがえていきましょう。

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