組換えDNA：技術、アプリケーション、および基礎 - 生物学 - 2024

組換えDNA（rDNAのまたはのrDNA）は、関心組織の二つのセグメントを統合することにより、実験室で作成された人工的な核酸分子です。そのハイブリッド特性により、キメラDNAとしても知られています。この種のDNAは自然界には見られません。

それを生成するための基本的な方法には、次のものが含まれます。（b）このプラスミドの細菌への導入、（c）抗生物質による細菌の選択、そして最後に（d）遺伝子の発現。

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この技術は、研究者の判断に従って特定のDNA断片をコピーして貼り付けることを可能にする一連の酵素を利用しています。

組換え技術の目標は、ほとんどの場合、分子生物学者が将来の研究のために、またはヒトインスリンなどの商業的および治療的価値のあるタンパク質を作成することを望むタンパク質（組換えタンパク質として知られている）の発現です。例えば。

組換えDNA技術の基本と遺伝子工学におけるその使用

分子生物学の中心的な教義

私たちが知っているすべての有機的存在はいくつかの特徴を共有しています。それらの1つは、遺伝物質の性質とタンパク質の作成方法です。これは、分子生物学の中心的な「教義」として知られているプロセスです。

いくつかのウイルスを除いて、すべての生物は遺伝情報をDNA（デオキシリボ核酸）に保存し、非常にコンパクトで組織化された方法で細胞の核に収集されます。

遺伝子発現のために、DNA分子はメッセンジャーRNAに転写され、後者はタンパク質の構成要素であるアミノ酸の言語に翻訳されます。

組換えDNAとは何ですか？

1970年代から1980年代にかけて、分子生物学者は細胞内で自然に発生するプロセスを利用し始め、それらを実験室に外挿することができました。

このようにして、動物由来の遺伝子（脊椎動物など）を細菌のDNAセグメントに挿入できます。または、細菌のDNAをウイルスDNAと組み合わせることができます。したがって、組換えDNAは、2つの異なる生物からのDNAで構成される分子として定義できます。

このハイブリッド分子または組換え分子が作成されると、目的の遺伝子が発現します。表現という言葉で、タンパク質への翻訳のプロセスを指します。

制限酵素とリガーゼ：プロセスの鍵

組換えDNA技術の開発における重要な要素は、制限酵素の発見でした。

これらは、DNA（ヌクレアーゼ）を特定の配列に切断する能力を示し、「分子はさみ」として機能するタンパク質分子です。これらの酵素によって生成されたフラグメントは制限フラグメントと呼ばれます。

前記酵素は、（両方の鎖において同じ高さの）標的配列に対称的な切断または非対称的な切断を生成することができる。制限酵素の作用の重要な側面は、鎖の切断後、「ルーズエッジ」が得られ、同じ酵素によって切断された他のエッジに相補的であるということです。

いくつかの例は、ECOR 1およびSma 1です。現在、200種類を超える制限酵素が知られており、市販されています。

はさみには便利な接着剤が付いている必要があります。このDNAの封鎖作用（以前は制限酵素で処理されていました）はリガーゼによって行われます。

技術：実験室で生物のDNAを人工的に改変するにはどうすればよいですか？

以下では、組換えDNA技術に必要な主な手順について説明します。すべては、分子生物学研究所の専門家によって行われます。

「クローン」とは何ですか？

実験プロトコルを続行する前に、分子生物学およびバイオテクノロジーでは「クローン」という用語と「クローン」という動詞が広く使用されていることに注意する必要があります。これは混乱を招く可能性があります。

この文脈では、生物全体（たとえば、有名な羊のドーリーの場合）のク​​ローン化についてではなく、遺伝子である可能性があるDNAの断片のクローン化について言及しています。つまり、配列の多くのコピー（遺伝的に同一）を生成します。

1. DNAの分離と取得

最初のステップは、使用するシーケンスを決定することです。これは研究者と彼の研究の目的に完全に依存します。次に、このDNAを分離および精製する必要があります。これを達成する方法と手順は、身体と組織に依存します。

一般に、組織の一部を採取し、プロテイナーゼK（タンパク質分解酵素）を含む溶解バッファーで処理した後、DNAを抽出します。その後、遺伝物質は小さな断片に断片化されます。

2.クローニングベクター

準備段階の後、研究者は目的のDNAセグメントをクローニングベクターに導入しようとします。これからは、このDNAセグメントをホワイトDNAと呼びます。

プラスミド

細菌由来のプラスミドで最もよく使用されるベクターの1つ。プラスミドは、細菌に自然に見られる二本鎖の環状DNA分子です。それらは細菌の染色体にとって異質です-つまり、それらは染色体外であり、これらの原核生物に自然に見られます。

ベクターの基本的な要素は次のとおりです。（a）DNA合成を可能にする複製起点。（b）抗生物質に対する耐性など、標的DNAを含むプラスミドを保有する生物を特定することを可能にする選択剤。（c）マルチクローニングサイト。制限酵素によって認識される配列が見つかる。

実験室で最初に成功した組換えDNAは、細菌E. coliからプラスミドpSC101にクローニングされました。これには、複製開始点に加えて、制限酵素EcoRIの制限部位と抗生物質耐性の遺伝子が含まれています。

プラスミドへのターゲットDNAの挿入は、前のセクションで説明した制限酵素とリガーゼの分子ツールを使用して実行されます。

残りのベクトルタイプ

プラスミドに加えて、バクテリオファージラムダ、コスミド、YAC（酵母人工染色体）、BAC（細菌人工染色体）、ファージミドなどの他のベクターにDNAを挿入できます。

3.組換えDNAの導入

組換えＤＮＡ分子（プラスミドまたは他のベクターにおける目的の遺伝子）が得られると、それは、細菌であり得る宿主または宿主生物に導入される。

外来DNAを細菌に導入するには、細菌の形質転換と呼ばれる手法を使用します。この手法では、生物をDNAの取り込みを可能にする2価の陽イオンで処理します。

方法論的に、培養中の細菌の100％が組換えDNA分子を効果的に取り込んだことを保証できません。これは、抗生物質耐性を含むプラスミドの部分が作用するところです。

したがって、プラスミドを取り込んだ細菌は、特定の抗生物質に耐性があります。それらを選択するには、上記の抗生物質を適用し、生存者を連れて行くだけで十分です。

4.タンパク質を「収穫」

組換えDNAを含む細菌を選択したら、宿主の酵素装置を使用して目的のタンパク質産物を生成します。細菌が繁殖すると、プラスミドは子孫に渡されるため、分裂中に失われません。

この手順では、細菌を一種のタンパク質「工場」として使用します。後で、効果的な医療の開発に非常に関連性の高い手順であることがわかります。

培養の準備が整い、細菌が大量のタンパク質を生産したら、細胞を溶解または破壊します。タンパク質の物理化学的特性に応じてタンパク質を精製できる、幅広い生化学的手法があります。

別の実験のコンテキストでは、タンパク質の生成には興味がないかもしれませんが、DNAシーケンス自体を取得することに興味があります。これが事実である場合、関連する実験を実行するのに十分なターゲットDNAを確保するために、プラスミドを使用して目的のフラグメントの複数のコピーを作成します。

用途

組換えDNA技術は、分子生物学、バイオテクノロジー、医学、およびその他の関連分野で無限の可能性を開きました。その最も優れたアプリケーションは次のとおりです。

遺伝分析

最初のアプリケーションは、分子生物学研究所に直接関連しています。組換えDNA技術により、研究者は遺伝子の正常な機能を理解でき、生成されたタンパク質はさらなる研究に使用できます。

製薬業界

組換えDNA手順を使用して生成されたタンパク質は、医学での用途があります。この分野で2つの非常に関連する例は、このタンパク質が不足している患者に適用されるヒトインスリンと成長ホルモンです。

組換えDNAのおかげで、これらのタンパク質は、別の人間から抽出する必要なしに生成できます。これは、追加の方法論的合併症と健康リスクを表します。これは、無数の患者の生活の質を改善するのに役立ちました。

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