【科学一般】PCR検査を優しく解説。

本日も、りけいのりがお届けします。

今回のテーマは、PCR検査について。対象読者は、

結局、PCR検査が何かよくわからない。
一度学校で習ったけど、復習したい。
PCR検査の概要を抑えたい。

という方です。

新型コロナウイルスの感染拡大に伴い、PCR検査という言葉が広く認知されました。技術としては、数十年前に確立していたDNA複製の手法ですが、昨今の状況においては重要性を増しております。

そんな、PCR検査について、昨日の自分より詳しくなりましょう!!

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PCRとは何か
- まずは言葉の確認
- PCR法の原理
新型コロナウイルスの検出に利用されるわけ
おわりに
- 参考文献

PCRとは何か

まずは言葉の確認

初めに、PCRの意味についてです。

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PCRとは、すなわち反応です。

英語を日本語に直訳すると、ポリメラーゼ連鎖反応です。それぞれの用語を確認すると、こんな感じになります。

ポリメラーゼ: 重合酵素のこと。
連鎖反応: 開始されると、連続的に進行する反応。

ポリメラーゼは、言葉を分解するとわかりやすいです。まず、ポリメラーゼはポリマーとアーゼという言葉に分解が可能です。

ポリマーとは、繰り返し単位が反応することで生成する巨大な分子のことを指し、高分子とも呼ばれます。ここで、繰り返し単位のことをモノマーと言ったりします。

ポリ: poly: 多　例：ポリゴン(多角形)
モノ: mono: 一　例：モノクロ(monochromaic: 単色)

f:id:ReK2Science:20200912120729p:plain — ポリマーについて

化学構造を変化させることで、容易に物性を変化させられる点から、身の回りに多く存在します。例えば、単量体の種類や比率を変えることで、様々な材料を得られます。

ナイロンやPET、テフロンなどの材料。
瞬間接着剤の接着時における反応はポリマーの生成反応。

※そして、実は私たちを構成するタンパク質やDNAも高分子だったりします。

続いて、アーゼ(ase)についてです。この接尾辞は、その単語が酵素名であることを示します。例えば、

カタラーゼ
リパーゼ
アミラーゼ
ポリメラーゼ
トランスフェラーゼ
ヘキソキナーゼ

などなど、ことごとくアーゼですね。中には、中学校や高校で聞いたことのあるものも含まれているのではないでしょうか。

酵素は、代謝(生体内で行われる化学反応)を促進する重要な役割を果たします。我々の体が俊敏に動けるのは、まさしく酵素のおかげなのです。

さて、ポリメラーゼに話を戻します。

今までの話をまとめると、高分子にかかわる酵素であることが分かります。

特に、今回お話するDNAポリメラーゼは、DNAをモノマー(ヌクレオチド)から生成する際の反応を促進します。

役者はそろいました。それではPCR法の原理、つまり連鎖反応について説明します。

PCR法の原理

非常にざっくり言うと、PCR法に用いられる機械は温度の上げ下げを行います。単純です。使用する機械の名前は、サーマルサイクラー。そのまんまですね。

それでは温度の上げ下げにより、何故DNAが合成されるのでしょうか。

以下、PCR法の図説です。

f:id:ReK2Science:20200912124842p:plain — PCRの原理 1)

DNAは、塩基と呼ばれる構造を含み、この並び(塩基配列)こそが生命情報を支配しています。塩基は、アデニン、グアニン、シトシン、チミンからなり、アデニンはチミン、グアニンはシトシンとのみ相互作用を形成して安定化します。

それによって生じた構造こそが、DNAの二重らせん構造です。2つのらせんが交わるように重なっているから、二重らせん構造です。

これらは強い結合で結ばれていないので(水素結合という、静電気的な力に由来)、加熱することで容易にほどけ、一本鎖のDNAになります。そこへ、プライマーと呼ばれるDNAの一部分と結合性を示す配列を大過剰量共存させ、50℃まで徐冷することで、DNA同士ではなく、むしろプライマーとDNAで結合します。

そこで、先ほどのDNAポリメラーゼと材料となるヌクレオチド、そしてマグネシウムイオンなどを共存させることで、DNAの複製が完了します。

この反応により、ごく少量のDNAサンプルでも確実に増やすことができます。