核酸検査の原理を子どもたちに説明するにはどうすればよいでしょうか?

親愛なる子供たちとクラスメートの皆さん！こんにちは、みんな！私は北京ヤングパイオニアーズの校外カウンセラーの李永楽です。中国人民大学付属中学校の出身です。

最近、多くの子どもたちが核酸検査を受けています。核酸検査の目的は、新型コロナウイルスに感染した人をスクリーニングすることだということは、誰もが知っています。でも、ご存知ですか？なぜ小さな綿棒を使って何千万人もの人々の中からウイルス保有者を選別できるのでしょうか?今日は核酸検査の原理についてお話します。

1. 核酸とは何ですか?

核酸検査の原理を説明するには、まず核酸とは何かを知る必要があります。

ご存知のとおり、人体は多くの細胞で構成されています。細胞には細胞を保護する細胞膜があります。さまざまな機能を果たすことができる細胞小器官が数多く存在します。細胞核もあり、その中には染色体と呼ばれる物質が含まれています。染色体はデオキシリボ核酸、略して DNA と呼ばれる二重らせん構造で包まれています。 DNAが何に使われるかご存知ですか？

細胞からDNAへ

DNA をもう少し拡大すると、城がレンガの破片でできているのと同じように、DNA がヌクレオチドの破片でできていることがわかります。ヌクレオチドには、A、T、C、G と呼ばれる 4 つの種類があります。そして、それらには規則があります。A は T と反対でなければならず、C は G と反対でなければなりません。これは相補的対合原理と呼ばれます。核酸検査ではこの原理が利用されるため、誰もがこの原理を覚えておく必要があります。

DNA上のデオキシリボヌクレオチド配列

生物にはさまざまな種類がありますが、その遺伝情報はこれら 4 つのヌクレオチドによって記録されています。たとえば、7 つの音符で無数の美しいメロディーを構成でき、26 個の英語の文字でシェイクスピアの傑作を構成することもできます。 4 つのヌクレオチド A、T、C、G の異なる配置と組み合わせにより、生物のさまざまな遺伝情報を表すことができます。人々はこの組み合わせに「遺伝子」という名前を付けました。すべての生物は独自の遺伝子を持っています。遺伝子を観察することで、そのDNAがどのような生物であるかを知ることができます。

デオキシリボ核酸 DNA に加えて、生物にはリボ核酸、略して RNA と呼ばれる別の種類の核酸もあります。それは何をするのですか?

DNAは染色体上にあり、染色体は非常に大きく細胞核から出ることができないので、その遺伝情報はどのように表現されるのでしょうか?細胞は DNA をテンプレートとして使用し、細胞核内で一本鎖 RNA を生成します。 RNAも4つのヌクレオチドで構成されています。また、DNAと相補的に対になって遺伝情報を運ぶこともできます。

その後、小さな RNA は細胞核の核孔から出て、リボソームと呼ばれる細胞小器官を見つけます。 RNAは遺伝情報の指示に従ってリボソームにさまざまなタンパク質を生成するよう指示します。タンパク質は私たちの生活に重要な部分を占めており、体内の多くの機能はタンパク質によって実行されます。

DNA、メッセンジャーRNA、タンパク質の合成から

DNA から RNA が生成され、その後 RNA がリボソームを誘導してタンパク質を生成します。このプロセス全体はセントラルドグマと呼ばれ、細胞の中核機能です。例え話をしてみましょう。細胞が工場だとすると、DNA は生産計画を策定する責任を持つ工場長です。しかし、工場長は事務所にいてなかなか出てきません。彼は直接工場に行って労働者に何を生産すべきかを指示するのではなく、RNA である工場長を通じてそれを伝えます。彼はまずオフィスでリーダーの指示を聞き、その後リボソームである生産工場にやって来ます。工房長の指導のもと、工房の作業員たちがタンパク質を生産します。セル生産の効率は非常に高いです。現在、世界中のどの企業の効率も、細胞の効率には遠く及ばない。

セルファクトリー

そうは言っても、理解できましたか?核酸には DNA と RNA の 2 種類があり、どちらも遺伝情報を運ぶことができます。私たち人間は DNA を主な遺伝物質として使用しており、RNA は DNA のメッセンジャーとして機能します。しかし、DNAを持たず、代わりにRNAを直接使って遺伝するウイルスも存在します。新型コロナウイルスはまさにそんなウイルスです。ある人が新型コロナウイルスに感染しているかどうかを判定したい場合、その人の細胞内に新型コロナウイルスに対応するRNA配列があるかどうかを確認する必要があります。

2. 核酸の複製の仕組み

しかし、ダバイが鼻や喉を突っ込んでも、細胞はごくわずかしか採取できず、ウイルスがあったとしても含有量は非常に低い。さらに、毎日何千人もの人が核酸検査を受けているため、感染者を1人か2人見つけることすら困難です。私たちは何をすべきでしょうか?

誰もがこう思います。干し草の山から針を見つけるのは非常に難しいことですが、干し草の山の中の針が繁殖できれば、1 本は 2 本になり、2 本は 4 本になり、4 本は 8 本になります... 40 回繁殖させれば、1 本の針が 1 兆本の針になります。そうすれば、見つけるのはずっと簡単ではないでしょうか?

したがって、核酸検査を実施したい場合は、まずウイルスの核酸を複製できるようにする必要があります。自然界における核酸の複製プロセスがどのように機能するかをご存知ですか?

私たちの細胞は毎日分裂しており、細胞が分裂すると DNA が複製されます。工場が支店を開設する場合、別の工場長を育成する必要があることは想像に難くありません。このプロセスでは、多くの生物学的触媒、つまり酵素が重要な役割を果たし、細胞内のヌクレオチドを使用して新しい DNA を複製することができます。酵素はネジや栓抜きのような道具として想像できます。これらのツールを使用すると、ヌクレオチドは DNA を形成できます。これらのツールがなければ、ボトルオープナーなしでは飲み物のボトルを開けられないのと同じように、DNA を複製することはまったくできません。

DNA複製の具体的なプロセスは次のとおりです。

まず、ヘリカーゼの作用により、DNAの二重らせん構造が開き、2本の一本鎖が形成されます。

ヘリカーゼはDNA二重鎖をほどく

その後、プライマー酵素の作用により、細胞内のヌクレオチドは相補的対合の原理に従って元の DNA 鎖上に短いプライマーを形成します。プライマーの役割は非常に重要です。これは、その後の DNA 複製の基礎を築くものであり、合唱を始めるクラスメートやツアーグループのツアーガイドに少し似ています。プライマーがなければ、DNA は複製できません。

プライマー形成

そして、3番目の酵素であるDNAポリメラーゼが登場しました。その触媒作用により、細胞内のヌクレオチドはプライマーの後ろで塩基相補対合の原理に従って 1 つずつ結合し、2 つの新しい DNA 鎖を形成します。それはちょうど、子供たちが器用な手を使って、図面に従って積み木を一つずつ組み立てていくようなものです。

DNA複製

最後に、DNA リガーゼと呼ばれるものがあり、これは構成要素の最終チェックのように、新しい鎖のギャップを修復します。

このようにして、新しい二本鎖 DNA が形成されます。ご覧のとおり、1 対の DNA 鎖が 2 対になり、DNA 複製が実現します。

しかし、生物界における DNA 複製の速度は速くありません。最も速く分裂する細菌を例に挙げると、適切な環境条件下では、約 30 分ごとに 1 回分裂します。この速度で複製を実行すると、40 回の複製に約 20 時間かかります。このプロセスを人工的に加速することはできますか?

細菌の分裂

3. ポリメラーゼ連鎖反応

40年前、細胞の外で核酸を極めて高速に複製できる方法を発明したマリスというアメリカの科学者がいました。この方法はポリメラーゼ連鎖反応、略して PCR と呼ばれます。これは非常に重要な生物学的手法です。生物学の学生がよく勉強していないと笑いたいなら、「彼はPCRすらできない」と言うことができます。現在の核酸検査はPCR法を採用しています。

マリス

PCR の具体的な手順は次のとおりです。

まず、核酸サンプルを94〜98℃で20〜30秒間加熱します。高温下では、DNA は変性し、二重らせんがほどけて 2 本の一本鎖になります。ご存知のとおり、このステップは生物細胞内のヘリカーゼの作用と同一です。

次に、特定のプライマーを添加しながら、サンプルの温度を 20 ～ 40 秒間 50 ～ 65 ℃ に下げます。プライマーの役割を覚えていますか?プライマーは、相補的対合の原理に従って元の DNA の特定の断片に付着し、その後の DNA 複製を開始する短いヌクレオチド配列です。

3 番目のステップは、サンプルの温度を 75 ～ 80 ℃ に上げ、十分なヌクレオチドと DNA ポリメラーゼを追加することです。これらのヌクレオチドは構成要素のようなものです。塩基相補対合の原理に従って、元の DNA 上のプライマーの背面に付着して新しい DNA 鎖を形成します。

最後に、これら 3 つの手順をもう一度繰り返します。

簡単に言えば、PCR 法は温度制御を使用して核酸を人工的に複製します。サイクルタイムが非常に短いため、コピー速度が非常に速くなります。たとえば、通常の鶏は 1 日に 1 個の卵を産みます。産卵速度を上げたい場合どうすればいいでしょうか？鶏小屋に 6 時間明かりをつけたり、6 時間明かりを消したりするように照明を調整できます。鶏は一日が12時間であると考え、12時間ごとに卵を産みます。

同様に、1 サイクル後、わずか 4 分ほどで DNA を複製できます。このサイクルを何度も繰り返すと、DNAは何度でも複製することができます。 40 回複製するのに 2 時間以上しかかかりませんが、DNA は 1 兆回複製できます。

PCR の発明時には問題がありました。 3 番目のステップのポリメラーゼは高温に耐える必要がありましたが、生物界のほとんどの酵素はそのような高温に耐えることができませんでした。何をすべきでしょうか?幸いなことに、中国の台湾出身のQian Jiayunという女性科学者がいます。彼女は、アメリカのイエローストーン公園には多くの温泉があり、これらの温泉には高温でも生き残ることができる好熱菌が存在することを発見しました。彼女はこれらの細菌の研究を通じて、高温に耐えられる DNA ポリメラーゼを発見し、PCR の最大の問題を解決しました。

銭嘉雲

IV.核酸検査の手順

核酸とは何か、生物におけるDNAの複製、人工PCR法について理解した上で、新型コロナウイルスの核酸検査の原理を説明します。

コロナウイルスはスパイクで覆われたタンパク質の殻を持っており、これがウイルスが人間の細胞に侵入するための鍵となっている。外殻の内側にはウイルスの遺伝物質であるリボ核酸（RNA と呼んでいるもの）が入っています。サンプルの中に新型コロナウイルスのRNA配列が含まれているかどうかを確認したいだけです。

COVID-19モデル

サンプルが研究室に送られた後、スタッフはまず化学薬品を使ってウイルスのタンパク質殻を溶かし、内部のRNAを放出します。このプロセスは溶解と呼ばれます。その後、洗浄用の薬品を加え、サンプルを遠心分離機に入れて回転させ、核酸を他の不純物から分離する必要があります。いくつかのステップを踏むと、比較的純粋な RNA が得られます。

溶解、洗浄、遠心分離

しかし、RNAは不安定で壊れやすいため、PCRで直接増幅することはできません。したがって、まず RNA テンプレートを使用して、ウイルス RNA に対応する DNA をコピーする必要があります。このプロセスは逆転写と呼ばれ、その後、ウイルスを表すこの DNA に対して PCR 増幅を実行します。

RNAから相補DNAを作る

研究者たちはすでにウイルスのRNA配列を知っているので、ウイルスの核酸を標的とするプライマーを作ることができます。プライマーをまだ覚えていますか? DNA に結合し、DNA 複製を開始することができます。このプライマーはウイルスの核酸をターゲットとしているため、その配列はウイルスの核酸とのみ相補的であり、ウイルスの核酸にのみ結合し、他の DNA は無視されます。増幅中、このタイプのウイルスの核酸のみが複製されます。

そういえば、我が国もこの点で世界に貢献してきました。新型コロナウイルスが感染拡大し始めた2020年1月、中国疾病予防管理センター（CDC）は新型コロナウイルスのRNA配列解析結果とプライマー作成のための推奨配列を発表し、世界に発表した。

次にPCR増幅プロセスが行われます。今日のPCRマシンは完全に自動化されています。サンプル、プライマー、ポリメラーゼ、ヌクレオチドを入れてボタンを押すだけで、機械が自動的に温度を上げたり下げたりします。 1 台の機械で同時に 96 本のサンプルをテストできます。 1本の検体に10人分の核酸が混ざっている場合、一度に960人を検査できる。検査に1回4時間かかる場合、1台の機械で1日5,760人を検査できる。私たちが毎日何千万人もの人々に対して核酸検査をどのように実施しているかは、もうお分かりですね?

PCR マシン

考えてみてください。サンプルにウイルスの核酸がまったく含まれていない場合、何度複製しても効果はありません。しかし、サンプル内にウイルス核酸が含まれている場合、数回の複製の後にウイルス核酸はますます増加します。さらに、サンプルに蛍光プローブ（2 つのグループを結び付ける短いヌクレオチド配列）も追加したため、この違いはリアルタイムで観察できます。

蛍光プローブは光を発することができない

この蛍光プローブはウイルス核酸に付着することができ、その両端はそれぞれ蛍光基と消光基に接続されています。通常、プローブに紫外線を照射すると、消光基が蛍光基のエネルギーを奪うため、プローブの蛍光基は光を発することができません。しかし、プローブを分解して蛍光基と消光基を分離すると、紫外線下で蛍光基が発光するようになります。ちょうど、紙幣を通貨検出器の紫外線の下に置くと、紙幣の偽造防止マークが光るのと同じです。

消光剤と蛍光基が分離しており、蛍光基は紫外線下で発光する。

PCR 増幅プロセス中、まず蛍光プローブがウイルスの核酸に付着します。ウイルスの核酸が複製されるとき、プローブが邪魔になっていることがわかったら、ためらうことなくプローブを除去します。このとき、蛍光基と消光基が分離し、蛍光を検出することができます。

プローブ発光原理

PCR プロセス中、サンプルに紫外線を継続的に照射します。サンプルから徐々に蛍光が発せられるのが見られれば、ウイルスの核酸が増加していることを意味します。これをリアルタイム定量蛍光PCRと呼びます。

リアルタイム定量蛍光PCR

初期サンプルから放出される蛍光値の 10 倍を閾値として設定します。蛍光強度が閾値を超えた場合の PCR サイクル数を Ct 値と呼びます。当然のことながら、Ct 値が小さいほど、最初のサンプル内のウイルス濃度が高くなり、その人がウイルスに感染していることを示します。 Ct 値が非常に大きい場合は、サンプル内にウイルスが存在しない、またはサンプル内のウイルス含有量が非常に低いことを意味します。私の国では、Ct 値が 37 未満の場合は陽性、40 を超える場合は陰性、37 から 40 の間の場合は疑いがあると定義されています。

生徒の皆さん、今回の授業は終了です。何を学んだのでしょうか?まとめてみましょう！

まず、核酸とは何かを学びました。核酸は生物学的遺伝物質であり、DNA と RNA の 2 種類に分けられます。私たち人間は遺伝をDNAに依存しており、新型コロナウイルスの遺伝物質はRNAです。核酸検査は、サンプル内にウイルスRNAが存在するかどうかを検出するものです。

次に、DNA複製のプロセスについて学びました。 DNAの二重らせん構造が開き、相補塩基対合の原理に従って新たなDNA鎖が形成され、1対のDNAが2対になります。

その後、私たちは DNA を複製するための人工的な方法、つまり PCR 法を学びました。非常に効率的で、わずか数分で複製できます。また、PCR で使用される耐高温酵素は、中国台湾の科学者によって発見されたこともわかっています。

最後に、核酸検査の全プロセスを学びました。まず核酸を精製し、次にRNA核酸をDNA核酸に変換し、次にDNA核酸を増幅し、最後に紫外線を照射して蛍光を観察してウイルス含有量を判定する必要があります。

子どもたち、これで核酸検査の原理がわかりましたね！実は、この方法は新型コロナウイルスの検出に使えるだけでなく、バ​​イオテクノロジーや医療分野全体にとって大きな意義を持っています。たとえば、映画やテレビ番組では、警察が犯罪現場で殺人犯の DNA を少し抽出することで犯人を特定できるという場面がよく見られます。これがこの技術の用途です。

また、過去には、患者が特定のウイルスや細菌に感染して重篤な状態になったにもかかわらず、それが何の細菌やウイルスなのかわからなかったために治療が遅れるというケースもありました。現在、この検査方法により、患者からサンプルを採取し、疑わしい細菌やウイルスの核酸配列を検査することができます。どちらの検査が成功しても、どの微生物が感染の原因であるかがわかります。この方法により、ますます多くの命が救われています。

どうですか？生物学って面白いですよね？本日のヤングパイオニアクラスはこれで終了です。子どもたち、クラスメイトのみなさん、授業は終わりです！

終わり