(57)【要約】【課題】ＤＮＡの複製の原理とプロセスを模擬的に実演によって学習できるとともに、任意の長文をも含めたメッセージを暗号化して書き込めるＤＮＡ模型、およびその作製法を提供する。【解決手段】  ＤＮＡの二重ラセンバックボーンまたはそれを伸張して平行にしたバックボーンをロープまたは可撓性チューブで作り、これに中間で分離可能な塩基ペアーを配置して、バックボーンの可撓性を利用して二重鎖を二本の単鎖に分離させてＤＮＡの複製の基本原理およびラギング鎖における岡崎フラグメントによる不連続複製を含めたＤＮＡ複製のプロセスを模擬的に実演によって学習することを可能にするとともに、生体の遺伝暗号解読表を模して作成した暗号解読表を用いて任意のメッセージを塩基配列によって暗号化して書き込む。【選択図】図１
2013200424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＮＡを構成している糖と燐酸で構成されたラセン状の二本の鎖で構成されたラセン状バックボーンに対応し、ロープまたは可撓性チューブで構成した「ラセン二本鎖バックボーン・構造体」と、
このＤＮＡにおけるラセン状の二本の鎖からなるラセン状バックボーンが、二本のラセン状の単鎖バックボーンで構成され、この二本のラセン状の単鎖バックボーンが塩基ペアーの配列によって結合されていることに対応し、容易に分離し得る結合でペアーを形成し二本のロープまたは可撓性チューブで構成された二本の「ラセン単鎖バックボーン・構造体」間を結合している棒または筒状の素材で構成した「塩基ペアー・構造体」と
を備えたラセン二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材。
【請求項２】
ＤＮＡを構成する糖と燐酸で構成されたラセン状の二本の鎖で構成されたラセン状バックボーンに対応し、ロープまたは可撓性チューブで構成した「平行二本鎖バックボーン・構造体」と、
このＤＮＡにおけるラセン状の二本の鎖からなるラセン状バックボーンが、二本のラセン状の単鎖バックボーンで構成され、この二本のラセン状の単鎖バックボーンが塩基ペアーの配列によって結合されていることに対応し、容易に分離し得る結合でペアーを形成し二本のロープまたは可撓性チューブで構成された二本の「直線単鎖バックボーン・構造体」間を結合している棒または筒状の素材で構成した「塩基ペアー・構造体」と
を備えた平行二本鎖構造を備えたＤＮＡ模型教材。
【請求項３】
請求項２に記載のＤＮＡ模型教材にさらに
前記平行二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材の「平行二本鎖バックボーン・構造体」を、二本の「直線単鎖バックボーン・構造体」に分離し、その一方をＤＮＡの複製におけるリーディング鎖に対応する「直線単鎖バックボーン・構造体」、他方をラギング鎖に対応する「直線単鎖バックボーン・構造体」とみなし、このリーディング鎖に対応する「直線単鎖バックボーン・構造体」と相補的な「塩基・構造体」配列を持つ「直線単鎖バックボーン・構造体」と、
ラギング鎖に対応するもう一本の「直線単鎖バックボーン・構造体」と相補的に結合する「塩基・構造体」の配列を有する直線単鎖ＤＮＡを複数個に分割して得られる、岡崎フラグメントに対応した「岡崎フラグメント・構造体」と
を追加したＤＮＡ模型教材。
【請求項４】
請求項１または２に記載したラセン二本鎖構造または平行二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材を用い、この「ラセン二本鎖バックボーン・構造体」または「平行二本鎖バックボーン・構造体」を二本のラセン状単鎖ＤＮＡに対応する二本の「ラセン単鎖バックボーン・構造体」または二本の「直線単鎖バックボーン・構造体」に分離し、この二本の単鎖バックボーン・構造体の片方をＤＮＡ複製における親鎖に対応させ、他方をＤＮＡ複製における娘鎖に対応させることにより、親鎖側の「塩基・構造体」の配列に相補的な「塩基・構造体」の配列を持つ娘鎖と再結合させ、もとのラセン二本鎖構造または平行二本鎖構造を復元することによって、親鎖を鋳型として娘鎖ＤＮＡが合成されるプロセスを体験的に学習するＤＮＡ複製プロセスの学習方法。
【請求項５】
請求項１または２に記載した二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材のいずれかで、同じ「塩基・構造体」配列を持つＤＮＡ模型教材を２組用い、その二組の模型教材の二本鎖ＤＮＡ・構造体を、二本のラセン状単鎖ＤＮＡに対応する二本の単鎖ＤＮＡ・構造体に分離し、これら二本の単鎖ＤＮＡ・構造体をともに親鎖とし、また他方のＤＮＡ模型教材も単鎖ＤＮＡ・構造体に分離してこれら二本のＤＮＡ・構造体を共に娘鎖として、それぞれの親鎖側の「塩基・構造体」の配列に対応する「塩基・構造体」と、これと相補的な「塩基・構造体」の配列を有する娘鎖と再結合させることにより、単鎖の組み合わせが当初の組み合わせとは異なる二つの二本鎖構造を作ることにより、親鎖を鋳型として娘鎖ＤＮＡが合成されるプロセスを体験的に学習するＤＮＡ複製プロセスの学習方法。
【請求項６】
請求項３に記載したＤＮＡ模型教材を用い、平行二本鎖構造の一端から平行二本鎖構造をリーディング鎖とラギング鎖に相当する二本の線単鎖バックボーン・構造体に分離することにより、ＤＮＡ複製における複製バブルに対応する構造を形成し、このリーディング鎖に相当する構造体に、前記「直線単鎖バックボーン・構造体」を連続的に結合させるとともに、ラギング鎖の構造体に前記「岡崎フラグメント・構造体」を一個ずつ不連続的かつリーディング鎖とは逆の方向に結合を進めることによって、ＤＮＡの複製バブルで行われる不連続的複製のプロセスを体験的に学習するＤＮＡ複製プロセスの学習方法。
【請求項７】
請求項５に記載したＤＮＡ模型教材にて、「塩基ペアー・構造体」の結合部分に磁石とそれに吸引される鉄片の組み合わせ、または磁石と磁石の組み合わせを用いることにより、ペアーの結合と分離を容易に行なえるようにするとともに、ＤＮＡの複製が行われる複製バブルの端の複製フォークで起きる次の三つのプロセスを表す三つの装置、すなわち、
（１）平行二本鎖構造をリーディング鎖とラギング鎖に分離するプロセスを、「塩基ペアー・構造体」をブロック片の先端部に当てて二つの「塩基・構造体」に分離することによって、二本の単鎖バックボーン・構造体を得ることによって、複製フォークにおける分離プロセスをシミュレートする二本構造分離装置と、
（２）リーディング鎖を鋳型として二本鎖が連続的に合成されるプロセスを、リーディング鎖に相当する構造体およびそれと相補的なＤＮＡ単鎖を表す単鎖バックボーン・構造体とを、入り口が離れていて出口が接近している二つのチャンネルを通過させて二つのチャンネルの出口を出た直後に、前記磁石の吸引力によって両構造体を結合させることにより、複製フォークにおけるリーディング鎖における複製プロセスをシミュレートするリーディング鎖を鋳型とする二本鎖複製装置と、
（３）ラギング鎖を鋳型として二本鎖が岡崎フラグメントに分かれて不連続的に合成されるプロセスを、ラギング鎖に相当する単鎖バックボーン・構造体と、それと相補的な複数の「岡崎フラグメント・構造体」とを、入り口が離れていて出口が接近している二つのチャンネルを通過させて二つのチャンネルの出口を出た直後に、前記磁石の吸引力によって両構造体を結合させることにより、複製フォークにおけるラギング鎖における複製プロセスをシミュレートするラギング鎖を鋳型とする二本鎖複製装置と
を有する複製フォークシミュレーター
を備えたＤＮＡ模型教材。
【請求項８】
請求項７に記載のＤＮＡ模型教材を用いて、ＤＮＡ複製において複製フォークで起きる三つのプロセス、すなわち、（１）平行二本鎖構造を二本のＤＮＡ単鎖すなわちリーディング鎖とラギング鎖に分離するプロセス、（２）リーディング鎖を鋳型として、複製フォークの進行方向に進行するＤＮＡの連続的複製のプロセス、（３）ラギング鎖を鋳型として、複数の岡崎フラグメントの合成が個々にはリーディング鎖の進行方向とは逆の方向に、しかし全体としてはリーディング鎖の進行方向すなわち複製フォークの進行方向と同じ方向に不連続的に進行するＤＮＡの不連続的複製のプロセスを体験的に学習するＤＮＡ複製プロセスの学習方法。
【請求項９】
生体の遺伝暗号解読表を模して作成した暗号解読表を用いて任意のメッセージを「「塩基ペアー・構造体」」の配列によって暗号化して一個のＤＮＡ模型に書き込むことを可能にした請求項１，２，３，または７のいずれか一項に記載したＤＮＡ模型教材を用いてメッセージの暗号化することにより、遺伝情報の暗号化を体験的に学習する遺伝情報暗号の学習方法。
【請求項１０】
任意のメッセージを分割して、前記の暗号解読表を用いて塩基配列で暗号化して複数の請求項１，２，３，または７のいずれか一項に記載のＤＮＡ模型に書き込み、それらを連結することによって長文のメッセージを一個の模型に暗号化して書き込むことを可能にしたＤＮＡ模型教材、およびそれを用いて長文のメッセージを分割して暗号化することによって遺伝情報の暗号化を体験的に学習する遺伝情報暗号の学習方法。
【請求項１１】
前記バックボーン・構造体を軟質ポリウレタンのロープまたはチューブで作製した１，２，３，または７のいずれか一項に記載のＤＮＡ模型教材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）模型、およびＤＮＡ複製の基本原理と具体的なプロセスを模擬的な実演によって学習し、さらに長文をも含めて任意のメッセージを暗号化して書き込むことにより、塩基配列による暗号されたＤＮＡの情報を体験的に学習する学習方法に関し、特にロープまたは可撓性チューブで二重ラセンバックボーンまたは二重平行バックボーンを作り、バックボーンの可撓性を利用し二重鎖を二本の単鎖に分離して、ＤＮＡの複製をラギング鎖における岡崎フラグメントによる不連続複製をふくめて模擬的な実演を可能にすることのできる新しいＤＮＡ模型教材とそれを用いた学習方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分子や結晶の構造を詳細かつ立体的に理解するために、分子模型や結晶模型が有用であり、これらについては、例えば特許文献１〜４に記載されている。ＤＮＡについても、従来からプラスチック、金属、木材、紙などの素材を用いて多様な模型が作製され、市販および展示され、教材としても用いられてきた。
【０００３】
従来のＤＮＡ模型では、ＤＮＡを構成する原子、あるいはその複合体である糖、燐酸、塩基または塩基ペアー、バックボーンなどの部分を多面体、角柱、球体、円柱、円筒、テープなどの形状を有する部品で作り、それらを接着剤、はめ込み構造、結合ワイヤーなどを用いて順番に結合させて二重ラセン構造または二重平行構造を有するバックボーンおよび塩基ペアーから構成されるＤＮＡ模型に組み上げ上げている。
【０００４】
しかし、このような既存のＤＮＡ模型では、これを教材としてＤＮＡの複製を模擬的な実演によって学習することが不可能である。なぜなら、これらを模擬的に実演するには、まず二重鎖ＤＮＡを二本の単鎖ＤＮＡに分離する必要があるが、既存のＤＮＡ模型では各部品が接着されているか、または互いにほとんど“遊び”のない状態でしっかりと結合されているので、二重鎖を分離することが不可能だからである。
【０００５】
それゆえ、既存のＤＮＡ模型では、高々、塩基ペアーを他の塩基ペアーで置換して突然変異と遺伝子操作を模擬的に実演で学べるようにしたものしか存在せず、複製を模擬的に実演できるものを見出すことができない。
【０００６】
また、既存のＤＮＡ模型で、学習者が任意に定めたメッセージを塩基配列によって暗号化できるものも見出すことができない。さらに、メッセージを暗号化してＤＮＡ模型に書き込む方法も知られていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１６３７６６
【特許文献２】特開２００４−２３３９００
【特許文献３】特開２００９−９３２０４
【特許文献４】特開２００９−９３２０５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者はこのような従来技術に対して、ロープまたは可撓性チューブで二重ラセンバックボーンまたは二重平行バックボーンを作り、それに、中間で分離可能な塩基ペアーを配置することによって、バックボーンの可撓性を利用して二重鎖を二本の単鎖に分離してＤＮＡ複製の原理の把握とそのプロセスを模擬的に実演することのできるＤＮＡ模型教材の作製法を発案し、研究を進めた。
【０００９】
この研究を進めるにあたって、本発明者は、実際に中高生を対象とした教育集会において参加者に考案したＤＮＡ模型を組み立てさせて、中高生が興味深くかつ容易に組み立てることのできるＤＮＡ模型の構造とその作製法を探求してきた。
【００１０】
また、本発明者は、中高生対象の教育集会のみならず、成人を対象としたセミナーにおいてＤＮＡについて講義をするうちに、出席者がＤＮＡ複製のメカニズムに強い関心を寄せていることを知り、ＤＮＡ複製の具体的なプロセスを模擬的に実演すれば大きな教育効果を挙げることができることに気づいた。
【００１１】
さらに本発明者は、中高生および成人が、ＤＮＡに生命に関する情報が暗号化されていることに対して非常に強い興味を抱いていることを見出した。そこで、ＤＮＡ模型を組み立てる者が任意に考えたメッセージを塩基配列によって暗号化できる方法を探究してきた。
【００１２】
そこで本発明者は、教育の現場で実際に活用するのに適したＤＮＡ模型の開発を行った。教育の現場で実際に活用するのに適したＤＮＡ模型は、用いる素材が安価で加工が容易であり、したがって低価格で生産が可能であるのみならず、その組み立てが容易であって、この模型を操作して、ＤＮＡ複製のメカニズムを体験的に学習できるものであることが望ましい。
【００１３】
本発明は、このような必要に答えることができるＤＮＡ模型教材を提供するものである。また、本発明のＤＮＡ模型教材を用いたＤＮＡ複製のメカニズムについて体験的に学習する学習方法を提供する。さらに本発明のＤＮＡ複製の学習方法は、本発明のＤＮＡ模型教材を用い、塩基配列による暗号されたＤＮＡの情報を体験的に学習する学習方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のＤＮＡ模型教材は、ＤＮＡを構成している糖と燐酸で構成されたラセン状の二本の鎖で構成されたラセン状バックボーンに対応し、ロープまたは可撓性チューブで構成したラセン「二本鎖バックボーン・構造体」と、このＤＮＡにおけるラセン状の二本の鎖からなるラセン状バックボーンが、二本のラセン状の単鎖バックボーンで構成され、この二本のラセン状の単鎖バックボーンが塩基ペアーの配列によって結合されていることに対応し、容易に分離し得る結合でペアーを形成し二本のロープまたは可撓性チューブで構成された二本の「ラセン単鎖バックボーン・構造体」間を結合している棒または筒状の素材で構成された塩基ペアー・構造体とを備えたラセン二本鎖構造を備えたものである。なお、ここでは「・構造体」によって、実際のＤＮＡを構成している各要素に対応する模型教材の各要素を表すものとする。
【００１５】
また、本発明のＤＮＡ模型教材は、ＤＮＡを構成する糖と燐酸で構成されたラセン状の二本の鎖で構成されたラセン状バックボーンに対応し、ロープまたは可撓性チューブで構成した「平行二本鎖バックボーン・構造体」と、このＤＮＡにおけるラセン状の二本の鎖からなるラセン状バックボーンが、二本のラセン状の単鎖バックボーンで構成され、この二本のラセン状の単鎖バックボーンが塩基ペアーの配列によって結合されていることに対応し、容易に分離し得る結合でペアーを形成し二本のロープまたは可撓性チューブで構成された二本の「直線単鎖バックボーン・構造体」間を結合している棒または筒状の素材で構成された塩基ペアー・構造体とを備えた平行二本鎖構造を備えたものであってもよい。
【００１６】
本発明のＤＮＡ模型教材は、上記のＤＮＡ模型教材にさらに、上記平行二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材の「平行二本鎖ＤＮＡ・構造体」を、二本の「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」に分離し、その一方をＤＮＡの複製におけるリーディング鎖に対応する「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」、他方をラギング鎖に対応する「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」とみなし、このリーディング鎖に対応する「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」と相補的な「塩基・構造体」配列を持つ「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」と、ラギング鎖に対応するもう一本の「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」と相補的に結合する「塩基・構造体」の配列を有する直線単鎖ＤＮＡを複数個に分割して得られる岡崎フラグメントに対応した「岡崎フラグメント・構造体」とを追加することができる。
【００１７】
本発明のＤＮＡ複製プロセスの学習方法は、上記のラセン二本鎖構造または平行二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材を用い、この「ラセン二本鎖バックボーン・構造体」または「平行二本鎖バックボーン・構造体」を、この構造体が可撓性を有することを利用して、二本のラセン単鎖ＤＮＡに対応する二本の「ラセン単鎖バックボーン・構造体」または二本の「直線単鎖バックボーン・構造体」に分離し、この二本の構造体の片方をＤＮＡ複製における親鎖とみなし、他方をＤＮＡ複製における娘鎖とみなし、親鎖側の「塩基・構造体」の配列に相補的な「塩基・構造体」の配列を持つ娘鎖と再結合させて、もとのラセン二本鎖構造または平行二本鎖構造を復元することにより、親鎖を鋳型として娘鎖ＤＮＡが合成されるプロセスを体験的に学習するものである。
【００１８】
また、本発明のＤＮＡ複製プロセスの学習方法は、上記二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材のいずれかで、同じ「塩基・構造体」配列を持つＤＮＡ模型教材を２組用い、その二組の模型教材の「二本鎖バックボーン・構造体」を、二本のラセン状単鎖ＤＮＡに対応する二本の「単鎖ＤＮＡ・構造体」に分離し、これら二本の「単鎖バックボーン・構造体」を親鎖とみなし、他方のＤＮＡ模型教材の単鎖バックボーン・構造体に分離してこれを二本の娘鎖とみなし、それぞれの親鎖側の「塩基・構造体」の配列に対応する「塩基・構造体」と、これと相補的な「塩基・構造体」の配列を有する娘鎖と再結合させることにより、単鎖の組み合わせが当初の「単鎖ＤＮＡ・構造体」とは異なる二つの二本鎖構造を作ることによって、親鎖を鋳型として娘鎖ＤＮＡが合成されるプロセスを体験的に学習するものであってもよい。
【００１９】
本発明のＤＮＡ複製プロセスの学習方法は、上記の「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」と「岡崎フラグメント・構造体」の追加されたＤＮＡ模型教材を用い、平行二本鎖構造の一端から平行二本鎖構造をリーディング鎖とラギング鎖に相当する二本の「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」に分離することにより、ＤＮＡ複製における複製バブルに対応する構造を形成し、このリーディング鎖に相当する構造体に、「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」を連続的に結合させるとともに、ラギング鎖の構造体に「岡崎フラグメント・構造体」を一個ずつ不連続的かつリーディング鎖とは逆の方向に結合を進めることによって、ＤＮＡの複製バブルで行われる不連続的複製のプロセスを体験的に学習することができるものである。
【００２０】
本発明のＤＮＡ模型教材は、上記の「直線単鎖ＤＮＡ・構造体」と「岡崎フラグメント・構造体」の追加されたＤＮＡ模型教材にさらに、「塩基ペアー・構造体」の結合部分に磁石とそれに吸引される鉄片の組み合わせ、または磁石と磁石の組み合わせを用いることにより、ペアーの結合と分離を容易に行なえるようにするとともに、ＤＮＡの複製が行われる複製バブルの端の複製フォークで起きる次の三つのプロセスを表す三つの装置、すなわち、（１）平行二本鎖構造をリーディング鎖とラギング鎖に分離するプロセスを、「塩基ペアー・構造体」をブロック片の先端部に当てて二つの「塩基・構造体」に分離することによって、二本の「単鎖ＤＮＡ・構造体」を得ることによって、複製フォークにおける分離プロセスをシミュレートする二本鎖構造分離装置と、（２）リーディング鎖を鋳型として二本鎖が連続的に合成されるプロセスを、リーディング鎖に相当する構造体およびそれと相補的なＤＮＡ単鎖を表す「単鎖ＤＮＡ・構造体」とを、入り口が離れていて出口が接近している二つのチャンネルを通過させて二つのチャンネルの出口を出た直後に、前記磁石の吸引力によって両構造体を結合させることにより、複製フォークにおけるリーディング鎖における複製プロセスをシミュレートするリーディング鎖を鋳型とする二本鎖複製装置と、（３）ラギング鎖を鋳型として二本鎖が岡崎フラグメントに分かれて不連続的に合成されるプロセスを、ラギング鎖に相当する「単鎖ＤＮＡ・構造体」と、それと相補的な複数の「岡崎フラグメント・構造体」とを、入り口が離れていて出口が接近している二つのチャンネルを通過させて二つのチャンネルの出口を出た直後に、前記磁石の吸引力によって両構造体を結合させることにより、複製フォークにおけるラギング鎖における複製プロセスをシミュレートするラギング鎖を鋳型とする二本鎖複製装置とを有する複製フォークシミュレーターを備えたものである。
【００２１】
また本発明のＤＮＡ複製プロセスの学習方法は、こうした複製フォークシミュレーターを有するＤＮＡ模型教材を用いて、ＤＮＡ複製において複製フォークで起きる三つのプロセス、すなわち、（１）平行二本鎖構造を二本のＤＮＡ単鎖すなわちリーディング鎖とラギング鎖に分離するプロセス、（２）リーディング鎖を鋳型として、複製フォークの進行方向に進行するＤＮＡの連続的複製のプロセス、（３）ラギング鎖を鋳型として、複数の岡崎フラグメントの合成が個々にはリーディング鎖の進行方向とは逆の方向に、しかし全体としてはリーディング鎖の進行方向すなわち複製フォークの進行方向と同じ方向に不連続的に進行するＤＮＡの不連続的複製のプロセスを体験的に学習することができるものである。
【００２２】
本発明の遺伝情報暗号の学習方法は、生体の遺伝暗号解読表を模して作成した暗号解読表を用いて任意のメッセージを「塩基ペアー・構造体」の配列によって暗号化して一個のＤＮＡ模型に書き込むことを可能にした請求項１ないし６のいずれか一項に記載したＤＮＡ模型教材を用いてメッセージの暗号化することにより、遺伝情報の暗号化を体験的に学習することができるものである
【００２３】
また、本発明の遺伝情報暗号の学習方法は、任意のメッセージを分割して、前記の暗号解読表を用いて塩基配列で暗号化して複数の請求項１または２に記入したＤＮＡ模型に書き込み、それらを連結することによって長文のメッセージを一個の模型に暗号化して書き込むことを可能にしたＤＮＡ模型教材、およびそれを用いて長文のメッセージを分割して暗号化することによって遺伝情報の暗号化を体験的に学習することができるものである。
【００２４】
本発明のＤＮＡ模型教材には、バックボーン・構造体として、軟質ポリウレタンのロープまたはチューブを好ましく用いることができる。ポリウレタンのロープまたはチューブは、容易に入手が可能であり、可撓性があり、また熱処理を行えばラセン構造が形成できるなど、本発明に用いる素材として優れた性質を持つことがわかった。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のＤＮＡ模型によって、ＤＮＡの複製が親鎖を鋳型として行われるという基本的な原理から、専門的なＤＮＡ複製のプロセス、すなわち複製バブルで行われている連続的複製と岡崎フラグメントによる不連続的複製のプロセスまでを模擬的な実演によって学ぶことができるようになった。また従来のＤＮＡ模型では、高々塩基ペアーを置換して突然変異と遺伝子操作を学ぶことしかできなかったが、本発明のＤＮＡ模型では、塩基ペアーを置換して突然変異と遺伝子操作を学べるのみならず、ＤＮＡの複製現象を、基本的レベルから専門的レベルにいたる広い範囲について模擬的な実演によって体験的に学ぶことが可能にされている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のラセン二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材の一実施形態を模式的に示した図である。
【図２】本発明の他の実施形態である平行二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材を模式的に示した図である。
【図３】本発明で用いたＤＮＡ模型の塩基ペアーに対応する「塩基ペアー・構造体」の一実施形態を模式的に示した図である。
【図４】本発明の一実施形態として、「塩基ペアー・構造体」を「バックボーン・構造体」に取り付けるために先開型圧着端子を、「塩基ペアー・構造体」の先端に取り付けた様子を模式的に示した図である。
【図５】「塩基・構造体」としての塩基筒または塩基棒間の相補的結合を明確に示すために、Ａ／Ｔ塩基ペアーとＧ／Ｃ塩基ペアーの断面を異なる構造とした具体例を模式的に示した図である。
【図６】本発明のラセン二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材１個を用い、親鎖を鋳型としてＤＮＡの複製が行われる原理について模擬的に実演をする方法について模式的に示した図である。
【図７】本発明の平行二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材１個を用い、親鎖を鋳型としてＤＮＡの複製が行われる原理を模擬的な実演によって示す方法を模式的に示した図である。
【図８】本発明のラセン二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材を２個用いて、親鎖を鋳型としてＤＮＡの半保存的複製が行われる原理を模擬的に実演する方法を模式的に示した図である。
【図９】ＤＮＡの複製が行われる領域、すなわち複製バブルとその両端の複製フォークを模式的に説明した図である。
【図１０】ＤＮＡの複製バブルにおけるリーディング鎖上での連続的複製とラギング鎖上での岡崎フラグメントによる不連続的複製を模式的に説明した図である。
【図１１】本発明による複製シミュレーターの構造および複製フィークシミュレーターを有するＤＮＡ模型教材を用いて、リーディング鎖上での連続的複製とラギング鎖上での岡崎フラグメントによる不連続的複製を模擬的に実演する方法を模式的に説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
ＤＮＡのバックボーンに対応する「バックボーン・構造体」をロープまたは可撓性のチューブを用い、また、ＤＮＡの塩基ペアに対応する「塩基ペアー・構造体」として、プラスチックの筒のペアーを塩基筒ペアーと名付けて配置して、それぞれ図１および図２に模式的に示したラセン二本鎖構造のＤＮＡ模型と、これを引き伸ばした形の平行二本鎖構造のＤＮＡ模型を製作した。これらの模型では、「バックボーン・構造体」の可撓性を利用して、二本鎖を二本の単鎖に分離し、ＤＮＡ複製についての基本原理を模擬的な実演により学習できるようにした。また後述するようなリーディング鎖における連続的複製およびラギング鎖における岡崎フラグメントによる不連続的複製を含めた詳細なＤＮＡ複製のプロセスについて、模擬的な実演により学習できるようにした。
【００２８】
本発明の二重ラセン構造を有するＤＮＡ模型教材は、二本の軟質ポリウレタンのロープを円筒形のテンプレートに巻きつけた状態にて、この軟質ポリウレタンの軟化点以上の温度で加熱することにより、得ることができた。しかし、二重ラセンバックボーン模型の作製方法は、これに限るものではない。
【００２９】
図１に模式的に示したラセン二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材は、ＤＮＡの二重ラセン状バックボーンに対応させて二本のロープ12aと12bをラセン状にし、これを「バックボーン・構造体」とし、またＤＮＡ塩基ぺアーに対応させて塩基筒14aと14bが結合しこの二本のロープを架橋する形にて、「塩基ペアー・構造体」としての塩基筒ペアー14を配置し配列したものである。また、二本のロープ12a、12bのラセンの“谷底”部分には、鉄片16を固定し、これを台座18に固定した磁石20に吸引させることにより、着脱が可能でこの模型教材を台座に固定できるようにしてある。
【００３０】
また、平行二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材は、図２に示したように、二本のＤＮＡバックボーンに対応させて、二本の直線状のロープ12cと12dを平行に並べて構成し、これを「バックボーン・構造体」とし、また分離可能なＤＮＡの塩基ペアーに対応させて、中間で分離すればペアーを解消することができる塩基筒で構成された「塩基ペアー・構造体」14を並べて配置した。
【００３１】
本発明の一実施形態の「塩基ペアー・構造体」として、次のような構造のものを製作した。まず通常Ａ、 Ｔ、 Ｇ、およびＣと略記されるアデニン、チミン、グアニンおよびシトニンの４種類の塩基に対応する塩基筒を、それぞれ赤、黄、緑、青の４色を有するプラスチック製の塩基筒に対応させた。そして互いに相補的な塩基筒、すなわち赤Ａと黄Ｔ、および緑氏Ｇと青Ｃの組み合わせの「塩基ペアー・構造体」である塩基筒ペアー25を、図３のaに示したように、固定用のいわゆる竹の子構造22のジョイント24を有する塩基筒25aと25bの塩基筒ペアー25と、図３ｂに示したような磁石26とそれに吸引される鉄片28を用いた塩基筒25cと25dからなる「塩基ペアー・構造体」としての塩基筒ペアー25を製作した。
【００３２】
図４に示したように、二つの塩基筒25aと塩基筒25bによって形成された塩基筒ペアー25の末端には、アルミニウム製の先開型圧着端子30を固定し、圧着端子のＵ字型の開放端に、バックボーンに対応させたロープを挟み込んで固定した。開放端の間隔とＤＮＡのバックボーンに対応するロープの外径との兼ね合いを良好にすることで、塩基筒ペアーをバックボーンのロープに対して回転させて塩基ペアー25の方向を望みの方向に調整することが可能であり、また、ペアーを分離し再結合することにより、ＤＮＡ複製のプロセスを模擬する操作を行っても、塩基筒ペアーの位置は、ずれることなく保つことができることがわかった。
【００３３】
さらに先開型圧着端子30を用いて固定している塩基ペアーは、容易に取り外して他の塩基筒ペアーとの交換ができるので、突然変異および遺伝子操作を模擬的な実演によって学ぶことができる。
【００３４】
なお、塩基ペアーに対応させる素子である塩基筒の形状や結合の方法は、上記した方法に限定されるものではない。すなわち、筒状の形状代わりに角柱、楕円柱などの形状の素子を塩基棒として用いることができる。また、図３の(a)および(b)に示した竹の子構造２２または磁石２６の代わりに、フック、スナップ、はめ込み構造などを用いて塩基筒を結合させることができる。さらに、図５の(a)に示したように、Ａ／Ｔ塩基ペアーに対応するＡ塩基筒25AとＴ塩基筒25TのペアーおよびＧ／Ｃ塩基ペアーに対応するＧ塩基筒25GとＣ塩基筒25Cのペアーの接触面が塩基ペアーの軸となす角度を、直角29a、29bまたはそれ以外の角度29c、29dとしたり、また同図のｂに示したように、鍵と鍵穴の関係29e、29f、29g、29hとすることによって、塩基間の相補的結合を明確に示すことができる。同様にＤＮＡバックボーンに対応させる「バックボーン・構造体」としてのロープは、ロープのほか、例えば可撓性チューブであってもよい。
【００３５】
図６に示したように、先に図１に示したラセン二本鎖構造のＤＮＡ模型教材は、磁石を介して固定されている台座から引き離し、同図の(b)に示したように、ＤＮＡのバックボーンに対応する二本のロープ12aと12bのラセンを左端から解きほぐして、同図の(ｃ)に示したように、二本の単鎖ＤＮＡに対応した単鎖バックボーン・構造体である二本のロープ３２と３４とに分離することができる。なお、二本の単鎖ＤＮＡが塩基配列を有していることに対応して、二本の単鎖ロープは塩基筒14aおよび14bの配列が設けられている。従って、この模型教材を利用すれば、ＤＮＡ複製の原理を模擬的に実演することができる。すなわち、分離して得た片方の単鎖ＤＮＡに対応する単鎖バックボーン・構造体であるロープ32を、まず親鎖に対応する親鎖ロープとする。生体中では、この親鎖を鋳型としてその上に原子が結合して娘鎖が複製されるのであるが、ここではもう一方の単鎖バックボーンに対応した単鎖バックボーン・構造体としてのロープ34を娘鎖に対応する単一ロープとし、これを端から順に親鎖に対応する親鎖のロープ32に結合させてゆき、二本鎖のバックボーン・構造体を形成する。つまり図６に矢印で示したように、(c)→(b)→(a)と逆のプロセスをたどることになる。こうすることによって、親鎖を鋳型として行われるＤＮＡ複製の原理を学ぶことができる。
【００３６】
また、先に図２に示した平行二本鎖構造を有するＤＮＡ模型教材を用いれば、ラセンを解きほぐす必要がなく、図７の(ａ)に示したように、平行二本鎖構造が初めから得られている。この場合には、同図(ｂ)に示したように、その左端から二本のロープ37、38のそれぞれに「塩基ペアー・構造体」が配列された二つの直線単鎖ＤＮＡ・構造体に分離させ、やがて同図(ｃ)に示すように、この分離を完了させて二つの直線単鎖ＤＮＡ・構造体へと完全に分離させることができる。このプロセスを、 (c)→(b)→(a)と逆にたどることによって、「直線単鎖バックボーン・構造体」としてのロープ37に「塩基ペアー・構造体」14ｃが配列された単鎖ＤＮＡを鋳型即ち親鎖とし、この親鎖と相補的な塩基配列をもつ「直線単鎖バックボーン・構造体」としてのロープ38に「塩基ペアー・構造体」14ｄが配列された単鎖ＤＮＡを娘鎖として結合させることができ、先の場合と同様、このことからＤＮＡ複製の原理を学習することができる。
【００３７】
さらに、ラセン二本鎖構造または平行二本鎖構造を持つ同一のＤＮＡ模型を二個用いて、ＤＮＡの半保存的複製を模擬的に実演できる。すなわち、図8（a）に示されたラセン二本鎖構造の二つのＤＮＡ模型の一つについて、この二本鎖構造を同図(b)に示されたように、二つの「単鎖ＤＮＡ構造体」に分離し、彼らを共に娘鎖とする。もう一方の模型も、同図（b’）示されているように、二個の「単鎖ＤＮＡ構造体」に分離し、彼らを共に娘鎖とする。次にそれぞれの親鎖に相補的な娘鎖を結合させ、同図（c）に示されているような二個の「二本鎖ＤＮＡ・構造体」が得られる。二本平行構造を持つＤＮＡ模型教材を用いても、全く同様の実演ができる。
【００３８】
ＤＮＡでは、その構造における5’→3’の方向、すなわち鋳型ＤＮＡの3’→5’の方向にしか結合が進まないために、ＤＮＡ複製は、複製が行われる領域、すなわち複製バブルで生じた二本の直鎖ＤＮＡ、すなわちリーディング鎖とラギング鎖では異なるプロセスによって進行することになり、特にラギング鎖では、岡崎フラグメントに分断され、逆方向に結合が進む小片をつなぎ合わせる形で不連続的な複製がなされる。本発明ではこのようなプロセスを、ＤＮＡ模型教材を用いて模擬的に実演し、学習できる方法を提供する。それに必要な原理について、以下にその要点を述べる。
【００３９】
ＤＮＡの複製では、図９に示すように、二重ラセン構造のある一点、すなわち、複製起点４０から始まって塩基ペアーが切断され、二重ラセンが解かれて、二本の直鎖ＤＮＡがふくらんで複製バブル４２が作られる。複製バブル４２の両端の構造を複製フォーク４６と呼ぶ。この複製フォーク４６が同図に矢印で示したように左右に進行して複製バブルが広がりつつ、二本の単鎖ＤＮＡを親鎖すなわち鋳型として複製が進行する。
【００４０】
ここで上側の単鎖ＤＮＡが左から右に向かって3’→5’の構造を有しているとし、複製バブル42の右半分の領域での複製を考えることにする。上側のリーディング鎖48では、鋳型であるこの単鎖の3’→5’方向が複製フォークの進む右向き方向と一致しているから、図10の上部に白抜きの矢印49で示したように、相補的な塩基配列の単鎖ＤＮＡ 48’が形成され、複製がフォークの進行に追従して連続的に進行する。
【００４１】
他方、下側のラギング鎖50では、上側の単鎖とは逆に鋳型が右方向に5’→3’の構造をしているので、複製は複製フォークの進む右方向には起こり得ない。それゆえ、図１0に矢印51で示したように、岡崎フラグメント52a、52b、…がひとつずつ、複製フォークの進む方向とは逆の左方向に、即ち鋳型ＤＮＡの3’→5’方向に結合して複製が行われる。岡崎フラグメントをつなぎ合わせた全体の動きをマクロに見ると、大きな矢印49’で示したように、右方向に複製が不連続的に進行している。
【００４２】
複製バブルの左側半分では、右半分とは逆に複製フォークが右から左に進むので、上側の単鎖がラギング鎖となり不連続的複製が行われ、下側の単鎖がリーディング鎖となり連続的複製が行われる。
【００４３】
このような複製バブルにおけるＤＮＡ複製の原理を、本発明の二重平行構造を有するＤＮＡ模型教材を用い、次のようにして模擬的に実演することができる。すなわち、二重平行構造を持つＤＮＡ模型教材に、二本の直鎖ＤＮＡの片方と相補的な直鎖ＤＮＡの模型と、他方に相補的な塩基配列を持つ直鎖ＤＮＡが複数に分断された岡崎フラグメントに対応する単鎖バックボーン・構造体を複数に分断した模型を単鎖バックボーン・構造体と同じ材料で作ったもの追加してＤＮＡ模型教材を構成した。このＤＮＡ模型教材においては、バックボーンに対応させてロープを用い、また塩基に対応させてプラスチックの筒を用い、塩基ペアーの結合には、ペアーの解除を容易にするために磁石と鉄片の組み合わせを用いた。
【００４４】
ＤＮＡの複製では、図１０に示す二重構造の左端を複製基点とみなし、そこから塩基ペアー結合を解除して二重平行構造を膨らませ、複製バブルの右側半分を作る。その上側の「リーディング鎖・構造体」48では、単鎖ＤＮＡ 48’を、複製起点から右方向に連続的に結合させる。下側の「ラギング鎖・構造体」50では、第一番目の「岡崎フラグメント・構造体」52aを、複製起点で結合が終了するようにラギング鎖の途中の箇所から右から左の方向に結合させる。その後、第二番目の「岡崎フラグメント・構造体」52bを、第一の岡崎フラグメントの終端で結合が終了するように結合させる。同様の手順ですべての「岡崎フラグメント・構造体」をひとつずつ結合させるとともに複製フォークを右側の端にまで広げて不連続的複製を完結する。
【００４５】
本発明のＤＮＡ模型教材に、図１１に示した複製フォークを模擬した複製フォークシミュレーターを設これと相補的な塩基筒配列を持つ単鎖バックボーン・構造体と共にリーディング鎖を鋳型とする二重鎖合成装置70を設けて用いることによって、上記の連続的複製と不連続的複製のプロセスを次のように模擬的に実演することができる。
【００４６】
複製フォークシミュレーターは、ＤＮＡの複製におけるフォークの働きシミュレートするもので、図１１に示されているように、二重鎖分離装置60、リーディング鎖を鋳型とする二重鎖合成装置70、およびラギング鎖を鋳型とする二重鎖合成装置80を備えている。まず、図１１の（a）に示されているように、複製プロセスでは、ＤＮＡにおける塩基ペアーの結合が解消されて二本の単鎖ＤＮＡが生成されることに対応させて、二本のバックボーン・構造体を結合している「塩基ペアー・構造体」の塩基筒ペアーの磁石による磁気的な結合が、二重鎖分離装置のブロックの先端部60aによって解消され、リーディング鎖とラギング鎖に相当する二本の単鎖バックボーン・構造体のロープに分けられる。次にリーディング鎖に相当する側の単鎖バックボーン・構造体のロープは、これと相補的な「塩基ペアー・構造体」配列を持つ単鎖バックボーン・構造体のロープと共にリーディング鎖を鋳型とする二重鎖合成装置70を通る。このリーディング鎖を鋳型とする二重鎖合成装置70は、入口が離れていて出口が接近している二つのチャンネルを持っているので、二つの「単鎖バックボーン・構造体」は塩基筒ペアーが形成されて「二本鎖バックボーン・構造体」となる。また、ラギング鎖側では、ラギング鎖を鋳型とする二重鎖合成装置80によって、ラギング鎖に相当するもう一本の「単鎖バックボーン・構造体」のロープ50Aは、岡崎フラグメントに対応する「岡崎フラグメント・構造体」のロープの列52A、52B、…と共にこのラギング鎖を鋳型とする二重鎖合成装置80を通ることによって、先に述べた合成装置と同様にして、順次不連続な結合がなされて、「二本鎖バックボーン・構造体」か形成される。
【００４７】
なお、実際の生体中では、多種のたんぱく質からなる多数の複製装置が存在するが、ここではそれらを上記の三つの装置に集約することによって、連続的複製と不連続的複製とが同時に進行するメカニズムを容易に理解できるようにしている。さらに、実際にはこれらの三つの装置による機能が複製フォークという一点で行われているが、ここでは三つの装置を離れた場所に設置することにより、その機能が見やすくなり、その理解を助けている。
【００４８】
複製フォークシミュレーターを備えたＤＮＡ模型教材を用いたＤＮＡ複製を模擬した実演は次のようにして行われる。まず、先に図３の（b）にて示した磁石26と鉄片28を用いて容易に分離と結合が行えるようにした「塩基ペアー・構造体」の塩基筒ペアー25を配置した平行二本鎖構造のＤＮＡ模型教材を、 図１１のaに示したように二重鎖分離装置６０を通すことによって、二本の単鎖ＤＮＡに対応する「単鎖ＤＮＡ・構造体」としてのロープ48Aと50Aに分離させる。こうして得られた上側のリーディング鎖に対応する「単鎖ＤＮＡ・構造体」としてのロープ48Aと、これと相補的な塩基筒配列を持つ「単鎖ＤＮＡ・構造体」としてのロープ48’Aを、リーディング鎖における二重鎖合成装置７０に挿入し、両者を一緒に左側に引っ張ることによって連続的にＤＮＡ複製に対応する二本鎖バックボーン・構造体を得る。
【００４９】
次に、下側のラギング鎖に対応する「単鎖ＤＮＡ・構造体」50Aを、二重鎖分離器60を出た後で折り返し、この「単鎖ＤＮＡ・構造体」50Aを、ラギング鎖における二重鎖合成装置80に、第一番目の岡崎フラグメントに対応する「岡崎フラグメント・構造体」の短片52Ａと共に挿入し、両者を一緒に左側に引っ張ることによって結合させる。第１岡崎フラグメントに対応する「岡崎フラグメント・構造体」の短片52Ａの結合が終了し、図１１ｂに示した状態を得たら、ラギング鎖に対応する「単鎖ＤＮＡ・構造体」50Aをチャンネルから取り出し、ラギング鎖に対応するロープ50Aを右に引いてたわみを取り去り、図１１cに示した状態にする。そしてラギング鎖における二重鎖合成装置80に第２岡崎フラグメントに対応する「る単鎖ＤＮＡ・構造体」の短片52Bを挿入し、これをラギング鎖に対応する「単鎖ＤＮＡ・構造体」50Aと一緒に左側に引っ張って両者を結合させる。その後同じプロセスを繰り返してすべての岡崎フラグメントに対応する「岡崎フラグメント・構造体」としての「単鎖ＤＮＡ・構造体」の短片52A、52B、…を一つずつラギング鎖に対応する「単鎖ＤＮＡ・構造体」50Aに結合させて不連続複製を完結する。
【００５０】
さらに本発明では、生体の遺伝暗号解読表、すなわちコドン（三塩基配列）でひとつのアミノ酸を指定する暗号表を模した暗号表を任意に作成した。これを用いて、任意のメッセージをＤＮＡ模型教材の塩基ペアー配列で暗号化して書き込むことを可能にした。 
【００５１】
コドンは４×４×４＝６４、従って６４種類存在するので、コドンによって６４種の文字および表音記号等を暗号化できる。一例として和文の５０音と１４の表音記号等を暗号化した暗号解読表を任意に作り、表１に示した。同様の暗号解読表は欧文のアルファベットおよびその表音記号等についても作成可能であり、英文アルファベットではわずか23文字であるから、表音記号等も含めて６４種のコドンのすべてを用いないで作成できる。それゆえ、英文を用いる場合は、生体の遺伝暗号解読表と同様に、ひとつの文字または表音記号等に複数のコドンを対応させるか、または一部のコドンだけを用いればよい。
【００５２】
教育集会などで全参加者が、一人ひとりまたはグループに分かれて同じ構造のＤＮＡ模型教材を複数作り、それらに長文のメッセージを分割して暗号化して書き込み、それらを連結して一つのＤＮＡ模型教材とすることができれば、参加者の連帯感が強められ高い教育効果が得られる。本発明では、ＤＮＡ模型教材―これを今後「要素模型教材」と呼ぶことにする―を連結してひとつのＤＮＡ模型教材としそれに長文のメッセージを暗号化して書き込む方法を提供した。
【００５３】
ＤＮＡは１ピッチあたり１０個の塩基ペアーを有し、コドンは３塩基で構成されるから、同じ構造、従って同じ塩基ペアー数をもつ要素模型教材に分割して暗号文をして記入し、これらを連結して一つのＤＮＡ模型教材とするためには、要素模型教材の塩基ペアーの数は３０（＝１０×３）の整数倍でなければならない。ところが6０、90のみならず３０の塩基ペアーを有するＤＮＡ模型教材でも、これを組み立てるのに長時間を要し、教育集会などで用いるのに好ましくない。そこで、本発明では、比較的短時間で組み立てられ、また概観上もＤＮＡ模型教材として見栄えのよい２０塩基ペアー、すなわち２ラセンピッチを有する複数の要素模型にメッセージを分割して暗号化する方法を考案した。その具体的方法は実施例に即して後述する。
【実施例１】
【００５４】
（ＤＮＡ複製の基本原理を模擬的に実演できる二重ラセン構造を有するＤＮＡ模型教材の作製）
二重ラセン構造を持つＤＮＡ模型教材を、淡赤色透明および淡緑色透明の蛍光色を持つ軟質ポリウレタン製で直径4mmφの円断面を持つロープで「バックボーン・構造体」を作り、これにすでに図２ａに示した“竹の子構造”付きジョイントを有する塩基ペアーに対応する「塩基ペアー・構造体」を配置して作製した。そのために、まず、前記した二本の軟質ポリウレタンロープを、テンプレートを貼り付けた円筒冶具に巻きつけて、一般家庭用のマイコン制御オーブントースターを用い、105℃目盛りに設定して3分間加熱して、二重ラセンバックボーン構造を定着した。Ａ、Ｔ、ＧおよびＣの塩基にそれぞれ対応させた赤、黄、緑および青色を有するポリスチレン製の円筒（外径6 mm、内系3.5 mm、長さ２６ｍｍ）で塩基ペアー（長さを５２ｍｍ）を構成し、先に[００３２]欄に記述したように、各塩基ペアーの末端に固定した先開型圧着端子の先端で二重ラセンバックボーンの軟質ポリウレタンロープを挟み込むことによって塩基ペアーを「バックボーン・構造体」に固定した。
【００５５】
実際のＤＮＡ分子では、１ラセンピッチあたり１０の塩基ペアーが、二重ラセン軸と直交すると共にラセン軸に向かう方向から１８度傾いた方向に配置され、ラセン軸方向に主溝と副溝が作られている。しかし、本発明はＤＮＡの構造を学ぶことではなく複製の原理とプロセスを学習することを主たる目的にしているので、構造を簡略化して、塩基筒ペアーが二重ラセンのロープの中心軸を通り、それゆえ主溝と副溝の区別がない構造とした。これによって学習者による組み立てが容易になるとともに、模型教材セットの加工が単純化されて製作費が低減できた。
【００５６】
本実施例では二重ラセン構造の直径（バックボーンに内接する円筒冶具の直径）を53mmとし、１ラセンピッチ長を100 mm、すなわち隣り合う塩基ペアー間のピッチを10 mmとした。
【００５７】
７文字のメッセージを暗号化するために塩基ペアーの数を７×３＝２１とし、図１に示したように二重ラセンバックボーンの四箇所の“谷底”に鉄片（10×10×1 mm3）を、ニッケルリング（内径4mm）を介して接着し、これをアクリル製の台座（245 ×30 ×3 mm3）に接着されたネオジム磁石（10×10×1 mm3）を用いて着脱可能な状態で固定した
【００５８】
本実施例では７文字のメッセージ「いのちのなそ ゛」を表１の暗号解読表を用いて表２に示したように暗号化して、淡赤色の軟質ポリウレタンロープ側の塩基配列によって書き込んだ。ただし、組み立てキットには表２を添付するとともにとともに、組み立て者が任意に考えたメッセーを暗号化するために表２の第1行および第２行を空欄とした表を作業表として添付した。
【表１】
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【表２】
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【００５９】
本実施例で作製されたＤＮＡ模型教材では、すでに図６に示したように二重ラセン構造を台座から引き離して二本の単鎖ＤＮＡに分離して、親鎖を鋳型として行われるＤＮＡ複製の原理を模擬的に実演することができる。
【実施例２】
【００６０】
（ＤＮＡ複製の基本原理を模擬的に実演できる二重平行構造を有するＤＮＡ模型教材の作製）
実施例１に記述した二重ラセン構造を持つＤＮＡ模型で二重ラセン構造を二重平行構造で置き換えたことだけ異なり、そのほかはすべて同じである二重平行構造のＤＮＡ模型を作製した。一般に入手可能な軟質ポリウレタンロープはコイル状に束ねられ湾曲しているので、本実施例では、実施例１に記載したのと同じ二色の軟質ポリウレタンロープを実施例１に記載したのと同じ条件で直線状に加熱成型して用いた。実施例１と同じく２１個の塩基配列で表２に記されているようにメッセージを暗号化して模型に記入した。
【００６１】
本実施例で作製されたＤＮＡ模型は、二重平行ＤＮＡを二本の単鎖ＤＮＡに分離できるので、図７に示し先に記述したように親鎖を鋳型として行われるＤＮＡ複製の原理を示すことができる。
【実施例３】
【００６２】
（ラギング鎖における不連続複製を含めたＤＮＡ複製の原理を模擬的に実演可能にした二重平行構造を持ったＤＮＡ模型教材の作製）
実施例２に記載した二重平行構造を有するＤＮＡ模型教材に、その二重平行構造の片方の直鎖ＤＮＡに相補的な直鎖ＤＮＡ、および他方に相補的な岡崎フラグメントを追加して一組のＤＮＡ模型教材を構成した。岡崎フラグメントは、２１個の塩基ペアーからなる直鎖ＤＮＡを3分割して７塩基を有するものとした。
【表３】
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【表４】
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【表５】
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【００６３】
この模型教材セットを用いて、図１０に示し、すでに[００４１]欄で説明したように、複製バブルの右側半分を作ってリーディング鎖における連続的複製とラギング鎖における岡崎フラグメントによる不連続的複製の原理を模擬的に実演して学習することができる。
【実施例４】
【００６４】
（複製フォークシミュレーターと組み合わせて、ラギング鎖における不連続複製を含めたＤＮＡ複製のプロセスをも模擬的に実演可能にしたＤＮＡ模型）
赤色および緑色の軟質塩化ビニル製のチューブ（外径4 mm、内径2 mm、長さ420 mm）で二重平行バックボーンを作り、これに、図3ｂに示したようにネオジム磁石（４ mmφ×2 mm）と鉄片（４ mmφ×1mm）で結合させるタイプの塩基ペアーをピッチ間隔10 mmで２１個配置して、二重平行構造を有するＤＮＡ模型を作製した。実施例3と同様に、このＤＮＡ模型の片方の直鎖ＤＮＡに相補的な直鎖ＤＮＡ、および他方に相補的な岡崎フラグメントを追加し、さらに図１１に示し、先に[００４６]欄に記述した複製フォークシミュレーターをも組み合わせたセットを作製した。
【００６５】
本実施例では実施例1ないし3と異なり、軟質ポリウレタン製のロープではなく塩化ビニル製のチューブを用いたのは、後者の方が前者より可撓性が高いので複製フォークシミュレーターで行う折り曲げおよび折り返しの操作を容易にするためである。また塩基ペアーの長さも、実施例1ないし3における値（53 mm）よりも短めの20 mmとすることによって複製フォークシミュレーターを用いた操作を容易にした。
【００６６】
複製フォークシミュレーターを、図11aに示したように、平らなプラスチック基板の上にいずれもプラスチック製である“山型”のブロックからなる二重鎖分離装置および直線状のチャンネルと湾曲したチャンネルからなる二つの二重鎖合成装置70、８０を固定して作製した。二重鎖合成装置の各チャンネルの内側の横幅は15 mm、高さは10 mm、長さは20 mmとし、ちょうつがいを有して開閉可能な上蓋を取りつけた。
【００６７】
本実施例で作製したＤＮＡ模型教材を用いて、すでに図１１に示し[００４６]欄で説明した方法によって、複製バブルにおけるリーディング鎖における連続的複製およびラギング鎖における岡崎フラグメントによる不連続的複製のプロセスを実演によって体験的に学習することができる。
【００６８】
さらに、このプロセスの最後、すなわち二本鎖の末端に相補的な一本鎖を結合させるときに、ＤＮＡの末端にはいわゆるテロメアが形成されることを、次のように説明することによって体験的に学習することができる。すなわち、鋳型ＤＮＡ上での複製は、鋳型であるＤＮＡ単鎖の上にまずプライマーＲＮＡが結合し、ＤＮＡポリメラーゼがプライマーＲＮＡからＤＮＡを伸張しつつプライマーＲＮＡを分解することによって行なわれる。ところが、ＤＮＡの末端では、ＤＮＡポリメラーゼが末端のプライマーＲＮＡを分解できないために複製できない部分が生じる。これによって引き起こされる問題を回避するために染色体のＤＮＡの末端にはテロメアが形成されている。
【実施例５】
【００６９】
（長文のメッセージを分割して複数の模型に暗号化して書き込んだ二重ラセン構造を有するＤＮＡ模型の作製）
本実施例では、すでに記載したように、組み立てに要する時間と外観の観点から２ラセンピッチすなわち20塩基ペアーを有する要素模型を連結したＤＮＡ模型にメッセージを暗号化して書き込んだ。
【００７０】
実施例1に記述した二重ラセン構造を持つＤＮＡ模型において、塩基ペアーの数を２１から１ピッチあたりの塩基ペアー数である20に変更した要素模型を８個作製し、次のように連結してひとつのＤＮＡ模型を構成した。すなわち、要素模型の台座と同じ幅（30 mm）を持った木片にすべての要素模型の台座を粘着テープで固定し、隣り合う要素模型のバックボーンの端どうしを透明なシリコンチューブをかぶせて連結した。この方法で作製された“連結型”ＤＮＡ模型は、教育集会などにおいて参加者全員で完成した後、要素模型に分離して参加者が持ち帰ることができるという利点を有する。
【００７１】
暗号化すべきメッセージとして、児童憲章の第５条、すなわち「すへ゛てのし゛と゛うは、しんしんともにすこやかにうまれ、そた゛てられ、そのせいかつをほしょうされる。」を採用し、これを８個の要素模型に分割して暗号化した。このメッセージは50文字（表音記号等等を含む）からなるので、１５０（＝５０×３）個の塩基ペアーの配列で暗号化して、8個の要素模型に分割して書き込んだ。ただし、１個の要素模型は２０個の塩基ペアーを持つので、１８塩基ペアーで６文字を暗号化し、「残りの２塩基ペアー」を、表３、表４および表５に示したように、各要素模型の前後に連結された要素模型の「残りの２塩基ペアー」と組み合わせてコドンとした。すなわち、第１要素模型の最後の２塩基ペアーと第２要素模型の最初の１塩基ペアーでコドンを構成するとともに、第２要素模型の最後の１塩基ペアーと第３要素模型の最初の２塩基ペアーでコドンを形成した。第４以降の要素模型についても同様の方法で３要素模型ごとに２０文字を６０塩基ペアーで暗号化して記入した。
【００７２】
連結して得られたＤＮＡ模型は全体で１６０個の塩基ペアーを持つので、最後に連結された要素模型には160−150＝10個だけ塩基ペアーが余るので、これはすべて空白（スペース）を表すコドンとした。
【００７３】
本発明によれば、学習者が単にＤＮＡ模型を組み立てるだけではなく、自ら考えたメッセージを塩基配列で暗号化して書き込むことができるので、強い興味と高い学習意欲を与えることができる。
【００７４】
さらに、長文のメッセージを分割して暗号化した要素模型を連結してひとつのＤＮＡ模型を作製できるので、教育集会などにおいて参加者の連帯意識を高めることができる。
【００７５】
本発明のＤＮＡ模型は組み立てが容易であり、また、用いる素材が安価で加工が容易であり、したがって低価格で生産が可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ……「ラセン・構造体」としてのロープ、１４……「塩基ベアー・構造体」としての塩基筒ペアー、１４ａ，１４ｂ……「塩基・構造体」としての塩基筒、１６……鉄片、１８……台座、２０……磁石、２２……竹の子構造、２４……ジョイント、２５……「塩基ペアー・構造体」としての塩基筒ペアー、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５Ａ，２５Ｔ，２５Ｇ，２５Ｃ……「塩基・構造体」としての塩基筒、２６……磁石、２８……鉄片、２９ａ，２９ｂ……直角な接触面、２９ｃ，２９ｄ……直角でない角度をもつ接触面、２９ｅ，２９ｆ，２９ｇ，２９ｈ……鍵と鍵穴の関係の接触面、３０……先開型圧着端子、３２，３４……単鎖バックボーン・構造体であるロープ、３７……「直線単鎖バックボーン・構造体」としてのロープ（親鎖）、３８……「直線単鎖バックボーン・構造体」としてのロープ（娘鎖）、４０……複製起点、４２……複製バブル、４６……複製フォーク、４８……リーディング鎖、４８Ａ……リーディング鎖に対応した単鎖バックボーン・構造体としてのロープ、４８’……単鎖ＤＮＡ、４９……結合方向を表す矢印、５０……ラギング鎖、５０Ａ……ラギング鎖に対応するロープ、５１……岡崎フラグメント内の結合方向を表す矢印、５２ａ，５２ｂ……岡崎フラグメント、５２Ａ……「岡崎フラグメント・構造体」としてのロープ、６０……二重鎖分離装置、６０ａ……ブロックの先端、７０……リーディング鎖における二重鎖合成装置、８０……ラギング鎖における二重鎖合成装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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