◇生徒用実験テキスト
Ver.310315

やってみよう遺伝子実験！！

PCR 法を用いたイネの品種判別実験のテキスト（模範解答付き教員用テキスト）

模範解答一覧表①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩

能力
性質
遺伝子
切る
つなぐ増やす制限酵素
DNA リガーゼ
PCR 法
ベクター

⑪⑫⑬⑭⑮⑯⑰⑱⑲⑳

50～200
２～20
0.1～２
DNA
正や負電極方向ゲル
ふるい
クロマトグラフィー
いもち病㉑㉒㉓㉔㉕㉖㉗㉘㉙㉚㉛

コシヒカリ
DNA の有無
ポリメラーゼ連鎖反応
986468
犯罪捜査選抜する原因となる遺伝子
ゲノム編集技術
いもち病耐性遺伝子を持ち，コシヒカリ由来の塩基配列を持つ。
㉜ いもち病耐性遺伝子を持ち，コシヒカリ由来の塩基配列を持たない。

－目次

1 バイオテクノロジーとは？

－・・・・・・・・・p.1

2 実験に必要なテクニックを習得しよう！

・・・p.2⑴ 今回使用する実験器具の紹介⑵ 実習

3 電気泳動は何をしている？

・・・・・・・・・p.6

4 覚えた技術を使って遺伝子判別実験に挑戦 ・・・p.7
⑴
⑵
⑶
⑷
⑸

今回調べてみる遺伝子とは？
どうやって目に見えない遺伝子を判定する？
人力サーマルサイクラーに挑戦
P.CR の原理をペーパークラフトで学ぼう
どのように社会や研究に役立てられている？

5 実験結果を考察しよう ・・・・・・・・・・・p.12
6 参考資料 ・・・・・・・・・・・・・・・・・p.13⑴ PCR を開発した科学者⑵ 意外なところに電気泳動⑶ ゲノム編集技術とは

1

バイオテクノロジーとは？

☆ 生物の持つ①能 力や②性 質を上手に利用し，人間生活や環境保全に役立つ技術↓①や②は何が決定しているのか？

③ 遺伝子が決めている

つまりバイオテクノロジーには，③を自在に操る技術が必要④切る

遺伝子(DNA)

⑥増やす

⑤つなぐ

このような技術は，遺伝子組換え技術や遺伝子解析に使われる。
・それぞれの技術を実現する方法△ DNA を切る → ⑦制 限 酵 素〇 DNA をつなぐ→ ⑧ DNA リガーゼ
□ DNA を増やす→ ⑨PCR 法⑦・⑧を応用し，⑩ベクターを使って大腸菌の遺伝子を組換え，遺伝子やタンパク質などを増やす方法もある。

©もやしもん

出典：スクエア最新図説生物-1-

2

実験に必要なテクニックを習得しよう！

☆

ま ず は 制 限 酵 素 (Hind Ⅲ ) でλ(ラムダ)ファージの DNA をばらばらにしたλマーカーを使って，実験器具の操作に慣れよう！
⑴

今回使用する実験器具の紹介
ア

出典：スクエア最新図説生物マイクロピペット①マイクロピペット【図１】は 1.0 mL（= 1000 µL）以下の液体を測り取る。P200，P20，P2 と表示してあるものは，それぞれ⑪50～200µL⑫２～20µL，⑬0.1～２µL の容量を測り取ることを示している。
②目盛り調節ダイアルを回してセットする【図１】。ダイアルはゆっくり回す必要はない。
③親指でプッシュボタンとチップイジェクターボタンを押せるようにハンドグリップを握る。
●容量設定目盛りの見方●マイクロピペット各部の名称※注意！
故障の原因となるため，目盛り調節ダイアルを回す際には，容量の範囲を超えて回さないようにすること。

【図１】マイクロピペットの各部の名称と使用上の注意-2-

イ

電気泳動装置(自作の装置で行う場合)
高い電圧を一定の範囲の水溶液中に流すことができる装置，。
感電や±のつなぎかたに注意する【図２】
電源スイッチ※光っている時は注意！

＋極電気泳動槽
ゲルを緩衝液に浸す－極

ウェル側に黒線をつなぐ

赤線が＋極【図２】自作の電気泳動装置の説明

ウ

緩衝液(TAE 溶液)
電気泳動の際に⑭D N A を保護する液体で，電気や温度変化によって性質が変化しにくい特徴を持つ。

⑵

実習ア

使ってみようマイクロピペット挑戦！ マイクロピペットで，10µL の液を取り出し，別のチューブに移してみよう。
① P20 のピペットを 10µL に設定し黄色のチップを取り付ける。
② プッシュボタンを第１ストップ【図３】まで押し込み，その状態のままチップの先端をチューブ内の液につけ，ゆっくりプッシュボタンをトップまで戻して液を吸い上げる。

-3-

③ 別のチューブにチップの先端を入れ，プッシュボタンを第１ストップまで押し下げて液を排出する。さらに第２ストップまで 強く押し下げ，チップ内に残った液を完全に排出する。
④ チップの先端を出し，プッシュボタンをゆっくりと戻し，イジェクターボタンを親指で押してチップを取り外す。
手順②

手順③

トップ
第１ストップ第２ストップ【図３】プッシュボタンの動かし方※注意！
・ 必ずピペットチップを装着せよ！
・ マイクロピペットを逆さまにしない！
・ 急激に吸い込むと本体に液が入り，故障の原因となるので注意！
・ 本体まで液を吸い込んでしまった場合は正直に報告！

-4-イゲルへのアプライ(注入)の練習【図４】アプライとはアガロースゲル上のあけられたウェルと呼ばれる穴にマイクロピペットで液体を注入すること。

ウェルチップアガロースゲル【図４】 アプライの方法挑戦！ アガロースゲルのウェルに 2µL ずつλマーカーを入れてみよう。
① P2 のピペットを 2µL に設定し白色のチップを取り付ける。
② λマーカーを吸い取る。
③ もう片方の手をピペット本体に添えた状態でウェルの中にチップの先端を入れ，ゆっくりと第２ストップまでボタンを押し込む(空気を入れないように注意する)。
④ λマーカーを入れ終わったら，ゆっくりと引き抜く。
※ 多少ウェルの上から液体があふれても大丈夫です。あわててゲルを破壊しないように注意してください。

ウ

電気泳動でλマーカーを見てみよう

挑戦！ 電気泳動し，UV トランスイルミネーターで観察する。
① 電源装置の黒線(－極)をウェル側に接続する。
② 赤線(＋極)を反対側に接続する。
③ 感電防止のため，端子に金属や服が触れていないか確認する。
④ 電源を入れて，約 15～20 分間電気泳動する。

-5-

λ-Hin dⅢマーカー⑤ スイッチを切る。緩衝液を捨てる。

バンド(塩基対)⑥ 泳動槽を UV トランスイルミネーターにのせて23130

9416

観察する。(→右のバンドが確認出来たら成功！)

6557
4316

※注意！

2322
2027

・高電圧に注意する！
・必ず電源は OFF にしてから装置に触れる！
・スイッチを入れるときは班員に言うこと！
・異常が起きたら教員にすぐに報告する！

3bp

564
124

電気泳動は何をしている？ (参考資料２)☆ 電気泳動とは？
多くの物質は，⑮ 正や負 の電荷を持っており，高い電圧をかけると，⑯ 電極方向 に移動させることができる。これを電気泳動という。この原理を利用して，⑰ ゲ ル (寒天のようなもの)など一定の抵抗を持った物質内を通り抜けさせ，⑱ ふるい のように物質を分けることができる。他に物質を分ける方法として光合成色素を分離する⑲ クロマトグラフィーがある。

緩衝液

DNA断片(－の電荷を帯びている)－

アガロースゲル短い断片ほど早く進む＋電電極極

ウェル

DNA断片の移動方向

電気泳動装置の断面図-6-4⑴

覚えた技術を使って遺伝子判別実験に挑戦
今回調べるイネの遺伝子とは？

① ⑳いもち病抵抗性遺伝子(Pii)
いもち病は，イネに付着するカビの一種が原因の感染症で，日本で最も大きな被害を出しているイネの病気である。
② ㉑コシヒカリ由来の塩基配列
イネや米粒は外見で品種を区別できず，DNA を比較して品種判別を行っている。優秀な品種のコシヒ
カリは，様々な品種の親となっているためコシヒカリ由来の塩基配列を持っている品種も多い。
●イネの類縁関係
奥羽 292 号

コシヒカリ

初星

あきたこまち●各品種が持っている塩基配列

Pii

ひとめぼれ 由来DNA

プライマーⅠ

ひとめぼれ〇〇Pii

あきたこまち 由来
DNA

第9５’

ひとめぼれ，あきたこまちが持っている，いもち病

Ⅰ

Pii

①

遺伝子

①遺伝子1610bp

プライマーⅡⅠ②②ｺｼﾋｶﾘ

由来のいる，コシヒカリ由来の塩基配列(830bp)を増幅す由来のⅡ

塩基Ⅱ

塩基①

配列

①配列830bpⅡる。
塩基対の数である。

３’830bp

Ⅱ②*bp(base pair)は，５’

ｺｼﾋｶﾘ

シヒカリが持って〇

第91610bp

Ⅰ

ひとめぼれ，コ×

染色体
５’５’５’Pii(1610bp*)を増幅DNA

染色体

Ⅰ耐性遺伝子Pii 領域する。

×Pii

コシヒカリ 由来

第9染色体
５’〇

②３’３’

３’３’３’※ ①，②の㉒DNA の有無によってこれらの品種判別が可能となる。
-7-

遺伝子名

いもち病抵抗性遺伝子 Pii

コシヒカリ由来の塩基配列

コシヒカリ

×〇

あきたこまち〇×

ひとめぼれ〇〇

品種名③ 今回調べる品種は，岩手県で開発された品種です！

A 金色の風

B 銀河のしずく2017 年に岩手県農業研究センターで開発された。岩手県最高級品種で食味・食感が優れている。

2016 年に岩手県農業研究センターで開発された。炊き上がりの白さと冷めてもおいしい食味が特徴である。

挑戦！ 二つの岩手県産品種が，いもち病抵抗性遺伝子 Pii とコシヒカ
リ由来の塩基配列を持っているか調べてみよう。

⑵

どうやって目に見えない遺伝子を判定する？
Ａ.目に見えるくらい増やせば ＯＫ！

☆その方法を PCR 法(㉓ポリメラーゼ連鎖反応)という。(参考資料１)

熱変性

㉔98℃
←通常はサーマルサイクラーという機械を使う･･･が，今日はアニーリング

伸長反応㉖68℃ ㉕64℃-8-⑶人力サーマルサイクラーに挑戦

挑戦！ 通常機械が行っている温度変化を，自分たちで再現して DNA を増幅させてみよう。
●機械を使う場合●人力で行う場合

98℃ 60 秒

98℃ 60 秒↓↓

98℃ 5 秒98℃ 5 秒↓冷却

↓次の槽へ移動64℃ 5 秒↓加熱
68℃ 45 秒↓28 回繰り返し
機械が温めたり，冷やしたりするので時間が余計にかかる。

28 回繰り返し↓次の槽へ移動(30 回でも OK)
移動するだけなので余計な時間がかからない。

68℃ 45 秒↓68℃ 60 秒
作業全体にかかる時間

63℃ 5 秒68℃ 60 秒

約 60 分※作業全体にかかる時間※高速反応可能な試薬で通常より時間短縮しています。

約 30 分※※高速反応可能な試薬でさらに時間短縮しています。

【図５】 実は機械よりも早い人力サーマルサイクラー☆まずは，DNA 増幅に必要なものを混ぜ合わせよう！(PCR 反応液)
① PCR 用のマイクロチューブを３本用意し，どのコメの DNA を入れたか分かるようにシールを貼り，下記の表の通りに試薬を入れる。(蒸留水がすでに入っています。チューブが壊れてもれていないか必ず確認すること)〈今回使用するイネの品種〉● 金色の風 ● 銀河のしずく ● コシヒカリ
PCR 反応液の内容
試 薬 の 種 類

１品種あたり最終濃度

Sapphire Amp Taq（DNA 合成酵素）

12.5µL

1倍

プライマーミックス液(４種類混合済み)

2.0µL

0.2μM

蒸留水

9.5µL

DNA 抽出液

1.0µL

計

25.0µL-9-

② 遠心分離機で混ぜ合わせる。
③ マイクロチューブ固定具に３本をセットする。
④ ３種類の温度に設定された恒温槽を使って，温度変化のサイクルを，５サイクルごとにパートナーと交代しながら，28 サイクル温度変化を繰り返してチューブ固定具

DNA を増幅する。(時間については教員が測定してお知らせします。) また，人力サーマルサイクラーを行っていない人は，『(4)PCR の原理をペーパークラフトで学ぼう』を行う。

5秒

5秒

45 秒

98℃

63℃

68℃

※恒温槽の間を移動する際に，やけどなどの事故が起こらないよう注意が必要です！

⑷

PCR の原理をペーパークラフトで学ぼう① 絵柄の書いてある紙を指示通りに切ったり切れ込みを入れる。
② 点線に従って折り曲げ，のりで貼り付ける。
③ 絵柄が正面から見える状態で真ん中から開く。
④ ４面全てを開くことができて，元の絵柄に戻るかどうか確認する。

- 10 -

挑戦２！ 人力サーマルサイクラーで得られた PCR 産物を電気泳動して，どのような結果が出るか確認しよう。
ウェルの番号

2

34

マー

金銀コ

※５～８は予備です。

カののヒ

場合などに使用します。

風しカー

1色河ず

シ

5678

ウェルを壊してしまったリ

く⑸

どのように社会や研究に役立てられている？
ア 生物の祖先を探る。
→ 同じ技術は㉗犯罪捜査にも使われている。
イ 優れた遺伝的な特性を㉘選抜する。
→ 新品種の開発にかかる時間の短縮が可能になった。
ウ 病気の㉙原因となる遺伝子を発見できるようになった。
→ 治療困難な病気もやがて治るかもしれない！
エ 増幅した遺伝子を，高性能なはさみで好きな場所に入れる㉚ゲノム編集技術が開発された。(参考資料 3)→ 治療できなかった病気を克服できる。

- 11 -

5⑴

実験結果を考察しよう
電気泳動結果の確認

一番左側にあるサイズマーカー(pHY マーカー)が基準となります！
12

3456784870

マーカーの2本目と3本目の間にバンドが出た
らPii 遺伝子がある(1610bpにバンドが出る）。

2016
1360
1107
926

マーカーの5本目と6本目の間にバンドが出たらコシヒカリ由来の塩基配列がある(830bpにバンドが出る）。

658489⑵考え方☆実験結果から分かったことを，空欄に書き込んでみよう。
遺伝子名

いもち病抵抗性遺伝子 Pii

コシヒカリ由来の塩基配列

コシヒカリ×〇あきたこまち〇×

ひとめぼれ〇〇

金色の風〇〇

銀河のしずく〇×

品種名⑶

自分なりの言葉で結論を書いてみよう。

〇 金色の風は，㉛いもち病耐性遺伝子を持ち，コシヒカリ由来の塩基配列を持つ。
〇 銀河のしずくは，㉜いもち病耐性遺伝子を持ち，コシヒカリ由来の塩基配列を持たない。

- 12 -

6

⑴

参考資料

PCR を開発した科学者

PCR 法を開発したキャリー・マリス（Kary Banks Mullis）博士は，子どもの頃から物置に実験室を作り，ロケット燃料を調合しては頻繁に事故を起こしていたそうです。高校生の時には，科
出典：Amazon.co.jp
学の同好会の会長となって近くの小学校でサイエンス・ショーを行ったとき，ヨウ素と過塩素酸カリウムの反応実験をやっている最中に爆発事故を起こしたなど，その破天荒なエピソードに事欠かない人物です。

※良い子はまねしないように！！

※ 良い子はまねしないように！！

出典：Bing

そのきわめつけともいえるのが，PCR の理論を思いついた時のエピソードです。彼は 1983 年５月の夜に，恋人のジェニファーを助手席に乗せ，カリフ
ォルニアの森林地帯をホンダシビックで軽快に飛ばしていました。頭の中には恋人のことではなく，研究室の仕事が蘇ってきて，ヘッドライトは木々を照らしていたが，彼の目はなかば DNA がほどかれていく様子を見ていたそうです。(危険運転ですね…) ©HONDA
その時に恋人と何度も訪れたイエローストーン国立公園の温泉を思い出しました。その温泉の中にいる好熱性細菌ならば，PCR の条件に耐えられるのではないかとひらめいたのです。
彼はすぐに車を止めてその方法をメモしたそうです。(その後怒ったジェニファーとは別れてしまったそうですが…)
その後，1987 年に PCR についての初論文を投稿し，なんと 1993 年にはノーベル化学賞を授与されます。そのニュースを聞いて殺到してきたテレビ局のカメラ・クル
ーは，マリス博士がサーフィンをしているところに殺到
出典：Googleしたとか。翌日の新聞の見出しは，もちろん「サーファーがノーベル賞獲得！」だったそうです。
そんな博士の書いた自叙伝が出版されています。興味がある人は読んでみてください。科学者のイメージが変わると思います。

マリス博士の奇想天外な人生(ハヤカワ文庫 NF) 文庫 – 2004/4/9
キャリー・マリス (著), 福岡 伸一 (翻訳)
出典：Amazon.co.jp- 13 -

⑵

意外なところに電気泳動
これまでパソコンやスマートフォンなどの表示装置(ディスプレイ)は，ブラウン管，液晶，LED，有機 EL などと進化してきましたが，現在注目されつつあるのが電子ペーパーです。電気泳動を応用したもので，これまでのディスプレイよりもさらに省電力で薄くできるのが特徴です。これまでは白黒表示しかできませんでしたが，カラー表示のものも研究が進んでおり，やがて紙のような感覚で電子ペーパーを使う時代が来るかもしれません。
ディスプレイの進化©EIZO

ブラウン管↓

電子ペーパーの原理
出典：TOPPAN©NEC液晶
↓

©LG
有機 EL
↓

©SONY
近未来には，ほとんど電力を消費しないディスプレイがスマートフォンに搭載されているかも知れません。

©SONY
電子ペーパー- 14 -⑶ゲノム編集技術とは
制限酵素は，DNA を決められた配列の部分で切る酵素ですが，意図しない部分にも影響する可能性があるという問題がありました。しかしゲノム編集技術は狙った部分の遺伝子のみを切断したり，新しい遺伝子を挿入することができます。品種改良にかかっていた時間を飛躍的に短くすることができるため，今後数多くの分野で使わることになる技術です。

ゲノム編集のイメージ
狙った場所で改変したい

DNAを切る

遺伝子遺伝子を壊して別のDNA配列を機能を失わせる

挿入する

出典： 産経ニュース- 15 -