【初心者向け】大腸菌の形質転換の原理と実験の流れをやさしく解説！

微生物の世界では、遺伝子を自由に操作することで、さまざまな研究や産業応用が可能になります。
その中でも「大腸菌の形質転換」は、遺伝子工学の基本技術として広く利用されています。形質転換とは、外部から導入したDNAを大腸菌が取り込み、新たな性質を獲得する現象です。例えば、抗生物質に耐性を与える遺伝子を導入すれば、その抗生物質が存在する中でも生き残る大腸菌を選び出すことができます。

本記事では、大腸菌の形質転換の仕組みや実験の流れについて解説していきます。

形質転換とは？DNAを取り込むしくみ

「形質転換（transformation）」とは、細胞が外からDNAを取り込み、それによって性質（形質）が変わる現象です。
例えば、抗生物質耐性の遺伝子が組み込まれたプラスミドDNAを大腸菌に入れると、その大腸菌は抗生物質が効かなくなります。これが「形質の変化」です。
この手法は、遺伝子を細胞に導入する基本技術として、分子生物学の研究や遺伝子組み換え技術の現場で広く使われています。

大腸菌はなぜDNAを取り込めるの？

自然状態では大腸菌はDNAを取り込みにくいですが、人工的に「形質転換処理」を行うことで可能になります。
以下のような方法で、細胞膜の性質を変化させます。

• カルシウムイオン処理（CaCl₂など）：膜の構造を不安定にしてDNAが近づきやすくします。


• 熱ショック（42℃ 数十秒）：急激な温度変化で膜に小さな孔が開き、DNAを細胞内に取り込みやすくなります。


• 電気ショック（エレクトロポレーション）：高電圧をかけることで一時的に膜に孔を作り、DNAを流し込むことができます。

このような方法で、外部DNAを一時的に細胞内へ通す道を作っているのです。
目的や予算によって、これらの方法を使い分けるのが一般的です。

大腸菌の形質転換実験の流れ

ここでは、化学的方法（熱ショック法）による形質転換の基本的な手順を紹介します。
形質転換には「コンピテントセル」と呼ばれる、外部からDNAを取り込む能力（＝形質転換能）を持った大腸菌を使用します。

• 大腸菌を用意
  冷凍保存されている市販品、もしくは自作のコンピテントセルを、氷上で解凍します。


• DNA（プラスミド）を添加
  目的の遺伝子を含むプラスミドDNAを、コンピテントセルに加えます。
  軽く混ぜて、氷上で一定時間（通常30分程度）インキュベートします。


• 熱ショックによるDNAの取り込み
  42℃で30〜90秒間インキュベートし、DNAの取り込みを促進します。
  その後すぐに氷水に移し、2〜3分間冷却します。


• 回復培養
  栄養培地を加えて37℃で30分〜1時間ほど培養します。
  抗生物質耐性遺伝子の発現を促し、細胞がDNAを安定的に保持できるようにします。


• 寒天培地への播種と培養
  抗生物質を含む寒天培地に塗布し、形質転換されたコロニーを選びます。

このような手順で、目的の遺伝子を細胞に導入することができます。初心者でも手順をしっかり守れば、比較的成功しやすい実験です。

おわりに

コンピテントセルを用いた形質転換は、遺伝子工学の基本技術で、入り口ともいえる存在です。
原理や実験の流れを理解すれば、バイオテクノロジーがぐっと身近に感じられるはずです。

コンピテントセルの選び方―用途に応じた最適な選択を

コンピテントセルは、大腸菌の遺伝子型により性質が異なるため、用途にあわせて最適な種類を選ぶことが重要です。
タカラバイオではさまざまな用途にあわせたコンピテントセルを多数取り扱っています。
製品選択ガイドを参考にして、目的にあった最適なコンピテントセルをお選びください。
製品選択ガイド（コンピテントセル・エレクトロセル）