２１世紀のバイオ革命のエンジンは２つあります。ひとつはクリスパーキャス９酵素＝遺伝子編集技術ですが、もうひとつはＮＧＳ次世代シーケンサーです。シーケンスは処理手順という意味ですから、直訳すると次世代処理手順という意味のわからない事にになってしまいますが、２１世紀の子供達はこの意味をしっかり理解しておくべきです。
NGSを理解するためのキーワードは、ＰＣＲ、サンガー法、ショットガン法、そしてＭＰＳです。
ＰＣＲ・・・ポリメラーゼ連鎖反応（ポリメラーゼれんさはんのう、 polymerase chain reaction)。試験管の中でDNAを増やす方法です。DNAポリメラーゼという酵素により、１本鎖のDNAに対応する（相補的）DNAを連結していく反応を繰り返します。DNAを９４℃まで熱すると２本鎖が分離して１本鎖になります。次にDNAを６０℃まで冷却するとDNAポリメラーゼにより１本鎖に相補的な塩基（ATGC）が連結されていきます。このサイクルを繰り返すことにより、DNAの量を２倍ずつに増やすことができます。試験管の中に予め増やしたいDNAの断片（プライマー、２０塩基程度のヌクレオチド）を入れておくことにより、特定のDNAだけを増やすことができます。検出したいウイルスの断片をプライマーにすれば、当該ウイルスのDNAを増幅することができ。ウイルス感染の有無をチェックできます。RNAウイルスの場合は、逆転写酵素を用いて相補的DNA(cDNA)を作成し、これを増幅して検査します。
サンガー法・・・フレデリック・サンガーが開発したDNA塩基配列の確定方法。DNAポリメラーゼでDNAの複製を行う場合に、OH器を欠損して結合能力を失ったヌクレオチド（鎖停止ヌクレオチド、ターミネーター）を遊離塩基に混合させることによりDNAの成長が止まり、複製されたDNAの長さが１塩基ずつ異なる１本鎖DNAが得られるので、これを電気泳動法により質量順に並べ替えて、ATGC４種類の鎖停止ヌクレオチドに付着させた蛍光色素を読み取ることにより、１塩基ずつ区別することができます。最大１０００ヌクレオチド程度の塩基配列を読み取ることができます。電気泳動法は、遠心分離機やガスクロマトグラフィーと似た質量分析方法ですね。
ショットガン法・・・Shotgun sequencing 法は、事前にＤＮＡを制限酵素（ＤＮＡを切断する酵素）で数百塩基対ごとに切断しておき、バラバラにそれぞれ配列を読み取り、バラバラの情報のままコンピューターの記憶装置に保存し、配列が同じ部分の重なり合いを調べることにより、ＤＮＡ情報をコンピューターで繋ぎ合わせていって、１本のＤＮＡ情報全体を得る手法です。ヒトゲノム計画の時には、ヒトゲノムのcDNAを用いたショットガン法により、解読スピードが飛躍的に向上しました。ＮＧＳでもショットガン法が使われています。どうしてショットガンと言うのが分かりませんが、遺伝子がショットガンで撃たれてバラバラになったイメージでしょうか。
ＭＰＳ・・・大規模並列シーケンス法Massive_parallel_sequencing は、スライドガラスの上にDNAを伸長させていきますが、このとき、ヌクレオチドのOH器を化学的にブロックしておき次の塩基を伸長できないようにして（可逆的ターミネーター法）、１塩基ずつ伸長させます。１塩基ずつ蛍光画像を撮影し、OH器のブロックを除去し、次の塩基を伸長させます。これを繰り返して、各DNAを１塩基ずつ読み取っていきます。この超並列読み取りは、同時に４千万個以上のDNAで行われます。サンガー法の電気泳動では１回に１本のDNAしか分析できませんでしたから、驚くべき効率の違いです。１９９０年代に特許申請され、２００５年頃からNGSが市販されています。人類はものすごい武器を手に入れたのです。
※最大手イルミナ社の解説動画（日本語字幕で見て下さい）
※最大手イルミナ社の解説マンガ
https://jp.illumina.com/destination/comic/love-genome.html
２０００年頃にヒトゲノム計画が３０億ドル掛かって遂行されましたが、現在では約１０００ドルで同じ解析ができるようになったそうです。何と３００万分の１の費用です。このバイオ革命により、新型コロナウイルスのＰＣＲ検査が２日でできるようになりました。例えば２０年前の研究者に「２０２０年には新型コロナウイルスが流行したが、毎日１０万件以上のＰＣＲ検査をやって抑え込みに成功した」という話をしたら、「有り得ない話をするな！」と怒られたはずです。バイオテクノロジーのあらゆる分野で研究開発が加速しています。ＮＧＳが登場してまだ１５年ほどしか経っていません。今後、我々の生活に驚くべき変化をもたらすことでしょう。
※参考書籍
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