ポリメラーゼ連鎖反応

ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）とは、微量なDNAの特定の領域を、酵素を用いて体外で数百万から数10億倍にまで急速に増幅させる画期的な分子生物学的手法である。¹

この手法は1983年にキャリー・マリス（Kary Mullis）らによって考案され、現代の生命科学研究や医療診断の分野において不可欠な基盤技術となっている。²

PCRの基本原理は、DNAの二重螺旋構造を熱変性によって一本鎖へと解離させ、それぞれの一本鎖に標的配列の目印となるプライマーと呼ばれる短い合成一本鎖DNAをアニーリング（結合）させ、耐熱性DNAポリメラーゼの働きによって相補的なDNA鎖を合成するという一連の温度サイクルを繰り返すことにある。³

反応は通常、サーマルサイクラーと呼ばれる温度自動制御装置を用いて行われ、「高温によるDNAの変性」、「低温によるプライマーのアニーリング」、「至適温度によるDNA合成（伸長反応）」の3つのステップから構成される。⁴

第1段階の変性反応では、通常94℃から98℃程度に加熱することで、DNAの二重螺旋を構成する塩基対の水素結合を切断し、2つの一本鎖DNAへと分離させる。⁵

第2段階のアニーリング（結合）反応では、温度を50℃から65℃程度に冷却し、あらかじめ設計されたプライマーが鋳型DNAの相補的な配列に特異的に結合するようにする。⁶

第3段階の伸長反応では、温度を72℃付近に保ち、耐熱性DNAポリメラーゼがプライマーを起点としてデオキシヌクレオチド三リン酸（dNTPs）を基質に用いながら、鋳型DNAに沿った相補的なDNA鎖を合成していく。⁷

この3つの温度ステップを1サイクルとして、1回ごとに標的とするDNA配列のコピー数が理論上は倍々に増加していくため、わずか30サイクル程度で約10億倍の増幅産物を得ることが可能となる。⁸

PCR法で最も重要な進展をもたらしたのは、温泉などの高温環境に生息する細菌から発見されたTaqポリメラーゼなどの耐熱性DNAポリメラーゼの導入であり、これにより毎サイクルの変性温度における酵素の失活を防ぎ、反応の自動化と効率化が飛躍的に達成された。⁹

応用分野は多岐にわたり、遺伝子病の診断やウイルス・細菌などの病原体の検出といった臨床医学および衛生学の領域だけでなく、法医学におけるDNA型鑑定、考古学における古代DNAの解析、さらには基礎生物学における遺伝子クローニングや発現解析など、あらゆる生命科学の現場で活用されている。¹⁰

近年では、従来のPCRをさらに発展させ、増幅の様子をリアルタイムで定量的にモニタリングするリアルタイムPCR法や、微量の核酸を高感度に検出する様々な派生技術が開発され、ゲノム解析の精度と速度をさらに向上させている。¹¹