分子生物学において、形質転換とは、周囲からDNAを直接取り込み、発現させることによって細胞の遺伝子を変化させることである。

形質転換は、いくつかの種のバクテリアでは自然に行われますが、人工的に行うこともできます。自然にせよ人工的にせよ、形質転換が可能なバクテリアをコンピテントと呼ぶ。

形質転換は、外部の遺伝物質を細菌細胞に取り込むことができる3つのプロセスの1つである。他の2つは、コンジュゲーション（直接接触している2つの細菌細胞間での遺伝物質の移動）とトランスダクション（バクテリオファージによる外来DNAの宿主への注入）である。

形質転換は、動物や植物などの非細菌性の細胞に新しい遺伝物質を挿入することにも用いられる。真核生物の細胞に外来のDNAを導入することは、通常「トランスフェクション」と呼ばれる。

歴史的背景

形質転換の概念は古く、1928年のフレデリック・グリフィスの実験（肺炎双球菌での「形質転換」現象の報告）が有名です。後にオーウェンとエイブリーらによって、形質転換因子がDNAであることが示され、遺伝情報がDNAに担われていることの重要な証拠となりました。

自然形質転換の仕組み

自然コンピテンスを持つ細菌は、外来DNAを取り込むための専用のタンパク質群（受容体、輸送チャネル、核酸分解酵素など）を発現します。取り込まれたDNAは通常一時的に一本鎖化され、宿主染色体と相同配列があれば相同組換えによってゲノムに組み込まれます。種によっては特異的な取り込み配列（例：NeisseriaやHaemophilusのUptake Sequence）を認識して選択的にDNAを取り込むものもあります。

コンピテンスの誘導は環境条件（栄養飢餓、高密度など）や細胞外シグナルによって調節され、Com 系列の遺伝子が関与することが多いです。

人工的形質転換の主な方法

研究室で広く用いられる人工的な形質転換法には次のようなものがあります。目的や宿主の種類によって最適な方法が異なります。

  • 化学的処理（CaCl2法）：大腸菌などでよく使われる。細胞をCaCl2で処理して膜透過性を高め、熱ショックによりプラスミドDNAを細胞内へ導入する。手技が簡便でコストが低い。
  • 電気穿孔（エレクトロポレーション）：高電圧パルスで細胞膜に一時的な孔を開けてDNAを導入する。多くの細胞種で高効率に導入可能だが、条件最適化が必要。
  • PEGおよびソーン処理（真核生物の酵母など）：細胞壁を除去した後（ソーン化）にPEGを用いてDNAを導入する方法。酵母や一部の真菌で使われる。
  • バイオリスティクス（遺伝子銃）：金やタングステン粒子にDNAを付着させ、加速して植物細胞や組織に撃ち込む。植物や細胞壁を持つ系に有効。
  • マイクロインジェクション・マイクロカピラリー法：個々の細胞に直接DNAを注入する方法。動物胚や大きな細胞で使用。

形質転換の実験的流れ（一般的）

  • 導入するDNA（プラスミドや断片DNA）の準備：選択マーカー（抗生物質耐性遺伝子等）や発現カセットの設計。
  • コンピテントセルの作製または購入：化学的処理または電気穿孔用に処理した細胞。
  • DNA導入操作：熱ショック、電気パルスなど。
  • 回復培養と選択：導入DNAを保持する細胞を選択培地で分離。
  • 確認：コロニーPCR、制限酵素解析、シーケンス、発現検査などで変換が成功しているか確認。

形質転換とトランスフェクションの違い

用語の使い分けには注意が必要です。一般に

  • 形質転換（transformation）：主にバクテリアに外来DNAを導入して遺伝形質を変える操作を指します（上記のように自然現象としても存在）。
  • トランスフェクション（transfection）：真核生物の細胞（動物細胞や植物細胞）に外来DNAやRNAを導入する手法を指すことが多い。手法としてはリポフェクション（脂質搬送）、カルシウムリン酸法、電気穿孔、ウイルスベクターなどがある。

なお、がん研究などでは「細胞の形質転換」という表現が「形質ががん化すること（oncogenic transformation）」を意味する場合があり、文脈で用語の意味を区別する必要があります。

応用例

  • 遺伝子クローニングと発現：目的遺伝子をプラスミドに組み込み、大腸菌などで増殖・発現させる。
  • タンパク質大規模生産：組換えタンパク質の発現・精製。
  • 遺伝子機能解析：ノックイン、ノックアウト、レポーターアッセイなど。
  • 医療・バイオテクノロジー応用：ワクチン開発、遺伝子治療ベクターの構築（ただし実用化には厳格な規制と安全評価が必要）。
  • 合成生物学：新規経路の導入や細胞の設計。

注意点と安全性

形質転換実験では、選択マーカーとして抗生物質耐性遺伝子を用いることが多いですが、環境中への拡散や耐性遺伝子の水平伝播を避けるための対策が重要です。実験は適切なバイオセーフティレベルで行い、廃棄物処理や遺伝子組換え生物の漏出防止を徹底してください。また、導入する遺伝子や発現物質が有害でないか事前に評価する必要があります。

まとめ

形質転換は、細菌が外来DNAを取り込み遺伝形質を変化させる自然現象であると同時に、分子生物学の基盤的な実験技術です。自然コンピテンスの理解と人工的導入法の開発により、遺伝子工学やバイオテクノロジーの多くの応用が可能になりました。一方で、用語の使い分け（バクテリアの「形質転換」と真核生物への「トランスフェクション」）や、倫理・安全面での配慮も重要です。