プロトプラストとは？定義・作成法・用途と特徴をわかりやすく解説

プロトプラストとは何かを図解でわかりやすく解説。定義・作成法・用途・特徴を基礎から実験実務まで丁寧に紹介。

現代生物学におけるプロトプラストとは、細胞壁が溶けたときに細胞に残るもののこと。細胞の核とその周囲の原形質が残る。

定義：プロトプラストは、機械的または酵素的な方法で細胞壁を完全にまたは部分的に除去した植物、細菌または真菌の細胞である。

細胞壁の作り方が界面によって異なるため、それを除去するための酵素も異なる。

ポイントとなる特徴

• 構造的特徴：プロトプラストは細胞壁を失った「裸の細胞」であり、細胞膜、細胞質、核、葉緑体やミトコンドリアなどの細胞小器官を保持する。細胞外の支持がなくなるため変形しやすい。
• 可逆性：条件が整えば（適切な培地と環境下で）植物プロトプラストは細胞壁を再合成して分裂・再生し、元の組織や全植物に再生することが可能な場合がある。
• プロトプラストとセロプラスト：細胞壁が完全に除去されたものを一般にプロトプラスト、部分的に残ったり外膜だけが残るものはセロプラスト（spheroplast）と呼ばれることがある（微生物学での使い分け）。

プロトプラストの作成手順（概要）

• 試料の準備：若くて分裂能の高い組織（葉、胚、細胞懸濁液など）を用いる。壊死や損傷が少ないことが重要。
• 前処理（脱水・前プラスモリシス）：浸透圧を調整した溶液（マンニトール、ソルビトール等）で処理して細胞を収縮させ、酵素の浸透を良くする。
• 酵素処理：目的に応じた酵素混合液（下記参照）で一定時間温和に振とうまたは静置することで細胞壁を分解する。
• 分離と精製：消化後、ろ過や低速遠心で未消化組織や破片を取り除き、等張性溶液中で浮遊するプロトプラストを回収する。
• 洗浄と評価：等張液で数回洗浄し、顕微鏡観察や生存率染色（FDA、トリパンブルー等）で生存性を確認する。
• 培養／用途へ移行：分裂・再生を目的とする場合は、適切な培地と植物ホルモン条件で培養する。遺伝子導入や融合実験に進める場合はPEG処理やエレクトロポレーションなどの方法を用いる。

よく使われる酵素と条件

• 植物プロトプラスト：主にセルラーゼ（cellulase）、ペクチナーゼ（pectinase）、マセロザイム（macerozyme）などの混合酵素を用いる。浸透圧調整剤としてマンニトールやソルビトールを添加。
• 細菌（グラム陽性／陰性）：グラム陽性菌ではペプチドグリカン分解酵素（例：リゾチーム＝lysozyme）が用いられる。グラム陰性菌では外膜の処理やEDTAを併用した部分的な壁除去でセロプラストを得ることが多い。
• 真菌：キチナーゼ（chitinase）、β-グルカナーゼなどのセルロース以外の壁成分分解酵素が必要になることが多い。
• 環境条件：pH、温度、Ca2+やMg2+などのイオン、酵素濃度や反応時間は材料ごとに最適化が必要。

用途と応用例

• 細胞融合（ソマティックハイブリダイゼーション）：異種間の細胞融合により遺伝子組換えや育種（種間交配が困難な場合の形質導入）に使われる。
• 遺伝子導入・ゲノム編集：PEG媒介導入やエレクトロポレーションでDNA、RNA、CRISPR/Cas系の導入を行い、機能解析や形質改変に利用される。
• 細胞膜・輸送の研究：膜タンパク質の局在や輸送、受容体の機能解析など、細胞壁の制約がない状態での解析に適している。
• 単一細胞解析／オミクス：個々の細胞からのトランスクリプトームやプロテオーム解析に利用される。
• 薬剤スクリーニング・病理学的研究：病原性因子や抗菌・抗真菌薬の作用を細胞レベルで評価するために使われることがある。

注意点と限界

• プロトプラストは外部支持（細胞壁）を欠くため非常に脆弱で、等張条件や温度管理、無菌操作が厳密に求められる。
• すべての細胞が再生可能とは限らず、特に高等植物では系統や組織によって再生率が大きく異なる。
• 酵素処理や操作中のストレスで遺伝的不安定性や変異が誘発される可能性があるため、実験設計に注意が必要。

以上のように、プロトプラストは「細胞壁を失った細胞本体」を指し、研究や育種、バイオテクノロジーに広く応用されている重要な実験素材である。作成方法や後処理は材料によって大きく異なるため、目的に応じた条件最適化が不可欠である。

文字で検索