コンピテントセル

コンピテントセル（competent cells）とは、遺伝子工学や分子生物学の分野で用いられる、外来のDNA（例えばプラスミドなど）を細胞内部に取り込みやすい状態にした細胞です。この技術は、目的とする遺伝子の機能解析やタンパク質生産などに不可欠です。

作製方法とその原理

コンピテントセルとして最も一般的に用いられるのは大腸菌です。通常、大腸菌の細胞膜はDNAのような大きな分子を通しませんが、特定の化学的な処理を施すことで、一時的にDNAが通過できるようになります。この処理の典型的な方法は、細胞が活発に増殖している「対数増殖期」にある大腸菌を、カルシウムイオンなどの2価の陽イオンを含む溶液の存在下で冷却するというものです。

この冷却処理により、大腸菌の細胞膜の透過性が増大し、DNAが膜を通過しやすくなります。この状態の細胞がコンピテントセルです。作製されたコンピテントセルは、多くの場合、超低温（液体窒素温度から-80℃など）で保存され、使用時に融解して用います。

DNAを細胞内に導入する際には、コンピテントセルに目的のDNAを穏やかに加えます。その後、溶液を希釈することで、細胞がDNAを取り込む現象、すなわち「形質転換」が起こります。この際、DNAの取り込み効率を高める目的で、「ヒートショック」と呼ばれる短時間の熱処理（通常は37℃から42℃で数十秒間）を行うことが一般的です。

形質転換された細胞の選択

上記の処理を行っても、全ての細胞がDNAを取り込んで形質転換されるわけではありません。形質転換細胞を選択するには、「薬剤選択」という工程が必要です。これは、導入したDNA（プラスミドなど）に含まれる特定の薬剤に対する耐性遺伝子を利用する方法です。

例えば、プラスミドにアンピシリン耐性遺伝子が含まれている場合、処理後にアンピシリンを含む寒天培地で培養することで、プラスミドを取り込んだ細胞のみが増殖し、コロニーを形成します。これにより、形質転換された細胞だけを選び出すことができます。

形質転換効率

コンピテントセルを用いた形質転換の成功率は、「形質転換効率」として評価されます。これは、導入したDNA量（通常はプラスミド1マイクログラムあたり）に対して、形質転換されてコロニーを形成した細胞数（cfu/μg plasmid）で表され、数値が大きいほど効率が良いとされます。

形質転換効率は、使用する大腸菌の菌株、培養条件、コンピテントセル作製時の化学処理の組成、作製後の保管条件など、様々な要因に影響されます。熱処理の条件も影響すると言われています。

特に、目的とする遺伝子の量が少ない実験では、高い形質転換効率を持つコンピテントセルを使用することが重要です。しかし、実験室で安定して高い効率のコンピテントセルを作製するのは難しいとされており、効率は実験室レベルでは10^4から10^6程度、市販品では出荷時に10^8から10^9程度の効率が期待できますが、輸送や保管により効率が低下する場合があります。

歴史的な背景

大腸菌が化学的な処理によってDNAを取り込む能力を獲得するという発見は、1970年にMandelとHigaによって報告されました。この初期の方法は単純なカルシウムイオン処理でした。

その後、より高い効率と安定性を得るための改良が重ねられました。Hanahanによって開発された方法は、複数の成分を含む複雑な組成の緩衝液で処理することで、高い形質転換効率と長期保存を可能にし、広く普及しました。また、井上らによって開発された方法は、細胞を比較的低温で培養し、比較的単純な組成の緩衝液で処理することで、安定して高い形質転換効率が得られるようになりました。

コンピテントセル