Taqポリメラーゼ

Taqポリメラーゼ

Taqポリメラーゼ（Taq polymerase）は、温泉などに生息する好熱性細菌であるThermus aquaticusから単離されたDNA合成酵素（DNAポリメラーゼ、EC.2.7.7.7）です。その名称は、発見された菌の学名、属名の頭文字である「T」と種小名の最初の二文字「aq」に由来しています。

この酵素の最も顕著な特徴は、その優れた耐熱性です。通常のDNAポリメラーゼは高温で変性して機能を失いますが、Taqポリメラーゼは90℃を超えるような非常に高い温度環境下でも比較的安定した構造を保ち、酵素活性を維持することができます。この特性は、DNAを熱で一本鎖に解離させるステップを含むポリメラーゼ連鎖反応（PCR）において極めて重要であり、PCRの自動化・普及に大きく貢献しました。

特性

PCR技術が確立されて間もない頃、Taqポリメラーゼは高い反応効率と当時としては十分な精度・速度を兼ね備えていたため、標準的なDNA合成酵素として広く利用されていました。しかし、その後の研究開発により、より高精度な複製が可能なPfuポリメラーゼや、精度と反応速度を両立させたPhusion DNA polymeraseなど、多くの高性能なDNAポリメラーゼが開発され、現在では目的に応じて使い分けられています。

Taqポリメラーゼの欠点の一つは、遺伝子複製時の正確性が他の高性能な酵素に比べて低い点です。DNAが複製される際に発生する可能性のある誤り（ミスマッチ）を修復する機能として、「プルーフリーディング活性」と呼ばれる3'から5'方向へのエキソヌクレアーゼ活性を持つポリメラーゼが存在しますが、Taqポリメラーゼはこの活性を持っていません。そのため、約9,000塩基対ごとに1箇所程度の割合でエラーが起こるとされています。これは、遺伝子クローニングなど高い忠実性が求められる実験においては考慮すべき点です。

また、Taqポリメラーゼを用いたDNA複製では、生成されたDNA鎖の3'末端にアデニン（A）が一塩基付加されるという特徴があります。このA突出末端は、分子生物学的な手法である「TAクローニング」に応用されています。TAクローニングでは、Taqポリメラーゼで増幅したPCR産物のA突出末端と、あらかじめチミン（T）が突出するように処理されたベクターDNAを、制限酵素処理することなく効率的に連結させることが可能です。

酵素活性

Taqポリメラーゼは、特定の条件下で最も高い酵素活性を示します。最適な反応条件は、pH 7.5から9.5の範囲、特に温度は72℃とされています。ただし、至適温度は75℃から80℃とも言われます。

DNA合成反応にはマグネシウムイオン（Mg²⁺）が必須であり、通常は約2 mMの塩化マグネシウムを含む緩衝液中で反応が行われます。また、カリウムイオン（K⁺）は酵素活性を促進する効果があり、約50 mMの塩化カリウムを添加することがありますが、75 mMを超える濃度では逆に酵素活性が阻害されることが知られています。塩化ナトリウムや、電気泳動のトラッキング色素であるキシレンシアノールなどは、酵素活性に影響を与えないとされています。

最適な条件下では、Taqポリメラーゼは1秒あたり30から100塩基という速度でDNA鎖を伸長させることができます。高温環境下での安定性は非常に高く、92.5℃では約2時間、95℃では約40分、97.5℃では約9分という半減期を持っています。この熱安定性により、PCRの各サイクルで熱変性ステップを繰り返しても酵素活性が失われにくいのです。例えば、72℃でわずか10秒間に約1,000塩基対のDNAを合成する能力が確認されています。

関連項目:

ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR)
好熱菌
* 極限環境微生物

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