簡易型DNA分子モデルの開発
著者 田中 幸枝, 小鍛冶 優, 淺原 雅浩, 川井 昌之, 上 田 昌範, 藤井 豊
雑誌名 福井大学医学部研究雑誌
巻 11
号 1.2
ページ 7‑11
発行年 2010‑12‑27
URL http://hdl.handle.net/10098/2934
簡 易 型DNA分 子 モデ ル の 開発#
田 中 幸 枝1,小 鍛 冶 優 ※1,淺 原 雅 浩2,川 井 昌 之3,上 田 昌 範 ※2,藤 井 豊1$
1生命 情 報 医 科 学 講 座 分 子 生 命 化 学領 域(旧:化 学),2教 育 地 域 科 学 部 理 数 教 育 講 座 化 学, 3大学 院 工 学 研 究 科 機 械 工 学 専 攻 シ ス テ ム制 御 工 学
Development of the Simplified DNA Molecular Model
TANAKA, Yukiel, KOKAJI, Masaru'', ASAHARA, Masahiro', KAWAI, Masayuki', UEDA, Masanori, and FUJII, Yutaka'
'Department of Chemistry , School of Medicine, Faculty of Medical Sciences, University of Fukui, 'Division of Chemistry
, Department of Science and Mathematics Education, Faculty of Education and Regional Studies, University of Fukui,
'Department of System Control Engineering
, Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, University of Fukui
Abstract :
A lot of junior high schools and high schools hope to use molecular models of DNA in life science classes. A lot of comments regarding their willingness to make a molecular model of DNA are sent to us. However, it is not easy for the student to make a complete molecular model of DNA. Recently, we developed a simplified molecular model using the socket and dimple method.
The model is composed of six kinds of classified balls, which symbolize adenine, thymine, cytosine, guanine, phosphate group, and deoxyribose, respectively. The students can easily study the mechanism of the reproduction of DNA by using this model.
Key Words : DNA, molecular model, simplified type, life science, education, socket, dimple
#こ の 研 究 は
,科 学 研 究 費 ・Hl7‑18・ 特 定 領 域 研 究(17011030),H17‑19・ 基 盤 研 究(C)(17500579),H20‑22・ 基 盤 研 究(B)(20300253),福 井 大 学 ・H19・ILF,H21・ 学 長 裁 量 経 費 ・基 礎 的 萌 芽 的 研 究,H22・ 競 争 的 配 分 経 費 ・教 育,H18・ 日 産 科 学 振 興 財 団 「理 科 ・環 境 教 育 助 成 」,H19・ 日本 教 育 公 務 員 弘 済 会 奨 励 金,Hl8・ 北 陸 経 済 連 合 会 ・実 用 化 助 成 事 業 助 成 金 か ら 助 成 を 受 け て 実 施 され た 。
※1永 平 寺 町 立 上 志 比 中 学 校 ・〒910‑1314福 井 県 吉 田 郡 永 平 寺 町 栗 住 波16‑47
※2㈲ 福 井 ウ ル テ ッ ク ・ 〒915‑0052福 井 県 越 前 市 矢 放 町4‑7(松 原 産 業K .K.内)
$問 い 合 わ せ ・論 文 請 求 先
(Received14September,2010;accepted18November,2010)
田中 幸枝,小 鍛 冶優,淺 原 雅 浩,川 井 昌 之,上 田昌 範,藤 井 豊
ま えが き
普 段 の 学 校 教 育 に お い て,生 徒 一 人 ひ と りが 分 子 模 型 教 材 を使 い,楽 しみ な が ら学 習 で き る 環 境 を作 る た め,発 泡 ス チ ロー ル 球 と爪楊 枝 を使 っ た 非 常 に安 価 な ポイ ン タ ー 方 式 分 子 模 型 キ ッ ト(1〜3)お よび 中学 化 学 反 応 学 習 キ ッ ト(4・5)を 開発 して き た。 ポ イ ン ター 方 式 で は,ポ イ ン ター と呼 ば れ る球 面 定規 を使 い,原 子 と して使 う発 泡 ス チ ロール 球 に,任 意 の 結 合 ポ イ ン ト を設 定 す る。 これ に よ り,あ ら ゆ る分 子 模 型 の 製 作 が 可 能 とな っ た 反 面,過 重 の ポ イ ン ター 作 業 の 負 担 が か か り,分 子模 型 の製 作 に か な りの時 間 を 要 した 。 これ で は,教 育 現 場 の授 業 時 間(50分 間)内 で は十 分 な対 応 が で き な い 。 そ こ で,こ の ポ イ ン ター 作 業 を 軽 減 す る た め,新 し くデ ィ ン プル 付 球 と結 合 パ イ プ の 差 込 ソ ケ ッ トを 開発 した(6)。 ソケ ッ ト ・デ ィ ンプ ル 方 式 分 子 模 型 教 材 の誕 生 で あ る。
中 学校 な らび に高 校 で は,近 年 目覚 し く発 展 して き て い る 生命 科 学 分 野 の授 業 に も力 を入 れ て い る。 生 命 科 学 の象 徴 と云 え ば遺 伝 子DNAで あ ろ う。 授 業 にDNA モ デ ル を 活 用 した い との 要 望 は多 数 寄 せ られ る。 従 来 方 式 の ポ イ ン ター 方 式 で は,モ デ ル と して 完 全 なDNA の ワ トソ ン ・ク リ ック モ デ ル の 製 作 が 可 能 で あ る。 し か し,こ れ に は膨 大 な製 作 日数 を必 要 とす るた め,提 示 用 や 展 示 用 に 限 られ る。 生 徒 一 人 ひ と りが 活 用 で き る も の で は な か っ た。 今 回,ソ ケ ッ ト ・デ ィ ンプ ル 方 式 分 子 模 型 教 材 の 開発 を 契機 と して,授 業 で 簡 単 に使 え る簡 易 型 のDNA分 子 模 型 教 材 を 開発 した の で報 告 す る。
教 材 開 発
① ポ イ ン タ ー 方 式 に よ る 完 全 型DNAモ デ ル
DNAのB型 二 重 ら せ ん 構 造 ・ワ ト ソ ン ・ク リ ッ ク モ デ ル は,A:ア デ ニ ン,T:チ ミ ン,C:シ トシ ン,G:グ ア ニ ン の4種 の 塩 基 と,dR:デ オ キ シ リボ ー ス お よ びP:リ ン 酸 か ら な っ て い る(図1)。 使 用 す る 原 子 数 は,20塩 基 対 の モ デ ル で2,000球 以 上 に も な る 。 ま た,モ デ ル が 巨 大 化 す る た め,模 型 全 体 を 支 え る 支 柱 と 一 っ 一 っ の 塩 基 対 を 固 定 す る 台 が 必 要 に な る な ど非 常 に 手 間 の か か る も の で あ る(図2)。 実 際,モ デ ル1体 を 製 作 す る の に,大 学 生16人 で5回 分 の 授 業 に 相 当 す る 時 間 と労 力 を 必 要 と す る 。 こ れ で は,中 学 校 や 高 校 の 短 い 授 業
時 間 内 で扱 うこ とは不 可 能 で あ る。そ こで,DNAと して の基 本 特 性 を有 す る簡 易 型 のDNAモ デ ル の 開発 が必 要 に な っ て き た。
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図1完 全 型DNAモ デ ル に必 要 な部 品 完 全 型 モ デ ル に 必 要 な 部 品 は,グ ア ニ ン ・シ トシ ン 塩 基 対(G=C,27球),ア デ ニ ン ・チ ミ ン 塩 基 対(A=T, 28球),リ ン 酸(P,8球x2/塩 基 対)お よ び デ オ キ シ
リ ボ ー ス(dR,32球x2/塩 基 対)で あ る 。 一 塩 基 対 あ た り,107〜108球 が 必 要 で あ る 。
支 柱
ノ
図2完 全 型DNAモ デ ル の 概 観
右 巻 き の二 重 らせ ん構 造 を して い る。モ デ ル は ワ トソ ン ・ク リ ック モ デル と して有 名 で あ る。 特 徴 的 な,狭 い 溝 と広 い溝 が あ る。 しか し,塩 基 対 と らせ ん の 関係 は, 原 子 球 が混 み 合 っ てい るた め返 っ て分 り辛 い。
② 新 開 発 ソケ ッ ト ・デ ィ ン プル 方 式 分 子模 型 教 材 を 活 用 した簡 易 型DNAモ デル の 開発
簡 易 型DNAモ デ ル で は,4種 の塩 基,リ ン酸 お よび デ オ キ シ リボ ー ス を象 徴 す る1つ の原 子 球 で そ れ ぞ れ 代 表 させ る。 これ に よ り,1塩 基 対 あ た りに 必 要 な球 は6個 とな り,完 全 型 モ デ ル に必 要 な100個 強 と比 べ
て大 幅 な簡 易 化 が達 成 で き る。簡 易 型 で は,DNAの 側 鎖 を構 築 して い る リ ン酸 とデ オ キ シ リボ ー ス の球 はsp3 混 成 軌 道 用 のそ れ ぞ れ 直 径35mmお よび 直 径30mm原 子 球 を用 い る。一 方,塩 基 はsp2混 成 軌道 の 直径30㎜ 原 子 球 を用 い る(図3)。 この 組 み 合 わ せ が,DNAの 二 重 らせ ん構 造 の特 徴 を再 現 す る の に都 合 が よ い。側 鎖 は, リン酸 の原 子 球 とデ オ キ シ リボ ー ス の原 子 球 を交 互 に つ な ぐ。 これ を2本 作 り,互 い に 向 き を 逆 に して 机 上 に並 べ る。 塩 基 対 は,長 め の5cm長 の プ ラ スチ ックパ イ プ を2本 用 い て対 に な る よ うにす る。AT塩 基 対 は2 本 の水 素 結 合 で対 を なす の で これ で よ い が,GC塩 基 対 は3本 の水 素 結 合 で対 を なす 。GC塩 基 対 を3本 のパ イ プ で連 結 す る こ とも 可能 で あ るが,ら せ ん の 軸 を通 す とき に3本 目の パ イ プ が 障 害 に な る こ と と,簡 易 型 で あ る とい う事 情 か らあ え て2本 でGC塩 基 対 を表 現 した。
35mm球 5'末 端
dR
4ソ ケ ッ ト付 4ソ ケ ッ 付 3'末 端dR
30mm球
DNAモ デル の製作
上 dRdRdR
同 じもの2本 作 り、 向きを反対 に並べて おく。
dR
30mm球3ソ ケット付
下 dR
3'末端 5P端 上 dRdRdR
側 鎖 の 製 作
P:リ ン 酸(35mm,sp3タ イ プ) dR:デ オ 主 シ リボ ー ス(30mm,
sp3タ イ プ) いパイプ
/
塩基 対の製 作(30mm,sp2タ イプ)
◎G:グ アニ ンとC:シ トシン
◎A:ア デニン とT:チ ミン 青と赤、 黒と黄の 組合せ
5
リン酸 のPは 、テ ー ブル か ら浮 き上が って いる 上
リ ン酸のPは 、テ ーブ ルか ら浮 き上 が って いる
末端
サ イ ドビ ュ ー 浮いて いる テーブルに接している dRdR
易雛 〃 テーブル難 髪微
図4側 鎖 と塩 基 対 の 位 置 関 係
2本 の側 鎖 の伸 び る 方 向 は,互 い に逆 平 行 の 関 係 に あ る。 そ して,塩 基 対 に 対 して シ ス 位 に配 置 され る。 こ の 位 置 取 りが 完 全 型DNAで 見 られ る狭 い溝 と広 い 溝 を作 り
出す 元 に な る。
次 に,塩 基 対 を 両 サ イ ドの デ オ キ シ リボ ー ス の連 結 部 で90° 回転 させ る(図5)。 サ イ ドビュー で わ か る よ うに各 塩 基 対 の 中心 に らせ ん の 軸 を とおす 空 間 が で き る。こ の空 間 を利 用 して,ス タ ン ドの支 柱 を とお す(図
6左)。 らせ ん が 右 巻 き に な る よ うに,塩 基 対 を 下 か ら 順 に反 時 計 回 りにひ ね りを 加 えて,全 体 が きれ い な ら せ ん構 造 に な る よ う整 形 す る(図6中 ・右)。
5'末 端
図3簡 易 型DNAモ デ ル に必 要 な部 品 リン酸 とデ オ キ シ リボ ー ス か らな る側 鎖 の 部 品 とGC 塩 基 対 とAT塩 基 対 の部 品。側 鎖 に はsp3混 成 軌 道 の原 子 球 を用 い る。 塩 基対 に は,sp2混 成 軌 道 の 原 子 球 を用 い る。簡 易 型 で は,1塩 基 対 あ た り6個 の球 で表 現 で き る。
これ は組 み 立 て る とき,完 全 型 モ デ ル に比 べ て1/10の 労 力 で済 む とい う大 き な利 点 が あ る。
中央 の塩基対を90° 回転 することで、各 塩基 対の真ん中 に軸 を通すことができる
端
サ イ ドビ ュ ー 浮いている テーブルに している dRdR
〃 麟 聯 テーブル 易醐%勿
互 い に 逆 平 行 に伸 び た2本 の 側 鎖 の 問 に,塩 基 対 を 両 サ イ ドに あ る デ オ キ シ リボ ー ス の位 置 で 連 結 す る (図4)。 これ に よ りDNAの 相 補 的 な構 造 を 表 現 で き る。
側 鎖 の リン酸 側 が5'末 端,デ オ キ シ リボ ー ス 側 が3'末 端 を あ らわ す 。2本 の側 鎖 は,塩 基 対 の 平 面 に 対 して シ ス型 に な る よ うに配 置 され る(図4サ イ ドビ ュー)。
こ の よ うに 配 置 す る こ とで,ら せ ん構 造 に した とき, 狭 い溝 と広 い溝 を表 現 で き る よ うに な る。
図5ら せ ん 回転 軸 の 形 成
ソケ ッ ト ・デ ィ ン プル 方 式 を用 い てい る た め,結 合 軸 で の回 転 が 自 由 で あ る。そ の た め,通 常 の市 販 モ デ ル と
同様 に変 形 操 作 が可 能 で あ る。塩 基 対 を 回転 させ て,DNA の 中心 に らせ ん 回転 の軸 が とお る よ うにす る。
田中 幸枝,小 鍛 冶優,淺 原 雅 浩,川 井 昌 之,上 田昌範,藤 井 豊
3・末 端 軸5末 端
モ 等dR
匡で匡で
砦 く
匡で
5'末 端
匡で匡で匡で
軸
弁 粉 ド
dR :◎ 万
題
魯 吃3'末端 ス タ ン ド
艶
軸 を中心 に1塩 基対 当 り36度 ずつひ ねる
駅 ノ
護 仁 緬
図6簡 易 型DNAモ デ ル の 完 成 塩 基 対 の 中 央 に ス タ ン ドの支 柱 を 通 す(左)。 反 時 計 回 りに下 か ら塩 基 対 をひ ね りな が ら,全 体 が右 巻 き の ら せ ん を巻 く よ うに 整 形 す る(中 ・右)。 一 番 上 の塩 基 対
を,取 付 け た洗 濯 バ サ ミな どに 引 っ掛 け て ズ レ落 ち ない よ うにす る。
え ない 。 しか し,中 学 生 で もDNAの 構 造 を学 習 す る こ とが で き る こ とを示 す 結 果 で あ る と思 われ る。
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実 用 化 試 験 と考 察
SPP中 大 連 携 授 業 で の 実 証
JST・H22年 度SPPサ イ エ ン ス ・パ ー トナ ー シ ップ ・ プ ロ ジ ェ ク ト(BDIO2085)(7)で,上 志 比 中学 校,松 岡 中学 校,永 平 寺 中学 校 お よび 大 東 中学 校 の生 徒(36名)
と理 科 教 諭(6名)の 協 力 を得 て,簡 易 型DNAモ デ ル を 使 っ た 「遺 伝 子DNAの 構 造 と遺 伝 の仕 組 み:複 製 の メ カ ニ ズ ム」 に 関す る50分 授 業 を 実施 した(写 真1)。
二 人1組 で10塩 基 対 の 簡 易 型DNAの モ デル を製 作 した。
約20分 の 説 明 で 完 成 で き る。簡 易 型 で説 明 図 が直 感 的 で あ る た め,説 明 をす るま で も な く,理 解 の 早 い 生 徒 は15分 ほ どで完 成 させ て い た。 こ の こ とか ら,DNAの 基 本 構 造 に つ い て は,中 学 生 で も容 易 に 理解 で き る も の と考 え られ た。
次 に遺 伝 メ カ ニ ズ ム の 中心 的 な 出来 事 で あ るDNAの 複 製 の機 構 を再 現 す る試 み を実 施 した。 塩 基 対 を端 か
ら真 ん 中 で 開 い て 行 き,開 い た と こ ろ か ら,相 補 的 に な る よ うに,そ れ ぞ れ 塩 基,デ オ キ シ リボ ー ス そ して リン酸 を順 に 取 り付 け て い く。 これ を,他 端 ま で 繰 り 返 す と,元 のDNAと ま っ た く同 じ塩 基 配 列 のDNAが2 本 で き る こ と を体 験 す る こ とが で き た。 これ も,原 理 は 自明 な た め,説 明 をす るま で も な く生 徒 は 複 製 の機 構 を再 現 して い た 。 た だ,側 鎖 が 逆 平 行 に な らな い 組 も あ っ た こ とか ら,DNAの 構 造 を完 全 に理 解 した とはい
貌 調
壁'
幽 直 爆 一 一'1
L一 血 、§
写 真1SPPで の 実 証 試 験
H22年 度SPPサ イ エ ン ス ・パ ー トナ ー シ ッ プ ・プ ロ ジ ェ ク ト(BD102085:遺 伝 子DNAと 生 物 一DNAの 働 き とそ の応 用 技 術 の体 験 学 習 と生 物 多 様 性 一)で の取 り組 み と して,簡 易 型DNA分 子 モ デ ル の実 践 活 用 を試 み た 。僅 か 15〜20分 ほ どでDNA分 子 モ デ ル が完 成 し,簡易 型 モ デ ル の実 用 性 が 示 され た 。 ソ ケ ッ ト ・デ ィ ンプ ル 方 式 で は, モ デ ル に柔 軟 性 が 出 る た め,少 々手 荒 く扱 って も破 損 す る こ と は ない 。中 に は環 状DNAを 作 製 して肩 に か け て い る生 徒 もい た 。簡 易 型 モ デ ル の取 り扱 い が非 常 に簡 単 に な った た め,DNAの 複 製 な ど の製 作 体 験 学 習 も行 え る。
ま とめ と今 後 の 展 望
10塩 基 対 の簡 易 型DNAモ デル で あれ ば,二 人20分 ほ どで完 成 させ る こ とが で き る。50分 とい う授 業 時 間 内 で十 分 活 用 で き る教 材 で あ る。 今 後,簡 易 型DNAモ デ ル の授 業活 用 法 を練 り上 げ,中 学 校 高 校 の み な らず 大 学 学 部 教 育 で の 楽 しい 生命 科 学 の 授 業 展 開 を 図 りた い 。
謝 辞
永 平 寺 町 教 育 委 員 会 の 増 田実 典 指 導 主事 お よび 永 平 寺 町 上 志 比 中学 校 の 島 田和 寛 校 長 に は,実 証試 験 の許
諾 ・評 価 ・コ メ ン トを い た だ き 感 謝 し ま す 。
参 考 文 献
(1)分 子 模 型 作 製 方 法 の 開 発,藤 井 豊,薇 猴 学 医 学 部 硯 灘Vol.4,P73‑80,2003.
(2)フ ラー レンC60の 分 子 模 型 製 作 方 法,藤 井 豊,餅 フし臨≒糎 学辮 雛 扇孟Vol.5,37‑41,2004.
(3)分 子 模 型 制 作 方 法,及 び 分 子模 型,発 明者 ・餅 書, 出願 人 ・福 井 大 学,耀2003‑0994忽 特 許 第3757283, 2006.
(4)分 子模 型 制 作 方 法 及 び 化 学 反 応 学 習 教 材,発 明 者 ・藤 井 豊,淺 原 雅 浩,出 願 人 ・福 井 大 学,纈2006‑33184Z 2006.
(5)ポ イ ンタ ー方 式分 デ鯉 製 炸 マニ ュ ア ル,電 子 第1版 ・ 編 集:福 井 大 学 ・分 子 生 命 化 学(文 部 科 学 省 特 定 領 域 研 究 「新 世 紀 型 理 数 科 系 教 育 の 展 開 研 究 」支援 事 業),著 者 ・ 藤 井 豊,上 田 昌範,福 井 ウル テ ッ ク,2007.
(6)分 子模 型,発 明 者 ・藤 井 豊,田 中 幸枝,出 願 人 ・ 福 井 大 学,鞭200ρ 一28008夙2009.
(7)遺 伝 子DNAと 生 物 一DNAの 働 き とそ の応 用 技 術 の体 験 学 習 と生 物 多 様 性 一,藤 井 豊,田 中 幸 枝,小 鍛 冶 優,
∬7揮 搬 繍 鮒 ・∬22鞭5ア ρズ ーノf一サ ープエ ン ズ ・パ ー みナ ー シ ップ ・プ 〃 ジ ェ ク み 御10208の 禦 β 蔽 差亨諄 ・inpress.
