高校生物 電気泳動の読解—長さとバンドの対応から候補を絞り込む｜武蔵野個別指導塾

同じ長さの断片の重なりと検出限界を考え、泳動像から候補を絞ります。信号の誤差幅が判定境界をまたぐ例では、結論を保留する理由も扱っています。

よくあるのは、高校生が電気泳動の結果を見て、バンドが一本ならDNA断片も一分子だけだと答える場面です。帯の数は見えている位置の数であり、その位置に集まった分子の数を直接表すものではありません。長さの等しい断片が重なる可能性や、量が少なくて見えない可能性を残しながら、資料から候補を絞ります。

要点（結論から）

• 標準と同じ条件で位置を比べ、長さを読む。
• 同じ長さの断片は重なり、帯の本数と分子数は一致しない。
• 見えない帯は検出限界や分離不足も考える。

資料で問われること

出方の一つは、長さが既知のサイズ標準と試料のバンドの高さを比較し、断片の長さを読む問題です。同一条件のゲルで、標準と試料の位置を水平に見比べます。別の出方は、候補ごとの断片の一覧から、観察された帯に合う候補を選ぶ問題です。さらに、帯が見えなかったことから何が言えるかを問う問題では、検出限界と対照を考えます。

どの型でも、泳動の方向、標準の位置、観察できる量の条件を先に確認します。位置の一致が示すのは、この資料の分解能の範囲で長さが一致することです。塩基配列まで同じとは限らず、帯の濃さから分子数を求めるには、量と濃さの関係など追加の条件が必要です。以下の数値は説明のために作った条件で、実測値ではありません。

帯の位置と見える量を分ける

DNA断片は負に帯電しており、電場の下で正極側へ移動します。ゲルは断片の移動を妨げ、同じ条件では一般に短い断片ほど遠くへ移動します。長い断片は短い断片に比べてゲルの網目を通り抜けにくいためです。ただし、ゲルや泳動条件で分離の様子は変わるので、別々の条件で得た距離を無条件に比較しません。

サイズ標準は長さが既知の断片の集まりです。試料と同じゲル上で対応する位置を比べることで、未知の断片の長さを推定します。図1のように、出発点から下向きに泳動した資料では、下の帯ほど短いと読みます。矢印はDNAの移動方向を表します。

図1では標準の800塩基対と400塩基対の位置に試料の帯があります。試料にはその長さに対応する検出可能なDNAがあると読めます。一方、400塩基対の帯が1本でも、同じ長さの断片が多数集まっています。異なる由来の400塩基対断片が重なっていても、位置だけでは区別できません。

断片の長さは塩基対を単位にします。二本鎖DNAの400塩基対は、片方の鎖の塩基400個と、それに対応するもう片方の鎖の塩基400個からなります。長さと分子数は別の量です。泳動図の帯の本数を数えるだけで、分子数や由来の種類数を求めることはできません。

検出限界は、その条件で信号を見分けられる量の境目です。少量の断片が存在しても帯が見えないことがあります。逆に十分な量があっても、他の帯と近すぎて分離できなければ、独立した帯として数えられないことがあります。したがって、見えないことを直ちに存在しない証拠にしません。

帯の位置を縦軸にした模式図では、縦の距離は移動距離であってDNA量ではありません。濃さを表すグラフが別に与えられた場合も、横軸と縦軸、単位、背景を読みます。標準の長さと移動距離の関係は一般に単純な比例とは限らないため、問題が補間方法を指定しない限り、標準の間を等間隔として正確な長さを計算しません。

候補を比較するときは、まず各候補から現れるはずの位置を一覧にします。次に、観察された位置が候補で説明できるか、候補が予測する別の位置が観察されているかを両方向から調べます。観察された帯を説明できても、別に現れるはずの帯が欠けていれば、検出条件を満たす候補は除外されます。逆に検出条件が不明なら、欠けた帯の理由を決めつけることはできません。

同じ長さに見える帯の位置には測定や読み取りの誤差もあります。近い位置の帯を等しい長さと見なせる範囲は、資料の分解能や指定された誤差によって判断します。標準と試料が明確にずれている場合に同じと決めたり、わずかなずれだけで別の長さだと断定したりせず、与えられた条件に立ち返ります。

基本例題：同じ長さの重なり

ある試料から得た二本鎖DNA断片を調べます。候補Aは800塩基対が1種類、400塩基対が2種類、候補Bは800塩基対が1種類、400塩基対が1種類、200塩基対が1種類です。各種類は十分な量があり、異なる長さは分離され、標準と同じ長さは同じ高さに現れるとします。観察された帯は800塩基対と400塩基対の位置にあります。候補を選び、理由を記述してください。

まず候補の各長さを、種類数と帯の位置に分けます。Aの400塩基対の2種類は同じ位置に重なります。Bは200塩基対の位置にも検出可能な帯を生じる条件です。図2のように、候補から予測した位置と観察された位置を比較します。

図2のAは800と400の2位置、Bは800と400と200の3位置に帯が現れます。観察は2位置なので、答えはAです。Bについては、200塩基対が十分な量で分離されるという条件の下で、その帯がないことが矛盾します。

答えを元の条件に戻して確かめます。Aには断片の種類が3種類ありますが、異なる長さは2通りです。したがって予測される帯は2本で、観察と一致します。別解として、観察にない200塩基対を持つBを除き、残るAが観察された両位置を作るか確認してもよいです。除外した後に残った候補を照合することが、見落としを防ぎます。

標準例題：検出限界を条件に入れる

別の資料で、候補Cは900塩基対と300塩基対、候補Dは900塩基対だけを含みます。各長さは互いに分離されます。900塩基対は十分に検出できる量ですが、Cの300塩基対は検出限界未満の場合があります。900塩基対の位置にのみ帯が見えたとき、CとDのうち除外できない候補を答え、その理由を記述してください。

Cでは300塩基対が存在しても少量なら見えないため、900塩基対だけが観察される場合があります。Dも900塩基対の帯を生じます。よって除外できない候補はCとDです。Cが確定したという意味でも、Dが確定したという意味でもありません。

もしCの300塩基対が必ず検出可能な量だと追加されたら、観察と合わないCを除外できます。反対に、検出の成否を知らないまま「帯がないから断片がない」とする答えは成立しません。二つの条件の違いを答案に書くと、何を根拠に候補を除いたかが明確になります。

発展示題：対照と観測誤差

同じゲルで試料Eと対照を比べた自作資料を考えます。標準の600塩基対の位置で測った背景を差し引いた信号は、試料Eが5単位、600塩基対を含む陽性対照が20単位、DNAを含まない陰性対照が1単位でした。この資料では、背景補正後の信号が10単位以上なら検出したと判定し、測定値の観測誤差は各値について最大2単位とします。試料Eの600塩基対断片について言えることを記述してください。

試料Eは誤差を考えても3〜7単位であり、判定境界の10単位未満です。陽性対照は18〜22単位で境界を上回り、陰性対照はこの境界を下回ります。したがって、この資料の判定では試料Eに600塩基対の信号は検出されません。ただし、断片が存在しないとは断定できません。少量で検出限界を下回った可能性が残ります。

陽性対照は、その位置の信号を検出できる条件が成立したかを見るために置きます。陰性対照は、試料を入れない場合の背景や混入を検討するために置きます。いずれかが期待と違えば、試料の陰性をそのまま解釈せず、資料全体の測定条件を検討します。陽性対照が正常でも、試料の量が十分だったことまでは保証されません。

例えば信号が9単位で誤差が最大2単位なら、真の値は7〜11単位の範囲に及びます。点の値だけなら境界未満ですが、誤差を考えると境界をまたぐため、検出の判断は慎重に保留します。測定を繰り返してばらつきを調べ、必要に応じて別の方法でも確かめる設計が考えられます。操作は学校の指導の下で行い、ここでは資料の判断に限ります。

誤答を直す三つの視点

誤答1は「1本の帯は1分子」です。図3のように、同じ長さの多数の分子が同じ位置に集まるので、帯の本数は分子数ではありません。修正するなら「この位置に検出可能な量の、ほぼ同じ長さの断片がある」とします。

誤答2は「見えない帯に対応する断片は必ずない」です。検出限界未満や分離不足という場合が抜けています。図3の帯が見えない欄のように、存在しない場合と存在しても見えない場合を分け、量と分解能の条件を探します。

誤答3は「同じ高さなら同じ配列」です。長さが同じでも塩基の並びは異なりえます。サイズ標準から比較できるのは長さであり、配列や由来を決めるには別の情報が必要です。候補が複数残ったら、無理に一つを選ばず、どの追加資料が区別に役立つかを書きます。

帯の濃さを数える問題も注意が必要です。帯が濃いことを直ちに断片の種類が多いと読み替えることはできません。各断片の量、染色や検出の関係、背景の影響が与えられなければ、濃さだけで種類数を決定できないからです。量の比較を求められた場合は、その関係を問題文が定めているか確かめます。

練習問題

各問の長さは二本鎖DNAの塩基対数です。特に断りがない限り、異なる長さは分離され、十分な量の断片は検出されます。答えの形は各問の指示に従ってください。

1. 標準の1000、700、250塩基対の位置にそれぞれ帯があり、試料の帯は700と250の位置に一致しました。試料の検出された長さを塩基対で列挙してください。
2. 候補Fは1200、500、500塩基対、候補Gは1200、500、150塩基対の断片を含みます。この問では、どの長さの断片も検出限界を上回る量があるとします。1200と500の位置だけに帯が見えました。候補を記号で答え、理由を記述してください。
3. 候補Hは1100と350塩基対、候補Iは1100塩基対を含みます。Hの350塩基対は検出限界未満の場合があります。1100の帯だけが見えたとき、除外できない候補を記号で列挙してください。
4. 試料のある位置の背景補正後の信号は12単位、誤差は最大3単位です。検出の判定境界は10単位以上です。誤差を考えたとき、境界との関係を数値の範囲で示し、判断を記述してください。
5. 同じゲルの試料に450塩基対の帯が1本見えました。この帯から断片が1分子であると結論できるか、理由を添えて答えてください。

練習の答えと解き方

1. 700塩基対と250塩基対です。標準と同じ高さをそれぞれ照合します。答えの2つを標準に戻すと、いずれも試料の帯と一致します。1000塩基対の位置には試料の帯が示されていません。

2. Fです。Fの2つの500塩基対断片は同じ位置に重なり、1200と500の2位置に帯を作ります。Gなら150の位置にも帯が現れるため、観察と合いません。Fの長さの一覧に戻しても、観察された2位置が両方得られます。

3. HとIです。Hでも350塩基対が検出限界未満なら1100の帯だけが見える場合があり、Iでも同じ観察になります。両候補を元の条件に戻すと、どちらも観察と矛盾しません。Hの350が確実に検出可能なら結論は変わります。

4. 9〜15単位で、境界の10単位をまたぐため判断を保留します。12から3を引くと9、3を足すと15です。元の測定値12単位から上下3単位を含む範囲になっていることを確認します。測定値そのものは境界以上ですが、誤差を考慮した結論は別に述べます。

5. 結論できません。450塩基対の位置には同じ長さの多数の分子が集まりえます。帯が1本という観察に戻しても、複数の分子が重なった場合と矛盾しません。分子数を決めるための情報は、この条件にはありません。

要点

• 標準と同じ条件で位置を比べ、長さを読む。
• 同じ長さの断片は重なり、帯の本数と分子数は一致しない。
• 見えない帯は検出限界や分離不足も考える。
• 対照と誤差を調べ、候補を除く根拠と結論の限界を書く。

答案のどこを見るか

個別指導では、まず答案の帯の数と断片の種類数に印を付け、その間にどんな対応を置いたかを尋ねます。次に、見えない位置を指し、十分な量があるという条件がどこにあるかを一緒に確かめます。標準の読み違いなら泳動方向に戻り、検出の問題なら対照と誤差に戻ります。一本の帯から言える範囲を定めることが、候補を正しく残す出発点です。