なぜTaqポリメラーゼは耐熱性なのか？

Taqポリメラーゼは、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）において、in vitroでDNAを合成するために用いられる酵素です。

大腸菌のDNAポリメラーゼ1に類似している。

PCRで使用される高温に耐えることができ、酵素活性を保持することができる。

Taqポリメラーゼは、Thermus aquaticusと呼ばれる好熱性細菌に自然に存在する。

この細菌は、熱水噴出孔や温泉などの非常に高温の環境に生息している。

そのため、高い耐熱性を持っています。

Taqポリメラーゼの活性に最適な温度は75-80℃です。

Taqポリメラーゼとは

Taqポリメラーゼは、市販の耐熱性DNAポリメラーゼで、PCRでDNAを合成する際に使用されます。

Thermus aquaticusという真正細菌に由来する。

この細菌の自然生息地は、周囲温度が70〜75℃の高温の温泉です。

図1にTaqポリメラーゼの構造を示す。

図1：Taqポリメラーゼの構造

Taqポリメラーゼは、94 kDのDNA依存性DNAポリメラーゼで、大腸菌のDNAポリメラーゼ1と相同性があります。

したがって、Taqポリメラーゼは、3′-OHヌクレオチド付加部位、dNTP/DNA結合部位、5′-3′エキソヌクレアーゼ部位で構成され、3′-OHヌクレオチド付加部位は、3′-3′エキソヌクレアーゼ部位と呼ばれる。

しかし、入ってきたヌクレオチドのプルーフリーディングを行うための3′-5′エキソヌクレアーゼドメインを欠いている。

Taqポリメラーゼが自然に存在する細菌は、好熱性細菌です。

熱水噴出孔や温泉のような極端な温度の環境に生息している。

Thermus aquaticusは、アメリカのイエローストーン国立公園の発泡性温泉から分離されました。

水棲サーマスは極端な温度環境に適応しているため、この菌から分離されたTaqポリメラーゼも高温に耐えることができる。

図2にイエローストーン国立公園の温泉を示す。

図2：イエローストーン国立公園のグランド・プリズマティック・スプリング

DNA依存性DNAポリメラーゼ1のKlenowフラグメントは、熱に安定でないPCRに初めて使用された。

しかし、5′から3′のエキソヌクレアーゼ活性を欠いていた。

Klenowフラグメントの至適温度は37 ℃です。

したがって、各サイクルごとに新鮮な酵素を反応に加えなければならなかった。

残りのKlenowフラグメントは、95℃で行われるPCRの変性ステップで変性された。

さらに、Klenowフラグメントは400bp以下のフラグメントしか合成できない。

PCRのステップを図3に示す。

図3：PCR
1-95℃での変性、2-68℃でのアニーリング、3-72℃での伸長、4-1サイクルの終了。

一方、1966年、Thomas D. Brockは、アメリカのイエローストーン国立公園の発泡性温泉から好熱菌Thermus aquaticusを発見した。

その後、PCRにはThermus aquaticusから抽出したTaqポリメラーゼが使われるようになった。

Taqポリメラーゼは、PCRの際に鋳型にヌクレオチドを付加してプライマーを伸長させるために使用される。

PCRの際、反応物は95℃に加熱される。

通常のDNAポリメラーゼは、この高温で変性してしまう。

しかし、Taq polymeraseの至適温度は75〜80℃です。

さらに、Taqポリメラーゼのエラーレートは、約100万塩基対に1つです。

PfuもPCRでTaqポリメラーゼの代わりに使われる耐熱性DNAポリメラーゼの一種である。

プルーフリーディング能力を持っています。

そのため、Taqポリメラーゼよりも精度が高い。