二次元電気泳動

二次元電気泳動（にじげんでんきえいどう）

二次元電気泳動とは、物質を分離および分析する手法の一つであり、特に生命科学分野において複雑な試料に含まれるタンパク質の解析に広く用いられています。この技術の最大の特徴は、異なる二つの原理を利用して段階的に物質を分離する点にあります。

広義には、いかなる物質であっても、連続して二つの方向に電気泳動を行うことによって分離・分析する方法全般を指すことがあります。しかし、一般的に「二次元電気泳動」という言葉が使われる際は、生体由来の試料に含まれる多数のタンパク質を網羅的に分離・解析する目的で用いられる技術を指すのが通例です。

原理と手順

タンパク質分析に用いられる二次元電気泳動は、主に以下の二つのステップを経て行われます。

1. 一次元目の分離：等電点電気泳動 (Isoelectric Focusing, IEF)
最初の分離は、タンパク質の等電点（pI）に基づいて行われます。タンパク質はそれぞれ固有のアミノ酸組成を持っており、その結果として特定のpH値で正味の電荷がゼロになる点が存在します。これを等電点と呼びます。
一次元目の分離では、pH勾配が設定された細長いゲル（通常はポリアクリルアミドゲルストリップ）を使用します。試料をこのゲルに適用し、電場をかけると、タンパク質は電荷を持つ限り移動を続けます。そして、それぞれのタンパク質が自身の等電点に達すると、その点では正味の電荷がゼロになり移動を停止します。このようにして、タンパク質は等電点の違いによって一次元方向（長さ方向）に沿って分離されます。

2. 二次元目の分離：SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動 (SDS-PAGE)
一次元目の等電点電気泳動で分離されたゲルストリップを、次に二次元目の分離に供します。このステップでは、広く利用されているSDS-PAGE法が用いられます。
二次元目の分離に先立ち、一次元ゲルストリップ中のタンパク質はサルコシル硫酸ナトリウム（SDS）という界面活性剤で処理されます。SDSはタンパク質と結合し、そのタンパク質固有の電荷を打ち消して、ほぼ一定の質量あたりの負電荷を与えます。これにより、タンパク質の電場中での移動速度は、主にその分子量に依存するようになります。
SDSで処理された一次元ゲルストリップを、平板状のSDS-ポリアクリルアミドゲル（二次元目ゲル）の上端に載せ、再度電場をかけます。すると、タンパク質は一次元方向（等電点によって分離された位置）から出発し、二次元方向（幅方向）へと、その分子量に応じた速度で移動します。分子量の小さいタンパク質ほどゲル中を速く移動し、より遠くまで分離されます。

これらの二段階の分離を経て、個々のタンパク質は二次元平面上の異なる位置に「スポット」として検出されます。各スポットの位置は、そのタンパク質の等電点と分子量の組み合わせに対応します。

特徴と応用

二次元電気泳動は、その高い分離能力に最大の利点があります。一次元方向で等電点により、二次元方向で分子量により分離を行うため、理論的には等電点と分子量がわずかに異なるだけでも区別が可能です。このため、複雑な生体試料に含まれる数千種類（場合によっては3000種類以上）ものタンパク質を、一度の分析で同時に分離し、可視化することが可能となります。

この卓越した分離能は、特に生物が持つ全てのタンパク質（プロテオーム）を網羅的に解析する「プロテオーム解析」の分野において極めて重要な基盤技術となっています。健常状態と疾患状態、あるいは特定の処理を行った前後でのタンパク質の発現量や修飾状態の変化を比較解析する際に威力を発揮します。これにより、病気のメカニズム解明、診断マーカーや治療標的の探索、薬剤の効果や副作用の評価など、基礎研究から臨床応用まで幅広い分野で利用されています。

タンパク質のスポットを検出した後、個々のスポットを切り出し、質量分析法などと組み合わせることで、そのタンパク質が何であるかを同定したり、さらに詳細な解析を行ったりすることが可能です。二次元電気泳動は、このような下流の分析への橋渡しとしても機能する、パワフルな分離技術と言えます。

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