電気泳動

電気泳動：生体分子の分離と分析

電気泳動は、電場を利用して荷電粒子や分子を分離する技術です。この技術は、生化学や分子生物学において、DNAやタンパク質などの生体分子の分析に欠かせないツールとなっています。本稿では、電気泳動の歴史、原理、そして様々な手法について詳細に解説します。

電気泳動の歴史

電気泳動の起源は19世紀初頭まで遡ります。ロシアの物理学者フェルディナント・フリードリヒ・ロイスが、水中の粘土粒子の挙動を観察する中で、電場による粒子の移動現象を発見しました。その後、19世紀末から20世紀初頭にかけて、タンパク質やアミノ酸の研究に電気泳動が用いられるようになり、1930年代には、ティセリウスによる画期的な研究によって、タンパク質の移動度を精密に測定する方法が確立されました。これは、担体を使用しない「無担体電気泳動」と呼ばれる手法でした。

第二次世界大戦後、濾紙やデンプンゲルなどの担体を用いた電気泳動技術が発展しました。濾紙電気泳動（現在はセルロースアセテート膜が主に使用されています）は、臨床検査において血清タンパク質の分析に広く用いられています。アガロースゲルはDNA断片の分離・分析に、ポリアクリルアミドゲルはタンパク質の分析やDNA塩基配列決定に用いられるなど、様々なゲル材料が開発され、それぞれの特性を生かした分析が行われています。さらに近年では、キャピラリー電気泳動という無担体電気泳動技術が、自動塩基配列決定などに利用されています。

電気泳動の原理

電気泳動の原理は、荷電粒子や分子が電場の中で、自身の電荷と反対の極に向かって移動するという現象に基づいています。この移動速度は、分子の大きさ、形状、電荷量、そして媒体の性質などによって影響を受けます。

等電点電気泳動は、pH勾配のある媒体中で、分子の電荷がゼロとなる等電点で分子が停止するという原理を利用した手法です。これは、タンパク質の分析に特に有効です。

担体を用いる電気泳動では、「分子ふるい効果」と呼ばれる現象が重要な役割を果たします。高分子であるDNAやタンパク質は、担体（ゲルなど）の網目構造によって移動度が制限されます。分子量が小さい分子ほどゲルの中をスムーズに移動し、分子量が大きい分子ほど移動が遅くなります。この性質を利用して、分子量の違いによって生体分子を分離することができます。

核酸は通常負に荷電しているため、陽極に向かって移動します。RNAはDNAと異なり、分子内で二次構造を形成することがあるため、正確な分子量を測定するためには、尿素やホルムアミドなどの変性剤を加えて二次構造を壊す必要があります。分子量を正確に測定するために、分子量既知の核酸マーカー（分子量ラダー）を同時に泳動し、比較することで試料の分子量を決定します。

タンパク質は、種類によって電荷量が大きく異なりますが、陰イオン系界面活性剤であるSDS（ドデシル硫酸ナトリウム）を使用することで、タンパク質に均一に電荷を与えることができます。このSDS-PAGE（SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動）法では、タンパク質を分子量で分離することができます。

電気泳動の手法と検出

電気泳動では、分離された核酸やタンパク質を可視化する必要があります。核酸の検出には臭化エチジウムなどの蛍光色素が、タンパク質の検出にはクーマシーブリリアントブルーなどの染料や銀染色法が用いられます。

電気泳動には直流電流が必要です。一般的に使用される電源は交流電流であるため、AC-DCコンバータを用いて直流電流に変換する必要があります。

まとめ

電気泳動は、生体分子の分離・分析において非常に重要な技術です。その歴史は古く、様々な改良が重ねられてきた結果、現在ではDNA、タンパク質をはじめとする様々な生体分子の解析に幅広く利用されています。今後も、更なる技術革新が期待される分野です。

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