「電気泳動」とは何か？原理や利用方法を医学部研究室の実験助手が5分でわかりやすく解説

ライター／オリビン

医学部の研究室で実験助手を勤めている。研究室ではDNAやタンパク質について解析しており、毎日のように電気泳動をしている。より正確にDNAを解析するために実験の原理について深い知識を持っている。

電気泳動とは

image by iStockphoto

電荷をもった分子に液体中で電流を流すと、電気力によって加速され持っている電荷とは反対の極に移動します。この現象が電気泳動です。これらは分子生物学分野で広く利用されており、DNAやタンパク質を解析する際にとても重要な実験なんですよ。DNAやタンパク質には様々な大きさがあるため、これらをサイズ別に分離する際に用いられます。

バイオ系の実験ではPCRという機器を使用してDNAを増幅し解析するのですが、増幅されるDNAは1種類のこともあれば2種類、またはそれ以上になることもあるんです。電気泳動では目的としているDNAがちゃんと増幅しているかの確認の他に、いろいろなDNAが含まれている場合にそれらを分離するためにも使われます。遺伝子を部分的に欠損させたり挿入させたりする時は、電気泳動で長さの確認をすることもあるんですよ。

【タンパク質とDNA】タンパク質の構造とその特徴を、生物専攻ライターが5分でわかりやすく解説！＜第3回＞

電気泳動の原理ーDNA編ー

image by Study-Z編集部

DNAとタンパク質では電気泳動の原理が少しだけ異なっているので分けて解説します。まずはDNAの場合についてです。

DNAを構成しているヌクレオチドにはリン酸基と呼ばれる構造があります。このリン酸基は中世からアルカリ性の環境になるとマイナスに荷電するのです。つまり、DNAが長くなればヌクレオチドも多くなるので電荷は大きくなります。このDNAをアガロースゲルと呼ばれるゼリーのようなものにセットし、電流を流すとDNAは陽極側へと流れていくのです。ここで、DNAが大きいとアガロースゲルを通りにくいのでゆっくり移動し、小さいと速く移動します。この流れる速さの差を利用して、DNAをサイズ別に分けるのです。

電気泳動の原理ータンパク質編ー

image by iStockphoto

タンパク質の電気泳動でも、タンパク質が持っている電荷を利用してサイズを分けるという部分ではDNAの電気泳動と原理が同じです。ただ、タンパク質の場合は緩衝液のpHによってプラスにもマイナスにも荷電されるため、SDS(陰イオン性界面活性剤)をタンパク質にくっつけることで無理やりマイナスに荷電させます。また、使用するゲルはアガロースゲルではなく、ポリアクリルアミドをつかったゲルです。

アガロースゲルとポリアクリルアミドゲル

image by iStockphoto

ここで、電気泳動に使用するゲルについて説明します。まずはアガロースゲルについてです。アガロースは海藻から抽出された成分で粉末状をしており、寒天のような役割をします。アガロースゲルは緩衝液(TAEなど)に適量溶かして加熱し、型に流し込んで冷やし固めれば完成です。作り方もかんたんな上に毒性もないのでとっても便利なんですよ。しかし、分離できるDNAの範囲は広いですが1～2塩基の違いを検出できないのがデメリットです。DNAはものによりますが長いものだと5000塩基以上になるためアガロースゲルが向いています。

一方、ポリアクリルアミドゲルはアクリルアミドという有毒な試薬やTris-HClなどいろいろな試薬を混ぜて作成しなければなりません。型はガラス板をほんの少し隙間を開けて並べ、その隙間にポリアクリルアミドゲルを流し込んで固めます。ゲルをつくるのに少し手間がかかりますが、1～2塩基の差も検出できるためとても精度が高いんです。また、タンパク質はSDSでマイナスの電荷をつけないといけないのですが、SDSはポリアクリルアミドゲルの中でないとタンパク質の分子量に応じた移動速度の差がでないため、タンパク質の電気泳動ではポリアクリルアミドゲルを用います。

タンパク質の電気泳動

image by iStockphoto

タンパク質を電気泳動で分離する際は、電気泳動をする1日前か当日にポリアクリルアミドゲルを作っておきます。使用する試薬はTrisHClやTBE、アクリルアミドです。これらの濃度は参考にする本によってバラバラなため、研究室で指定されている濃度に調整しましょう。このときの濃度によってゲルの固まる速さが異なりますが、大体30分～1時間あれば大丈夫です。ゲルにはサンプルを入れる穴(well)を作るためにコームと呼ばれるものを差しておきます。ゲルが固まったら電気泳動層という装置を組み立て、コームを抜いて穴にサンプルを入れましょう。この時、ゲルは透明で穴の位置がわかりにくいのでガラス板にマッキーペンで穴の形をなぞるように印をつけるとわかりやすいです。サンプルとマーカーをセットしたら、電流を流して泳動を始めます。この時、強い電流だと泳動速度が早く、弱い電流だと泳動速度が遅くなるため自分の予定と調整して電流を決めることも可能です。

泳動が終了したら、青色色素の染色液に入れてタンパク質に色をつけます。着色したらトレース台のような下から光の出るところに置いてバンドを確認しましょう。

DNAの電気泳動

image by iStockphoto

DNAの電気泳動で使用するアガロースゲルは、1×TAEに浸すことである程度の期間保存できるので、時間のあるときに作り置きしておきましょう。検体から抽出したDNAをPCRに描け終わったら作成したゲルを1×TAEで満たした泳動槽へ浸し、穴(well)にマーカーとDNAサンプルをセットします。セットしたら100Vの電圧をかけて30～40分泳動させるのが一般的です。泳動が終わったらエチジウムブロマイド(通称エチブロ)溶液に浸します。その後、UVライトをあてるとDNAが蛍光に光って見えるのでカメラで撮影しましょう。

電気泳動をつかってDNAやタンパク質を分離してみよう

電気泳動によるDNAやタンパク質の分離について、日常生活では聞き慣れない単語が多く登場してきたと思います。しかし、私達の身近にある健康食品や医薬品を開発するために、電気泳動は必ず使われているんですよ。今は自宅でブロッコリーのような野菜からDNAを抽出する実験方法も公開されているので、機会があれば抽出したDNAをPCRで増幅し電気泳動で長さを図ってみるのも面白いですね。

また、健康食品や医薬品以外でもDNAの編集によって開発された製品はたくさんあります。どんなものがDNAを編集によってできているのかを探してみましょう。その製品を探せた時、電気泳動を身近に感じられるかもしれませんよ。