JP3313712B2 - 界面動電法およびクロマトグラフィー法におけるポリアクリルアミドマトリックスのための新規な配合物 - Google Patents

界面動電法およびクロマトグラフィー法におけるポリアクリルアミドマトリックスのための新規な配合物

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、以下のような独自の特徴を有する新規なポ
リアクリルアミドマトリックスに関する。すなわち、 ａ）非常に高い耐アルカリ加水分解性； ｂ）高分子との疎水性相互作用を回避するための高い親
水性； ｃ）高めのポロシティー（大きめの分子質量のモノマー
の使用による、あるいは重合段階での側方凝集剤の使用
のいずれかによる）； ｄ）標準的な酸化還元の対（過硫酸塩とN,N,N′,N′−
テトラメチレンジアミン、TEMED）で重合されたマトリ
ックスに典型的な、酸化性の欠如 という特徴である。
発明の背景 本発明によると、上記の特徴を示すマトリックスが、
同じく本発明に属する方法を使用することにより、独自
の分類のＮ−モノ−もしくはジ−置換アクリルアミドモ
ノマーの重合または共重合を経て得られる。同様に本発
明に含まれるものは、上に述べたアクリルアミドのその
ようなポリマーまたはコポリマーの混合物によって、あ
るいは、そのようなポリマーおよびコポリマーと、アガ
ロース、デキストランもしくは他の親水性ポリマーとの
混合物によって得られるマトリックスである。
ゾーン電気泳動における分離のためのポリアクリルア
ミドマトリックスは、RaymondとWeintraubにより、すで
に1959年に導入され（Science,130,1959,711−712）、D
avis（Ann.N.Y.Acad.Sci.121,1964,404−427）、Ornste
in（Ann.N.Y.Acad.Sci.121,1964,321−349）およびHjer
ten（J.Chromatogr.11,1963,66−70）により、ディスク
電気泳動における使用についてさらに促進された。電気
泳動の支持体としてのそれらの普及は、ａ）紫外線をは
じめとする光の透過性;b）帯電基の不在による電気的中
性;c）広い間隔のポロシティーにおいてゲルを合成する
能力のような、いくつかの基本的な特性に由来する。何
年もの間、最大の普及を得たモノマーの対は、アクリル
アミドと、架橋剤であるN,N′−メチレンビスアクリル
アミドとを対にしたものであった（P.G.Righetti,J.Bio
chem.Biophys.Methods 19,1989,1−20）。しかし、長ら
く使用されると、そのようなマトリックスのいくつかの
欠点が注意をよぶようになった。もっとも劇的な障害
は、アルカリ性pH値でのその不安定性である。電気泳動
を実施した後（タンパク質および核酸のいずれについて
も大部分の界面動電的分離はアルカリ性pH値で起こ
る）、ダングリングアミドボンドが部分的に加水分解さ
れてカルボキシル基を生み、このカルボキシル基はポリ
マーに共有結合したままとどまり、このようにして、こ
のポリマーがポリアクリレートに転換される。この現象
が強い電気浸透を生み、同時にマトリックスが膨潤し、
かなりひずむ。実際には、電気泳動を１回実施しただけ
で、ポリアクリルアミドマトリックスは再利用できなく
なる。このことは、再利用性マトリックスが利用できれ
ば分析時間が大幅に短縮され、世界中でそのようなプロ
ジェクトの迅速な伸進が可能になるであろうヒトゲノム
の配列決定（sequencing）のような大規模プロジェクト
において、その使用を厳しく制限する。安定なマトリッ
クスはまた、毛管ゾーン電気泳動（CZE）において、部
分的に加水分解されるか、誤動作を起こして、ゲルを毛
管から押し出すことができない場合に、実に有用であろ
う。
もう一つの一般的な問題は、ポリアクリルアミドによ
って効率的にふるい分けることができる分子の大きさの
範囲が限られることである。このようなポロシティー
（porosity）の範囲は、数nm（２〜3nm）から希釈度の
高いマトリックスにおける約20〜30nmまでの孔の大きさ
を包含する。このことがタンパク質分離へのポリアクリ
ルアミドの利用を制限し、これに対してアガロースゲル
は、今日、核酸断片の分離にほぼ独占的に使用されてい
る。このように、ポロシティーの高いポリアクリルアミ
ドマトリックスは、核酸の、長手方向の、ある間隔にお
ける分画をも可能にするであろう。
第三の問題は、標準的な酸化還元の対の触媒、すなわ
ち過硫酸塩とTEMEDとの触媒の使用に関連する。これ
は、酸化還元の対であるため、アミノ基（第一級から第
三級まで）を含む多くの物質を酸化させて、Ｎ−酸化物
を生成することがある。過剰の過硫酸塩を陽極に放出し
た後でもゲルの中に残るこのようなＮ−酸化物は、タン
パク質、特に−SH残基を酸化させてジスルフィド結合
（−Ｓ−Ｓ−）にすることがある。
いくつかの初期の特許出願は、上に述べた問題のいく
つかを取り上げ、異なるタイプのモノマーを提案してい
る。ある例（Kozulic,B.およびMosbach,K.の特許、PCT/
EP88/00515、1988年６月10日）には、Trisacryl［Ｎ−
アクリロイルトリス（ヒドロメチル）アミノメタン、NA
T］が、電気泳動のための親水性の大孔ゲルを製造する
ことが提唱されている。該Trisacrylモノマーは、実際
に、クロマトグラフィー支持媒体に提案されていた（Gi
rot,P.およびBoschetti,E.、J.Chromatogr.213,1981,38
9−396）。以下に示すように、このモノマーは、親水性
の強いものではあるが、零次の反応速度で崩壊するた
め、固有の不安定性をこうむるものである。たとえば再
利用性マトリックスまたは長期貯蔵マトリックスへのそ
の使用を、明確に提唱することはできない。もう一つの
特許出願（Kozulic,B.の欧州特許第88810717.4号、1988
年10月19日）には、Ｎ−アクリロイル（またはメタクリ
ロイル）−１−アミノ−１−デオキシ−Ｄ−グリシトー
ルまたは相当するＤ−キシリトール誘導体のようなアク
リルアミド糖類が提案されている。良好な親水性と、非
置換アクリルアミドよりも大きな分子量をたしかに有す
るこの分類のアクリルアミドモノマーもまた、零次の反
応速度で崩壊するため、きわめて不安定であり、したが
って、上に述べたポリ（NAT）と同様、有効な代替品に
なりうるとは考えられない。もう一つの出願（Shorr,R.
およびJain,T.の欧州特許第89107791.9号、1989年４月2
8日）には、電気泳動支持媒体として、上述のモノマー
のいくつかをはじめとする、広範囲のＮ−モノ−および
ジ−置換アクリルアミドモノマーが提案されている。し
かし、ShorrおよびJainは、この大きな分類の電位性モ
ノマーのうち、わずか２種の好ましい混合物を取り出し
ている（そして市販化している）。次のように述べてい
る（原文どおり）。「ある好ましい実施態様において
は、ポリマーは、N,N−ジメチルアクリルアミドとエチ
レングリコールメタクリレートとの架橋重合によって形
成される。もう一つの好ましい実施態様においては、ポ
リマーは、N,N−ジメチルアクリルアミドおよびヒドロ
キシエチルメタクリレートとN,N−ジメチルアクリルア
ミドとの架橋重合によって形成される。」これらの処方
も最適なものとは考えられない。以下に示すように、N,
N−ジメチルアクリルアミドおよび同様なアルキル置換
アクリルアミドはあまりにも疎水性であり、一方、種々
のメタクレート架橋剤も同様に加水分解を受けやすく、
疎水性である。この結果として、このような処方を含有
する市販の製品（Hydrolink）は、モノマーの可溶化を
助けるために洗剤を含有しなければならない。相当する
エマルションはしばしば凝集する。これらの例は、さき
に明瞭に述べた問題、すなわち、高い親水性と、高い耐
加水分解性と、大きめの孔の大きさとを同時に有する新
規なマトリックスの設計が適切に取り上げられたことは
なく、解決からはほど遠いことを示す。
発明の記載 本発明は、そのような不都合を解消して、界面動電的
分離において大きく優れた結果を出すことができる新規
な配合物を提案する。このような配合物は、以下の式
（Ｉ）で示される独自の分類のモノマーの重合または共
重合を経て得られる。
式中、Ｒは、水素またはCH3を表し;R1およびR2は、独立
して、水素または式−［（CH2）ｎ−Ｏ−（CH2）ｎ−Ｏ
NH（式中、ｎ＝２または３であり、Ｎ＝１〜５、好ま
しくは１である）で示される基を表す。ただし、R1およ
びR2の一方は水素とは異なる。式（Ｉ）の好ましいモノ
マーは、Ｎ−（２−ヒドロキシエトキシ）エチルアクリ
ルアミド（＝Ｎ−アクリロイルアミノエトキシエタノー
ル）もしくはＮ−置換誘導体または相当するメタクリル
アミド誘導体である。これらのモノマーのポリマーおよ
びコポリマー（たとえばN,N−ジメチルアクリルアミド
との）は、良好な親水性、きわめて高い耐水加分解性、
および従来のポリアクリルアミドよりも大きなポロシテ
ィーを示す。そのような特徴は、アガロース／ポリアク
リルアミドのような混合床マトリックスにおいても見出
すことができる。後者は、前記のモノマーによって得る
ことができる。
本発明はまた、酸化還元または好ましくは光触媒作用
を介して、しかし側方凝集剤（たとえばポリエチレング
リコール）の存在において、高いMrのタンパク質および
核酸断片を分解することができるポロシティーの高いマ
トリックスを製造するためのゲルを得る（重合または共
重合による）ための手法を包含する。後者の手法におい
て、重合（または共重合）を側方凝集剤の勾配の存在に
おいて実施するならば、一定量のモノマーがゲル中に存
在する場合でさえ、ポロシティーの勾配を得ることが可
能である。また、上記のモノマーを、たとえばリボフラ
ビンと光によって、しかし好ましくはメチレンブルーに
よって光重合（または光共重合）させて（一般的にはト
ルエンスルフィン酸ナトリウムおよび塩化ジフェニルヨ
ードニウムの存在において）、上に述べたように、Ｎ−
酸化物を含まず、それゆえ、タンパク質を酸化させるこ
とのないマトリックスを形成することもできる。本発明
はまた、工業、研究および分析の用途のためのすべての
界面動電法に使用されたり、クロマトグラフィー支持媒
体として粒状物質（単独で、またはプラスチックもしく
はガラスのビーズの表面コーティングとして、あるいは
アガロースおよび他の親水性ポリマーと組み合わせて）
の形態で使用される、長期貯蔵のためのゲルスラブを製
造するための、上記の式（Ｉ）のモノマーの使用を含
む。本発明によるマトリックスの利点を以下に論じ、例
示する。
新規な分類のＮ−モノ−およびジ−置換モノマーアク
リルアミドに基づくポリアクリルアミドマトリックス 図１の実施例は、従来のアクリルアミドの加水分解速
度を、従来のＮ−モノ−およびジ−置換アクリルアミド
および本発明による新規な分類のモノマーと比較して示
す。0.1NのNaOHに溶解した遊離モノマーを、表示の時
間、70℃で温置し、中和し、ついでマンデル酸を内標準
として使用する毛管ゾーン電気泳動によって分析した。
BeckmanシステムGoldによって、ピーク積分を得た。Koz
ulicによって報告された親水性の高いモノマー（アクリ
ルアミド糖類）ならびにKozulicとMosbachによって報告
された親水性の高いモノマー（NATもしくはTrisacryl）
のすべてが、どのように零次の崩壊速度を示し、そのよ
うな分子固有の不安定性を示唆するかを理解することが
できる。従来のタイプの種々のＮ−モノ−およびジ−置
換アクリルアミドはすべて、アクリルアミドの一次崩壊
速度と形状でそれほど違わない一次崩壊速度を示す。対
照的に、本発明に報告されるモノマー［たとえばAAEE、
Ｎ−（２−ヒドロキシエトキシ）エチルアクリルアミ
ド］は、きわめて高い加水分解安定性の独自の挙動を明
らかに示す。
モノマーを、溶液中に遊離させるのではなく、ポリマ
ーマトリックスに係合させると、安定性における相違は
さらに強められる。図２において再び、従来のＮ−置換
アクリルアミドの安定性を、ここではポリマー網状質で
比較している。この実験では、すべてのポリアクリルア
ミドを球体として合成し（乳化重合により）、ついでそ
れを0.1NのNaOH中、70℃で、図２に表示した時間、加水
分解した。ポリマーの加水分解の程度の評価は、前端分
析により、アミド結合が加水分解したときに得られる遊
離カルボキシルの滴定によって実施した。従来のポリア
クリルアミドにおいて、わずか２時間の温置で少なくと
も30％のモノマーがいかに加水分解されたかがわかる。
逆に、ポリ（AAEE）においては、同じ期間において加水
分解の証拠はなく、従来のＮ−置換アクリルアミドから
作られた他のすべてのマトリックスは、異なった程度に
加水分解する。（この図および他の図の詳述について
は、後の「解説」の章を参照されたい）。
図３の実施例では、等電集束実験における新規な分類
のＮ−置換アクリルアミドの耐加水分解性を示す。一方
はポリ（アクリルアミド）、他の一方はポリ（AAEE）で
ある２枚のスラブを用意し、0.1NのNaOH中に70℃で20分
間温置する（曲線１）か、100mMのトリスホウ酸塩緩衝
液（DNA解析に典型的な緩衝液）中、pH8.5で一夜温置す
る（曲線２）。過剰のNaOHまたはトリスホウ酸塩を除去
するために蒸留水で洗浄したのち、ゲルを乾燥保存し
て、２％のAmpholine中、pH3〜10で再び膨潤させる。等
電集束の後、陽極と陰極との間でゲルスライスを切断す
る（5mm間隔で）ことにより、pH勾配を測定する。ポリ
（AAEE）においては、pH勾配は、予想どおりの間隔（pH
3〜10）で普通に延び、一方、ポリ（アクリルアミド）
においては、pH勾配は、非常に穏やかな加水分解条件、
たとえばゾーン電気泳動に一般的な緩衝液の存在におい
て一夜温置する条件でも、完全に酸性化したことがわか
る。この最後の現象は、pH勾配を強く酸性化し、実質的
な電気浸透流を生み出す、マトリックス中の多数のヒド
ロキシル基の存在を明確に示すものである（P.G.Righet
ti,J.Biochem.Biophys.Methods 19,1989,1−20）。固定
化されたpH勾配を含むゲルにおいても、同様な結果が得
られる。
発明者らの見出した新規な分類のＮ−置換モノマーの
親水性を実証するために、水溶液をｎ−オクタノール中
で分配処理に付した。平衡に達した後、毛管ゾーン電気
泳動（CZE）によって水相を分析し、このようにして、
二つの相におけるモル比を決定した。図４は、アクリル
アミド、その従来のＮ−置換誘導体、および本発明の新
規なモノマーそれぞれの分配係数を示す。Trisacrylお
よびアクリルアミド糖類一般はきわめて親水性である
（同時にきわめて加水分解を受けやすい）が、他のすべ
ての従来のＮ−置換アクリルアミドは、明らかにアクリ
ルアミドよりも疎水性であることがわかる。ここに報告
する新規なモノマー（AAEEによって例証されるようなも
の）は、加水分解処理に対して独自の耐性を示しながら
も、著しく低い分配係数（Ｐ＝0.13）、ひいてはアクリ
ルアミドに比べてより顕著な親水性を示すことにおい
て、他に類を見ないものである（図１〜３を参照）。親
水性ゲルを得るための最大Ｐ値はＰ＝0.4である。この
ような値を越えると、ポリマー、たとえばポリ（DMA）
は、タンパク質との間で疎水性相互作用を示す。Ｐ＝0.
8を越えると、ポリマーはもはやプロトン性溶媒の中で
再び膨潤することはできない。
このようなアルカリによる加水分解に耐えるマトリッ
クスはまた、CZEにおいて電気浸透流（EEO）を除去する
ために、毛管の内壁〔普通は石英ガラス（fused silic
a）のもの〕を被覆するのに極めて有用である。EEOの抑
制は、毛管壁上に固着した電荷によってpH勾配がただち
に破壊される等電集束法において基本的であり、また、
タンパク質およびペプチドの分離の場合にも、通常、そ
れらが負の電荷を帯びた毛管壁に強力に吸着されるため
に基本的である。毛管を被覆するのに用いられる標準的
な方法の一つは、Hjertenによって提案されている（J.C
hromatogr.347,1985,191−198）。毛管を二官能性試薬
（たとえばBind Silane、３−メタクリルオキシプロピ
ルトリメトキシシラン）で処理し、ついで、架橋剤の非
存在において、ポリアクリルアミドの‘ひも’（strin
g）で被覆する。このように、長い線状の‘ひも’が形
成され、これらのひもが壁に共有結合し、EEOフラック
スを消滅させる。しかし、このような被覆はアルカリ性
条件にきわめて敏感である。等電集束法に毛管を使用す
るならば、EEOフラックスは、たった５回の実施の後に
早くもはっきりと表れる。しかし、同様にして事前に処
理した毛管を線状のポリ（AAEE）鎖で被覆するならば、
50回実施した後でもEEOフラックスは認められない。石
英ガラス壁と二官能性試験（Bind Silane）（−Si−Ｏ
−Si−タイプのもの）との間の結合もまた、被覆の不安
定性に寄与する。代替方法は、Cobbらの方法（K.A.Cob
b、V.DolnikおよびM.Novotny、Anal.Chem.62,1990,2478
−2483）を使用することである。この方法は、グリニャ
ール試薬を利用して、該石英壁と二官能性試薬との間に
直接的な−Si−Ｃ≡結合を生じさせる。この代替方法を
使用することにより、そして直鎖状ポリ（アクリルアミ
ド）で壁を被覆することにより、被覆の安定性は５回か
ら10回に増すだけである。しかし、直鎖状のポリ（AAE
E）と組み合わせてCobbの方法を使用すると、100回もの
実施の後でもEEOフラックスは表れない（表Ｉ）。
ポリ（AAEE）でできたマトリックスは、化学的に架橋
したポリマーおよび未架橋のポリマーの両方として、被
覆だけでなく、CZEにおける充填ポリマーとしても使用
することができる。他に類を見ない用途は、粘稠な溶液
としての、すなわち、液状で直線状の未架橋ポリマーと
しての、‘からみ合いしきい値’を越える濃度でのそれ
らの用途である。このような充填材は、普通CZE中の電
気回路を混乱させる、高電界中でのポリマーの網状構造
のひずみや気泡の形成が起こらないため、CZEに非常に
有用である。図５は、10％の粘稠な（未架橋）ポリ（AA
EE）溶液中で、大きさが125塩基対（bp）から22,226bp
までの範囲のDNA断片を分離する例を示す。このエレク
トロフェログラムは、5.1および4.9kbpの断片が一つの
領域にともに移行するところの、標準アガロースゲル中
でも達成することができない分離である、混合物に含ま
れる13個の断片すべての完全な分解を示す。
また、本発明においては、望ましくない毒性の遊離ア
クリルアミドモノマーを除去するための方法を提案す
る。‘化学的’または‘物理的’ゲルのいずれかを重合
させると、10〜15％もの未反応モノマーが液相中に残
る。このようなモノマーは、タンパク質と反応し、それ
らの残基（たとえば、−SH基、末端−NH2、Lysの５−ア
ミノ基、Hisのイミダゾール部分）を改質することがあ
る。さらに、これらは、核酸の検出に典型的な波長であ
る260nmで強い吸収を示す。開いたゲルスラブの中で
は、洗浄によってこれらを除去してもよいけれども（完
全に除去することができる保証はないが）、密閉系の中
（たとえば毛管充填中）においては、簡単な拡散法は存
在しない。このような場合（また、アクリルアミドの完
全な除去が必要な場合、たとえば等電膜法および予備的
な電気泳動法の場合）、マトリックス（または粘稠な溶
液）中でスルフィドリル化合物を電気泳動的に駆動し
（弱アルカリ性のpH値、たとえばpH8.5〜９で）、−SH
基がアクリルアミドの二重結合に完全に付加されるま
で、そのようなスルフィドリル化合物を反応させること
からなる化学掃去法が見出された。そして、このように
して形成された付加物を、電気泳動的に駆動して、分離
カラムの外に追い出すことができる。このような掃去法
の例を図６に示す。アクリルアミド−Cys付加物の後方
の境界線が毛管から出現するにつれて、バックグラウン
ド吸光度が急激にゼロに落ち込むことがわかる。システ
イン、チオグリコール酸および他のスルフィドリル化合
物を用いても、同一の結果が得られる。この掃去法はま
た、電界の非存在において、たとえば、容器から取り出
すことができるすべてのゲルマトリックスに適用するこ
ともできる。
側方凝集（laterally aggregated）ポリアクリルアミ
ドマトリックス ポリアクリルアミドのポロシティーを増すための周知
の方法は、％Ｔ（一官能性および二官能性のモノマーの
総量：架橋剤の重量を、架橋剤及びモノマーの合計重量
で割り、100を乗じた値）を一定に維持しながら、高い
Ｃ％（＝架橋剤：架橋剤及びモノマーの合計重量を、架
橋剤及びモノマーが溶解した溶液の合計重量で割り、10
0を乗じた値）を利用することからなる。高い％Ｃ（＞5
0％）では、ポリアクリルアミドマトリックスがきわめ
て高いポロシティー（500nmまでの孔径）をもつように
なることが実証されており［A.Bianchi Bosisio,C.Loeh
erlein、R.S.SnyderおよびP.G.Righetti、J.Chromatog
r.189（1980）317−330］、これが、このようなマトリ
ックスを、大きなMrのDNA断片とウイルス粒子との分画
にとって興味深いものにする。残念ながら、このような
マトリックスは、高い％Ｃでは疎水性になり、重力場で
崩壊し、水をしみ出させるため、界面動電法には用いら
れない。発明者らは、ここに、ポリアクリルアミドマト
リックスに高いポロシティーを与えるための新規な方法
を記載する。この方法は、発生状態の鎖を側方に凝集さ
せる特別な薬剤を、重合するモノマー混合物に添加する
ことからなる。このような薬剤は一般に、特定の濃度で
モノマー混合物に添加されると、分子鎖を凝集させて、
普通のポリアクリルアミドゲルの直径（約0.5nmと思わ
れる）よりもずっと大きな直径の繊維を有するゲル網を
形成させる親水性のポリマー（たとえば、ポリエチレン
グリコール、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシメチル
セルロール）である。必然的に、これはポロシティーの
増大を伴う。架橋度の高いゲルとは対照的に、側方に凝
集したゲルは、水和水をしみ出させず、崩壊する傾向を
示さない。一般に、このようなゲルは、異なる量の、通
常は0.5〜10％の側方凝集剤の存在において重合され
る。重合を、一定量のそのような薬剤の存在においてで
はなく、その勾配の存在において実施するならば（たと
えば、10,000Daの平均分子量をもつポリエチレングリコ
ール、PEG）、広範囲の分子の大きさにわたって最適な
分離を可能にするポロシティー勾配をゲルに得ることが
可能である。このような側方凝集ゲルは、大きさにおい
て数百〜数千の塩基対（bp）にまで及ぶDNA断片の分離
に利用されてきた。これらの実験は、従来のポリアクリ
ルアミド（４％Ｔ）およびアガロースゲル（1.2％）の
両方と並行的に実施されたものである。分解能は、対数
（bp）（横軸）を移動距離に対してプロットすることに
より、片対数グラフで表す。回帰線の傾きが、いかなる
ゲルのタイプにおける分画にも有用な範囲を示す。図７
の実施例においては、従来のポリアクリルアミドゲルに
おいて有用な分画範囲は約50〜約1,000bpに及び、一
方、1.2％アガロースは、約500〜約10,000bpのMrの範囲
を包含することがわかる。２本の線は、準平行な傾きを
有し、分子の大きさの尺度の約１オーダの距離をおいて
位置する。同じポリアクリルアミドゲルは、側方凝集剤
の存在下において重合すると、他の２本の線の間を斜め
に横切り、200〜4,000bpの範囲の分子の大きさを最適な
やり方で包含する。このように、そのような側方凝集ゲ
ルが、ポリアクリルアミドとアガロースとの間の‘暗
い’領域、すなわち、ポリアクリルアミドがあまりにも
ふるいにかけすぎ、アガロースのポロシティーが高すぎ
るところのMr値の範囲を包含しうることがわかる。側方
凝集ゲルは、標準条件のもとで重合された同等なゲルに
比べて、一般に２オーダだけ高いポロシティーを有す
る。たとえば、従来の６％Ｔ、４％Ｃのゲルは、約５〜
6nmの平均孔径を有する。逆に、10％PEG−10K（PEG−10
K:平均分子量が10000であるポリエチレングリコール）
の存在で重合された同じゲルは、走査型電子顕微鏡で見
ると、約500nmの平均ポロシティーを示す。このような
ポロシティーの高いゲルは、最小限のふるい分けを必要
とする技術、たとえば等電集束法および固定化されたpH
勾配における支持体のマトリックスとして有用であるだ
けでなく、たとえば膜装置に基づく電気泳動法またはク
ロマトグラフィー法における膜としても有用である。最
近、このような方法の一つである、多室型電解槽中での
等電膜によるタンパク質の等電集束法（固定化pH勾配の
概念に基づく）が記載された（Righetti,P.G.、Wenisc
h,E.およびFaupel,M.、J.Chromatogr.475,1989,293−30
9）。この機器の速度制限要因の一つは、室から室への
タンパク質の移行を相当に遅らせる膜の多孔度（porosi
ty）である。これらの膜が‘側方凝集’ゲルでできたも
のであったとき、タンパク質の移行は約１オーダだけ増
大した。
ポリアクリルアミドマトリックスの光重合 最近、標準的な酸化還元の対（過硫酸塩とTEMED）で
重合されたマトリックスにおいては、アミノ基（第一級
〜第三級）を含むすべての緩衝液（たとえば等電集束法
のための担体両性電解質緩衝液、P.G.Righetti、Isoele
ctric Focusing:Theory,Methodology and Application
s,Elsevier,Amsterdam,1983または固定化pH勾配のため
のImmobiline緩衝液、P.G.Righetti、Immobilized pH G
radients:Theory and Methodology,Elsevier,Amsterda
m,1990）が、Ｎ−酸化物の生成とともに酸化されるとい
うことが実証された［P.G.Righetti、M.Chiari、E.Casa
leおよびC.Chiesa、Applied Theor.Electr.1（1989）11
5−121;G.Cossu、M.G.Pirastru、M.Satta、M.Chiari、
C.ChiesaおよびP.G.Righetti、J.Chromatogr.475（198
9）283−292］。電気泳動による移行の前に過剰の過硫
酸塩を陽極に放出するときでさえ、このようにして生成
されたＮ−酸化物はゲルの中に残り、電気泳動の実施の
間にタンパク質の−SH基を酸化させて、人工生成物を生
成することができる。化学重合に代わる方法は、たとえ
ばリボフラビン（またはリボフラビン−５′−ホスフェ
ート）と光の存在における光重合である。この方法は、
過去に広範囲にわたって研究されてきたが、その低い収
率（モノマーのポリマーマトリックスへの転換率＜60
％、それに対して、過硫酸塩重合における転換率＞90
％）のために放棄されたものである（P.G.Righetti、C.
GelfiおよびA.Bianchi−Bosisio、Electrophoresis 2,1
981,291−295）。本発明においては、＞98％の転換率
（過硫酸塩を用いる場合をも越える）を可能にする最適
な光重合条件が初めて記載される。このような条件は、 ａ）大きめの出力（＞100W）およびよりきわだった紫外
線スペクトル（UV−Ａ）をもつ光源を利用し（過去に記
載された標準的な条件は、16Wのネオン電球を用いるも
のであった）；および／または ｂ）特に低いワット数の電球で実施するときに、光重合
温度を＞50℃に高める ことを含む。
本発明に記載された新たな条件は、光重合を、現在ま
で利用されてきた酸化還元化学よりも有効な方法にす
る。光重合には、もう一つの大きな利点、つまり、重合
処理の間の酸化力の完全な欠如という利点が加えられて
いる。図８は、このような現象の一例を示す。第三級ア
ミン（pK7.0のImmobilineの類似物、アクリル二重結合
をもたない）を、過硫酸塩/TEMEDの対、またはリボフラ
ビンと光のいずれかにより、標準条件（いずれの場合も
50℃で１時間）のもとで温置した。反応後、CZEによっ
て第三級アミンを分析した。図8Aに示すように、pK7.0
の化合物のピークは、第二のピークを生み出す（NMR分
析により、Ｎ−酸化物に帰属する）。このＮ−酸化物種
は、光重合された生成物のエレクトロフェログラムには
まったく見られない。リボフラビンでの光重合に加え
て、発明者らは、トルエンスルフィン酸ナトリウムおよ
び塩化ジフェニルヨードニウム（通常はそれぞれ1mMお
よび50μＭ）の存在において、メチレンブルー（たとえ
ば50μＭ）を用いる光重合からなる、もっとも効率的な
システムをここに報告する。このシステムは、リボフラ
ビン重合と同じ利点（すなわち、酸化力の欠如）を有
し、それに加えて、過硫酸塩重合の場合よりも優れた粘
弾性をもつゲルを生成する（図９を参照）。
本発明による新規なマトリックスの製造に関するいく
つかの非制限的な例を、以下に報告する。
実施例１ Ｎ−（２−ヒドロキシエトキシ）エチル−アクリルアミ
ドの合成 次のようにして、上記のモノマーを得た。CH2Cl2120m
Lに、アミノエトキシエタノール20mL（0.278mol）およ
びトリエチルアミン27.6mL（0.198mol）を加えた。この
溶液を塩化アクリロイル16mL（0.198mol）で滴下処理し
（約０℃で）、室温で約２時間攪拌を続けた。沈殿した
塩をろ過したのち、NaClの存在下に、有機相をpH5.5の
リン酸塩緩衝液で洗浄した（２回、それぞれ100mL）。N
a2SO4上で乾燥させたのち、有機溶媒の最後の残留物を
回転エバポレータで蒸発させた。この生成物を、溶離剤
としてのCHCl3/CH3OH（7:3、その後9:1）中、TLCによっ
て分析した。収量：約8g。この生成物をシリカカラム上
で精製し、まずCH2Cl2/CH3OH（95:5）で、次にCH2Cl2/C
H3OH（9:1）で溶離させた。
この同じ方法により、Ｎ−（２−ヒドロキシエトキ
シ）エチルメタクリルアミドおよびN,N−ジ（２−ヒド
ロキシエトキシ）エチルアクリルアミドを得た。
実施例２ トリス酢酸エステル緩衝液40mM、酢酸ナトリウム20mM
およびEDTA2mM中、pH8.4で、Ｎ−（２−ヒドロキシエト
キシ）エチルアクリルアミド溶液（４％Ｔ、N,N′−メ
チレンビスアクリルアミドもしくはDHEBA（ジヒドロキ
シエチレンビスアクリルアミド）またはビスアクリロイ
ルピペラジンもしくは同様な化合物のような架橋剤４％
を使用）を調製した。この溶液を水流ポンプで10分間脱
ガスし、ついでTEMED（ゲル化溶液1mLあたり１μｌ）を
加えた。この溶液を二つのアリコートに分け、一方をPE
G−10K中で0.2％にし、もう一方をPEG−10K中で２％に
した。各溶液10mLつづを２室型勾配ミキサに移し、ゲル
化溶液1mLあたり10mLの４％過硫酸アンモニウムを加え
た（攪拌しながら）。２個の弁を開放し、電気泳動カセ
ットを、一定のモノマー濃度で、直線的勾配（0.2〜２
％のPEG−10K）20mLで満たした。室温で１時間重合した
後、図５の解説に記載のようにして、DNA断片の電気泳
動分離を実施した。同様にして、しかしPEG−10Kの非存
在において、ポリアクリルアミド対照物を重合した。Ｎ
−（２−ヒドロキシエトキシ）エチルアクリルアミドま
たはアクリルアミド−N,N−ジエトキシエタノールを使
用すると、同様な結果が得られた。この種のマトリック
ス（一定のポロシティーまたは可変性のポロシティーの
いずれでも）は、洗浄し、乾燥させ、所望の添加物（た
とえば簡易的な溶剤、8M尿素、イオン系、非イオン系ま
たは両イオン系の洗剤、担体両性電解質などまたはそれ
らの混合物）で再び膨潤させた後に利用することができ
る。
実施例３ 実施例２と同様に、しかしPEG−10Kの非存在において
実施した。発明者らの新規な分類のＮ−モノおよびジ−
置換アクリルアミドによって得られるマトリックスは、
PEG−10Kの存在による大きめの孔をもたなくても、きわ
めて耐アルカリ加水分解性であり、長期間の貯蔵に対し
て優れていることが見出された。
実施例４ 本発明に記載されたモノマーは、実施例２のように
（PEG−10Kの存在または非存在のいずれにおいても）、
反応促進剤としてのTEMED0.4μl/1mLと、ゲル化溶液1mL
あたり2.32×10-5mMolの最終濃度のリボフラビン（もし
くはリボフラビン−５′−ホスフェート）とを加えるこ
とにより、光重合させることができた。光重合は、室温
で105WのUV−Ａ灯から10cm離れたところで、あるいは、
70℃で16Wのネオン灯の正面で、１時間続けて実施し
た。あるいはまた、光重合は、メチレンブルー50μＭ、
トルエンスルフィン酸ナトリウム1mMおよび塩化ジフェ
ニルヨードニウム50μＭの存在において実施した。ま
た、この場合、ゲルをただちに使用することもできる
し、洗浄し、乾燥させ、実施例２に記載されたような所
望の添加物の存在において、再び膨潤させることによる
将来の使用に備えて貯蔵することもできる。
解説 図１ 種々のアクリルアミドモノマーの加水分解速度。0.1N
のNaOH中、70℃で表示の時間、加水分解を実施した。量
は、各時点でトリプリケートを取り出し、中和し、CZE
機器（Beckman P/ACE）に注入することによって評価し
た。条件:100mMのホウ酸塩−NaOH緩衝液、pH9.0、15k
V、86μＡ、25℃。長さ50cm、内径75μｍの被覆のない
石英ガラス毛管。BeckmanシステムGoldを用いるピーク
積分（内部標準としてマンデル酸を使用した）。略号:A
cr:アクリルアミド、DMA:N,N−ジメチルアクリルアミ
ド、ACM:アクリロイルモルホリン、dd−Tris:ジデオキ
シトリスアクリル、Tris−A:トリスアクリル。トリス−
Ａ（および他すべてのタイプのアクリルアミド糖類も同
様）は零次の崩壊速度を示し、一方、他の大部分のモノ
−およびジ−置換モノマー（未置換アクリルアミドを含
む）は一次反応速度を示すことに注意されたい。比較す
ると、崩壊速度は、ここに提案する新規な分類のＮ−置
換モノマー、たとえばAAEE（アクリルアミド−Ｎ−エト
キシエタノール）については、それほど顕著ではなかっ
た。
図２ ポリマーゲルへのモノマーの崩壊速度。種々のモノマ
ーをビーズ状に重合し（乳化重合による）、0.1NのNaOH
中、70℃で表示の時間加水分解に付し、加水分解生成物
について分析した。前端分析により、アミド結合の加水
分解によって生成した遊離アクリル酸残渣を滴定するこ
とによって、ビーズにおける加水分解を評価した。本発
明において提案された新規なモノマー、たとえばアクリ
ルアミド−Ｎ−エトキシエタノールのきわめて高い安定
性に注目されたい。
図３ 種々のマトリックスの加水分解の検証。ポリアクリル
アミド（PAA）およびポリアクリルアミド−Ｎ−エトキ
シエタノール（AAEE）ゲルを、Bind−Silaneで被覆した
ガラス上に流延し、0.1MのNaOH中、70℃で20分間加水分
解に付した（曲線１）。何度も洗浄し、乾燥させたの
ち、ゲルを２％のpH3〜10の担体両性電解質の中で再び
膨潤させ、等電集束に付した（1500V、４℃で２時
間）。電極の距離に沿ってゲルをスライスし、10mM NaC
lの300μＬ中で平衡化したのち、pHを測定した。ポリ
（AAEE）マトリックスのきわめて高い安定性に比較し
て、PAAゲル中のpH勾配の扁平化した顕著な酸性化（ア
クリル酸のpK値であるpH4.7に変曲点がある）に注目さ
れたい。ポリアクリルアミドゲルはまた、100mMのトリ
スホウ酸塩緩衡液中、pH8.5で一夜温置しただけで、実
に安定であるように見える（曲線２）。
図４ ７種のアクリルアミドポリマーの疎水性の尺度。これ
は、室温で水/n−オクタノール中で分配を行い、二つの
相の濃度をCZEによって定量することによって得た。条
件：ホウ酸塩−NaOH緩衝液100mM、pH9.0、15kV、86μ
Ａ、25℃。長さ50cm、内径75μｍの石英ガラス毛管。Be
ckmanシステムGoldを用いるピーク積分（内部標準とし
てpK9.3のImmobilineを使用した）。略号:TrisA:トリス
アクリル、AEE:アクリルアミド−Ｎ−エトキシエタノー
ル、Acr:アクリルアミド、MMA:モノメチルアクリルアミ
ド、DMA:N,N−ジメチルアクリルアミド、ACM:アクリロ
イルモルホリン、DD−Tris:ジデオキシトリスアクリ
ル。
図５ 直鎖状ポリ（AAEE）の粘稠な溶液におけるDNA制限断
片の分離。AAEEの10％溶液を、架橋剤の非存在下に、毛
管中で重合した。未反応モノマーを除去したのち（図６
を参照）、毛管をトリスホウ酸塩緩衝液（pH8.5）100mM
およびEDTA2mM中で、電気泳動的に平衡化した。DNA制限
断片0.25μg/mLの溶液を、電気泳動（4000V、７μＡ、
３秒）によって毛管に導入し、Waters Quanta 4000機器
に入れて100μｍ（内径）の石英ガラス毛管の中で、500
V（8.8μＡ）で分離させた（258nmでの検出）。断片は
（左から右に）:125、564、831、947、1375、1584、190
4、2027、3530、4268、4973、5148および22226塩基対
（bp）である。
図６ スルフィドリル化合物による遊離した未反応アクリル
アミドの掃去。ゲル（または粘稠な溶液）を重合させた
のち、システイン100mMを含むトリスホウ酸塩緩衝液（p
H9.0）200mMを、毛管中、電気泳動的に10時間、3kVで陽
極に向かって駆動する。この処理ののち、陽極容器の溶
液をトリスホウ酸塩（pH9.0）200mMで置き換え、電気泳
動を４時間、5kVで続けることにより、Cys−アクリルア
ミド付加物を追い出す。50分後、反応生成物の鋭い後方
の境界が出現し、吸光度（mA、254nm）がゼロに落ちる
ことに注目されたい。この時点で、毛管が新たな緩衝液
で満たされると、電流（μＡ）は安定化する傾向を見せ
る。分析の前に、毛管を所望の作業緩衝液（たとえばDN
A分析の場合、トリスホウ酸塩（pH8.5）100mM）中で電
気泳動的に平衡化する。
図７ 側方凝集ゲル（４％Ｔ）、標準的なポリアクリルアミ
ドゲル（４％Ｔ）およびアガロースゲル（1.2％）にお
けるDNA断片（二重鎖）の電気泳動の比較。２種の異な
るポリアクリルアミドゲル中、50Vで３時間、また、ア
ガロースゲル中、60Vで１時間30分、一連のDNA断片（12
3〜6000bp）を移行させる（総試料装填量:DNA1.67μ
ｇ）。ゲルはすべて以下の寸法を有していた。７×7c
m、厚さ1.2mm。試料装填ウエルから各領域の中心までの
移行距離（臭化エチジウム染色によって発現した）を断
片の分子量（bp）の対数に対してプロットしている。移
行緩衝液：トリス酢酸塩40mM、酢酸ナトリウム20mMおよ
びEDTA2mM、pH8.4。側方凝集ゲルは、２室勾配ミキサか
ら、凝集剤の直線的な勾配（PEG−10K0.2〜５％）の存
在において、一定のモノマー濃度（４％Ｔ、４％Ｃ）の
溶液を溶離させることによって得た。
図８ 化学重合中のＮ−酸化物の形成。pK7.0のImmobiline
（モルホリノプロピルアセトアミド）の類似物の10mMの
溶液を、過硫酸塩1.2％とTEMED1mMの存在下、またはリ
ボフラビン（2mM）と光（105WのUV−Ａ灯）の存在下の
いずれかにおいて温置（50℃で１時間）する。温置の
後、生成物を、リン酸塩緩衝液50mM中、pH7.0で、毛管
ゾーン電気泳動（Waters Quanta 4000）によって分析す
る（15kV、86μＡ、254nmで検出）。上の区画：過硫酸
塩温置、下の区画：リボフラビン温置。下の区画には、
上のエレクトロフェログラムにはっきりと見えるＮ−酸
化物のピークが存在しないことに注目されたい。メチレ
ンブルー重合によっても同じ結果（酸化力の不在）が得
られる。
図９ メチレンブルー重合（上）、過硫酸塩（中）および側
方凝集剤の存在下における過硫酸塩（下）の場合の曲線
における弾性率（Ｅ、N/cm2）の重合時間への依存性。
最後の場合、２％ポリエチレングリコール10,000Daの存
在下においてゲルを化学的に重合した。光重合の場合、
より遅い速度で平坦部分に達しているが、最高の弾性特
性が示されていることに注目されたい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−127110（ＪＰ，Ａ) 特公 昭50−33679（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許4705753（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開339678（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C08F 20/00 - 20/70 C08F 220/00 - 220/70 ＣＡ（ＳＴＮ) ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ)

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】式（Ｉ）： （式中、Ｒは、水素またはCH3を表し、R1およびR2は、
    独立して、水素または式−［（CH2）ｎ−Ｏ−（CH2）ｎ
    −ＯNH（式中、ｎ＝２または３であり、Ｎ＝１〜５で
    ある）で示される基を表すが、ただし、R1およびR2の一
    方は水素とは異なる）を有するモノマー単独、又は、同
    モノマーと他の（メタ）アクリルアミドとの、側方凝集
    剤の存在下における（共）重合によって得られる、界面
    動電法またはクロマトグラフィー法に使用するための、
    ポリ−（Ｎ−置換）アクリルアミドマトリックス。
  2. 【請求項２】Ｎが１である、請求項１記載のマトリック
    ス。
  3. 【請求項３】Ｎ−（２−ヒドロキシエトキシ）エチル
    （メタ）アクリルアミドまたはN,N−ジ（２−ヒドロキ
    シエトキシ）エチル（メタ）アクリルアミドの重合によ
    って得られる、請求項１または２記載のマトリックス。
  4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれか一項記載のマトリ
    ックスを使用する、毛管ゾーン電気泳動を含む界面動電
    的分離法。
  5. 【請求項５】架橋したマトリックスまたは未架橋の粘稠
    な溶液として、請求項１記載の式（Ｉ）で示されるモノ
    マーを、−Si−Ｏ−Si−結合を形成する二官能性試薬、
    または直接的な−Si−Ｃ≡結合を形成する二官能性試薬
    とともに使用する、毛管ゾーン電気泳動の毛管の内壁を
    被覆する方法、または毛管を充填する方法。
  6. 【請求項６】請求項１〜３のいずれか一項記載のマトリ
    ックスを使用して、毛管ゾーン電気泳動を用いるか、ゲ
    ルスラブもしくはシリンダーを用いるかのいずれかによ
    る、核酸配列決定およびDNA断片分析を含む界面動電法
    における、また、ドデシル硫酸ナトリウム電気泳動によ
    ってタンパク質分子の大きさを測定するための、および
    固定化pH勾配を含む集束方法。
  7. 【請求項７】側方鎖凝集をもたらす親水性ポリマーの存
    在における（共）重合によって得られた、請求項１〜３
    のいずれか一項記載のマトリックス。
  8. 【請求項８】一定濃度または変動する濃度の側方凝集剤
    でゲルを（共）重合させることによって得られた、請求
    項７記載のマトリックス。
  9. 【請求項９】側方鎖凝集剤として、ポリエチレングリコ
    ールおよびポリビニルピロリドンからなる群より選ばれ
    る親水性ポリマーを使用することによって得られた、請
    求項７または８記載のマトリックス。
  10. 【請求項１０】請求項７〜９のいずれか一項記載のマト
    リックスを使用する、等電集束法および固定化pH勾配を
    包含する高ポロシティー支持体上における電気泳動方
    法。
  11. 【請求項１１】請求項７〜９のいずれか一項記載のマト
    リックスを、単独で、あるいは他の膜の上に被覆させ
    た、使用クロマトグラフィーまたはろ過用の膜。
  12. 【請求項１２】タンパク質を精製するための、該タンパ
    ク質調製物から発熱因子、核酸断片およびウイルス粒子
    を除去するのための多室電解槽における、抗引裂き性の
    支持体が、請求項７〜９のいずれか一項記載のマトリッ
    クスで被覆された等電緩衝膜。
  13. 【請求項１３】式（Ｉ）で示されるモノマーの光（共）
    重合によって得られた、請求項１〜３のいずれか一項記
    載のマトリックス。
  14. 【請求項１４】リボフラビンの存在において、ワット数
    が50Wより大きいUV−Ａ灯を用いて、および／または＞5
    0℃の温度で、光（共）重合を実施して得られた、請求
    項13記載のマトリックス。
  15. 【請求項１５】メチレンブルーならびにトルエンスルフ
    ィン酸ナトリウムおよび塩化ジフェニルヨードニウムの
    存在において、光共重合を実施して得られた、請求項13
    記載のマトリックス。
  16. 【請求項１６】該マトリックスが、未反応アクリルアミ
    ドの二重結合に付加され、それを破壊することができる
    １種以上の化学的掃去剤で処理されていることを特徴と
    するポリマー間の架橋結合による化学的ゲルまたは架橋
    結合によらないポリマー間の物理的相互作用による物理
    的ゲルである、請求項１〜３のいずれか一項記載のマト
    リックス。
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