WO2022049674A1 - 電気泳動装置および生体物質回収方法 - Google Patents

電気泳動装置および生体物質回収方法 Download PDF

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recovery hole
recovery
target biological
electrophoresis
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未真 小川
崇秀 横井
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株式会社日立ハイテク
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/447Systems using electrophoresis
    • G01N27/44704Details; Accessories
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    • G01N27/44739Collecting the separated zones, e.g. blotting to a membrane or punching of gel spots
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    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/10Processes for the isolation, preparation or purification of DNA or RNA
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    • C12N15/1003Extracting or separating nucleic acids from biological samples, e.g. pure separation or isolation methods; Conditions, buffers or apparatuses therefor
    • C12N15/1006Extracting or separating nucleic acids from biological samples, e.g. pure separation or isolation methods; Conditions, buffers or apparatuses therefor by means of a solid support carrier, e.g. particles, polymers
    • C12N15/101Extracting or separating nucleic acids from biological samples, e.g. pure separation or isolation methods; Conditions, buffers or apparatuses therefor by means of a solid support carrier, e.g. particles, polymers by chromatography, e.g. electrophoresis, ion-exchange, reverse phase

Definitions

  • the present invention relates to an electrophoresis apparatus and a method for recovering biological substances.
  • the present invention relates to a method for easily recovering only a target substance from several biological substances as a high-purity and high-concentration recovery liquid by using electrophoresis.
  • the gel electrophoresis method is a method for analyzing biological substances such as nucleic acids and proteins by utilizing the phenomenon that when an electric field is applied to a charged substance, the substance moves toward an electrode having opposite polarity.
  • an electrophoresis gel such as an agarose gel or an acrylamide gel is used as a support for a biological substance. Since the moving speed in the electrophoresis gel differs depending on the molecular weight of the biological substance, the biological substance is separated as a band different for each molecular weight. Since the gel electrophoresis method has high resolution regarding the separation of biological substances, it is also adopted for separating and recovering a biological substance having a target molecular weight from other biological substances having a molecular weight.
  • a method for recovering a biological substance having a molecular weight of interest a method is generally adopted in which the target band separated by electrophoresis is excised together with the surrounding electrophoresis gel, and the biological substance is recovered from the excised electrophoresis gel. ..
  • the concentration of the biological substance changes and that an extra step for excision is required.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose that the electrophoresis gel is provided with a recovery hole for the biological substance in advance. ing.
  • the method of making a recovery hole in a biological substance has an advantage that the possibility of contamination is eliminated because unnecessary substances that migrate faster than the target biological substance pass through the recovery hole and continue to migrate.
  • the target biological substance has an advantage.
  • Patent Document 3 requires two recovery chambers that are electrically and physically separated, and there is a problem that the required area and volume increase accordingly.
  • an object of the present invention is to provide an electrophoresis apparatus and a method for recovering a biological substance, which can improve the recovery rate of the target biological substance with a simple configuration.
  • An example of the electrophoresis apparatus is an electrophoresis apparatus used for separating a biological substance using a separation medium.
  • the electrophoresis apparatus is formed with recovery holes for recovering the separated target biological material.
  • the recovery hole is configured to accommodate a solvent capable of suspending the target biological substance.
  • a buffer tank for accommodating the buffer solution is provided below the recovery hole.
  • a membrane is arranged between the recovery hole and the buffer tank.
  • an example of the biological substance recovery method according to the present invention is in the biological substance recovery method using the above-mentioned electrophoresis device.
  • the method is performed before the target biological material reaches the recovery hole. -Removing the buffer in the recovery hole and -Cleaning the inside of the recovery hole with a cleaning solution, -Injecting the solvent into the recovery hole and Equipped with The method further comprises recovering the target biomaterial after the target biomaterial has reached the recovery hole.
  • the recovery rate of the target biological substance can be improved with a simple configuration.
  • suspension and supernatant removal can be performed efficiently.
  • the vertical sectional view of the electrophoresis unit which concerns on 1st Embodiment of this invention.
  • the schematic diagram explaining the example of the property of the film of FIG.
  • the workflow diagram which shows the separation and recovery workflow by the electrophoresis unit of FIG.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the electrophoresis unit according to the first embodiment.
  • the electrophoresis unit is an electrophoresis device used to separate biological substances using a separation medium.
  • the separation medium is gel 2, and an insulating portion 1 covering the gel 2 is provided.
  • the electrophoresis unit includes a positive electrode 6 and a negative electrode 7 for applying a voltage.
  • a power supply 12 is connected to the positive electrode 6 and the negative electrode 7, and a voltage can be applied between the positive electrode 6 and the negative electrode 7.
  • a voltage control device that controls the operation of the power supply 12 may be connected to the power supply 12.
  • the electrophoresis unit is provided with a buffer tank 8 for accommodating the buffer solution 5.
  • the buffer tank 8 is provided for each of the positive electrode 6 and the negative electrode 7, and the positive electrode 6 and the negative electrode 7 are each immersed in the buffer solution 5 in the buffer tank 8.
  • the specific structures of the positive electrode 6 and the negative electrode 7 are not particularly shown in FIG. 1, those skilled in the art can appropriately arrange the positive electrode 6 and the negative electrode 7 so as to generate an electric field in the electrophoresis unit while insulating them from each other.
  • the target biological substance to be recovered is nucleic acid
  • the direction of electrophoresis is opposite to the direction of the electric field, and electrophoresis is performed from the negative electrode 7 side to the positive electrode 6 side.
  • the orientation of the electrophoresis unit is reversed, or the arrangement of the positive electrode 6 and the negative electrode 7 is reversed.
  • Gel 2 is an example of a separation medium used to separate a target biological substance and an unnecessary substance.
  • a known gel such as an agarose gel or a polyacrylamide gel can be used.
  • the thickness of the gel 2 is not particularly limited, but is preferably 2 to 18 mm from the viewpoint that the band of the biological substance obtained by electrophoresis is sharp and easy to see. The thickness of the gel 2 does not have to be constant.
  • the injection hole 3 has a structure for injecting a sample containing a biological substance (target biological substance) to be separated, and can inject a mixture of biological substances having various molecular weights.
  • the injection hole 3 is formed as a recess that opens toward the upper surface at one end of the gel 2 or in the vicinity thereof. By providing the injection hole 3, the injection operation can be easily performed.
  • the biological substance is injected into the injection hole 3 as an injection liquid mixed with a liquid having a specific density higher than that of the buffer solution 5.
  • the solvent to which the biological substance is mixed include an aqueous glycerol solution and sugar water.
  • the glycerol concentration can be set to, for example, 6%.
  • the viscosity of the injection liquid can be, for example, 1 mPa ⁇ s.
  • the recovery hole 4 is a structure for recovering the separated target biological substance (for example, a biological substance having a target molecular weight).
  • the recovery hole 4 is formed as a recess that opens toward the upper surface at one end of the gel 2 (however, the end opposite to the injection hole 3) or its vicinity. By providing the recovery hole 4, the recovery operation can be easily performed.
  • the distance between the injection hole 3 and the recovery hole 4 can be arbitrarily set, but it is preferable that the recovery hole 4 is provided near the position where the biological substance having the target molecular weight appears as a band.
  • This position can be appropriately designed according to the composition of the separation medium (for example, gel concentration), the molecular weight of the target biological substance, the molecular weight of unnecessary substances (for example, the substance to be discarded separately from the target biological substance), and the like.
  • a part (one side) of the side surface of the recovery hole 4 is formed by the end face of the gel 2, and the other part is formed by a structure other than the gel 2.
  • the rest of the side surface is composed of the insulating portion 1.
  • the specific configuration of the recovery hole 4 is not limited to this, and for example, the entire side surface of the recovery hole 4 can be configured by the gel 2.
  • a method of forming the injection hole 3 and the recovery hole 4 for example, a method of inserting a comb before hardening the gel 2, a method of excising the hardened gel 2 to form the injection hole 3 and the recovery hole 4, and a method of forming the hardened gel 2
  • a method of forming the injection hole 3 and the recovery hole 4 by applying heat to melt the gel examples thereof include a method of forming the injection hole 3 and the recovery hole 4 by applying heat to melt the gel, but the present invention is not particularly limited.
  • the insulating portion 1 has an upper opening 9 that forms an opening of the injection hole 3 and an upper opening 10 that forms an opening of the recovery hole 4.
  • the insulating portion 1 can be configured as an insulating container (chamber), and can be shaped to cover, for example, the gel 2, the injection hole 3, and the recovery hole 4. By providing such an insulating portion 1, it is possible to appropriately form a current path while physically supporting the structure of the electrophoresis unit.
  • the injection hole 3 and the recovery hole 4 are substantially rectangular parallelepipeds, but their structures, shapes, sizes, and the like are not limited to those shown in the drawings.
  • the structure, shape, size, etc. of the injection hole 3 and the recovery hole 4 can be arbitrarily set.
  • the widthwise dimensions of the injection hole 3 and the recovery hole 4 (that is, the horizontal dimension orthogonal to the direction of the electric field, which does not appear in FIG. 2) may be equal or different. Further, depending on the structure of the injection position of the sample, it is possible not to provide the injection hole 3.
  • the recovery hole 4 is configured to accommodate a solvent.
  • the solvent shall be capable of suspending the target biological material.
  • the target biological substance can be recovered together with the solvent by recovering the solution in the recovery hole 4.
  • the buffer tank 8 on the positive electrode 6 side is provided below the recovery hole 4. More strictly, when viewed from the vertical direction, at least a part of the buffer tank 8 is provided so as to overlap with at least a part of the recovery hole 4 (in the example of FIG. 1, the whole of the recovery hole 4).
  • a membrane 11 is arranged between the recovery hole 4 and the buffer tank 8. That is, the upper surface of the membrane 11 is in contact with the solvent or solution in the recovery hole 4, and the lower surface of the membrane 11 is in contact with the buffer solution 5 in the buffer tank 8.
  • the film 11 is arranged horizontally, but it does not have to be strictly horizontal.
  • a part of the buffer tank 8 is provided on the side of the recovery hole 4. Further, the buffer tank 8 has an opening 8a that opens upward.
  • the opening 8a is an opening provided in a portion other than the portion where the film 11 is arranged.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the properties of the film 11.
  • the properties of the membrane 11 are arbitrary, but from the viewpoint of efficiently recovering only the target biological substance, the target biological substance stays in the recovery hole 4 as shown by arrow A, and the other ions are shown by arrow B. It is preferable to allow the material to permeate into the buffer tank 8.
  • the membrane 11 inhibits the permeation of the target biological substance, and it is more preferable that the membrane 11 does not substantially permeate.
  • the membrane 11 allows ions other than the target biological substance to permeate, and it is further preferable that the membrane 11 does not substantially inhibit the permeation.
  • the membrane 11 is used as a selective permeable membrane, and the transmittance of the membrane 11 to the target biological substance is lower than the permeability of the membrane 11 to at least one other ion (that is, an ion other than the target biological substance). It is preferable to configure it so as to be. The properties of each of the above examples may be combined.
  • the transmittance of the membrane 11 with respect to the solvent and the buffer solution can be arbitrarily designed.
  • the solvent and / or the buffer solution may be permeated through the membrane 11 so that they are partially mixed.
  • the positive electrode 6 is arranged at a position lower than the film 11.
  • "Low position” means, for example, a position below the direction of gravity. According to such a configuration, the target biological substance in the recovery hole 4 can be guided toward the membrane 11 by an electric field, and the recovery rate is improved.
  • the positive electrode 6 is arranged in a region other than the region directly below the film 11. That is, when viewed from the vertical direction, the positive electrode 6 and the film 11 are arranged so as not to overlap each other. According to such a configuration, even when the positive electrode 6 is arranged at a position lower than the film 11, the bubbles generated in the positive electrode 6 are suppressed from coming into contact with the film 11, and the function of the film 11 is appropriately maintained. Will be done.
  • the target biological substance (at least a part thereof) will adhere to the membrane 11, but according to the positional relationship between the recovery hole 4 and the buffer tank 8, the membrane 11 constitutes the bottom surface of the recovery hole 4. Therefore, the work of suspending the target biological substance attached to the membrane 11 by a suspension device (for example, a pipette) inserted from the recovery hole 4 can be efficiently performed. More specifically, the suspension of the target biological substance can be efficiently performed as compared with the case where the membrane 11 constitutes the side surface of the recovery hole 4.
  • a suspension device for example, a pipette
  • the membrane 11 constitutes the bottom surface of the recovery hole 4
  • most of the target biological material migrates to the vicinity of the bottom surface of the recovery hole 4. Therefore, the amount of the target biological substance present in the upper part in the recovery hole 4 is reduced. Therefore, when the supernatant of the solvent is removed before the recovery of the target biological substance, the target biological substance to be removed together with the supernatant can be reduced, and the supernatant removal work can be efficiently performed.
  • the membrane 11 constitutes the bottom surface of the recovery hole 4, the target biological substance attached to the membrane 11 can be easily observed from above the recovery hole 4.
  • the recovery rate of the target biological substance can be improved with a simple configuration.
  • suspension and supernatant removal can be performed efficiently.
  • This workflow relates to an electrophoresis method and particularly represents a biological material recovery method using the above-mentioned electrophoresis unit.
  • the electrophoresis method according to this embodiment includes the steps of steps 13 to 20.
  • Step 13 is a step in which the user injects an injection liquid containing a target biological substance into the injection hole 3 of the gel 2.
  • Step 14 is a step of performing electrophoresis by applying an electric field in which the power supply 12 passes through the injection hole 3 and the recovery hole 4. More specifically, in this step 14, the voltage application is stopped after the step of starting the application of the voltage for moving the target biological material toward the recovery hole 4 (voltage application start step) and the voltage application start step. Includes a step (voltage application stop step).
  • Step 15 includes a step of removing the buffer solution in the recovery hole 4 (buffer solution removal step) before the target biological substance reaches the recovery hole 4. Further, in some cases, the step 15 includes a step (cleaning step) of cleaning the recovery hole 4 with a cleaning liquid after the buffer solution removing step. This cleaning step may include, for example, a step of injecting the cleaning liquid into the recovery hole 4 and a step of removing the cleaning liquid from the recovery hole 4.
  • Step 16 is a step (solvent injection step) in which the user injects a solvent into the recovery hole 4.
  • the timing for executing steps 15 and 16 can be appropriately designed by those skilled in the art, but can be, for example, before the target biological substance reaches the recovery hole 4.
  • the target biological substance may be stained in advance and the timing may be determined visually.
  • the time for the target biological material to reach the recovery hole 4 may be measured or estimated in advance, and the timing may be determined based on the elapsed time. From the viewpoint of efficiently improving the concentration, it is preferable that steps 15 and 16 are performed immediately before the target biological substance reaches the recovery hole 4.
  • Step 17 is a step of performing electrophoresis by reapplying an electric field through which the power supply 12 passes through the injection hole 3 and the recovery hole 4. More specifically, in this step 17, similarly to the above step 14, after the step of starting the application of the voltage for moving the target biological material toward the recovery hole 4 (voltage application restart step) and the voltage application restart step. , The step of stopping the application of voltage (step of stopping the application of voltage) is included.
  • the target biological substance reaches the inside of the recovery hole 4.
  • the membrane 11 is configured so as not to allow the target biological substance to permeate, the target biological substance is contained in the recovery hole 4 even if the stop of the voltage application is delayed (or even if the voltage application is not stopped).
  • the recovery efficiency of the target biological substance is improved.
  • the membrane 11 is configured to allow ions other than the target biological substance to permeate, the concentration of the target biological substance in the recovered solution can be improved.
  • Step 18 is a step (recovery step) of recovering the target biological substance that has reached the recovery hole 4 from the recovery hole 4. For example, the user recovers the target biological substance by acquiring the sample solution in the recovery hole 4.
  • This step 18 includes a step of removing the supernatant of the solvent in the recovery hole 4 (superior removal step) and a step of recovering the target biological substance in the recovery hole 4 after removing the supernatant (post-removal recovery step). ) And may be included.
  • the concentration of the target biological substance can be arbitrarily selected by removing an appropriate amount of the supernatant in the recovery hole 4 and recovering the remaining solution.
  • the amount of the supernatant to be removed can be obtained, for example, by calculating the difference between the volume of the recovery hole 4 and the amount of the solution to be recovered.
  • removal of the supernatant and recovery of the target biological material can be performed using an appropriate dispensing mechanism (eg, pipette).
  • the solution containing the target biological substance is recovered.
  • the final voltage application stop step in step 17 may be omitted.
  • the supernatant removing step of step 18 is executed while continuing to apply the voltage. Further, in that case, the voltage application may be stopped after the execution of the supernatant removing step and before the execution of the post-removal recovery step.
  • Step 19 is a step of determining whether or not there is another target biological substance. If there is another target biological substance in step 19, step 20 is executed.
  • Step 20 is a step of injecting a buffer solution into the recovery hole 4 (buffer solution injection step). After step 20, each step is repeated by returning to step 14. That is, additional step 14 (voltage application start step and voltage application stop step), additional step 15 (buffer liquid removal step and cleaning step), additional step 16 (solvent injection step), and additional step 17 (voltage application restart step). Steps and voltage application stop steps), and an additional step 18 (recovery step) are performed, and in the additional step 19 it is determined if there is another target biological material. By such repetition, a plurality of types of target biological substances can be recovered in ascending order of molecular weight.
  • An agarose gel having an injection hole 3 and a recovery hole 4 was prepared.
  • the agarose gel was molded by pouring 3% SeaKem (registered trademark) GTG-TAE (manufactured by Lonza) into a plastic container.
  • the injection hole 3 has an opening size of 1 mm ⁇ 5 mm and a depth of 3 mm
  • the recovery hole 4 has an opening size of 2 mm ⁇ 5 mm and a depth of 4 mm. Each was formed.
  • the distance between the injection hole 3 and the recovery hole 4 was set to 20 mm.
  • the prepared agarose gel was placed horizontally on an electrophoresis device (Mupit (registered trademark), manufactured by Mupit), 1 ⁇ TAE buffer (Tris Actate EDTA Buffer) was poured into the buffer tank 8, and the agarose gel was barely on the upper surface. Filled up to. The insides of the injection hole 3 and the recovery hole 4 were also filled with TAE buffer. Then, 1 ⁇ L of 6 ⁇ DNA Loading Dye (manufactured by Thermo Fisher Scientific) was mixed with 5 ⁇ L of a sample solution containing nucleic acids of various lengths to prepare an injection solution, which was injected into the injection hole 3.
  • the voltage was stopped when the nucleic acid of the target length was immediately before the recovery hole 4, and the buffer solution in the recovery hole 4 was removed.
  • 40 ⁇ L of distilled water was injected, and the mixture was pipetted 20 times and then removed.
  • 40 ⁇ L of distilled water was injected as a solvent.
  • a voltage of 100 V was applied again, and after the nucleic acid of the target length entered the recovery hole, the voltage was stopped to obtain a nucleic acid solution.
  • the obtained solution was quantified using a nucleic acid quantifying device TapeStation4200 (Agilent Technologies, Ltd.). From the quantification results, it was confirmed that 80% of the target nucleic acid could be recovered without contamination.
  • FIG. 4 is a graph of experimental results illustrating the effect of the electrophoresis unit according to the first embodiment.
  • the membrane 11 is arranged horizontally as described above.
  • the membrane 11 was arranged vertically (that is, so as to form the side surface of the recovery hole 4), and the bottom surface of the recovery hole 4 was composed of the insulating portion 1.
  • the experimental conditions are the same.
  • a DNA sample of Escherichia coli 25 ng was used as a sample (target biological substance), and the recovery rate was measured.
  • the applied voltage was 100 V, and the migration time was 40 minutes.
  • As gel 2 3% Seachem GTG-TAE was used. Qubit dsDNA Kit was used for the quantification of the target biological substance.
  • the recovery rate was only about 40% to 55%, but in the electrophoresis unit according to the first embodiment, a high recovery rate of about 60% to 95% can be obtained. rice field.

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Abstract

電気泳動装置は、分離媒体を用いて生体物質を分離するために用いられる。電気泳動装置には、分離された目的生体物質を回収するための回収孔4が形成されており、回収孔4は、目的生体物質を懸濁可能な溶媒を収容できるように構成され、緩衝液5を収容するためのバッファー槽8が、回収孔4の下方に設けられ、回収孔4とバッファー槽8との間には膜11が配置される。

Description

電気泳動装置および生体物質回収方法
 本発明は電気泳動装置および生体物質回収方法に関する。一例として、電気泳動を用いて幾つかの生体物質から目的物質のみを高純度かつ高濃度の回収液として簡便に回収するための方法に関する。
 ゲル電気泳動方法は、電荷を持った物質に電場を印加すると、物質が逆極性の電極方向へ移動する現象を利用して、核酸やたんぱく質などの生体物質を分析する手法である。一般に、生体物質の支持体として、アガロースゲルやアクリルアミドゲルなどの電気泳動ゲルが用いられる。生体物質の分子量によって電気泳動ゲル中の移動速度が異なるため、分子量毎に異なるバンドとして生体物質が分離される。ゲル電気泳動方法は、生体物質の分離に関し高い分解能を持つため、目的とする分子量の生体物質を他の分子量の生体物質から分離し、回収するためにも採用される。
 目的とする分子量の生体物質の回収方法として、電気泳動により分離した目的のバンドに対し、周囲の電気泳動ゲルごと切除し、切除された電気泳動ゲルから生体物質を回収する方法が一般に採用される。しかし、切除された電気泳動ゲルから生体物質を回収する際に、生体物質の濃度が変化したり、切除のための工程が余計に必要になったりするという課題があった。
 電気泳動ゲルを切除する必要がなく、電気泳動と同時に目的とする生体物質を回収する方法として、例えば特許文献1及び2には、予め電気泳動ゲルに生体物質の回収孔を設けることが開示されている。生体物質に回収孔を空ける方法は、目的生体物質よりも早く泳動する不要物が回収孔を通り抜けて泳動を続けることからコンタミの可能性がなくなるという利点があるが、同様の理由から目的生体物質も回収孔を通り抜けやすく、目的生体物質の高回収率化がみこめないという問題があった。
 同様に、電気泳動と同時に目的とする生体物質を回収する方法として、例えば特許文献3には、電気泳動の流路が二股に分かれていて、電極のスイッチングによって目的生体物質のみを回収用チャンバに移動させる方法が開示されている。
特開2004-290109号公報 特表2010-502962号公報 米国特許第9719961号明細書
 しかしながら、従来の構成では、目的生体物質の回収率を向上させるのが困難であるという課題があった。
 たとえば特許文献1及び2の構成は、ゲルの途中に孔が空いた構成のため、回収孔に到達した生体物質は回収孔以降にも電気泳動を続けるため、高効率に目的生体物質を回収することは困難である。
 なお、特許文献3の構成では、電気的および物理的に分離された2個の回収用チャンバが必要で、その分必要な面積および体積が大きくなるという課題がある。
 そこで、本発明は、簡素な構成で目的生体物質の回収率を向上させることができる、電気泳動装置および生体物質回収方法を提供することを目的とする。
 また、そのような電気泳動装置および生体物質回収方法において、とくに懸濁および上清除去を効率的に実行できるものを提供することを目的とする。
 本発明に係る電気泳動装置の一例は、分離媒体を用いて生体物質を分離するために用いられる電気泳動装置であって、
 前記電気泳動装置には、分離された目的生体物質を回収するための回収孔が形成されており、
 前記回収孔は、前記目的生体物質を懸濁可能な溶媒を収容できるように構成され、
 緩衝液を収容するためのバッファー槽が、前記回収孔の下方に設けられ、
 前記回収孔と前記バッファー槽との間には膜が配置される。
 また、本発明に係る生体物質回収方法の一例は、上述の電気泳動装置を用いた生体物質回収方法において、
 前記方法は、前記目的生体物質が前記回収孔に到達する前に、
 ‐回収孔内の緩衝液を除去することと、
 ‐洗浄液を用いて前記回収孔内を洗浄することと、
 ‐前記回収孔に前記溶媒を注入することと、
 を備え、
 前記方法は、さらに、前記目的生体物質が前記回収孔に到達した後に、前記目的生体物質を回収することを備える。
 本発明に係る電気泳動装置および生体物質回収方法によれば、簡素な構成で目的生体物質の回収率を向上させることができる。
 また、とくに、懸濁および上清除去を効率的に実行できる。
本発明の第1の実施形態に係る電気泳動ユニットの垂直断面図。 図1の膜の性質の例を説明する模式図。 図1の電気泳動ユニットによる分離回収ワークフローを示すワークフロー図。 図1の電気泳動ユニットの効果を説明する実験結果のグラフ。
 本実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものには同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明は添付の特許請求の範囲によって定義されるが、その思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
 図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
 本明細書において単数形で表される構成要素は、特段文脈で明らかに示されない限り、複数形を含むものとする。
[第1の実施形態]
 第1の実施形態に係る電気泳動装置および生体物質回収方法について、図1~図3を用いて説明する。
 図1は、第1の実施形態に係る電気泳動ユニットの垂直断面図である。電気泳動ユニットは、分離媒体を用いて生体物質を分離するために用いられる電気泳動装置である。図1の例では、分離媒体はゲル2であり、ゲル2を覆う絶縁部1が設けられる。
 電気泳動ユニットは、電圧を印加するための正極6および負極7を備える。正極6および負極7には電源12が接続され、正極6および負極7の間に電圧を印加できるように構成される。図示しないが、電源12の動作を制御する電圧制御装置が電源12に接続されてもよい。
 電気泳動ユニットには、緩衝液5を収容するためのバッファー槽8が設けられる。バッファー槽8は、正極6および負極7それぞれについて設けられ、正極6および負極7は、それぞれバッファー槽8において緩衝液5に浸される。図1には正極6及び負極7の具体的構造をとくに図示しないが、当業者は適宜、正極6及び負極7を互いに絶縁しつつ電気泳動ユニット内に電場を発生させるよう配置することができる。
 なお、以下において、回収の対象となる目的生体物質が核酸である場合を例に説明する。核酸は、マイナスに帯電しているため、電気泳動の方向は電場の方向と逆向きとなり、負極7側から正極6側に向かって電気泳動する。なお、プラスに帯電している生体物質を回収する場合は、電気泳動ユニットの向きを逆にするか、正極6及び負極7の配置を逆にする。
 ゲル2は、目的生体物質と不要物とを分離するために用いられる分離媒体の例である。ゲル2として、例えばアガロースゲル又はポリアクリルアミドゲルなど公知のものを用いることができる。ゲル2の厚みに特に限定はないが、電気泳動により得られる生体物質のバンドがシャープで視認しやすいという観点から、2~18mmであることが好ましい。なおゲル2の厚みは一定でなくてもよい。
 ゲル2に関連して、注入孔3および回収孔4が設けられる。注入孔3は、分離すべき生体物質(目的生体物質)を含む試料を注入するための構造であり、様々な分子量を有する生体物質の混合物を注入することができる。注入孔3は、本実施形態では、ゲル2の一端またはその近傍において、上面に向かって開口する凹部として形成される。注入孔3を設けることにより、注入操作が容易に行える。
 生体物質は、緩衝液5より比重の大きい液体と混合した注入液として、注入孔3に注入される。生体物質が混合される溶媒として、例えば、グリセロール水溶液や砂糖水等が挙げられる。溶媒がグリセロール水溶液である場合には、グリセロール濃度を例えば6%とすることができる。注入液の粘度は、例えば1mPa・sとすることができる。
 回収孔4は、分離された目的生体物質(たとえば目的の分子量を有する生体物質)を回収するための構造である。回収孔4は、本実施形態では、ゲル2の一端(ただし注入孔3とは反対側の端)またはその近傍において、上面に向かって開口する凹部として形成される。回収孔4を設けることにより、回収操作が容易に行える。
 注入孔3及び回収孔4の間隔は任意に設定することができるが、回収孔4は、目的の分子量の生体物質がバンドとして現れる位置近傍に設けられることが好ましい。この位置は、分離媒体の組成(たとえばゲル濃度)、目的生体物質の分子量、不要物(たとえば目的生体物質とは区別して廃棄したい物質)の分子量、等に応じて適宜設計することができる。
 さらに、本実施形態では、回収孔4の側面の一部(一面)がゲル2の端面によって構成され、他の部分がゲル2以外の構造によって構成される。具体的には、側面の残部が絶縁部1によって構成されている。しかしながら、回収孔4の具体的構成はこれに限られず、たとえば回収孔4の側面全体をすべてゲル2によって構成することも可能である。
 注入孔3及び回収孔4を形成する方法として、例えば、ゲル2を固める前にコームを差し込む方法、固まったゲル2を切除して注入孔3及び回収孔4を形成する方法、固まったゲル2に熱をかけて溶かすことにより注入孔3及び回収孔4を形成する方法、などが挙げられるが、特に限定はない。
 絶縁部1は、注入孔3の開口を形成する上部開口部9と、回収孔4の開口を形成する上部開口部10とを有する。絶縁部1は、絶縁性の容器(チャンバー)として構成することができ、たとえばゲル2、注入孔3、および回収孔4を覆う形状とすることができる。このような絶縁部1を設けることにより、電気泳動ユニットの構造を物理的に支持しつつ、電流の経路を適切に形成することができる。
 本実施形態において、注入孔3及び回収孔4は略直方体であるが、その構造、形状、大きさ等は図示のものに限定されない。注入孔3及び回収孔4の構造、形状、大きさ等は、任意に設定することができる。注入孔3及び回収孔4の幅方向寸法(すなわち電場の向きと直交する水平方向の寸法。図2には表れない)は等しくしてもよく、異なっていてもよい。また、試料の注入位置の構造によっては、注入孔3を設けないことも可能である。
 回収孔4は、溶媒を収容できるように構成される。溶媒は、目的生体物質を懸濁可能なものとする。回収孔4内に目的生体物質が存在している場合には、回収孔4内の溶液を回収することにより、溶媒とともに目的生体物質を回収することができる。
 正極6側のバッファー槽8は、回収孔4の下方に設けられる。より厳密には、鉛直方向から見た場合に、バッファー槽8のうち少なくとも一部が、回収孔4の少なくとも一部(図1の例では回収孔4の全体)と重複するように設けられる。
 回収孔4とバッファー槽8との間には膜11が配置される。すなわち、膜11の上面は回収孔4内の溶媒または溶液と接触し、膜11の下面はバッファー槽8内の緩衝液5と接触する。本実施形態では膜11は水平に配置されるが、厳密に水平とする必要はない。
 本実施形態では、バッファー槽8の一部は回収孔4の側方に設けられている。また、バッファー槽8は、上に向かって開口する開口部8aを持つ。開口部8aは、膜11が配置される部分ではない部分に設けられる開口部である。開口部8aを設けることにより、緩衝液5の供給作業が容易に行える。
 図2は、膜11の性質を説明する模式図である。膜11の性質は任意であるが、目的生体物質のみを効率的に回収する観点からは、目的生体物質が矢印Aに示すように回収孔4に留まり、それ以外のイオンが矢印Bに示すようにバッファー槽8へと透過するようにすると好適である。
 一例として、膜11が目的生体物質の透過を阻害するようにすると好適であり、実質的に透過しないようにするとさらに好適である。別の例として、膜11が目的生体物質以外のイオンを透過するようにすると好適であり、実質的に透過を阻害しないようにするとさらに好適である。また別の例として、膜11を選択透過膜とし、目的生体物質に対する膜11の透過率が、少なくとも1種類の別のイオン(すなわち目的生体物質以外のイオン)に対する膜11の透過率よりも低くなるように構成すると好適である。上記各例の性質を組み合わせてもよい。
 なお、溶媒および緩衝液に対する膜11の透過率は任意に設計可能である。溶媒および/または緩衝液が膜11を透過することにより、これらが部分的に混合されるような構成であってもよい。
 正極6は、膜11よりも低い位置に配置される。「低い位置」とは、たとえば重力方向下側にある位置を意味する。このような構成によれば、回収孔4内の目的生体物質を電場により膜11に向かって誘導することができ、回収率が向上する。
 また、正極6は、膜11の真下領域でない領域に配置される。すなわち、鉛直方向から見た場合に、正極6と膜11とが重複しないように配置される。このような構成によれば、正極6を膜11より低い位置に配置した場合であっても、正極6で発生する気泡が膜11に接触することが抑制され、膜11の機能が適切に維持される。
 目的生体物質(少なくともその一部)は膜11に付着することになるが、回収孔4とバッファー槽8との位置関係によれば、膜11は回収孔4の底面を構成する。このため、膜11に付着した目的生体物質を、回収孔4から挿入する懸濁装置(たとえばピペット)により懸濁する作業が効率的に行える。より具体的には、膜11が回収孔4の側面を構成する場合に比べ、目的生体物質の懸濁を効率的に行える。
 また、膜11が回収孔4の底面を構成するので、目的生体物質の大部分が回収孔4の底面付近まで泳動する。このため、回収孔4内の上部に存在する目的生体物質の量が少なくなる。したがって、目的生体物質の回収前に溶媒の上清を除去する場合に、上清とともに除去される目的生体物質を低減することができ、上清除去作業が効率的に行える。
 さらに、膜11が回収孔4の底面を構成するので、膜11に付着した目的生体物質を回収孔4の上方から容易に観察することができる。
 このように、第1の実施形態に係る電気泳動装置および生体物質回収方法によれば、簡素な構成で目的生体物質の回収率を向上させることができる。また、とくに、懸濁および上清除去を効率的に実行することができる。
 次に、図3を参照して、図1の電気泳動ユニットによる分離回収ワークフローを説明する。このワークフローは電気泳動方法に係るものであり、とくに、上述の電気泳動ユニットを用いた生体物質回収方法を表す。
 本実施形態に係る電気泳動方法は、ステップ13~20の各工程を有する。ステップ13は、ユーザーがゲル2の注入孔3に、目的生体物質を含む注入液を注入する工程である。
 ステップ14は、電源12が注入孔3及び回収孔4を通る電場を印加して電気泳動を行う工程である。このステップ14は、より詳細には、目的生体物質を回収孔4に向かって移動させる電圧の印加を開始する工程(電圧印加開始工程)と、電圧印加開始工程の後に、電圧の印加を停止する工程(電圧印加停止工程)とを含む。
 ステップ15は、目的生体物質が回収孔4に到達する前に、回収孔4内の緩衝液を除去する工程(緩衝液除去工程)を含む。また、場合によっては、ステップ15は、緩衝液除去工程の後に、洗浄液を用いて回収孔4を洗浄する工程(洗浄工程)を含む。この洗浄工程は、たとえば回収孔4に洗浄液を注入する工程と、回収孔4から洗浄液を除去する工程とを含んでもよい。
 このように、回収孔4内の緩衝液を除去し洗浄することにより、不要物(たとえば目的外の生体物質)の除去性能が高くなる。これによって、回収される溶液中における目的生体物質の濃度を向上させることができる。
 ステップ16は、ユーザーが回収孔4に溶媒を注入する工程(溶媒注入工程)である。
 ステップ15およびステップ16を実行するタイミングは、当業者が適宜設計することができるが、たとえば目的生体物質が回収孔4に到達する前とすることができる。たとえば、目的生体物質を予め染色しておき、目視によってタイミングを決定してもよい。または、目的生体物質が回収孔4に到達する時間を予め測定または推定しておき、経過時間に基づいてタイミングを決定してもよい。濃度を効率的に向上させる観点からは、ステップ15およびステップ16は、目的生体物質が回収孔4に到達する直前に行うと好適である。
 ステップ17は、電源12が注入孔3及び回収孔4を通る電場を再度印加して電気泳動を行う工程である。このステップ17は、より詳細には、上記ステップ14と同様に、目的生体物質を回収孔4に向かって移動させる電圧の印加を開始する工程(電圧印加再開工程)と、電圧印加再開工程の後に、電圧の印加を停止する工程(電圧印加停止工程)とを含む。
 ステップ17により、目的生体物質が回収孔4内に到達する。ここで、膜11が目的生体物質を透過させないように構成されている場合には、電圧印加の停止が遅れても(または電圧の印加が停止されなくても)目的生体物質は回収孔4内に留まり、目的生体物質の回収効率が改善する。さらに、膜11が目的生体物質以外のイオンを透過させるように構成されている場合には、回収される溶液中における目的生体物質の濃度を向上させることができる。
 ステップ18は、ユーザーが回収孔4に到達した目的生体物質を回収孔4から回収する工程(回収工程)である。たとえば、ユーザーは、回収孔4内の試料溶液を取得することによって目的生体物質を回収する。
 このステップ18は、回収孔4内の溶媒の上清を除去する工程(上清除去工程)と、上清を除去した後に、回収孔4内の目的生体物質を回収する工程(除去後回収工程)とを含んでもよい。回収孔4内の上清を適切な量だけ除去し、残りの溶液を回収することで目的生体物質の濃度を任意に選択することができる。除去すべき上清の量は、たとえば、回収孔4の容量と、回収すべき溶液の量との差分を計算して求めることができる。また、上清の除去および目的生体物質の回収は、適切な分注機構(たとえばピペット)を用いて実行することができる。
 除去後回収工程では、たとえば溶媒を懸濁した後に、目的生体物質を含む溶液が回収される。
 ここで、ステップ17の最後の電圧印加停止工程を省略してもよい。その場合には、目的生体物質が回収孔4に到達した後に、電圧印加を続けながらステップ18の上清除去工程が実行されることになる。また、その場合には、上清除去工程の実行後、除去後回収工程の実行前に、電圧印加を停止してもよい。
 このような構成によれば、目的生体物質が電圧によって下方に誘導されている状態で上清が除去されるので、上清とともに除去される目的生体物質の量を低減することができ、より高濃度な目的生体物質を回収することができる。
 ステップ19は、他に目的生体物質があるかを決定する工程である。ステップ19にて他に目的生体物質がある場合には、ステップ20が実行される。ステップ20は、回収孔4に緩衝液を注入する工程(緩衝液注入工程)である。ステップ20の後は、上記ステップ14に戻って各工程を繰り返す。すなわち、追加のステップ14(電圧印加開始工程および電圧印加停止工程)、追加のステップ15(緩衝液除去工程および洗浄工程)、追加のステップ16(溶媒注入工程)、追加のステップ17(電圧印加再開工程および電圧印加停止工程)、および追加のステップ18(回収工程)が実行され、さらに追加のステップ19において他の目的生体物質があるかを決定する。このような繰り返しにより、複数種類の目的生体物質を、分子量が小さい順に回収することができる。
 このように、第1の実施形態に係る電気泳動ユニットおよび関連する生体物質回収方法によれば、従来の方法に比べて高効率かつ高濃度に目的生体物質を分画及び回収することが可能となる。
 また、そのような効果を簡素な構成で得ることができる。たとえば、従来の構成には分離媒体の流路を分岐させたものがあるが(特許文献3等)、そのような構成と比較すると、本発明の第1の実施形態に係る電気泳動ユニットおよび関連する生体物質回収方法では分離媒体の流路を一続きにできるため、一サンプルの処理に必要な体積を小さくすることができ、構成が簡素となる。
 以下、第1の実施形態の実施例について説明する。
(電気泳動ゲルの作製)
 注入孔3及び回収孔4を有するアガロースゲルを作製した。アガロースゲルは、3%SeaKem(登録商標)GTG-TAE(Lonza社製)をプラスチック容器に流し入れて成型した。注入孔3は、開口寸法1mm×5mm、深さ3mmになるように、回収孔4は、開口寸法2mm×5mm、深さ4mmになるように、アガロースゲルが固まる前にコームを差し込むことで、それぞれ形成した。注入孔3及び回収孔4の距離は20mmとした。
(電気泳動)
 作製したアガロースゲルを電気泳動装置(ミューピット(登録商標)、ミューピット社製)に水平に設置し、1×TAE緩衝液(Tris Acetate EDTA Buffer)をバッファー槽8に注ぎ、アガロースゲルの上面ぎりぎりまで満たした。注入孔3及び回収孔4の内部もTAE緩衝液で満たした。その後、種々の長さの核酸を含む試料溶液5μLに、6×DNA Loading Dye(Thermo Fisher Scientific社製)1μLを混合して注入液とし、注入孔3に注入した。
 注入液の注入後、100Vの電圧を印加し電気泳動を行った。
 次に、目的長さの核酸が回収孔4の直前にあるときに電圧を停止し、回収孔4内の緩衝液を除去した。次に、蒸留水40μLを注入し、20回ピペッティング後除去した。次に、溶媒として蒸留水40μLを注入した。
 再度100Vの電圧を印加し、目的長さの核酸が回収孔に入った後に電圧を停止し、核酸溶液を取得した。
 取得した溶液は、核酸定量装置TapeStation4200(Agilent Technologies, Ltd.)を用いて定量した。定量結果から、目的核酸をコンタミなく80%回収できていることを確認した。
 図4は、第1の実施形態に係る電気泳動ユニットの効果を説明する実験結果のグラフである。第1の実施形態に係る電気泳動ユニットでは、上述のように膜11を水平に配置した。これに対し、比較例に係る電気泳動ユニットでは、膜11を垂直に(すなわち回収孔4の側面を構成するように)配置し、回収孔4の底面は絶縁部1で構成した。
 実験条件はいずれも同一である。サンプル(目的生体物質)として大腸菌のDNAサンプル25ngを用い、回収率を測定した。印加する電圧は100Vとし、泳動時間は40分とした。ゲル2として3% Seakem GTG-TAEを用いた。目的生体物質の定量にはQubit dsDNA Kitを用いた。
 図4に示すように、比較例では40%~55%程度の回収率に留まったが、第1の実施形態に係る電気泳動ユニットでは60%~95%程度の高い回収率を得ることができた。
 1…絶縁部
 2…ゲル(分離媒体)
 3…注入孔
 4…回収孔
 5…緩衝液
 6…正極
 7…負極
 8…バッファー槽(8a…開口部)
 9,10…上部開口部
 11…膜
 12…電源

Claims (11)

  1.  分離媒体を用いて生体物質を分離するために用いられる電気泳動装置であって、
     前記電気泳動装置には、分離された目的生体物質を回収するための回収孔が形成されており、
     前記回収孔は、前記目的生体物質を懸濁可能な溶媒を収容できるように構成され、
     緩衝液を収容するためのバッファー槽が、前記回収孔の下方に設けられ、
     前記回収孔と前記バッファー槽との間には膜が配置される、
    電気泳動装置。
  2.  請求項1に記載の電気泳動装置を用いた生体物質回収方法において、
     前記方法は、前記目的生体物質が前記回収孔に到達する前に、
     ‐前記回収孔内の緩衝液を除去することと、
     ‐洗浄液を用いて前記回収孔内を洗浄することと、
     ‐前記回収孔に前記溶媒を注入することと、
     を備え、
     前記方法は、さらに、前記目的生体物質が前記回収孔に到達した後に、前記目的生体物質を回収することを備える、生体物質回収方法。
  3.  請求項1に記載の電気泳動装置を用いた生体物質回収方法において、
     前記目的生体物質が前記回収孔に到達した後に、前記回収孔内の前記溶媒の上清を除去することと、
     前記上清を除去した後に、前記回収孔内の前記目的生体物質を回収することと、
    を備える、生体物質回収方法。
  4.  請求項3に記載の生体物質回収方法において、前記溶媒の上清を除去することは、電圧印加を続けながら行われる、生体物質回収方法。
  5.  請求項1に記載の電気泳動装置において、前記バッファー槽は、前記膜が配置される部分以外に、上に向かって開口する開口部を持つ、電気泳動装置。
  6.  請求項1に記載の電気泳動装置において、
     前記電気泳動装置は、電圧を印加するための正極および負極を備え、
     前記正極は、前記膜より低い位置に配置される、
    電気泳動装置。
  7.  請求項6に記載の電気泳動装置において、前記正極は、前記膜の真下領域でない領域に設置される、電気泳動装置。
  8.  請求項1に記載の電気泳動装置において、前記分離媒体および前記回収孔を覆う絶縁部を備える、電気泳動装置。
  9.  請求項1に記載の電気泳動装置において、前記目的生体物質を含む試料を注入するための注入孔が形成されている、電気泳動装置。
  10.  請求項1に記載の電気泳動装置において、前記目的生体物質に対する前記膜の透過率は、少なくとも1種類の別のイオンに対する前記膜の透過率よりも低い、電気泳動装置。
  11.  請求項10に記載の電気泳動装置において、前記膜は前記目的生体物質を透過せず、前記イオンを透過する、電気泳動装置。
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