자동모세관전기영동장치 (Automated Capillary Electrophoresis System)의 작동 원리

모세관 전기영동법(Capillary electrophoresis, CE)은 가느다란 모세관 양끝에 전기장을 걸어 줄 때 이온들이 관내에서 각기 다른 속도로 일정한 방향성을 가지면서 이동하는 성질을 이용하여 물질을 분리하는 실험법이다.
양전하를 띤 물질은 음극으로 이동하며 음전하를 띤 물질은 양극으로 이동한다.



DNA/RNA의 경우, 전기장하에서 음전하를 띠는 DNA는 양극으로 이동하게 되는데 일반적으로 DNA의 크기와 전기장에서의 이동성(mobility)은 로그 함수로 반비례한다.
왜냐하면 큰 분자는 작은 분자보다 gel matrix의 구멍을 지나가기 어렵기 때문이다.
또한 같은 분자량의 DNA라도 형태에 따라 이동속도가 다르다.
초나선형(supercoiling circular) DNA는 열린형(nicked circular) DNA 나 선형(linear) DNA보다 gel matrix를 빨리 통과하여 이동한다.
그리고 전기장 하에서 DNA의 이동성은 완충 용액의 이온 강도와 조성에도 영향을 받는다.
이온 강도가 너무 낮으면 DNA 이동이 너무 느리고, 이온 강도가 너무 높으면 열이 발생하여 심한 경우 겔이 녹거나 DNA의 구조가 변형 될 수 있다.

단백질의 경우 capillary zone electrophoresis (CZE) 의 원리를 이용하는데 CGE와 거의 비슷하지만 사용하는 separation media가 다르다.
CGE가 gel matrix (sieving matrix)를 사용하는 반면 CZE는 SDS gel을 이용한다.

단백질은 핵산과 달리 기본적으로 다양한 전하를 띄며, 다양한 형태를 가지기 때문에 전기영동 전에 몇 가지 처리를 요하는데, 우선 단백질을 2-메르캅토에탄올로 처리해 주어야 한다.
2-메르캅토에탄올은 단백질의 이황화 결합을 파괴하여 입체 구조를 변성시킨다.
그 후 단백질을 SDS을 이용해 폴리펩티드를 음전하로 코팅하게 되면 모든 시료 펩티드가 음전하로 코팅된 기다란 분자가 되어 단백질의 아미노산 조성, 입체 구조 등으로 인한 요인을 무시할 수 있게 된다.
이렇게 음전하로 코팅된 폴리펩티드는 핵산과 마찬가지로 (-)극에서 (+)극으로 이동한다.

BiOptic Inc.의 Qsep series는 이러한 bio-fragment 들의 특성을 이용한 자동화된 ‘수직형 모세관전기영동장치’ 로써
Gel Matrix로 채워진 모세관과 버퍼 시스템 등을 DNA/RNA/Protein의 성질에 맞게 조성한 후 이를 펜 타입의 카트리지 안에 집어 넣어 전용 분석 장비에 장착하여 전기영동을 수행하게 된다.
그 결과를 해석하여 핵산과 단백질의 크기 등의 특성 분석을 손쉽게 할 수 있다.

시스템 모식도



* 빨간 사각형: 장비 내에 삽입된 카트리지의 위치

공통 작동 원리 (카트리지 내부 모식도)



1. 장비 작동 전 연결된 Air pump로 삽입된 카트리지 내 공기를 제거하고 겔을 재정렬 해준다.
2. pen-type의 카트리지 끝부분을 시료에 담근다.
3. 시스템 내의 완충액에 담겨있는 전극에 2~3kV의 전류를 흘려 카트리지 모세관 내로 전기적인 삼투압 흐름을 형성시켜 시료를 움직이게 한다.
카트리지 모세관 내에는 gel과 형광물질이 존재하며, 시료에 존재하는 핵산/단백질 조각이 모세관을 지나면서 이들과 결합해 형광을 띄게 되면서 크기에 따라 다른 속도로 이동하게 된다.
4. 최종적으로 모세관의 끝부분에서 광원을 쏘아 각 유전자 조각들에 부딪혀 돌아오는 형광 신호를 잡아 전용 소프트웨어로 이들의 이동 패턴을 분석하면
작은 조각들부터 큰 조각들까지 사이즈에 따라 분류되어 고감도의 피크(Electropherogram)와 이미지 띠 (Gel-view)를 동시에 얻을 수 있게 된다.

<핵산 전기영동검사 결과 예제>

<단백질 전기영동검사 결과 예제>


이러한 방식은 시료의 양에 비례하여 형광검출기에서 감응 세기가 결정되며, 모세관의 수와 길이에 따라 분해능과 분석능이 달라지게 되므로, 분석 시료의 종류 (DNA/RNA/PROTEIN)에 따라 최적화된 카트리지를 사용하게 된다.
그런 이유로 이 장비는 사용하는 카트리지에 따라 핵산 전기영동검사장치와 단백질 전기영동검사장치로써의 기능이 조합된 조합체외진단의료기기로 활용할 수 있다.

Equipment



Routine Applications

• PCR Product Screening
• Genotyping
• Next Generation Sequencing (NGS) QC
• Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP)
• Oligonucleotides Analysis
• Genomic DNA Analysis
• Plasmid Purification & Vector Cloning Analysis
• RNA Analysis
• Protein Profiling (fluorescence detection)

Specific Applications

• CRISPR technology
• cfDNA (Circulating Cell-Free DNA)
• Chromatin immunoprecipitation (ChIP)
• Glycan analysis (N-Glycan)
• Immuno Assay: Ag and Ab Reaction
• Genetic profiling /disease screening
• Pathogen detection/typing (HBV, HCV, HPV, TB, AIV, STD etc.)
• Agriculture product detection (GMO, 한우판정, 식물품종 판별)
• Food Safety analysis
• SNP screening
• Microsatellite test (STR, SSR, MSI)

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