同期抗力係数の変化

同期抵抗係数変更（SCODA）は、生体分子を精製、分離、濃縮するためのバイオテクノロジー手法です。SCODAは、駆動場と同期して移動度（または抵抗）を変更できる分子を分離する機能を備えています。この技術は主にDNAの濃縮と精製に使用されており、DNAの移動度は印加された電気泳動場によって変化します。^{[1] [2] [3]電気泳動SCODAは}RNAとタンパク質でも実証されています。

以下に示すように、SCODA 原理は、粒子の移動性が駆動場と同期して変化する力場によって駆動されるあらゆる粒子に適用されます。

説明のために、電界内で移動（駆動）する電気泳動粒子を考えてみましょう。

${\displaystyle E={\widehat {E}}E_{0}cos(\omega t)}$ （１）

そして${\displaystyle dv_{x_{cos2\omega}}}$

${\displaystyle {\overrightarrow {v}}(t)=\mu cos(\omega t){\widehat {E}}E_{0}}$（２）

は電場と、その場における粒子の速度を表します。が一定の場合、 の時間平均は です。 ${\displaystyle \mu}$${\displaystyle {\overrightarrow {v}}(t)=0}$

が時間の関数として一定でなく、の時間平均に比例する周波数成分を持つ場合、 はゼロである必要はありません。 ${\displaystyle \mu}$${\displaystyle \mu}$${\displaystyle cos(\omega t)}$${\displaystyle {\overrightarrow {v}}(t)}$

次の例を考えてみましょう。

${\displaystyle \mu (t)=\mu _{0}+\mu _{1}cos(\omega t)}$（３）

(3)を(2)に代入し、時間平均を計算すると、次の式が得られます。 ${\displaystyle {\bar {\overrightarrow {v}}}}$

${\displaystyle {\bar {\overrightarrow {v}}}={\frac {1}{2}}\mu _{1}{\widehat {E}}E_{0}}$（4）

したがって、印加電界の時間平均がゼロの場合でも、粒子にゼロ以外の時間平均速度、つまり正味の電気泳動ドリフトを経験させることが可能になります。

力場の方向と平行な速度と電場の大きさの2乗に比例する速度を持つ力場の下にある粒子を考えてみましょう（他の非線形性も使用できます^[1]）。

${\displaystyle {\overrightarrow {v}}=k{\widehat {E}}(E)^{2}}$（５）

粒子の有効移動度（電界の小さな変化に対するドリフト速度の小さな変化の関係）は、直交座標で次のように表すことができます。 ${\displaystyle d{\overrightarrow {v}}}$${\displaystyle d{\overrightarrow {E}}}$

${\displaystyle dv_{x}={\partial v_{x} \over \partial E_{x}}dE_{x}+{\partial v_{x} \over \partial E_{y}}dE_{y}}$（6）

${\displaystyle dv_{y}={\partial v_{y} \over \partial E_{x}}dE_{x}+{\partial v_{y} \over \partial E_{y}}dE_{y}}$（７）

（５）、（６）、（７）を組み合わせると次のようになる。

${\displaystyle dv_{x}=k{\Biggl [}{\Biggl (}E+{\frac {E_{x}^{2}}{E}}{\Biggr )}dE_{x}+{\Biggl (}{\frac {E_{x}E_{y}}{E}}{\Biggr )}dE_{y}{\Biggr ]}}$（８）

${\displaystyle dv_{y}=k{\Biggl [}{\Biggl (}{\frac {E_{x}E_{y}}{E}}{\Biggr )}dE_{x}+{\Biggl (}E+{\frac {E_{y}^{2}}{E}}{\Biggr )}dE_{y}{\Biggr ]}}$（9）

さらに、フィールド E が平面に適用され、角周波数で反時計回りに回転する場合を考えます。この場合、フィールドの成分は次のようになります。 ${\displaystyle \omega}$

${\displaystyle E_{x}=Ecos(\omega t)}$（10）

${\displaystyle E_{y}=Esin(\omega t)}$（11）

(10)と(11)を(8)と(9)に代入し、三角関数の恒等式を使って簡略化すると、角周波数 における定数項の正弦と余弦の和が得られる。次の計算は、角周波数 における余弦項のみが非ゼロの正味ドリフト速度をもたらすように実行される。したがって、これらの項を評価するだけでよく、これらの項は およびと省略される。次の式が得られる。 ${\displaystyle 2\omega }$${\displaystyle 2\omega }$${\displaystyle dv_{x_{cos2\omega}}}$${\displaystyle dv_{y_{cos2\omega}}}$

${\displaystyle dv_{x_{cos2\omega}}={\frac {kE}{2}}[cos(2\omega t)]dE_{x}}$（12）

${\displaystyle dv_{y_{cos2\omega }}={\frac {kE}{2}}[cos(2\omega t)]dE_{y}}$（13）

を、に比例する正弦波状に変化する強度の小さな四重極場の形をとります。 ${\displaystyle dE_{x}}$${\displaystyle dE_{y}}$${\displaystyle dE_{q}}$${\displaystyle cos(2\omega t)}$

${\displaystyle dE_{x}=-dE_{q}xcos(\omega t)}$（14）

${\displaystyle dE_{y}=dE_{q}ycos(\omega t)}$（15）

(14)と(15)を(12)と(13)に代入し、時間平均をとると次の式が得られる。

${\displaystyle {\bar {dv_{x}}}={\bar {dv_{x_{cos2\omega }}}}=-{\frac {kEdE_{q}}{4}}x}$（16）

${\displaystyle {\bar {dv_{y}}}={\bar {dv_{y_{cos2\omega }}}}=-{\frac {kEdE_{q}}{4}}y}$（17）

これをベクトル表記でまとめると次のようになります。

${\displaystyle {\bar {d{\overrightarrow {v}}}}=-{\frac {kEdE_{q}}{4}}{\overrightarrow {r}}}$（18）

式（18）は、すべての位置において、時間平均速度は原点に向かう方向（粒子を原点に集中させる）であり、速度は移動度係数k、回転場Eの強度、および摂動四重極場の強度に比例することを示している。 ${\displaystyle {\overrightarrow {r}}}$${\displaystyle dE_{q}}$

DNA分子は、長くて荷電したポリマーであるという点で独特であり、アガロースゲルなどの分離媒体では、電界に反応して高度に非線形な速度プロファイルを示すことができる。そのため、DNAは、SCODA ^[2]を使用して、荷電されておらず、強い非線形性もない他の分子から簡単に分離できる。

DNA 分子の SCODA 濃縮を行うには、サンプルを分離媒体 (ゲル) の電気泳動場が最適な強度になる場所に埋め込む必要があります。サンプルを最適な濃度位置に最初に移動させることを「注入」と呼びます。最適な位置は、ゲルの形状と SCODA 駆動電極の位置によって決まります。最初に、サンプルは濃縮ゲルに隣接するサンプル チャンバー内の緩衝液内にあります。注入は、制御された DC 電気泳動場をサンプル チャンバー全体に適用することで実現され、その結果、すべての荷電粒子が濃縮ゲルに転送されます。サンプルの良好なスタッキング (つまり、密な DNA バンド) を得るには、複数の方法を使用できます。1 つの例は、サンプル チャンバー バッファーと濃縮ゲル バッファーの導電率比を利用することです。サンプル チャンバー バッファーの導電率が低く、濃縮ゲル バッファーの導電率が高い場合、ゲルとバッファーのインターフェイスで電界が急激に低下し、スタッキングが促進されます。

DNA が濃縮ゲル内で最適な位置に配置されたら、SCODA 回転磁場が適用されます。磁場の周波数は、特定の長さの DNA のみが濃縮されるように調整できます。濃縮段階でジュール熱による沸騰を防ぐために、分離媒体を積極的に冷却することができます。また、SCODA 磁場の位相を反転して、分子の焦点を外すこともできます。

非線形速度を示す粒子のみが SCODA の濃縮力を経験するため、電気泳動場に対して線形に反応する小さな荷電粒子は濃縮されません。これらの粒子は、SCODA ゲルの中心に向かって螺旋状に回転するのではなく、一定の半径で回転します。弱い DC 場が SCODA 回転場に重ね合わされると、これらの粒子は SCODA ゲルから「洗い流され」、ゲルの中心に非常に純粋な DNA が残ります。

SCODA DNA フォースにより、DNA サンプルは SCODA ゲルの中央に集中します。DNA を抽出するには、ゲル内に抽出ウェルを事前に形成し、バッファーで満たします。DNA はバッファー内で非線形移動を起こさないため、抽出ウェルに蓄積されます。濃縮および精製段階の最後に、サンプルをこのウェルからピペットで取り出すことができます。

電気泳動の SCODA 力は、高分子量 DNA が SCODA ゲルの中心に向かって濃縮される際に、その完全性を維持するのに十分なほど穏やかです。サンプル内の DNA の長さに応じて、1 Mb を超える長さの DNA を濃縮するためにさまざまなプロトコルを使用できます。

SCODA技術を使用して、緩衝液に再懸濁したタールサンドサンプルから直接DNAの濃縮と精製が行われた。その後DNA配列決定が行われ、暫定的に200を超える異なる細菌ゲノムが特定された。^{[2] [4]} SCODAは、他の多くの環境源からのDNAの精製にも使用されている。^{[5] [6]}

ゲル内のDNAの非線形移動度は、サンプル内のDNA断片と相補的なDNAオリゴヌクレオチドをSCODAゲルに埋め込むことでさらに制御できます。 ^{[7] [8]}これにより、ゲルに埋め込まれたDNAと一致するサンプルDNAの非常に特異的な非線形速度が得られます。この人工的な特異的非線形性は、サンプル内の他のすべてのDNA配列を排除しながら、目的の配列のみを選択的に濃縮するために使用されます。野生型に対して1,000,000倍を超える単一ヌクレオチド変異体の濃縮が実証されています。

この技術の応用としては、血液サンプルから希少な腫瘍由来​​DNA（ctDNA）を検出することが挙げられます。^[9]

• DNA抽出
• エタノール沈殿
• フェノールクロロホルム抽出
• スピンカラムによる精製