본문내용
1. 전기영동의 개요
1.1. 전기영동의 역사
전기영동의 역사는 1930년대 스웨덴의 생물리학자 아르네 티셀리우스(Arne Tiselius)가 처음으로 도입하였다. 아르네 티셀리우스는 관에 있는 완충액 사이에 단백질 혼합물을 넣고 전기장을 걸어줌으로써 시료성분이 각각의 전하와 이동도에 따라 일정한 방향과 속도로 이동하는 것을 발견하였다. 이러한 발견을 통해 1948년 노벨 화학상을 수상하게 되었다. 이후 전기영동법은 DNA, RNA나 단백질과 같은 생체 고분자들의 성질을 연구하고, 전기영동을 통해 그러한 물질들을 분석, 분리, 정제를 할 수 있는 방법으로 발전해 왔다. 전통적으로 전기영동법은 폴리아크릴 아마이드나 아가로즈 겔(agarose gel)과 같은 항대류 매체(anti-convective media)안에서 실행되어 왔다. 1967년 Herten에 의해서 처음으로 도입된 열린 관 전기영동법은 내경이 수 밀리미터인 캐필러리만을 이용할 수 있었기 때문에 대류효과를 최소화하기 위하여 세로축을 중심으로 캐필러리를 회전시켰다. 이후 Virtanen과 Mikkers는 각각 유리와 테프론으로 만들어진 내경 약 200 m인 캐필러리로 전기영동을 수행하였다. 1984년 Terabe와 그의 동료들은 electrophoretic과 chromatographic mode를 합한 Micellar electrokinetic chromatography(MEKC or MECC) mode를 제안함으로써 모세관 전기영동의 발전에 큰 영향을 끼쳤다."
1.2. 전기영동의 원리
전기영동(electrophoresis)은 전기장의 영향을 받아 하전된 물질들이 유동성 매체 내에서 이동하는 현상이다"" 하전된 성분들로는 단백질과 같은 분자나 세포, 하전된 입자들이 있다"" 그 중에서도 전기영동에서 다루는 것은 주로 하전된 분자(이온)에 한정된다""
유동성 매체로는 액체 또는 기체가 사용되지만 생물학적 시스템에서는 액체가 주로 이용된다"" 전기장 내에서 하전된 분자(입자)의 속도는 저항력(retarding force)과 가속력(전기장)에 의해 조절된다"" 분자에 작용하는 힘 F는 F=QE로 주어지는데, Q는 분자의 전하량이고 E는 전기장의 세기이다""
저항력 Fs는 주로 마찰에 의한 것으로 Stoke's 방정식으로 정량화할 수 있다"" Fs = 6πηrv, 여기서 η는 액체의 점성, r은 분자(입자)의 반경, v는 분자의 속도이다"" 그 외에도 용액 내의 다른 이온들에 의한 저항력이 작용한다"" 이런 저항력들과 전기장에 의한 가속력이 평형을 이루면 분자는 최종 속도에 도달하게 된다""
전하나 크기가 다른 분자들은 서로 다른 속도로 이동하게 되며, 이것이 전기영동의 분리 원리가 된다"" 만약 하전된 분자와 지지물질 사이에 상호작용이 있다면 상황이 더 복잡해질 수 있다"" 지지물질은 대류 현상을 감소시키기 위해 사용되는데, 이들이 불연속적인 띠를 형성하여 구성 성분들의 이동을 방해할 수 있다""
1.3. 전기영동의 영향 요소
전기영동에 영향을 미치는 요소들은 다음과 같다.
첫째, 아가로즈 겔 농도에 따라 분리하고자 하는 DNA 크기의 분리 해상도가 달라진다. 아가로즈 농도가 높을수록 작은 사이즈의 DNA 분리능이 높으며, 아가로즈 농도가 낮을수록 큰 사이즈의 DNA 분리능이 높다. 아가로즈의 농도가 높을수록 느리게 이동하는 것이 일반적이다.
둘째, 전기영동 시 공급되는 전압의 세기이다. 일반적으로 1~ 5 V/cm 정도의 전압을 적용하지만, 실험 상황에 따라 적절한 전압을 선택하여 적용한다. 부하되는 전압이 높을수록 이동속도가 빨라진다.
셋째, 전기영동 완충용액의 성분과 이온강도이다. 완충용액의 종류와 이온강도에 따라 전기영동 속도에 영향을 미친다. TAE 완충용액은 DNA 분자량이 큰 경우, agarose electrophoresis에 사용되고, TBE 완충용액은 DNA 분자량이 작은 경우, DNA sequencing에 사용된다.
넷째, DNA의 크기와 형태에 따라 이동속도가 달라진다. DNA의 분자 크기가 클수록 느리게 이동하며, 그 형태(구조)에 따라서도 이동속도가 다르다. 일반적으로 supercoiled DNA가 가장 빨리, 그다음 linear DNA, open circular DNA의 순으로 빠르게 이동한다.
다섯째, Ethidium bromide 처리 여부이다. Ethidium bromide는 DNA 이동속도를 약 15% 정도 감소시킨다.
2. 전기영동의 종류와 방법
2.1. 이동 계면 전기영동
이동 계면 전기영동은 필요한 전위 경사를 제공하기 위해 관의 양 끝에 위치하는 두 개의 전극과 완충액으로 채워진 U자 관을 사용한다. 시료를 U자 관의 바닥에 넣고 낮은 온도(4℃)에서 전기영동을 실시하여 분리된 구성 성분들은 완충 용액의 간섭 효과나 광학적 성질들을 통해 검출할 수 있다. 하지만 이동 계면 전기영동은 분리력이 한정되어 있어 소량으로 존재하는 단백질의 전 단계 분리 등 극히 제한된 부분에만 이용된다. 이러한 한계로 인해 최근에는 종이 전기영동, 셀룰로오스-아세테이트 막 전기영동, 겔 전기영동 등 다른 전기영동 기법들이 더 광범위하게 사용되고 있다.
2.2. 종이 전기영동
종이 전기영동은 가장 최초로 사용된 지지 물질 중 하나이며 여러 가지 형태로 이용되어져 왔다. 종이 전기영동의 기본적인 작동 원리는 동일하다. 완충액이 흠뻑 젖은 종이 위에 점(spot)또는 띠(band)형태로 시료를 얹고 종이 양단을 더 많은 완충액이 담긴 적절한 용기 내의 전극과 전기적으로 연결시킨다. 성분의 이동이나 분리는 전기장 영향으로 일어나게 된다.
종이 전기영동에는 크게 세 가지 형태가 있다. 첫 번째는 샌드위치형(sandwich type)으로, 지지 물질로 사용되는 종이는 두 장의 유리판 사이에 끼이도록 되어 있다. 이러한 형태는 발생된 열을 분산시키는 열전도의 양을 제한하며 완충 용액의 기화를 억제한다. 이때 판 사이에 과도한 압력이 걸리지 ...
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