電場というと、おそらく電気を思い浮かべるだろう。電気は、家電製品から携帯電話まで、あらゆるものに電力を供給することで現代の生活を可能にしているものである。研究者たちは1600年代から電気の原理を研究してきた。凧の実験で有名なBenjamin Franklinは、雷が確かに電気であることを実証した。
電気は生物学においても大きな進歩を可能にした。電気泳動法と呼ばれる技術により、科学者は生命の分子であるDNAとタンパク質を、その電荷によって分離して分析することができる。電気泳動は高校の生物学で一般的に教えられているだけでなく、私の研究室を含む多くの臨床および研究施設における主力技術となっている。
私は小型化された電気泳動システムを研究している生物医学工学の教授である。私と学生たちは、病原体を迅速に検出し、それらと戦うための研究を支援する、このようなデバイスのポータブル版を開発している。
電気泳動とは何か？
研究者たちは19世紀に、粘土粒子に電圧をかけ、それらが砂の層を通って移動する様子を観察することで電気泳動を発見した。20世紀にさらなる進歩を遂げた後、電気泳動は研究室での標準的な手法となった。
電気泳動の仕組みを理解するには、まず電場について説明する必要がある。これは、陽子や電子などの帯電粒子が互いに及ぼす目に見えない力である。例えば、正の電荷を持つ粒子は、負の電荷を持つ粒子に引き寄せられる。ここでは「異なる極が引き合う」という法則が当てはまる。分子も電荷を持つことができ、その構成原子の種類によって、正か負のどちらかに偏る。
電気泳動では、電源に接続された2つの電極の間に電場が生成される。一方の電極は正の電荷を持ち、もう一方は負の電荷を持つ。これらは、水と少量の塩（電気を伝導できる）を入れた容器の両端に配置される。
DNAやタンパク質などの帯電分子が水中に存在する場合、電極はそれらの間に力場を作り出し、帯電粒子を反対の電荷を持つ電極に向かって押し出す。このプロセスを電気泳動移動という。
研究者が電気泳動を好む理由は、それが迅速で柔軟だからである。電気泳動は分子から微生物まで、異なる種類の粒子を分析するのに役立つ。さらに、電気泳動は紙、ゲル、細い管などの材料で実施することができる。
1972年、物理学者のStanislav Dukhinと彼の同僚たちは、非線形電気泳動と呼ばれる別タイプの電気泳動移動を観察した。これにより、粒子を電荷だけでなく、大きさや形状によっても分離することが可能となった。
電場と病原体
電気泳動のさらなる進歩により、それは病原体と戦うための有用なツールとなった。特に、マイクロ流体革命により、研究者が病原体を迅速に検出できる小型実験室が可能となった。
1999年、研究者たちは、これらの小型電気泳動システムが、電荷の違いによって無傷の病原体も分離できることを発見した。彼らは複数種類の細菌の混合物を非常に細いガラス毛細管に入れ、電場にさらした。細菌の種類によって異なる電荷を持つため、一部の細菌は他のものよりも速くデバイスから出てきた。これにより、20分未満で各種の細菌を分離して同定することが可能となった。
マイクロ流体工学によりこのプロセスはさらに改善された。マイクロ流体デバイスは手のひらに収まるほど小さい。その小型サイズにより、粒子が分析のために移動する距離が従来の実験機器よりもはるかに短くて済むため、分析をより迅速に実施できる。これは、研究者が探している分子や病原体がより容易に検出され、分析中に失われる可能性が低くなることを意味する。
例えば、従来の電気泳動システムで分析される試料は、約11～31インチ（30～80センチメートル）の長さの毛細管を通過する必要がある。これらは処理に40～50分かかり、持ち運びができない。比較すると、小型電気泳動システムで分析される試料は、わずか0.4～2インチ（1～5センチメートル）の長さのマイクロチャネルを移動するだけでよい。これにより、分析時間が約2～3分の小型で携帯可能なデバイスが実現する。
非線形電気泳動により、研究者は病原体をサイズと形状で分離して検出できるようになり、より強力なデバイスが可能となった。私の研究室の同僚と私は、非線形電気泳動とマイクロ流体工学を組み合わせることで、異なる種類の細菌細胞だけでなく、生きている細菌と死んでいる細菌も分離できることを示した。
医療における小型電気泳動システム
マイクロ流体電気泳動は、産業界全般で有用となる可能性がある。主に、これらの小型システムは、従来の分析方法をより迅速な結果、より高い利便性、より低いコストで置き換えることができる。
例えば、抗生物質の有効性を試験する際、これらの小型デバイスは、治療後に病原体が死滅しているかどうかを研究者が迅速に判断するのに役立つ可能性がある。また、通常の細菌と抗生物質耐性菌を迅速に区別することで、医師が患者に最適な薬剤を選択する際の判断を支援することもできる。
私の研究室では、細菌感染症の治療に使用できるバクテリオファージウイルスを精製するためのマイクロ電気泳動システムの開発にも取り組んでいる。
さらなる開発により、電場とマイクロ流体工学の力は、研究者による病原体の検出と対策を加速することができる。
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