ガラス繊維フィルターは、核酸抽出のための簡単なソリューションを提供します。ガラス繊維フィルターは、核酸を抽出する際に、シリカパウダーや磁気ビーズに代わる高品質で柔軟性のある素材です。
新型コロナウイルス（SARS CoV-2）の発生と、それに続くCOVID-19の世界的な大流行をきっかけに、特別な科学研究と診断法の開発が急務となりました。新興企業から多国籍企業まで、科学界全体が、これまで特性が明らかにされていなかった新しいウイルスとその世界人口への影響を理解するという、指数関数的な課題に直面しました。
今回のパンデミックでは、研究者、分子診断薬の開発者、キットメーカーにとって、あらゆる種類の核酸抽出法を利用したアクセス可能で高品質な核酸抽出法の必要性が浮き彫りになりました。
サンプルから核酸を効率的に抽出することは、DNAやRNAの効率的な抽出と核酸の完全性の維持との間でバランスをとる必要があり、しばしば困難を伴います。ワークフローの中で基本的なステップと思われるものが、ボトルネックになることがあります。
研究者やメーカーにとって、高品質で柔軟性のある抽出方法の選択肢があることは、プロトコルを調整し、アプリケーションやラボの設定・規模に応じた適合性を確保する上で貴重なことです。
核酸抽出の手法
溶液を用いた核酸抽出法や固相を用いた核酸抽出法は数多くあります。真核細胞からゲノムDNAを抽出するにはフェノール・クロロホルム抽出法、大腸菌からプラスミドを抽出するにはアルカリ抽出法がそれぞれ一般的な実験室で行われています。
市販のキットでは、シリカやホウケイ酸ガラスなどの素材や、用途に応じて特定の表面化学物質を用いた固相抽出を採用する傾向にあります。
シリカパウダー
シリカは、カオトロピック塩を用いてDNAなどの核酸を結合することで一般的に知られています。核酸を結合した後、水または適切な緩衝液で核酸を溶出する前に、洗浄ステップでシリカの粉末をペレット化します。
この方法は簡単ですが、ピペッティングの際にシリカの顆粒を失わないように慎重に取り扱う必要があります。そのため、収量に多少のばらつきがあっても構わない場合には、シリカパウダーが適しています。
磁性ビーズ
磁性ビーズを用いた核酸抽出は、その柔軟性と生体分子の分離における有効性から、近年人気の高い選択肢となっています。様々なアプリケーションに対応するために、いくつかの表面化学的なオプションが用意されている磁性ビーズは、次世代シーケンシング（NGS）のための核酸の分離やサイズ選択のほか、ラボベースの免疫測定やカスタムコンジュゲーションにも適しています。
カラムベースのアプローチとは対照的に、磁性ビーズは自動化が容易で、収量、純度、再現性を最適化すると同時に、ハイスループットな抽出が可能です。
詳しくは‘Scientist’s guide to magnetic beads’
ガラス繊維フィルター
シリカパウダーや磁気ビーズに代わるものとして、ホウケイ酸ガラス繊維（Glass fiber (GF)）フィルターは、簡便で高品質な核酸抽出を可能にします。ガラス繊維は非常に汎用性の高い素材で、デプスフィルターとして多くの用途があります。
GFフィルターの主成分はシリカなので、従来のカオトロピック塩ベースのシステムと同じ結合原理を用いた核酸抽出に適しています。また、GFは、堅牢で適応性が高く、扱いやすい素材であるという利点もあります。
GFフィルターは、DNAやRNAの抽出において、多くのラボユーザーに馴染みのある古典的なワークフローの使用を可能にします。GFフィルターは、分子診断や核酸キットを開発しているスタートアップ企業にとって、核酸抽出への参入を容易にし、費用対効果が高く、柔軟性に富んでいます。
古典的な核酸抽出のためのガラス繊維フィルター
GFフィルターを用いた核酸抽出では、DNAの水素結合を破壊するためにカオトロピック塩を、また細胞内のタンパク質を変性させて溶解度を高めるために界面活性剤を使用します。カオトロピック塩としては、グアニジンチオシアン酸塩（GuSCN）やグアニジン塩酸塩（GuHCl）が代表的です。
この方法では、細胞を溶解することで、核酸を含む細胞成分が細胞溶解液に放出されます。そのカオトロピック塩と核酸を含むライセートをGFフィルターに通すと、核酸がフィルター内のシリカに結合します。
その後、一連の洗浄工程により、不要な成分がすべて取り除かれ、フィルター上の核酸が分離・精製されます。その後、溶出バッファーによって核酸がフィルターから溶出され、分析に適した精製されたサンプルが得られます（図1）。
図1. ガラス繊維フィルターを用いて遠心分離（左）と真空マニホールド（右）で核酸を抽出する古典的なワークフロー
なぜ核酸抽出にガラス繊維を使うのか？
費用対効果の高い選択肢
この簡便な核酸抽出法は、特殊な実験装置や消耗品を必要としません。多くの研究者は、研究室や診断室でGFフィルターを扱い、さまざまな用途に使用することに慣れています。GFフィルターの調達は簡単で費用対効果に優れており、小規模な研究室やスタートアップ企業にとっては重要なポイントとなります。
GFフィルターは、比較的安価なバルク材として、シート状やリール状、ディスク状で入手することができます。
アッセイのデザイン、開発、製造に便利なフォーマット
開発者にとっては、GFフィルター素材をシート状やリール状にして利用できることで、アッセイのデザインや最適化に多くのオプションを提供することができます。研究者は、プロセスの最適化のために、装置やテストに合わせて異なる直径のディスクを「パンチアンドゴー」することができます。また、GFを何層にも重ねたり、異なるグレードのGFを組み合わせたりすることで、サンプルの種類や用途に応じて最適な核酸結合量、ローディング容量、収量を得ることができます。
また、シート＆リール方式を利用して、GFフィルターを独自の仕様に合わせて打ち抜き、アッセイコンポーネントに組み込むこともできます。
費用対効果が高く、さまざまなグレードやフォーマットのGFフィルターが入手できるため、消耗品やワークフローのテスト、最適なプロトコルや製品の作成、スケールアップした製造への導入が比較的容易に行えます。
クオリティーの実現
高品質のガラス繊維は、効率的で安定した核酸抽出を可能にします。
CytivaのWhatman™ラボフィルター製品群には、抽出ワークフローでの使用に適した様々なガラス繊維フィルター素材が含まれており、粒子保持サイズや厚さが異なります（表1）。これらの材料は、それぞれ同じ高い基準で製造されており、効率的な核酸の分離を可能にします。
表1. 核酸抽出に適したWhatman™ガラス繊維フィルターグレードの概要
| ガラス繊維ろ紙グレード |
粒子保持能（µm）1 |
厚み（µm） |
水流速（mL/min）2 |
| GF/A | 1.6 | 260 | 143 |
| GF/B | 1.0 | 675 | 81 |
| GF/D | 2.7 | 675 | 681 |
| GF/F | 0.7 | 420 | 41 |
| GMF150 | 1.0 | 730 |
1溶液中で98%の粒子保持効率を示す粒子径。2直径 9 cm。比較のために重力下で測定しています。
ガラス繊維プレフィルター
遠心分離を用いた抽出プロトコルでは、変性したタンパク質の残渣が上清に残ることがあります。このようなリスクがある場合には、Whatman™ GF/Dなどの大孔径で厚みのあるグレードのGFろ紙を使用すると、効率的なプレフィルターとして機能します。
プレフィルターを使用することで、微細粒子保持GF層のスタックが目詰まりして全体の容量が減少する可能性を減らすことができます。Whatman™ GMF150は、この目的のために設計された多層のグレーデッド・フィルターで、プレフィルターと微細粒子保持GFフィルターを一体化したフィルター・スタックです。
Whatman™のフィルターは、特定のアプリケーションのニーズに合わせてカスタマイズされた製品に変更することもできます。これにより、プロセス開発を簡素化し、アプリケーションに合わせるのではなく、適切な材料を調達する選択肢を提供します。
まとめ
核酸抽出は、Covid-19パンデミックにおける分子診断法の開発において重要な役割を担っていますが、学術研究者や企業の研究者にとってはボトルネックとなっています。この重要な技術のために、信頼性が高く、よく理解された選択肢を持つことは、理想的には特殊な装置を必要としないことが重要です。
DNAやRNAの精製には様々な方法がありますが、それぞれに長所と短所があり、特定の用途に適しているかどうかは異なります。
GFフィルターは、実験室の研究者、スタートアップ企業、診断薬開発者、キットメーカーにとって、費用対効果の高い、わかりやすい選択肢を提供します。核酸抽出のための素材は、シンプルかつ迅速に使用でき、GFのグレードやフォーマットが多様であるため、ワークフローを容易に最適化することができます。
科学者は、フィルター素材および、利用可能な様々なグレードの品質と仕様を評価し、特定のアプリケーションに最も適したものを選択または組み合わせることができます。
Cytivaは、核酸抽出をサポートするGFフィルターの幅広いポートフォリオを提供し、さまざまなアプリケーションや利用可能なプラットフォームに対応しています。このような柔軟性は、研究開発の段階や規模に関わらず、新興企業や大規模ラボにとって重要です。
核酸抽出や関連アプリケーションのサポートについては、お近くのCytiva代理店またはサイエンティフィック・サポート・チームにご相談ください。