JP2004286579A

JP2004286579A - Dna analyzing array, and dna analysis system and analysis method using the same

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Publication number: JP2004286579A
Application number: JP2003078672A
Authority: JP
Inventors: Hideki Masuda; 秀樹益田; Futoshi Matsumoto; 太松本; Kazuyuki Nishio; 和之西尾
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-performance DNA analyzing array which significantly shortens the hybridization period, in comparison with conventional technologies, can obtain resolutions with high reproducibility, causes the DNA densities to increase and enables various kinds of analyses to be carried out, and to provide a DNA analysis system and an analysis method using it. <P>SOLUTION: The DNA analyzing array, used in the DNA analysis system and the analysis method, is provided with a substrate where a plurality of straight through holes are arranged regularly, and DNA fragments having specific affinities for DNAs to be inspected are fixed to the inner surface of the hole. The used hole structure has high arrangement regularity and a nanometer-level hole size, thereby enabling compression to be carried out at least 10,000 times the conventional DNA microarrays (DNA chips), in order to modify the DNAs. Therefore, the high-performance DNA analysis array which can carry out various kinds of analyses, is realized. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＮＡ分析用アレイおよびそれを用いたＤＮＡ分析システムおよび分析方法に関し、とくに、試料中の被検ＤＮＡを特異親和性ＤＮＡ断片との反応を利用して検出するために、直行性、配列規則性が高く、微細な（たとえば、ナノメーターレベルの）細孔径を持つ貫通ホールが形成された基板に高密度に特異親和性ＤＮＡ断片を配置し、高い精度で効率よくＤＮＡ分析を行うことができるようにした、ＤＮＡ分析用アレイおよびそれを用いたＤＮＡ分析システムおよび分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体関連物質を高密度に並べ、生物学的な特異親和反応を利用して被検物質を検出する方法が広く用いられるようになってきている。その代表例が、ＤＮＡマイクロアレイ（ＤＮＡチップ）である。ＤＮＡマイクロアレイを用いた方法は、配列の分かったＤＮＡ断片（プローブＤＮＡ）をガラスなどの基板上に数百から数千並べ、それらのプローブＤＮＡと被検試料から調製した標識ＤＮＡ断片（被検ＤＮＡ）との間で特異親和反応（相補的な塩基配列に基づく二重らせん化反応、ハイブリダイゼーション）を行わせることにより、被検試料中にどのようなＤＮＡが含まれているかを検出する方法である。これらの診断で得られた遺伝子発現頻度情報は、病気の原因の解明や診断ばかりでなく、ヒトゲノム解読以後の遺伝子機能の解明にも非常に重要な役割を果たす方法となることが期待されている。
【０００３】
ＤＮＡアレイの作製及び使用工程は、（１）ＤＮＡ固定基板へのプローブＤＮＡの固定化によるアレイの作製、（２）被検ＤＮＡとプローブＤＮＡとの間で相補的な相互作用を起こさせるために、プローブＤＮＡと被検ＤＮＡとを適切な温度で一定時間（数時間から十数時間）反応させることによるハイブリダイゼーション操作、（３）ハイブリダイゼーション後、被検ＤＮＡとアレイ上のプローブＤＮＡとの間で生じた相補的な相互作用によるスポットシグナル（ラジオアイソトープや蛍光色素（たとえば、非特許文献１）標識した被検ＤＮＡからのシグナル）の位置とシグナル強度などをスキャナー（ＣＣＤカメラ、共焦点あるいは非共焦点レーザー）を用いて検出することにより、あらかじめ調べておいたプローブＤＮＡの塩基配列から被検ＤＮＡの塩基配列を決定する工程に分けられる。これまで（１）のＤＮＡアレイの作製においては様々な技術が開示されているが、（２）ハイブリダイゼーション実験、（３）被検ＤＮＡからのシグナルの検出と塩基配列の決定においては、アレイの構造、ＤＮＡの固定化の違いによる反応条件、及びシグナル検出条件を規定したものが多い。
【０００４】
ＤＮＡアレイの作製においては、これまでほとんどのものが、ガラスあるいはシリコン基板の片面を用い、その面上に、多数のＤＮＡを独立に点着させる方法が用いられている（非特許文献２、非特許文献３）。その他に、特許文献１においては、多孔質基板（厚さ１０から５００ μｍ、口径５μｍから２ｍｍ）の細孔の内壁にプローブＤＮＡを固定化することにより、ＤＮＡ固定基板を三次元的に利用する方法が開示されている。また、プローブアレイを球状粒子に固定することにより、固定化面積を増加させている検出用アレイの例もある（特許文献２）。
【０００５】
さらに、代表的なＤＮＡの配列方法は、二つに大別される。一つは、ＤＮＡを固定する基材表面で直接オリゴヌクレオチドを合成する方法であり、この方法により、例えば、光によって脱保護できる保護基を持つアミデート試薬と光リソグラフィーによる集積回路作成技術を応用して、基板に２０塩基前後のＤＮＡプローブを１０ｍｍ^２／ＤＮＡの密度で合成することができるという報告がある（特許文献３）。もう一つは、あらかじめ調製したＤＮＡ断片を基板表面に固定化する方法であり、ＤＮＡマイクロアレイに付属するスポット装置を用いて、ポリ陽イオンで表面処理した基板表面にスポットとしてＤＮＡ溶液を打ち付け、ＤＮＡ断片の負電荷との静電的な相互作用により固定化する方法（非特許文献４）、あるいは固定するプローブＤＮＡにあらかじめ反応活性基（アミノ基、アルデヒド基、ＳＨ基、ビオチン）を導入しておき、基板表面の官能基、あるいは基板表面に塗布した物質との反応により、化学結合を介して固定化される方法（非特許文献５）がある。プローブＤＮＡを点スポットとしてガラス、あるいはシリコン基板上に打っていく液体吐出技術は、プローブＤＮＡをサーマルインク・ジェット・ヘッドにより、液体として付着させる方法（特許文献４）やピエゾ・ジェット・ノズルより供給する方法（特許文献５）があり、特許文献６、特許文献７では、プローブ溶液の液体リザーバーと吐出するためのノズルを複数個、二次元的に備えた吐出ヘッドの集合体が基板表面を走査しながらプローブＤＮＡが塗布されていくことにより、基板上に塗布されるプローブ溶液の占める面積が０．０１（例えば０．１μｍ ×０．１ μｍ）μｍ^２〜４０００（例えば２００μｍ ×２００ μｍ）μｍ^２のＤＮＡのスポットが再現性良く作製できることが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５，８４３，７６７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８１８１９号公報
【特許文献３】
米国特許５，４２４，１８６号公報
【特許文献４】
特開平１１−１８７９００号公報
【特許文献５】
米国特許５，４２４，１８５号公報
【特許文献６】
特開２００２−３１８２３２号公報
【特許文献７】
特開２００３−３５７１１号公報
【非特許文献１】
Ｆｏｄｏｒ，Ｓ．Ｐ．Ａ．，ｅｔａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，３５４，５５５（１９９３）
【非特許文献２】
Ｌｏｃｋｈａｒｔ，Ｄ．Ｊ．，ｅｔａｌ．，ＮａｔｕｒｅＢｉｏｔｅｃｈ．，１４，６５７（１９９６）
【非特許文献３】
Ｓｃｈｅｎａ，Ｍ．，ｅｔａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２７０，４６７（１９９５）
【非特許文献４】
Ｓｃｈｅｎａ，Ｍ．，ｅｔａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２７０，４６７（１９９５）
【非特許文献５】
Ｌａｍｔｕｒｅ，Ｊ．Ｂ．ｅｔａｌ．，Ｎｕｃｌ．ＡｃｉｄｓＲｅｓ．，２２，２１２１（１９９４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような従来技術においては、ハイブリダイゼーションの時間が数時間から十数時間と長く、且つ再現性の高い解像度を得ることが未だ困難であり、さらなる改良が望まれている。
【０００８】
そこで本発明の課題は、ハイブリダイゼーションの時間を従来技術に比べて大幅に短縮し、且つ再現性の高い解像度を得ることにある。また、この条件を保ちつつ、例えば個人個人の病気に迅速に対応できるように、ＤＮＡの密度を向上させ、多種多様な診断を可能とした高性能ＤＮＡ分析用アレイと、それを用いたＤＮＡ分析システムおよび分析方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、従来の平板基板上にプローブＤＮＡを固定する方法に対し、直行性、配列規則性が高く、ナノメーターレベルの細孔径を持つ貫通化されたホールが多数形成された基板に、一つ、あるいは複数のホールを組として、違った配列を持つプローブＤＮＡをホール内壁に高密度に固定配置した分析用アレイの作製を考案した。このアレイを用いることで、被検ＤＮＡ溶液を、ホール内を一定時間流すことにより、ハイブリダイゼーションの時間を大幅に短縮することができ、直行性、配列規則性が高い各ホールからの信号は、細孔内を通して発することができることから、解像度良く検出することが可能となる。
【００１０】
すなわち、本発明に係るＤＮＡ分析用アレイは、直行性をもって貫通されたホールが規則性をもって多数配列された基板の、前記ホールの内面に、被検ＤＮＡに対して特異親和性を持つＤＮＡ断片（プローブＤＮＡ）を固定したことを特徴とするものからなる。すなわち、単なる多孔質の基材や、網目状に曲がりくねった管状のホールを有する基材ではなく、直行性をもって貫通された、しかも高い規則性をもって配列された多数のホールを有する基板を使用し、各ホールの内面に、被検ＤＮＡに対して特異親和性を持つＤＮＡ断片を固定したものである。
【００１１】
ＤＮＡ断片の固定の仕方としては、異種のＤＮＡ断片が、各ホールまたは各ホール群に対応して固定されている構成を採用できる。
【００１２】
上記のような基板は、とくに陽極酸化ポーラスアルミナから構成できる。また、この基板は、陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型にして作製されたプリント基材あるいはプレス基材を使用して作製されたホールアレイ構造体から構成してもよい。
【００１３】
基板の大きさとしては、５ｍｍ角程度から３ｃｍ角程度が適当である。基板の厚さとしては、たとえば１０〜５０μｍの範囲程度が適当である。また、前記ホールの配列周期としては、４００ｎｍ〜１μｍの範囲程度が適当である。このようにアレイの細孔周期が４００ｎｍから１ μｍの条件は、現在、汎用機器として使われているスキャナー（ＣＣＤカメラ、共焦点あるいは非共焦点レーザー）の分解能の限界に近い値であり、各プローブＤＮＡからのシグナルを得る条件においては、実際に、現在のＤＮＡアレイのシグナル検出法における限界の領域までの高密度化が行えている。
【００１４】
前記ＤＮＡ断片の前記ホールの内面への固定方法としては、壁面への化学吸着、壁面に塗布した高分子との親和力、あるいは壁面または壁面に塗布した高分子との化学結合による方法を採用できる。
【００１５】
また、前記基板の表面に金属を被覆しておくと、特異親和性反応に基づく蛍光観察を行う際に分解能を向上できるようになるので、好ましい。
【００１６】
本発明に係るＤＮＡ分析システムは、上記のようなＤＮＡ分析用アレイと、該ＤＮＡ分析用アレイに被検ＤＮＡを含有する溶液が流通された後の被検ＤＮＡとホール内面に固定されたＤＮＡ断片との特異親和性反応を検出する手段とを有することを特徴とするものからなる。
【００１７】
このＤＮＡ分析システムにおいては、前記検出手段として、蛍光標識された被検ＤＮＡとホール内面に固定されたＤＮＡ断片との特異親和性反応に基づく発光を検出する手段（イメージスキャナー）を使用できる。
【００１８】
本発明に係るＤＮＡ分析方法は、上記のようなＤＮＡ分析用アレイに、被検ＤＮＡを含有する溶液を流通させ、該溶液流通後の被検ＤＮＡとホール内面に固定されたＤＮＡ断片との特異親和性反応を検出することにより、溶液中に含有されていた被検ＤＮＡを特定することを特徴とする方法からなる。
【００１９】
このＤＮＡ分析方法においては、被検ＤＮＡを蛍光標識しておき、前記溶液流通後の被検ＤＮＡとホール内面に固定されたＤＮＡ断片との特異親和性反応を、蛍光により検出することができる。
【００２０】
検出条件としては、前記溶液を、流速０．１〜１ｍｌ・ｃｍ^−２・ｍｉｎ^−１にて３〜５分間、ホール内に流すことが好ましい。
【００２１】
本発明に係るＤＮＡ分析用アレイにおいては、直行性をもって貫通されたホールが規則性をもって多数配列された基板のホールの内面に、ＤＮＡ断片（プローブＤＮＡ）が固定されるので、ＤＮＡ断片を高密度で配置でき、ホールが直行性をもって貫通されているので、被検ＤＮＡ含有溶液が容易かつ円滑に流通されて良好に特異親和性反応が示され、微細なホールが高規則性をもって配列されているので、高精度の検出および高い分解能が得られる。
【００２２】
従来のナノメータレベルの細孔径を持つ多孔質膜としては、ニュクリポアーポリカーホネ−ト膜（野村マイクロサイエンス社製）や陽極酸化ポーラスアルミナであるＡｎｏｄｉｓｋ膜（Ｗｈａｔｍａｎ社製）などが知られている。しかし、これらの膜をプローブＤＮＡの固定基板として用いた場合、細孔密度および細孔の配列性が低い、細孔の直行性が著しく悪いなどの問題がある。細孔密度および細孔の配列性が低い構造においては、プローブＤＮＡの高密度化を妨げ、細孔の直行性が低い構造においては、各細孔からのシグナル強度の低下、およびハイブリダイゼーション反応の迅速化を妨げてしまう。このことから本発明における、直行性、配列規則性が高い材料を用いることは、ＤＮＡのさらなる高性能化を実現する上で、非常に重要な点である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明について、望ましい実施の形態および実施例とともに、詳細に説明する。
【００２４】
〔被検ＤＮＡの標識〕
被検ＤＮＡの追跡可能な標識分子としては、例えば蛍光色素、発光色素等が用いられる。使用可能な標識は、Ｃｙ２，Ｃｙ３，Ｃｙ５，Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ−ｉｓｏｔｈｉｏｃｙａｎａｔｅ（ＦＩＴＣ），ＴｅｘａｓＲｅｄ等の蛍光色素であるが、これに限定されるものではない。これらの標識は、被検ＤＮＡの５’末端に化学修飾により固定される。被検ＤＮＡとしては、１種類の標識だけでなく、２種類以上の標識した被検ＤＮＡを用いて検出を行うことも可能である。ホール内を流す被検ＤＮＡ溶液は、１μＭ程度に調製されることが最適であるが、これに限定されるものではない。
【００２５】
〔プローブＤＮＡの固定基板〕
プローブＤＮＡ固定用の基板は、図１に示すような高規則性陽極酸化ポーラスアルミナ１、または高規則性陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型にして作製された直行性、配列規則性が高い突起を持ったプリント基材あるいはプレス基材を使用して作製されたホールアレイ構造体を基板に用いる。図１に示す高規則性陽極酸化ポーラスアルミナ１は、アルミニウムの層２上に、バリアー層３を介して、アルミナの高規則性ポーラス構造が形成されている。高規則性陽極酸化ポーラスアルミナは、酸性溶液中における陽極酸化プロセスによって作製される。広範囲に高規則性が保たれる構造を得るには、たとえば、特開平１０−１２１２９２号公報に開示された複数の突起を表面に備えた基板を陽極酸化するアルミニウム基板に圧着することにより、アルミニウム基板表面に窪みを形成し、この窪みを基点として陽極酸化する方法が用いられるのが望ましい。このようにして形成された細孔は、圧着する基板の窪みの間隔、配列で精密に制御され、真円度、細孔径及び間隔の均一性が向上し、様々なサイズのポーラス構造の作製が可能となる。ポーラス構造の底部に位置するバリアー層３をリン酸でウエットエッチングする、または研磨により除去することにより、図２に示すような、貫通化されたホール４を有する構造を得る。高規則性陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型にしたホールアレイ構造は、特開平６−２００３７８号公報に示されているポーラスアルミナの細孔をポリマーで充填し、その後、ポーラスアルミナを溶解させることにより作製されるポーラス構造（多数の突起を有する構造と見ることもできる）の鋳型を用いて、電析などによりポーラスアルミナの細孔構造と同一の形状を有する金属多孔体の製造方法を用いるのが望ましい。この方法により作製された多孔体においては、金、銀、ニッケル、銅などの使用が確認されている。
【００２６】
〔プローブＤＮＡの固定化法〕
上記基板に所望するプローブＤＮＡを固定化するための手段は、基材表面へのプローブＤＮＡ、あるいは分子末端が官能基によって修飾されたプローブＤＮＡの化学吸着により固定するもの、基板表面に存在するＯＨ，ＣＯＯＨ，ＮＨ_２基などの反応活性基を用い、プローブＤＮＡ末端の反応活性基と直接、あるいは間接的に化学結合を形成することにより固定を行う。また、たとえば図３に示すように、ホール内壁面に不溶性高分子６を塗布することにより、高分子とプローブＤＮＡ５との静電相互作用、および化学結合によりプローブＤＮＡ５の固定化を行う。各プローブＤＮＡは、ピエゾ・ジェット・ノズル、あるいはサーマル・インクジェット・ヘットからプローブＤＮＡ溶液を各ホール表面およびホール内に点着させることにより、固定基板に配置する。その後、一定時間待ち、ホール内壁面の相互作用が生じるのを待ち（図３）、余ったプローブＤＮＡを緩衝水溶液で洗浄する。あるいは、化学結合を生じさせるための反応溶液にポーラス基板を浸漬し、一定時間後、基板上の余ったプローブＤＮＡと反応開始物質を洗浄することにより基板に固定される。図４は、シロキサン処理により固定化されたプローブＤＮＡ７を示しており、図５は、チオールの吸着により固定されたプローブＤＮＡ８を示している。
【００２７】
また、アルミナなどの光透過性の良い材料を基材として用いる場合は、ホール内で発生したシグナル（蛍光、発光）が検出器に入るまでに広がってしまい、個々の色素９で標識されたプローブＤＮＡ５から発生するシグナルが重なる可能性が生じる（図６）。図６において、１０は蛍光・発光のシグナル、１１は光の干渉（部分）を示している。そこで図７に示すように、基板表面のホール以外の部分を、光が通りにくい金属などの材料で形成された被覆層１２を設けることにより、各シグナルの分解能を向上させる基板修飾操作を行う。この操作は、プローブＤＮＡ固定後、金属蒸着などによって行う。蒸着角度を大きく採ることにより、ホール内への金属の蒸着は起こらず、プローブＤＮＡへのダメージも生じない。図７における１３は反射光を示している。
【００２８】
〔ハイブリダイゼーション〕
本発明におけるハイブリダイゼーション反応は、通常のハイブリダイゼーション反応に用いられている４５から６５℃前後の恒温状態で行われる。ハイブリダイゼーション用セル１７において、テフロン（デュポン社登録商標）などの材質でできた多孔性（孔径１〜２ｍｍ程度）支持体１７でＤＮＡアレイを固定し（図８）、被検ＤＮＡ溶液が一定流速で、流入口１４から流出口１９に向けて、１回あるいは複数回、プローブＤＮＡが固定された基板１８のホール内を通過する方法により、反応が進行する形体を取る。なお、１５は、シール用Ｏリングを示している。この形体により、プローブＤＮＡと被検ＤＮＡとの接触頻度が増加することから、ハイブリダイゼーション反応の効率が上がり、反応時間の短縮が実現できる。本発明における、流速（０．１から１ｍｌ・ｃｍ^−２・ｍｉｎ ^−１）の条件は、前述したようなアレイの大きさ、厚さ、細孔周期の場合における、汎用機器として用いられるポンプなどにより得られる流速であり、この細孔サイズでより大きな流速を得ることは、基板の耐久性から困難である。これよりも膜厚を小さくすることにより、流速を大きくすることが可能であるが、この値より薄い膜は、取り扱いが困難であり、容易に割れてしまう。また、被検ＤＮＡをプローブＤＮＡが固定されたホール中を流す時間は、検出すべきＤＮＡの条件によって条件を変更することが可能であるが、２２塩基ＤＮＡにおいては、３〜５分間程度の条件が最適である。
【００２９】
〔標識シグナルの検出〕
ハイブリダイゼーション後の標識シグナルの検出は、ＣＣＤカメラ、共焦点あるいは非共焦点レーザーなどのイメージスキャナー装置を用いて行うことができる。たとえば図９に示すように、イメージスキャナー１９を基板１の上部に設置し、違ったプローブＤＮＡが固定された領域からの、該プローブＤＮＡと特異親和性反応を生じた、標識した被検ＤＮＡ２２によるシグナルをレンズ２１を介して検出する。シグナルの検出において、これらのスキャナー装置自身の持つ分解能が問題であるが、これらのどの装置を用いるかによっては、本分析システムにおいては、シグナルの解像度に違いは生じない。
【００３０】
【実施例】
以下に実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、ここに示す実施例は、本発明の最良の実施形態の一例ではあるものの、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
【００３１】
実施例１
ＳｉＣモールド（それぞれ５００，４００，３００ｎｍの突起周期を持つ）を用いてアルミニウム板（５ｘ５ｘ０．０１４ｍｍ，純度９９．９９％）表面に微細な凹凸パターンを転写し、りん酸溶液中で陽極酸化することにより、５００，４００，３００ｎｍの細孔周期を持つ高規則性ナノホール構造（図１）を得た。
【００３２】
電解条件：
電解液組成：りん酸５．０ｇ／ｌ
電解電圧：２００，１６０，１２０Ｖ定電圧
電解温度：０℃
電解時間：６０分
【００３３】
次いで、上記の陽極酸化皮膜を下記の条件でエッチング処理することにより、細孔を貫通孔化した。
エッチング条件：
エッチング溶液組成：りん酸５０ｇ／ｌ
エッチング溶液温度：３０℃
エッチング時間：２０〜３０分
【００３４】
このエッチング処理により、細孔周期３００から５００ｎｍ，細孔径１５０から２５０ｎｍを持つ上記の高規則性ナノホール構造を得た。
【００３５】
得られたそれぞれの細孔内壁をポリ−Ｌ−リシンで被覆する操作を行った。ＤＮＡの固定化は、ポリ−Ｌ−リシンの持つ正電荷とＤＮＡの持つ負電荷の静電的相互作用に基づく。ポリ−Ｌ−リシンの被覆には、０．００５ｗｔ％ポリ−Ｌ−リシン／エタノール溶液を用い、基板表面にポリ−Ｌ−リシン溶液を滴下し（１０ｍｌ）、１０分間乾燥させ、またポリ−Ｌ−リシン溶液を滴下して、乾燥させる操作を１０回繰り返すことにより行った。その後、基板表面にあるポリ−Ｌ−リシンを除去するために、表面をイオンミリングした。
【００３６】
各細孔からのシグナルの分解能を確認するために、蛍光色素で標識したＤＮＡをポリ−Ｌ−リシンを利用して固定し、蛍光観察を行った。用いたＤＮＡは、５’末端に蛍光色素Ｃｙ３を有する２２塩基（５’−ＴＴＧＣＴＡＧＴＴＧＡＧＡＡＣＣＧＧＣＴＡ−３’）の一本鎖合成ＤＮＡである。用いた蛍光顕微鏡システムは、Ｕ−ＭＷＩＧ２，ＵＰｌａｎＡｐｏ／１００ｘ／ＮＡ＝１．３５／Ｏｉｌである。固定化法は、１μＭの蛍光標識したＤＮＡ溶液中に基板を３０分浸漬した後、水で洗浄することにより行った。５００，４００，３００ｎｍの細孔周期における基板の表面ＳＥＭ像を図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す。これらを蛍光観察した結果、５００ｎｍおよび４００ｎｍ周期の細孔からの蛍光シグナルは、分解能を十分持って観察できたが、３００ｎｍ細孔周期からのシグナルは、各細孔からのシグナルが重なり合ってしまい、検出限界の細孔径であることが分かった。
【００３７】
実施例２
実施例１と同条件において作製した５００ｎｍ細孔周期の基板（細孔径２００ｎｍ）、ニュクリポアーポリカーホネ−ト膜（細孔径２００ｎｍ）およびＡｎｏｄｉｓｋ（細孔径２００ｎｍ）の内壁にポリ−Ｌ−リシンで蛍光色素で標識したＤＮＡを固定し、蛍光観察を行うことにより、各細孔からのシグナル強度の比較を行った。各スポットの蛍光強度（相対値）の平均値、スポットの蛍光強度の変動係数ＣＶ％（Ｎ＝５）を求めた（表１）。
【００３８】
【表１】

【００３９】
表１に示した結果から分かるように、本発明で用いる直行性、配列規則性が高い構造の基板は、各ホールからのシグナル検出が高い感度で行えることがわかる。
【００４０】
実施例３
実施例１と同条件において作製した５００ｎｍ細孔周期の基板（細孔径２００ｎｍ）に、０．００５ｗｔ％ポリ−Ｌ−リシン／エタノール溶液を用いて、細孔内壁にポリ−Ｌ−リシンを被覆した。その後、ピリジン（１０％）−ジメチルホルムアミド（９０％）の溶液に０．２％（ｗ／ｖ）１，４−フェニレンジイソシアネ−ト（ＰＤＩＴＣ）を溶解した溶液に固定基板を１時間、室温で浸漬し、洗浄後、５’末端をＣｙ３標識、３’末端をアミノ化したＤＮＡの１μＭ溶液に浸漬することにより、ＤＮＡをポリ−Ｌ−リシンに化学結合により固定した（Ａｎｄｒｅｗ，Ｊ．，ｅｔａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，６９４９４８（１９９７））。ＤＮＡの塩基配列は、実施例１のものと同様である。蛍光顕微鏡により、各細孔からのシグナルの強度と分解能を評価した。
【００４１】
実施例４
実施例１と同条件において作製した５００ｎｍ細孔周期の基板（細孔径２００ｎｍ）を鋳型にして作製した金の高規則性ホールアレイ構造（特開平６−２００３７８号公報）に０．００５ｗｔ％ポリ−Ｌ−リシン／エタノール溶液を用いて、細孔内壁にポリ−Ｌ−リシンを被覆した。１μＭの蛍光標識したＤＮＡ溶液中に基板を３０分浸漬した後、水で洗浄することによりＤＮＡの固定化を行った。ＤＮＡは、実施例１と同様のものを用いた。蛍光顕微鏡により、各細孔からのシグナルの強度と分解能を評価した。
【００４２】
実施例５
実施例４で作製した金の高規則性ホールアレイ構造に実施例３と同様の固定化法を施すことにより、金のホール内壁のポリ−Ｌ−リシンにＤＮＡを固定したアレイを作製した。蛍光顕微鏡により、各細孔からのシグナルの強度と分解能を評価した。
【００４３】
実施例６
実施例４で作製した金の高規則性ホールアレイ構造に５’末端をＣｙ３標識、３’末端をチオール化したＤＮＡを固定化した。固定化法は、１μＭの蛍光標識したＤＮＡ溶液中に基板を３０分浸漬した後、水で洗浄することにより行った。ＤＮＡの塩基配列は、実施例１のものと同様である。蛍光顕微鏡により、各細孔からのシグナルの強度と分解能を評価した。
【００４４】
実施例７
実施例１と同条件において作製した陽極酸化ポーラスアルミナ（細孔周期５００ｎｍ，細孔径２００ｎｍ）基板を１μＭの蛍光標識したＤＮＡ溶液中に３０分浸漬した後、水で洗浄することによりホール内壁面にＤＮＡを吸着させた。ＤＮＡは、実施例１と同様のものを用いた。蛍光顕微鏡により、各細孔からのシグナルの強度と分解能を評価した。これら実施例の評価結果を表２に示す。
【００４５】
【表２】

【００４６】
実施例３から６と実施例７の比較から分かるように、ホール内へのＤＮＡの固定化操作により蛍光強度が大きく増加していることがわかり、この操作によりホール内へのプローブＤＮＡの固定化量が増加することが分かる。また、実施例３、５と実施例４、６の比較により、ポリ−Ｌ− リシンに化学結合を用いてＤＮＡを固定化することにより、ＤＮＡがより多くホール内に固定化されることも分かる。固定基板の材質による蛍光強度の違いは、金基材への固定の場合は、アルミナへの固定に比べて、蛍光の消失（または、失活）が起こりやすいことによる。すべての実施例における、各蛍光スポットは、十分な分解能を持って観察された。
【００４７】
実施例８
実施例１と同条件において作製したＤＮＡ固定基板を作製し、蛍光スポットの中心、及び蛍光スポット間の中間の位置での蛍光強度（相対値）の平均値、蛍光強度の変動係数ＣＶ％（Ｎ＝５）を求めた。ＤＮＡは、実施例１と同様のものを用いた。蛍光スポットの中心の位置での蛍光強度、及び蛍光スポット間の中間の位置での蛍光強度（バックグランド強度）を比較することにより、各蛍光スポットの見えやすさを評価した。
【００４８】
実施例９
実施例１と同条件において作製したＤＮＡ固定基板表面に金蒸着装置を用いて金のコーティング（厚さ１μｍ程度）を行った。ＤＮＡは、実施例１と同様のものを用いた。蛍光顕微鏡により、ＤＮＡ固定基板からの蛍光強度を測定し、蛍光スポットの中心、及び蛍光スポット間の中間の位置での蛍光強度（相対値）の平均値、蛍光強度の変動係数ＣＶ％（Ｎ＝５）を求めた。これら実施例の評価結果を表３に示す。
【００４９】
【表３】

【００５０】
表３の結果より、基板表面部分を金などの光を透過しにくい、材料で被覆することにより、蛍光スポットとバックグラウンド蛍光の強度差が大きくなることにより、蛍光シグナルが分解能良く、高感度に検出することができることを確認した。
【００５１】
実施例１０
実施例１で作製した陽極酸化ポーラスアルミナの高規則性ホールアレイ構造内に、同条件によりポリ−Ｌ−リシンを被覆し、プローブＤＮＡ１（２２塩基（５’−ＴＴＧＣＴＡＧＴＴＧＡＧＡＡＣＣＧＧＣＴＡ−３’）の一本鎖合成ＤＮＡ）を固定化した。被検ＤＮＡ１（２２塩基（５’−ＣＴＡＧＡＣＣＴＴＧＡＡＧＴＣＴＣＴＧＡＴ−３’），５’末端Ｃｙ３標識の一本鎖合成ＤＮＡ）の溶液（１μＭ，０．５ｍｌ）を０．１ｍｌ・ｃｍ^−２・ｍｉｎ^−１の流速で、５分間流すことによりハイブリダイゼーションを行わせた。蛍光顕微鏡により、各細孔からのシグナルの強度と分解能を評価した。
【００５２】
実施例１１
実施例１で作製した陽極酸化ポーラスアルミナの高規則性ホールアレイ構造内に、同条件によりポリ−Ｌ−リシンを被覆し、プローブＤＮＡ１（２２塩基（５’−ＴＴＧＣＴＡＧＴＴＧＡＧＡＡＣＣＧＧＣＴＡ−３’）の一本鎖合成ＤＮＡ）を固定化した。被検ＤＮＡ２（２２塩基（５’−ＴＴＧＣＴＡＧＴＴＧＡＧＡＡＣＣＧＧＣＴＡ−３’），５’末端Ｃｙ３標識の一本鎖合成ＤＮＡ）の溶液（１μＭ，０．５ｍｌ）を０．１ｍｌ・ｃｍ^−２・ｍｉｎ ^−１の流速で、５分間流すことによりハイブリダイゼーションを行わせた。蛍光顕微鏡により、各細孔からのシグナルの強度と分解能を評価した。
【００５３】
実施例１２
実施例１で作製した陽極酸化ポーラスアルミナの高規則性ホールアレイ構造内に、同条件によりポリ−Ｌ−リシンを被覆し、プローブＤＮＡ２（２２塩基（５’−ＴＡＧＣＣＧＧＴＴＣＴＣＡＡＣＴＡＧＣＡＡ−３’）の一本鎖合成ＤＮＡ）を固定化した。被検ＤＮＡ１（２２塩基（５’−ＣＴＡＧＡＣＣＴＴＧＡＡＧＴＣＴＣＴＧＡＴ−３’），５’末端Ｃｙ３標識の一本鎖合成ＤＮＡ）の溶液（１μＭ，０．５ｍｌ）を０．１ｍｌ・ｃｍ^−２・ｍｉｎ^−１の流速で、５分間流すことによりハイブリダイゼーションを行わせた。蛍光顕微鏡により、各細孔からのシグナルの強度と分解能を評価した。
【００５４】
実施例１３
実施例１で作製した陽極酸化ポーラスアルミナの高規則性ホールアレイ構造内に、同条件によりポリ−Ｌ−リシンを被覆し、プローブＤＮＡ２（２２塩基（５’− ＴＡＧＣＣＧＧＴＴＣＴＣＡＡＣＴＡＧＣＡＡ −３’）の一本鎖合成ＤＮＡ）を固定化した。被検ＤＮＡ２（２２塩基（５’−ＴＴＧＣＴＡＧＴＴＧＡＧＡＡＣＣＧＧＣＴＡ−３’），５’末端Ｃｙ３標識の一本鎖合成ＤＮＡ）の溶液（１μＭ，０．５ｍｌ）を０．１ｍｌ・ｃｍ^−２・ｍｉｎ^−１の流速で、５分間流すことによりハイブリダイゼーションを行わせた。蛍光顕微鏡により、各細孔からのシグナルの強度と分解能を評価した。これら実施例の評価結果を表４に示す。
【００５５】
【表４】

【００５６】
プローブＤＮＡ１と被検ＤＮＡ１、及びプローブＤＮＡ２と被検ＤＮＡ２は、相補的な塩基配列の関係にある。このことから実施例１０及び１２の結果は、特異的な親和性に基づき、各細孔内に蛍光標識された被検ＤＮＡが保持され、細孔周期に対応した蛍光スポットが観察できることを示している。図１１に実施例１１において観察された蛍光顕微鏡観察結果を示す。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の直行性、配列規則性が高い、ナノメータレベルの細孔径を持つホール構造を利用すれば、従来のＤＮＡマイクロアレイ（ＤＮＡチップ）の１万倍以上に圧縮してＤＮＡを修飾することができ、多種多様な診断が可能である高性能ＤＮＡアレイを提供することができる。一般的にＤＮＡの高密度化の問題として挙げられる高密度化に伴って生じる標識された被検ＤＮＡに対してＤＮＡのプローブＤＮＡの分子数が少ない条件でハイブリダイゼーション反応を行わせることによる解析の定量性の確保の困難さは、長さが十数μｍから数十μｍの長さのホール内壁面にプローブＤＮＡを大量に固定化することにより、平板基板上において生じる問題は、十分に解決される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における高規則性陽極酸化ポーラスアルミナを示す断面図である。
【図２】プローブＤＮＡ固定基板の斜視図である。
【図３】不溶性高分子を固定基材へのプローブＤＮＡの固定法を示す断面図である。
【図４】アルミナ基材表面へのプローブＤＮＡの固定法を示す断面図である。
【図５】金属基材表面への別のプローブＤＮＡの固定法を示す断面図である。
【図６】プローブＤＮＡからの発光の様子を示す模式図である。
【図７】表面を被覆させたプローブＤＮＡ固定基板の断面図である。
【図８】本発明に係るＤＮＡアレイを使用してハイブリダイゼーションを行うための好ましい例を示す概略構成図である。
【図９】本発明に係るＤＮＡアレイから得られるシグナルを検出するための好ましい例を示す概略構成図である。
【図１０】５００，４００，３００ｎｍ細孔周期の固定基板の表面ＳＥＭ像を示す図である。
【図１１】５００ｎｍの細孔周期の基板に固定されたプローブＤＮＡと被検ＤＮＡとのハイブリダイゼーションによる蛍光スポットの観察結果を示す図である
【符号の説明】
１アルミナ
２アルミニウム
３バリアー層
４貫通化ホール
５プローブＤＮＡ
６プローブＤＮＡ固定のための不溶性高分子
７シロキサン処理により固定化されたプローブＤＮＡ
８チオールの吸着により固定されたプローブＤＮＡ
９標識色素
１０蛍光・発光
１１光の干渉
１２シグナル分解能向上のための表面被覆層
１３反射光
１４被検ＤＮＡ溶液の流入口
１５Ｏ−リング
１６ハイブリダイゼーション用セル
１７プローブＤＮＡを固定した基板支持体
１８プローブＤＮＡを固定した基板
１９被検ＤＮＡ溶液の流出口
２０イメージスキャナー
２１レンズ
２２標識した被検ＤＮＡ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a DNA analysis array, a DNA analysis system and an analysis method using the same, and in particular, in order to detect a test DNA in a sample by utilizing a reaction with a specific affinity DNA fragment, it is required to use a directivity, To arrange DNA fragments with specific affinity at high density on a substrate on which a through-hole having a fine sequence (for example, nanometer level) and a fine pore diameter is formed, and perform DNA analysis with high precision and efficiency. The present invention relates to a DNA analysis array and a DNA analysis system and analysis method using the same.
[0002]
[Prior art]
A method of arranging biologically related substances at a high density and detecting a test substance using a biological specific affinity reaction has been widely used. A typical example is a DNA microarray (DNA chip). In the method using a DNA microarray, several hundred to several thousand DNA fragments (probe DNAs) whose sequences are known are arranged on a substrate such as glass, and the labeled DNA fragments (test DNAs) prepared from those probe DNAs and test samples are used. A specific affinity reaction (double-helix reaction based on complementary base sequence, hybridization) with the test sample to detect what kind of DNA is contained in the test sample. is there. Gene expression frequency information obtained by these diagnoses is expected to be a method that plays a very important role not only in elucidating the cause and diagnosis of diseases but also in elucidating gene functions after decoding the human genome. .
[0003]
The steps of preparing and using a DNA array include (1) preparing an array by immobilizing a probe DNA on a DNA-immobilized substrate, and (2) causing a complementary interaction between a test DNA and a probe DNA. A hybridization operation in which a probe DNA and a test DNA are allowed to react at an appropriate temperature for a predetermined time (several hours to several tens of hours); (3) after hybridization, between the test DNA and the probe DNA on the array; A spot signal (signal from a test DNA labeled with a radioisotope or a fluorescent dye (for example, Non-patent Document 1) labeled by the complementary interaction generated by the above) and the signal intensity are measured with a scanner (CCD camera, confocal or non-focus). The base sequence of the probe DNA previously determined by detection using a confocal laser) From the step of determining the base sequence of the test DNA. Various techniques have been disclosed in the preparation of the DNA array of (1) so far, but in (2) hybridization experiments, (3) detection of signals from test DNA and determination of the base sequence, the array In many cases, reaction conditions and signal detection conditions depending on the structure, immobilization of DNA, and the like are specified.
[0004]
In the production of DNA arrays, most methods have hitherto used a method in which a single surface of a glass or silicon substrate is used, and a large number of DNAs are independently spotted on the surface (Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 2). Patent Document 3). In addition, in Patent Document 1, a DNA-immobilized substrate is three-dimensionally used by immobilizing probe DNA on inner walls of pores of a porous substrate (thickness: 10 to 500 μm, diameter: 5 μm to 2 mm). A method is disclosed. Further, there is an example of a detection array in which a probe array is fixed to spherical particles to increase an immobilized area (Patent Document 2).
[0005]
Further, typical DNA sequencing methods are roughly classified into two. One is a method of synthesizing oligonucleotides directly on the surface of a substrate on which DNA is immobilized. This method applies, for example, an integrated circuit preparation technique using photolithography and an amidate reagent having a protecting group that can be deprotected by light. A DNA probe of about 20 bases on the substrate for 10 mm ² There is a report that it can be synthesized at a density of / DNA (Patent Document 3). The other is a method of immobilizing a DNA fragment prepared in advance on a substrate surface, using a spot device attached to a DNA microarray, hitting a DNA solution as a spot on the surface of the substrate surface-treated with polycations, A method of immobilizing the fragment by electrostatic interaction with the negative charge (Non-patent Document 4), or introducing a reactive group (amino group, aldehyde group, SH group, biotin) into the probe DNA to be immobilized in advance In addition, there is a method of immobilizing via a chemical bond by reaction with a functional group on the substrate surface or a substance applied to the substrate surface (Non-Patent Document 5). The liquid ejection technique in which probe DNA is applied as a spot spot on a glass or silicon substrate is a method in which probe DNA is attached as a liquid by a thermal ink jet head (Patent Document 4) or supplied from a piezo jet nozzle. (Patent Document 5). In

Patent Documents

6 and 7, an assembly of a two-dimensionally arranged discharge head and a plurality of nozzles for discharging a liquid reservoir of a probe solution scans the substrate surface. The area occupied by the probe solution applied on the substrate is 0.01 (for example, 0.1 μm × 0.1 μm) μm ² ~ 4000 (for example, 200 μm × 200 μm) μm ² It is disclosed that DNA spots can be prepared with good reproducibility.
[0006]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,843,767
[Patent Document 2]
JP-A-2002-181819
[Patent Document 3]
U.S. Pat. No. 5,424,186
[Patent Document 4]
JP-A-11-187900
[Patent Document 5]
U.S. Pat. No. 5,424,185
[Patent Document 6]
JP 2002-318232 A
[Patent Document 7]
JP-A-2003-35711
[Non-patent document 1]
Fodor, S.M. P. A. , Et al. , Nature, 354, 555 (1993).
[Non-patent document 2]
Lockhart, D.M. J. , Et al. , Nature Biotech. , 14, 657 (1996)
[Non-Patent Document 3]
Schena, M .; , Et al. , Science, 270, 467 (1995).
[Non-patent document 4]
Schena, M .; , Et al. , Science, 270, 467 (1995).
[Non-Patent Document 5]
Lamture, J.M. B. et al. , Nucl. Acids Res. , 22, 2121 (1994)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional techniques, the time for hybridization is as long as several hours to several tens of hours, and it is still difficult to obtain a high reproducible resolution, and further improvement is desired.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to significantly reduce the time for hybridization as compared with the prior art, and to obtain a resolution with high reproducibility. In addition, a high-performance DNA analysis array capable of increasing the DNA density and enabling a wide variety of diagnoses while maintaining these conditions, for example, in order to quickly respond to an individual's disease, and a DNA analysis using the same. It is to provide a system and an analysis method.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have compared the conventional method of immobilizing probe DNA on a flat substrate with a substrate having a large number of perforated holes having a high perpendicularity and high array regularity and a nanometer-level pore diameter. The present inventors have devised the preparation of an analysis array in which probe DNAs having different arrangements are fixedly arranged at high density on the inner wall of a hole by using one or a plurality of holes as a set. By using this array, the test DNA solution is allowed to flow in the holes for a certain period of time, so that the hybridization time can be greatly shortened. Since the light can be emitted through the pores, it is possible to detect with high resolution.
[0010]
That is, the DNA analysis array according to the present invention provides a DNA fragment having specific affinity for a test DNA on an inner surface of a hole of a substrate on which a large number of holes penetrating in a straight line are regularly arranged. Probe DNA). In other words, instead of a mere porous base material or a base material having a tubular hole that is meandering in a mesh shape, use a substrate having a large number of holes that are pierced with orthogonality and arranged with high regularity, DNA fragments having specific affinity for the test DNA are fixed on the inner surface of each hole.
[0011]
As a method for fixing the DNA fragments, a configuration in which heterogeneous DNA fragments are fixed corresponding to each hole or each hole group can be adopted.
[0012]
The substrate as described above can be made of anodized porous alumina. In addition, the substrate may be formed of a hole array structure manufactured using a printed base material or a pressed base material manufactured using anodized porous alumina as a template.
[0013]
A suitable size of the substrate is about 5 mm square to about 3 cm square. An appropriate thickness of the substrate is, for example, in the range of 10 to 50 μm. Further, an appropriate arrangement period of the holes is in a range of about 400 nm to 1 μm. As described above, the condition in which the pore period of the array is 400 nm to 1 μm is a value close to the limit of the resolution of a scanner (CCD camera, confocal or non-confocal laser) currently used as a general-purpose device, Under the conditions for obtaining a signal from each probe DNA, the density can be actually increased to the limit area in the current signal detection method of a DNA array.
[0014]
As a method for fixing the DNA fragment to the inner surface of the hole, a method by chemical adsorption on a wall surface, affinity with a polymer coated on a wall surface, or chemical bonding with a polymer coated on a wall surface or a wall surface can be adopted.
[0015]
In addition, it is preferable that the surface of the substrate is coated with a metal because the resolution can be improved when performing fluorescence observation based on a specific affinity reaction.
[0016]
The DNA analysis system according to the present invention provides a DNA analysis array as described above, a test DNA after a solution containing the test DNA is passed through the DNA analysis array, and a DNA fragment fixed on the inner surface of the hole. And a means for detecting a specific affinity reaction with
[0017]
In this DNA analysis system, a means (image scanner) for detecting luminescence based on a specific affinity reaction between the fluorescently labeled test DNA and the DNA fragment fixed on the inner surface of the hole can be used as the detection means.
[0018]
In the DNA analysis method according to the present invention, a solution containing a test DNA is passed through the DNA analysis array as described above, and the specificity of the test DNA after the solution flow and the DNA fragment fixed on the inner surface of the hole is determined. The method comprises the steps of identifying the test DNA contained in the solution by detecting the affinity reaction.
[0019]
In this DNA analysis method, the test DNA is fluorescently labeled, and the specific affinity reaction between the test DNA after the flow of the solution and the DNA fragment fixed on the inner surface of the hole can be detected by fluorescence.
[0020]
As the detection conditions, the solution was supplied at a flow rate of 0.1 to 1 ml · cm. ^-2 ・ Min ^-1 For 3 to 5 minutes.
[0021]
In the DNA analysis array according to the present invention, the DNA fragments (probe DNA) are fixed on the inner surfaces of the holes of the substrate on which a large number of holes penetrating in a straight line are regularly arranged. Since the holes are penetrated with orthogonality, the solution containing the test DNA is easily and smoothly circulated, and the specific affinity reaction is favorably exhibited, and the fine holes are arranged with high regularity. Therefore, highly accurate detection and high resolution can be obtained.
[0022]
As a conventional porous film having a pore size of a nanometer level, a nuclepore polycarbonate film (manufactured by Nomura Microscience) and an anodized porous alumina Anodisk film (manufactured by Whatman) are known. . However, when these membranes are used as a substrate for immobilizing probe DNA, there are problems such as low pore density and low pore arrangement, and extremely poor perpendicularity of pores. In a structure in which the pore density and the arrangement of the pores are low, the densification of the probe DNA is hindered, and in a structure in which the orthogonality of the pores is low, the signal intensity from each pore is reduced, and the hybridization reaction is not performed. It hinders speed. From this, it is very important to use a material having high orthogonality and sequence regularity in the present invention in order to further improve the performance of DNA.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with preferred embodiments and examples.
[0024]
[Labeling of test DNA]
As a traceable label molecule of the test DNA, for example, a fluorescent dye, a luminescent dye, or the like is used. Usable labels include, but are not limited to, fluorescent dyes such as Cy2, Cy3, Cy5, Fluorescein-isothiocyanate (FITC), and Texas Red. These labels are immobilized on the 5 'end of the test DNA by chemical modification. As the test DNA, not only one kind of label but also two or more kinds of labeled test DNAs can be used for detection. The test DNA solution flowing in the hole is optimally adjusted to about 1 μM, but is not limited to this.
[0025]
[Immobilized substrate for probe DNA]
The substrate for immobilizing the probe DNA had projections with high orthogonality and high array regularity, which were prepared using highly ordered anodized porous alumina 1 as shown in FIG. 1 or highly ordered anodized porous alumina as a template. A hole array structure manufactured using a printed base material or a pressed base material is used as a substrate. In the highly ordered anodized porous alumina 1 shown in FIG. 1, a highly ordered porous structure of alumina is formed on an aluminum layer 2 via a barrier layer 3. Highly ordered anodized porous alumina is made by an anodizing process in an acidic solution. In order to obtain a structure in which high regularity is maintained in a wide range, for example, a substrate having a plurality of projections disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-112292 is pressed against an aluminum substrate to be anodized by pressing aluminum. It is desirable to use a method in which a depression is formed on the substrate surface and anodic oxidation is performed based on the depression. The pores formed in this way are precisely controlled by the spacing and arrangement of the depressions of the substrate to be press-bonded, the roundness, the uniformity of the pore diameter and the spacing are improved, and the production of porous structures of various sizes is possible. It becomes possible. The structure having the perforated holes 4 as shown in FIG. 2 is obtained by wet-etching or polishing away the barrier layer 3 located at the bottom of the porous structure with phosphoric acid. A hole array structure using highly regular anodized porous alumina as a template is manufactured by filling the pores of porous alumina with a polymer and then dissolving the porous alumina as disclosed in JP-A-6-200378. It is desirable to use a method for producing a porous metal body having the same shape as the porous alumina pore structure by electrodeposition or the like using a mold having a porous structure (which can be regarded as a structure having a large number of protrusions). It has been confirmed that gold, silver, nickel, copper and the like are used in the porous body produced by this method.
[0026]
[Method of immobilizing probe DNA]
Means for immobilizing the desired probe DNA on the substrate include a method of immobilizing the probe DNA on the surface of the substrate by chemisorption of the probe DNA or the probe DNA whose molecular terminal is modified by a functional group, and a method of immobilizing the OH present on the substrate surface. , COOH, NH ₂ Immobilization is performed by using a reactive group such as a group and forming a chemical bond directly or indirectly with the reactive group at the end of the probe DNA. Also, as shown in FIG. 3, for example, by coating an insoluble polymer 6 on the inner wall surface of the hole, the probe DNA 5 is immobilized by electrostatic interaction between the polymer and the probe DNA 5 and chemical bonding. Each probe DNA is placed on a fixed substrate by dropping a probe DNA solution onto the surface of each hole and into each hole from a piezo jet nozzle or a thermal inkjet head. After that, the system waits for a certain period of time, waits for the interaction between the inner wall surfaces of the hole (FIG. 3), and wash the remaining probe DNA with an aqueous buffer solution. Alternatively, the porous substrate is immersed in a reaction solution for producing a chemical bond, and after a certain period of time, the remaining probe DNA and the reaction starting material on the substrate are washed and fixed to the substrate. FIG. 4 shows the probe DNA 7 immobilized by siloxane treatment, and FIG. 5 shows the probe DNA 8 immobilized by thiol adsorption.
[0027]
When a material having good light transmittance such as alumina is used as a substrate, a signal (fluorescence, emission) generated in the hole spreads before entering the detector, and a probe labeled with each dye 9 is used. There is a possibility that signals generated from DNA 5 overlap (FIG. 6). In FIG. 6, reference numeral 10 denotes a fluorescence / emission signal, and reference numeral 11 denotes light interference (part). Therefore, as shown in FIG. 7, a substrate modification operation for improving the resolution of each signal is performed by providing a coating layer 12 formed of a material such as a metal through which light does not easily pass, in a portion other than the holes on the substrate surface. This operation is performed by metal deposition or the like after immobilizing the probe DNA. By adopting a large deposition angle, no metal is deposited in the hole, and no damage is caused to the probe DNA. Reference numeral 13 in FIG. 7 indicates reflected light.
[0028]
(Hybridization)
The hybridization reaction in the present invention is carried out at a constant temperature of about 45 to 65 ° C. which is used for a normal hybridization reaction. In the hybridization cell 17, a DNA array is fixed by a porous (pore diameter: about 1 to 2 mm) support 17 made of a material such as Teflon (registered trademark of DuPont) (FIG. 8), and the test DNA solution is supplied at a constant flow rate. The reaction takes a form in which the reaction proceeds from the inlet 14 to the outlet 19 one or more times by passing the probe DNA through the hole of the substrate 18 to which the probe DNA is fixed. Reference numeral 15 denotes a sealing O-ring. This form increases the frequency of contact between the probe DNA and the test DNA, thereby increasing the efficiency of the hybridization reaction and shortening the reaction time. In the present invention, the flow rate (0.1 to 1 ml · cm ^-2 ・ Min ^-1 The conditions in (2) are the flow rates obtained by a pump or the like used as a general-purpose device in the case of the size, thickness, and pore cycle of the array as described above. However, it is difficult because of the durability of the substrate. By making the film thickness smaller than this, it is possible to increase the flow rate, but a film thinner than this value is difficult to handle and easily breaks. The time for flowing the test DNA through the hole in which the probe DNA is fixed can be changed depending on the conditions of the DNA to be detected. Is optimal.
[0029]
[Detection of label signal]
Detection of the labeled signal after hybridization can be performed using an image scanner device such as a CCD camera, confocal or non-confocal laser. For example, as shown in FIG. 9, an image scanner 19 is installed on the upper part of the substrate 1 and a labeled test DNA 22 from a region where a different probe DNA is immobilized, which has caused a specific affinity reaction with the probe DNA. The signal is detected via the lens 21. In signal detection, the resolution of these scanner devices is a problem, but there is no difference in signal resolution in the present analysis system depending on which of these scanners is used.
[0030]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The examples shown here are examples of the best embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.
[0031]
Example 1
Using a SiC mold (each having a protrusion period of 500, 400, and 300 nm), a fine uneven pattern was transferred to the surface of an aluminum plate (5 x 5 x 0.014 mm, purity 99.99%), and a phosphoric acid solution was used. By performing anodization in the inside, a highly ordered nanohole structure having pore periods of 500, 400, and 300 nm (FIG. 1) was obtained.
[0032]
Electrolysis conditions:
Electrolyte composition: phosphoric acid 5.0 g / l
Electrolysis voltage: 200, 160, 120 V constant voltage
Electrolysis temperature: 0 ° C
Electrolysis time: 60 minutes
[0033]
Next, the above-mentioned anodic oxide film was subjected to an etching treatment under the following conditions to make the pores through holes.
Etching conditions:
Etching solution composition: phosphoric acid 50 g / l
Etching solution temperature: 30 ° C
Etching time: 20-30 minutes
[0034]
By this etching treatment, the highly ordered nanohole structure having a pore period of 300 to 500 nm and a pore diameter of 150 to 250 nm was obtained.
[0035]
An operation of coating the inner wall of each of the obtained pores with poly-L-lysine was performed. Immobilization of DNA is based on the electrostatic interaction between the positive charge of poly-L-lysine and the negative charge of DNA. For the coating of poly-L-lysine, a 0.005 wt% poly-L-lysine / ethanol solution was used, the poly-L-lysine solution was dropped on the substrate surface (10 ml), and the substrate was dried for 10 minutes. The operation of dropping the -L-lysine solution and drying was repeated 10 times. Thereafter, the surface was subjected to ion milling to remove poly-L-lysine on the substrate surface.
[0036]
In order to confirm the resolution of the signal from each pore, DNA labeled with a fluorescent dye was fixed using poly-L-lysine, and fluorescence observation was performed. The DNA used was a single-stranded synthetic DNA having 22 bases (5′-TTG CTA GTT GAG AAC CGG CTA-3 ′) having a fluorescent dye Cy3 at the 5 ′ end. The fluorescence microscope system used was U-MWIG2, UPAnapo / 100x / NA = 1.35 / Oil. The immobilization method was performed by immersing the substrate in a 1 μM fluorescently labeled DNA solution for 30 minutes and then washing with water. FIGS. 10 (a), (b) and (c) show the surface SEM images of the substrate at the pore periods of 500, 400 and 300 nm, respectively. As a result of fluorescence observation of these, the fluorescence signals from the pores of the 500 nm and 400 nm cycles could be observed with sufficient resolution, but the signals from the 300 nm pore cycle overlapped the signals from each pore, The pore size was found to be the detection limit.
[0037]
Example 2
A substrate having a pore cycle of 500 nm (pore diameter: 200 nm), a Nuclepore polycarbonate membrane (pore diameter: 200 nm) and an Anodisk (pore diameter: 200 nm) prepared under the same conditions as in Example 1 By fixing DNA labeled with a fluorescent dye with L-lysine and observing fluorescence, the signal intensity from each pore was compared. The average value of the fluorescence intensity (relative value) of each spot and the variation coefficient CV% (N = 5) of the fluorescence intensity of the spot were determined (Table 1).
[0038]
[Table 1]

[0039]
As can be seen from the results shown in Table 1, it can be seen that the substrate used in the present invention having a structure having a high orthogonality and a high degree of arrangement regularity can detect a signal from each hole with high sensitivity.
[0040]
Example 3
Coating the inner wall of the pores with poly-L-lysine using a 0.005 wt% poly-L-lysine / ethanol solution on a substrate (pore diameter: 200 nm) having a cycle of 500 nm produced under the same conditions as in Example 1. did. Thereafter, the fixed substrate was dissolved in a solution of 0.2% (w / v) 1,4-phenylene diisocyanate (PDITC) in a solution of pyridine (10%)-dimethylformamide (90%) for 1 hour. After immersion at room temperature and washing, the DNA was immobilized on poly-L-lysine by chemical bonding by immersion in a 1 μM solution of DNA whose 5 ′ end was labeled with Cy3 and whose aminated 3 ′ end was aminated (Andrew, J. Am. , Et al., Anal. Chem., 69 4948 (1997)). The nucleotide sequence of the DNA is the same as that in Example 1. The intensity and resolution of the signal from each pore were evaluated using a fluorescence microscope.
[0041]
Example 4
0.005 wt% in a gold highly ordered hole array structure (Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-200378) manufactured by using a substrate with a 500 nm pore period (pore diameter 200 nm) prepared under the same conditions as in Example 1 as a template. Using a poly-L-lysine / ethanol solution, the inner wall of the pores was coated with poly-L-lysine. The substrate was immersed in a 1 μM fluorescently labeled DNA solution for 30 minutes and then washed with water to immobilize the DNA. The same DNA as in Example 1 was used. The intensity and resolution of the signal from each pore were evaluated using a fluorescence microscope.
[0042]
Example 5
By applying the same fixing method as in Example 3 to the gold highly ordered hole array structure prepared in Example 4, an array was prepared in which DNA was fixed to poly-L-lysine on the inner wall of the gold hole. The intensity and resolution of the signal from each pore were evaluated using a fluorescence microscope.
[0043]
Example 6
The 5′-end was labeled with Cy3, and the DNA with the 3′-end thiolated was immobilized on the gold highly ordered hole array structure prepared in Example 4. The immobilization method was performed by immersing the substrate in a 1 μM fluorescently labeled DNA solution for 30 minutes and then washing with water. The nucleotide sequence of the DNA is the same as that in Example 1. The intensity and resolution of the signal from each pore were evaluated using a fluorescence microscope.
[0044]
Example 7
An anodized porous alumina (pore cycle: 500 nm, pore diameter: 200 nm) substrate prepared under the same conditions as in Example 1 was immersed in a 1 μM fluorescently labeled DNA solution for 30 minutes, and then washed with water to form a hole in the hole. DNA was adsorbed on the wall. The same DNA as in Example 1 was used. The intensity and resolution of the signal from each pore were evaluated using a fluorescence microscope. Table 2 shows the evaluation results of these examples.
[0045]
[Table 2]

[0046]
As can be seen from a comparison between Examples 3 to 6 and Example 7, it was found that the operation of immobilizing the DNA in the hole significantly increased the fluorescence intensity, and this operation immobilized the probe DNA in the hole. It can be seen that the amount increases. In addition, a comparison between Examples 3 and 5 and Examples 4 and 6 shows that immobilization of DNA using a chemical bond to poly-L-lysine allows more DNA to be immobilized in the hole. . The difference in the fluorescence intensity depending on the material of the fixed substrate is that fluorescence is more likely to be lost (or deactivated) in the case of fixing to a gold base material than in the case of fixing to alumina. In all examples, each fluorescent spot was observed with sufficient resolution.
[0047]
Example 8
A DNA-immobilized substrate manufactured under the same conditions as in Example 1 was manufactured, and the average value of the fluorescent intensity (relative value) at the center of the fluorescent spot and the intermediate position between the fluorescent spots, and the coefficient of variation of the fluorescent intensity CV% (N = 5). The same DNA as in Example 1 was used. The visibility of each fluorescent spot was evaluated by comparing the fluorescent intensity at the center of the fluorescent spot and the fluorescent intensity (background intensity) at an intermediate position between the fluorescent spots.
[0048]
Example 9
Gold coating (about 1 μm thick) was performed on the surface of the DNA-fixed substrate produced under the same conditions as in Example 1 using a gold vapor deposition apparatus. The same DNA as in Example 1 was used. The fluorescence intensity from the DNA-immobilized substrate was measured with a fluorescence microscope, and the average value of the fluorescence intensity (relative value) at the center of the fluorescence spot and the intermediate position between the fluorescence spots, and the coefficient of variation of the fluorescence intensity CV% (N = 5) was determined. Table 3 shows the evaluation results of these examples.
[0049]
[Table 3]

[0050]
From the results in Table 3, it can be seen that by coating the surface of the substrate with a material that is difficult to transmit light such as gold, the intensity difference between the fluorescent spot and the background fluorescent light is increased, so that the fluorescent signal has good resolution and high sensitivity. Confirmed that it can be detected.
[0051]
Example 10
Poly-L-lysine was coated under the same conditions in the highly regular hole array structure of anodized porous alumina prepared in Example 1, and probe DNA1 (22 bases (5′-TTG CTA GTT GAG AAC CGG CTA-3) ') Single-stranded synthetic DNA) was immobilized. 0.1 ml of a solution (1 μM, 0.5 ml) of test DNA 1 (22 bases (5′-CTA GAC CTT GAA GTC TCT GAT-3 ′), 5′-end Cy3-labeled single-stranded synthetic DNA) cm ^-2 ・ Min ^-1 Hybridization was carried out by flowing at a flow rate of 5 minutes for 5 minutes. The intensity and resolution of the signal from each pore were evaluated using a fluorescence microscope.
[0052]
Example 11
Poly-L-lysine was coated under the same conditions in the highly regular hole array structure of anodized porous alumina prepared in Example 1, and probe DNA1 (22 bases (5′-TTG CTA GTT GAG AAC CGG CTA-3) ') Single-stranded synthetic DNA) was immobilized. 0.1 ml of a solution (1 μM, 0.5 ml) of test DNA 2 (22 bases (5′-TTG CTA GTT GAG AAC CGG CTA-3 ′), 5′-end Cy3-labeled single-stranded synthetic DNA) cm ^-2 ・ Min ^-1 Hybridization was carried out by flowing at a flow rate of 5 minutes for 5 minutes. The intensity and resolution of the signal from each pore were evaluated using a fluorescence microscope.
[0053]
Example 12
Poly-L-lysine was coated under the same conditions in the highly regular hole array structure of anodized porous alumina prepared in Example 1, and probe DNA 2 (22 bases (5′-TAG CCG GTT CTC AAC TAG CAA-3) ') Single-stranded synthetic DNA) was immobilized. 0.1 ml of a solution (1 μM, 0.5 ml) of test DNA 1 (22 bases (5′-CTA GAC CTT GAA GTC TCT GAT-3 ′), 5′-end Cy3-labeled single-stranded synthetic DNA) cm ^-2 ・ Min ^-1 Hybridization was carried out by flowing at a flow rate of 5 minutes for 5 minutes. The intensity and resolution of the signal from each pore were evaluated using a fluorescence microscope.
[0054]
Example 13
Under the same conditions, poly-L-lysine was coated in the highly ordered hole array structure of anodized porous alumina prepared in Example 1, and probe DNA 2 (22 bases (5′-TAG CCG GTT CTC AAC TAG CAA-3) ') Single-stranded synthetic DNA) was immobilized. 0.1 ml of a solution (1 μM, 0.5 ml) of a test DNA 2 (22 bases (5′-TTG CTA GTT GAG AAC CGG CTA-3 ′), 5 ′ terminal Cy3-labeled single-stranded synthetic DNA) cm ^-2 ・ Min ^-1 Hybridization was carried out by flowing at a flow rate of 5 minutes for 5 minutes. The intensity and resolution of the signal from each pore were evaluated using a fluorescence microscope. Table 4 shows the evaluation results of these examples.
[0055]
[Table 4]

[0056]
Probe DNA1 and test DNA1, and probe DNA2 and test DNA2 have a complementary base sequence relationship. From this, the results of Examples 10 and 12 indicate that the fluorescently labeled test DNA is retained in each pore based on the specific affinity, and that a fluorescent spot corresponding to the pore cycle can be observed. I have. FIG. 11 shows the results of observation with a fluorescence microscope observed in Example 11.
[0057]
【The invention's effect】
As described above, by utilizing the hole structure having a high perpendicularity and high array regularity and having a pore diameter of a nanometer level as described above, the DNA is compressed to 10,000 times or more of the conventional DNA microarray (DNA chip). Can be modified, and a high-performance DNA array capable of performing various kinds of diagnosis can be provided. In general, the problem of DNA densification is that the analysis is carried out by performing a hybridization reaction on a labeled test DNA generated with the densification under conditions where the number of probe DNA molecules is small. The difficulty in ensuring quantitativeness is that the problem that occurs on a flat substrate is sufficiently solved by immobilizing a large amount of probe DNA on the inner wall surface of a hole having a length of tens to several tens of μm. You.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a highly ordered anodized porous alumina according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a probe DNA fixing substrate.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a method for immobilizing a probe DNA on an immobilization substrate with an insoluble polymer.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for immobilizing probe DNA on the surface of an alumina substrate.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a method for immobilizing another probe DNA on the surface of a metal substrate.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a state of light emission from a probe DNA.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a probe DNA-immobilized substrate having a surface coated.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a preferred example for performing hybridization using the DNA array according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a preferred example for detecting a signal obtained from the DNA array according to the present invention.
FIG. 10 is a view showing a surface SEM image of a fixed substrate having a pore cycle of 500, 400, and 300 nm.
FIG. 11 is a view showing the results of observing fluorescent spots by hybridization between a test DNA and a probe DNA fixed on a substrate having a pore cycle of 500 nm.
[Explanation of symbols]
1 Alumina
2 Aluminum
3 barrier layer
4 Penetration hole
5 Probe DNA
6 Insoluble polymer for immobilizing probe DNA
7. Probe DNA immobilized by siloxane treatment
8. Probe DNA fixed by thiol adsorption
9 Labeled dye
10 Fluorescence and light emission
11 Light interference
12 Surface coating layer to improve signal resolution
13 Reflected light
14 Inlet for test DNA solution
15 O-ring
16. Hybridization cell
17 Substrate support with probe DNA immobilized
18 Substrate on which probe DNA is immobilized
19 Outlet of test DNA solution
20 Image Scanner
21 lenses
22 Labeled test DNA

Claims

An array for DNA analysis, wherein a DNA fragment having a specific affinity for a test DNA is fixed on an inner surface of a hole of a substrate on which a large number of holes penetrated in a straight line are regularly arranged.

2. The DNA analysis array according to claim 1, wherein the heterologous DNA fragments are fixed corresponding to each hole or each hole group.

3. The DNA analysis array according to claim 1, wherein the substrate is made of anodized porous alumina.

3. The DNA analysis array according to claim 1, wherein the substrate comprises a hole array structure substrate manufactured using a printed substrate or a pressed substrate manufactured using anodized porous alumina as a template.

The DNA analysis array according to claim 1, wherein the thickness of the substrate is in a range of 10 to 50 μm.

The array for DNA analysis according to any one of claims 1 to 5, wherein the arrangement cycle of the holes is in a range of 400 nm to 1 µm.

7. The DNA fragment is fixed to the inner surface of the hole by chemical adsorption on a wall surface, affinity with a polymer coated on the wall surface, or chemical bond with a polymer coated on the wall surface or the wall surface. The array for DNA analysis according to any one of the above.

The DNA analysis array according to claim 1, wherein a metal is coated on a surface of the substrate.

A DNA analysis array according to any one of claims 1 to 8, wherein the test DNA after the solution containing the test DNA is passed through the DNA analysis array and the DNA fragment fixed on the inner surface of the hole. Means for detecting a specific affinity reaction.

10. The DNA analysis system according to claim 9, wherein said detection means comprises means for detecting luminescence based on a specific affinity reaction between a fluorescently labeled test DNA and a DNA fragment fixed on the inner surface of the hole.

A solution containing a test DNA is allowed to flow through the DNA analysis array according to any one of claims 1 to 8, and the specific affinity between the test DNA after the solution flow and the DNA fragment immobilized on the inner surface of the hole. A DNA analysis method comprising identifying a test DNA contained in a solution by detecting a reaction.

The DNA analysis method according to claim 11, wherein the test DNA is fluorescently labeled, and a specific affinity reaction between the test DNA after the flow of the solution and the DNA fragment fixed on the inner surface of the hole is detected by fluorescence.

The DNA analysis method according to claim 11, wherein the solution is flowed into the hole at a flow rate of 0.1 to ¹ ml · cm ⁻² · min ^{−1 for} 3 to 5 minutes.