JP2002153272A - 生体分子マイクロアレイ - Google Patents

生体分子マイクロアレイ

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JP2002153272A JP2000358121A JP2000358121A JP2002153272A JP 2002153272 A JP2002153272 A JP 2002153272A JP 2000358121 A JP2000358121 A JP 2000358121A JP 2000358121 A JP2000358121 A JP 2000358121A JP 2002153272 A JP2002153272 A JP 2002153272A
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microarray
dna
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Hideo Tashiro
英夫 田代
Yasumitsu Kondo
恭光 近藤
Tokuji Kitsunai
徳司 橘内
Shigeori Takenaka
繁織 竹中
Kazuko Matsumoto
和子 松本
Takahiko Nojima
高彦 野島
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Waseda University
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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Waseda University
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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    • C40B60/14Apparatus specially adapted for use in combinatorial chemistry or with libraries for creating libraries

Abstract

(57)【要約】 【課題】 定量的な解析に使用できる、S/N比の高い
生体分子マイクロアレイを提供する。 【解決手段】 フォトリソグラフィ技術およびエッチン
グ技術を用いて、スライドグラス基板11の表面のプロ
ーブ生体分子を付着させたい特定の部位101のみにア
ビジン分子が単層に固定された固相化膜14を形成する
ことにより表面処理基板100を得る。特定の部位10
1の面積及び形状は全て均一であるため、各特定の部位
101に固定されたビオチン分子の数もほぼ均一であ
る。したがって各特定の部位101に結合するアビジン
分子の数は同一になる。この表面処理基板100の各特
定の部位101に、ビオチン化処理したプローブDNA
を含む溶液をスポットすることにより、DNAマイクロ
アレイを得る。DNAマイクロアレイは、各特定の部位
101に固定されているアビジン分子の数が同一である
ので、各特定の部位101に結合するプローブDNA2
1の数も同一である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本願発明は、検出すべきター
ゲット生体分子に対して相補的な塩基配列を有する一本
鎖の生体分子をプローブとし、当該プローブ生体分子と
生体由来の試料核酸とのハイブリダイゼーションにより
形成される二本鎖の有無を検出することによってターゲ
ット生体分子を検出する生体分子検出技術に属し、特
に、プローブ生体分子を含む溶液を基板の表面にスポッ
トすることにより当該基板上に生体分子検出スポット部
を形成してなる生体分子マイクロアレイに関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】生体由来の試料中に存在する生体分子
(DNA、RNAなど)を検出するためのデバイスとし
てDNAマイクロアレイ(DNAチップともよばれる)
がある。DNAマイクロアレイによれば、数百〜数万回
分の生体分子検出処理もしくは塩基配列決定処理を一括
して並列的に行うことが可能である。DNAマイクロア
レイは、数平方センチメートル〜十数平方センチメート
ルのガラス基板やシリコン基板上に数百〜数万のDNA
検出ポイント(スポット部)を整然と配置してなる。そ
れぞれのDNA検出ポイントには予め既知の塩基配列を
持った一本鎖の核酸ポリマー(遺伝子断片)がプローブ
(検出子)として一種類ずつ固定されている。つまり、
DNAマイクロアレイ上にはたくさんの種類の核酸プロ
ーブが整列している。このDNAマイクロアレイ上に、
蛍光物質でラベリング(標識)した試料核酸の水溶液を
流すと、試料核酸中の核酸ポリマーの塩基配列がフロー
ブと相補的である場合のみ両者がハイブリダイズし、洗
浄後も、DNAマイクロアレイ上にプローブとハイブリ
ダイズしたターゲット核酸ポリマーだけが残存する。D
NAマイクロアレイ上に残存したターゲット核酸ポリマ
ー中の蛍光物質が発する蛍光を検出することにより、試
料核酸中にターゲット核酸ポリマーが存在するか否かを
判定できる。
【0003】DNAマイクロアレイは、製造法によって
フォトリソグラフィ型とスポッティング型の2種類に大
別できる。フォトリソグラフィ型では、半導体集積回路
の製造プロセスで用いられるフォトリソグラフィによっ
て基板(あるいはシート)上で所望の多種類のDNA
(オリゴヌクレオチド)を合成する製造方法がとられ、
高密度のDNA検出ポイントを有するDNAマイクロア
レイが実用化されている(米国特許5744305、5
445934等参照)。一方、スポッティング型では、
固相化剤(ポリリジンまたはアミノシラン)をスライド
ガラスの全面にコーティングした基板(あるいはシー
ト)を用い、その基板上に、あらかじめ調製したプロー
ブDNAを含む水滴を一つ一つスポットして載せた後、
乾燥させることにより、DNA検出スポットを形成する
製造方法がとられる(米国特許587522等参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した2種類のDN
Aマイクロアレイには、以下のような特性の違いがあ
る。フォトリソグラフィ型のDNAマイクロアレイは、
DNA検出ポイントを細かくでき、DNAを均一に生や
すことができるため、高い測定感度とその再現性を保証
できる点、SNP(一塩基多型)分析に使用できる点で
優れている。しかしながら、マスクは1塩基合成するた
めに1枚必要であり、塩基はA、T、G、Cと4種類あ
るので、少なくとも4枚のマスクが必要となる。たとえ
ば20塩基の長さのプローブを合成するには80枚のマ
スクが必要である。マスクは1枚数十万円と高価であ
り、DNAマイクロアレイを作るためには数千万円の費
用がかかる。このため、一部の研究機関でしか使用され
ていないのが現状である。
【0005】スポッティング型のDNAマイクロアレイ
は、プローブDNAを含む水滴を基板上に載せて乾かす
方法を用いるため、基板上に固定されるDNAの密度と
均一さが保証されない。すなわち、DNA検出スポット
部の寸法や形状が不均一になるため、各DNA検出スポ
ット部に固定されているDNA量にばらつきが生じる。
このためスポッティング型のDNAマイクロアレイは、
定性的な解析には使用できても、定量的な解析には向い
ていなかった。すなわち、ターゲット生体分子とのハイ
ブリダイゼーションが生じたDNA検出スポット部の有
無は検出できても、各DNA検出スポット部でハイブリ
ダイゼーションしたターゲット生体分子の量を測定する
ことはできなかった。また、DNA検出スポット部の周
囲に付着した固相化剤の存在により、ターゲットDNA
が非特異的に基板上に吸着し、ノイズの上昇を引き起こ
し、S/N比を低下させていた。本願発明は、このよう
な事情の下に創案されたものであり、その目的は、定量
的な解析に使用でき且つS/N比の高いスポッティング
型の生体分子マイクロアレイを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願発明では以下の手段を採用する。本発明に係る
生体分子マイクロアレイ用基板は、基板表面のほぼ全面
にわたり、前記プローブ生体分子を各々定量的に受容し
得る複数の微細なプローブ生体分子受容固相部を規則的
に設けたことを特徴とする。本発明の生体分子マイクロ
アレイ用基板において、前記プローブ生体分子受容固相
部は、アビジン、ストレプトアビジン、ビオチン、アミ
ノ基、カルボニル基、水酸基、スクシニイド基、マレイ
ド基、チオール基のうちのいずれかの固相化剤からな
る。また、前記基板は、ガラス基板、シリコン基板、プ
ラスチック基板、金基板、銀基板のうちのいずれかであ
る。また、前記プローブ生体分子受容固相部は、基板表
面に結合したビオチン分子の末端にアビジン分子が単層
に結合したものである。また、前記特定の部位の径は5
0〜200ミクロン、前記特定の部位同士の間隔は10
0〜500ミクロンであることが望ましい。ここで、前
記特定の部位の径とは、当該特定の部位の形状が円形の
場合は直径、正方形の場合は一片の長さを意味する。ま
た、前記特定の部位の形状が、前記生体分子マイクロア
レイの生体分子検出スポット部の撮像に使用する固体撮
像素子の画素の形状と略一致していることが望ましい。
本発明に係る生体分子マイクロアレイは、請求項1〜4
のいずれかに記載の基板の前記プローブ生体分子受容固
相部にプローブ生体分子を結合させたものであることを
特徴とする。本発明の生体分子マイクロアレイにおい
て、前記プローブ生体分子は、DNA、RNA、PNA
またはタンパク質である。また、前記プローブ生体分子
はビオチンを標識した生体分子であり、前記プローブ生
体分子受容固相部にビオチン−アビジン結合により結合
している。本発明に係る製造方法は、前記生体分子マイ
クロアレイ用基板を製造する方法であって、フォトリソ
グラフィ技術およびエッチング技術を用いて、特定の部
位のみ前記プローブ生体分子受容固相部を設ける工程を
含むことを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明に係る
DNAマイクロアレイ用基板(以下、単に表面処理基板
と記す。)について説明する。図1は本発明に係る表面
処理基板の製造方法の一例を示す製造工程図である。図
中、100は本発明に係る表面処理基板であり、この表
面処理基板100は、プローブDNAが特定の部位10
1のみに付着するように表面処理してなる。表面処理基
板100の製造工程は以下のとおりである。 (1)基板洗浄工程:スライドグラス基板11を洗浄し
不純物を取り除く。 (2)アルミニウム膜蒸着工程:スライドグラス基板1
1の表面に、アルミニウム膜12を蒸着(コーティン
グ)する。 (3)フォトレジストの塗布工程:アルミニウム膜12
の表面にネガ型のフォトレジストを塗布(コーティン
グ)する。 (4)露光工程:フォトマスク14を通して(3)の基
板上の特定の部位101にのみ光(hν)を照射する。 (5)現像工程:(4)の基板上のフォトレジスト13
を現像する。この段階で特定の部位101のフォトレジ
スト13が除去される。 (6)エッチング工程:(5)の基板上のアルミニウム
膜をエッチングする。この段階で、特定の部位101の
アルミニウム膜12が除去される。 (7)レジスト除去工程:(6)の基板上のフォトレジ
スト13をアセトンにより溶解し除去する。この段階
で、スライドグラス基板11の表面が特定の部位101
のみ露出する。 (8)DNA固相化膜形成工程:(7)の基板上に、プ
ローブDNAを吸着し固相化する固相化剤を塗布し、D
NA固相化膜15を形成する。この工程は、具体的に
は、アミノシラン処理による基板表面へのアミノ基導入
工程と、ビオチンスクシニイドによる基板表面のアミノ
基へのビオチン導入工程とからなる。 (9)DNA付着部位形成工程:(8)の基板上のアル
ミニウム膜12を酸、アルカリまたはキレート剤により
溶解させて除去する。この段階で、スライドグラス基板
11の表面の特定の部位101にのみDNA固相化膜1
5が形成される。 (10)アビジン結合工程:(9)の基板上にアビジン
溶液を導入し、特定の部位101に形成されたDNA固
相化膜15のビオチン分子の末端にアビジン分子を単層
に結合させる。 以上の(1)〜(10)の工程を経ることにより、スラ
イドグラス基板11の表面の特定の部位101のみにア
ビジンが単層に固定されたDNAマイクロアレイ基板1
00が得られる。特定の部位101の直径は200ミク
ロン以下、特定の部位101同士の間隔は400ミクロ
ン以下である。
【0008】図2に各DNA固相化膜15のビオチン分
子の末端にアビジン分子が単層に結合する過程を示す。
各基板の表面に形成される特定の部位101の面積及び
形状は全て均一であるため、各特定の部位101に固定
されたビオチン分子23の数もほぼ均一である。したが
って、各特定の部位101に結合するアビジン分子の数
は均等になる。すなわち、各特定の部位101に固定さ
れたビオチンの数に多少ばらつきがあっても、アビジン
分子の方がビオチン分子よりも遙かに大きいため、各特
定の部位101に固定されるアビジン分子の数は一定に
なる。特定の部位101の形状や寸法、特定の部位10
1同士の間隔は、露光工程で使用するフォトマスクを変
えることによって任意に変更できる。したがって、特定
の部位101に固定するアビジン分子の数も、フォトマ
スクを変えることによって任意に制御できる。
【0009】次に、本発明に係るDNAマイクロアレイ
について説明する。本発明に係るDNAマイクロアレイ
は、図1の方法で製造された表面処理基板100の各特
定の部位101に、各々塩基配列の異なるプローブDN
Aを含む溶液をスポットすることにより製造される。図
3に本発明に係るDNAマイクロアレイの製造方法の一
例を示す。図中、110はプローブDNA21を含む溶
液111をDNAマイクロアレイ基板100上にスポッ
トするためのアレイヤである。プローブDNA21に
は、予めビオチンを標識したDNA(ビオチン化DN
A)を使用する。アレイヤ110は、毛細管作用により
溶液111を一定量保持できるようになっており、溶液
111を保持したアレイヤ110の先端を表面処理基板
100上の特定の部位101に突き当てることにより、
一定量の溶液111が特定の部位101に供給される。
その結果、溶液111中のプローブDNA21がDNA
マイクロアレイ基板100上の特定の部位101に固定
されている各アビジン分子22に1つずつ結合する(ビ
オチン化DNAの固相化)。各特定の部位101に固定
されているアビジン分子22の数は同一であるので、各
特定の部位101に結合するプローブDNA21の数も
同一である(図4参照)。各特定の部位101に固定す
るアビジン分子の数は、上述したように、露光工程で使
用するフォトマスクを変えて特定の部位101の形状や
寸法を変更することにより任意に変更できる。したがっ
て、各特定の部位101に固定するプローブDNA21
の数も、露光工程で使用するフォトマスクの変更により
任意に制御でき、各特定の部位101にスポットする溶
液111のプローブDNA濃度にばらつきがあっても、
常に一定数のプローブDNA21を各特定の部位101
に固定することができる。
【0010】図5に表面処理基板上の特定の部位にスポ
ットする溶液中のDNA量(濃度)と特定の部位に固定
化されるDNA量との関係の測定例を示す。この測定結
果から、3×109〜5×109個のプローブDNAをス
ポットすれば特定の部位に固定化されるプローブDNA
量が一定になることがわかる。DNAマイクロアレイ上
のDNA検出スポット部は、全て同一形状、同一面積で
あり、しかも全検出スポット部に同数ずつプローブDN
A21が固定されているので、このDNAマイクロアレ
イによれば定量的な解析が可能になる。DNAマイクロ
アレイ上におけるDNA吸着部位が特定の部位101す
なわちDNA検出スポット部のみに制限されるので、D
NA検出スポット部の周囲にDNAが非特異的は吸着を
起こすのを防止できる。したがって、蛍光検出時のノイ
ズ(不要光)の減少により、S/N比を向上させること
ができる。さらに、DNA検出スポット部の形状すなわ
ち前記特定の部位の形状を、撮像に使用する固体撮像素
子(CCDセンサ、CMOSセンサなど)の画素の形状
と一致させておくことにより、S/N比をより向上させ
ることができる。
【0011】なお、本発明は以上の実施の形態に限定さ
れるものではない。たとえば、本発明に係る表面処理基
板の製造方法は上記の実施の形態に限定されない。すな
わち、図1に示した製造方法では、基板11の表面に、
先ずアルミニウム膜12、ポジ型のフォトレジスト13
を順次積層する。次に特定の部位101を規則的に配列
してあるフォトマスクを通して、フォトレジストの特定
の部位のみ露光し、現像液に浸すことで、特定の部位1
01のみフォトレジストが溶解し、特定の部位101の
みアルミニウム膜12が露出する。その後、アルミニウ
ム膜12を酸性のエッチング溶液によりエッチングする
ことにより、特定の部位101のアルミニウム膜12が
溶解され、基板11の特定の部位101のガラス表面が
露出する。その上にDNA固相化膜15を塗布し、アル
ミニウム膜12を溶解することにより、基板11の表面
の特定の部位101にのみDNA固相化膜15を残すこ
とができる。別な方法として、基板11の表面全体に最
初からDNA固相化膜15を形成し、特定の部位101
のみDNA固相化膜15を露出させる方法を採用しても
よい。この場合には、基板11の表面全体にDNA固相
化膜15およびアルミニウム膜12を順次積層形成した
後、アルミニウム膜12上にポジ型のフォトレジスト1
3を積層形成し、フォトマスクを通して特定の部位10
1にのみ露光し、上記と同じように、現像とエッチング
とを行うことにより、特定の部位101のみDNA固相
化膜15を露出させることができる。また、フォトレジ
ストはポジ型である必要はなく、ネガ型のフォトレジス
トも使用可能であることは無論である。
【0012】また、上記実施の形態では、DNAマイク
ロアレイ、すなわちプローブ生体分子としてDNAを固
定した生体分子マイクロアレイについて説明したが、プ
ローブ生体分子としてRNA、PNA、蛋白質などを用
いたものも本発明の生体分子マイクロアレイに含まれ
る。また、表面処理基板に用いる基板は、スライドグラ
ス基板に限るものではなく、透明ガラス基板、シリコン
基板、プラスチック基板、金基板、銀基板などでもよ
い。また、固相化剤に付いても、アビジンを固定(露
出)したものに限らず、前記特定の部位に固定化したい
プローブ生体分子との結合性を考慮して、固定化するプ
ローブ生体分子数の定量化に最も適切と思われる物質を
使用すればよい。
【0013】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は以下のよ
うな優れた効果を奏する。本発明に係る生体分子マイク
ロアレイ用基板は、プローブ生体分子が基板表面の特定
の部位のみに付着するように表面処理されているので、
プローブ生体分子を含む溶液を基板表面にスポットする
ことにより、生体分子検出スポット部の外の領域にプロ
ーブ生体分子が付着するのを防止して、S/N比の高い
生体分子マイクロアレイを得ることができる。また、前
記特定の部位の面積及び形状を変えることにより、生体
分子検出スポット部に固定化するプローブ生体分子の量
を制御することができる。前記特定の部位の面積及び形
状を全て同一とすれば、全生体分子検出スポット部のプ
ローブ生体分子の量を一定にすることができ、本発明に
係る生体分子マイクロアレイが得られる。本発明に係る
生体分子マイクロアレイによれば、各生体分子検出スポ
ット部に固定化されているプローブ生体分子の量が一定
であるので、ターゲット生体分子の定量的な解析に使用
できる。また、プローブ生体分子を特定の部位に固定化
することで生体分子検出スポット部が形成されているの
で、生体分子検出スポット部の外の領域におけるターゲ
ット生体分子の非特異的吸着を防止し、S/N比の高い
測定を行うことができる。本発明に係る製造方法によれ
ば、プローブ生体分子を吸着し固相化する固相化膜をフ
ォトリソグラフィなどの精密加工技術を用いて基板表面
の特定の部位のみに形成することにより、本発明に係る
生体分子マイクロアレイ用表面処理基板を高精度に製造
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る表面処理基板の製造方法の一例を
示す製造工程図である。
【図2】各DNA固相化膜のビオチン分子の末端にアビ
ジン分子が結合する過程に関する説明図である。
【図3】本発明に係るDNAマイクロアレイの製造方法
の一例を示す説明図である。
【図4】特定の部位に固定されているアビジン分子にプ
ローブDNA(ビオチン化DNA)が結合する過程に関
する説明図である。
【図5】表面処理基板上の特定の部位にスポットする溶
液中のDNA量(濃度)と特定の部位に固定化されるD
NA量との関係の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
11:スライドグラス基板 12:アルミニウム膜 13:フォトレジスト 14:フォトマスク 15:固相化膜 21:プローブDNA 22:アビジン分子 23:ビオチン分子 100:DNAマイクロアレイ表面処理基板 101:特定の部位 110:アレイヤ 111:溶液
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 33/566 G01N 37/00 102 37/00 102 C12N 15/00 F (72)発明者 近藤 恭光 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究所 内 (72)発明者 橘内 徳司 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究所 内 (72)発明者 竹中 繁織 福岡県古賀市舞の里4丁目23−21 (72)発明者 松本 和子 東京都新宿区戸塚町1丁目104番地 学校 法人早稲田大学内 (72)発明者 野島 高彦 東京都新宿区戸塚町1丁目104番地 学校 法人早稲田大学内 Fターム(参考) 2G042 AA01 BD19 4B024 AA20 HA14 4B029 AA23 BB20 CC03 4B063 QA01 QA13 QA18 QQ42 QQ52 QR55 QR82 QS34

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プローブ生体分子を含む溶液を基板表面
    にスポットすることにより、当該溶液中のプローブ生体
    分子が基板表面の特定の部位のみに受容され固定化され
    るように表面処理してなる基板であって、 前記基板表面のほぼ全面にわたり、前記プローブ生体分
    子を各々定量的に受容し得る複数の微細なプローブ生体
    分子受容固相部を規則的に設けたことを特徴とする生体
    分子マイクロアレイ用基板。
  2. 【請求項2】 前記プローブ生体分子受容固相部は、ア
    ビジン、ストレプトアビジン、ビオチン、アミノ基、カ
    ルボニル基、水酸基、スクシニイド基、マレイド基、チ
    オール基のうちのいずれかの固相化剤からなることを特
    徴とする請求項1に記載の生体分子マイクロアレイ用基
    板。
  3. 【請求項3】 前記基板は、ガラス基板、シリコン基
    板、プラスチック基板、金基板、銀基板のうちのいずれ
    かであることを特徴とする請求項1または2に記載の生
    体分子マイクロアレイ用基板。
  4. 【請求項4】 前記プローブ生体分子受容固相部は、基
    板表面に結合したビオチン分子の末端にアビジン分子が
    単層に結合したものであることを特徴とする請求項1〜
    3のいずれかに記載の生体分子マイクロアレイ用基板。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の基板の
    前記プローブ生体分子受容固相部にプローブ生体分子が
    結合していることを特徴とする生体分子マイクロアレ
    イ。
  6. 【請求項6】 前記プローブ生体分子は、DNA、RN
    A、PNAまたはタンパク質であることを特徴とする請
    求項5に記載の生体分子マイクロアレイ。
  7. 【請求項7】 前記プローブ生体分子はビオチンを標識
    した生体分子であり、前記プローブ生体分子受容固相部
    にビオチン−アビジン結合により結合していることを特
    徴とする請求項5または6に記載の生体分子マイクロア
    レイ。
  8. 【請求項8】 請求項1〜4のいずれかに記載の生体分
    子マイクロアレイ用基板を製造するための方法であっ
    て、 フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い
    て、特定の部位のみ前記プローブ生体分子受容固相部を
    設ける工程を含むことを特徴とする生体分子マイクロア
    レイ用基板の製造方法。
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