JP2005021120A - 遺伝子増幅方法および遺伝子増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波を用いて試料を直接加熱する方式により、遺伝子の急速な加熱および放冷を可能とした遺伝子増幅方法および装置を提供する。
【解決手段】遺伝子と酵素の温度を変化させることにより遺伝子の核酸配列の増幅を行う遺伝子増幅方法であって、マイクロ波を用いて遺伝子と酵素を含む溶媒を直接加熱する。
【効果】（１）熱容量を持つプレート類を使わない、マイクロ波による対象物への直接加熱であるため、急速の加熱および放冷が可能である。（２）少量の対象物の直接加熱であるため、冷却用のファンなどが不必要である。（３）金属マスク使用により、容易に加熱部分と非加熱部分とを分けて加熱することができる。（４）湾曲状の金属マスクを用いれば、マスク面で反射したマイクロ波を容易に対象物へ集中させることができる。（５）本発明は、ＰＣＲ法に適用できるだけでなく、過熱を伴うものであるならＬＣＲ法にも適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＮＡなどの遺伝子を加熱冷却の温度サイクルを繰り返すことにより遺伝子の核酸配列を増幅する遺伝子増幅方法および装置に関するものである。

従来より、遺伝子を増幅する技術として、ポリメラーゼ連鎖反応法（Polymerase Chain Reaction :以下ＰＣＲと略す）やＬＣＲ法（Ligase Chain Reaction）、ＩＣＡＮ（登録商標）法、ＬＡＭＰ（Loop-Mediated Isothermal Amplification）法などの種々の遺伝子増幅法が開発されている。

このＰＣＲ法やＬＣＲ法ではその反応に温度サイクルと酵素を必要とする。温度サイクルをかける装置としては、ヒータとペルチェ素子を使って行うもの（例えば、特許文献１参照）あるいは2組のペルチェ素子を使って制御するもの（例えば、特許文献２参照）などがある。
なお、ＩＣＡＮ法やＬＡＭＰ法などは一定の高温に保持し続ける必要がある。

特許文献１に記載された遺伝子増幅装置では、試料を加熱するときは、ヒータにより載置プレートを加熱して間接的に試料の温度を上げ、試料の温度を下げるときは、ペルチェ素子で冷却プレートを冷却しそれにより生じた冷却空気をファンにより試料に吹付けて冷却している。

特許文献２に記載された温度を制御するインキュベータは、反応混合物を収納する複数の孔を有する金属基板を一対の温度コントローラ（例えばペルチェ素子）で挟み、このペルチェ素子を駆動して所定の温度変化パターンで金属基板の温度をコントロールする。

特開平７−３２２８７３号公報 特開平９−３１３１６３号公報

しかしながら、このような遺伝子増幅装置では、熱容量を持つ金属の基板やプレートを用いているため、温度の上昇や下降に時間がかかり、またファンなども必要で装置が大型になるという問題があった。
また、インキュベータにおいても金属基板を介して反応混合物の温度をコントロールしているため、同様に温度の上昇や下降に時間がかかるという課題があった。
したがって本発明が解決しようとする課題は、上記の課題を解決するもので、マイクロ波を用いて試料を直接加熱する方式により、遺伝子の急速な加熱および放冷を可能とした遺伝子増幅方法および装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
遺伝子と酵素の温度を変化させることにより遺伝子の核酸配列の増幅を行う遺伝子増幅方法であって、マイクロ波を用いて遺伝子と酵素を含む溶媒を直接加熱することを特徴とする。
このような方法によれば、マイクロ波で遺伝子と酵素を含む溶媒を直接加熱し、容器は間接的にしか加熱されないため、溶媒の急速な過熱および放冷が可能となる。

請求項２の遺伝子増幅装置の発明は、
遺伝子と酵素の温度を変化させることにより遺伝子の核酸配列の増幅を行う遺伝子増幅装置であって、
マイクロ波を発生するマグネトロンと、
前記マイクロ波を通過させるための開口部を有する金属板などで形成されたマスクと、
前記遺伝子と酵素を含む溶媒が載置されるテーブル
を備え、前記開口部を通過したマイクロ波を前記テーブル上の溶媒に照射することにより溶媒を直接加熱するように構成したことを特徴とする。

このような構成によれば、溶媒をマイクロ波で直接加熱するため急速な加熱や放冷が可能であり、またマスクの開口部によりマイクロ波を必要な箇所のみ容易に照射できるという効果がある。

この場合、テーブルに載置される溶媒は、請求項３のように、カートリッジに注入されたものでもよい。
あるいは、請求項４のように基板に挟まれたものであってもよい。そして、基板としては、請求項５のようにスライドガラスとカバーガラスに限らず、金やアルミなどの金属や、シリカやアルミナなどのセラミック、耐熱性のプラスチックなどで形成されたものであってもよい。

また、請求項６のように、反射板を用いてマイクロ波を反射させ、溶媒に集中させるようにしてもよい。
また、請求項７のように、ペルチェ素子などの冷却機構を併用し、溶媒を高速に冷却できるようにしてもよい。また、請求項８のように、溶媒の温度を検出する温度センサを設け、その出力値に基づいてマイクロ波の照射時間や強度を制御するようにしてもよい。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）熱容量を持つプレート類を使わない、マイクロ波による対象物への直接加熱であるため、急速の加熱および放冷が可能である。
（２）少量の対象物の直接加熱であるため、冷却用のファンなどが不必要である。
（３）金属マスク使用により、容易に加熱部分と非加熱部分とを分けて加熱することができる。
（４）湾曲状の金属マスクを用いれば、マスク面で反射したマイクロ波を容易に対象物へ集中させることができる。
（５）本発明は、ＰＣＲ法に適用できるだけでなく、過熱を伴うものであるならＬＣＲ法にも適用できる。

以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る遺伝子増幅装置の一実施例を示す要部構成図である。図１において、１はマイクロ波を発生するマグネトロン、２は一部にマイクロ波を通す窓３が設けられた容器、４は開口部５を有する金属板などで形成されたマスク、６はテーブル、７はスライドガラスである。

マグネトロン１は、周波数が２，４５０ＭＨzのマイクロ波を発生する。この波長のマイクロ波は金属に当ると反射し、ガラスやプラスチック、セラミックなどは透過し、水などに当ると吸収されるという性質を持っている。このマイクロ波は、容器２の上部に設けられた窓３を介して容器２内に照射される。容器２はマイクロ波を反射する金属などで形成されており、窓３以外の部分は密閉状の構造となっている。

マスク４は容器２内に設置され、開口部５以外の部分ではマイクロ波を反射（遮断）する。テーブル６は試料を載置するためのもので、その表面には図２に示すようにスライドガラス７が載置される。このスライドガラス７とカバーガラス８の間に試料（ここでは溶媒という）９が挟まれている。溶媒９には酵素と遺伝子が含まれている。

このような構成における遺伝子増幅の動作について説明する。マグネトロン１から発生するマイクロ波を窓３を通して容器４内に照射すると、一部のマイクロ波がマスク４の開口部５を通って、その下側にあるテーブル６上に照射される。なお、マスク４に設けた開口部５の大きさは、そこを通過したマイクロ波がテーブル６上の溶媒全域を照射するに足る大きさにしてある。

マイクロ波が溶媒９に照射されると、溶媒中の水などの極性分子がこのマイクロ波により直接回転させられ、接触加熱を起す。これにより対象物（遺伝子）が直接加熱される。
対象物の加熱温度を下げる場合には、マイクロ波照射を停止するだけの放冷でよい。本発明では、熱容量を持つプレート類を使用しての加熱・冷却方式ではなく、対象物のみを直接加熱する方式であるため、急速な加熱と放冷が可能である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
例えば、図１に示すマスク４の代りに、図３に示すような反射板１０を用い、反射によりマイクロ波を溶媒１９へ集中させるようにしてもよい。

また、溶媒を保持するスライドガラスとカバーガラスの基板には、シリカやアルミナなどのセラミック、または耐熱性のプラスチック等を用いてもよい。また、マイクロ波が照射される方向と反対側の基板は金やアルミニウムなどの金属でもよい。
また、溶媒を注入したカートリッジをそのままテーブルに載置してマイクロ波を当てるようにしてもよい。
さらに、マイクロ波は加熱のみしかできないので、高速に冷却するためには、ペルチェ素子などの冷却機構を併用してもよい。また、溶媒の温度を正確に制御するためには、溶媒またはその近傍に温度センサを設け、その温度センサによる検出値によってマイクロ波の照射時間や強度を制御すればよい。

本発明に係る遺伝子増幅方法を実現するための装置の一実施例を示す構成図である。 テーブルに載置した溶媒部分の構成図である。 本発明の他の実施例を示す要部構成図である。

符号の説明

１ マグネトロン
２ 容器
３ 窓
４ マスク
５ 開口部
６ テーブル
７ スライドガラス
８ カバーガラス
９ 溶媒
１０ 反射板

Claims (8)

1. 遺伝子と酵素の温度を変化させることにより遺伝子の核酸配列の増幅を行う遺伝子増幅方法であって、
   マイクロ波を用いて遺伝子と酵素を含む溶媒を直接加熱することを特徴とする遺伝子増幅方法。
2. 遺伝子と酵素の温度を変化させることにより遺伝子の核酸配列の増幅を行う遺伝子増幅装置であって、
   マイクロ波を発生するマグネトロンと、
   前記マイクロ波を通過させるための開口部を有する金属板などで形成されたマスクと、
   前記遺伝子と酵素を含む溶媒が載置されるテーブル
   を備え、前記開口部を通過したマイクロ波を前記テーブル上の溶媒に照射することにより溶媒を直接加熱するように構成したことを特徴とする遺伝子増幅装置。
3. 前記テーブルに載置される溶媒は、カートリッジに注入されて載置されていることを特徴とする請求項２に記載の遺伝子増幅装置。
4. 前記テーブルに載置される溶媒は、基板に挟まれ載置されていることを特徴とする請求項２に記載の遺伝子増幅装置。
5. 前記基板は、スライドガラスとカバーガラス、または金やアルミなどの金属、またはシリカやアルミナなどのセラミック、または耐熱性のプラスチックで形成されていることを特徴とする請求項４に記載の遺伝子増幅装置。
6. 前記マイクロ波を反射する反射板を用いてマイクロ波を前記溶媒に集中させるように構成したことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の遺伝子増幅装置。
7. 前記溶媒の温度を冷却するためのペルチェ素子などを用いた冷却装置を備えたことを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の遺伝子増幅装置。
8. 前記溶媒の温度を検出する温度センサを有し、その温度センサによる検出値に基づき前記マグネトロンによるマイクロ波の照射時間や強度を制御するように構成されたことを特徴とする請求項２ないし７のいずれかに記載の遺伝子増幅装置。
   

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