JP2005233955A - 生体分子を固体基板上に非共有的に固定化する方法及びそれによって製造されるマイクロアレイ - Google Patents

生体分子を固体基板上に非共有的に固定化する方法及びそれによって製造されるマイクロアレイ Download PDF

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Abstract

【課題】 簡便に製造でき、感度に優れるマイクロアレイの製造方法を提供する。
【解決手段】 水素供与能を有する第1官能基を表面に有する固体基板上で、水素受容能を有する化合物と、水素供与能を有する第2官能基で官能基化された生体分子との混合物を反応させて、前記生体分子を非共有結合によって前記基板上に固定化する段階を含むことを特徴とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は生体分子を固体基板上に固定化する方法、具体的には非共有結合によって生体分子を固体基板上に固定化する方法に関する。
マイクロアレイは、特定分子が基板上に一定の面積に高密度で固定化されているものである。このようなマイクロアレイには、例えば、ポリヌクレオチドまたは蛋白質マイクロアレイがある。“ポリヌクレオチドマイクロアレイ”とは、基板上にポリヌクレオチドのグループが高密度で固定化されているものであり、前記ポリヌクレオチドグループは、それぞれ一定の領域に固定化されているマイクロアレイを意味する。このようなマイクロアレイは当業界で公知のものであるり、例えばマイクロアレイについては、例えば、特許文献1及び2に開示されている。
固体基板上にポリヌクレオチドを固定化する方式は、基板上で直接的に合成する方式と、既に合成されたポリヌクレオチドを一定の位置に固定化する方法(スポッティング法)とが知られている。このようなポリヌクレオチドマイクロアレイの製造方法は、例えば、特許文献2ないし4に開示されている。ポリヌクレオチドマイクロアレイ及びその製造方法に関する前記文献は、本明細書にその全体が援用される。スポッティング方法は、生体分子を共有的に固体基板上に固定化するために広く使われている。例えば、基板上の表面をアミノ基のような求核性官能基で活性化させ、それを良い脱離基で活性化されたポリヌクレオチドのような生体分子とカップリング反応させた後、未反応物を除去し、生体分子を固体基板上に固定化する過程が広く利用されてきた。したがって、非共有結合を利用して生体分子を基板上に固定化する方式は知られていない。
また、ポリエチレングリコールは、親水性化合物としてマイクロアレイに使われた例がある。例えば、非特許文献1には、ポリエチレングリコールをDNAの両末端に共有結合で結合し、それを固体基板上に固定化してマイクロアレイを製作した例が開示されている。また、特許文献5には、末端にエポキシ基を有する放射形ポリエチレングリコール誘導体で構成されるヒドロゲルに、プローブポリヌクレオチドを固定化してマイクロアレイを製造する方法が開示されている。
米国特許第5,445,934号 米国特許第5,744,305号 米国特許第5,143,854号 米国特許第5,424,186号 米国特許公開US−2003−0108917−A1 Journal of ExperImental hematology 2003:11(4):393−397
しかし、それら例はいずれも、生体分子を共有的に基板上に固定化する方法である。したがって、いずれも反応性官能基が基板上にまたは生体分子に結合されていなければならない。また、共有結合は厳しい条件下でなされるので、反応条件を調節し難く、操作が複雑であるという短所がある。また、反応が完了した後には、未反応性物質を除去せねばならない。
これに、本発明者らは、共有結合によらず、非共有結合によって生体分子を固体基板上に固定化する方法を研究し、得られたマイクロアレイが標的分子の分析に効率的に利用されうる優秀な品質であることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の目的は、生体分子を非共有結合によって固体基板上に固定化する方法を提供することである。
本発明の目的はまた、前記方法によって製造されるマイクロアレイを提供することである。
本発明は、水素供与能を有する第1官能基を表面に有する固体基板上で、水素受容能を有する化合物と、水素供与能を有する第2官能基で官能基化された生体分子との混合物を反応させて、前記生体分子を非共有結合によって前記基板上に固定化する段階を含む、生体分子を固体基板上に固定化する方法を提供する。
本発明において、前記水素供与能を有する第1官能基と第2官能基とは、同一であってもよく、異なっていてもよい。前記水素供与能を有する第1官能基と第2官能基とは、アミノ基、チオール基及びヒドロキシル基よりなる群から選択されることが好ましいが、それら例に限定されるものではない。
アミノ基を有する化合物の具体例には、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン(GAPS)、γ−アミノプロピルジエトキシシラン(GAPDES)及び炭素数1〜12のアミノアルキル基(アミノメチル、アミノブチル、アミノヘキシル、アミノオクチルなど)などがあるが、それら例に限定されるものではない。チオール基を有するものには、アルキルチオール(チオールプロピル、チオールヘキシルなど)、メルカプトチオール誘導体、チオールアセト酢酸誘導体がある。
前記第1官能基を有する化合物は、アセチルクロライドシラン、無水シラン、スルホニルクロライドシラン、及びイソチオシアネートシランのようなコーティング物質に、前記アミノ基、チオール基またはヒドロキシル基のような第1官能基を導入させることによって誘導してもよい。このようなコーティング物にアミノ基、チオール基またはヒドロキシル基のような第1官能基を導入する方法は、当業界に公知のものであり、当業者ならば容易に転換させることができる。
本発明において、水素結合受容能を有する化合物は、分子中に窒素、酸素、硫黄のような電気陰性度の高い原子を含んでおり、水素結合に必要な電子を提供する分子を意味する。このような化合物の例には、ポリエチレングリコール(PEG)またはその誘導体、及びポリエチレンイミンまたはその誘導体がある。PEGとポリエチレンイミンの誘導体としては、ヒドロキシ基またはアミンを有する誘導体がある。本発明において、前記PEGまたはその誘導体及びポリエチレンイミンまたはその誘導体の濃度は0.4mMないし6.0mMであり、分子量は200ないし1,000,000Da、望ましくは、200ないし100,000Da、さらに望ましいには200ないし10,000Daである。本発明の一具体例として、前記PEGは6.0mMの濃度であり、分子量は10,000Daである。
本発明において、固体基板の材質は特別に限定されるものではなく、固相のものであって表面を提供できるものならばいかなるものでもよい。たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリウレタンのようなプラスチック物質、ガラス、シリコンウェーハ及びそれらの改質された基板でもよい。本発明において、前記固体基板は、水素供与能を有する官能基を有するものであり、基板材質の特性上そのような官能基を有するか、コーティングのような化学的または物理的処理によってそのような官能基が付加されたものでもよい。
本発明において、生体分子は生物から由来する化合物であり、例えば、核酸、蛋白質、多糖類及びその組合わせよりなる分子で構成される群から選択されるものであり、望ましくは核酸である。このような核酸には、DNAまたはRNAが含まれる。本発明において、固体基板上に固定化される生体分子は一般的に、分析しようとする標的分子と特異的反応する特性を持っている。例えば、前記生体分子が核酸である場合、相補的なヌクレオチド配列を有する標的核酸とハイブリダイゼーションを通じて相互反応できる。前記生体分子が蛋白質である場合、抗原及び抗体反応、リガンド及び受容体間の相互反応、酵素と気質との相互反応を通じて互いに特異的に相互作用できる。また、前記生体分子が多糖類である場合、多糖類を認知するレクチンのような蛋白質または抗体によって特異的に認知されうる。このような生体分子と標的分子との特異的相互作用と、かかる相互作用の結果を検出できる検出システムを利用して、本発明の生体分子を基板上に固定化する方法によって得られるマイクロアレイを、いろいろな分析に使用できる。
本発明において、固定化に使われる生体分子の濃度はそれぞれの反応条件によって変わり、また得ようとするデータの種類によって変わる。したがって、反応に使われる生体分子の濃度は特別に制限されるものではない。一具体例で、前記生体分子がDNAである場合、20μMないし100μMの濃度が使われるが、このような濃度範囲に限定されるものではない。
本発明の固体基板上に生体分子を固定化する方法は、DNAまたは蛋白質のマイクロアレイを製造するための通常の方法に応用できる。このようなマイクロアレイの製造方法には一般的に、フォトリソグラフィを利用する方法が知られている。フォトリソグラフィを利用する場合、除去可能な基で保護された単量体が塗布された基板表面上の一定の領域にエネルギーに露出させて保護基を除去し、除去可能な基で保護された単量体をカップリングさせる段階を反復することによって、ポリヌクレオチドのアレイを製造する(フォトリソグラフィ法)。この場合、ポリヌクレオチドマイクロアレイ上に固定化されるポリヌクレオチドは、単量体を一つずつ延長させる方式で合成するか、または既に合成されたポリヌクレオチドを一定の位置に固定化する方法によって固定化されうる(スポッティング法)。このようなポリヌクレオチドマイクロアレイの製造方法は、例えば、特許文献2ないし4に開示されている。ポリヌクレオチドマイクロアレイ及びその製造方法に関する前記文献は、本明細書にその全体を援用される。
本発明はまた、前記生体分子を固体基板に固定化する方法によって製造されたマイクロアレイを提供する。
本発明による生体分子を固体基板上に固定化する方法によれば、反応性の高い反応基を持つ化学種を使用せずにプローブポリヌクレオチドを基板上に固定化できる。したがって、本発明の方法によれば、工程が簡単で、かつ低コストで、かつ製造されるマイクロアレイの品質は感度及び反応特異度に優れる。
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。しかし、それら実施例は本発明を例示的に説明するためのものであり、本発明の範囲がそれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1:アミノ基でコーティングしたガラス基板上に、PEGとアミノ基で5’末端が官能基化されたDNAとの混合物を反応させたDNAマイクロアレイの製造)
本実施例では、GAPSでコーティングされたガラス基板上に、PEGと、アミノ基で5’末端が官能基化されたDNAとを利用して、DNAが前記ガラス基板上にスポットで配列されたDNAマイクロアレイを製造した。
まず、GAPSでコーティングされたガラス基板は、コーニング社(Cat no.40004,www.cornIng.com)から購入した。次いで、50%DMSOを含む0.1MNaHCO pH9溶液中の6mM PEG(AldrIch社製、分子量10,000)溶液に5’末端がアミノヘキシル基で官能基化されたプローブポリヌクレオチド(配列番号1ないし10)をそれぞれ20μMの濃度で溶解させた。固定化された使われたプローブポリヌクレオチドを下記表1に表す。青年期発病の糖尿病遺伝子MODY1のエクソン7ないし10の特定の領域との完全相補的配列(野生型プローブ)と、1個のヌクレオチドが野生型ヌクレオチドと異なるヌクレオチドに置換された不完全相補的配列(突然変異型プローブ)である。
このようにして調製した各プローブポリヌクレオチド溶液を、前記ガラス基板上にCartesIan社製のPIx5500スポッターを使用してスポット当り500plずつスポッティングし、70℃、温度30%湿度で1時間恒温項湿器内で固定化反応を行った。反応が終了し後、前記ガラス基板を蒸溜水で洗浄した後、残っているアミノ基を無水スクシン酸(遮断剤)で保護した後、エタノールで洗浄してからスピン乾燥してプローブポリヌクレオチドが固定化されたマイクロアレイを得た。得られたマイクロアレイはそれぞれ60個のスポットよりなり、スポットが300μmの間隔で配列されている。
(実施例2:本発明のマイクロアレイを利用した標的核酸の分析)
本実施例では、実施例1に製造されたプローブポリヌクレオチドマイクロアレイを利用して、プローブポリヌクレオチドと標的核酸とのハイブリダイゼーションによりその結果を検出することによって、本発明の方法によって製作されたマイクロアレイの品質を評価した。
まず、分析に使われる標的DNAを増幅した。標的DNAは、配列番号11ないし24の14個のオリゴヌクレオチドをプライマーとし、ヒト血液から分離したgDNAを鋳型にしてPCRで増幅し、MODY1のエクソン7ないし10を含むポリヌクレオチドを得た。
具体的なPCR条件は、0.2μl野生型ゲノムDNAと、各200μMのdATP、dGTP、dCTP、40μMのdTTP、160μMのCy3−ラベル付きのdUTP(Amersham BIoscIences,Uppsala,Sweden)と、200nMのエクソン及びプロモータ領域に対応する10個の多重PCRプライマーセットとを混合した後、40サイクルの反応を実施した。PCR条件:95℃で30秒間変性、64℃で10秒間アニーリング、イクステンション72℃、3分とした。PCR反応生成物はキアゲン(QIagen)キットを利用して精製した。精製後、A260/A550比率が1.0〜3.5であるもののみを次の段階に使用した。
精製された生成物を0.5U DNase I(BoehrInger MannheIm、MannheIm、Germany)を用いて37℃で10分間断片化した。反応停止液(20mMEDTA、pH8.0、1% SDS、0.2M NaCl)を添加してDNase I反応を停止させた。次いで、断片化された生成物を150〜187.5nMに濃度を調整して94℃で5分間変性させた後、氷上で2分間冷やした。次いで、同量のハイブリダイゼーションバッファ(6xSSPE−0.1% TrIton X−100)と混ぜた後、それぞれマイクロアレイ上に適用した。32℃で12〜16時間培養した後、洗浄バッファI(6xSSPE−TrIton X−100 0.005%)で5分間洗浄した後、洗浄バッファII(3xSSPE−TrIton X−100 0.005%)で5分間洗浄した。15分間常温で乾燥した後、アクソン・インスツルメンツ社製のGenePIx 4000Bスキャナーを利用して532nmで測定してイメージを生成し、GenePIx Prosoftware(Axon Instruments、UnIonCIty、CA)を利用してイメージ分析を行った。
分析結果を図1及び表2に表した。実験は、5個のマイクロアレイで、表1の野生型及び突然変異型プローブが固定化されているスポット(それぞれプローブに対して3個のスポット)について行った。得られたイメージデータ及び蛍光強度データを図1及び表2に表した。図1は、図面の上段に表示したプローブポリヌクレオチドが固定化されている、5個のマイクロアレイS1ないしS5に対して標的核酸をハイブリダイズした後、測定された蛍光イメージを示す図面である。図1の各マイクロアレイで、上段列及び下段列のスポットはPEGの濃度をそれぞれ0.4mMと6.0mMとし、実施例1のようにして固定化し、図面の上段に表した配列番号を持つプローブに対して標的核酸をハイブリダイズし、そのイメージを測定したものである。表2は、PEG 0.4mMとPEG 6.0mM濃度で製作されたスポットに対して532nmで観察した蛍光強度を表す。対照群として、固定化されたプローブポリヌクレオチドの密度が類似したものを使用する必要があるが、実質的に製造し難いため、PEGの濃度を0.4mMに非常に低くして製造したマイクロアレイを使用した。
表2に表すように、PEG濃度を6.0mMとして製作したマイクロアレイスポットの蛍光強度は平均6774であったが、PEG濃度を0.4mMとして製作したマイクロアレイの蛍光強度は平均2683であった。また、PEG濃度を0.4mMとして製作したマイクロアレイの蛍光強度に対する、6.0mMとして製作されたマイクロアレイのスポット蛍光強度の比率は2.87となった。したがって、本発明の方法を使用してマイクロアレイを製作する場合、蛍光強度がPEGの濃度に比例するということが分かる。すなわち、PEGを6.0mMの濃度で使用した場合、PEGを0.4mMの濃度で使用した場合に比べて約3倍の蛍光強度が得られる。したがって、PEGを利用してプローブを固定化することによって、蛍光強度測定の感度を高めうる。このようなPEG濃度による蛍光強度の比例関係は8mM以上まで続いたが、それ以上の濃度では、スポッティング過程でピンの穴を閉塞させるために、実用的に使われられなかった(データは表さない)。
また、本発明の方法によって製作されたマイクロアレイを標的核酸の分析方法に使用するに当って、十分な特異性で反応できるかを確認するために、各スポットに対して突然変異型プローブの蛍光強度値mpと、野生型プローブの蛍光強度値wpとを比較した。その結果を表3に表した。
突然変異型プローブの蛍光強度値mpに対する野生型プローブの蛍光強度値wp、すなわち、wp/mp値は、PEG濃度0.4mMを使用して製作されたスポットでは8.05であり、PEG濃度6.0mMを使用して製作したスポットでは11.15であって、約1.31倍高かった。これは、プローブポリヌクレオチドを固定化するために使われたPEGの濃度に比例して、優れた特異性で標的核酸を検出できることを表す。
以上のような実施例1及び2の結果から、従来のように共有結合を利用してプローブポリヌクレオチドを基板上に固定化せず、簡単に非共有結合を通じてプローブポリヌクレオチドをガラス基板上に固定することによっても、分析敏感度及び特異性の高いマイクロアレイを製作できることを確認された。
(実施例3:PEG濃度がマイクロアレイに及ぼす影響)
本実施例では、他の条件を実施例1及び2の条件と同一にし、固定化されたプローブヌクレオチドの配列を異ならせてプローブポリヌクレオチドアレイを製作した後、ハイブリダイゼーションを行った。本実施例で使用したプローブポリヌクレオチドの配列は配列番号25と同じく、標的ポリヌクレオチドは、配列番号15に完全相補的なヌクレオチド配列を持つものを使用した。
その結果、PEGを0.4mMの濃度で使用して製作したマイクロアレイの場合、蛍光強度は7,700であったが、6.0mMを使用して製作したマイクロアレイの場合には15,000であって、PEGの濃度が6.0mMである場合に高い蛍光強度を得ることができた。図2及び図3は、PEG濃度をそれぞれ0.4mM(図2)と6.0mM(図3)で使用して製作したマイクロアレイで蛍光測定した結果を表す図面である。
本実施例の結果もやはり、プローブポリヌクレオチドの固定化に使われるPEGの濃度に比例して高い蛍光強度を得られるということを表している。
(実施例4:シリコンウェーハ上に、PEGとアミノ基で5’末端が官能基化されたDNAとの混合物を反応させた、DNAマイクロアレイの製造)
本実施例では、固体基板としてシリコンウェーハ(LG SIltron社製のホウ素ドーピングされたP型シリコンウェーハ)にGAPSコーティングしたもの使用したことを除いて、実施例1と同じ条件で製作したマイクロアレイで標的核酸をハイブリダイズした後、蛍光強度を測定した。使用したプローブ及び標的ポリヌクレオチドは実施例3と同一であった。
シリコンウェーハ上にGAPSをコーティングする過程は次のように行った。エタノール中のGAPS溶液(濃度20%(v/v))をスピンコーティングした。スピンコーティングはCEE社製のスピンコーターモデルCEE 70を利用した。スピンコーティングは初期コーティング500rpm/10sec及び主コーティング2,000rpm/10secによって行った。スピンコーティングが完了した後、基板をテフロンウェーハキャリアに固定して120℃で40分間硬化させた。硬化した基板は水に10分間浸漬させた後、15分間超音波洗浄、再び水で10分間浸漬させた後に乾燥した。乾燥はスピン乾燥によって行った。乾燥した基板は、実験のために正方形または長方形に切って利用した。あらゆる実験は大部分のホコリ粒子が十分に除去されたクリーンルーム・クラス1,000で行った。このように製作されたGAPSがコーティングされたシリコンウェーハ基板を利用して実施例1と同じ方法でマイクロアレイを製作し、実施例2と同じ方法でハイブリダイゼーションを行って、その結果を測定した。
その結果を図4に図示した。図4は、各PEGの濃度を6.0mMと0.4mMとし、シリコンウェーハ上にプローブポリヌクレオチドを固定化したマイクロアレイを使用して測定された蛍光強度を表す図面である。図4に表すように、シリコンウェーハを使用し、PEGを利用して非共有的にプローブを固定化しても高い蛍光強度を得ることができ、その強度は、使われるPEGの濃度に比例するということが分かった。
(実施例5:プローブポリヌクレオチドの濃度が蛍光強度に及ぶ影響)
本実施例では、固定化に使われるプローブポリヌクレオチドの種類とその濃度とを変更したことを除いて、実施例1及び2に記載するようにマイクロアレイを製作し、標的核酸をハイブリダイズした後、蛍光強度を測定した。プローブポリヌクレオチドは、20μM及び100μMの濃度で固定化反応に使用した。本実施例に使われたプローブポリヌクレオチドの配列は配列番号26と同じである。
その結果、測定された蛍光強度は20μMの場合に12,238であり、100μMの場合に8,321であった。
本実施例の結果から、約20μMの濃度のプローブポリヌクレオチドを使用する場合に最適の蛍光強度を得られるということが分かった。これは、通常的に共有結合によってプローブポリヌクレオチドを固定化する場合、普通20μMより高い濃度で反応を行うが、本発明の方法によれば、使われるプローブポリヌクレオチドの量を減少させうる。
本発明の生体分子を固体基板上に固定化する方法、具体的には非共有結合によって生体分子を固体基板上に固定化する方法は、マイクロアレイ用の基板及び前記マイクロアレイの製造に利用できる。
PEG濃度をそれぞれ0.4mM及び6.0mMで製作されたマイクロアレイを使用して蛍光測定した、実施例2の結果を示す図面である。 PEG濃度を0.4mMで製作したマイクロアレイを使用して蛍光測定した、実施例3の結果を示す図面である。 PEG濃度を6.0mMで製作したマイクロアレイを使用して蛍光測定した、実施例3の結果を示す図面である。 実施例4の結果を示す図である。

Claims (10)

  1. 水素供与能を有する第1官能基を表面に有する固体基板上で、水素受容能を有する化合物と、水素供与能を有する第2官能基で官能基化された生体分子との混合物を反応させて、前記生体分子を非共有結合によって前記基板上に固定化する段階を含む、生体分子を固体基板上に固定化する方法。
  2. 前記水素供与能を有する第1官能基と第2官能基とは、同一であるか、または異なることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記水素供与能を有する第1官能基と第2官能基とは、アミノ基、チオール基及びヒドロキシル基よりなる群から選択されることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記水素受容能を有する化合物は、ポリエチレングリコール(PEG)またはその誘導体、およびポリエチレンイミンまたはその誘導体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方法。
  5. 前記生体分子は、核酸、蛋白質、多糖類及びその組合わせよりなる分子からなる群から選択されるものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
  6. 前記固体基板は、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン(GAPS)でコーティングされており、前記水素受容能を有する化合物はポリエチレングリコールであり、前記生体分子は5’末端がアミノアルキルで官能基化されたDNAであることを特徴とする、請求項1に記載の生体分子を固体基板上に固定化する方法。
  7. 前記ポリエチレングリコールの分子量は、200ないし1,000,000Daであることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 前記ポリエチレングリコールの濃度は、0.4mMないし8.0mMであることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  9. 前記DNAの濃度は20μMないし100μMであることを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の方法。
  10. 請求項1ないし9のいずれか1項に記載の方法によって製造されるマイクロアレイ。
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