JP2005502045A

JP2005502045A - バイオセンサー

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Publication number: JP2005502045A
Application number: JP2003525280A
Authority: JP
Inventors: ヘリンガ、ホンム、ダブリュ; コンラド、デイビッド・ダブリュ; ベンソン、デイビッド・イー
Original assignee: デューク・ユニバーシティー
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: CA2457964C; EP1421371A1; EP1421371B1; WO2003021247A1; JP4358626B2; CA2457964A1; EP1421371A4; US6977180B2; US20030129622A1

Abstract

【課題】バイオセンサーを提供する。
【解決手段】本発明は、一般にバイオセンサーに関し、特に、電極表面に固定化された高分子を含み、該高分子の表面にサイト特異的に接着する酸化還元コファクターが、高分子と電極表面の間にあり、リガンドが媒介するコンホメーション変化が酸化還元コファクターと電極表面の間の幾何学的相互作用を変化させ、これによってコファクターと電極の間の電気的結合が変化するバイオセンサーに関する。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、バイオセンサーに関し、特に、バイオエレクトロニクスセンサーおよび検体の検出にそれを使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学応答性センサーは、医療用、環境用、防衛用に多く応用されている（Ramsay(ed.)市販のバイオセンサー：臨床、バイオプロセス、および環境サンプルへの適用（John Wiley & Sons, New York (1998)）。センサーの開発における主な挑戦の一つは、検体の結合多様性と分子認識事象を変換する機構とを組合せた材料を考案することである（Ellis et al, Chem. Rev. 100 : 2477-2478 (2000), Hellinga et al, Trends Biotechnol. 16:183-189 (1998)）。バイオエレクトロニクスインターフェース（Wilner et al, Agnew. Chem. mt. Ed 39 : 1180-1218 (2000), Ottovaleitmannova et al, Frog. Surf Sci. 41 : 337-445 (1992), Gopel, Biosensors Bioelect. 10 : 35-59 (1995)）は、そのようなデバイスの開発に対して極めて強力なアプローチを提供する。これらは、生物学的高分子が導電支持体上で組織化したキメラ物質から構成され、リガンドの結合は電気応答に結び付けられる（Heller, J. Phys. Chem. 96 : 3579-3587 (1992), Birge et al, J. Phys. Chem. B 103 : 10746-10766 (1999), Katz et al, Angew Chem. mt. Ed 37 : 3253-3256 (1998), Wilner et al, J. Am. Chem. Soc. 121 : 6455-6468 (1999)）。しかしながら、殆どのタンパク質はリガンドが媒介する電子的な伝達を確立するための機能を欠いているため、開発に成功したバイオエレクトロニクスセンサーはわずかである（Boon et al, Nat. Biotechnol. 18 : 1096-110 (2000), Cornell et al, Nature 387 : 580-583 (1997)）。
【０００３】
二つの異なるサイトの挙動をアロステリックに結びつけるタンパク質は、コンホメーションのカップリング機構を介してそのようなリンクを達成する（Perutz, Mechanisms of Cooperativity and Allosteric Regulation in Proteins (Cambridge University Press, Cambridge) 1990）。そのようなタンパク質において、二つのサイトのそれぞれが、タンパク質の異なる全体的コンホメーションに対応する複数の異なる局所的コンホメーションをとるときに、二つのサイトは熱力学的に結合する。そのような全体的なコンホメーション変化は、多量体の構築における異なる４次構造にしばしば対応するが（Gerstein et al, Biochemistry 33 : 6739 (1994)）、モノマー内でのリガンド誘導性ヒンジ屈曲運動のような運動をも含む（Gerstein et al, Biochemistry 33 : 6739 (1994)）。そのような運動は、多くのタンパク質で見られ（Gerstein et al, Biochemistry 33 : 6739 (1994)）、細菌の周辺質結合タンパク質（ｂＰＢＰ）スーパーファミリーの構造的に特徴的なメンバー全てに共通する（Tam et al, Microbiol. Rev. 57 : 320-346 (1993)）。これらのタンパク質は、ヒンジ領域によって連結された二つのドメインに折りたたまれた、単一鎖からなる類似した全体的な構造を有する（Fukami-Kobayashi et al, J. Md. Biol. 286 : 279-290 (1999), Quiocho et al, Mol. Microbiol. 20 : 17-25 (1996)）。
【０００４】
本発明は少なくとも部分的には、ｂＰＢＰへのリガンドの結合を、酸化還元レポーター基と修飾された電極表面との間の相互作用の変調に結びつけることが可能であることを証明した研究の結果である。このスキームは、電子伝達鎖において観察されるような高分子間会合のリガンド依存性アロステリック制御（Georgiadis et al, Science 257 : 1653 (1992) ; Iwata et al, Science 281 : 64 (1998)）と類似し、強力なバイオエレクトロニクスセンサーのための基礎を提供する。
【発明の開示】
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、一般にバイオセンサーに関する。さらに具体的には、本発明はバイオエレクトロニクスセンサーおよび、検体検出においてそのようなセンサーを使用する方法に関する。本発明の目的および利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００６】
本願は、２００１年８月２８日に出願された仮出願番号６０／３１５，０３６の優先権を主張し、その全ての内容を本明細書の一部として援用する。
【０００７】
本発明は、分子認識と信号変換（これらの二つの機能のサイトは立体的に分かれている）を結びつける、リガンドが媒介する高分子構造の変化を用いたバイオセンサーに関する。本発明は少なくとも部分的には、タンパク質のアロステリックな相互作用が、リガンド（検体）の結合を検出可能な信号に変換するために改変され得るという認識から生じる。本発明のバイオセンサー（例えば、誘導体化された化学応答性電極を具備する）は、医療用、環境用および防衛用に多数の用途を有するアナライトの多様なセットを、精確かつ精密に感知するために使用することができる（Willner et al, Angew. Chem. Int. Ed. 39 : 1180 (2000), Laval et al, Analyst 125 : 29 (2000), Lowe, Curr. Op. Chem. Biol. 10 : 428 (2000),およびHellinga et al, Trends Biotech. 16 : 1983(1998)）。
【０００８】
本発明のバイオセンサーは、
（i）導電性層または半導電性層（電極）、および該導電性層または半導電性層に直接または間接的に結合した自己組織化単分子層（self-assembled monolayer）（ＳＡＭ）を具備する多層基板と、
（ii）つなぎ鎖（tether）、例えばペプチド、核酸（例えばＤＮＡ）、または他の有機分子のつなぎ鎖、有利にはペプチドのつなぎ鎖を介した自己組織化単分子層との結合を通して多層基板の導電性層または半導電性層に結合したタンパク質分子と、
（iii）タンパク質とＳＡＭとの間に位置するようにタンパク質分子と連結した酸化還元レポーターと、
（iv）レポーターと電極との間の相互作用によって発生する電位または電流を測定する手段とを具備する。
【０００９】
本発明のバイオセンサーの導電性層には、任意の導電性または半導電性の物質をいずれの形態で使用してもよい。適した形態の例としては、箔、ワイヤー、ウェハ、チップ、ミクロまたはナノ粒子の半導電性デバイス、および、任意の、既知の堆積方法によって蒸着されたコーティングが含まれる。金、銀、および銅の導電性層は、チオール、スルフィド、またはジスルフィド官能性化合物を化学吸着するが、他の導電性層は、これらの、または他のＳＡＭ形成化合物（食刻シリコン[ＳｉＨ]のための酸素含有化合物および金属酸化膜のためのシリコン誘導体化合物[例えばトリクロロシラン、トリメトキシシラン]を含む）を化学吸着できる。好ましい導電性物質は、金、銀、銅、アルミニウム、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム、水銀、シリコン、オスミウム、ルテニウム、砒化ガリウム、燐化インジウム、水銀、テルル化カドミウム、炭素などを含む。金、銀、アルミニウム箔、およびドープシリコンウェハが特に好ましい。
【００１０】
「自己組織化単分子層」（ＳＡＭ）は、自然にあるいは人工的に、金属、金属酸化物、ガラス、石英、または修飾されたポリマー表面と結合または相互作用して化学吸着した単分子層を形成し得るタイプの分子を含む。ＳＡＭは、溶媒、蒸気、噴霧またはその他から直接接触したときに表面と結合する分子から形成される。ＳＡＭは分子的な厚さを有し、そこで使用される最も長い分子の長さより厚くないことが理想である。ＳＡＭを形成する分子は、導電性層に接着する官能基を含んでよく、さらに、上記のＳＡＭに固定されるタンパク質分子と相互作用し得るペンダント分子をふくむことができる。ＳＡＭは電極を静めること、即ち、タンパク質分子の変性および／または電極の汚染を減ずることができる。バイオセンサーはＳＡＭを使用することなく構成することもできる（例えば、タンパク質分子を導電性層または半導電性層へ直接物理的吸着させることによって）。バイオセンサーは、タンパク質が電極と結合（例えば、直接（つなぎ鎖と、またはつなぎ鎖なしで）かまたはＳＡＭを介してか）しないように構成することもできる。
【００１１】
バイオセンサーは、リガンド（検体）と結合している状態でコンホメーションの変化を起こすタンパク質であれば何れのものでも使用できる。使用される天然のタンパク質は、検出すべき検体に依存する。本発明で使用するのに適したタンパク質の例としては、グルコース結合タンパク質、マルトース結合タンパク質、リボース結合タンパク質、アラビノース結合タンパク質、ヒスチジン結合タンパク質、グルタミン結合タンパク質のような、周辺質の結合タンパク質スーパーファミリーのメンバーが含まれる。リガンド結合サイトは、自然に発生することができ、または合理的な設計および指向性の発生を用いて改変することができ、それ故、天然の、または非天然のリガンドと相互作用できる。大腸菌の周辺質結合タンパク質（ＭＢＰ、ＧＢＰ、ＱＢＰおよびそれらを改変した変種（例えばＺＢＰ）は単なる例である）は、このスーパーファミリーのメンバーの全ての相同物、類似物および／またはパラログである。他の例は、ヘキソキナーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、その他である。
【００１２】
酸化還元レポーターは、酸化還元活性金属中心または酸化還元活性有機分子でよい。
【００１３】
これは、ＮＡＤ、ＮＡＤＰ、ＦＡＤのような天然の有機コファクター、または、藍銅、鉄−硫黄クラスターまたはヘムのような天然の金属中心、または、ルテニウム錯体などの有機金属化合物のような合成的な中心、キノンのような有機リガンド、またはタンパク質もしくは有機コファクター結合サイトに導入された改変された金属中心でよい。コファクター結合サイトは、合理的な設計を用いて改変でき、或いは指向性の発生技術を用いて改変することができる。酸化還元レポーターは、コファクターとタンパク質の間のサイト特異的相互作用かまたは偶発的な相互作用によって、タンパク質と共有結合的に、または非共有結合的に結合できる。これは、金属中心（天然または改変された）または天然有機物（ＮＡＤ、ＮＡＤＰ、ＦＡＤ）または有機金属コファクター（ヘム）のようなタンパク質に内在するものであるか、或いは外来的なものである（例えば共有結合した合成有機金属クラスター）。酸化還元レポーターは、例えば、タンパク質表面上の残基に結合（例えば共有結合）することができる。
【００１４】
酸化還元レポーターは、一以上の電子を可逆的または準可逆的に伝達させることができる、金属含有基（例えば、遷移金属含有基）でよい。考え得る多数の遷移金属含有レポーター基が使用され得る。有利には、レポーター基は、電位窓中に酸化還元電位を有し（それ以下では分子酸素によって干渉を受ける）、タンパク質と共有結合するのに適した官能基を有する（例えば、タンパク質の特有のシステイン残基と結合するマレイミドまたはヨードアセトアミドのようなチオール反応性の官能性）。レポーター基の金属は、還元状態または酸化状態のいずれかで置換的に挿入されなければならない（即ち、有利には、外来基（exogenous groups）は、レポーター基との偶発的な（adventitious）の結合を形成しない）。レポーター基は、リガンド結合に応答して電流測定または電位測定の変化を起こすことができる。好ましい実施例では、レポーター基は水溶性で、タンパク質とサイト特異的に結合でき（例えば、タンパク質に特有のシステインと反応するレポーター基上のチオール反応性官能基を介して）、リガンドと結合した状態で電位差測定の応答を引き起こす。本発明で使用するのに適した遷移金属は、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、タングステン（Ｗ）、およびイリジウム（Ｉｒ）を含むが、これに限定されない。Ｆｅ、Ｒｅ、Ｗ、Ｍｏ、およびＴｃと共に、遷移金属の第一系列、白金族金属（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、およびＰｔ）が好ましい。特に、酸化状態の変化に際して配位サイト数が変化しない金属が好ましく、これにはルテニウム、オスミウム、鉄、白金、およびパラジウムが含まれ、特にルテニウムが好ましい。
【００１５】
レポーター基は、バイオセンサー中にタンパク質との共有結合接合体として存在し得るか、またはタンパク質マトリックスの一部を形成する金属中心であり得る（例えば、鉄−硫黄クラスター、ヘム、藍銅（Blue copper）のような酸化還元中心、その電気化学的性質は、その局地的環境に対して高感度である）。或いは、レポーター基は、タンパク質と金属結合ドメインとの間の融合体として存在し得る（例えば、シトクロムのような小さい酸化還元活性タンパク質）。レポーター基は、タンパク質上のシステイン（チオール）に結合したマレイミド官能基を介してタンパク質と共有的に接合するのが好ましい。何れの場合でも、レポーター基は、タンパク質と電極の間に位置するようにタンパク質に結合される。
【００１６】
バイオセンサーのタンパク質は、つなぎ鎖を介してＳＡＭと、または直接に導電性層と接着することができ、例えばつなぎ鎖は、ペプチド、核酸、脂質、または糖を含む。有利には、つなぎ鎖は、合成的に可能な限り短くされ、また、タンパク質にサイト特異的に結合される。好ましい実施例では、連結は（linkage）は、固定化された金属の親和性相互作用を介して結合している（Thomson et al, Biophys. J. 76 : 1024 (1999)）Ｃ末端またはＮ末端オリゴヒスチジン融合ペプチド（５〜１０ヒスチジン）であり、或いは、チオール反応性表面（Rao et al, Mikrochimica Acta 128 : 127-143 (1998)）へのシステインである。タンパク質もまた、結合対の一つのメンバーを含むように（例えば、タンパク質はビオチン標識化されることができる）修飾されることができ、そしてそれが結合される表面は、結合対の他のメンバーで誘導体化されることができる（例えば、表面はストレプトアビジンで誘導体化されることができる）（Rao et al, Milrochimica Acta 128 : 127-143 (1998)）。
【００１７】
動作において、本発明のバイオセンサーは、アナライトの周期的変動を連続的にモニターするためにインサイチューに配置されることができる。例えば、血糖等をモニターするために患者の血流中に、毒や汚染物質をモニターするために水試料中に、或いは反応の進行をモニターするためにバイオリアクターまたは化学反応器中に配置することができる。
【００１８】
本発明のバイオセンサーを使用して検出可能なアナライトには、生体分子を含む有機分子および無機分子がある。アナライトは、環境汚染物質（例えば農薬、殺虫剤、毒、その他）；治療的分子（例えば低分子量薬）；生体分子（例えばタンパク質またはペプチド、核酸、脂質、または糖、例えばホルモン、サイトカイン、膜抗原、受容体（例えば神経細胞の、ホルモンの、栄養素の、または細胞表面の受容体）、またはそれらのリガンド、またはグルコースのような栄養素および／または代謝産物）；全細胞（原核細胞（病原性細菌のような）および真核細胞を含み、哺乳類の腫瘍細胞を含む）；ウイルス（レトロウイルス、ヘルペスウイルス、アデノウイルス、レンチウイルス、その他）；および胞子であってよい。特に好ましいアナライトは、グルコースである。
【００１９】
上述の記載から、アロステリックな連結もまた、リガンドの結合と蛍光的な応答（Marvin et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 ; 4366-4371 (1997),Mravin et al, J. Am. Chem. Soc. 120 : 7-11 (1998)）との間で設計され得ることも明白である。設計されたコンホメーション的な結合メカニズムは、与えられたアナライト（例えばグルコース（Marvin et al, J. Am. Chem. Soc. 120 : 7-11 (1998)および亜鉛（Choi et al, Annu. Rev. Neurosci. 21 : 347-375 (1998)））に対する光学的または電子的センサーのいずれかを発展させるためのモジュラータンパク質の工学的アプローチを可能にする。センサーの多様性は、ゲノム科学における近年の進展を用いて容易に活用可能であるタンパク質スーパーファミリーの中の天然の多様性を活用することによっても、また、合理的な設計方法論（DeGrado et al, Annu. Rev. Biochem. 68 : 779-819 (1999)）によってももたらすことができる。
【００２０】
以下に、本発明の一つの側面をより詳細に説明するが、この実施例に限定されるものではない。
【００２１】
＜実施例１＞
化学応答性バイオエレクトロニクスアセンブリー
（実験の詳細）
タンパク質の精製および標識化
タンパク質は、従来報告されているとおりに調製し、標識化した（Marvin et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 : 4366-4371 (1997), Marvin et al, J. Am. Chem. Soc. 120 : 7-11 (1998)）。チオール反応性Ｒｕ（II）レポーティング基、[Ｒｕ（II）（ＮＨ₃）₄（１，１０−フェナントロリン−５−マレイミド）]（ＰＦ₆）は、記述されているように合成した（Trammell et al, Bioconjug. Chem. 12 : 643-647 (2001)）。
【００２２】
ＳＡＭの形成
直径１ｍｍの金ディスク電極を、６、３、および１μｍのダイヤモンドペーストで連続的に研磨し、各研磨工程の間に水で１分間超音波処理した。ＳＡＭ（自己組織化単分子層）は、従来公開されている製法と同様の方法で作成した（Thomson et al, Biophes. J. 76 : 1024-1033 (1999)）。研磨された電極は、水ですすぎ、直ちに１１−チオールウンデカン酸溶液（エタノールまたはアセトニトリル中、５ｍＭ）中で２４時間インキュベートした。次いで、電極を、１−（３−ジメチルアミノプロピル）−３−エチルカルボジイミド（ＥＤＣ）（２０ｍＭのＭＥＳ緩衝液、１００ｍＭのＮａＣｌ中に１ｍｇ／ｍＬ、ｐＨ６.０）の溶液中に５分間浸漬して活性化し（ＣＯＯＨ基）、続いてアミノペンタノール（５ｍＭ）およびＮ−，Ｎ−bis−（カルボキシメチル）−Ｌ−リシン水和物（リシン−ＮＴＡ）（Ｆｌｕｋａ）（０.２５ｍＭ）を含む溶液（５０ｍＭのリン酸ナトリウム緩衝液、１００ｍＭのＮａＣｌ、ｐＨ７.８）中で１時間インキュベートした。最後に、電極を硫酸ニッケル六水和物（１ｍＭのＮａＯＨ中に４０ｍＭ）の溶液に１時間浸漬し、続いて水ですすいで、リシン−ＮＴＡリガンドをＮｉ（II）で帯電させた。
【００２３】
電気化学
全ての電気化学的データは、ポテンシオスタットと周波数応答性アナライザーモジュールを備えるガルバノスタットの組み合わせを用いて収集した（Autolab / PGSTAT3O, Eco Chemie B.V.）。実験は、室温で、３電極構成（誘導体化された金の作用電極、Ｐｔ補助電極、および超低漏出Ａｇ／ＡｇＣｌ／３ＭＫＣｌ参照電極（Ｃｙｐｒｅｓｓ））を有する単一のコンパートメントセルを使って行った。電解質溶液は、２０ｍＭのＮａＰＯ₄、１００ｍＭのＮａＣｌ、ｐＨ７.５の溶液である。電極は、測定前に５μＭのタンパク質溶液（電解質溶液中）中で１時間インキュベートした。Ａｃボルタモグラムは、金ディスク電極には５０ｍＶのｒｍｓ振幅変調を、金ボール電極には１５ｍＶのｒｍｓ振幅変調を用い、１０ｍＶのステップで得た。Ａｃ電流ベースラインは、従来報告されている通り（Creager et al, Anal. Chem. 70 : 4257-4263 (1998)）、観察された中間還元電位（〜２２０ｍＶ）から等距離の電位間で直線外挿して算出した。走査間の１０〜１５ｍｍの静止時間から、ピーク電流比の再現性が保証された。
【００２４】
Ｒｕ−ＭＢＰＳＡＭの被覆度の測定
電極面積は、０.１Ｍのテトラブチルアンモニウム過塩素酸中のＡｇ／ＡｇＣｌアセトニトリル非水性参照電極（ＢＡＳ）を用いて、アセトニトリル中に０.１Ｍのフェロセンを使用して電気化学的に測定した。フェロセン酸化還元対の陽極および陰極のピーク電流は、スキャンレート（１０〜５００ｍＶ／ｓ）の平方根の関数としてＣＶによって得られた。電極面積は、拡散係数（Ｄ）２×１０^-5 ｃｍ²／ｓを用いて、Randles-Sevcil式（Bard et al, Electrochemical Methods (John Wiley & Sons, New York (1980))を改変した式：
面積＝（ｉpeak×（スキャンレート×Π）^1/2）／（ｎ×Ｆ×Ｄ^1/2×[Ｆｃ]）（１）
に従って算出した。
【００２５】
この面積は、幾何的に推定された金電極面積の１０％以内である。
【００２６】
単分子層における電気活性タンパク質接合体の量は、Ｈｉｓ−ｔａｇ吸着Ｒｕ−ＭＢＰタンパク質のＣＶで測定された酸化ピークまたは還元ピークの電流を積分して決定した。電子の数は、積分されたピーク電流をスキャンレート（４Ｖ／ｓ）および電子の電荷で除すことによって算出した。この数は、電気活性酸化還元コファクターの数と対応していると想定され、電極上の利用可能なＭＰＢ結合サイトの数で割られる。電極上のＭＰＢ結合サイトの合計見込み数は、電気化学的に決定された電極面積を、分子の主軸を平面に投影して算出した一つのＭＢＰ分子によって占有されるおよその面積（４０×６０ ²）で除すことによって得られた幾何学的推定として算出される。電極表面の１０〜３０％が、電気活性ＭＢＰタンパク質で被覆されていると推定された。
【００２７】
コファクターで終端するＳＡＭの調製
上記のように、金電極を研磨し、チオウンデカン酸で誘導体化し、ＥＤＣで活性化した。この電極は、５ｍＭの５−アミノペンタノールおよび０.２５ｍＭのシステアミン（ジチオニトロベンゼンによる滴定によって、少なくとも９５％が還元されていると推定された）を含む水溶液（２０ｍＭのリン酸ナトリウム緩衝溶液、１００ｍＭの塩化ナトリウム、ｐＨ７.８）中に１時間置いた。次いで、修飾された電極を水ですすぎ、５ｍＭの[Ｒｕ（II）（ＮＨ₃）₄（１,１０−フェナントロリン−５−マレイミド]（ＰＦ₆）を含む水溶液（２０ｍＭのリン酸ナトリウム緩衝溶液、１００ｍＭの塩化ナトリウム、ｐＨ７.８）中に１時間置いた。ａｃボルタモグラムで、Ａｇ／ＡｇＣｌに対して２４０ｍＶのピーク電位が観察された。
【００２８】
結果
マルトース結合タンパク質（ＭＢＰ）は、構造的に十分に特徴的なｂＰＢＰファミリーのメンバーである（Quiocho, et al, Structure 5 : 997 (1997)）。このタンパク質は二つコンホメーションをとり、これは、リガンドと離れた開形態とリガンドが結合した閉形態であり、ヒンジ屈曲運動によって相互転換する（図１）。リガンドの結合を電気化学的応答に結びつけるために、コンホメーションカップリングメカニズムが、酸化還元レポーター基の挙動を調節するように設計された。ＭＢＰのＣ末端（ヒンジ領域に近い）が電極へ繋げられ、Ｒｕ（II）酸化還元レポーター基は、電極に面するＭＢＰ表面にサイト特異的に接合された（図２）。この構成は、リガンド結合サイトをバルク溶液の方へ方向付け、ＭＢＰ電極インターフェースのリガンドが媒介するコンホメーション変化を、Ｒｕ（II）レポーター基と電極の電気的結合における変化に結び付け、これによってリガンドの結合を電気化学的に測定できるようにする。
【００２９】
Ｇｌｙ１７４Ｃｙｓの位置でＲｕ（II）コファクターによって標識されたＭＢＰから成る、表面を修飾された電極上の電気活性タンパク質層（Thomson et al, Biophys. J. 76 : 1024-33 (1999)）の存在は、サイクリックボルタモグラムを測定することで確認される。高速のスキャンレート（４Ｖ／ｓ）では、ピーク分離（〜３０ｍＶ）の小さい、頑強な（robust）準可逆的サイクリックボルタモグラムが観察され、表面に固定化された酸化還元コファクターが示された（John Wiley & Sons, New York, (1980)）（図３）。この信号は、非標識化ＭＢＰで修飾された電極では観察されなかった。修飾された金電極に繋がれたＲｕ（II）レポーターを直接測定した電位（＋２４０ｍＶ）と類似し、溶液中に遊離しているＭＢＰ−Ｒｕ（II）接合体で観察されたもの（＋３３０ｍＶ）とは類似していないため、ＭＢＰ−Ｒｕ（II）接合体の中間電位（＋２２０ｍＶ）は、固定化されたものと一致する（Trammell, et al, Bioconjug. Chem. 12 : 643-647 (2001)）。サイクリックボルタモグラムで観察された電流は、酸化還元活性の固定化ＭＢＰ−Ｒｕ（II）接合体による電極表面の被覆度１０％〜３０％と一致し、タンパク質が多層を形成している可能性がないことを示している。Ｒｕ（II）レポーター基による電気化学的信号は、３つのつなぎ鎖成分（図２：Ｈｉｓ−ｔａｇ，Ｎｉ（II）、ニトリロトリアセテート基）の何れか一つが除外された場合に消滅した。競合するリガンド、イミダゾールを添加しても、信号は完全に消失した。３Ｍのグアニジン（guanidinium）ＨＣｌを添加し、続いてこのタンパク質変性剤を希釈すると、信号は可逆的に除去され、そして回復した。まとめると、これらの観察は、修飾された電極に繋がれた、折りたたまれた電気化学的活性タンパク質接合体から成る電気活性層の形態と一致する。
【００３０】
電気化学的応答のリガンド依存性を、ａｃボルタメトリーを使用して調査した（Bard et al, Electrochemical Methods (John Wiley & Sons, New York 1980）, Creager et al, Anal. Chem. 70 : 4257 (1998))。Ｒｕ（II）レポーター基による最適なａｃ電流応答を１ｋＨｚで観察し、これはマルトースの添加によって１２〜５μＡに減少した（図４のＡの挿入）。（ａｃボルタモグラムの最適な周波数は、ａｃピーク電流のベースライン電流に対する割合を使って決定した（Creager et al, Anal. Chem. 70 : 4257(1998)）。この方法は、観察された総電流に対する容量性の寄与を部分的に修正するもので、これによって、Ｒｕ（II）レポーター基による、ファラデー寄与（faradaic contributions）に比較的特異性のあるプローブを提供する。ベースライン電流は、電位差測定のピークの極値間に直線的に内挿した。単一周期電位走査における電流は、電流応答の周期を修正する必要がないために、ａｃピークおよびベースライン電流の間の差異として報告される。）ａｃ電流のリガンド濃度依存性は、単一サイトの結合等温線（図４のＡ）に当て嵌まり、マルトース（グルコース、グルタミン、または亜鉛ではなく）を添加することによってのみ、電気化学的応答が誘発された。
【００３１】
さらに、マルトースへの親和性を減少させたＭＢＰ点変異体を用いて、修飾された電極を調製した（Marvin et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 : 4366 (1997)）。得られた修飾電極で観察されたマルトース親和性は、タンパク質変異体の溶液結合定数に従って変化した（図５）。電気化学的に測定された全ての親和力は、遊離タンパク質の溶液で測定したものに対して因子４以内で相関する。これらの観察はすべて、タンパク質修飾電極の特異的かつリガンドが媒介する電気化学的応答に一致する。
【００３２】
このヒンジ屈曲メカニズムの使用の一般性を証明するために、さらなる化学応答性電極を、ｂＰＢＰスーパーファミリーの他の二つのメンバー：グルコース結合タンパク質（ＧＢＰ）（Vyas et al, Science 242 : 1290-5 (1988)）, およびグルタミン結合タンパク質（ＱＢＰ）（Hsiao et al, J. Mol. Biol. 262 : 225-242 (1996)）を使用して構成した。ＭＢＰ，ＱＢＰおよびＧＢＰは、全体的に類似した構造を有するが、配列相同性はほとんど共有していない（Tam et al, Microbiol. Rev. 57 : 320-346 (1993)）。それでも、ＧＢＰ−およびＱＢＰ−修飾電極は、ａｃ電流（０.５〜１０ μＡ）、中間電位（＋２２０〜２３０ｍＶ）、最適周波数（０.１〜１ｋＨｚ）、およびＭＢＰ−修飾電極でのようなリガンドが媒介するａｃ電流変化（図４のＢ、Ｄ）において類似性を示した。電流は、同族のリガンドの添加のみに応答して減少し（全てのタンパク質を、次のリガンドで試験した：マルトース、グルコース、グルタミン、グルタミン酸、および亜鉛；全ての場合で、同族のリガンドを添加したときのみ電気化学的応答が誘発された）、その親和力は遊離タンパク質溶液で観察されたものと類似した。
【００３３】
最後に、Ｚｎに結合するよう再設計された改変ＭＢＰを用いて、タンパク質修飾された電極を構成し（Marvin et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98 (9) : 4955-4960 (2001)）、レポーター基への結合を破壊することなくリガンドの結合サイトを再改変することによって、モジュラー様式の新しいセンサーが開発され得ることを証明した（Hellinga et al, Trends Biotech. 16 : 183-189 (1998)）。このｅＺＢＰ修飾電極の電気化学的応答（図４のＣ）は、野生型のＭＢＰと同一であるが、亜鉛への応答は、マルトースよりも変化した。
【００３４】
上記した全ての文献は、その全ての内容を本明細書の一部として援用する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明で使用される周辺質の結合タンパク質スーパーファミリーのメンバー。Ａはマルトース結合タンパク質（ＭＢＰ）であり、リガンド誘発性コンホメーション変化を示す。Ｂはグルコース結合タンパク質（ＧＢＰ）、Ｃはグルタミン結合タンパク質（ＱＢＰ）。Ｄは、Ｚｎ（II）に結合するよう再改変されたＭＢＰの変異体（ｅＺＢＰ）。リガンドはＣＰＫ表示で示した。合成Ｒｕ（II）酸化還元コファクターの付着サイトは、大きい灰色の球によって示し、Ｃ末端は白い珠によって示した。すべての分子グラフィックは、Molscript（Kraulis, Appl. Crystallorg. 24 : 946-950 (1991)）で作成した。
【図２】タンパク質が媒介する、Ｒｕ（II）酸化還元レポーターと表面修飾金電極との間の相互作用におけるリガンド依存性変化の模式図。タンパク質は、水酸化およびＮｉ（II）−ニトリロトリアセテート頭基（headgroups）で終結する自己組織化単分子層で修飾された金電極に配位された、Ｃ末端オリゴヒスチジンペプチド（長方形）を介してサイト特異的に結合される。チオール反応性ルテニウム化合物（球）は、タンパク質表面のシステイン変異体に共有結合し、これにより、タンパク質と自己組織化単分子層の間の相互作用内に金属錯体を位置決めする。リガンド（三角形）と結合した際の、タンパク質のコンホメーションにおける変化は[開（黒）→閉（灰色）]、コファクターと電極表面の間の相互作用を変化させ、それ故、これらの二つの構成成分を流れる、観察された電流も変化する（矢印）。
【図３】表面を修飾された金電極に固定化されたＲｕ（II）標識化Ｇｌｙ１７４ＣｙｓＭＢＰ変異体のサイクリックボルタモグラム。スキャンレートは４Ｖ／ｓで測定した。観察された３０ｍＶのピーク間隔は、固定化された酸化還元活性種の表面を示している（Bard et al, Electrochemical Methods (John Wiley & Sons, New York, (1980)）。電流の積分は、１０〜３０％の電極表面が電気的に活性なタンパク質によって被覆されていることを明らかにした。
【図４】電気的に活性な４つの生体分子組織の、リガンドが媒介する電気化学的応答。挿入は、定周波数での電位走査によって測定した、異なるリガンド濃度で観察された電流応答を示す。Ａは、Ｇ１７４Ｃ−ＭＢＰ（１ｋＨｚ；^eＫ_d（マルトース）＝４ μＭ；^fＫ_d（マルトース）＝１ μＭ）、Ｂは、Ｌ２５５Ｃ−ＧＢＰ（０.１ｋＨｚ；^eＫ_d（グルコース）＝２.０ μＭ；^fＫ_d（グルコース）＝０.４μＭ）、Ｃは、Ｇ１７４Ｃ−ｅＺＢＰ、亜鉛に結合するように再設計されたＭＢＰ変異体（１ｋＨｚ；^eＫ_d（亜鉛）＝１０ μＭ；^fＫ_d（亜鉛）＝３ μＭ）、Ｄは、Ｅ１６３Ｃ−ＱＢＰ（０.１６ｋＨｚ；^eＫ_d（グルタミン）＝１.０ μＭ；^fＫ_d（グルタミン）＝０.２ μＭ）。
【００３６】
二つの結合定数が報告された。^eＫ_dはアセンブリーの解離定数であり、電気化学的に測定され、^fＫ_dは溶液中に遊離したタンパク質の解離定数であり、接合体の内在性のトリプトファン蛍光の変化を測定することで決定される。（金電極ディスクを使用して電気化学的に測定した、存在する全てのタンパク質のリガンド結合親和性は、溶液におけるものより２〜５倍弱い。しかしながら、フレームアニーリング金ワイヤーによって調製された金微小電極（Creager et al, Anal. Chem. 70 : 4275 (1998)）が金ディスク電極の代わりに使用された場合、電気化学的に測定された親和力は、溶液の親和力と類似する。これは、金電極表面の原子構造が、電極とタンパク質の間の相互作用に重大に寄与することを示している。）断片の飽和曲線は、異なるリガンド濃度で観察された、ベースライン補正されたａｃ電流（黒塗りの丸は、最後の３つの測定値の平均；エラーバーはシンボルより小さい）を、標準の結合等温線に当てはめることによって得られた（Marvin, et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 : 4366-4371 (1997)）。
【図５】マルトース依存性電気化学応答における、マルトースポケットミューテーション（pocket mutations）変異体結合の影響。リガンド依存性ピーク電流（黒塗りの丸、最後の３つの測定値の平均；エラーバーはシンボルより小さい）は、結合等温線に一致した（Marvin, et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 : 4366-4371 (1997)）。丸：天然のＭＢＰ（^eＫ_d＝４ μＭ；^fＫ_d＝１ μＭ）；四角、Ｗ６２ＡＭＢＰ（^eＫ_d＝６２ μＭ；^fＫ_d＝１５ μＭ）；菱形、Ｗ３４０ＡＭＢＰ（^eＫ_d＝１８ｍＭ；^fＫ_d＝３ｍＭ）。

Claims

（i）電極と、
（ii）リガンドと結合してコンホメーションの変化を起こすタンパク質の少なくとも一分子と、
（iii）前記タンパク質の前記分子に結合した酸化還元レポーターと、
（iv）電位または電流を測定する手段と、
を備え、
前記リガンドが前記タンパク質の前記分子に結合して起こるコンホメーション変化の結果、前記酸化還元レポーターと前記電極の間の相互作用が、電位差測定または電流測定で検出可能な変化を起こすバイオセンサー。
前記電極は、金、銀、銅、アルミニウム、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム、水銀、シリコン、オスミウム、ルテニウム、砒化ガリウム、燐化インジウム、水銀、テルル化カドミウム、または炭素を含む、請求項１に記載のバイオセンサー。
前記電極は、箔、ワイヤー、ウェハ、チップ、或いは、ミクロ粒子またはナノ粒子の形態である、請求項１に記載のバイオセンサー。
前記電極に結合した自己組織化単分子層（ＳＡＭ）をさらに具備する、請求項１に記載のバイオセンサー。
前記タンパク質の前記分子は、前記電極、または前記電極に結合したＳＡＭに、つなぎ鎖を介して結合される、請求項１に記載のバイオセンサー。
前記つなぎ鎖は、有機成分または有機金属成分を具備する、請求項５に記載のバイオセンサー。
前記つなぎ鎖は、ペプチド、核酸、糖、または脂質の部分を含む、請求項６に記載のバイオセンサー。
前記ＳＡＭは、前記電極に接着する官能基を具備する分子を含む、請求項４に記載のバイオセンサー。
前記ＳＡＭは、前記タンパク質の前記分子と相互作用するペンダント部分を具備する分子を含む、請求項４に記載のバイオセンサー。
前記ＳＡＭは、前記タンパク質の前記分子の変性、および／または前記電極の汚染を抑制する、請求項４に記載のバイオセンサー。
前記タンパク質は、遺伝子改変または化学修飾されたタンパク質である、請求項１に記載のバイオセンサー。
前記タンパク質は、その同族の野生型リガンド以外のリガンドと結合するように改変される、請求項１１に記載のバイオセンサー。
前記タンパク質は、周辺質の結合タンパク質スーパーファミリーのメンバーである、請求項１に記載のバイオセンサー。
前記タンパク質は、グルコース結合タンパク質、マルトース結合タンパク質、リボース結合タンパク質、アラビノース結合タンパク質、ヒスチジン結合タンパク質、およびグルタミン結合タンパク質からなる群から選択される、請求項１３に記載のバイオセンサー。
前記酸化還元レポーターは、前記タンパク質の前記分子の表面に結合する、請求項１に記載のバイオセンサー。
前記酸化還元レポーターは、前記タンパク質の前記分子と前記電極との間に位置する、請求項１に記載のバイオセンサー。
前記酸化還元レポーターは、酸化還元活性金属または酸化還元活性有機分子を含む、請求項１に記載のバイオセンサー。
前記酸化還元レポーターは遷移金属を含む、請求項１７に記載のバイオセンサー。
前記遷移金属は、ルテニウム、オスミウム、鉄、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、銅、およびマンガンからなる群から選択される、請求項１８に記載のバイオセンサー。
前記酸化還元レポーターは、酸化還元活性有機分子を含む、請求項１７に記載のバイオセンサー。
前記酸化還元レポーターは、前記タンパク質の前記分子と共有結合するのに適した官能基を具備する、請求項１に記載のバイオセンサー。
試料または系におけるリガンドの存在を検出するか、またはその量を定量する方法であって、
請求項１に記載の前記バイオセンサーを前記試料または系と接触させ、ここで前記タンパク質の前記分子は前記リガンドと結合してコンホメーションの変化を起こし、
前記酸化還元レポーターと前記電極との相互作用によって発生する電位または電流を測定することを具備する方法。
前記リガンドは、環境汚染物質、治療学的分子、内在性生体分子、栄養素、細胞、ウイルス、および胞子からなる群から選択される、請求項２２に記載の方法。
前記リガンドは生物兵器または化学兵器、または火薬である、請求項２２に記載の方法。
前記リガンドはグルコースである、請求項２２に記載の方法。
前記試料または系は、ヒトまたはヒト以外の患者の生理学的体液である、請求項２２に記載の方法。
前記生理学的体液は、血液、尿、汗、または脳脊髄液である、請求項２６に記載の方法。
前記試料または系は、水の試料または系である、請求項２２に記載の方法。
前記水の試料または系は、飲料水、または海水、湖水、または河川水、汚水、地下水、または地表水である、請求項２８に記載の方法。
前記系は、バイオリアクターまたは化学反応器である、請求項２２に記載の方法。