JP2008542786A - アプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーおよびこれを利用したターゲット物質の検出方法 - Google Patents

Abstract

本発明はアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーおよびこれを利用したターゲット物質の検出方法に関し、更に詳しくは、本発明はＤＮＡアプタマーを利用して特定タンパク質を認識することができるようにしたカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーに関し、カーボンナノチューブトランジスタのチャンネル領域をなすカーボンナノチューブに特定タンパク質と結合するアプタマーを吸着させることで、特定タンパク質がアプタマーに露出される時に表れるカーボンナノチューブの電気抵抗の変化により特定タンパク質を容易に検出／確認することができるようにしたアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーに関する。
【選択図】 図１

Description

本発明はアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーおよびこれを利用したターゲット物質の検出方法に関し、更に詳しくは、本発明はＤＮＡアプタマーを利用して特定タンパク質を認識することができるようにしたカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーに関し、カーボンナノチューブトランジスタのチャンネル領域をなすカーボンナノチューブに特定タンパク質と結合するアプタマーを吸着させることで、特定タンパク質がアプタマーに露出される時に表れるカーボンナノチューブの電気抵抗の変化により特定タンパク質を容易に検出／確認することができるようにしたアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーおよびこれを利用したターゲット物質の検出方法に関する。

通常的に、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とは、地球上に多量に存在する炭素同素体であり、一つの炭素が別の炭素原子と六角形の蜂の巣模様に結合され、チューブ形態をなしている物質であり、チューブの直径が数ナノメーター（ｎｍ＝１／１，０００，０００，０００）で極めて小さい物質を言う。

カーボンナノチューブは優れた機械的特性、電気的特性、電解放出特性、高効率の水素貯蔵媒体特性などを有し、現存する物質中、欠陥がほとんどない完璧な新素材として知られており、電気放電法、熱分解法、レーザー蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法、熱化学気相蒸着法、電気分解法、フレーム合成法などのような高度の合成技術により製造されている。

このようなカーボンナノチューブは航空宇宙、生命工学、環境エネルギー、素材産業、医薬医療、電子コンピューター、保安安全などの分野で実際に応用されており、その中の一つがカーボンナノチューブトランジスタである。

前記カーボンナノチューブトランジスタは、ソース、ドレーン、ゲートとからなり、チャンネル領域がカーボンナノチューブで製作されたものである。

前記トランジスタのチャンネル領域をなすカーボンナノチューブは半導体もしくは金属特性を有しながら電気伝導度および熱伝導度が高いため、熱放出効果が高いという長所があり、更に、軽量でありながら機械的強度が鋼鉄より１００倍以上強く、特異の化学的特性により他の化合物と反応を行わなわず、非常に安定的であるため電子素子の安定的動作に非常に有利である。そこで、カーボンナノチューブを利用した新しい応用素子の研究が継続して行われており、医学およびバイオ分野でも様々な形態の研究が行われている。

一方、急激な高齢化趨勢に従って、寿命の延長および健康な生活が絶対的な目標として台頭しており、癌を始めとする各種重症疾病を早期に発見し、このような疾病の治療費用および治療時間を節約することができ、随時、自己診断が可能な機器および装置の開発を図ることができる医学的投資が要求されている。従って、疾病の早期診断および治療などのために血液などに含まれている特定分子（タンパク質、ペプチド、アミノ酸、有機／無機化合物など）の有無を検出／確認することは非常に重要である。

ヒトゲノムプロジェクトの完成により得られた膨大な量の生物学的情報とナノ技術を結合して新しい診断および治療技術を開発しようという努力が世界的に活発に行われている中、特に、カーボンナノチューブおよび半導体ナノワイヤーの電気的特性を利用して高感度バイオセンサーを製作する試みが行われている。

現在まで、抗原−抗体反応を利用した診断用センサーがバイオセンサー市場の大部分を占めていた。抗原−抗体反応はその特異性が非常に優れているため、正確な診断用道具として価値が非常に高いが、前記方法は抗体がタンパク質からなっているという短所を有している。詳しくは、特定抗体は高難易度の培養と合成が必要であるため製造が非常に困難であり、更に、各培地によって合成された抗体の特性が少しずつ異なり得るという問題点も含んでおり、何よりも高価であるため商用化の最大障害物となっている。

更に、安定性の問題により、抗原−抗体反応を利用したバイオセンサーの流通期限に制限を与え、タンパク質の不安定な性質もまた、単価上昇および診断センサーの誤作動の原因となり得る。

従って、抗体と類似しているか、更に優れた基質特異性を有すると同時に、優れた安定性およびコスト有効性を有する新規の診断用センサーの開発が要求されている。

本発明は前記のような点を勘案して研究、開発されたものであり、本発明はタンパク質に対して高い親和性を有する単鎖ＤＮＡ（またはＲＮＡ）オリゴマーであるアプタマーをカーボンナノチューブトランジスタのチャンネル領域を構成しているカーボンナノチューブの表面にプローブ物質として吸着させることで、アプタマーと特異的に結合するターゲット物質である特定タンパク質の検出が可能なアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーおよびこれを利用したターゲット物質の検出方法を提供することにその目的がある。

即ち、本発明の具体例では、特定分子(タンパク質、ペプチド、アミノ酸、有機／無機化学物など)と特異的な結合をする単鎖ＤＮＡ／ＲＮＡオリゴマーであるアプタマーを弾性距離と位相分散の距離が長い１次元伝導体カーボンナノチューブに吸着させ、このアプタマーに特定タンパク質が露出された時に表れるカーボンナノチューブの電気的な変化により、特定タンパク質の有無を容易に検出／確認することができるアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーを提供する。

本発明の別の具体例では、前記カーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーを利用したターゲット物質の検出方法を提供する。

前記目的を達成するための本発明の一具体例は、ソース、ドレーン、ゲート、およびカーボンナノチューブからなるチャンネル領域を有するカーボンナノチューブトランジスタと、認識素子としてカーボンナノチューブの表面に固定されたＤＮＡアプタマーと、前記カーボンナノチューブに前記アプタマーを固定させる結合物質とからなることを特徴とするアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーを提供する。

好ましい具体例として、前記カーボンナノチューブで構成されたチャンネルは単一壁ナノチューブまたは多重壁ナノチューブで製作されていることを特徴とする。

好ましくは、前記カーボンナノチューブで構成されたチャンネルは、優れたトランジスタ特性を有する各種金属酸化物ナノワイヤーおよび半導体ナノワイヤーからなる群から選択される。

本発明では、前記チャンネルからなるナノワイヤーは種類に関わらずアプタマーを分子認識素子として使用することを特徴とする。

好ましくは、前記ナノワイヤーは直径が５０ｎｍ以下であり、更に好ましくは、前記単一壁カーボンナノチューブは２ｎｍ以下の直径を有するカーボンナノチューブであり、前記多重壁カーボンナノチューブは５０ｎｍ以下の直径を有するカーボンナノチューブであることを特徴とする。

前記アプタマーをカーボンナノチューブの表面に固定化させるために使用する物質はピレンおよびカーボンナノチューブに対して親和力が高い別の分子の中から選択される少なくとも一つを使用する。

特に、前記粘着性物質の疎水性を有する一方が前記カーボンナノチューブに吸着され、もう一方の固定物質が前記アプタマーと共有結合されていることを特徴とする。

前記目的を達成するための本発明の別の具体例は、
（ａ）カーボンナノチューブトランジスタのチャンネル領域をなすカーボンナノチューブにターゲット物質と結合することのできるアプタマーを固定させた構造のカーボンナノチューブトランジスタを製作する段階、
（ｂ）前記アプタマーと特異的に結合する前記ターゲット物質がアプタマーに露出された時に表される前記カーボンナノチューブの電気伝導度の変化を測定する段階と、
（ｃ）電気伝導度の変化を基に、前記ターゲット物質を検出／確認する段階とを含むことを特徴とするバイオセンサーを利用したターゲット物質の検出方法を提供する。

好ましい具体例として、前記ターゲット物質はタンパク質、ペプチド、アミノ酸、ヌクレチオド、ドラッグ、ビタミン、有機化合物、無機化合物などからなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする。

前述した通り、本発明によるＤＮＡアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサーおよびこれを利用したターゲット物質の検出方法によると、カーボンナノチューブトランジスタのチャンネル領域を構成しているカーボンナノチューブの表面にアプタマーを吸着させ、アプタマーに特定タンパク質が露出された時に表れるカーボンナノチューブの電気的変化により、該当特定タンパク質の有無を容易に検出／確認することができる有用な効果を提供することができる。

このような本発明のバイオセンサーによる電気的測定法は、システム集積化および小型分析システムの構築が低費用でも可能であり、ナノバイオセンサーの開発の促進剤となる長所を提供する。

特に、優れた感度を有するカーボンナノチューブと選択性を有するＤＮＡアプタマーを利用した本発明のバイオセンサーは疾病の早期診断および治療などのために、血液などに含まれている特定分子（タンパク質、ペプチド、アミノ酸、有機／無機化合物）の有無を容易に検出／確認することができる。

以下、本発明を添付図面を参照してより詳しく説明する。

図１は本発明によるＤＮＡアプタマーおよびカーボンナノチューブトランジスタを利用したバイオセンサーを表す概略図である。

本発明のバイオセンサーはＤＮＡアプタマーをカーボンナノチューブの表面上に固定させることによりカーボンナノチューブトランジスタを改質することに主な特徴がある。結果として、本発明のバイオセンサーとして、単一ウイルス粒子、有機小分子および単一タンパク質を感知するほどの優れた感度を有し、また、低濃度の特定分子を測定することができ、個別の分子を選択的に選び出すことができる。

前述した通り、前記カーボンナノチューブトランジスタ１０は既存のトランジスタのように、ソース１２、ドレーン１４、ゲート１６とから構成されるが、カーボンナノチューブ１８を適用して、トランジスタのチャンネル領域を製作する。

基本的なカーボンナノチューブトランジスタの構造は、カーボンナノチューブ１８の表面に固定物質２２を利用してＤＮＡアプタマーを固定させる。

前記アプタマー２０は特定分子（タンパク質、ペプチド、アミノ酸、有機／無機化合物）と特異的に結合することができる単鎖ＤＮＡまたはＲＮＡオリゴマーであり、抗体の生化学的性質においての短所を補完することができる分子として期待されており、更に、固有の親和力、特異性および選択性を有する長所を有し、バイオテクノロジーの分野で認識要求を充足させることのできる分子と言える。

好ましくは、前記アプタマー２０を前記カーボンナノチューブ１８の表面に固定させる固定物質２２はカーボンナノチューブ１８に対して親和性がある架橋剤を使用し、カーボンナノチューブ１８の疎水性の性質を利用して架橋剤の疎水性を有する片方の先がカーボンナノチューブ１８に吸着され、もう片方がアプタマー２０と共有結合をする。

更に好ましくは、前記アプタマー２０を前記カーボンナノチューブ１８の表面に固定させる固定物質２２はピレンであり、その他にカーボンナノチューブに対して親和力が高い別の分子の中から選択される。

一方、前記カーボンナノチューブ１８で構成されたチャンネル領域は単一壁カーボンナノチューブまたは多重壁カーボンナノチューブからなり、好ましくは、前記単一壁カーボンナノチューブは２ｎｍ以下の直径を有するカーボンナノチューブであり、前記多重壁ナノチューブは５０ｎｍ以下の直径を有するカーボンナノチューブが適用される。

前述した通り、前記カーボンナノチューブトランジスタ１０のカーボンナノチューブ１８の表面に吸着されたアプタマー２０はターゲット物質の検出が可能である。即ち、アプタマー２０にターゲット物質が露出された時に表れるカーボンナノチューブ１８の電気伝導度の変化によりターゲット物質の感知が可能である。

好ましくは、アプタマー２０と結合するターゲット物質はタンパク質、ペプチド、アミノ酸、ヌクレオチド、ドラッグ、ビタミン、有機化合物、無機化合物などからなる群から選択される。

従って、前記アプタマー２０に特定タンパク質が露出された時に表れるカーボンナノチューブ１８の電気的な変化を測定することにより、該当ターゲット物質、特に特定タンパク質の有無を容易に検出／確認することができる。

本発明を実施例により詳しく説明するが、本発明が実施例に限定されるわけではない。

カーボンナノチューブトランジスタのチャンネル領域をなすカーボンナノチューブの表面に、特定分子を感知するために特定分子と結合力が良いアプタマーを固定物質として吸着させるが、特に、カーボンナノチューブに対して親和性が高いピレンを利用してアプタマーをカーボンナノチューブに固定させる。

詳しくは、カーボンナノチューブにピレンの片方の先を吸着させ、もう片方の先はアプタマーと反応させてアプタマーがカーボンナノチューブに固定されるようにした。

このように、ピレンで固定した前記アプタマーにトロンビン（血液凝固に関与するプロテアーゼ）を反応させ、反応前と後の電気的変化を測定した。その結果はトランジスタの電流特性曲線を測定した図３のグラフに表す通りである。

即ち、図３はソース−ドレーン電極のバイアスを１Ｖに固定し、ゲート電圧を変化させながら測定したゲート特性を表したものであり、青色の線はピレンを、緑色はアプタマーを、黄色はトロンビンを反応させた時を示し、ＤＮＡアプタマーを固定した後、電圧が右に移動することを確認することができ、これは陰電荷からなるＤＮＡアプタマーのバックボーンによるドーピング効果に起因したものである。

図４は（１）固定物質としてＣＤＩ−ｔｗｅｅｎ２０を使用してアプタマーをカーボンナノチューブに吸着させ、（２）このアプタマーにトロンビンを反応させる工程により得られたリアルタイムの観察データであり、図４は反応後の素子に対するＡＦＭの写真である。

従って、アプタマーにトロンビンを反応させた直後に、カーボンナノチューブトランジスタの電気伝導度が低減することを確認することができた。

本発明によると、カーボンナノチューブの表面に特定疾患関連のタンパク質を検出することができる認識素子を吸着させると、血液中に存在する特定タンパク質が表面で認識素子と結合し、カーボンナノチューブの伝導度の変化が発生する。この電気伝導度の変化を測定した電気的シグナルにより、疾病マーカーとして該当タンパク質を検出／確認することができるようになる。

本発明によるＤＮＡアプタマーおよびカーボンナノチューブトランジスタを利用したバイオセンサーを表す概略図である。 本発明によるＤＮＡアプタマーおよびカーボンナノチューブトランジスタを利用したバイオセンサーの好ましい実験例として、アプタマーにトロンビンを反応させた時のトランジスタの電流変化を表すグラフである。 本発明によるＤＮＡアプタマーおよびカーボンナノチューブトランジスタを利用したバイオセンサーの好ましい実験例として、アプタマーにトロンビンを反応させた時のトランジスタのリアルタイムの電流変化を表すグラフである。 本発明によるトロンビンを反応させた後の素子に対するＡＦＭ写真。

符号の説明

１０ カーボンナノチューブトランジスタ
１２ ソース
１４ ドレーン
１６ ゲート
１８ カーボンナノチューブ
２０ アプタマー
２２ 固定物質

Claims (9)

1. ソース、ドレーン、ゲート、およびカーボンナノチューブからなるチャンネル領域を含むカーボンナノチューブトランジスタと、
   分子認識としてカーボンナノチューブの表面に固定されたＤＮＡアプタマーと、
   前記カーボンナノチューブの表面に前記アプタマーを固定させる結合物質とからなることを特徴とするアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサー。
2. 前記カーボンナノチューブで構成されたチャンネルが、単一壁カーボンナノチューブまたは多重壁カーボンナノチューブで製作されていることを特徴とする、請求項１記載のアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサー。
3. 前記カーボンナノチューブで構成されたチャンネルが、トランジスタの特性が優れた各種金属酸化物ナノワイヤーまたは半導体ナノワイヤーであることを特徴とする、請求項１記載のアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサー。
4. 前記チャンネルからなるナノワイヤーが、その種類に関わらず、アプタマーを分子認識素子として使用し、その直径が５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３記載のアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサー。
5. 前記単一壁カーボンナノチューブが、２ｎｍ以下の直径を有するカーボンナノチューブであり、前記多重壁カーボンナノチューブが、５０ｎｍ以下の直径を有するカーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項２記載のアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサー。
6. 前記アプタマーをカーボンナノチューブの表面に固定化させるために使用する物質が、ピレンおよびカーボンナノチューブに対して親和力が高い別の分子の中から選択されることを特徴とする、請求項１記載のアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサー。
7. 前記結合物質の疎水性を有する一方が前記カーボンナノチューブに吸着され、もう一方の固定物質が前記アプタマーと共有結合されていることを特徴とする、請求項１または６記載のアプタマーを利用したカーボンナノチューブトランジスタバイオセンサー。
8. （ａ）カーボンナノチューブトランジスタのチャンネル領域をなすカーボンナノチューブに、ターゲット物質と結合することのできるアプタマーを固定させた構造のカーボンナノチューブトランジスタを製作する段階、
   （ｂ）前記アプタマーと特異的に結合する前記ターゲット物質がアプタマーに露出された時に表される前記カーボンナノチューブの電気伝導度の変化を測定する段階と、
   （ｃ）電気伝導度の変化を基に、前記ターゲット物質を検出／確認する段階とを含むことを特徴とする、請求項１記載のバイオセンサーを利用したターゲット物質の検出方法。
9. 前記ターゲット物質が、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、ヌクレチオド、ドラッグ、ビタミン、有機化合物、及び無機化合物からなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする、請求項６記載の請求項１記載のバイオセンサーを利用したターゲット物質の検出方法。