JP2009005631A - Analysis element for analyzing base sequence of target nucleic acid, analysis apparatus and analysis method - Google Patents

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JP2009005631A JP2007170539A JP2007170539A JP2009005631A JP 2009005631 A JP2009005631 A JP 2009005631A JP 2007170539 A JP2007170539 A JP 2007170539A JP 2007170539 A JP2007170539 A JP 2007170539A JP 2009005631 A JP2009005631 A JP 2009005631A
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毅 野本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an analysis apparatus and an analysis method, with which the base sequence of a target nucleic acid has a long analyzable length, without reducing the immobilization density of a polymerase and causing mutual interference of polymerases or double stranded nucleic acids to be elongated through polymerases. <P>SOLUTION: The analysis apparatus analyzes the base sequence of a target nucleic acid. The analysis apparatus has an analysis element constituted of a substrate and a polymerase, a liquid feed means for pouring a liquid on the analysis element and a means for analyzing the base class of a nucleotide derivative elongated into a primer. The substrate has a sensor member region on the surface; the sensor member region has a plurality of polymerase immobilization regions; the width of the polymerase immobilization region is 10 nm or larger, and 50 nm or smaller; and the shortest distance between the plurality of the polymerase immobilization regions in the flow direction of the liquid generated by the liquid feed means is set larger than the length of target nucleic acid. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はSequencing by synthesis法による標的核酸の塩基配列を解析するために有用な支持体上にポリメラーゼを固定させた標的核酸の塩基配列を解析するための解析素子、解析装置、及び解析方法に関する。   The present invention relates to an analysis element, an analysis apparatus, and an analysis method for analyzing a base sequence of a target nucleic acid having a polymerase immobilized on a support useful for analyzing the base sequence of the target nucleic acid by a sequencing by synthesis method.

標的核酸の塩基配列を高速に解読するための方法として、Sequencing by synthesis法と呼ばれる方法が提案されている。これはDNAポリメラーゼの触媒作用により、標的核酸の逆相補鎖を、プライマーの3' 末端に一塩基ずつ伸長する工程と、伸長されたヌクレオチドの種類を逐一同定する工程を含むものである。   As a method for decoding the base sequence of the target nucleic acid at high speed, a method called Sequencing by synthesis method has been proposed. This includes the step of extending the reverse complementary strand of the target nucleic acid one base at a time to the 3 ′ end of the primer by the catalytic action of DNA polymerase and the step of identifying the type of the extended nucleotide one by one.

Sequencing by synthesis法の一実施形態として、支持体上にポリメラーゼを固定化したDNA塩基配列解析装置が使用される場合がある。   As one embodiment of the Sequencing by synthesis method, a DNA base sequence analyzer in which a polymerase is immobilized on a support may be used.

従来、支持体上にポリメラーゼを固定化したDNA塩基配列解析装置には、光導波路上にポリメラーゼを担持したものがある(特許文献1)。
特表2002−543847号公報
Conventional DNA base sequence analyzers in which a polymerase is immobilized on a support include one in which a polymerase is supported on an optical waveguide (Patent Document 1).
JP-T-2002-543847

しかしながら、支持体上にポリメラーゼを固定化した標的核酸の塩基配列解析装置は、標的核酸の塩基配列の解析可能な長さが短いという課題があった。   However, the target nucleic acid base sequence analysis apparatus in which a polymerase is immobilized on a support has a problem that the length of the target nucleic acid base sequence that can be analyzed is short.

また、支持体上に固定化されたポリメラーゼが、標的核酸を二本鎖化しても、互いに干渉しない手段として、ポリメラーゼの固定化密度を疎にするという方法がある。しかしながらこの方法では、DNA塩基配列解析装置から得られる信号強度が弱まってしまうという点が課題となる。   In addition, as a means for preventing the polymerase immobilized on the support from interfering with each other even if the target nucleic acid is double-stranded, there is a method in which the polymerase immobilization density is reduced. However, this method has a problem that the signal intensity obtained from the DNA base sequence analyzer is weakened.

そこで、本発明の目的は、信号強度を弱めることなく、すなわち、ポリメラーゼの固定化密度を低下させることなく、ポリメラーゼあるいはポリメラーゼによって伸長される2本鎖化した核酸が互いに干渉しない構成を設けることにより、標的核酸の塩基配列の解析可能な長さが長い標的核酸解析装置、及び標的核酸の解析方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a configuration in which the polymerase or a double-stranded nucleic acid extended by the polymerase does not interfere with each other without reducing the signal intensity, that is, without reducing the immobilization density of the polymerase. Another object of the present invention is to provide a target nucleic acid analyzer having a long analyzable length of a base sequence of a target nucleic acid and a method for analyzing the target nucleic acid.

本発明は、
標的核酸の塩基配列を解析する解析装置であって、
前記解析装置が、
基体とポリメラーゼとからなる解析素子と、
前記解析素子に液体を流す送液手段と、
前記ポリメラーゼによりプライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を解析する手段と、を有し、
前記基体がセンサー部材領域を有し、
前記センサー部材領域が表面に複数のポリメラーゼ固定化領域を有し、
前記ポリメラーゼが前記ポリメラーゼ固定化領域に固定化されており、
前記ポリメラーゼ固定化領域の幅が10nm以上50nm以下であり、
前記送液手段が発生させる液体の流れ方向における前記複数のポリメラーゼ固定化領域間の最短距離が、前記標的核酸の長さよりも長くなるように設定されていることを特徴とする解析装置である。
また、別の本発明は、
標的核酸の塩基配列を解析する解析装置であって、
前記解析装置が、
基体とポリメラーゼとからなる解析素子と、
前記解析素子に液体を流す送液手段と、
前記ポリメラーゼによりプライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を解析する手段と、を有し、
前記基体が多孔質体からなり、
前記基体が、センサー部材領域と、前記センサー部材領域が表面に有する複数のポリメラーゼ固定化領域とを有し、
前記ポリメラーゼが前記ポリメラーゼ固定化領域に固定化されており、
前記送液手段が、前記基体を横断する方向に液流を発生させることを特徴とする解析装置。
また、別の本発明は、
標的核酸の塩基配列を解析する解析方法であって、
ポリメラーゼと、センサー部材領域を表面に有する基体と、前記センサー部材領域のうち前記ポリメラーゼが固定された複数のポリメラーゼ固定化領域とからなる解析素子に、標的核酸とプライマーとの相補的結合対を含む検体を添加する工程と、
前記ポリメラーゼ固定化領域間の最短距離が前記標的核酸の長さよりも長くなる方向にヌクレオチド誘導体を送液する工程と、
前記プライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を判定する工程と、
を有し、
前記ポリメラーゼ固定化領域の幅が10nm以上50nm以下であることを特徴とする解析方法である。
また、別の本発明は、
標的核酸の塩基配列を解析する解析素子であって、
前記解析素子が、
導電体領域と絶縁体領域とからなる基体と、ポリメラーゼとを有し、
前記導電体領域が有するポリメラーゼ固定化領域に前記ポリメラーゼが固定されており、
前記基体が前記基体の厚み方向を深さ方向とする複数の孔を有し、
前記導電体領域が前記孔を形成する面の一部をなしており、
前記貫通孔の径が10nm以上50nm以下であることを特徴とする解析素子である。
また、別の本発明は、
標的核酸の塩基配列を解析する標的核酸解析装置であって、
前記標的核酸解析装置が、
解析素子と、
前記解析素子に液体を流す送液手段と、
前記ポリメラーゼによりプライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を解析する手段と、を有し、
前記解析素子が、
導電体領域と絶縁体領域とからなる基体と、ポリメラーゼとを有し、
前記導電体領域が有するポリメラーゼ固定化領域に前記ポリメラーゼが固定されており、
前記基体が前記基体の厚み方向を深さ方向とする複数の孔を有し、
前記導電体領域が前記孔を形成する面の一部をなしており、
前記貫通孔の径が10nm以上50nm以下であることを特徴とする標的核酸解析装置である。
また、別の本発明は、
標的核酸の塩基配列を解析する解析方法であって、
解析素子に、標的核酸とプライマーとの相補的結合対を含む検体を添加する工程と、
ヌクレオチド誘導体を送液する工程と、
前記ポリメラーゼにより前記プライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を判定する工程とを有し、
前記解析素子が、
導電体領域と絶縁体領域とからなる基体と、ポリメラーゼとを有し、
前記導電体領域が有するポリメラーゼ固定化領域に前記ポリメラーゼが固定されており、
前記基体が前記基体の厚み方向を深さ方向とする複数の孔を有し、
前記導電体領域が前記孔を形成する面の一部をなしており、
前記貫通孔の径が10nm以上50nm以下であることを特徴とする解析方法である。
また、別の本発明は、
ポリメラーゼと、センサー部材領域を表面に有する基体と、前記センサー部材領域のうち前記ポリメラーゼが固定された複数のポリメラーゼ固定化領域とからなる解析素子を用いて標的核酸の塩基配列を解析する解析方法であって、
少なくともポリメラーゼによる前記標的核酸と対合したプライマーの伸長反応を行う工程において、該伸長反応を行う反応液に2本鎖DNAに特異的なエキソヌクレアーゼを共存させることを特徴とする解析方法である。
The present invention
An analysis device for analyzing the base sequence of a target nucleic acid,
The analysis device is
An analytical element comprising a substrate and a polymerase;
A liquid feeding means for flowing a liquid to the analysis element;
A means for analyzing the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase,
The base has a sensor member region;
The sensor member region has a plurality of polymerase-immobilized regions on its surface;
The polymerase is immobilized in the polymerase immobilization region;
The width of the polymerase immobilization region is 10 nm or more and 50 nm or less,
The analyzer is characterized in that the shortest distance between the plurality of polymerase immobilization regions in the flow direction of the liquid generated by the liquid feeding means is set to be longer than the length of the target nucleic acid.
Another aspect of the present invention is:
An analysis device for analyzing the base sequence of a target nucleic acid,
The analysis device is
An analytical element comprising a substrate and a polymerase;
A liquid feeding means for flowing a liquid to the analysis element;
A means for analyzing the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase,
The substrate is made of a porous body,
The base has a sensor member region and a plurality of polymerase immobilization regions on the surface of the sensor member region,
The polymerase is immobilized in the polymerase immobilization region;
The analysis apparatus characterized in that the liquid feeding means generates a liquid flow in a direction crossing the substrate.
Another aspect of the present invention is:
An analysis method for analyzing a base sequence of a target nucleic acid,
An analysis element comprising a polymerase, a substrate having a sensor member region on its surface, and a plurality of polymerase-immobilized regions to which the polymerase is immobilized in the sensor member region includes a complementary binding pair of a target nucleic acid and a primer. Adding a sample; and
Feeding the nucleotide derivative in a direction in which the shortest distance between the polymerase-immobilized regions is longer than the length of the target nucleic acid;
Determining the base type of the nucleotide derivative extended to the primer;
Have
The width of the polymerase immobilization region is 10 nm or more and 50 nm or less.
Another aspect of the present invention is:
An analysis element for analyzing a base sequence of a target nucleic acid,
The analytical element is
A substrate comprising a conductor region and an insulator region, and a polymerase;
The polymerase is immobilized on a polymerase immobilization region of the conductor region;
The base has a plurality of holes whose depth direction is the thickness direction of the base;
The conductor region forms part of a surface forming the hole;
The analysis element is characterized in that the diameter of the through hole is 10 nm or more and 50 nm or less.
Another aspect of the present invention is:
A target nucleic acid analyzer for analyzing a base sequence of a target nucleic acid,
The target nucleic acid analyzer is
An analysis element;
A liquid feeding means for flowing a liquid to the analysis element;
A means for analyzing the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase,
The analytical element is
A substrate comprising a conductor region and an insulator region, and a polymerase;
The polymerase is immobilized on a polymerase immobilization region of the conductor region;
The base has a plurality of holes whose depth direction is the thickness direction of the base;
The conductor region forms part of a surface forming the hole;
The target nucleic acid analyzer is characterized in that the diameter of the through hole is 10 nm or more and 50 nm or less.
Another aspect of the present invention is:
An analysis method for analyzing a base sequence of a target nucleic acid,
Adding a sample containing a complementary binding pair of a target nucleic acid and a primer to the analysis element;
A step of feeding a nucleotide derivative;
Determining the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase,
The analytical element is
A substrate comprising a conductor region and an insulator region, and a polymerase;
The polymerase is immobilized on a polymerase immobilization region of the conductor region;
The base has a plurality of holes whose depth direction is the thickness direction of the base;
The conductor region forms part of a surface forming the hole;
The diameter of the through hole is 10 nm or more and 50 nm or less.
Another aspect of the present invention is:
An analysis method for analyzing the base sequence of a target nucleic acid using an analysis element comprising a polymerase, a substrate having a sensor member region on its surface, and a plurality of polymerase-immobilized regions to which the polymerase is immobilized in the sensor member region There,
At least in the step of performing the extension reaction of the primer paired with the target nucleic acid by polymerase, an exonuclease specific for double-stranded DNA is allowed to coexist in the reaction solution for performing the extension reaction.

本発明によれば、センサー部材領域の表面に保持される複数のポリメラーゼにより伸長される二本鎖化した標的核酸が相互に干渉しないため、基体表面に固定されたポリメラーゼで長い2本鎖DNAの合成が可能となる。すなわち標的核酸の塩基配列の解析可能な長さが長い解析素子、標的核酸解析装置、及び標的核酸の解析方法を提供することができる。   According to the present invention, the double-stranded target nucleic acid extended by a plurality of polymerases held on the surface of the sensor member region does not interfere with each other. Synthesis is possible. That is, it is possible to provide an analysis element, a target nucleic acid analyzer, and a target nucleic acid analysis method that have a long analyzable length of a base sequence of a target nucleic acid.

以下、本発明を実施するための第1〜第4の形態について説明する。
(第1の形態)
以下、本発明の第1の形態について説明する。
本発明は、
標的核酸の塩基配列を解析する解析装置であって、
前記解析装置が、
基体とポリメラーゼとからなる解析素子と、
前記解析素子に液体を流す送液手段と、
前記ポリメラーゼによりプライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を解析する手段とを有し、
前記基体がセンサー部材領域を有し、
前記センサー部材領域が表面に複数のポリメラーゼ固定化領域を有し、
前記ポリメラーゼ固定化領域の幅が10nm以上50nm以下であり、
前記送液手段が発生させる液体の流れ方向における前記複数のポリメラーゼ固定化領域間の最短距離が、前記標的核酸の長さよりも長くなるように設定されている解析装置である。
Hereinafter, first to fourth embodiments for carrying out the present invention will be described.
(First form)
The first embodiment of the present invention will be described below.
The present invention
An analysis device for analyzing the base sequence of a target nucleic acid,
The analysis device is
An analytical element comprising a substrate and a polymerase;
A liquid feeding means for flowing a liquid to the analysis element;
Means for analyzing the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase,
The base has a sensor member region;
The sensor member region has a plurality of polymerase-immobilized regions on its surface;
The width of the polymerase immobilization region is 10 nm or more and 50 nm or less,
The analyzer is set such that the shortest distance between the plurality of polymerase immobilization regions in the flow direction of the liquid generated by the liquid feeding means is longer than the length of the target nucleic acid.

以下、第1の形態の標的核酸の塩基配列を解析する解析装置を構成する各部分について説明する。   Hereinafter, each part which comprises the analyzer which analyzes the base sequence of the target nucleic acid of a 1st form is demonstrated.

(1)解析素子
(1−1)基体
基体は、標的核酸の塩基配列を検知するためのセンサー部材領域と、非センサー部材領域で構成される。また、センサー部材領域の表面は、複数のポリメラーゼ固定化領域で構成される。
(1) Analytical Element (1-1) Substrate The substrate is composed of a sensor member region for detecting the base sequence of the target nucleic acid and a non-sensor member region. Further, the surface of the sensor member region is composed of a plurality of polymerase immobilization regions.

センサー部材領域は、プライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を解析するために、電気を流したり、光を導波したり、磁気抵抗の機能を有するものである。このようなセンサー部材領域としては、光学的、電気的あるいは磁気的信号を検知可能な材料を用いることができる。例えば、ガラス、表面を改変したガラス、シリコン、金属、半導体、高屈折率誘電体、水晶、ゲル、ポリマーなどの導電性材料や光導波路を用いてセンサー部材料域を形成することができる。   In order to analyze the base type of the nucleotide derivative extended to the primer, the sensor member region has a function of conducting electricity, guiding light, or having a magnetoresistive function. As such a sensor member region, a material capable of detecting an optical, electrical or magnetic signal can be used. For example, the sensor region material region can be formed using a conductive material such as glass, surface-modified glass, silicon, metal, semiconductor, high refractive index dielectric, crystal, gel, polymer, or an optical waveguide.

ポリメラーゼ固定化領域の幅は10nm以上50nm以下であることが好ましい。これは、ポリメラーゼ固定化領域の幅が10nm以上50nm以下であると、ポリメラーゼ固定化領域の幅内に実質的にポリメラーゼ1分子が固定化されていることとなるからである。また、ポリメラーゼ固定化領域の長さは、送液手段により発生される液体の流路幅程度であることが好ましい。さらに、ポリメラーゼ固定化領域は、送液手段の送液方向(液流の方向)における複数のポリメラーゼ固定化領域同士の最短距離が、標的核酸の長さよりも長くなるよう配置する。   The width of the polymerase immobilization region is preferably 10 nm or more and 50 nm or less. This is because when the width of the polymerase immobilization region is 10 nm or more and 50 nm or less, one molecule of polymerase is substantially immobilized within the width of the polymerase immobilization region. The length of the polymerase immobilization region is preferably about the width of the flow path of the liquid generated by the liquid feeding means. Furthermore, the polymerase immobilization region is arranged so that the shortest distance between the plurality of polymerase immobilization regions in the liquid feeding direction (liquid flow direction) of the liquid feeding means is longer than the length of the target nucleic acid.

一方、非センサー部材領域は、絶縁性、光不透過性の機能を有するものである。このような非センサー部材領域としては、ガラス、シリコン、金属、半導体、水晶、ゲル、ポリマーなどでセンサー部材領域を構成する部材と異なる部材が挙げられる。   On the other hand, the non-sensor member region has an insulating and light-impermeable function. Examples of such a non-sensor member region include a member different from a member constituting the sensor member region with glass, silicon, metal, semiconductor, crystal, gel, polymer, or the like.

また、基体は、基板形状(板状形状)であっても良いし、円筒形状であっても良い。なお、基体は多孔質体であっても良い。基体の表面にセンサー部材領域が存在する場合には、図8の上面図に示すように、センサー部材領域701が幅の狭い長方形形状もしくは楕円形状であることが好ましい。ここで、また、前記センサー部材領域に固定化される複数のポリメラーゼ固定化領域204同士が略平行に存在していることが好ましい。ここで、ポリメラーゼ固定化領域が互いに平行とは、各々のポリメラーゼ固定化領域に存在する線分のうち、最も長い線分同士が平行であるという意味である。また、「略」平行とは送液手段により発生させる液体の流れる幅において上記線分同士が交わらないことである。
(1−2)ポリメラーゼ
ポリメラーゼは、標的核酸を鋳型として標的核酸に相補的なプライマーの3’末端に、標的核酸の対応する塩基に相補的な塩基を有するヌクレオシド三リン酸を、伸長する機能を有する。
Further, the substrate may have a substrate shape (plate shape) or a cylindrical shape. The substrate may be a porous body. When the sensor member region exists on the surface of the base, it is preferable that the sensor member region 701 has a narrow rectangular shape or an elliptical shape as shown in the top view of FIG. Here, it is also preferable that a plurality of polymerase immobilization regions 204 to be immobilized on the sensor member region exist substantially in parallel. Here, the polymerase immobilization regions being parallel to each other means that the longest line segments among the line segments existing in each polymerase immobilization region are parallel to each other. Further, “substantially” parallel means that the line segments do not intersect in the width of the flow of the liquid generated by the liquid feeding means.
(1-2) Polymerase Polymerase has a function of extending a nucleoside triphosphate having a base complementary to the corresponding base of the target nucleic acid at the 3 ′ end of the primer complementary to the target nucleic acid using the target nucleic acid as a template. Have.

ポリメラーゼは、センサー部材領域が表面に有するポリメラーゼ固定化領域に固定され、かつセンサー部材領域が検知可能な範囲に存在していれば良い。ここで、センサー部材領域がポリメラーゼ固定化領域を表面に有するとは、センサー部材領域がセンサー部材領域と外界との界面にポリメラーゼ固定化領域を有していることである。また、ポリメラーゼ固定化領域の幅は10nm以上50nm以下であることが好ましい。したがって、ポリメラーゼは、ポリメラーゼ固定化領域に直接固定されていても良いし、リンカーなどを介して固定されていても良い。なお、ポリメラーゼは、ポリメラーゼ固定化領域内で可能な限り高い密度でセンサー部材領域の表面上に保持されていることが望ましく、ポリメラーゼ同士が互いに隣接して配置されることが好ましい。   The polymerase is only required to be present in a range where the sensor member region is fixed to the polymerase immobilization region on the surface and the sensor member region can be detected. Here, the sensor member region having the polymerase immobilization region on the surface means that the sensor member region has a polymerase immobilization region at the interface between the sensor member region and the outside. The width of the polymerase immobilization region is preferably 10 nm or more and 50 nm or less. Therefore, the polymerase may be directly fixed to the polymerase immobilization region, or may be fixed via a linker or the like. The polymerase is preferably held on the surface of the sensor member region at the highest possible density in the polymerase immobilization region, and the polymerases are preferably arranged adjacent to each other.

このようなポリメラーゼとしては、酵素番号EC 2.7.7.7に分類され、以下の反応を触媒する酵素であれば、その由来については限定されない。   Such a polymerase is classified into enzyme number EC 2.7.7.7, and the origin thereof is not limited as long as it is an enzyme that catalyzes the following reaction.

deoxynucleoside triphosphate + DNA(n) = diphosphate + DNA(n+1)
第1の形態の解析素子を作製する方法を以下に述べる。
deoxynucleoside triphosphate + DNA (n) = diphosphate + DNA (n + 1)
A method for manufacturing the analysis element of the first embodiment will be described below.

まず、少なくとも表面が非センサー部材である基板上にセンサー部材を積層させる。非センサー部材である基板としては、センサー部材と異なる性質を有する部材であれば特に制限はないが、センサー部材が導電体材料である場合には、非センサー部材である基板としては、シリコン、酸化アルミニウム、石英、ガラス、セラミック、プラスティックなどが挙げられる。またセンサー部材が光導波機能を有する材料である場合には、非センサー部材である基板としては、シリコン、酸化アルミニウム、セラミックなどが挙げられる。センサー部材として導電体材料を用いる場合には、導電体材料としては金属、導電性高分子、金属酸化物及び炭素材料などが挙げられる。金属酸化物は、他の導電体材料によって導電性を向上、もしくは、付与されていてよい。成膜方法としては、スパッタリング法、CVD(chemical vapor deposition)法、ディッピング法、MBE法、蒸着法などが挙げられる。センサー部材として光導波機能を有する材料を用いる場合、センサー部材としては、ガラス、高屈折率誘電体、水晶、ゲル、ポリマーなどが用いられる。成膜方法としては、スパッタリング法、CVD(chemical vapor deposition)法、ディッピング法、MBE法、蒸着法などが挙げられる。   First, a sensor member is laminated on a substrate whose surface is at least a non-sensor member. The substrate that is a non-sensor member is not particularly limited as long as it is a member having a property different from that of the sensor member. However, when the sensor member is a conductive material, the substrate that is a non-sensor member includes silicon, oxide Aluminum, quartz, glass, ceramic, plastic and the like can be mentioned. When the sensor member is a material having an optical waveguide function, examples of the substrate that is a non-sensor member include silicon, aluminum oxide, and ceramic. When a conductor material is used as the sensor member, examples of the conductor material include metals, conductive polymers, metal oxides, and carbon materials. The metal oxide may be improved or imparted with conductivity by another conductor material. Examples of the film forming method include sputtering, CVD (chemical vapor deposition), dipping, MBE, and vapor deposition. When a material having an optical waveguide function is used as the sensor member, glass, a high refractive index dielectric, crystal, gel, polymer, or the like is used as the sensor member. Examples of the film forming method include sputtering, CVD (chemical vapor deposition), dipping, MBE, and vapor deposition.

続いて積層したセンサー部材領域上に、ポリメラーゼ又はポリメラーゼと標的核酸及びプライマーとからなる合成複合体を、固定化する。センサー部材領域表面へのポリメラーゼの固定化方法としては、例えば、以下に述べる(1)から(3)の方法を挙げることができる。   Subsequently, a polymerase or a synthetic complex composed of a polymerase, a target nucleic acid and a primer is immobilized on the laminated sensor member region. Examples of the method for immobilizing polymerase on the surface of the sensor member region include the methods (1) to (3) described below.

前記ポリメラーゼ固定化領域又は多孔性の膜上にポリメラーゼを固定化する方法としては、例えば以下に述べる(i)〜(iii)の方法を挙げることができる。   Examples of a method for immobilizing a polymerase on the polymerase immobilization region or porous membrane include the methods (i) to (iii) described below.

(i)共有結合法
センサー部材領域表面に直接官能基を導入し、この官能基とポリメラーゼとを共有結合させてポリメラーゼを固定化する。あるいは、センサー部材領域に接触して配置した担体に官能基を導入し、この官能基とポリメラーゼとを共有結合させて酵素を固定化する。
(I) Covalent bond method A functional group is directly introduced on the surface of the sensor member region, and the functional group and the polymerase are covalently bonded to immobilize the polymerase. Alternatively, a functional group is introduced into a carrier disposed in contact with the sensor member region, and the functional group and a polymerase are covalently bonded to immobilize the enzyme.

このような共有結合に利用できる官能基として例えば、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基、アルデヒド基、ヒドラジノ基、チオシアネート基、エポキシ基、ビニル基、ハロゲン基、酸エステル基、リン酸基、チオール基、ジスルフィド基、ジチオカルバメート基、ジチオホスフェート基、ジチオホスホネート基、チオエーテル基、チオ硫酸基、チオ尿素基を挙げることができる。   Examples of functional groups that can be used for such covalent bonds include hydroxyl groups, carboxyl groups, amino groups, aldehyde groups, hydrazino groups, thiocyanate groups, epoxy groups, vinyl groups, halogen groups, acid ester groups, phosphate groups, and thiol groups. , Disulfide groups, dithiocarbamate groups, dithiophosphate groups, dithiophosphonate groups, thioether groups, thiosulfate groups, and thiourea groups.

また、アルキルチオールのチオール基が金などの金属に作用して結合し容易に単分子膜(自己組織化単分子膜)を形成できることを利用し、アルキルチオールのアルキル基に予め導入した官能基を介して共有結合により酵素を金属に結合させて酵素を固定化する。
アルキルチオールのアルキル基に予め導入した官能基と酵素との共有結合は、例えば二官能性試薬を用いて形成することができる。
In addition, by utilizing the fact that the thiol group of alkylthiol acts on a metal such as gold and can easily bond to form a monomolecular film (self-assembled monomolecular film), a functional group previously introduced into the alkyl group of alkylthiol The enzyme is immobilized by covalently binding the enzyme to the metal.
The covalent bond between the functional group previously introduced into the alkyl group of the alkylthiol and the enzyme can be formed using, for example, a bifunctional reagent.

代表的な二官能性試薬としては、グルタルアルデヒド、過ヨウ素酸、N,N’−o−フェニレンジマレイミド、N−スクシニミジル−4−(N−マレイミドメチル)シクロヘキサン−1−カルボキシレート、N−スクシニミジルマレイミド酢酸、N−スクシニミジル−4−マレイミド酪酸、N−スクシニミジル−6−マレイミドヘキサン酸、N−スルホスクシニミジル−4−マレイミドメチルシクロヘキサン−1−カルボン酸、N−スルホスクシニミジル−3−マレイミド安息香酸、N−(4−マレイミドブチリロキシ)スルホスクシンイミド・ナトリウム塩、N−(6−マレイミドカプロイロキシ)スルホスクシンイミド・ナトリウム塩、N−(8−マレイミドカプリロキシ)スルホスクシンイミド・ナトリウム塩、N−(11−マレイミドウンデカノイロキシ)スルホスクシンイミド・ナトリウム塩、N[2−(1−ピペラジニル)エチル]マレイミド・二塩酸、ジスルホン化合物(例えば、ジビニルスルホン化合物など)等が挙げられる。
また、導電体領域に接触して配置する担体としてはアガロース、アガロース分解物、κ−カラギーナン、寒天、アルギン酸、ポリアクリルアミド、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポリビニルアルコール、及びこれらの共重合体等が挙げられる。
Typical bifunctional reagents include glutaraldehyde, periodic acid, N, N′-o-phenylene dimaleimide, N-succinimidyl-4- (N-maleimidomethyl) cyclohexane-1-carboxylate, N-succinate. Sinimidylmaleimidoacetic acid, N-succinimidyl-4-maleimidobutyric acid, N-succinimidyl-6-maleimidohexanoic acid, N-sulfosuccinimidyl-4-maleimidomethylcyclohexane-1-carboxylic acid, N-sulfosuccinimi Dil-3-maleimidobenzoic acid, N- (4-maleimidobutyryloxy) sulfosuccinimide sodium salt, N- (6-maleimidocaproyloxy) sulfosuccinimide sodium salt, N- (8-maleimidocapryloxy) sulfosuccinimide Sodium salt, N- (11-maleimide Undecanoyloxy) sulfosuccinimide / sodium salt, N [2- (1-piperazinyl) ethyl] maleimide / dihydrochloride, disulfone compounds (for example, divinylsulfone compounds) and the like.
Examples of the carrier arranged in contact with the conductor region include agarose, agarose degradation product, κ-carrageenan, agar, alginic acid, polyacrylamide, polyisopropylacrylamide, polyvinyl alcohol, and copolymers thereof.

(ii)吸着法(その1)
センサー部材領域とポリメラーゼとの疎水性相互作用や静電相互作用を利用した物理的吸着法によりポリメラーゼを固定化する。センサー部材領域へのポリメラーゼの物理的吸着が不可能あるいは不十分である場合には、ポリメラーゼが物理的吸着を起こす担体を介してポリメラーゼを固定化できる。このような担体としては、ポリアリルアミン、ポリリジン、ポリビニルピリジン、アミノ基で変性したデキストラン(たとえばDEAE−デキストラン)、キトサン、ポリグルタメート、ポリスチレンスルホン酸、硫酸デキストラン等のポリアニオンやポリカチオンからなる担体を用いることができる。担体とポリメラーゼとの静電相互作用を利用したイオン結合法によりポリメラーゼを担体に固定し、このポリメラーゼ固定化担体をセンサー部材領域に接触させ配置する。
(Ii) Adsorption method (part 1)
The polymerase is immobilized by a physical adsorption method using hydrophobic interaction or electrostatic interaction between the sensor member region and the polymerase. When physical adsorption of the polymerase to the sensor member region is impossible or insufficient, the polymerase can be immobilized via a carrier that causes physical adsorption of the polymerase. As such a carrier, a carrier made of polyanion or polycation such as polyallylamine, polylysine, polyvinylpyridine, dextran modified with an amino group (for example, DEAE-dextran), chitosan, polyglutamate, polystyrene sulfonic acid, dextran sulfate is used. be able to. The polymerase is fixed to the carrier by an ion binding method using electrostatic interaction between the carrier and the polymerase, and this polymerase-immobilized carrier is placed in contact with the sensor member region.

(iii)吸着法(その2)
遺伝子組換えタンパク質の精製を容易にするために用いられる各種のアフィニティータグを利用して固定化する。例えば、HA(ヘマグルチニン)、FLAG、Myc等のエピトープタグや、GST、マルトース結合タンパク質、ビオチン化ペプチド、オリゴヒスチジンタグを利用してポリメラーゼを固定化する。
(Iii) Adsorption method (part 2)
Immobilization is performed using various affinity tags used to facilitate purification of the recombinant protein. For example, the polymerase is immobilized using epitope tags such as HA (hemagglutinin), FLAG, Myc, etc., GST, maltose-binding protein, biotinylated peptide, oligohistidine tag.

(2)解析装置
本発明の解析装置は、上記解析素子に加えて以下の構成を有している。
(2−1)送液手段
送液手段は、検体などの液体を前記解析素子に流す機能を有し、送液手段が発生させる液体の流れ(送液)の方向におけるポリメラーゼ固定化領域間の最短距離が標的核酸の長さよりも長くなる方向に送液する送液手段である。このような方向で送液することにより、ポリメラーゼによる標的核酸の伸長工程において、2本鎖化した核酸同士が、互いに接触せず、干渉しないようにすることができる。なお、前記解析素子のポリメラーゼ固定化領域間の距離が標的核酸の長さよりも大きければ、送液手段が発生させる液体の流れの方向が一定方向であればいずれの方向であっても標的核酸の長さよりも送液手段が発生させる液体の流れの方向におけるポリメラーゼ固定化領域間の距離が長くなる。
(2) Analysis apparatus The analysis apparatus of the present invention has the following configuration in addition to the analysis element.
(2-1) Liquid-feeding means The liquid-feeding means has a function of flowing a liquid such as a specimen to the analysis element, and between the polymerase immobilization regions in the direction of the liquid flow (liquid-feeding) generated by the liquid-feeding means. This is a liquid feeding means for feeding in a direction in which the shortest distance is longer than the length of the target nucleic acid. By feeding the solution in such a direction, it is possible to prevent the double-stranded nucleic acids from contacting each other and not interfering with each other in the step of extending the target nucleic acid by the polymerase. In addition, as long as the distance between the polymerase-immobilized regions of the analysis element is larger than the length of the target nucleic acid, the target nucleic acid can be produced in any direction as long as the direction of the liquid flow generated by the liquid feeding means is constant. The distance between the polymerase immobilization regions in the direction of the liquid flow generated by the liquid feeding means is longer than the length.

このような送液手段としては、前記解析素子にヌクレオチド誘導体の含まれた溶液あるいは洗浄液を送液するためのポンプなどをいう。   Such a liquid feeding means refers to a pump or the like for feeding a solution containing a nucleotide derivative or a cleaning liquid to the analysis element.

送液手段が発生させる送液の速度は、合成された2本鎖DNAと基体との親和力に打ち勝って合成された2本鎖DNAを送液方向に流す程度であることが望ましい。また支持体上に固定化されたポリメラーゼと合成された2本鎖DNAとの合成複合体が脱離しない程度の速度で、流路の機械的限界強度以下であることが望ましい。そのような点から送液速度は、線流速10乃至3000 cm/h、好ましくは150乃至1000cm/hであることが好ましい。
(2−2)解析手段
プライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を解析する手段とは、ヌクレオチド誘導体に導入された修飾基の構造によって、選択される光学的評価手段、電気化学的評価手段、あるいは磁気的評価手段である。
The liquid feeding speed generated by the liquid feeding means is preferably such that the synthesized double-stranded DNA overcomes the affinity between the synthesized double-stranded DNA and the substrate and flows in the liquid feeding direction. In addition, it is desirable that it is below the mechanical limit strength of the flow path at such a rate that the synthetic complex of the polymerase immobilized on the support and the synthesized double-stranded DNA does not desorb. From such a point, the liquid feeding speed is preferably 10 to 3000 cm / h, more preferably 150 to 1000 cm / h.
(2-2) Analyzing means The means for analyzing the base type of the nucleotide derivative extended to the primer is an optical evaluation means, electrochemical evaluation means selected according to the structure of the modifying group introduced into the nucleotide derivative, Or it is a magnetic evaluation means.

光学的評価手段としては、分光光度計,蛍光光度計など投光系−受光系を有するものを挙げることができる。解析装置におけるセンサー部材領域として、光透過性の導波路の一部を使用した場合には、該導波路を投光系として用いることができる。   Examples of the optical evaluation means include those having a light projecting system-light receiving system such as a spectrophotometer and a fluorometer. When a part of a light transmissive waveguide is used as the sensor member region in the analysis apparatus, the waveguide can be used as a light projecting system.

電気化学的評価手段としては、ポテンシオスタットなど電圧を印加する手段と、電流を検知する手段とを兼ね備えたものを挙げることができる。解析装置においては、導電体領域で電圧の印加と電流の検出をするため、対極と参照電極とを必要とする。対極と参照電極は解析素子に予め作り込んでおくこともできるし、解析装置側に設けてもよい。   Examples of the electrochemical evaluation means include those having both a means for applying a voltage such as a potentiostat and a means for detecting a current. In the analysis apparatus, a counter electrode and a reference electrode are required to apply a voltage and detect a current in the conductor region. The counter electrode and the reference electrode can be prepared in advance in the analysis element, or may be provided on the analysis device side.

磁気的検出手段としては、ホール素子、磁気抵抗効果素子などを挙げることができる。   Examples of the magnetic detection means include a Hall element and a magnetoresistive effect element.

(第2の形態)
第2の形態の解析装置は、基体が多孔質体であり、かつ、送液手段が発生させる液体の流れ方向における前記複数のポリメラーゼ固定化領域間の最短距離が、前記標的核酸の長さよりも長くなるように設定されている代わりに、送液手段が発生させる液流が、前記基体を横断する一定の方向に液流を発生させる点以外は第1の形態と同様である。
(Second form)
In the analysis apparatus of the second form, the base is a porous body, and the shortest distance between the plurality of polymerase immobilization regions in the flow direction of the liquid generated by the liquid feeding means is longer than the length of the target nucleic acid. Instead of being set to be long, the liquid flow generated by the liquid feeding means is the same as in the first embodiment except that the liquid flow is generated in a certain direction across the substrate.

基体が有するセンサー部材領域は、基体の表面に存在していても良いし、基体の内部に存在していても良い。なお、基体の内部にセンサー部材領域が存在する場合であっても、センサー部材領域が表面にポリメラーゼ固定化領域を有するという表現を用いるものとする。   The sensor member region of the substrate may be present on the surface of the substrate or may be present inside the substrate. Even when the sensor member region is present inside the substrate, the expression that the sensor member region has a polymerase-immobilized region on the surface is used.

基体が内部にセンサー部材領域を有している場合の解析素子の例を図9に示す。   FIG. 9 shows an example of an analysis element when the base has a sensor member region inside.

基体401は多孔質体であり、基体401の内部にセンサー部材領域701が存在する。このようなセンサー部材領域401は、幅の狭い長方形形状もしくは楕円形状であることが好ましい。また、基体である多孔質体全体がセンサー部材領域であっても良い。   The base body 401 is a porous body, and a sensor member region 701 exists inside the base body 401. Such a sensor member region 401 preferably has a narrow rectangular shape or an elliptical shape. Further, the entire porous body that is the substrate may be the sensor member region.

また、ポリメラーゼが多孔質からなる基体の表面に固定される場合には、基体が有する空孔の径は、ポリメラーゼや標的核酸を通すには小さいが、ヌクレオシド 5’‐三リン酸の誘導体を通すには大きいことが好ましい。一方、ポリメラーゼが基体の内部に固定されている場合には、基体が有する空孔は十分大きいことが好ましい。例えば、空孔の平均径は100nm以上であることが好ましい。このような基体の材料としては、金属、導電性高分子、金属酸化物、炭素材料もしくはこれらの混合体などが挙げられる。金属で形成される多孔質体の例としては、発泡金属、電析金属、電解金属、焼結金属、繊維状金属が挙げられる。   In addition, when the polymerase is immobilized on the surface of the porous substrate, the pore diameter of the substrate is small for allowing the polymerase or the target nucleic acid to pass through, but allows the nucleoside 5'-triphosphate derivative to pass through. Is preferably large. On the other hand, when the polymerase is fixed inside the substrate, the pores of the substrate are preferably sufficiently large. For example, the average diameter of the holes is preferably 100 nm or more. Examples of such a base material include metals, conductive polymers, metal oxides, carbon materials, and mixtures thereof. Examples of the porous body formed of metal include foam metal, electrodeposited metal, electrolytic metal, sintered metal, and fibrous metal.

また、解析装置が有する送液手段は、該送液手段が発生させる液流が前記基体を横断する一定の方向に液流を発生させる。言い換えれば、前記送液手段が発生させる一定方向の液流が該解析素子の基体を横断するように、解析素子が配置されている。   Further, the liquid feeding means included in the analyzing device generates a liquid flow in a certain direction in which the liquid flow generated by the liquid feeding means crosses the substrate. In other words, the analysis element is arranged so that a liquid flow in a certain direction generated by the liquid feeding means crosses the base of the analysis element.

送液手段が、基体を横断する一定の方向に液流を発生させることで、第1の形態と同様、ポリメラーゼによる標的核酸の伸長工程において、2本鎖化した核酸同士が、互いに接触せず、干渉しないようにすることができる。   Since the liquid feeding means generates a liquid flow in a certain direction across the substrate, the double-stranded nucleic acids do not come into contact with each other in the target nucleic acid extension step using the polymerase, as in the first embodiment. , You can avoid interference.

(第3の形態)
第3の形態としては、基体が柱状の孔を有しており、前記孔を形成する壁面の一部である導電体領域に前記ポリメラーゼを固定させた形態である。
(Third form)
As a third form, the base body has a columnar hole, and the polymerase is fixed to a conductor region that is a part of the wall surface forming the hole.

以下、以下、第3の形態の標的核酸の塩基配列を解析する解析装置を構成する各部分について説明する。   Hereinafter, each part which comprises the analyzer which analyzes the base sequence of the target nucleic acid of a 3rd form is demonstrated.

(1)解析素子
第3の形態の標的核酸解析装置に用いる解析素子に関しては、基体以外の構成要件は第1の形態と同様であるため、基体についてのみ述べる。
(1−1)基体
基体は、図4の上面図に示すように、貫通孔を有する。貫通孔同士は接触することなく、間隔を空けて存在する。
(1) Analysis element Regarding the analysis element used in the target nucleic acid analysis apparatus of the third embodiment, the constituent elements other than the substrate are the same as those of the first embodiment, and therefore only the substrate will be described.
(1-1) Base As shown in the top view of FIG. 4, the base has a through hole. The through holes are not in contact with each other and are spaced from each other.

貫通孔の大きさは、使用するポリメラーゼ1分子もしくは2本鎖DNAの径のいずれか大きい方のサイズより大きく、その2倍を超えないことが望ましい。これは、それぞれの貫通孔に2分子以上のポリメラーゼのDNA合成複合体を固定化させないためである。具体的には、10nm以上50nm以下であることが好ましい。   The size of the through hole is preferably larger than the larger one of the diameters of one polymerase molecule or double-stranded DNA to be used, and does not exceed twice that. This is because a DNA synthesis complex of two or more molecules of polymerase is not immobilized in each through hole. Specifically, it is preferably 10 nm or more and 50 nm or less.

また、貫通孔の深さは、特に規定はないが、貫通していない孔の場合には、ポリメラーゼ固定化領域と前記孔の底部との長さが標的核酸の長さよりも長いことが好ましい。これは貫通していない孔の場合、孔の深さが標的核酸より浅いと、合成された2本鎖DNAが孔の底面と接触するからである。   The depth of the through hole is not particularly defined, but in the case of a hole that does not penetrate, it is preferable that the length between the polymerase immobilization region and the bottom of the hole is longer than the length of the target nucleic acid. This is because in the case of a non-penetrating hole, if the depth of the hole is shallower than the target nucleic acid, the synthesized double-stranded DNA comes into contact with the bottom surface of the hole.

基体が有する貫通孔を形成する壁面の一部は導電体領域で構成される。このような導電体領域の深さ方向の大きさは、ポリメラーゼ一分子の径より大きく、その2倍を超えないことが好ましい。   A part of the wall surface forming the through hole of the base is constituted by a conductor region. The size of such a conductor region in the depth direction is preferably larger than the diameter of one polymerase molecule and does not exceed twice that.

また、第3の形態の解析素子は、例えば、以下のような方法で作製することができる。   Moreover, the analysis element of the third embodiment can be manufactured by the following method, for example.

まず、少なくとも表面が絶縁性である基板上に導電体材料を積層させる。絶縁性基板としては、絶縁性であれば特に制限はないが、シリコン、酸化アルミニウム、石英、ガラス、セラミック、プラスティックなどが挙げられる。導電体材料としては金属、導電性高分子、金属酸化物及び炭素材料などが挙げられる。金属酸化物は、他の導電体材料によって導電性を向上、もしくは、付与されていてよい。成膜方法としては、スパッタリング法、CVD(chemical vapor deposition)法、ディッピング法、MBE法、蒸着法などが挙げられる。   First, a conductor material is stacked on a substrate having at least a surface insulating. The insulating substrate is not particularly limited as long as it is insulating, and examples thereof include silicon, aluminum oxide, quartz, glass, ceramic, and plastic. Examples of the conductor material include metals, conductive polymers, metal oxides, and carbon materials. The metal oxide may be improved or imparted with conductivity by another conductor material. Examples of the film forming method include sputtering, CVD (chemical vapor deposition), dipping, MBE, and vapor deposition.

続いて積層した導電体材料上に絶縁性の部材を積層させる。絶縁性部材としては絶縁性であれば特に制限はないが、シリコン、酸化アルミニウム、石英、ガラス、セラミック、プラスティックなどが挙げられる。成膜方法としては先に挙げた方法が挙げられる。   Subsequently, an insulating member is laminated on the laminated conductor material. The insulating member is not particularly limited as long as it is insulating, and examples thereof include silicon, aluminum oxide, quartz, glass, ceramic, and plastic. Examples of the film forming method include the methods described above.

次に、例えば電子線描画装置、収束イオンビーム加工装置により貫通孔をパターニングする。特に基板としてアルミニウムを用い、陽極酸化アルミナナノホールを貫通孔とした構成を、次の様にして作製することができる。即ち前記パターニング工程により、最表面の絶縁性膜及びその下層の導電体材料層を除去後、酸性又はアルカリ性電解液中で陽極酸化することにより、先述のパターニングにより露出したアルミニウム表面から、膜面に対し垂直に配向した微小な細孔を形成させる。次に基板の裏面を機械的に研磨して、貫通孔を作製する。   Next, the through hole is patterned by, for example, an electron beam drawing apparatus or a focused ion beam processing apparatus. In particular, a structure in which aluminum is used as a substrate and anodized alumina nanoholes are through holes can be produced as follows. That is, by removing the outermost insulating film and the underlying conductor material layer by the patterning step, anodization is performed in an acidic or alkaline electrolyte so that the surface of the aluminum exposed by patterning is changed from the exposed surface to the film surface. On the other hand, fine pores oriented vertically are formed. Next, the back surface of the substrate is mechanically polished to produce a through hole.

最後に、ポリメラーゼ又はポリメラーゼと標的核酸及びプライマーとからなる合成複合体を、露出された貫通孔側面の導電体領域表面に固定化する。これにより、基体及び解析素子が形成される。導電体領域表面へのポリメラーゼの固定化方法としては、例えば、以下に述べる(1)から(3)の方法を挙げることができる。   Finally, a polymerase or a synthetic complex composed of a polymerase, a target nucleic acid, and a primer is immobilized on the surface of the exposed conductor region on the side surface of the through hole. Thereby, a base and an analysis element are formed. Examples of the method for immobilizing polymerase on the surface of the conductor region include the methods (1) to (3) described below.

(1)共有結合法
導電体領域表面に直接官能基を導入し、この官能基とポリメラーゼとを共有結合させてポリメラーゼを固定化する。あるいは、導電体領域に固定させた担体に官能基を導入し、この官能基とポリメラーゼとを共有結合させて酵素を固定化する。
(1) Covalent bonding method A functional group is directly introduced on the surface of the conductor region, and the functional group and the polymerase are covalently bonded to immobilize the polymerase. Alternatively, a functional group is introduced into a carrier immobilized on the conductor region, and the functional group and a polymerase are covalently bonded to immobilize the enzyme.

このような共有結合に利用できる官能基として例えば、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基、アルデヒド基、ヒドラジノ基、チオシアネート基、エポキシ基、ビニル基、ハロゲン基、酸エステル基、リン酸基、チオール基、ジスルフィド基、ジチオカルバメート基、ジチオホスフェート基、ジチオホスホネート基、チオエーテル基、チオ硫酸基、チオ尿素基を挙げることができる。   Examples of functional groups that can be used for such covalent bonds include hydroxyl groups, carboxyl groups, amino groups, aldehyde groups, hydrazino groups, thiocyanate groups, epoxy groups, vinyl groups, halogen groups, acid ester groups, phosphate groups, and thiol groups. , Disulfide groups, dithiocarbamate groups, dithiophosphate groups, dithiophosphonate groups, thioether groups, thiosulfate groups, and thiourea groups.

また、アルキルチオールのチオール基が金などの金属に作用して結合し容易に単分子膜(自己組織化単分子膜)を形成できることを利用し、アルキルチオールのアルキル基に予め導入した官能基を介して共有結合により酵素を金属に結合させて酵素を固定化する。アルキルチオールのアルキル基に予め導入した官能基と酵素との共有結合は、例えば二官能性試薬を用いて形成することができる。   In addition, by utilizing the fact that the thiol group of alkylthiol acts on a metal such as gold and can easily bond to form a monomolecular film (self-assembled monomolecular film), a functional group previously introduced into the alkyl group of alkylthiol The enzyme is immobilized by covalently binding the enzyme to the metal. The covalent bond between the functional group previously introduced into the alkyl group of the alkylthiol and the enzyme can be formed using, for example, a bifunctional reagent.

代表的な二官能性試薬としては、グルタルアルデヒド、過ヨウ素酸、N,N'−o−フェニレンジマレイミド、N−スクシニミジル−4−(N−マレイミドメチル)シクロヘキサン−1−カルボキシレート、N−スクシニミジルマレイミド酢酸、N−スクシニミジル−4−マレイミド酪酸、N−スクシニミジル−6−マレイミドヘキサン酸、N−スルホスクシニミジル−4−マレイミドメチルシクロヘキサン−1−カルボン酸、N−スルホスクシニミジル−3−マレイミド安息香酸、N−(4−マレイミドブチリロキシ)スルホスクシンイミド・ナトリウム塩、N−(6−マレイミドカプロイロキシ)スルホスクシンイミド・ナトリウム塩、N−(8−マレイミドカプリロキシ)スルホスクシンイミド・ナトリウム塩、N−(11−マレイミドウンデカノイロキシ)スルホスクシンイミド・ナトリウム塩、N[2−(1−ピペラジニル)エチル]マレイミド・二塩酸、ジスルホン化合物(例えば、ジビニルスルホン化合物など)等が挙げられる。
また、導電体領域に接触して配置する担体としてはアガロース、アガロース分解物、κ−カラギーナン、寒天、アルギン酸、ポリアクリルアミド、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポリビニルアルコール、及びこれらの共重合体等が挙げられる。
Typical bifunctional reagents include glutaraldehyde, periodic acid, N, N′-o-phenylene dimaleimide, N-succinimidyl-4- (N-maleimidomethyl) cyclohexane-1-carboxylate, N-succinate. Sinimidylmaleimidoacetic acid, N-succinimidyl-4-maleimidobutyric acid, N-succinimidyl-6-maleimidohexanoic acid, N-sulfosuccinimidyl-4-maleimidomethylcyclohexane-1-carboxylic acid, N-sulfosuccinimi Dil-3-maleimidobenzoic acid, N- (4-maleimidobutyryloxy) sulfosuccinimide sodium salt, N- (6-maleimidocaproyloxy) sulfosuccinimide sodium salt, N- (8-maleimidocapryloxy) sulfosuccinimide Sodium salt, N- (11-maleimide Undecanoyloxy) sulfosuccinimide / sodium salt, N [2- (1-piperazinyl) ethyl] maleimide / dihydrochloride, disulfone compounds (for example, divinylsulfone compounds) and the like.
Examples of the carrier arranged in contact with the conductor region include agarose, agarose degradation product, κ-carrageenan, agar, alginic acid, polyacrylamide, polyisopropylacrylamide, polyvinyl alcohol, and copolymers thereof.

(2)吸着法(その1)
導電体領域とポリメラーゼとの疎水性相互作用や静電相互作用を利用した物理的吸着法によりポリメラーゼを固定化する。導電体領域へのポリメラーゼの物理的吸着が不可能あるいは不十分である場合には、ポリメラーゼが物理的吸着を起こす担体を介してポリメラーゼを固定化できる。このような担体としては、ポリアリルアミン、ポリリジン、ポリビニルピリジン、アミノ基で変性したデキストラン(たとえばDEAE−デキストラン)、キトサン、ポリグルタメート、ポリスチレンスルホン酸、硫酸デキストラン等のポリアニオンやポリカチオンからなる担体を用いることができる。担体とポリメラーゼとの静電相互作用を利用したイオン結合法によりポリメラーゼを担体に固定し、このポリメラーゼ固定化担体を導電体領域に接触させ配置する。
(2) Adsorption method (1)
The polymerase is immobilized by a physical adsorption method using hydrophobic interaction or electrostatic interaction between the conductor region and the polymerase. If physical adsorption of the polymerase to the conductor region is impossible or insufficient, the polymerase can be immobilized via a carrier that causes physical adsorption of the polymerase. As such a carrier, a carrier made of polyanion or polycation such as polyallylamine, polylysine, polyvinylpyridine, dextran modified with an amino group (for example, DEAE-dextran), chitosan, polyglutamate, polystyrene sulfonic acid, dextran sulfate is used. be able to. The polymerase is fixed to the carrier by an ion binding method using electrostatic interaction between the carrier and the polymerase, and this polymerase-immobilized carrier is placed in contact with the conductor region.

(3)吸着法(その2)
遺伝子組換えタンパク質の精製を容易にするために用いられる各種のアフィニティータグを利用して固定化する。例えば、HA(ヘマグルチニン)、FLAG、Myc等のエピトープタグや、GST、マルトース結合タンパク質、ビオチン化ペプチド、オリゴヒスチジンタグを利用してポリメラーゼを固定化する。
(3) Adsorption method (2)
Immobilization is performed using various affinity tags used to facilitate purification of the recombinant protein. For example, the polymerase is immobilized using epitope tags such as HA (hemagglutinin), FLAG, Myc, etc., GST, maltose-binding protein, biotinylated peptide, oligohistidine tag.

以上の工程により、導電体領域を、貫通孔を有する基板における該貫通孔の側面に配置することを特徴とする解析素子を作製することができる。   Through the above steps, an analysis element characterized in that the conductor region is arranged on the side surface of the through hole in the substrate having the through hole can be manufactured.

このような解析素子に、一定方向のフローを流す手段と、塩基種別解析手段を設けることで第3の形態の解析装置を得ることができる。   By providing means for flowing a flow in a certain direction and base type analysis means in such an analysis element, an analysis device of the third form can be obtained.

また、前記解析素子を用いたDNA塩基配列の解析方法としては、以下の工程を有する方法を挙げることができる。
工程1:前記解析素子に、標的核酸とプライマーとの相補的結合対を含む試料を添加する。これにより標的核酸とプライマーとの相補的結合対は、解析素子のポリメラーゼにより捕捉される。
工程2:ヌクレオチド誘導体を前記ポリメラーゼと共存させる。このヌクレオチド誘導体は、塩基部分は、アデニン(A)、シトシン(C)、グアニン(G)、又はチミン(T)(又はウラシル(U))であり、各々の塩基に対応して、それらのリボース又デオキシリボース部位が相異なる構造で修飾されている。この修飾基の構造は、光学的評価手段、電気化学的評価手段、あるいは磁気的評価手段により、各々判別することができるものとする。またヌクレオチド誘導体は、ポリメラーゼの触媒作用によりプライマーの3'末端に、1塩基伸長されると、それ以上の伸長反応が阻害されるように、前記修飾基又は前記修飾基とは別の種類の修飾基で修飾されているものとする。この工程により、標的核酸とプライマーとの相補的結合対におけるプライマーの3'末端に、標的核酸と相補的な塩基を有するヌクレオチド誘導体が、一塩基だけ伸長される。
工程3:必要であれば、伸長反応に取り込まれなかった余分のヌクレオチド誘導体を除去する。
工程4:ヌクレオチド誘導体に導入された修飾基の構造によって、電気化学的評価手段、あるいは磁気的評価手段により、伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を判定する。
工程5:前記修飾基又は前記修飾基とは別の種類の修飾基を除去する。除去した後にはプライマーの3'末端は、再びポリメラーゼの触媒作用による伸長反応を受けることが可能になるものとする。
上記工程2から工程5を繰返すことにより、標的核酸のDNA塩基配列を逐一解析していくことができる。
Examples of the DNA base sequence analysis method using the analysis element include the following steps.
Step 1: A sample containing a complementary binding pair of a target nucleic acid and a primer is added to the analysis element. Thereby, the complementary binding pair of the target nucleic acid and the primer is captured by the polymerase of the analysis element.
Step 2: A nucleotide derivative is allowed to coexist with the polymerase. In this nucleotide derivative, the base moiety is adenine (A), cytosine (C), guanine (G), or thymine (T) (or uracil (U)). The deoxyribose site is modified with a different structure. The structure of this modifying group can be distinguished by optical evaluation means, electrochemical evaluation means, or magnetic evaluation means. In addition, the nucleotide derivative is modified by a different type from the modifying group or the modifying group so that when the base is extended to the 3 ′ end of the primer by the catalytic action of the polymerase, further extension reaction is inhibited. It shall be modified with a group. By this step, a nucleotide derivative having a base complementary to the target nucleic acid at the 3 ′ end of the primer in the complementary binding pair of the target nucleic acid and the primer is extended by one base.
Step 3: If necessary, excess nucleotide derivatives that have not been incorporated into the extension reaction are removed.
Step 4: Based on the structure of the modifying group introduced into the nucleotide derivative, the base type of the extended nucleotide derivative is determined by electrochemical evaluation means or magnetic evaluation means.
Step 5: Remove the modifying group or another modifying group different from the modifying group. After removal, the 3 ′ end of the primer can again undergo an extension reaction catalyzed by polymerase.
By repeating the above steps 2 to 5, the DNA base sequence of the target nucleic acid can be analyzed one by one.

前述の解析装置を用いたDNA塩基配列の解析方法としては、以下の工程を有する方法を挙げることができる。
工程1:解析装置に、標的核酸とプライマーとの相補的結合対を含む試料を添加する。これにより標的核酸とプライマーとの相補的結合対は、解析装置のポリメラーゼにより捕捉される。なお解析装置が予め標的核酸とプライマーとの相補的結合対を含む場合にはこの工程は省略できる。
工程2:ヌクレオチド誘導体を前記ポリメラーゼと共存させる。このヌクレオチド誘導体は、塩基部分は、アデニン(A)、シトシン(C)、グアニン(G)、又はチミン(T)(又はウラシル(U))であり、各々の塩基に対応して、それらのリボース又デオキシリボース部位が相異なる構造で修飾されている。この修飾基の構造は、電気化学的評価手段、あるいは磁気的評価手段により、各々判別することができるものとする。またヌクレオチド誘導体は、ポリメラーゼの触媒作用によりプライマーの3'末端に、1塩基伸長されると、それ以上の伸長反応が阻害されるように、前記修飾基又は前記修飾基とは別の種類の修飾基で修飾されているものとする。この工程により、標的核酸とプライマーとの相補的結合対におけるプライマーの3'末端に、標的核酸と相補的な塩基を有するヌクレオチド誘導体が、一塩基だけ伸長される。
工程3:必要であれば、伸長反応に取り込まれなかった余分のヌクレオチド誘導体を除去する。
工程4:ヌクレオチド誘導体に導入された修飾基の構造によって、電気化学的評価手段、あるいは磁気的評価手段により、伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を判定する。
工程5:前記修飾基又は前記修飾基とは別の種類の修飾基を除去する工程。この工程の後にはプライマーの3'末端は、再びポリメラーゼの触媒作用による伸長反応を受けることが可能になるものとする。
上記工程2から工程5を繰返すことにより、標的核酸のDNA塩基配列を逐一解析していくことができる。
Examples of the DNA base sequence analysis method using the above-described analysis apparatus include a method having the following steps.
Step 1: A sample containing a complementary binding pair of a target nucleic acid and a primer is added to the analyzer. Thereby, the complementary binding pair of the target nucleic acid and the primer is captured by the polymerase of the analyzer. Note that this step can be omitted when the analyzing apparatus includes a complementary binding pair of a target nucleic acid and a primer in advance.
Step 2: A nucleotide derivative is allowed to coexist with the polymerase. In this nucleotide derivative, the base moiety is adenine (A), cytosine (C), guanine (G), or thymine (T) (or uracil (U)). The deoxyribose site is modified with a different structure. The structure of this modifying group can be discriminated by an electrochemical evaluation means or a magnetic evaluation means. In addition, the nucleotide derivative is modified by a different type from the modifying group or the modifying group so that when the base is extended to the 3 ′ end of the primer by the catalytic action of the polymerase, further extension reaction is inhibited. It shall be modified with a group. By this step, a nucleotide derivative having a base complementary to the target nucleic acid at the 3 ′ end of the primer in the complementary binding pair of the target nucleic acid and the primer is extended by one base.
Step 3: If necessary, excess nucleotide derivatives that have not been incorporated into the extension reaction are removed.
Step 4: Based on the structure of the modifying group introduced into the nucleotide derivative, the base type of the extended nucleotide derivative is determined by electrochemical evaluation means or magnetic evaluation means.
Process 5: The process of removing the modification group different from the said modification group or the said modification group. After this step, the 3 ′ end of the primer should again be able to undergo an extension reaction catalyzed by polymerase.
By repeating the above steps 2 to 5, the DNA base sequence of the target nucleic acid can be analyzed one by one.

(第4の形態)
以下、本発明の第4の形態について説明する。
(4th form)
The fourth embodiment of the present invention will be described below.

本発明は、ポリメラーゼと、センサー部材領域を表面に有する基体と、前記センサー部材領域のうち前記ポリメラーゼが固定された複数のポリメラーゼ固定化領域とからなる解析素子を用いて標的核酸の塩基配列を解析する解析方法であって、
少なくともポリメラーゼによる前記標的核酸と対合したプライマーの伸長反応を行う工程において、該伸長反応を行う反応液に2本鎖DNAに特異的なエキソヌクレアーゼを共存させることを特徴とする解析方法である。
The present invention analyzes a base sequence of a target nucleic acid using an analysis element comprising a polymerase, a substrate having a sensor member region on the surface, and a plurality of polymerase-immobilized regions to which the polymerase is immobilized in the sensor member region. An analysis method for
At least in the step of performing the extension reaction of the primer paired with the target nucleic acid by polymerase, an exonuclease specific for double-stranded DNA is allowed to coexist in the reaction solution for performing the extension reaction.

このような方法を用いることにより、ポリメラーゼの固定化密度を疎にすることなく、ポリメラーゼの触媒作用により標的核酸の2本鎖化が進行した状況において、合成された2本鎖DNAは、共存するエキソヌクレアーゼにより分解される。そのため、合成された2本鎖DNAは、他のポリメラーゼやDNA分子に接触することが防止されるので、標的核酸の塩基配列の解析可能な長さが長くなる。   By using such a method, the synthesized double-stranded DNA coexists in a situation in which the target nucleic acid has been double-stranded by the catalytic action of the polymerase without reducing the immobilization density of the polymerase. Degraded by exonuclease. For this reason, the synthesized double-stranded DNA is prevented from coming into contact with other polymerases or DNA molecules, so that the base sequence of the target nucleic acid can be analyzed.

合成された2本鎖DNAを分解する手段は、具体的にはラムダエキソヌクレアーゼやエキソヌクレアーゼIIIなどの2本鎖DNA特異的なエキソヌクレアーゼを共存させることによって達成できる。ラムダエキソヌクレアーゼ(EC 3.1.11.3)は、2本鎖DNAにのみ作用し、その5'末端から3'末端方向へ、一塩基ずつヌクレオシド5'-リン酸を加水分解により切出す酵素である。そうした触媒作用を有していれば、その由来については限定されない。エキソヌクレアーゼIII(EC 3.1.11.2)は、2本鎖DNAにのみ作用し、その3'末端から5'末端方向へ、一塩基ずつヌクレオシド5'-リン酸を加水分解により切出す酵素である。そうした触媒作用を有していれば、その由来については限定されない。
ラムダエキソヌクレアーゼにより切出されるストランドはプライマー鎖であるので、プライマーの5'末端はリン酸化されている必要がある。
Specifically, the means for decomposing the synthesized double-stranded DNA can be achieved by the coexistence of a double-stranded DNA-specific exonuclease such as lambda exonuclease or exonuclease III. Lambda exonuclease (EC 3.1.11.3) is an enzyme that acts only on double-stranded DNA and excises nucleoside 5'-phosphate by hydrolysis one base at a time from the 5 'end toward the 3' end. As long as it has such a catalytic action, its origin is not limited. Exonuclease III (EC 3.1.11.2) is an enzyme that acts only on double-stranded DNA and cleaves nucleoside 5'-phosphate by hydrolysis from the 3 'end toward the 5' end one by one. As long as it has such a catalytic action, its origin is not limited.
Since the strand cleaved by lambda exonuclease is a primer strand, the 5 ′ end of the primer needs to be phosphorylated.

前記解析方法としては、例えば、以下の工程により行うことができる。
工程1:解析装置に、標的核酸とプライマーとの相補的結合対を含む試料を添加する。これにより標的核酸とプライマーとの相補的結合対は、解析装置のポリメラーゼにより捕捉される。
工程2:ヌクレオチド誘導体を前記ポリメラーゼと共存させる。このヌクレオチド誘導体は、塩基部分は、アデニン(A)、シトシン(C)、グアニン(G)、又はチミン(T)(又はウラシル(U))であり、各々の塩基に対応して、それらのリボース又デオキシリボース部位が相異なる構造で修飾されている。この修飾基の構造は、光学的評価手段、電気化学的評価手段、あるいは磁気的評価手段により、各々判別することができるものとする。またヌクレオチド誘導体は、ポリメラーゼの触媒作用によりプライマーの3'末端に、1塩基伸長されると、それ以上の伸長反応が阻害されるように、前記修飾基又は前記修飾基とは別の種類の修飾基で修飾されているものとする。この工程により、標的核酸とプライマーとの相補的結合対におけるプライマーの3'末端に、標的核酸と相補的な塩基を有するヌクレオチド誘導体が、一塩基だけ伸長される。
工程3:必要であれば、伸長反応に取り込まれなかった余分のヌクレオチド誘導体を除去する。
工程4:ヌクレオチド誘導体に導入された修飾基の構造によって、光学的評価手段、電気化学的評価手段、あるいは磁気的評価手段により、伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を判定する。
工程5:前記修飾基又は前記修飾基とは別の種類の修飾基を除去する。除去した後にはプライマーの3'末端は、再びポリメラーゼの触媒作用による伸長反応を受けることが可能になるものとする。
上記工程2から工程5を繰返すことにより、標的核酸のDNA塩基配列を逐一解析していくことができるが、本発明は、特に上記工程2において、伸長反応を行う反応液中にエキソヌクレアーゼを共存させることを特徴とする。
The analysis method can be performed, for example, by the following steps.
Step 1: A sample containing a complementary binding pair of a target nucleic acid and a primer is added to the analyzer. Thereby, the complementary binding pair of the target nucleic acid and the primer is captured by the polymerase of the analyzer.
Step 2: A nucleotide derivative is allowed to coexist with the polymerase. In this nucleotide derivative, the base moiety is adenine (A), cytosine (C), guanine (G), or thymine (T) (or uracil (U)). The deoxyribose site is modified with a different structure. The structure of this modifying group can be distinguished by optical evaluation means, electrochemical evaluation means, or magnetic evaluation means. In addition, the nucleotide derivative is modified by a different type from the modifying group or the modifying group so that when the base is extended to the 3 ′ end of the primer by the catalytic action of the polymerase, further extension reaction is inhibited. It shall be modified with a group. By this step, a nucleotide derivative having a base complementary to the target nucleic acid at the 3 ′ end of the primer in the complementary binding pair of the target nucleic acid and the primer is extended by one base.
Step 3: If necessary, excess nucleotide derivatives that have not been incorporated into the extension reaction are removed.
Step 4: The base type of the extended nucleotide derivative is determined by optical evaluation means, electrochemical evaluation means, or magnetic evaluation means, depending on the structure of the modifying group introduced into the nucleotide derivative.
Step 5: Remove the modifying group or another modifying group different from the modifying group. After removal, the 3 ′ end of the primer can again undergo an extension reaction catalyzed by polymerase.
By repeating steps 2 to 5, the DNA base sequence of the target nucleic acid can be analyzed one by one. In the present invention, in particular, in the above step 2, exonuclease coexists in the reaction solution for performing the extension reaction. It is characterized by making it.

すべての実施例に共通する事項として、センサー部材領域上に固定化されたポリメラーゼの定量方法や、ポリメラーゼにより合成される2本鎖DNAの平均的長さ(塩基数)の測定方法について説明する。   As a matter common to all the examples, a method for quantifying the polymerase immobilized on the sensor member region and a method for measuring the average length (number of bases) of double-stranded DNA synthesized by the polymerase will be described.

センサー部材領域上にポリメラーゼが固定化された解析素子に対して、適当な緩衝液中で1本鎖標的核酸とプライマーを添加する。プライマーは、標的核酸にハイブリダイゼーションし、3'伸長末端に隣接する1塩基目と2塩基目が相異なる様に設計しておく。
続いて伸長される1塩基目に対応するヌクレオシド5'−三リン酸を添加する。
この工程で添加したヌクレオシド5'−三リン酸はプライマーの3'末端に付加され、ピロリン酸が遊離する。適当な時間経過後、反応溶液を回収する。回収した反応溶液に、ATP sulfurylase (EC 2. 7. 7. 4)及び、Adenylylsulfateを添加することによって、次の反応:
Pyrophosphate + Adenylylsulfate = ATP + Sulfate
を惹起させ、ATPを合成する。
更に、この反応溶液にルシフェラーゼ(EC 1. 13. 12. 7)及び、ルシフェリンを添加することによって、次の反応:
luciferin + O2 + ATP = oxidized luciferin + CO2 + AMP + diphosphate + hn
を惹起する。ルミノメータを用いて、この反応に伴う発光量(L1)を計測する。
A single-stranded target nucleic acid and a primer are added in an appropriate buffer solution to an analysis element in which a polymerase is immobilized on the sensor member region. Primers are designed to hybridize to the target nucleic acid so that the first and second bases adjacent to the 3 ′ extension end are different.
Subsequently, the nucleoside 5′-triphosphate corresponding to the first base to be extended is added.
The nucleoside 5′-triphosphate added in this step is added to the 3 ′ end of the primer, and pyrophosphate is released. After a suitable time has elapsed, the reaction solution is recovered. By adding ATP sulfurylase (EC 2. 7. 7. 4) and Adenylylsulfate to the collected reaction solution, the following reaction:
Pyrophosphate + Adenylylsulfate = ATP + Sulfate
To synthesize ATP.
Furthermore, by adding luciferase (EC 1. 13. 12. 7) and luciferin to this reaction solution, the following reaction is performed:
luciferin + O2 + ATP = oxidized luciferin + CO2 + AMP + diphosphate + hn
To provoke. Using a luminometer, measure the luminescence (L1) associated with this reaction.

発光量(L1)は反応溶液中のATP量に比例し、これは先の反応溶液中のピロリン酸量に比例する。ピロリン酸の量は、プライマーの3'末端に伸長されたヌクレオチドの数に相当するので、発光量(L1)は、固定化されたポリメラーゼの量に比例する。   The amount of luminescence (L1) is proportional to the amount of ATP in the reaction solution, which is proportional to the amount of pyrophosphate in the previous reaction solution. Since the amount of pyrophosphate corresponds to the number of nucleotides extended to the 3 ′ end of the primer, the amount of luminescence (L1) is proportional to the amount of immobilized polymerase.

続いて、解析素子に対して、4種類のヌクレオシド5'−三リン酸の混合溶液を添加し、伸長反応を開始させる。適当な時間の経過後、反応溶液を回収し、前述の酵素及び基質を添加することによって、ルシフェリンの発光反応に導き、発光量(L2)をルミノメータにより計測する。   Subsequently, a mixed solution of four kinds of nucleoside 5′-triphosphates is added to the analysis element to start an extension reaction. After a lapse of an appropriate time, the reaction solution is recovered, and the aforementioned enzyme and substrate are added to lead to a luciferin luminescence reaction, and the luminescence (L2) is measured with a luminometer.

発光量(L2)は反応溶液の回収時点までに伸長されたヌクレオチドの総量に比例する。
計測される2つの発光量を用いて計算される次の値:
(L2+L1)/L1
を、ポリメラーゼにより合成される2本鎖DNAの平均的長さ(塩基数換算)として、以下の実施例における評価方法として用いる。
The amount of luminescence (L2) is proportional to the total amount of nucleotides extended up to the point of recovery of the reaction solution.
The following values calculated using the two measured light emission quantities:
(L2 + L1) / L1
Is used as an evaluation method in the following Examples as the average length (base conversion) of double-stranded DNA synthesized by polymerase.

次にすべての実施例に共通する事項として、DNAポリメラーゼの調製方法について説明する。
Thermus aquaticus [ATCC 25104]より常法によりゲノムDNAを取得する。このゲノムDNAを鋳型にして、以下の合成オリゴDNAをプライマーとして用いてPCRを行い、2487bpのDNA増幅産物を得る。
5’- aataatACCGGTctgcccctctttgagcccaagggccgggtc -3’ (AgeI) [配列番号1]、及び
5’- aataatGTCGACtcactccttggcggagagccagtcctcccc-3’ (SalI) [配列番号2]
このDNA増幅産物を制限酵素AgeI及びSalIで消化切断し、pET-45b(+)(Novagen社製)の同じ制限酵素サイトに挿入することによって、発現ベクターpET45-TaqDPを作製する。
発現ベクターpET45-TaqDPを常法に従いE.coli BL21(DE3)に形質転換する。形質転換体は抗生物質アンピシリンに対する耐性株として選別することができる。
Next, as a matter common to all Examples, a method for preparing a DNA polymerase will be described.
Genomic DNA is obtained from Thermus aquaticus [ATCC 25104] by a conventional method. Using this genomic DNA as a template, PCR is performed using the following synthetic oligo DNA as a primer to obtain a DNA amplification product of 2487 bp.
5'-aataatACCGGTctgcccctctttgagcccaagggccgggtc-3 '(AgeI) [SEQ ID NO: 1], and
5'-aataatGTCGACtcactccttggcggagagccagtcctcccc-3 '(SalI) [SEQ ID NO: 2]
This DNA amplification product is digested and cleaved with restriction enzymes AgeI and SalI, and inserted into the same restriction enzyme site of pET-45b (+) (manufactured by Novagen) to produce the expression vector pET45-TaqDP.
The expression vector pET45-TaqDP is transformed into E. coli BL21 (DE3) according to a conventional method. The transformant can be selected as a resistant strain against the antibiotic ampicillin.

形質転換体を、抗生物質としてアンピシリンを添加したLB培地10mLで一晩プレ・カルチャーする。その後、その0.2mLを、100mLのLB-Amp培地に添加し、30℃、170rpmで4時間振とう培養する。その後IPTGを添加 (終濃度 1mM) し、37℃で4~12時間培養を続ける。IPTG 誘導した形質転換体を集菌 (8000×g、 2分、4℃) し、1/10 量の 4℃ PBSに再懸濁する。凍結融解及びソニケーションにより菌体を破砕し、遠心 (8000×g、 10分、4℃)して固形夾雑物を取り除く。目的の発現タンパク質が上清に存在することをSDS-PAGEで確認した後、誘導発現されたHisタグ融合タンパク質をニッケルキレートカラムを用いて精製する。   Transformants are pre-cultured overnight in 10 mL of LB medium supplemented with ampicillin as an antibiotic. Thereafter, 0.2 mL of the resultant is added to 100 mL of LB-Amp medium, and cultured with shaking at 30 ° C. and 170 rpm for 4 hours. Thereafter, IPTG is added (final concentration 1 mM), and the culture is continued at 37 ° C. for 4 to 12 hours. Collect the IPTG-induced transformant (8000 × g, 2 min, 4 ° C) and resuspend in 1/10 volume of 4 ° C PBS. Crush the cells by freeze-thawing and sonication, and centrifuge (8000 xg, 10 min, 4 ° C) to remove solid contaminants. After confirming that the target expressed protein is present in the supernatant by SDS-PAGE, the inducibly expressed His-tag fusion protein is purified using a nickel chelate column.

上記測定方法に供される標的核酸のモデルとして、大腸菌由来のゲノムDNA(Escherichia coli K-12, ATCC 10798D-5)を、またプライマーとして以下の合成オリゴDNA
5'- aaattgaagagtttgatcatggctc -3' [配列番号3]
を用いた。配列番号3で表されるプライマーは、16SリボゾーマルRNAをコードする遺伝子に相補的な配列で、3'末端に最初に伸長される塩基は、アデニン(A)である。
As a target nucleic acid model to be used in the above measurement method, E. coli-derived genomic DNA (Escherichia coli K-12, ATCC 10798D-5) is used, and the following synthetic oligo DNA is used as a primer.
5'- aaattgaagagtttgatcatggctc -3 '[SEQ ID NO: 3]
Was used. The primer represented by SEQ ID NO: 3 is a sequence complementary to a gene encoding 16S ribosomal RNA, and the base that is first extended to the 3 ′ end is adenine (A).

(実施例1)
本実施例は、伸長される二本鎖化した標的核酸が互いに干渉しない手段として、一定方向のフローを与えることで、二本鎖化した標的核酸間にフローによる障壁を形成させることを特徴とする例を説明する。なお、標的核酸は、大腸菌由来のゲノムDNA(Escherichia coli K-12, ATCC 10798D-5)を、制限酵素Nru Iで消化したフラグメントを用い、プライマーとして以下の合成オリゴDNA5'- aaattgaagagtttgatcatggctc -3' [配列番号3]を用いる。このプライマーにより解析される標的核酸の長さは、1,439塩基対で、約480 nmである。
Example 1
This example is characterized in that a flow barrier is formed between double-stranded target nucleic acids by providing a flow in a certain direction as a means of preventing the extended double-stranded target nucleic acids from interfering with each other. An example will be described. The target nucleic acid used was a fragment obtained by digesting E. coli-derived genomic DNA (Escherichia coli K-12, ATCC 10798D-5) with the restriction enzyme Nru I, and the following synthetic oligo DNA 5'-aaattgaagagtttgatcatggctc-3 '[ SEQ ID NO: 3] is used. The length of the target nucleic acid analyzed by this primer is 1,439 base pairs and about 480 nm.

図1は本実施例の検出素子の一部を示す概略図である。基板101上に流路102が形成されており、流路102に交差して導波路103が設けられている。導波路103の一部が流路の底面で露出しており、ポリメラーゼが固定化される支持体表面(センサー部材領域)104として利用される。   FIG. 1 is a schematic view showing a part of the detection element of this embodiment. A channel 102 is formed on the substrate 101, and a waveguide 103 is provided so as to intersect the channel 102. A part of the waveguide 103 is exposed at the bottom surface of the flow path, and is used as a support surface (sensor member region) 104 on which the polymerase is immobilized.

図2は図1における支持体表面104部分を拡大した模式図である。図2において、支持体表面104上には、ポリメラーゼ固定化領域204とポリメラーゼ非固定化領域205とが交互に、送液方向に交叉して順次形成されている。ポリメラーゼ固定化領域の幅は10乃至50nmで、ここにポリメラーゼ201が固定化されている。ポリメラーゼ非固定化領域の幅は、約500nmであり、標的核酸202が2本鎖化されても、下流のポリメラーゼに衝突しない程度の距離で保たれている。   FIG. 2 is an enlarged schematic view of the support surface 104 portion in FIG. In FIG. 2, on the support surface 104, a polymerase immobilization region 204 and a polymerase non-immobilization region 205 are alternately formed sequentially in the liquid feeding direction. The width of the polymerase immobilization region is 10 to 50 nm, and the polymerase 201 is immobilized thereon. The width of the polymerase non-immobilized region is about 500 nm, and is kept at a distance that does not collide with the downstream polymerase even when the target nucleic acid 202 is double-stranded.

図3はポリメラーゼ固定化領域204とポリメラーゼ非固定化領域205とを支持体表面104上に順次形成する方法の一例を示した概略図である。支持体表面104上にレジスト301を塗布し、電子線描画プロセスによってポリメラーゼ固定化領域204をパターニングする。ここに、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業社製)を反応させ、シランカップリングによりポリメラーゼ固定化領域204上にチオール基を修飾する。次にMaleimido-C3-NTA(商品名、同仁化学研究所製、化学名:
N-[5-(3'-Maleimidopropylamido)-1-carboxypentyl]iminodiacetic acid, disodium salt, monohydrate)を反応させ、ポリメラーゼ固定化領域204上にニトリロトリ酢酸基を修飾する。
次にレジスト301を剥離し、ここに、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業社製)を反応させ、シランカップリングによりポリメラーゼ非固定化領域205上にチオール基を修飾する。次に4-Maleimidobutyric acid(シグマ−アルドリッチ社製)を反応させ、ポリメラーゼ非固定化領域205上にカルボキシル基を修飾する。
FIG. 3 is a schematic view showing an example of a method for sequentially forming the polymerase immobilization region 204 and the polymerase non-immobilization region 205 on the support surface 104. A resist 301 is applied on the support surface 104, and the polymerase immobilization region 204 is patterned by an electron beam drawing process. Here, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) is reacted, and a thiol group is modified on the polymerase immobilization region 204 by silane coupling. Next, Maleimido-C3-NTA (trade name, manufactured by Dojin Chemical Laboratory, chemical name:
N- [5- (3′-Maleimidopropylamido) -1-carboxypentyl] iminodiacetic acid, disodium salt, monohydrate) is reacted to modify the nitrilotriacetic acid group on the polymerase immobilization region 204.
Next, the resist 301 is stripped, and 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) is reacted therewith to modify a thiol group on the polymerase non-immobilized region 205 by silane coupling. Next, 4-Maleimidobutyric acid (manufactured by Sigma-Aldrich) is reacted to modify the carboxyl group on the polymerase non-immobilized region 205.

次にニッケルイオンを添加し、ポリメラーゼ固定化領域204上にニトリロトリ酢酸のニッケル錯体(Ni−NTA)を修飾する。   Next, nickel ions are added to modify the nitrilotriacetic acid nickel complex (Ni-NTA) on the polymerase immobilization region 204.

最後にポリメラーゼ又はポリメラーゼと標的核酸及びプライマーとからなる複合体を添加し、ポリメラーゼに付加されたヒスチジンタグを利用して、これらをポリメラーゼ固定化領域204上に固定化する。   Finally, a polymerase or a complex consisting of a polymerase, a target nucleic acid and a primer is added, and these are immobilized on the polymerase immobilization region 204 using a histidine tag added to the polymerase.

本実施例の解析装置においては、導波路上に固定化されたポリメラーゼを利用して、Sequencing by synthesis法により標的核酸の塩基配列を解析する目的に使用することができる。その解析手順の一例について説明する。   In the analysis apparatus of the present embodiment, the polymerase immobilized on the waveguide can be used for the purpose of analyzing the base sequence of the target nucleic acid by the sequencing by synthesis method. An example of the analysis procedure will be described.

ポリメラーゼ固定化領域204上に固定化されたポリメラーゼに、標的核酸とプライマーとの相補的結合対を添加することにより、ポリメラーゼと相補的結合対との複合体を形成させる。次に蛍光物質により標識されたヌクレオシド5'−三リン酸を添加する。蛍光物質により標識されたヌクレオシド5'−三リン酸は、標的核酸の塩基種別に応じて、それと相補的な塩基をもつものが、選択されプライマーの3'末端に付加される。蛍光物質の標識部位は、例えばリボースの3'水酸基であり、一塩基伸長されると、それ以降の更なる伸長反応は停止される。   By adding a complementary binding pair of the target nucleic acid and the primer to the polymerase immobilized on the polymerase immobilization region 204, a complex of the polymerase and the complementary binding pair is formed. Next, a nucleoside 5′-triphosphate labeled with a fluorescent substance is added. The nucleoside 5′-triphosphate labeled with a fluorescent substance is selected according to the base type of the target nucleic acid, and has a base complementary thereto and added to the 3 ′ end of the primer. The labeling site of the fluorescent substance is, for example, the 3 ′ hydroxyl group of ribose. When the base is extended by one base, further extension reaction thereafter is stopped.

伸長反応に利用されなかった余分のヌクレオシド5'−三リン酸を洗浄して除去した後、導波路103を通じて蛍光物質の励起光を照射することにより、伸長された塩基種別に応じた蛍光を情報として取得する。   Excess nucleoside 5′-triphosphate that was not used for the extension reaction was removed by washing, and then the fluorescence corresponding to the extended base type was obtained by irradiating the excitation light of the fluorescent substance through the waveguide 103. Get as.

次に、酸、アルカリ、又は光照射により、蛍光標識を脱離させ、3'伸長末端を伸長可能な状態に変化させる。   Next, the fluorescent label is removed by acid, alkali, or light irradiation, and the 3 ′ extension terminal is changed to a state capable of extension.

以上の工程を繰返すことにより、標的核酸の塩基配列情報を取得する。プライマーの3’末端の伸長工程において、ペリスタポンプを用いて流路102に線流速200cm/hのフローを発生させた場合と、発生させない場合で、合成される2本鎖DNAの平均的長さを、ルシフェリンの発光反応を用いて評価する。   By repeating the above steps, the base sequence information of the target nucleic acid is obtained. In the extension step of the 3 ′ end of the primer, the average length of the double-stranded DNA to be synthesized is determined depending on whether or not a flow with a linear flow rate of 200 cm / h is generated in the channel 102 using a peristaltic pump. Evaluation is performed using the luminescence reaction of luciferin.

ポリメラーゼにより合成される2本鎖DNAの平均的長さ(塩基数換算)は、フローを行わない場合より長くなることが確認される。   It is confirmed that the average length (base number conversion) of the double-stranded DNA synthesized by the polymerase is longer than when no flow is performed.

(実施例2)
本実施例は、実施例1と同様、伸長される二本鎖化した標的核酸が互いに干渉しない手段として、一定方向のフローを与えることで、二本鎖化した標的核酸間にフローによる障壁を形成させることを特徴とする例である。
(Example 2)
As in Example 1, this example provides a flow in a certain direction as a means of preventing the extended double-stranded target nucleic acids from interfering with each other, thereby providing a flow barrier between the double-stranded target nucleic acids. It is an example characterized by forming.

図6は本実施例の解析素子の構成を示す概略図である。導電性を有する多孔質体401の一方の表面に、ポリメラーゼ201が固定化されている。多孔質体401の一方の側から、ポリメラーゼの固定化されている側へ、フローを有しており、合成された2本鎖DNAは、他のポリメラーゼに衝突しない様になっている。   FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the analysis element of this example. Polymerase 201 is immobilized on one surface of porous body 401 having conductivity. There is a flow from one side of the porous body 401 to the side on which the polymerase is immobilized, so that the synthesized double-stranded DNA does not collide with other polymerases.

本実施例の構成の解析素子の作製方法は次の通りである。
金めっきを行ったステンレス製の発泡金属(三菱マテリアル、SUS316L、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を3mm角に切断、洗浄、乾燥を行った後、UVオゾン処理を行い親水化する。Dithiobis(C2-NTA)(商品名、同仁化学研究所製、化学名:
3,3'-Dithiobis[N-(5-amino-5-carboxypentyl)propionamide-N',N'-diacetic acid] dihydrochloride)
を反応させ、多孔質体401の表面にニトリロトリ酢酸基を修飾する。次にニッケルイオンを添加し、多孔質体401の表面にニトリロトリ酢酸のニッケル錯体(Ni−NTA)を修飾する。
最後にポリメラーゼ又はポリメラーゼと標的核酸及びプライマーとからなる複合体を添加し、ポリメラーゼに付加されたヒスチジンタグを利用して、これらを多孔質体401の表面に固定化する。
A method for producing an analysis element having the configuration of this example is as follows.
Stainless steel foam metal (Mitsubishi Materials, SUS316L, thickness 0.5mm, gold plating thickness 0.5μm, hole diameter 50μm) cut to 3mm square, washed and dried, then UV ozone treated To make it hydrophilic. Dithiobis (C2-NTA) (trade name, manufactured by Dojin Chemical Laboratory, chemical name:
3,3'-Dithiobis [N- (5-amino-5-carboxypentyl) propionamide-N ', N'-diacetic acid] dihydrochloride)
To modify the surface of the porous body 401 with nitrilotriacetic acid groups. Next, nickel ions are added to modify the surface of the porous body 401 with a nickel complex of nitrilotriacetic acid (Ni-NTA).
Finally, a polymerase or a complex composed of a polymerase, a target nucleic acid, and a primer is added, and these are immobilized on the surface of the porous body 401 using a histidine tag added to the polymerase.

本実施例の解析素子においては、導電体領域上に固定化されたポリメラーゼを利用して、Sequencing by synthesis法により標的核酸の塩基配列を解析する目的に使用することができる。その解析手順の一例について説明する。   The analysis element of this example can be used for the purpose of analyzing the base sequence of a target nucleic acid by a sequencing by synthesis method using a polymerase immobilized on a conductor region. An example of the analysis procedure will be described.

導電体領域上に固定化されたポリメラーゼに、標的核酸とプライマーとの相補的結合対を添加することにより、ポリメラーゼと相補的結合対との複合体を形成させる。次に電気化学的活性基により標識されたヌクレオシド5'−三リン酸を添加する。電気化学的活性基により標識されたヌクレオシド5'−三リン酸は、標的核酸の塩基種別に応じて、それと相補的な塩基をもつものが、選択されプライマーの3'末端に付加される。電気化学的活性基は、例えばリボースの3'水酸基における水素原子の置換基であり、一塩基伸長されると、それ以降の更なる伸長反応は停止される。
伸長反応に利用されなかった余分のヌクレオシド5'−三リン酸を洗浄して除去した後、導電体領域を通じて電気化学的活性基を電気化学的に酸化又は還元することにより、その酸化還元電位から伸長された塩基種別を判別する。
By adding a complementary binding pair of the target nucleic acid and the primer to the polymerase immobilized on the conductor region, a complex of the polymerase and the complementary binding pair is formed. Next, a nucleoside 5'-triphosphate labeled with an electrochemically active group is added. The nucleoside 5′-triphosphate labeled with the electrochemically active group is selected depending on the base type of the target nucleic acid, and the one having a complementary base is added to the 3 ′ end of the primer. The electrochemically active group is, for example, a hydrogen atom substituent in the 3 ′ hydroxyl group of ribose. When the base is extended by one base, further extension reaction thereafter is stopped.
After the excess nucleoside 5′-triphosphate that was not used for the extension reaction was removed by washing, the electrochemically active group was electrochemically oxidized or reduced through the conductor region, thereby removing the redox potential from the redox potential. The extended base type is determined.

ここで、電気化学的活性基の電気化学的変換にともなって、該電気化学的活性基が脱離する反応が惹起され、3’伸長末端が伸長可能な状態に変化するようにしておくことが望ましい。そうすることにより、伸長反応が再開されるので、以上の工程を繰返すことにより、標的核酸の塩基配列情報を順次取得することができる。   Here, with the electrochemical conversion of the electrochemically active group, a reaction for detaching the electrochemically active group is induced, and the 3 ′ extension end may be changed to an extendable state. desirable. By doing so, since the extension reaction is restarted, the base sequence information of the target nucleic acid can be obtained sequentially by repeating the above steps.

プライマーの3’末端の伸長工程において、ペリスタポンプを用いて多孔質体401の一方の側から、ポリメラーゼの固定化されている側へ、線流速200cm/hのフローを発生させる。フローを発生させた場合と、発生させない場合で、合成される2本鎖DNAの平均的長さを、ルシフェリンの発光反応を用いて評価する。   In the step of extending the 3 ′ end of the primer, a flow with a linear flow rate of 200 cm / h is generated from one side of the porous body 401 to the side where the polymerase is immobilized using a peristaltic pump. The average length of the double-stranded DNA synthesized in the case where the flow is generated and the case where the flow is not generated is evaluated using the luminescence reaction of luciferin.

ポリメラーゼにより合成される2本鎖DNAの平均的長さ(塩基数換算)は、フローを行わない場合より長くなることが確認される。   It is confirmed that the average length (base number conversion) of the double-stranded DNA synthesized by the polymerase is longer than when no flow is performed.

(実施例3)
本実施例は、伸長される二本鎖化した標的核酸が互いに干渉しない手段の例として、次の構成の基板を有する解析素子について説明する。すなわち、本実施例の解析素子の基板は、導電体領域が貫通孔を有する基板における該貫通孔の側面に配置されており、該貫通孔の径が10乃至50nmであり、また導電体領域の貫通孔深さ方向の厚みが10乃至50nmである。
(Example 3)
In this example, an analysis element having a substrate having the following structure will be described as an example of means for preventing the elongated double-stranded target nucleic acids from interfering with each other. That is, the substrate of the analysis element of this example is disposed on the side surface of the through hole in the substrate having the through hole in the conductive region, and the diameter of the through hole is 10 to 50 nm. The thickness in the through-hole depth direction is 10 to 50 nm.

図4及び図5は本実施例の検出素子の構成を示す概略図である。図4は解析素子の上面図を示し、図5は図4におけるA−A’間の素子の断面図を示す。絶縁性の基板101上に導電体領域601が厚み10乃至50nmで積層し、更にその上に絶縁性膜501が積層している。基板101、導電体領域601、及び絶縁体領域501を貫通して孔が設けられており、露出した導電体領域601の側面にポリメラーゼ201と標的核酸202の複合体が固定化されている。   4 and 5 are schematic views showing the configuration of the detection element of this example. 4 shows a top view of the analysis element, and FIG. 5 shows a cross-sectional view of the element between A and A ′ in FIG. 4. A conductor region 601 is laminated with a thickness of 10 to 50 nm on an insulating substrate 101, and an insulating film 501 is further laminated thereon. A hole is provided through the substrate 101, the conductor region 601, and the insulator region 501, and the complex of the polymerase 201 and the target nucleic acid 202 is immobilized on the exposed side surface of the conductor region 601.

この構成の構造体は、絶縁性の基板101、導電体領域601、及び絶縁体領域501の積層構造体に、例えば電子線描画装置、収束イオンビーム加工装置により貫通孔をパターニングすることにより作製することができる。   The structure having this structure is manufactured by patterning a through-hole in a stacked structure of the insulating substrate 101, the conductor region 601, and the insulator region 501 using, for example, an electron beam drawing apparatus or a focused ion beam processing apparatus. be able to.

露出した導電体領域601の側面にポリメラーゼ201と標的核酸202の複合体が固定化する手順は、実施例2と同様にDithiobis(C2-NTA)(商品名、同仁化学研究所製、化学名:3,3'-Dithiobis[N-(5-amino-5-carboxypentyl)propionamide-N',N'-diacetic acid] dihydrochloride)
を反応させ、露出した導電体領域601の側面にニトリロトリ酢酸基を修飾する。次にニッケルイオンを添加し、露出した導電体領域601の側面にニトリロトリ酢酸のニッケル錯体(Ni−NTA)を修飾する。
The procedure for immobilizing the complex of the polymerase 201 and the target nucleic acid 202 on the exposed side surface of the conductor region 601 was as in Example 2 as Dithiobis (C2-NTA) (trade name, manufactured by Dojindo Laboratories, chemical name: 3,3'-Dithiobis [N- (5-amino-5-carboxypentyl) propionamide-N ', N'-diacetic acid] dihydrochloride)
The nitrilotriacetic acid group is modified on the exposed side surface of the conductor region 601. Next, nickel ions are added, and a nickel complex of nitrilotriacetic acid (Ni-NTA) is modified on the exposed side surface of the conductor region 601.

最後にポリメラーゼ又はポリメラーゼと標的核酸、及びプライマーとからなる複合体を添加し、ポリメラーゼに付加されたヒスチジンタグを利用して、これらを露出した導電体領域601の側面上に固定化する。   Finally, a polymerase or a complex consisting of a polymerase, a target nucleic acid, and a primer is added, and these are immobilized on the exposed side surface of the conductor region 601 using a histidine tag added to the polymerase.

図7は本実施例の解析装置の構成を示す概略図である。このDNA塩基配列解析装置において、解析素子(作用電極)、対極、参照電極により3極セルが構成されており、これらはポテンショスタットに接続されている。電極電位設定のためのファンクションジェネレーター、及び計測、及びデータ処理のためのコンピュータが更にポテンショスタットに接続されている。作用電極に印加される電圧は、ファンクションジェネレーターによりプログラムされており、ポテンショスタットを経て印加される。印加された電圧とこのとき観測される電流値はコンピュータに送られ収集される。コンピュータでは、解析素子に印加された電圧と電流値から伸長鎖に結合したヌクレオチド誘導体の種類すなわち伸長された塩基の種類を同定する。   FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the analysis apparatus of this embodiment. In this DNA base sequence analyzer, a triode cell is constituted by an analysis element (working electrode), a counter electrode, and a reference electrode, and these are connected to a potentiostat. A function generator for setting the electrode potential and a computer for measurement and data processing are further connected to the potentiostat. The voltage applied to the working electrode is programmed by a function generator and is applied via a potentiostat. The applied voltage and the current value observed at this time are sent to a computer and collected. The computer identifies the type of nucleotide derivative bound to the extended chain, that is, the type of extended base, from the voltage and current values applied to the analysis element.

(実施例4)
本実施例は、伸長される二本鎖化した標的核酸が互いに干渉しない手段として、伸長反応を行う反応液に2本鎖DNAに特異的なエキソヌクレアーゼを共存させる、DNA塩基配列解析方法の例である。
Example 4
This example is an example of a DNA base sequence analysis method in which an exonuclease specific to double-stranded DNA is allowed to coexist in a reaction solution for performing an extension reaction as a means for preventing the extended double-stranded target nucleic acids from interfering with each other. It is.

図1は本実施例の解析素子の全体構成を示す概略図である。基板101上に流路102が形成されており、流路102に交差して導波路103が設けられている。導波路103の一部が流路の底面で露出しており、ポリメラーゼが固定化される支持体表面104として利用される。実施例1とは異なり、支持体表面104上にはポリメラーゼがランダムに固定化されている。支持体表面104上に固定化されているポリメラーゼの密度は2.2×108分子/mm2である。標的核酸のモデルとして、大腸菌由来のゲノムDNA(Escherichia coli K-12, ATCC 10798D-5)を、またプライマーとして以下の合成オリゴDNA
5'- aaattgaagagtttgatcatggctc -3' [配列番号3]
を用いる。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of the analysis element of this example. A channel 102 is formed on the substrate 101, and a waveguide 103 is provided so as to intersect the channel 102. A part of the waveguide 103 is exposed at the bottom surface of the channel, and is used as the support surface 104 on which the polymerase is immobilized. Unlike Example 1, polymerases are immobilized on the support surface 104 at random. The density of the polymerase immobilized on the support surface 104 is 2.2 × 10 8 molecules / mm 2 . E. coli-derived genomic DNA (Escherichia coli K-12, ATCC 10798D-5) as a target nucleic acid model, and the following synthetic oligo DNA as a primer
5'- aaattgaagagtttgatcatggctc -3 '[SEQ ID NO: 3]
Is used.

ゲノムDNAとプライマーとの混合物を解析素子に送液し、解析素子上のポリメラーゼにより捕捉させる。捕捉されなかったゲノムDNAとプライマーとの混合物を、緩衝液を送液することで除いた後、2’デオキシアデノシン−5’−三リン酸を含む緩衝液を送液することで、最初の1塩基だけ伸長反応を惹起させる。伸長反応により遊離されたピロリン酸を回収し、前述の発光反応に導き定量することで、ポリメラーゼにより捕捉された標的核酸/プライマーの複合体の量(L1)とする。   The mixture of genomic DNA and primers is sent to the analysis element and captured by the polymerase on the analysis element. The mixture of genomic DNA that was not captured and the primer was removed by sending a buffer solution, and then a buffer solution containing 2 ′ deoxyadenosine-5′-triphosphate was sent to the first 1 Only bases cause an extension reaction. The pyrophosphoric acid liberated by the extension reaction is recovered, and led to the above-mentioned luminescence reaction and quantified to obtain the amount of target nucleic acid / primer complex (L1) captured by the polymerase.

次に、アデニン、シトシン、グアニン及びチミンの4種の塩基からなる2’デオキシヌクレオシド−5’−三リン酸の混合物を送液することで、伸長反応を惹起させる。一定時間後反応溶液を回収し、発光反応に導き遊離されたピロリン酸を定量することで、その時間にポリメラーゼにより伸長された標的核酸量(L2)を見積もる。
二つの量を用いて計算される次の値
(L2+L1)/L1
を、ポリメラーゼにより合成される2本鎖DNAの平均的長さ(塩基数換算)とする。
上記4種の塩基からなる2’デオキシヌクレオシド−5’−三リン酸の混合物を送液する際に、
ラムダエキソヌクレアーゼ(EC 3.1.11.3)を共存させるか否かにより、合成される2本鎖DNAの平均的長さを比較する。
Next, an extension reaction is induced by feeding a mixture of 2 ′ deoxynucleoside-5′-triphosphates composed of four types of bases, adenine, cytosine, guanine and thymine. After a certain period of time, the reaction solution is recovered, and the amount of pyrophosphate released in the light emission reaction is quantified to estimate the amount of target nucleic acid (L2) extended by the polymerase at that time.
Next value calculated using two quantities (L2 + L1) / L1
Is the average length (base conversion) of double-stranded DNA synthesized by polymerase.
When feeding a mixture of 2 ′ deoxynucleoside-5′-triphosphates composed of the above four bases,
The average length of double-stranded DNA to be synthesized is compared depending on whether or not lambda exonuclease (EC 3.1.11.3) coexists.

ラムダエキソヌクレアーゼを共存させない場合、上記ポリメラーゼの固定化密度では合成される2本鎖DNAの平均的長さは150塩基となる。それに対し、ラムダエキソヌクレアーゼを共存させた場合には合成される2本鎖DNAの平均的長さは4500塩基と大幅に改善され、伸長反応時にエキソヌクレアーゼを共存させることの効果が確認される。   In the absence of lambda exonuclease, the average length of the double-stranded DNA synthesized is 150 bases at the polymerase immobilization density. On the other hand, when lambda exonuclease coexists, the average length of double-stranded DNA synthesized is greatly improved to 4500 bases, confirming the effect of coexisting exonuclease during the extension reaction.

本実施例の解析素子の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the analysis element of a present Example. 図1における支持体表面104部分を拡大した模式図である。It is the schematic diagram which expanded the support body surface 104 part in FIG. ポリメラーゼ固定化領域とポリメラーゼ非固定化領域とを支持体表面上に順次形成する方法の一例を示した概略図である。It is the schematic which showed an example of the method of forming sequentially a polymerase fixed area | region and a polymerase non-immobilized area | region on a support surface. 本実施例の解析素子の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the analysis element of a present Example. 本実施例の解析素子の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the analysis element of a present Example. 本実施例の解析素子の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the analysis element of a present Example. 本実施例の解析装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the analyzer of a present Example. 第1の形態の解析装置が有する解析素子の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the analysis element which the analyzer of a 1st form has. 第2の形態の解析装置が有する解析素子の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the analysis element which the analyzer of a 2nd form has.

符号の説明Explanation of symbols

101 基板
102 流路
103 導波路
104 支持体表面
105 上部カバー
201 ポリメラーゼ
202 標的核酸
203 2本鎖DNA
204 ポリメラーゼ固定化領域
205 ポリメラーゼ非固定化領域
301 レジスト
401 多孔質体
501 絶縁体領域
601 導電体領域
701 センサー部材領域
101 Substrate 102 Channel 103 Waveguide 104 Support surface 105 Upper cover 201 Polymerase 202 Target nucleic acid 203 Double-stranded DNA
204 Polymerase immobilization region 205 Polymerase non-immobilization region 301 Resist 401 Porous body 501 Insulator region 601 Conductor region 701 Sensor member region

Claims (9)

標的核酸の塩基配列を解析する解析装置であって、
前記解析装置が、
基体とポリメラーゼとからなる解析素子と、
前記解析素子に液体を流す送液手段と、
前記ポリメラーゼによりプライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を解析する手段と、を有し、
前記基体がセンサー部材領域を有し、
前記センサー部材領域が表面に複数のポリメラーゼ固定化領域を有し、
前記ポリメラーゼが前記ポリメラーゼ固定化領域に固定化されており、
前記ポリメラーゼ固定化領域の幅が10nm以上50nm以下であり、
前記送液手段が発生させる液体の流れ方向における前記複数のポリメラーゼ固定化領域間の最短距離が、前記標的核酸の長さよりも長くなるように設定されていることを特徴とする解析装置。
An analysis device for analyzing the base sequence of a target nucleic acid,
The analysis device is
An analytical element comprising a substrate and a polymerase;
A liquid feeding means for flowing a liquid to the analysis element;
A means for analyzing the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase,
The base has a sensor member region;
The sensor member region has a plurality of polymerase-immobilized regions on its surface;
The polymerase is immobilized in the polymerase immobilization region;
The width of the polymerase immobilization region is 10 nm or more and 50 nm or less,
The analysis apparatus, wherein the shortest distance between the plurality of polymerase immobilization regions in the flow direction of the liquid generated by the liquid feeding means is set to be longer than the length of the target nucleic acid.
標的核酸の塩基配列を解析する解析装置であって、
前記解析装置が、
基体とポリメラーゼとからなる解析素子と、
前記解析素子に液体を流す送液手段と、
前記ポリメラーゼによりプライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を解析する手段と、を有し、
前記基体が多孔質体からなり、
前記基体が、センサー部材領域と、前記センサー部材領域が表面に有する複数のポリメラーゼ固定化領域とを有し、
前記ポリメラーゼが前記ポリメラーゼ固定化領域に固定化されており、
前記送液手段が、前記基体を横断する一定の方向に液流を発生させることを特徴とする解析装置。
An analysis device for analyzing the base sequence of a target nucleic acid,
The analysis device is
An analytical element comprising a substrate and a polymerase;
A liquid feeding means for flowing a liquid to the analysis element;
A means for analyzing the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase,
The substrate is made of a porous body,
The base has a sensor member region and a plurality of polymerase immobilization regions on the surface of the sensor member region,
The polymerase is immobilized in the polymerase immobilization region;
The analysis apparatus characterized in that the liquid feeding means generates a liquid flow in a certain direction across the substrate.
標的核酸の塩基配列を解析する解析方法であって、
ポリメラーゼと、センサー部材領域を表面に有する基体と、前記センサー部材領域のうち前記ポリメラーゼが固定された複数のポリメラーゼ固定化領域とからなる解析素子に、標的核酸とプライマーとの相補的結合対を含む検体を添加する工程と、
前記ポリメラーゼ固定化領域間の最短距離が前記標的核酸の長さよりも長くなる方向にヌクレオチド誘導体を送液する工程と、
前記ポリメラーゼによりプライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を判定する工程と、
を有し、
前記ポリメラーゼ固定化領域の幅が10nm以上50nm以下であることを特徴とする解析方法。
An analysis method for analyzing a base sequence of a target nucleic acid,
An analysis element comprising a polymerase, a substrate having a sensor member region on its surface, and a plurality of polymerase-immobilized regions to which the polymerase is immobilized in the sensor member region includes a complementary binding pair of a target nucleic acid and a primer. Adding a sample; and
Feeding the nucleotide derivative in a direction in which the shortest distance between the polymerase-immobilized regions is longer than the length of the target nucleic acid;
Determining the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase;
Have
The analysis method, wherein a width of the polymerase immobilization region is 10 nm or more and 50 nm or less.
標的核酸の塩基配列を解析する解析素子であって、
前記解析素子が、
導電体領域と絶縁体領域とからなる基体と、ポリメラーゼとを有し、
前記導電体領域が有するポリメラーゼ固定化領域に前記ポリメラーゼが固定されており、
前記基体が前記基体の厚み方向を深さ方向とする複数の孔を有し、
前記導電体領域が前記孔を形成する面の一部をなしており、
前記貫通孔の径が10nm以上50nm以下であることを特徴とする解析素子。
An analysis element for analyzing a base sequence of a target nucleic acid,
The analytical element is
A substrate comprising a conductor region and an insulator region, and a polymerase;
The polymerase is immobilized on a polymerase immobilization region of the conductor region;
The base has a plurality of holes whose depth direction is the thickness direction of the base;
The conductor region forms part of a surface forming the hole;
An analysis element, wherein the diameter of the through hole is 10 nm or more and 50 nm or less.
前記孔が貫通孔であることを特徴とする請求項4に記載の解析素子。   The analysis element according to claim 4, wherein the hole is a through hole. 前記孔が貫通していない孔であり、前記ポリメラーゼ固定化領域と前記孔の底部との長さが標的核酸の長さよりも長いことを特徴とする請求項4に記載の解析素子。   The analysis element according to claim 4, wherein the hole is a hole that does not penetrate, and the length of the polymerase-immobilized region and the bottom of the hole is longer than the length of the target nucleic acid. 標的核酸の塩基配列を解析する標的核酸解析装置であって、
前記標的核酸解析装置が、
請求項4乃至6のいずれかに記載の解析素子と、
前記解析素子に液体を流す送液手段と、
前記ポリメラーゼによりプライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を解析する手段と、
を有することを特徴とする標的核酸解析装置。
A target nucleic acid analyzer for analyzing a base sequence of a target nucleic acid,
The target nucleic acid analyzer is
The analytical element according to any one of claims 4 to 6,
A liquid feeding means for flowing a liquid to the analysis element;
Means for analyzing the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase;
A target nucleic acid analyzer characterized by comprising:
標的核酸の塩基配列を解析する解析方法であって、
請求項4乃至6のいずれかに記載の解析素子に、
標的核酸とプライマーとの相補的結合対を含む検体を添加する工程と、
ヌクレオチド誘導体を送液する工程と、
前記ポリメラーゼにより前記プライマーに伸長されたヌクレオチド誘導体の塩基種別を判定する工程と、
を有することを特徴とする解析方法。
An analysis method for analyzing a base sequence of a target nucleic acid,
The analysis element according to any one of claims 4 to 6,
Adding a sample comprising a complementary binding pair of a target nucleic acid and a primer;
A step of feeding a nucleotide derivative;
Determining the base type of the nucleotide derivative extended to the primer by the polymerase;
The analysis method characterized by having.
ポリメラーゼと、センサー部材領域を表面に有する基体と、前記センサー部材領域のうち前記ポリメラーゼが固定された複数のポリメラーゼ固定化領域とからなる解析素子を用いて標的核酸の塩基配列を解析する解析方法であって、
少なくともポリメラーゼによる前記標的核酸と対合したプライマーの伸長反応を行う工程において、該伸長反応を行う反応液に2本鎖DNAに特異的なエキソヌクレアーゼを共存させることを特徴とする解析方法。
An analysis method for analyzing the base sequence of a target nucleic acid using an analysis element comprising a polymerase, a substrate having a sensor member region on its surface, and a plurality of polymerase-immobilized regions to which the polymerase is immobilized in the sensor member region There,
An analysis method characterized in that, in at least a step of performing an extension reaction of a primer paired with the target nucleic acid by a polymerase, an exonuclease specific for double-stranded DNA is allowed to coexist in a reaction solution for performing the extension reaction.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110520517A (en) * 2017-01-19 2019-11-29 罗斯威尔生命技术公司 Solid-state sequencing device including two-dimentional layer material

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