JP2010035555A - Biosensor utilizing dna as element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method which can detect and/or quantify an analyte in a sample by utilizing a sensor protein that can bind to the analyte specifically and a nucleic acid that can be recognized by the sensor protein specifically, and which is excellent in terms of cost, operability and rapidity. <P>SOLUTION: An ArsR protein which is a sensor protein capable of binding to arsenic, and a green fluorescent protein (GFP) are fused together to produce ArsR-GFP. It is confirmed that the fusion protein can bind to a specific recognition sequence (P<SB>ars</SB>-DNA), and it is also confirmed that the binding between the fusion protein and P<SB>ars</SB>-DNA can be inhibited by arsenious acid. Next, a plate having P<SB>ars</SB>-DNA immobilized thereon is prepared. It is found that the quantity of ArsR-GFP bound to the P<SB>ars</SB>-DNA-immobilized plate is decreased in an arsenious acid concentration-dependent manner. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される核酸とを利用して、被検試料中の分析物を検出及び/又は定量する方法等に関する。   The present invention relates to a method for detecting and / or quantifying an analyte in a test sample by using a sensor protein that specifically binds to the analyte and a nucleic acid specifically recognized by the sensor protein. .

現在、鉛やカドミウム、ヒ素などの有害金属化合物による土壌や地下水、表層水などの汚染が報告されており、世界各地で大きな問題となっている。環境中有害金属汚染の分析に用いられる手法としては、フレーム原子吸光分光法(AAS)、フレームレス原子吸光分光法(FLAA)、誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)、誘導結合プラズマ質量分析法(ICP−MS)などが知られている。しかし、これらの機器分析法は、分析を行うために試料の前処理が必要であり、現場での迅速な分析に対応できない上に、ランニングコストが高いといった短所がある。   Currently, contamination of soil, groundwater, surface water, and the like by harmful metal compounds such as lead, cadmium, and arsenic has been reported, which is a major problem in various parts of the world. Methods used to analyze toxic metal contamination in the environment include flame atomic absorption spectroscopy (AAS), flameless atomic absorption spectroscopy (FLAA), inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES), and inductively coupled plasma mass. Analysis methods (ICP-MS) and the like are known. However, these instrumental analysis methods require sample pretreatment in order to perform analysis, and cannot cope with rapid analysis on site, and have a disadvantage of high running costs.

このような機器分析法の短所を補う、有害金属の簡易検出法の開発が急がれている。検出対象物質を識別する生物由来の酵素、抗体、受容体などの被験分子をセンサー素子として用いるバイオセンサーもそのような簡易検出法の1つとして注目される。バイオセンサーにおいては検出反応が生化学的な反応や結合の特異性に基づくため、高感度測定が可能、測定・検出が迅速かつ簡便、ランニングコストが低い、センサー自体が小型で可搬性に優れるといった長所が挙げられる。また酵素反応、抗原抗体反応、リガンドのレセプターへの結合といった生化学的反応を利用することにより、特定物質との特異性が高い分析ができるという特徴を有するため、試料が少量で済み、センシングシステムの微小化も可能となる。   There is an urgent need to develop a simple detection method for toxic metals that compensates for the shortcomings of instrumental analysis. A biosensor that uses a test molecule such as an enzyme, antibody, or receptor derived from a living organism that identifies a detection target substance as a sensor element is also attracting attention as one of such simple detection methods. In biosensors, the detection reaction is based on biochemical reaction and binding specificity, so high-sensitivity measurement is possible, measurement and detection is quick and simple, the running cost is low, and the sensor itself is small and excellent in portability. There are advantages. In addition, the use of biochemical reactions such as enzyme reactions, antigen-antibody reactions, and ligand binding to receptors enables analysis with high specificity to specific substances. It is possible to reduce the size.

様々なバイオセンサーが研究されている中で、微生物細胞を利用したバイオセンサーは培養が容易で遺伝子操作が容易であるため、検出対象物質やレポーター遺伝子の幅広い選択が可能となり、用途の広がりが期待されている。組換え微生物バイオセンサーは宿主細胞、特定の物質に応答して下流遺伝子への転写を促進する誘導性プロモーター、そしてプロモーターの下流のレポーター遺伝子の三要素からなり、場合によってレポーターの発するシグナルを検出する装置を組み合わせたシステムを利用するものである。このシステムの場合、レポーターとしてよく利用されているのが細菌やホタル由来のルシフェラーゼ(非特許文献1〜3参照)、オワンクラゲ由来のGFP(非特許文献2及び4参照)、大腸菌由来のLacZ(非特許文献2及び5参照)などである。   While various biosensors are being researched, biosensors using microbial cells are easy to culture and easy to manipulate, so a wide selection of detection target substances and reporter genes is possible, and expansion of applications is expected. Has been. A recombinant microbial biosensor consists of three elements: a host cell, an inducible promoter that promotes transcription to a downstream gene in response to a specific substance, and a reporter gene downstream of the promoter, and optionally detects the signal emitted by the reporter A system combining devices is used. In this system, luciferases derived from bacteria and fireflies (see Non-patent Documents 1 to 3), GFP derived from Aequorea jellyfish (see Non-Patent Documents 2 and 4), LacZ derived from E. coli (non-patent documents) Patent Documents 2 and 5).

本発明者らは、カロテノイド合成系酵素CrtAをレポーターとし、海洋性光合成細菌ロドブラム・サルフィドフィラム(Rhodovulum sulfidophilum)を宿主としたヒ素応答バイオセンサーを既に開発している(非特許文献6)。ロドブラム・サルフィドフィラムはカロテノイド合成系の一種、スフェロイデン経路を有しており、本来はその最終産物であるスフェロイデノンを蓄積し、赤色を呈する細菌である。そしてこのセンサーはスフェロイデン経路の最終段階を触媒するスフェロイデンモノオキシゲナーゼ(CrtA)をコードするcrtAを破壊して得られたcrtA欠損株を用いているため、スフェロイデノンの前駆体のスフェロイデンを蓄積して黄色を呈している。そのためcrtAをレポーター遺伝子とし、その上流にヒ素誘導性のプロモーターを組み込んだプラスミドをロドブラム・サルフィドフィラムの菌体内に導入することで、ヒ素存在下においてCrtA活性が復活し、黄色から赤色への色調変化が起こる。このような色調の変化を指標としてヒ素の存在を判定することができる。   The present inventors have already developed an arsenic-responsive biosensor using the carotenoid synthase CrtA as a reporter and the marine photosynthetic bacterium Rhodovulum sulfidophilum as a host (Non-patent Document 6). Rhodobram sulphidophilum has a spheroidene pathway, a kind of carotenoid synthesis system, and originally accumulates the final product spheroidenone and is a red bacterium. Since this sensor uses a crtA-deficient strain obtained by destroying crtA encoding spheroidene monooxygenase (CrtA) that catalyzes the final step of the spheroidene pathway, it accumulates the spheroidene precursor of spheroidene. It is yellow. Therefore, CrtA activity is restored in the presence of arsenic by introducing a plasmid containing crtA as a reporter gene and incorporating an arsenic-inducible promoter upstream thereof into Rhodobram sulphidophilum, so that the color changes from yellow to red. Color change occurs. The presence of arsenic can be determined using such a change in color tone as an index.

さらに本発明者らは、嫌気条件下で培養できる淡水性紅色細菌であるロドシュードモナス・パルストリスと、ロドシュードモナス・パルストリスが有するスピリロキサンチン経路におけるフィトエンからリコペンへのフィトエン不飽和化酵素(CrtI)による不飽和化反応に注目し、大腸菌由来のヒ素誘導性オペレーター/プロモーター領域の下流にレポーター遺伝子crtIを組み込んだプラスミドを、ロドシュードモナス・パルストリスの菌体内に導入し、ヒ素存在下においてCrtI活性を復活させることで、振盪培養器を必要としないヒ素応答バイオセンサーを開発している(特許文献1)。   Furthermore, the inventors of the present invention have reported that Rhodopseudomonas pultris, which is a freshwater red bacterium that can be cultured under anaerobic conditions, and phytoene-to-lycopene phytoene desaturase (CrtI) in the spiroloxanthin pathway possessed by Rhodopseudomonas pultris. ), A plasmid incorporating a reporter gene crtI downstream of an arsenic-inducible operator / promoter region derived from E. coli was introduced into Rhodopseudomonas pulsetris, and CrtI activity was carried out in the presence of arsenic. By reviving the above, an arsenic-responsive biosensor that does not require a shaking incubator has been developed (Patent Document 1).

特願2007−340804Japanese Patent Application No. 2007-340804

Wilson T, Hastings JW (1998) Bioluminescence Annu Rev Cell Dev Biol 14: 197-230Wilson T, Hastings JW (1998) Bioluminescence Annu Rev Cell Dev Biol 14: 197-230 Stocker J, Balluch D, Gsell M, Harms H, Feliciano J, DaunertS,Malik KA, van der Meer JR (2003) Environ Sci Technol37: 4743-4750Stocker J, Balluch D, Gsell M, Harms H, Feliciano J, DaunertS, Malik KA, van der Meer JR (2003) Environ Sci Technol37: 4743-4750 Trang PT, Berg M,Viet PH, van MuiN, van derMeer JR (2005) Environ SciTechnol 39: 7625-7630Trang PT, Berg M, Viet PH, van MuiN, van derMeer JR (2005) Environ SciTechnol 39: 7625-7630 Tsien RY (1998) Ann Rev Biochem 67: 509-544Tsien RY (1998) Ann Rev Biochem 67: 509-544 Silhavy TJ, Beckwith JR (1985) Microbiol Rev 49: 398-418Silhavy TJ, Beckwith JR (1985) Microbiol Rev 49: 398-418 Fujimoto et al., (2006) Appl Microbiol Biotechnol 73(2): 332-338Fujimoto et al., (2006) Appl Microbiol Biotechnol 73 (2): 332-338

上述のような微生物を用いたバイオセンサーは、培養のための器具や時間が必要になる上に、細胞によるばらつきが大きい等の問題があり、これらの問題を解決するためには無細胞系バイオセンサーの開発が必要である。本発明の課題は、分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、前記センサータンパク質によって特異的に認識される核酸とを利用して、被検試料中の分析物を検出及び/又は定量することのできる、コスト、操作性、迅速性の面で優れた方法を提供することにある。   Biosensors using microorganisms such as those described above have problems such as the need for culturing equipment and time, and large variations among cells. To solve these problems, cell-free biotechnology is required. Sensor development is required. An object of the present invention is to detect and / or quantify an analyte in a test sample using a sensor protein that specifically binds to the analyte and a nucleic acid that is specifically recognized by the sensor protein. It is to provide an excellent method in terms of cost, operability, and speed.

上記課題を解決するために、本発明者らは、まず蛍光共鳴エネルギー移動を利用した方法、すなわち、DNAとタンパク質の相互作用を介した複合体分子の高次構造の変化を検出する蛍光共鳴エネルギー移動 (Fluorescence Resonance Energy Transfer; FRET) を利用した系の開発を試みた。FRETとは、ドナーとなるエネルギー供与体からアクセプターとなるエネルギー受容体へ励起エネルギーが移動する現象である。ここで重要なのがドナーとなる蛍光分子の発光エネルギーレベルとアクセプターとなる蛍光分子の吸収エネルギーレベルが重なるような2つの異なる蛍光分子を選択しておくことである(図24)。励起状態にあるドナーの近くにアクセプターが存在すると、ドナーからの発光が起こらないうちにその励起エネルギーがアクセプターを励起させ、その発光を検出することができる。距離が近いほどFRETは起きやすいため、分子間の相互作用や分子の構造変化を検出する手段として用いられている。   In order to solve the above problems, the present inventors firstly used a fluorescence resonance energy transfer method, that is, a fluorescence resonance energy for detecting a change in a higher order structure of a complex molecule through an interaction between DNA and protein. We tried to develop a system using Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET). FRET is a phenomenon in which excitation energy is transferred from an energy donor as a donor to an energy acceptor as an acceptor. Here, it is important to select two different fluorescent molecules such that the emission energy level of the fluorescent molecule serving as a donor and the absorption energy level of the fluorescent molecule serving as an acceptor overlap (FIG. 24). When an acceptor is present near an excited donor, the excitation energy excites the acceptor before light emission from the donor occurs, and the light emission can be detected. Since FRET is more likely to occur as the distance is shorter, it is used as a means for detecting interaction between molecules and structural change of molecules.

そこで、鉛及びカドミウムセンサータンパク質ZntRを利用したバイオセンサーについて検討することにした。大腸菌(E.coli)には重金属を細胞外に排出する働きをする酵素をコードする遺伝子zntAが存在している。このzntAの転写開始地点から上流の−10塩基と−35塩基の領域にはプロモーター領域DNA(以降、プロモーターDNA)の塩基配列が存在し、鉛及びカドミウムセンサータンパク質ZntRはこのプロモーターDNAに結合して、ZntRタンパク質−プロモーターDNAの複合体を形成する。鉛やカドミウム化合物といった重金属の非存在下では、プロモーターDNAは高次構造として折れ曲がった状態にある。一方、重金属存在下では重金属がZntRタンパク質に結合して高次構造が変化し、それに伴いプロモーターDNAは直鎖状になる。この重金属の有無によるZntRタンパク質−プロモーターDNA複合体の高次構造の変化を利用して重金属バイオセンサーの開発が可能ではないかと考えられた。   Therefore, it was decided to study a biosensor using the lead and cadmium sensor protein ZntR. E. coli has a gene zntA that encodes an enzyme that functions to discharge heavy metals out of the cell. The base sequence of promoter region DNA (hereinafter referred to as promoter DNA) exists in the region of −10 bases and −35 bases upstream from the transcription start point of zntA, and lead and cadmium sensor protein ZntR binds to this promoter DNA. , A ZntR protein-promoter DNA complex is formed. In the absence of heavy metals such as lead and cadmium compounds, the promoter DNA is bent as a higher-order structure. On the other hand, in the presence of heavy metal, heavy metal binds to the ZntR protein and the higher order structure is changed, and the promoter DNA is linearized accordingly. It was considered possible to develop a heavy metal biosensor using the change in the higher-order structure of the ZntR protein-promoter DNA complex due to the presence or absence of this heavy metal.

この重金属有無による高次構造変化を、FRETを用いて外部提示するために考案された原理を図25に示す。まず、プロモーターDNAの両末端に異なる2つの蛍光物質であるフルオレセインイソチオシアネート(Fluorescein isothiocyanate;FITC)とテトラメチルローダミン(Tetramethylrodamine;TAMRA)を結合させる。このとき、FRETによりTAMRAがFITCの発する蛍光を吸収して励起し、蛍光を発する。重金属非存在下では、プロモーターDNAの高次構造は折れ曲がった状態にあり、FITCとTAMRAが接近しているので、FITCの励起光を照射すると、発せられたFITCの蛍光でTAMRAが励起し、主としてTAMRAの蛍光が検出されると考えられる。しかし、重金属存在下では、プロモーターDNAの高次構造が直鎖状に変化するため、FITCとTAMRA間の距離が長くなりTAMRAはFITCの蛍光を吸収しにくくなる。そのためTAMRAは励起しにくくなり、主としてFITCの蛍光が検出されると考えられた。この重金属の有無による蛍光波長の変化を蛍光光度計で測定することで鉛やカドミウム化合物を検出あるいは定量することができると考えた。   FIG. 25 shows the principle devised for externally presenting this higher-order structural change due to the presence or absence of heavy metals using FRET. First, fluorescein isothiocyanate (FITC) and tetramethylrhodamine (TAMRA), which are two different fluorescent substances, are bound to both ends of the promoter DNA. At this time, TAMRA absorbs and excites the fluorescence emitted by FITC by FRET and emits fluorescence. In the absence of heavy metals, the higher order structure of the promoter DNA is in a bent state, and FITC and TAMRA are close to each other. When irradiated with the excitation light of FITC, TAMRA is excited by the emitted fluorescence of FITC. It is thought that the fluorescence of TAMRA is detected. However, in the presence of heavy metals, the higher order structure of the promoter DNA changes in a linear form, so that the distance between FITC and TAMRA becomes longer, and TAMRA is less likely to absorb FITC fluorescence. Therefore, TAMRA was difficult to excite, and it was thought that the fluorescence of FITC was mainly detected. We thought that lead and cadmium compounds could be detected or quantified by measuring the change in fluorescence wavelength with or without heavy metals with a fluorometer.

同様に、ヒ素センサータンパク質ArsRを利用したバイオセンサーについて検討することにした。大腸菌には細胞にヒ素耐性を与えるヒ素耐性オペロンが存在する。ヒ素耐性オペロンの発現は遺伝子arsRがコードするヒ素センサータンパク質ArsRによって制御される。ArsRタンパク質はヒ素化合物の非存在下ではプロモーターDNAと結合し、ArsRタンパク質−プロモーターDNA複合体を形成する。そのためRNAポリメラーゼはプロモーターDNAに結合することができず、ヒ素耐性オペロンの転写が抑制される。しかし、ヒ素化合物の存在下ではArsRタンパク質とヒ素化合物が結合しその高次構造が変化してArsRタンパク質はプロモーターDNAから解離するため、RNAポリメラーゼがプロモーターDNAに結合してヒ素耐性オペロンの転写が開始される。こうしたヒ素化合物の有無によるArsRタンパク質とプロモーターDNAの結合と解離の変化を外部提示することでヒ素化合物を検出するバイオセンサーの開発が可能であると考えられた。   Similarly, it was decided to investigate a biosensor using the arsenic sensor protein ArsR. Escherichia coli has an arsenic resistance operon that gives cells arsenic resistance. The expression of the arsenic resistance operon is controlled by the arsenic sensor protein ArsR encoded by the gene arsR. ArsR protein binds to promoter DNA in the absence of an arsenic compound to form an ArsR protein-promoter DNA complex. Therefore, RNA polymerase cannot bind to promoter DNA, and transcription of the arsenic resistance operon is suppressed. However, in the presence of an arsenic compound, the ArsR protein and arsenic compound bind to each other and their higher-order structure changes and the ArsR protein dissociates from the promoter DNA, so RNA polymerase binds to the promoter DNA and transcription of the arsenic resistance operon begins. Is done. It was considered possible to develop a biosensor for detecting arsenic compounds by externally presenting changes in binding and dissociation between ArsR protein and promoter DNA depending on the presence or absence of such arsenic compounds.

また、ZntRタンパク質を用いる場合と同様にタンパク質とDNAの結合・解離の変化をFRETにより外部提示する系が考えられた(図26)。まず、プロモーターDNAの一方の末端にTAMRAを結合させる。また、ArsRタンパク質を蛍光修飾するためにArsRタンパク質に緑色蛍光タンパク質(Green Fluorescent Protein;GFP)を融合させたArsR−GFP融合タンパク質を用いた。このとき、FRETによりTAMRAはGFPの発する蛍光を吸収して励起し蛍光を発すると考えられた。ヒ素化合物の非存在下では、プロモーターDNAとArsR−GFP融合タンパク質は結合した状態であり、TAMRAとGFPが近接しているので、GFPの励起光を照射すると発せられたGFPの蛍光でTAMRAが励起し、主としてTAMRAの蛍光が検出される。しかし、ヒ素化合物の存在下では、プロモーターDNA鎖とArsR−GFP融合タンパク質は解離した状態となるため、TAMRAとGFP間の平均距離が長くなりTAMRAはGFPの蛍光を吸収しにくくなる。そのためTAMRAは励起しにくくなり、主としてGFPの蛍光が検出される。このヒ素化合物の有無による蛍光波長の変化を蛍光光度計で測定することでヒ素化合物を検出あるいは定量することができると考えられた。   Furthermore, a system was proposed in which changes in binding and dissociation between protein and DNA were externally presented by FRET, as in the case of using the ZntR protein (FIG. 26). First, TAMRA is bound to one end of the promoter DNA. In addition, an ArsR-GFP fusion protein in which a green fluorescent protein (GFP) was fused to the ArsR protein was used to fluorescently modify the ArsR protein. At this time, it was thought that TAMRA absorbed and excited the fluorescence emitted by GFP by FRET. In the absence of an arsenic compound, the promoter DNA and the ArsR-GFP fusion protein are in a combined state, and TAMRA and GFP are close to each other. Therefore, TAMRA is excited by the fluorescence of GFP emitted when irradiated with GFP excitation light. Then, mainly TAMRA fluorescence is detected. However, in the presence of an arsenic compound, the promoter DNA chain and the ArsR-GFP fusion protein are in a dissociated state, so that the average distance between TAMRA and GFP becomes long, and TAMRA hardly absorbs GFP fluorescence. Therefore, TAMRA is difficult to excite and GFP fluorescence is mainly detected. It was considered that the arsenic compound can be detected or quantified by measuring the change in the fluorescence wavelength due to the presence or absence of the arsenic compound with a fluorometer.

しかし、後述する比較例から明らかなように、FRET法では本発明の課題を解決することはできなかった。そこで、本発明者らは、異なるアプローチの開発に迫られ、ヒ素と結合するセンサータンパク質であるArsRタンパク質と、カドミウム及び鉛と結合するセンサータンパク質であるCadCタンパク質とに注目し、それぞれのタンパク質をグリーン蛍光タンパク質(GFP)と融合させたArsR−GFP、CadC−GFPを作製した。これらの融合タンパク質が各々の特異的認識配列DNAと結合すること、さらに、金属イオンによりそれらの結合が阻害されることを確認した。次に、ArsRタンパク質の認識配列DNA(Pars−DNA)を固相化したプレートを作製し、ArsR−GFPのPars−DNA固相化プレートへのArsR−GFPの結合量が、亜ヒ酸の濃度依存的に低下することを見出し、本発明を完成するに至った。 However, as is clear from the comparative examples described later, the FRET method cannot solve the problem of the present invention. Accordingly, the present inventors are forced to develop different approaches, and pay attention to ArsR protein, which is a sensor protein that binds to arsenic, and CadC protein, which is a sensor protein that binds to cadmium and lead. ArsR-GFP and CadC-GFP fused with fluorescent protein (GFP) were prepared. It was confirmed that these fusion proteins bind to each specific recognition sequence DNA and that their binding is inhibited by metal ions. Next, to produce a recognition sequence DNA (P ars -DNA) immobilized plate of ARSR protein, the binding of ARSR-GFP to ArsR-GFP P ars -DNA immobilized plate, arsenite As a result, the present invention has been completed.

すなわち本発明は、
(1)以下の(A)及び(B)の工程を含むことを特徴とする、被検試料中の分析物を水系で検出又は定量する方法
(A)前記の分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む、支持体に固相化された核酸とを、被検試料の存在下で反応させる工程;
(B)固相化された核酸に結合したセンサータンパク質を検出又は測定する工程;や、
(2)センサータンパク質が、検出可能なマーカーで標識されていることを特徴とする上記(1)記載の方法や、
(3)センサータンパク質が、検出可能なマーカータンパク質との融合タンパク質であることを特徴とする上記(1)記載の方法や、
(4)以下の(A)及び(B)の工程を含むことを特徴とする、被検試料中の分析物を水系で検出又は定量する方法
(A)支持体に固相化された前記の分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸とを、被検試料の存在下で反応させる工程;
(B)固相化されたセンサータンパク質に結合した核酸を検出又は測定する工程;や、
(5)核酸が、検出可能なマーカーで標識されていることを特徴とする上記(4)記載の方法に関する。
That is, the present invention
(1) A method for detecting or quantifying an analyte in a test sample in an aqueous system, comprising the following steps (A) and (B): (A) Specific binding to the analyte Reacting a sensor protein with a nucleic acid immobilized on a support containing a sequence specifically recognized by the sensor protein in the presence of a test sample;
(B) detecting or measuring a sensor protein bound to the immobilized nucleic acid;
(2) The method according to (1) above, wherein the sensor protein is labeled with a detectable marker,
(3) The method according to (1) above, wherein the sensor protein is a fusion protein with a detectable marker protein,
(4) A method for detecting or quantifying an analyte in a test sample in an aqueous system, comprising the following steps (A) and (B): (A) The above-mentioned solid-phased on a support Reacting a sensor protein that specifically binds to an analyte and a nucleic acid containing a sequence specifically recognized by the sensor protein in the presence of a test sample;
(B) a step of detecting or measuring nucleic acid bound to the immobilized sensor protein;
(5) The method according to (4) above, wherein the nucleic acid is labeled with a detectable marker.

また本発明は、
(6)センサータンパク質と核酸との結合が、分析物により阻害されることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれか記載の方法や、
(7)センサータンパク質が、金属応答オペロンによりコードされるタンパク質であることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれか記載の方法や、
(8)金属応答オペロンによりコードされるタンパク質が、ArsRタンパク質又はCadCタンパク質であることを特徴とする上記(7)記載の方法や、
(9)分析物が、重金属化合物であることを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれか記載の方法や、
(10)重金属化合物が、ヒ素(As)化合物、カドミウム(Cd)化合物及び鉛(Pb)化合物から選択されることを特徴とする上記(9)記載の方法や、
(11)あらかじめ5価のヒ素(As(V))化合物を還元処理して3価のヒ素(As(III))化合物に変換することを特徴とする上記(10)記載の方法や、
(12)センサータンパク質と該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸との反応を、50mM以上のリン酸緩衝液(pH7.4)中で行うことを特徴とする上記(9)〜(11)のいずれか記載の方法や、
(13)センサータンパク質と該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸との反応を、40mM以上の塩化ナトリウム溶液中で行うことを特徴とする上記(9)〜(11)のいずれか記載の方法に関する。
The present invention also provides
(6) The method according to any one of (1) to (5) above, wherein the binding between the sensor protein and the nucleic acid is inhibited by the analyte,
(7) The method according to any one of (1) to (6) above, wherein the sensor protein is a protein encoded by a metal responsive operon,
(8) The method according to (7) above, wherein the protein encoded by the metal responsive operon is ArsR protein or CadC protein,
(9) The method according to any one of (1) to (8) above, wherein the analyte is a heavy metal compound,
(10) The method according to (9) above, wherein the heavy metal compound is selected from arsenic (As) compounds, cadmium (Cd) compounds, and lead (Pb) compounds,
(11) The method according to (10) above, wherein the pentavalent arsenic (As (V)) compound is reduced to a trivalent arsenic (As (III)) compound in advance,
(12) The above (9) to (9), wherein the reaction between the sensor protein and a nucleic acid containing a sequence specifically recognized by the sensor protein is performed in a phosphate buffer (pH 7.4) of 50 mM or more. (11) any one of the methods,
(13) Any of (9) to (11) above, wherein the reaction between the sensor protein and a nucleic acid containing a sequence specifically recognized by the sensor protein is performed in a 40 mM or more sodium chloride solution. Relates to the described method.

さらに本発明は、
(14)分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む、支持体に固相化された核酸とを備えたことを特徴とする、被検試料中の分析物の検出又は定量用キットや、(15)支持体に固相化された分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸とを備えたことを特徴とする、被検試料中の分析物の検出又は定量用キットに関する。また本発明の実施の態様には、センサータンパク質が、検出可能なマーカーで標識されていることを特徴とする上記キットや、センサータンパク質が、検出可能なマーカータンパク質との融合タンパク質であることを特徴とする上記キットや、核酸が、検出可能なマーカーで標識されていることを特徴とする上記キットが含まれる。
Furthermore, the present invention provides
(14) A test protein comprising: a sensor protein that specifically binds to an analyte; and a nucleic acid immobilized on a support that includes a sequence that is specifically recognized by the sensor protein. A kit for detecting or quantifying an analyte in a sample, or (15) a nucleic acid comprising a sensor protein that specifically binds to an analyte immobilized on a support and a sequence that is specifically recognized by the sensor protein And a kit for detecting or quantifying an analyte in a test sample. The embodiment of the present invention is characterized in that the sensor protein is labeled with a detectable marker, or the sensor protein is a fusion protein with a detectable marker protein. And the kit characterized in that the nucleic acid is labeled with a detectable marker.

また本発明の実施の態様には、センサータンパク質と核酸との結合が、分析物により阻害されることを特徴とする上記のいずれか記載のキットや、センサータンパク質が、金属応答オペロンによりコードされるタンパク質であることを特徴とする上記のいずれか記載のキットや、金属応答オペロンによりコードされるタンパク質が、ArsRタンパク質又はCadCタンパク質であることを特徴とする上記キットや、分析物が、ヒ素(As)、カドミウム(Cd)、鉛(Pb)等の重金属の化合物であることを特徴とする上記のいずれか記載のキットが含まれる。   Furthermore, in an embodiment of the present invention, any of the kits described above, wherein the binding between the sensor protein and the nucleic acid is inhibited by the analyte, or the sensor protein is encoded by a metal responsive operon. Any of the kits described above, wherein the kit is characterized by being a protein, or the kit encoded by a metal-responsive operon is an ArsR protein or a CadC protein, or the analyte is arsenic (As ), Cadmium (Cd), lead (Pb), and other heavy metal compounds.

細菌の有害金属耐性オペロンの転写制御機構を示す図である。有害金属イオンが環境に存在しないときにはセンサータンパク質遺伝子とその下流遺伝子の発現がセンサータンパク質のプロモーターDNAへの結合により抑えられる。It is a figure which shows the transcriptional control mechanism of the harmful metal tolerance operon of bacteria. When no harmful metal ions are present in the environment, expression of the sensor protein gene and its downstream gene is suppressed by binding of the sensor protein to the promoter DNA. DNAを素子とした有害金属バイオセンサーの原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the harmful metal biosensor which used DNA as the element. DNAを素子としたヒ素化合物バイオセンサーの構成要素を示す図である。It is a figure which shows the component of the arsenic compound biosensor which used DNA as the element. 組換えArsR−GFP産生のために、E.coliBL21(DE3)(pLysS)に導入されたプラスミド(pETarsRgfp)の作製手順を示す図である。For recombinant ArsR-GFP production, It is a figure which shows the preparation procedure of the plasmid (pETarsRgfp) introduce | transduced into E. coliBL21 (DE3) (pLysS). ネーティブ−PAGEによるPars−DNAとArsR−GFPタンパク質の複合体形成ならびに亜ヒ酸添加による複合体の解離を示す図である。It is a diagram illustrating the dissociation of the complex by complex formation and arsenite addition of P ars-DNA and ARSR-GFP protein by native -PAGE. ars−DNA固定化ウェルに添加後のタンパク質を、電気泳動より解析した結果を示す図である。レーン1、タンパク質粗抽出液をウェルに添加し反応後に抽出液を除去しウェル洗浄を行った後、結合したタンパク質を回収した画分;レーン2、タンパク質粗抽出液をウェルに添加し反応後に抽出液を除去しウェル洗浄を行った後、タンパク質を回収した画分;レーン3、タンパク質租抽出液;レーン4、分子量マーカー。It is a figure which shows the result of having analyzed the protein after adding to Pars -DNA fixed well by electrophoresis. Lane 1, fraction obtained by adding the crude protein extract to the well and removing the extract after the reaction and washing the well, then recovering the bound protein; Lane 2, adding the protein crude extract to the well and extracting after the reaction The fraction from which the solution was removed and the well was washed, and then the protein was collected; Lane 3, protein extract; Lane 4, molecular weight marker. 添加するタンパク質租抽出液量の変化に伴う、Pars−DNA固定化プレートへのArsR−GFPタンパク質結合量の変化を示す図である。Due to changes in the protein租抽exudates amount to be added is a graph showing changes in ARSR-GFP protein binding amount to P ars-DNA-immobilized plate. ars−DNAを素子としたバイオセンサーによる亜ヒ酸の検出結果を示す図である。*はP<0.05、**はP<0.005の有意差をそれぞれ示す。It is a figure which shows the detection result of arsenous acid by the biosensor which used Pars -DNA as an element. * Indicates P <0.05 and ** indicates a significant difference of P <0.005. 洗浄条件(緩衝液)によるPars−ArsR−GFP複合体量の変化を示す図である。各測定値は各回の洗浄終了後に測定した蛍光強度を表す。It is a figure which shows the change of the Pars-ArsR-GFP complex amount by washing | cleaning conditions (buffer solution). Each measured value represents the fluorescence intensity measured after completion of each washing. 5価のヒ素As(V)の3価のヒ素As(III)への還元処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of a reduction process to pentavalent arsenic As (V) to trivalent arsenic As (III). ArsR−GFPの形態別ヒ素に対する応答性の違いを示す図である。グラフはn=3の平均値±標準偏差を表す。It is a figure which shows the difference in the response with respect to the arsenic according to form of ArsR-GFP. The graph represents the average value ± standard deviation of n = 3. チオ硫酸ナトリウム還元処理によるAs(V)の検出結果を示す図である。ヒ素濃度は共に100μg/Lとした。グラフはn=3の平均値±標準偏差を表す。It is a figure which shows the detection result of As (V) by a sodium thiosulfate reduction process. Both arsenic concentrations were 100 μg / L. The graph represents the average value ± standard deviation of n = 3. 緩衝液とpHの違いがヒ素検出へ及ぼす影響を示す図である。調製時の緩衝液pHが示されている。グラフはn=3の平均値±標準偏差を示す。It is a figure which shows the influence which the difference in a buffer solution and pH has on arsenic detection. The buffer pH at the time of preparation is indicated. A graph shows the average value +/- standard deviation of n = 3. As(III)検出におけるArsR−GFPの標準曲線を示す図である。プロットはn=3の平均値±標準偏差を示す。R=0.95。It is a figure which shows the standard curve of ArsR-GFP in As (III) detection. The plot shows the mean value ± standard deviation of n = 3. R 2 = 0.95. ヒ素センサーの交差応答性の検討結果を示す図である。グラフは金属非添加(-)の試料の蛍光強度を1として評価し、n=3の平均値±標準偏差を示す。It is a figure which shows the examination result of the cross response of an arsenic sensor. The graph evaluates the fluorescence intensity of the sample with no metal added (−) as 1, and shows the average value ± standard deviation of n = 3. 組換えCadC−GFPタンパク質産生のためにE.coliBL21(DE3)(pLysS)に導入されたプラスミド(pETcadCgfp)の作製手順を示す図である。For production of recombinant CadC-GFP protein It is a figure which shows the preparation procedure of the plasmid (pETcadCgfp) introduce | transduced into E. coliBL21 (DE3) (pLysS). ネーティブ−PAGEによるPcad−DNAとCadC−GFPタンパク質の複合体形成ならびに2価鉛添加による複合体の解離を示す図である。Is a diagram illustrating the dissociation of the complex by complex formation and 2 Atainamari addition of P cad-DNA and CADC-GFP protein by native -PAGE. マイクロプレートにおけるPcadとCadC−GFPの複合体形成の確認を示す概略図である。E1、E2はPcad34を固定化したウェル、E3は固定化していないウェルを示す。It is the schematic which shows confirmation of the complex formation of Pcad and CadC-GFP in a microplate. E1 and E2 are wells to which Pcad34 is immobilized, and E3 is a well that is not immobilized. Pcad34固定化ウェルに残存するタンパク質の解析結果を示す図である。レーン1、3、4の試料は図18を参照。レーン2はCadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液、レーン5は分子量マーカー(Presteined Protein Marker、 Broad Range(6−175kDa)、New England Biolabs社)It is a figure which shows the analysis result of the protein which remains in a Pcad34 fixed well. See FIG. 18 for samples in lanes 1, 3, and 4. Lane 2 is a crude protein extract containing CadC-GFP, Lane 5 is a molecular weight marker (Presteined Protein Marker, Broad Range (6-175 kDa), New England Biolabs) Pcad34のウェルへの添加濃度に応じたCadC−GFP結合量の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the amount of CadC-GFP binding according to the addition density | concentration to the well of Pcad34. CadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液の添加量の検討結果を示す図である。上図はPcad34固定化ウェルへ添加後に測定した。下図はウェルを2回洗浄後に測定した。プロットはn=3の平均値±標準偏差を示す。It is a figure which shows the examination result of the addition amount of the protein crude extract containing CadC-GFP. The upper figure was measured after addition to the Pcad34 immobilized well. The figure below was measured after washing the wells twice. The plot shows the mean value ± standard deviation of n = 3. インキュベーション前のNaCl添加が鉛の検出試験に及ぼす影響を示す図である。グラフはn=3の平均値±標準偏差を示す。It is a figure which shows the influence which NaCl addition before incubation has on the detection test of lead. A graph shows the average value +/- standard deviation of n = 3. Pb(II)及びCd(II)検出におけるCadC−GFPの標準曲線を示す図である。プロットはn=3の平均値±標準偏差を示す。*と**は0μg/Lとの間にそれぞれ5%水準と1%水準の有意差があることを示す。It is a figure which shows the standard curve of CadC-GFP in Pb (II) and Cd (II) detection. The plot shows the mean value ± standard deviation of n = 3. * And ** indicate that there is a significant difference between 0 μg / L at the 5% level and the 1% level, respectively. FRETが起こるときのドナーとアクセプター蛍光分子のスペクトルの重なりを示す図である。It is a figure which shows the overlap of the spectrum of a donor and an acceptor fluorescent molecule when FRET occurs. バイオセンサーにおけるFRETを介した鉛及びカドミウム化合物の検出原理を示す図である。It is a figure which shows the detection principle of the lead and cadmium compound via FRET in a biosensor. バイオセンサーにおけるFRETを介したヒ素化合物の検出原理を示す図である。It is a figure which shows the detection principle of an arsenic compound via FRET in a biosensor. Hisタグ非修飾のZntRタンパク質発現用大腸菌株の育種の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of breeding of Escherichia coli strain for ZntR protein expression of His tag non-modification. 組み換えZntRタンパク質発現の確認結果を示す図である。It is a figure which shows the confirmation result of recombinant ZntR protein expression. ヘパリンカラムによるZntRタンパク質精製におけるクロマトグラムの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the chromatogram in ZntR protein refinement | purification by a heparin column. ヘパリンカラムによる精製画分におけるZntRタンパク質の確認結果を示す図である。It is a figure which shows the confirmation result of the ZntR protein in the refinement | purification fraction by a heparin column. タンパク質の部分精製品に含まれるZntRタンパク質の確認結果を示す図である。It is a figure which shows the confirmation result of the ZntR protein contained in the partial refined product of protein. FITC(左)あるいはTAMRA(右)で標識したプローブDNAを用いたEMSAの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of EMSA using the probe DNA labeled with FITC (left) or TAMRA (right). FITCとTAMRAで2重標識したプローブDNAを用いたEMSAの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the EMSA using the probe DNA double-labeled with FITC and TAMRA. 2重標識したプローブDNAとZntRタンパク質部分精製液を混合した反応液における、Pb添加の有無における各蛍光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows each fluorescence spectrum in the reaction liquid which mixed the double-labeled probe DNA and the ZntR protein partial refinement | purification liquid with and without Pb addition. 組み換えArsRタンパク質発現用大腸菌株の育種の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the breeding of colon_bacillus | E._coli strain | stump | stock for recombinant ArsR protein expression. 組み換えArsR−GFP融合タンパク質発現用大腸菌株の育種の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the breeding of the colon_bacillus | E._coli strain | stump | stock for recombinant ArsR-GFP fusion protein expression. 組み換えArsR−GFP融合タンパク質の発現確認結果を示す図である。It is a figure which shows the expression confirmation result of recombinant ArsR-GFP fusion protein. ヘパリンカラム精製におけるA280とGFPの蛍光強度を指標としたクロマトグラム結果を示す図である。It is a figure which shows the chromatogram result which used the fluorescence intensity of A280 and GFP in a heparin column refinement | purification as a parameter | index. ヘパリンカラム精製フラクション中のArsR−GFP融合タンパク質の確認結果を示す図である。It is a figure which shows the confirmation result of the ArsR-GFP fusion protein in a heparin column refinement | purification fraction. イオン交換カラム精製におけるA280とGFPの蛍光強度を指標としたクロマトグラム結果を示す図である。It is a figure which shows the chromatogram result which used as a parameter | index the fluorescence intensity of A280 and GFP in ion exchange column refinement | purification. イオン交換カラム精製フラクション中のArsR−GFP融合タンパク質の確認結果を示す図である。It is a figure which shows the confirmation result of ArsR-GFP fusion protein in an ion exchange column refinement | purification fraction. ParsR-350プローブDNAとArsR−GFP融合タンパク質を使用したAsの検出試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the detection test of As using ParsR-350 probe DNA and ArsR-GFP fusion protein. ParsR-50プローブDNAとArsR−GFP融合タンパク質を使用したAsの検出試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the detection test of As using ParsR-50 probe DNA and ArsR-GFP fusion protein. R773-50プローブDNAとArsR−GFP融合タンパク質を使用したAsの検出試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the detection test of As using R773-50 probe DNA and ArsR-GFP fusion protein.

本発明の被検試料中の分析物を検出又は定量する方法としては、[1]被検試料中の分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む、支持体に固相化された核酸とを、被検試料の存在下で反応させ、固相化された核酸に結合したセンサータンパク質を水系(水の存在下)で検出及び/又は測定する方法や、[2]支持体に固相化された、該分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸とを、被検試料の存在下で反応させ、固相化されたセンサータンパク質に結合した核酸を水系で検出及び/又は測定する方法であれば特に制限されるものではなく、上記[1]の方法においては、検出可能なマーカーで標識されたセンサータンパク質や、検出可能なマーカータンパク質と融合させたセンサータンパク質を用い、固相化された核酸に結合しなかったセンサータンパク質を系外に排出することにより、固相化された核酸に結合したセンサータンパク質を水系で検出及び/又は測定することができ、また、上記[2]の方法においては、検出可能なマーカーで標識された核酸を用い、固相化されたセンサータンパク質に結合しなかった核酸を系外に排出することにより、固相化されたセンサータンパク質に結合した核酸を水系で検出及び/又は測定することができる。また、被検試料としては、特に制限されないが、重金属を含む河川水、汚水、井戸水、工場排水、汚染土壌等を好適に挙げることができ、汚染土壌等の固形物の場合、その水縣濁液や水抽出液を用いることができる。   The method for detecting or quantifying the analyte in the test sample of the present invention includes [1] a sensor protein that specifically binds to the analyte in the test sample, and a sequence that is specifically recognized by the sensor protein. A nucleic acid immobilized on a support containing a nucleic acid is reacted in the presence of a test sample, and a sensor protein bound to the immobilized nucleic acid is detected and / or measured in an aqueous system (in the presence of water). And [2] a sensor protein that is immobilized on a support and specifically binds to the analyte, and a nucleic acid containing a sequence that is specifically recognized by the sensor protein, The method is not particularly limited as long as it is a method for detecting and / or measuring a nucleic acid bound to a solid-phased sensor protein in the presence of an aqueous solution. In the method of [1] above, detection is possible. With a marker Using the identified sensor protein or a sensor protein fused with a detectable marker protein, the sensor protein that did not bind to the immobilized nucleic acid is discharged out of the system, thereby immobilizing the immobilized nucleic acid. The bound sensor protein can be detected and / or measured in an aqueous system. In the method [2] above, a nucleic acid labeled with a detectable marker is used to bind to the immobilized sensor protein. By discharging the nucleic acid that has not been present out of the system, the nucleic acid bound to the immobilized sensor protein can be detected and / or measured in an aqueous system. In addition, the test sample is not particularly limited, but preferable examples include river water containing heavy metals, sewage, well water, industrial effluent, and contaminated soil. In the case of solid matter such as contaminated soil, Liquid or water extract can be used.

また、本発明の被検試料中の分析物の検出又は定量用キットとしては、[3]分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む、支持体に固相化された核酸とを備えたことを特徴とする、被検試料中の分析物の検出又は定量用キットや、[4]分析物に特異的に結合し、支持体に固相化されたセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸とを備えたことを特徴とする、被検試料中の分析物の検出又は定量用キットであれば特に制限されるものではなく、上記[3]のキットにおいては、検出可能なマーカーで標識されたセンサータンパク質や、検出可能なマーカータンパク質と融合させたセンサータンパク質を用いることにより固相化された核酸に結合したセンサータンパク質を検出/測定することができ、また、上記[4]のキットにおいては、検出可能なマーカーで標識された核酸を用いることにより固相化されたセンサータンパク質に結合した核酸を検出/測定することができる。   In addition, the kit for detecting or quantifying an analyte in a test sample of the present invention includes [3] a sensor protein that specifically binds to the analyte, and a sequence that is specifically recognized by the sensor protein. A kit for detection or quantification of an analyte in a test sample, characterized by comprising a solid phase immobilized nucleic acid on a support, and [4] binding specifically to the analyte and fixing to the support. Particularly limited as long as it is a kit for detecting or quantifying an analyte in a test sample, characterized by comprising a phased sensor protein and a nucleic acid containing a sequence specifically recognized by the sensor protein However, in the kit of [3] above, a sensor protein labeled with a detectable marker or a sensor protein fused with a detectable marker protein is used. The sensor protein bound to the activated nucleic acid can be detected / measured. In the kit of [4] above, the immobilized sensor protein can be obtained by using a nucleic acid labeled with a detectable marker. Bound nucleic acid can be detected / measured.

本発明の被検試料中の分析物を検出及び/又は定量する方法に用いるセンサータンパク質としては、所定の配列を含む核酸と特異的に結合しうるタンパク質であって、かつ、所定の分析物によって上記核酸との結合が阻害されるタンパク質であれば特に制限されるものではないが、金属応答オペロンによってコードされるセンサータンパク質を好例として挙げることができる。上記金属応答オペロンとしては、特に制限されるものではないが、具体的には、ArsRタンパクをコードするarsや、CzcRをコードするczcや、CadCをコードするcadや、ChrBをコードするchrや、MerR1及びMrer2をコードするmerや、pbrRをコードするpbr等を例として挙げることができ、なかでもarsやcadを好適に示すことができる。上記金属応答オペロンによりコードされるセンサータンパク質は、それぞれ特定の金属応答オペロン領域DNA配列を認識するが、特定の金属イオンの存在下では、これらのセンサータンパク質は金属イオンと結合して高次構造が変化することにより、DNAに結合することができなくなる。例えば、上記ArsRタンパク質はars領域DNAと結合するが、その結合はヒ素により阻害される。また、上記CadCタンパク質はcad領域DNAと結合するが、その結合はカドミウムや鉛により阻害される。   The sensor protein used in the method for detecting and / or quantifying the analyte in the test sample of the present invention is a protein that can specifically bind to a nucleic acid containing a predetermined sequence, and depends on the predetermined analyte. A sensor protein encoded by a metal-responsive operon can be cited as a good example, as long as it is a protein that inhibits binding to the nucleic acid. The metal response operon is not particularly limited, and specifically, ars encoding ArsR protein, czc encoding CzcR, cad encoding CadC, chr encoding ChrB, Examples include mer that encodes MerR1 and Merer2, pbr that encodes pbrR, and the like, and among them, ars and cad can be preferably indicated. Each sensor protein encoded by the metal responsive operon recognizes a specific metal responsive operon region DNA sequence, but in the presence of a specific metal ion, these sensor proteins bind to the metal ion and have a higher order structure. By changing, it becomes impossible to bind to DNA. For example, the ArsR protein binds to ars region DNA, but the binding is inhibited by arsenic. The CadC protein binds to cad region DNA, but the binding is inhibited by cadmium and lead.

上記[1]の本発明の被検試料中の分析物を検出及び/又は定量する方法においては、センサータンパク質は検出可能なマーカーで標識されていることが好ましく、上記検出可能なマーカーとしては、従来知られているペプチド標識用のマーカーであれば特に制限されるものではなく、例えば、32P、H、14C、125I等の放射性同位体や、FITC、TAMRA、サイバーグリーン、ダンシルクロライド、テトラメチルローダミンイソチオシアネート等の蛍光物質や、ビオチン、ジゴキシゲニンのような生物学的に関連する結合構造や、生物発光化合物や、化学発光化合物等を具体的に挙げることができる。また、上記センサータンパク質は、検出可能なマーカータンパク質と融合された融合タンパクであってもよく、上記マーカータンパク質としては、例えば、アルカリフォスファターゼ、HRP等の酵素、抗体のFc領域、GFP等の蛍光物質などのマーカータンパク質や、MBP、レクチン、アビジン等の結合能を有する結合性タンパク質や、HA、FLAG、Myc等のエピトープタグタンパク質などを具体的に例示することができる。なかでも、ArsRタンパク質とGFPとの融合タンパク質ArsR−GFPは、ArsRタンパク質の認識配列であるPars−DNAとの結合能を有するとともに、その結合は亜ヒ酸により濃度依存的に阻害されることから、優れた亜ヒ酸バイオセンサータンパクとして、本発明の亜ヒ酸を検出及び/又は定量する方法に利用できる。 In the method for detecting and / or quantifying the analyte in the test sample of the present invention of [1] above, the sensor protein is preferably labeled with a detectable marker, and as the detectable marker, The marker is not particularly limited as long as it is a conventionally known marker for peptide labeling. For example, radioactive isotopes such as 32 P, 3 H, 14 C, 125 I, FITC, TAMRA, Cyber Green, dansyl chloride Specific examples include fluorescent substances such as tetramethylrhodamine isothiocyanate, biologically relevant binding structures such as biotin and digoxigenin, bioluminescent compounds, and chemiluminescent compounds. The sensor protein may be a fusion protein fused with a detectable marker protein. Examples of the marker protein include enzymes such as alkaline phosphatase and HRP, antibody Fc regions, and fluorescent substances such as GFP. Specific examples include marker proteins such as MBP, binding proteins having binding ability such as MBP, lectin, and avidin, and epitope tag proteins such as HA, FLAG, and Myc. Among them, the fusion protein ARSR-GFP the ARSR protein and GFP, as well as capable of binding P ars-DNA are the recognition sequences ARSR protein, that the binding is inhibited in a concentration-dependent manner by arsenite Therefore, it can be used as an excellent arsenite biosensor protein in the method for detecting and / or quantifying arsenite of the present invention.

また、上記[2]の本発明の被検試料中の分析物を検出及び/又は定量する方法においては、センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸は検出可能なマーカーで標識されていることが好ましく、上記検出可能なマーカーとしては、従来知られている核酸標識用のマーカーであれば特に制限されるものではなく、例えば、32P、H、14C、125I等の放射性同位体や、FITC、TAMRA、サイバーグリーン、ダンシルクロライド、テトラメチルローダミンイソチオシアネート等の蛍光物質や、ビオチン、ジゴキシゲニンのような生物学的に関連する結合構造や、生物発光化合物や、化学発光化合物等を具体的に挙げることができる。 In the method for detecting and / or quantifying the analyte in the test sample of the present invention of [2] above, the nucleic acid containing a sequence specifically recognized by the sensor protein is labeled with a detectable marker. The detectable marker is not particularly limited as long as it is a conventionally known marker for nucleic acid labeling, for example, radioactive such as 32 P, 3 H, 14 C, 125 I, etc. Isotopes, fluorescent materials such as FITC, TAMRA, Cyber Green, dansyl chloride, tetramethylrhodamine isothiocyanate, biologically relevant binding structures such as biotin and digoxigenin, bioluminescent compounds, chemiluminescent compounds, etc. Can be specifically mentioned.

本発明の被検試料中の分析物(アナライト)を検出及び/又は定量する方法において、センサータンパク質又は核酸を固相化させる支持体としては、公知の支持体であれば特に制限されるものではなく、具体的には、プラスティック(ポリスチレン、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン等)、アガロース、セルロース、親水性ポリビニールアルコール、アクリレート系ポリマー、ポリアクリルアミドガラス、金属などを例示することができる。また、これらの支持体にセンサータンパク質又は核酸を固相化させる方法としては、公知の方法であれば特に制限されるものではなく、例えば、物理的吸着法や、ジアゾ法、ペプチド法(酸アミド誘導体法、カルボキシクロリド樹脂法、カルボジイミド樹脂法、無水マレイン酸誘導体法、イソシアナート誘導体法、臭化シアン活性化多糖体法、セルロースカルボナート誘導体法、縮合試薬を使用する方法)、アルキル化法等の架橋試薬による担体結合法などの共有結合法を採用することができ、なかでも物理的吸着法が好ましい。また、支持体にセンサータンパク質又は核酸を固相化させる場合には、他の物質を介して間接的に固相化させてもよい。具体的には、下記の実施例に示すように、核酸をビオチン標識し、ビオチンと支持体(プラスティックプレート)とを物理的吸着により結合させることにより、核酸を支持体に固相化することができる。   In the method for detecting and / or quantifying the analyte (analyte) in the test sample of the present invention, the support for immobilizing the sensor protein or nucleic acid is not particularly limited as long as it is a known support. Instead, specifically, plastic (polystyrene, polyamide, polyethylene, polypropylene, etc.), agarose, cellulose, hydrophilic polyvinyl alcohol, acrylate polymer, polyacrylamide glass, metal, and the like can be exemplified. In addition, the method for immobilizing the sensor protein or nucleic acid on these supports is not particularly limited as long as it is a known method. For example, the physical adsorption method, the diazo method, the peptide method (acid amide) Derivative method, carboxy chloride resin method, carbodiimide resin method, maleic anhydride derivative method, isocyanate derivative method, cyanogen bromide activated polysaccharide method, cellulose carbonate derivative method, method using condensation reagent), alkylation method, etc. A covalent bonding method such as a carrier bonding method using a cross-linking reagent can be employed, and a physical adsorption method is particularly preferable. When the sensor protein or nucleic acid is immobilized on the support, it may be indirectly immobilized via another substance. Specifically, as shown in the Examples below, nucleic acid can be immobilized on a support by labeling the nucleic acid with biotin and binding biotin and the support (plastic plate) by physical adsorption. it can.

以上のように、本発明においては、細菌のプロモーター領域DNAとセンサータンパク質を素子としたヒ素、鉛・カドミウム検出用バイオセンサーにより重金属検出が可能であることが原理的に示されている。このセンサーは、細菌の転写スイッチで起きる変化を直接的に捉える無細胞型センサーであり、転写スイッチを構成するセンサータンパク質とプロモーター領域DNAの間で起こる結合と解離という二状態間の変化を緑色蛍光タンパク質(GFP)等の蛍光を利用して捉えることを特徴とする。以下、より具体的に説明する。   As described above, in the present invention, it has been shown in principle that heavy metals can be detected by a biosensor for detecting arsenic, lead and cadmium using bacterial promoter region DNA and sensor protein as elements. This sensor is a cell-free sensor that directly captures changes that occur in bacterial transcriptional switches. Green fluorescence changes between the two states, binding and dissociation, that occur between the sensor protein that constitutes the transcriptional switch and the promoter region DNA. It is characterized by capturing using fluorescence of protein (GFP) or the like. More specific description will be given below.

本発明の検出・定量方法においては、センサー部を交換・脱着可能なモジュールとするために、96ウェルのマイクロプレートのウェル内にセンサー素子が固定化されている。固定化する素子は、プロモーター領域DNAとセンサータンパク質の二通りが考えられる。プロモーター領域DNAを固定化する場合、ストレプトアビジンが固定化された96ウェルマイクロプレートに、3’末端にビオチンを標識したプロモーター領域DNAを反応させることによりDNAの固定化を行うことができる。プロモーター領域DNAを固定化したマイクロプレートのウェル内において、センサータンパク質−GFP溶液を反応させた後に洗浄操作を行い、ウェル内でプロモーター領域DNAと結合状態を保つセンサータンパク質−GFPの蛍光強度を蛍光マイクロプレートリーダーで測定するシステムである。   In the detection / quantification method of the present invention, a sensor element is immobilized in a well of a 96-well microplate in order to make the sensor part a replaceable / detachable module. There are two possible elements to be immobilized: promoter region DNA and sensor protein. When the promoter region DNA is immobilized, the DNA can be immobilized by reacting a promoter region DNA labeled with biotin at the 3 'end in a 96-well microplate on which streptavidin is immobilized. In the well of the microplate to which the promoter region DNA is immobilized, a washing operation is performed after reacting the sensor protein-GFP solution, and the fluorescence intensity of the sensor protein-GFP that maintains the binding state with the promoter region DNA in the well This system measures with a plate reader.

本発明方法においては、例えば、センサータンパク質であるArsR−GFPとCadC−GFPをそれぞれ生産する大腸菌株を育種して、これらの組み換えタンパク質がプロモーター領域DNAそして重金属に結合することを確認し、さらに、ArsR−GFPを用いたバイオセンサー開発においては、As(III)を含む試料とArsR−GFPを混合することで蛍光強度が減少することが明らかにされた。次に、プロモーター領域DNAとセンサータンパク質−GFPとの結合を安定化させる条件、あるいは複合体への結合と複合体の解離の状態変化を顕著化させる条件の検討を行った。さらに、CadC−GFPを用いたバイオセンサー開発において、Pb(II)やCd(II)を含む試料とCadC−GFPを混合することで蛍光強度が減少することを明らかにした。   In the method of the present invention, for example, E. coli strains that produce sensor proteins ArsR-GFP and CadC-GFP, respectively, are bred to confirm that these recombinant proteins bind to promoter region DNA and heavy metals, In biosensor development using ArsR-GFP, it has been clarified that the fluorescence intensity is reduced by mixing ArsR-GFP with a sample containing As (III). Next, conditions for stabilizing the binding between the promoter region DNA and the sensor protein-GFP, or conditions for conspicuous changes in the state of binding to the complex and dissociation of the complex were examined. Furthermore, in the biosensor development using CadC-GFP, it was clarified that the fluorescence intensity decreases by mixing the sample containing Pb (II) or Cd (II) with CadC-GFP.

その結果、まず、検出試験の手順においては、センサータンパク質−GFPを含むタンパク質粗抽出液と試料、サケ精子DNA、緩衝液とを混合し、室温もしくは氷上で30分間のインキュベートを行うことが重要であることが示された。センサータンパク質−GFPをウェルに添加し先にDNA−センサータンパク質−GFP複合体を形成させた後に試料を添加し、タンパク質の解離の度合いを測定する方法も考えられたが、こちらの手順は有効に機能しなかった。また、30分間のインキュベート時に40mM以上のNaClが存在することが、後の測定時に蛍光強度の変量を顕著化する上で重要であることが示された。   As a result, first, in the detection test procedure, it is important to mix the protein crude extract containing the sensor protein-GFP with the sample, salmon sperm DNA, and buffer, and incubate at room temperature or on ice for 30 minutes. It was shown that there is. Although a method of adding a sensor protein-GFP to a well and forming a DNA-sensor protein-GFP complex first and then adding a sample to measure the degree of protein dissociation was considered, this procedure is effective. Didn't work. In addition, it was shown that the presence of 40 mM or more NaCl during the 30-minute incubation is important in making the fluorescence intensity variable noticeable during subsequent measurements.

ヒ素の検出においては、チオ硫酸ナトリウムによる還元処理を施すことでAs(III)と同等にAs(V)を検出することが可能であった。この場合はまず、塩酸を加え酸性条件にした後にチオ硫酸ナトリウムを加え、最終的に水酸化ナトリウムで中和を行う。この過程を経て試料中にNaClを添加したときと同様に一定濃度のイオンが存在することになる。また、緩衝液の至適pHの検討により、pH7.4付近でセンサー素子の機能が最も発揮されることが確認された。そして、pHだけが重要なのではなく使用する緩衝液の種類によっても効果が変わることが判明し、ArsR−GFPではリン酸緩衝液が、CadC−GFPではトリスヒドロキシメチルアミノメタン緩衝液が適することが確認された。検出下限はヒ素では5μg/L、鉛では10μg/L、カドミウムでは1μg/Lであり、世界保健機構が定める飲料水基準値以下での検出が可能であることが示された。今後の研究次第でさらなる高感度化が達成される可能性もある。検出に要する時間は、試料とタンパク質抽出液を混合して最初に行う15分間のインキュベーションも含めて40分間以内に完了することが見込まれる。ArsR−GFPとCadC−GFP共に、100μMの他の金属に対して交差応答性を示さず、目的金属に選択的に応答することが認められた。   In the detection of arsenic, it was possible to detect As (V) in the same manner as As (III) by performing a reduction treatment with sodium thiosulfate. In this case, first, hydrochloric acid is added to make acidic conditions, then sodium thiosulfate is added, and finally neutralization is performed with sodium hydroxide. Through this process, a certain concentration of ions is present as in the case of adding NaCl to the sample. In addition, by examining the optimum pH of the buffer solution, it was confirmed that the function of the sensor element was most exhibited around pH 7.4. And it became clear that not only the pH is important but also the effect changes depending on the type of buffer used, and phosphate buffer is suitable for ArsR-GFP and trishydroxymethylaminomethane buffer is suitable for CadC-GFP. confirmed. The lower limit of detection was 5 μg / L for arsenic, 10 μg / L for lead, and 1 μg / L for cadmium, indicating that detection is possible below the drinking water reference value set by the World Health Organization. Depending on future research, higher sensitivity may be achieved. The time required for detection is expected to be completed within 40 minutes, including the initial 15 minute incubation of the sample and protein extract. Both ArsR-GFP and CadC-GFP did not show cross-responsiveness to other metals of 100 μM, and were found to selectively respond to the target metal.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの例示に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, the technical scope of this invention is not limited to these illustrations.

[バイオセンサーの原理]
蛍光標識センサータンパク質とDNAの相互作用を利用した有害金属バイオセンサーの開発を試みた。図1に示すように、ArsRタンパク質やCadCタンパク質などのセンサータンパク質は、大腸菌(E.coli)や黄色ブドウ球菌(S.aureus)における有害金属耐性オペロンの転写活性を制御する働きを担っている。これらのタンパク質は、有害金属イオンの非存在下ではプロモーターDNAと結合し、センサータンパク質−プロモーターDNA複合体を形成する。以上のようなセンサータンパク質の性質を利用して、ヒ素、鉛及びカドミウム化合物検出のためのバイオセンサーを開発した。図2にバイオセンサーの原理を示す。
[Principle of biosensor]
We attempted to develop a harmful metal biosensor using the interaction between fluorescently labeled sensor protein and DNA. As shown in FIG. 1, sensor proteins such as ArsR protein and CadC protein have a function of controlling transcription activity of harmful metal-resistant operons in E. coli and S. aureus. These proteins bind to promoter DNA in the absence of harmful metal ions to form a sensor protein-promoter DNA complex. A biosensor for the detection of arsenic, lead and cadmium compounds has been developed using the properties of the sensor protein as described above. FIG. 2 shows the principle of the biosensor.

基材表面へのDNAの固定化は、低分子ビタミンであるビオチンと塩基性糖タンパク質であるストレプトアビジンの二物質に着目した。これらの物質間で形成される結合は、1015−1以上という極めて高い結合定数を有し、不可逆に近い結合とされる。この結合に着目した理由として、ビオチンでDNA鎖の修飾が可能である点と、ストレプトアビジンの96穴マイクロプレート基材への固定化が可能である点、酵素結合免疫吸着法で汎用されている点、結合がDNAの鎖に直接的に影響を与えない点で有利であると考えたからである。さらに96穴マイクロプレートを利用することで多試料を一括して処理が可能になるため、ハイスループットスクリーニングの検出系の構築が期待できる。基材にはストレプトアビジンが修飾された96穴マイクロプレート(Reacti-Bind Streptavidin High Binding Capacity Coated 96-Well Plates : PIERCE社)を採用した。蛍光強度の測定はコロナ蛍光マイクロプレートリーダーMTP-601Lab(日立ハイテクノロジーズ社)を使用した。測定条件は励起フィルターに490nm、蛍光測定フィルターに530nmのものを使用し、検出感度は「AUTO」とした。 For the immobilization of DNA on the substrate surface, attention was paid to two substances, biotin which is a low molecular vitamin and streptavidin which is a basic glycoprotein. The bond formed between these substances has a very high binding constant of 10 15 M −1 or more, and is close to irreversible. The reason for paying attention to this binding is that the DNA strand can be modified with biotin, that streptavidin can be immobilized on a 96-well microplate substrate, and is widely used in enzyme-linked immunosorbent methods. This is because the bond is considered advantageous in that the bond does not directly affect the DNA strand. Furthermore, since a multi-sample can be processed at once by using a 96-well microplate, the construction of a detection system for high-throughput screening can be expected. A 96-well microplate modified with streptavidin (Reacti-Bind Streptavidin High Binding Capacity Coated 96-Well Plates: PIERCE) was adopted as the substrate. The fluorescence intensity was measured using a corona fluorescence microplate reader MTP-601Lab (Hitachi High-Technologies Corporation). The measurement conditions were 490 nm for the excitation filter and 530 nm for the fluorescence measurement filter, and the detection sensitivity was “AUTO”.

[バイオセンサーの構成要素]
ヒ素化合物のバイオセンサーの構成要素を図3に示す。大腸菌においてヒ素の細胞外排出ポンプをコードするarsB及びarsC遺伝子と、ArsRセンサータンパク質をコードするarsR遺伝子はarsR−arsB−arsCの順でオペロンを形成し、その転写活性はArsRタンパク質により制御される。ヒ素化合物バイオセンサーには、ArsR−GFP融合タンパク質と、arsR遺伝子上流のArsRタンパク質結合サイト(オペレーター配列)を中心とした50塩基対からなるプロモーター領域DNA(Pars−DNA)を選択した。プロモーター領域DNAについては、表1に示すParsR−50−S−3−B(配列番号1にParsR−50−Sの配列を示す)とParsR−50−A(配列番号2)を等量混合し、プロモーター配列下流の3’末端にビオチンが標識された二本鎖DNA(Pars−ビオチンと表記)を形成させた。次に、Pars−ビオチンを濃度が25pmol/100μLとなるよう調製し固定化に用いた。
[Components of biosensor]
The components of an arsenic compound biosensor are shown in FIG. In E. coli, the arsB and arsC genes encoding the arsenic extracellular efflux pump and the arsR gene encoding the ArsR sensor protein form an operon in the order of arsR-arsB-arsC, and the transcriptional activity is controlled by the ArsR protein. For the arsenic compound biosensor, ArsR-GFP fusion protein and promoter region DNA ( Pars -DNA) consisting of 50 base pairs centered on the ArsR protein binding site (operator sequence) upstream of the arsR gene were selected. For the promoter region DNA, equal amounts of ParsR-50-S-3-B (SEQ ID NO: 1 shows the sequence of ParsR-50-S) and ParsR-50-A (SEQ ID NO: 2) shown in Table 1 are mixed. A double-stranded DNA labeled with biotin at the 3 ′ end downstream of the promoter sequence (indicated as Pars-biotin) was formed. Next, Pars-biotin was prepared to a concentration of 25 pmol / 100 μL and used for immobilization.

一方、黄色ブドウ球菌において鉛やカドミウムの細胞外排出ポンプをコードするcadA遺伝子と、CadCセンサータンパク質をコードするcadC遺伝子はcadC−cadAの順でオペロンを形成し、その転写はCadCタンパク質により制御される。鉛及びカドミウム化合物のバイオセンサーには、CadC−GFP融合タンパク質と、CadC遺伝子上流のCadCタンパク質結合サイト(オペレーター配列)を中心とした34塩基対からなるプロモーター領域DNA(Pcad−DNA)を選択した。プロモーター領域DNAについては、表2に示すPcadC34−S−3−B(配列番号3にPcadC34−Sの配列を示す)とPcadC34−A(配列番号4)を等量混合し、プロモーター配列下流の3’末端にビオチンが標識された二本鎖オリゴヌクレオチド(Pcad34−ビオチンと表記)を形成させた。次に、Pcad34−ビオチンを濃度が20pmol/100μLとなるよう調製し固定化した。 On the other hand, in S. aureus, the cadA gene encoding the extracellular efflux pump of lead and cadmium and the cadC gene encoding the CadC sensor protein form an operon in the order of cadC-cadA, and the transcription is controlled by the CadC protein. . As a biosensor for lead and cadmium compounds, a CadC-GFP fusion protein and a promoter region DNA (P cad -DNA) consisting of 34 base pairs centered on a CadC protein binding site (operator sequence) upstream of the CadC gene were selected. . Regarding promoter region DNA, PcadC34-S-3-B (SEQ ID NO: 3 shows the sequence of PcadC34-S) and PcadC34-A (SEQ ID NO: 4) shown in Table 2 are mixed in equal amounts, and 3 downstream of the promoter sequence. 'A double-stranded oligonucleotide labeled with biotin at its end (denoted as Pcad34-biotin) was formed. Next, Pcad34-biotin was prepared and immobilized so as to have a concentration of 20 pmol / 100 μL.

[実験材料と方法]
(1)菌株(大腸菌株)
遺伝子クローニングにはJM109、DH5α(TaKaRa社製)を用いた。また、組換えタンパク質生産には、pAcGFP1プラスミドDNAのAcgfp1遺伝子の上流に大腸菌K12のarsR遺伝子をAcgfp1遺伝子と同じ読み枠で挿入した、BL21(DE3)pLysS(Novagen社)をそれぞれ用いた。また、形質転換株の培養はLB培地を用い、必要に応じてアンピシリン(Amp)、クロラムフェニコール(Cm)をそれぞれ終濃度50μg/mL、34μg/mLとなるように加えた。
[Experimental materials and methods]
(1) Strain (Escherichia coli strain)
JM109 and DH5α (TaKaRa) were used for gene cloning. For production of recombinant protein, BL21 (DE3) pLysS (Novagen), in which the arsR gene of E. coli K12 was inserted in the same reading frame as the Acgfp1 gene, upstream of the Acgfp1 gene of pAcGFP1 plasmid DNA, was used. In addition, LB medium was used for culturing the transformant, and if necessary, ampicillin (Amp) and chloramphenicol (Cm) were added to final concentrations of 50 μg / mL and 34 μg / mL, respectively.

(2)PCRによるarsR、cadC及びAcgfp1塩基配列の増幅
ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)には、Pfx50 DNA Polymerase(Invitrogen社製)を用いた。大腸菌K12のarsR、黄色ブドウ球菌NCTC50581の内在性プラスミドDNAであるpI258にコードされるcadC、pAcGFP1プラスミドDNA(Clontech社製)にコードされるAcgfp1をそれぞれ増幅した。
(2) Amplification of arsR, cadC and Acgfp1 base sequences by PCR Pfx50 DNA Polymerase (manufactured by Invitrogen) was used for the polymerase chain reaction (PCR). AcadR of Escherichia coli K12, cadC encoded by pI258 which is an endogenous plasmid DNA of S. aureus NCTC50581, and Acgfp1 encoded by pAcGFP1 plasmid DNA (manufactured by Clontech) were amplified.

(3)試薬
亜ヒ酸はsodium metaarsenite 98%(As(III))(Sigma社製)を、2価鉛は酢酸鉛(II)三水和物特級(和光純薬社製)をそれぞれ用いた。
(3) Reagent Arsenic acid used sodium metaarsenite 98% (As (III)) (manufactured by Sigma), divalent lead used lead acetate (II) trihydrate special grade (manufactured by Wako Pure Chemical Industries). .

(4)プラスミドDNA
PCRで増幅したDNA断片のクローニングの際にはpGEM−TベクタープラスミドDNA(Promega社製)を、組み換えタンパク質生産のための発現ユニットの作製の際にはpET−3aプラスミドDNA(Novagen社製)をそれぞれ用いた。
(4) Plasmid DNA
When cloning DNA fragments amplified by PCR, pGEM-T vector plasmid DNA (manufactured by Promega) is used. When preparing expression units for recombinant protein production, pET-3a plasmid DNA (manufactured by Novagen) is used. Each was used.

(5)組換えタンパク質の生産条件と調製法
組換えタンパク質の発現用BL21(DE3)pLysS形質転換株を、AmpとCmを添加した培地(AmpCmLB)5mLで、37℃、一晩培養し、得られた一晩培養液を0.5mLのAmpCmLBに植菌した。これを37℃で約12時間、イソプロピル−β−D−チオガラクトピラノシド(IPTG)を添加せずに培養した。培養後、集菌し50mMのトリス−塩酸緩衝液(Tris−HCl、pH7.4)で2回の洗菌を行った後に、4mLの細胞破砕用緩衝液(15%グリセロールを含むTris−HCl)に再懸濁し−80℃で1回の凍結融解を行った。超音波破砕を行った後、15000rpmで15分間、遠心分離し、得られた上清を組み換えタンパク質粗抽出液とした。このタンパク質粗抽出液は−80℃で凍結保存し、試験時に融解し使用した。マイクロプレートを利用した亜ヒ酸(As(III))の検出時には上述のTris−HClの代わりに10mMのリン酸緩衝液(PBS、pH6.0)を用いた。また、超音波破砕時には2mLの細胞破砕用緩衝液(15%グリセロールを含むPBS)に細胞を懸濁させた。
(5) Recombinant protein production conditions and preparation method BL21 (DE3) pLysS transformant for expression of recombinant protein was cultured at 37 ° C overnight in 5 mL of medium supplemented with Amp and Cm (Amp + Cm + LB). After culturing, the obtained overnight culture solution was inoculated into 0.5 mL of Amp + Cm + LB. This was cultured at 37 ° C. for about 12 hours without adding isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG). After culturing, the cells were collected and washed twice with 50 mM Tris-HCl buffer (Tris-HCl, pH 7.4), and then 4 mL of cell disruption buffer (Tris-HCl containing 15% glycerol). And freeze-thawed once at -80 ° C. After sonication, the mixture was centrifuged at 15000 rpm for 15 minutes, and the resulting supernatant was used as a recombinant protein crude extract. This crude protein extract was stored frozen at −80 ° C. and thawed for use during testing. When detecting arsenous acid (As (III)) using a microplate, 10 mM phosphate buffer (PBS, pH 6.0) was used instead of the above-mentioned Tris-HCl. At the time of ultrasonic disruption, the cells were suspended in 2 mL of a cell disruption buffer (PBS containing 15% glycerol).

(6)ゲルシフト法(Electrophoresis Mobility Shift Assay;EMSA)
プロモーターDNAと組み換えタンパク質と金属イオンを表3に示す組成で混合し、氷上で3時間(ArsR−GFPを用いた試験)あるいは1時間(CadC−GFPを用いた試験)のインキュベートを行った。反応液に表4のネーティブ−PAGE用サンプル緩衝液5μLを加えて計25μLとした。その後、ネーティブ−PAGEにより反応液中のDNAとタンパク質を展開したゲルに暗条件下LED光源ビジレイズ(AE−6935B、ATTO社製)により青色光を照射しGFP融合タンパク質を可視化した。
(6) Gel shift method (Electrophoresis Mobility Shift Assay; EMSA)
Promoter DNA, recombinant protein, and metal ion were mixed in the composition shown in Table 3, and incubated on ice for 3 hours (test using ArsR-GFP) or 1 hour (test using CadC-GFP). 5 μL of the native PAGE sample buffer shown in Table 4 was added to the reaction solution to make a total of 25 μL. Thereafter, the GFP fusion protein was visualized by irradiating the gel in which the DNA and protein in the reaction solution were developed by native PAGE with blue light by LED light source visualization (AE-6935B, manufactured by ATTO) under dark conditions.

(7)マイクロプレートを利用した亜ヒ酸(As(III))の検出試験
110μLのDNA固定化用緩衝液(0.05%Tween20を含むトリス緩衝液−生理食塩水(TBS))に30pmolのPars−DNAを溶解させた溶液をマイクロプレート(Reacti-Bind Streptavidin Coated High Binding Capacity (HBC) Black 96-Well Plates、Pierce社製)に添加し、2時間室温でインキュベートすることにより、ウェル表面にPars−DNAを固定化した。200μLのDNA固定化用緩衝液で2回洗浄を行った後、200μLのTBSで1回洗浄を行った。タンパク質粗抽出液と亜ヒ酸溶液を表5に示す組成で混合し、氷上で2時間インキュベートを行った。その後、混合液をプレートに添加し室温で1時間インキュベートを行った。上清を除き、200μLの洗浄用緩衝液(0.05%Tween20を含む10mMPBS、pH6.0)で3回の洗浄を行い、最終的に150μLの50mMTris−HCL(pH7.9)を添加し、10分後にFluorescent Microplate Reader MTP-601Lab(コロナ−日立ハイテクノロジーズ社製)にて蛍光強度を測定した。この際のバンドパスフィルターとして励起光側は492nm、検出器側は530nmのものを用いた。
(7) Arsenic acid (As (III)) detection test using microplate 30 μmol of 110 μL of DNA immobilization buffer (Tris buffer containing 0.05% Tween20-saline (TBS)) P ars-DNA the dissolving solution microplates (Reacti-Bind Streptavidin Coated High Binding Capacity (HBC) Black 96-well plates, Pierce Ltd. Co.) by adding to and incubated for 2 h at room temperature, the well surface Pars -DNA was immobilized. After washing twice with 200 μL of DNA immobilization buffer, it was washed once with 200 μL of TBS. The crude protein extract and arsenous acid solution were mixed in the composition shown in Table 5 and incubated on ice for 2 hours. Thereafter, the mixed solution was added to the plate and incubated at room temperature for 1 hour. The supernatant was removed, and washing was performed 3 times with 200 μL of washing buffer (10 mM PBS containing 0.05% Tween 20, pH 6.0). Finally, 150 μL of 50 mM Tris-HCL (pH 7.9) was added, After 10 minutes, the fluorescence intensity was measured with a Fluorescent Microplate Reader MTP-601Lab (Corona-Hitachi High-Technologies Corporation). In this case, a bandpass filter having a wavelength of 492 nm on the excitation light side and a wavelength of 530 nm on the detector side was used.

[結果及び考察:亜ヒ酸バイオセンサー]
(1)ArsR−GFP融合タンパク質の作製
まず、pAcGFP1プラスミドDNAのAcgfp1遺伝子の上流に大腸菌K12のarsR遺伝子をAcgfp1遺伝子と同じ読み枠で挿入した、pAcGFParsRを鋳型にしてPCRを行い、arsRとAcgfp1を含むDNAフラグメント、arsRgfpを増幅した。この際に用いたプライマーはarsR遺伝子の5’末端とAcgfp1遺伝子の3’末端に相補的な20塩基からなり、更にその5’側にはそれぞれNdeIサイトを付加した。arsRgfpをpGEM−TベクタープラスミドDNAに挿入しクローニングすることでpGEMarsRgfpを得た(図4)。pGEMarsRgfpをNdeI消化することでプラスミドDNAより切り出されたarsRgfpをアガロースゲル電気泳動で分離し回収した。pET−3aをNde1消化し、回収したarsRgfpとつなぎ合わせることでpETarsRgfpを得た。pETarsRgfpで大腸菌BL21(DE3)pLysSを形質転換することによりArsR−GFP融合タンパク質生産株を育種した。
[Results and discussion: Arsenite biosensor]
(1) Preparation of ArsR-GFP fusion protein First, PCR was performed using pAcGFPrsR as a template in which the arsR gene of E. coli K12 was inserted upstream of the Acgfp1 gene of pAcGFP1 plasmid DNA in the same reading frame as the Acgfp1 gene, and arsR and Acgfp1 were The containing DNA fragment, arsRgfp, was amplified. Primers used at this time consisted of 20 bases complementary to the 5 ′ end of the arsR gene and the 3 ′ end of the Acgfp1 gene, and an NdeI site was added to the 5 ′ side thereof. pGEMarsRgfp was obtained by inserting and cloning arsRgfp into pGEM-T vector plasmid DNA (FIG. 4). The arsRgfp excised from the plasmid DNA by digesting pGEMarsRgfp with NdeI was separated and recovered by agarose gel electrophoresis. pET-3a was digested with Nde1 and joined to the collected arsRgfp to obtain pETarsRgfp. An EssR-GFP fusion protein producing strain was bred by transforming E. coli BL21 (DE3) pLysS with pETarsRgfp.

(2)ArsR−GFP融合タンパク質の機能評価
このようにして得られた組換えタンパク質がArsRタンパク質としての機能性を有するか否かをゲルシフト法により確認した。ゲルシフト法ではタンパク質と核酸が特異的な結合を介して複合体を形成すると核酸単体あるいはタンパク質単体の場合と比較し電気泳動時の各分子の移動距離に差が生じ、ゲル上のバンドの位置に差異が生じる。これによりタンパク質と核酸の特異的な結合の有無を判別することが可能となる。ArsR−GFPタンパク質を含むタンパク質粗抽出液とPars−DNAを混合した結果、図5に示すように、Pars−ArsR−GFP複合体と推察されるバンドが確認された。また、Pars−DNAを添加せずタンパク質粗抽出液の反応液を泳動した場合には、このバンドが確認されないことから、このバンドがPars−ArsR−GFP複合体のものであることが裏付けられる。また、亜ヒ酸を反応液に添加した場合には、添加した亜ヒ酸の濃度が増加するにつれてPars−ArsR−GFP複合体のバンドが薄くなることが確認された。以上の結果から、ArsR−GFPタンパク質はPars−DNAと特異的に結合して複合体を形成すること、亜ヒ酸の存在によりPars−DNAとの結合が阻害されることが確認された。さらに、これらの結果は、GFP蛍光修飾によりArsRタンパク質の機能が損なわれないことを意味している。
(2) Functional evaluation of ArsR-GFP fusion protein It was confirmed by the gel shift method whether the recombinant protein obtained in this way has functionality as ArsR protein. In the gel shift method, when protein and nucleic acid form a complex through a specific bond, there is a difference in the migration distance of each molecule during electrophoresis compared to the case of nucleic acid or protein alone, and the position of the band on the gel. Differences occur. This makes it possible to determine the presence or absence of specific binding between the protein and the nucleic acid. ARSR-GFP protein protein crude extract and a P ars result -DNA were mixed, as shown in FIG. 5, bands were confirmed to be inferred that P ars -ArsR-GFP conjugate. Further, when the electrophoresed reaction of protein crude extract without the addition of P ars-DNA, since this band is not confirmed, confirmed that this band is of P ars -ArsR-GFP conjugate It is done. Also, the addition of arsenite to the reaction solution, a band of P ars -ArsR-GFP conjugate as the concentration of the added arsenic trioxide increases that becomes thin was confirmed. These results, ARSR-GFP protein to form a P ars-DNA specifically bound to the complex, that binding of the P ars-DNA is inhibited was confirmed by the presence of arsenite . Furthermore, these results indicate that the function of ArsR protein is not impaired by GFP fluorescence modification.

(3)マイクロプレートを利用した亜ヒ酸検出系の開発
ars−DNAを固定化したウェルにArsR−GFPタンパク質を含むタンパク質粗抽出液を添加し、ウェル表面上でPars−ArsR−GFP複合体を形成させた。その後、タンパク質粗抽出液を除去し洗浄を行わずにウェル上のタンパク質をSDS−PAGE用のサンプル緩衝液で変性させ回収した。電気泳動による解析の結果、ArsR−GFPタンパク質の推定分子量41.8kDaの位置に濃いバンドが検出されたが、これ以外にも複数のバンドが確認された(図6レーン2)。同様の解析を、ウェル表面上でPars−ArsR−GFP複合体を形成させ洗浄を行った後に回収したサンプルで行った場合、ArsR−GFPの位置にほぼ完全に精製されたタンパク質が確認された(図6レーン1)。いずれのレーンのサンプルにおいても、タンパク質粗抽出液をそのまま展開した場合(図6レーン3)と比較し、飛躍的に目的タンパク質の精製が進んだことを示している。以上の結果から、ウェル表面にPars−DNAを固定化し、タンパク質粗抽出液を添加しインキュベートするだけで、Pars−DNAとArsR−GFPが高い特異性を維持しつつウェル表面でも結合し得ることが示された。この結果は、さらに、タンパク質精製のための煩雑なカラム操作が不要であることを示しており、バイオセンサーの作製にかかるコストを低減化することが可能である。
(3) a microplate were added protein crude extract containing ARSR-GFP protein immobilized wells developed P ars-DNA of arsenite detection system using, P ars -ArsR-GFP complex on the well surface The body was formed. Thereafter, the protein crude extract was removed and the protein in the well was denatured and recovered with a sample buffer for SDS-PAGE without washing. As a result of analysis by electrophoresis, a dark band was detected at the position of the estimated molecular weight of 41.8 kDa of the ArsR-GFP protein, but a plurality of other bands were confirmed (lane 2 in FIG. 6). Similar analysis, when performed on samples collected after the washing to form a P ars -ArsR-GFP complex on the well surface, the protein was almost completely purified position of ARSR-GFP was confirmed (FIG. 6, lane 1). In any sample of lanes, the purification of the target protein progressed dramatically compared to the case where the crude protein extract was developed as it was (FIG. 6, lane 3). From the above results, the P ars-DNA was immobilized on the well surface, simply incubate the addition of protein crude extract, it can also bind with the well surface while maintaining high specificity P ars-DNA and ARSR-GFP It was shown that. This result further indicates that complicated column operation for protein purification is unnecessary, and it is possible to reduce the cost for producing a biosensor.

(4)ArsR−GFP含有タンパク質粗抽出液の添加量
次に、ウェル表面にPars−DNAを固定化した後に、添加するタンパク質粗抽出液量の変化により、ウェル洗浄後に残存する蛍光強度がどのように変化するかを調べた。図7の横軸はウェル中の100mL液量当りのタンパク質粗抽出液の液量、縦軸はウェル上においてPars−DNAと複合体を形成しているArsR−GFPの蛍光強度を示す。蛍光強度は粗抽出液の液量が増加するとそれに伴い増加したが、40mLでプラトーに到達した。このことは、ウェル表面で固定化されたほぼ全てのPars−DNAに対してArsR−GFPとの複合体を形成させるためには100mL液量当り40mLのタンパク質粗抽出液の液量で十分であることを示している。これ以上の量の抽出液を添加した場合には、遊離ArsR−GFPタンパク質が反応系に過剰量存在することになり、亜ヒ酸を検出する際に過剰に存在する遊離ArsR−GFPがPars−DNAに結合することで検出感度の低下を招くことも予測される。従って、暫定的に40mLのタンパク質粗抽出液に相当するArsR−GFPの量を適用して亜ヒ酸の検出を行った。
(4) ArsR-GFP amount of containing protein crude extract Next, after immobilizing the P ars-DNA to the well surface, the change in protein crude extract volume to be added, which fluorescence intensity remaining after the wells washing We examined how it changed. The horizontal axis the amount of liquid 100mL liquid amount per crude protein extract in the well of Figure 7, the vertical axis represents the fluorescence intensity of ARSR-GFP forming a complex with P ars-DNA on the wells. The fluorescence intensity increased as the amount of the crude extract increased, but reached a plateau at 40 mL. This is in order to form a complex with ARSR-GFP for almost all P ars-DNA immobilized in the wells surface sufficient amount of liquid protein crude extract of 100mL liquid amount per 40mL It shows that there is. The case of adding more of the amount of the extract, the free ARSR-GFP protein will be present in excess amount in the reaction system, free ARSR-GFP is P ars present excessively in detecting arsenite -It is also predicted that the detection sensitivity is lowered by binding to DNA. Accordingly, arsenite was detected by provisionally applying an amount of ArsR-GFP corresponding to 40 mL of the crude protein extract.

亜ヒ酸の検出を行うにあたり、上述のタンパク質粗抽出液40mLに相当する量を5mLにまで濃縮した粗抽出液を調製した。そしてタンパク質粗抽出液と亜ヒ酸を5:95の割合で混合し、実施例2の[実験材料と方法]に記載の手順に従い3時間後に蛍光強度の測定を行った。その結果、亜ヒ酸添加により蛍光強度の有意な減少が観察され、減少幅は50μg/Lよりも100μg/Lの方が大きくなる傾向が認められた。マイクロプレートを利用したDNAを素子とする亜ヒ酸検出用バイオセンサーが原理的に50μg/Lの亜ヒ酸を検出可能であることが示された(図8)。   In detecting arsenous acid, a crude extract was prepared by concentrating an amount corresponding to 40 mL of the above-described crude protein extract to 5 mL. The crude protein extract and arsenous acid were mixed at a ratio of 5:95, and the fluorescence intensity was measured after 3 hours according to the procedure described in [Experimental materials and methods] of Example 2. As a result, a significant decrease in fluorescence intensity was observed with the addition of arsenous acid, and the decrease width was observed to be larger at 100 μg / L than at 50 μg / L. It was shown that a biosensor for detection of arsenite using DNA using a microplate as an element can detect 50 μg / L arsenite in principle (FIG. 8).

(5)洗浄条件の検討
前記のように、センサー素子となるParsとArsR−GFPからなる複合体を96穴マイクロプレート上で構築することが可能であると判断した。また、余剰のArsR−GFPタンパク質溶液をPars固定化ウェルから除去し、表6に示す10mM PB−Tによる洗浄を行ったところ、洗浄回数を重ねる毎にウェル内GFP由来の蛍光強度の減少が認められた。この減少はArsR−GFPが洗浄操作でParsから解離したことによると考えられたため、基材上でセンサー素子複合体が維持され、かつ余剰のArsR−GFPや夾雑タンパク質の系内からの排除が可能な洗浄条件が必要であると考えた。そこでArsR−GFPを利用して、下記のpHが異なる二つの緩衝液(表6)で洗浄操作を行い、蛍光強度の減少度を調べた。
(5) Examination of washing conditions As described above, it was determined that a complex composed of Pars and ArsR-GFP serving as a sensor element could be constructed on a 96-well microplate. In addition, when the excess ArsR-GFP protein solution was removed from the Pars-immobilized well and washed with 10 mM PB-T shown in Table 6, a decrease in fluorescence intensity derived from GFP in the well was observed each time the washing was repeated. It was. This decrease was thought to be due to ArsR-GFP being dissociated from Pars by the washing operation, so that the sensor element complex was maintained on the substrate, and excess ArsR-GFP and contaminating proteins could be excluded from the system. It was thought that a proper cleaning condition was necessary. Therefore, using ArsR-GFP, washing operation was performed with the following two buffer solutions having different pH values (Table 6), and the degree of decrease in fluorescence intensity was examined.

一回の洗浄操作において200μLの緩衝液をウェルへ添加し、96穴マイクロプレートを手に持ち、5秒間、軽く振盪させ緩衝液を振り落とした。再度、200μLの緩衝液をウェルへ添加して蛍光測定を行った。この操作を4回繰り返し、最後は100μLのTBS−T(表6)を全ウェルへ添加し、pHを7.4として蛍光強度の測定を行った(図9)。   In a single washing operation, 200 μL of buffer solution was added to the well, and a 96-well microplate was held in the hand and shaken gently for 5 seconds to shake off the buffer solution. Again, 200 μL of buffer solution was added to the wells to measure fluorescence. This operation was repeated 4 times. Finally, 100 μL of TBS-T (Table 6) was added to all wells, and the fluorescence intensity was measured at pH 7.4 (FIG. 9).

GFP等の蛍光タンパク質はpHに依存して蛍光強度が変化する性質が知られており、GFPの場合、中性付近においてpHが高くなるに連れて蛍光強度が高くなることが知られている。PB−Tでの洗浄1〜3回目の蛍光強度は、pH6.0の弱酸性下での測定であったためTBS−Tでの洗浄でpH7.4の弱塩基性下での測定で得られた蛍光強度よりも低いことが考えられる。二つの緩衝液ともに洗浄回数を重ねる毎に蛍光強度の減少が見られたが、4回目の洗浄操作終了後にpH7.4のTBS−Tを加えることによりpHを7.4にして蛍光強度を測定すると、PB−Tでの洗浄ではTBS−Tの1回目の洗浄終了時の蛍光強度とほぼ同じ値であった。洗浄操作による複合体の減少率はTBS−TよりもPB−Tの方が小さかったため、PB−Tの方が洗浄用緩衝液に適すると判断した。以降の試験ではPB−T(pH6.0)を洗浄用緩衝液に採用し、洗浄時における回数や時間などを適宜変えて使用することにした。   Fluorescent proteins such as GFP are known to have a property that the fluorescence intensity changes depending on the pH. In the case of GFP, it is known that the fluorescence intensity increases as the pH increases near neutrality. The fluorescence intensity of the 1st to 3rd washings with PB-T was measured under a weakly acidic pH of 6.0, and thus was obtained by washing with TBS-T under a weakly basic pH of 7.4. It is conceivable that it is lower than the fluorescence intensity. A decrease in fluorescence intensity was observed each time the number of washings was repeated for the two buffer solutions. After the fourth washing operation, TBS-T having a pH of 7.4 was added to adjust the fluorescence intensity to 7.4. Then, in the cleaning with PB-T, the fluorescence intensity at the end of the first cleaning of TBS-T was almost the same value. Since the decrease rate of the complex by the washing operation was smaller in PB-T than in TBS-T, it was judged that PB-T was more suitable as a washing buffer. In the subsequent tests, PB-T (pH 6.0) was adopted as the washing buffer, and the number of times and the time during washing were appropriately changed and used.

(6)ヒ素の還元処理法の検討
センサータンパク質であるArsRは無機ヒ素である3価のヒ素As(III)と5価のヒ素As(V)に対して、それぞれ親和性が異なり、As(III)に対して親和性が高いことが知られている。しかし、飲料水基準値で示されるヒ素は亜ヒ酸とヒ酸の区別をしておらず、ArsR−GFPを素子とするセンサーでAs(III)とAs(V)のヒ素を同等の感度で検出することが好ましい。そこでAs(V)をAs(III)へと還元することでAs(V)をAs(III)と同等に検出可能であるか否かを検討した。試験では、As(V)としてヒ酸ナトリウムを、As(III)として亜ヒ酸ナトリウム、還元剤としてチオ硫酸ナトリウムをそれぞれ用いた。
(6) Examination of Arsenic Reduction Process The sensor protein ArsR has different affinity for trivalent arsenic As (III) and pentavalent arsenic As (V), which are inorganic arsenic, respectively, and As (III ) Is known to have a high affinity. However, the arsenic indicated by the drinking water reference value does not distinguish between arsenous acid and arsenic acid, and the arsenic of As (III) and As (V) is equivalent with the sensor using ArsR-GFP as an element. It is preferable to detect. Therefore, it was investigated whether As (V) can be detected as equal to As (III) by reducing As (V) to As (III). In the test, sodium arsenate was used as As (V), sodium arsenite as As (III), and sodium thiosulfate as the reducing agent.

試料の還元処理は図10に示す手順で行った。試料の450μLに2N塩酸溶液の20.0μLを添加し、pHを1付近にした。次に、用事調製した250mMチオ硫酸ナトリウム水溶液の1.0μLを添加後、室温で10分間のインキュベーションを行った。10分後に2.5N水酸化ナトリウム溶液の16.0μLを添加し中和した。なお、pHの確認はpH試験紙により行った。   The sample reduction treatment was performed according to the procedure shown in FIG. 20.0 μL of 2N hydrochloric acid solution was added to 450 μL of the sample to bring the pH to around 1. Next, 1.0 μL of a 250 mM sodium thiosulfate aqueous solution prepared for use was added, followed by incubation at room temperature for 10 minutes. Ten minutes later, 16.0 μL of 2.5N sodium hydroxide solution was added for neutralization. The pH was confirmed using a pH test paper.

Asを既定濃度に調製し還元処理を行わない試料もしくは還元処理を行った試料の92μLとArsR−GFPを含むタンパク質粗抽出液の7.5μL、10mg/mLサケ精子DNAの0.5μLを混合し、氷上で30分間のインキュベーションを行った。その後、混合液をPars固定化ウェルに添加し、室温で2時間の振盪を行った。2時間後にウェル内の混合液を除去し、200μLのPB−T(表6)により5秒間の洗浄を1回行った。洗浄後、ウェルに150μLの蛍光測定用緩衝液(50mM Tris−HCl pH7.9、1M NaCl、0.1%(w/v)Tween-20)を添加し、蛍光測定を行った。   Prepare 92 μL of the sample that was prepared with As at a predetermined concentration and did not undergo the reduction treatment, or 7.5 μL of the crude protein extract containing ArsR-GFP and 0.5 μL of 10 mg / mL salmon sperm DNA. Incubation for 30 minutes on ice was performed. Thereafter, the mixed solution was added to the Pars-immobilized well and shaken at room temperature for 2 hours. After 2 hours, the mixed solution in the well was removed, and washing was performed once for 5 seconds with 200 μL of PB-T (Table 6). After washing, 150 μL of a fluorescence measurement buffer solution (50 mM Tris-HCl pH 7.9, 1 M NaCl, 0.1% (w / v) Tween-20) was added to the well, and fluorescence measurement was performed.

還元処理を行わない既定濃度のAsを含む試料では、As(III)で濃度と相関して蛍光強度の減少幅が増加したが、As(V)では100μg/Lにおいてもほとんど蛍光強度の減少が見られなかった(図11)。しかし、還元処理を行うことによりAs(V)においてもAs(III)と同等の蛍光強度の減少が認められた(図12)。また、超純水を試料とした時の蛍光強度を還元処理ありとなしで比較すると有意な差が認められないことから、還元処理そのものは検出に影響を及ぼさないことが判る。   In a sample containing a predetermined concentration of As that was not subjected to reduction treatment, the decrease in fluorescence intensity increased in correlation with the concentration in As (III), but the decrease in fluorescence intensity almost decreased at 100 μg / L in As (V). It was not seen (FIG. 11). However, a reduction in fluorescence intensity equivalent to that of As (III) was observed in As (V) by performing the reduction treatment (FIG. 12). In addition, when the fluorescence intensity when using ultrapure water as a sample is compared with and without the reduction treatment, no significant difference is observed, indicating that the reduction treatment itself does not affect the detection.

開発したヒ素センサーArsR−GFPでは100μg/LのAs(V)にさえも蛍光強度の変化を示さなかったことから、ArsR−GFPはAs(V)に対して極めて応答性が低いことが確認された。しかし、チオ硫酸ナトリウムによる還元処理を施すことでAs(III)と同等の蛍光強度の変化を示したことから、As(V)からAs(III)への還元を介してセンサーがAs(V)もAs(III)と同等に検出できることが示された。なお、データでは示していないが、還元処理においてpHを強酸性域にした上でチオ硫酸ナトリウム処理を行わない限り、As(V)を検出できないことが明らかとなった。そのため、還元処理において塩酸などの酸を加えることは必要不可欠であると考えられる。   The developed arsenic sensor ArsR-GFP showed no change in fluorescence intensity even at 100 μg / L As (V), confirming that ArsR-GFP has extremely low response to As (V). It was. However, the reduction treatment with sodium thiosulfate showed a change in fluorescence intensity equivalent to that of As (III). Therefore, the sensor was connected to As (V) through the reduction from As (V) to As (III). Was also found to be detected in the same manner as As (III). Although not shown in the data, it has become clear that As (V) cannot be detected unless the sodium thiosulfate treatment is performed after setting the pH to a strongly acidic range in the reduction treatment. Therefore, it is considered essential to add an acid such as hydrochloric acid in the reduction treatment.

(7)還元処理後に試料に添加する緩衝液とそのpHの最適化
開発したヒ素センサー素子はタンパク質であるため、極端なpH条件下では素子自身が変性を起こし、センサーとして機能しなくなる可能性がある。そのため、どのようなpHの試料に対しても、センサーとしての機能が発揮される至適pHに近づける必要があると考えられる。そこで、ヒ素検出試験時のpHの影響を確認した。検出試験に際しては、亜ヒ酸を含まない試料と100μg/LのAs(III)を含む試料の各445μLに2N塩酸の20.0μL、500mM エチレンジアミン四酢酸(pH8.0)の5.0μL、250mM チオ硫酸ナトリウムの1.0μL、2.5N 水酸化ナトリウムの16.0μLを順次加えることで還元処理を行った。その後、表7に示す緩衝液の25.0μLを添加し試料のpH条件の影響を検討することとした。緩衝液の緩衝能を高めるために濃度を1M(終濃度50mM)とした。
(7) Optimization of the buffer solution added to the sample and its pH after the reduction treatment Since the developed arsenic sensor element is a protein, the element itself may denature under extreme pH conditions and may not function as a sensor. is there. Therefore, it is considered necessary to bring the pH close to the optimum pH at which the function as a sensor is exhibited for any pH sample. Therefore, the influence of pH during the arsenic detection test was confirmed. In the detection test, 445 μL each of a sample not containing arsenite and a sample containing 100 μg / L As (III) was added to 20.0 μL of 2N hydrochloric acid, 5.0 μL of 500 mM ethylenediaminetetraacetic acid (pH 8.0), 250 mM. Reduction treatment was performed by sequentially adding 1.0 μL of sodium thiosulfate and 16.0 μL of 2.5N sodium hydroxide. Thereafter, 25.0 μL of the buffer solution shown in Table 7 was added, and the influence of the pH condition of the sample was examined. In order to increase the buffer capacity of the buffer, the concentration was 1 M (final concentration 50 mM).

各緩衝液を加えた後の試料とArsR−GFPを含むタンパク質粗抽出液、サケ精子DNAを混合し、氷上で30分間のインキュベーションを行った。その後、混合液をPars固定化ウェルに添加し、室温で2時間の振盪を行った。ウェル中の余剰のArsR−GFPタンパク質溶液を除去し、200μLのPB−T(表6)により5秒間、1回の洗浄を行った。洗浄後にウェルに150μLの蛍光測定用緩衝液を添加し蛍光強度の測定を行った(図13)。   The sample after adding each buffer solution, the crude protein extract containing ArsR-GFP, and salmon sperm DNA were mixed and incubated on ice for 30 minutes. Thereafter, the mixed solution was added to the Pars-immobilized well and shaken at room temperature for 2 hours. Excess ArsR-GFP protein solution in the wells was removed and washed once with 200 μL of PB-T (Table 6) for 5 seconds. After washing, 150 μL of fluorescence measurement buffer was added to the well, and the fluorescence intensity was measured (FIG. 13).

リン酸緩衝液の3条件を比較するとpHが高くなるにつれて亜ヒ酸を添加しない条件でPars−ArsR−GFP複合体の形成量が増加し、さらにAs(III)100μg/L含有試料との蛍光強度の減少幅も増加した。しかしながら、pHが7.4の二条件を比較するとトリス緩衝液では、減少幅が減少したことからセンサーの信号が弱められることが明らかとなった。この結果は、pHを一定にしてヒ素検出試験を実施しなければ、ヒ素濃度が同じでも、異なる結果となり得ることを示唆している。緩衝液などの利用により試料のpHを調整することは不可欠であると考える。図13と図9の結果より、試料のpHを一定にする際には1M程度の緩衝能の高いリン酸緩衝液により、pHを7.4付近に、リン酸緩衝液終濃度を50mM以上に調整してヒ素検出試験を実施するのが適当であると判断される。   Comparing the three conditions of the phosphate buffer, as the pH increases, the amount of Pars-ArsR-GFP complex formed increases in the condition where arsenous acid is not added, and further fluorescence with a sample containing 100 μg / L of As (III) The decrease in strength also increased. However, comparing the two conditions at pH 7.4, it was found that the signal from the sensor was weakened in the Tris buffer because the decrease was reduced. This result suggests that different results can be obtained even if the arsenic concentration is the same unless the arsenic detection test is performed at a constant pH. It is considered indispensable to adjust the pH of the sample by using a buffer solution or the like. From the results shown in FIG. 13 and FIG. 9, when the pH of the sample is kept constant, the phosphate buffer solution having a high buffer capacity of about 1M is used to bring the pH to around 7.4 and the final phosphate buffer concentration to 50 mM or more. It is deemed appropriate to perform an arsenic detection test after adjustment.

(8)ヒ素検出における標準曲線
これまでの試験で得られた洗浄そして蛍光強度の測定条件にて亜ヒ酸の検出試験を行った。「(7)還元処理後に試料に添加する緩衝液とそのpHの最適化」で行った方法による試料の還元処理後にpH7.4の1Mリン酸緩衝液の25μLを加えた。こうして得られた処理後の試料の95μLと4.5μLのArsR−GFP溶液、0.5μLの10mg/mLサケ精子DNAを混合し氷上で30分間のインキュベーションを行った。その混合液を30分後にPars固定化ウェルに添加し、室温で10分間の振盪を行った。10分後に余剰の混合液を除去し、200μLのPB−T(表6)により5秒間の洗浄を1回行った。洗浄後、ウェルに50mMトリスヒドロキシメチルアミノメタン−HCl、pH7.9の150μLを添加し蛍光測定を行った。As(III)検出におけるArsR−GFPの標準曲線を図14に示す。
(8) Standard curve for arsenic detection A detection test for arsenous acid was carried out under the washing and fluorescence intensity measurement conditions obtained in the previous tests. After the reduction treatment of the sample by the method carried out in “(7) Buffer solution added to sample after reduction treatment and optimization of its pH”, 25 μL of 1M phosphate buffer solution at pH 7.4 was added. 95 μL of the treated sample thus obtained and 4.5 μL of ArsR-GFP solution and 0.5 μL of 10 mg / mL salmon sperm DNA were mixed and incubated on ice for 30 minutes. The mixture was added to Pars-immobilized wells 30 minutes later and shaken at room temperature for 10 minutes. After 10 minutes, the excess liquid mixture was removed, and washing was performed once for 5 seconds with 200 μL of PB-T (Table 6). After washing, 150 μL of 50 mM trishydroxymethylaminomethane-HCl, pH 7.9 was added to the well, and fluorescence measurement was performed. A standard curve of ArsR-GFP in As (III) detection is shown in FIG.

試験ではAs(III)の濃度と蛍光強度に負の相関が認められた。また、蛍光強度はAs(III)濃度0μg/Lと比較した場合、As(III)濃度5μg/Lにおいて有意な減少を示し、50μg/Lにおいての50%の減少を示した。今回の結果から、測定条件を検討することにより、開発したヒ素センサーは世界保健機構の定める飲料水の基準値である10μg/LのAs(III)を検出することが可能であることを示すことができた。   In the test, a negative correlation was observed between the As (III) concentration and the fluorescence intensity. Further, when compared with the As (III) concentration of 0 μg / L, the fluorescence intensity showed a significant decrease at the As (III) concentration of 5 μg / L and a 50% decrease at 50 μg / L. From this result, by examining the measurement conditions, it will be shown that the developed arsenic sensor can detect 10 μg / L As (III), which is the reference value of drinking water set by the World Health Organization. I was able to.

(9)ヒ素センサーの交差応答性
ヒ素センサーは3価ヒ素のμg/Lオーダーの検出が可能であることが確認された。しかしながら、センサーの重要な要素である選択応答性を持つことは示されていない。そこで、ヒ素センサーのヒ素以外の金属に対する応答性について調べることにした。試料としては、1.0μM、10μM、100μMの塩化カルシウム、塩化カドミウム、硫酸銅(II)、硫酸鉄(II)、塩化鉄(III)、硫酸マグネシウム、硫酸マンガン、酢酸鉛(II)、硫酸亜鉛を試験した。As(III)とAs(V)の同時検出においては、チオ硫酸ナトリウムによる試料の還元処理が必要であるため、本試験においても「(7)還元処理後に試料に添加する緩衝液とそのpHの最適化」で行った方法で試料の還元処理後にpH7.4の1Mリン酸緩衝液の25μLを加えた。その後、前項と同様にArsR−GFP溶液とサケ精子DNAを混合し、氷上で30分間のインキュベーションを行った。混合液をPars固定化ウェルに添加し、室温で2時間の振盪を行った後に、ウェル内の余剰の混合液を除去し、200μLのPB−T(表6)により5秒間、1回の洗浄を行った。洗浄後、ウェルに150μLの蛍光測定用緩衝液を添加し蛍光測定を行った(図15)。
(9) Cross-responsiveness of arsenic sensor It was confirmed that the arsenic sensor can detect the trivalent arsenic in the order of μg / L. However, it has not been shown to have selective response, which is an important element of the sensor. Therefore, we decided to investigate the responsiveness of the arsenic sensor to metals other than arsenic. Samples include 1.0 μM, 10 μM, and 100 μM calcium chloride, cadmium chloride, copper sulfate (II), iron sulfate (II), iron chloride (III), magnesium sulfate, manganese sulfate, lead (II) acetate, zinc sulfate Was tested. In simultaneous detection of As (III) and As (V), a reduction treatment of the sample with sodium thiosulfate is necessary. Therefore, in this test as well, "(7) Buffer solution added to the sample after the reduction treatment and its pH After the reduction treatment of the sample by the method performed in “Optimization”, 25 μL of 1 M phosphate buffer having a pH of 7.4 was added. Thereafter, the ArsR-GFP solution and salmon sperm DNA were mixed and incubated for 30 minutes on ice as in the previous section. After the mixture was added to the Pars-immobilized well and shaken at room temperature for 2 hours, the excess mixture in the well was removed and washed once with 200 μL of PB-T (Table 6) for 5 seconds. Went. After washing, 150 μL of a fluorescence measurement buffer solution was added to the well, and fluorescence measurement was performed (FIG. 15).

図14のヒ素検出標準曲線から、ヒ素センサーは1μM(=75μg/L)のAs(III)に対して0μg/Lの値から50%以上の減少幅を示すことが予測される。一方、本試験結果ではその100倍濃度の各金属に対しても交差応答を示さなかった。このことから、ヒ素センサーは高い選択性を持って、ヒ素に応答していることが確認された。この結果は、本来ArsRタンパク質がヒ素に対して持つ特異性の他に、試料の還元処理の際に加えたエチレンジアミン四酢酸の金属キレート作用も効果的に作用していることが推察される。   From the arsenic detection standard curve of FIG. 14, it is predicted that the arsenic sensor exhibits a reduction range of 50% or more from the value of 0 μg / L to 1 μM (= 75 μg / L) of As (III). On the other hand, in this test result, no cross response was shown for each 100-fold concentration of each metal. From this, it was confirmed that the arsenic sensor responded to arsenic with high selectivity. From this result, it is speculated that the metal chelate action of ethylenediaminetetraacetic acid added during the reduction treatment of the sample is acting effectively in addition to the specificity that the ArsR protein originally has for arsenic.

[結果及び考察:鉛及びカドミウムバイオセンサー]
(1)CadC−GFP融合タンパク質生産大腸菌株の育種
実施例3に記載の、ArsR−GFP融合タンパク質作製と同様の方法で、CadC−GFP融合タンパク質を作製した。pGEMarsRgfpをSphIとBamHIで消化し、切り出されたフラグメントを除去することでpGEMgfpを得た(図16)。pI258プラスミドDNAを鋳型にしてPCRを行い、cadCを含むDNAフラグメントを増幅した。この際にプライマーは、cadC遺伝子の5’末端に相補的な20塩基にSphIとNdeIサイトを、3’末端に相補的な20塩基にBamHIサイトを付加したものを用いた。cadCをSphIとBamHIで消化しpGEMgfpとつなぎ合わせることでpGEMcadCgfpを得た。pGEMcadCgfpをNdeIで消化することでプラスミドDNAより切り出されたcadCgfpをアガロースゲル電気泳動で分離し回収した。pET−3aをNdeI消化し、回収したcadCgfpとつなぎ合わせることでpETcadCgfpを得た。pETcadCgfpで大腸菌BL21(DE3)pLysSを形質転換することによりCadC−GFP融合タンパク質生産株を育種した。
[Results and Discussion: Lead and Cadmium Biosensors]
(1) Breeding of CadC-GFP fusion protein producing Escherichia coli strain A CadC-GFP fusion protein was produced in the same manner as in the preparation of ArsR-GFP fusion protein described in Example 3. pGEMrsRgfp was digested with SphI and BamHI, and pGEMgfp was obtained by removing the excised fragment (FIG. 16). PCR was performed using pI258 plasmid DNA as a template, and a DNA fragment containing cadC was amplified. At this time, primers were used in which SphI and NdeI sites were added to 20 bases complementary to the 5 ′ end of the cadC gene, and BamHI sites were added to 20 bases complementary to the 3 ′ end. pGEMcadCgfp was obtained by digesting cadC with SphI and BamHI and joining with pGEMgfp. The cadCgfp excised from the plasmid DNA by digesting pGEMcadCgfp with NdeI was separated and recovered by agarose gel electrophoresis. pET-3a was digested with NdeI and joined to the recovered cadCgfp to obtain pETcadCgfp. A CadC-GFP fusion protein-producing strain was bred by transforming E. coli BL21 (DE3) pLysS with pETcadCgfp.

(2)CadC−GFP融合タンパク質の機能評価
実施例3と同様に、CadC−GFP融合タンパク質がCadCタンパク質の機能を有するか否かをゲルシフト法により確認した。CadC−GFPタンパク質を含むタンパク質粗抽出液とPcad−DNAを混合すると、Pcad−CadC−GFP複合体と推察されるバンドが確認された(図17上)。Pcad−DNAを添加せずタンパク質粗抽出液の反応液を泳動した場合にはこのバンドが確認されないことから、このバンドがPcad−CadC−GFP複合体のものであることが裏付けられる。また、2価陽イオンである鉛、カルシウム、又はマグネシウムイオンをそれぞれ反応系に添加すると、いずれの場合においても、Pcad−CadC−GFP複合体のバンドが薄くなることが確認された(図17下)。しかしながら、2価鉛を添加したときにはカルシウムあるいはマグネシウムを添加したときよりも、より顕著にバンドが薄くなったことからCadC−GFP融合タンパク質は一定の選択性を持って2価鉛と結合しPcad−DNAとの結合定数あるいは解離定数を変化させることが推察される。
(2) Functional evaluation of CadC-GFP fusion protein As in Example 3, whether or not the CadC-GFP fusion protein has a CadC protein function was confirmed by a gel shift method. Mixing the crude protein extract and P cad-DNA containing CADC-GFP protein band was confirmed to be inferred that P cad -CadC-GFP conjugate (upper Figure 17). Since this band is not confirmed when electrophoresed reaction of protein crude extract without the addition of P cad-DNA, it is supported that the band is of the P cad -CadC-GFP conjugate. In addition, it was confirmed that the band of the Pcad-CadC-GFP complex was thinned in any case when lead, calcium, or magnesium ions, which are divalent cations, were added to the reaction system, respectively (bottom of FIG. 17). ). However, when divalent lead was added, the band was significantly thinner than when calcium or magnesium was added, so the CadC-GFP fusion protein binds to divalent lead with a certain selectivity and P cad -It is assumed that the binding constant or dissociation constant with DNA is changed.

(3)マイクロプレートを利用した鉛とカドミウム検出系の開発
CadC−GFP融合タンパク質を含むタンパク質粗抽出液とPcad−DNAを固定化したマイクロプレートを用いて、亜ヒ酸検出系と同様の原理で鉛化合物とカドミウム化合物を検出するバイオセンサーを構築した。
(3) using a microplate microplates immobilized with lead and protein crude extract containing development CADC-GFP fusion protein cadmium detection system and P cad-DNA using the same principle as arsenite detection system A biosensor was constructed to detect lead and cadmium compounds.

CadC結合配列を持つPcad34−ビオチンを図18に示すE1とE2のウェルに固定化した。E3のウェルにはDNA鎖を固定化しなかった。E1からE3のウェルへ100μLのCadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液を添加し、室温で2時間の振盪を行った。2時間後に余剰のタンパク質粗抽出液を除去した。E1のウェルに100μLのタンパク質可溶化緩衝液(表8)を添加し、室温で30分間の振盪を行った後に緩衝液を回収し電気泳動(SDS−PAGE)のレーン3にロードした。これとは別にE2とE3のウェルに、200μLのPB−T(表6)を加えては取り除く操作を繰り返し2回の洗浄を行った。その後に100μLのタンパク質可溶化緩衝液を添加し、室温で30分間の振盪を行いウェル内に残存するタンパク質を可溶化し、電気泳動のレーン4とレーン1にそれぞれロードした。回収されたタンパク質可溶化緩衝液は、ロードする前に98℃で5分間のインキュベーションにより処理された。電気泳動は250V、定電流20mA、室温の条件により行われた。   Pcad34-biotin having a CadC binding sequence was immobilized on the E1 and E2 wells shown in FIG. No DNA strand was immobilized on the E3 well. A crude protein extract containing 100 μL of CadC-GFP was added to the wells from E1 to E3, and shaken at room temperature for 2 hours. After 2 hours, excess protein crude extract was removed. 100 μL of protein solubilization buffer (Table 8) was added to the well of E1, and after 30 minutes of shaking at room temperature, the buffer was recovered and loaded into lane 3 of electrophoresis (SDS-PAGE). Separately, 200 μL of PB-T (Table 6) was added to the wells of E2 and E3 and removed, and washing was repeated twice. Thereafter, 100 μL of protein solubilization buffer was added, and the protein remaining in the wells was solubilized by shaking at room temperature for 30 minutes, and loaded into Lane 4 and Lane 1 of electrophoresis. The recovered protein solubilization buffer was treated by incubation at 98 ° C. for 5 minutes before loading. Electrophoresis was performed under the conditions of 250 V, constant current 20 mA, and room temperature.

電気泳動の結果、図19のレーン2のCadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液と比較し、Pcad34を固定化したウェルにタンパク質粗抽出液を接触させることで残存したタンパク質においてCadC−GFPが濃縮・精製されたことが判る(レーン3)。このことは、CadC−GFPの計算から求められる分子量の位置に、タンパク質が主要バンドとして認められたことから判断される。また、ウェルの洗浄を行うことで、さらに夾雑タンパク質のバンドが減少しCadC−GFPが濃縮・精製されたことが判る(レーン4)。一方、ウェルにPcad34を固定化しない場合には、洗浄によりCadC−GFPは洗い流されたことが判る(レーン1)。この結果より、Pcad34を固定化した96穴マイクロプレート上に、タンパク質粗抽出液からCadC−GFPを特異的に結合させることが可能であることが確認できた。よって、鉛・カドミウムセンサー素子としてPcad DNAとCadC−GFPセンサータンパク質との複合体を96穴マイクロプレート上で形成させる系を検討することとした。   As a result of electrophoresis, compared with the crude protein extract containing CadC-GFP in lane 2 in FIG. 19, CadC-GFP was concentrated in the remaining protein by contacting the crude protein extract with the well where Pcad34 was immobilized. It can be seen that it has been purified (lane 3). This is judged from the fact that the protein was recognized as the main band at the position of the molecular weight determined from the calculation of CadC-GFP. Moreover, it can be seen that by washing the wells, the contaminating protein band was further reduced and CadC-GFP was concentrated and purified (lane 4). On the other hand, when Pcad34 is not immobilized on the well, it can be seen that CadC-GFP was washed away by washing (lane 1). From this result, it was confirmed that it was possible to specifically bind CadC-GFP from the crude protein extract onto a 96-well microplate on which Pcad34 had been immobilized. Therefore, it was decided to investigate a system in which a complex of Pcad DNA and CadC-GFP sensor protein is formed on a 96-well microplate as a lead / cadmium sensor element.

(4)鉛・カドミウムセンサーにおけるPcad固定化量の検討
Pcadの3’末端にビオチンが標識されたPcad34−ビオチンのウェルへの結合量を確認し、センサーを構築する上での参考にした。Pcad34−ビオチンの濃度が0〜50pmol/100μLとなるよう調製し、ウェルへの固定化に使用した。CadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液は、図16に示すように育種されたE.coli BL21(DE3)pLysS(pETcadCgfp)の培養液の50mL中の細胞を4mLのTG(50mMトリスヒドロキシメチルアミノメタン−HCl pH7.4、15%(v/v)グリセロール)に懸濁し氷上にて、UD−201(トミー精工社)を利用して超音波破砕(発振出力3、インターバル50%、5分間を4回)を行うことにより調製した。99μLのタンパク質粗抽出液と1.0 μLの10mg/mLサケ精子DNAを混合しPcad34固定化ウェルに添加し、室温で2時間の振盪を行った。2時間後に余剰のタンパク質粗抽出液を除去し、200μLのPB−T(表6)により5秒間、2回の洗浄を行った。洗浄後、ウェルに50mM トリスヒドロキシメチルアミノメタン−HCl(pH7.9)の150μLを添加し蛍光測定を行った。その結果、20pmol/100μLまではPcad34の固定化量の増加に応じて、CadC−GFP結合量の増加が見られた(図20)。Parsの固定化の結果と同様に、蛍光強度は固定化量20pmol/100μLで飽和に達した。今回の試験で使用したタンパク質粗抽出液中のCadC−GFP量は十分であったと考えられるため、Pcad34のウェル上の固定化量が10−20 pmol/100μLで飽和に達したと考えられる。結論として、鉛・カドミウムセンサーを構築する上でPcad34を固定化に使用する濃度は20pmol/100μLを上限とすることにした。
(4) Examination of Pcad Immobilization Amount in Lead / Cadmium Sensor The amount of Pcad34-biotin bound to biotin at the 3 ′ end of Pcad was confirmed and used as a reference for constructing the sensor. The concentration of Pcad34-biotin was adjusted to 0 to 50 pmol / 100 μL and used for immobilization in the wells. The crude protein extract containing CadC-GFP was obtained by using 4 mL of TG (50 mM trishydroxymethylaminomethane) in 50 mL of the culture solution of E. coli BL21 (DE3) pLysS (pETcadCgfp) bred as shown in FIG. -HCl pH 7.4, suspended in 15% (v / v) glycerol) and sonicated on ice using UD-201 (Tomy Seiko Co., Ltd.) (oscillation output 3, interval 50%, 5 minutes 4) 1). 99 μL of the crude protein extract and 1.0 μL of 10 mg / mL salmon sperm DNA were mixed, added to the Pcad34-immobilized well, and shaken at room temperature for 2 hours. After 2 hours, excess protein crude extract was removed and washed twice with 200 μL of PB-T (Table 6) for 5 seconds. After washing, 150 μL of 50 mM trishydroxymethylaminomethane-HCl (pH 7.9) was added to the well, and fluorescence measurement was performed. As a result, up to 20 pmol / 100 μL, an increase in the amount of CadC-GFP binding was observed with an increase in the amount of Pcad34 immobilized (FIG. 20). Similar to the result of immobilization of Pars, the fluorescence intensity reached saturation at an immobilization amount of 20 pmol / 100 μL. Since the amount of CadC-GFP in the crude protein extract used in this test is considered to be sufficient, it is considered that the amount of Pcad34 immobilized on the well reached saturation at 10-20 pmol / 100 μL. In conclusion, in constructing a lead / cadmium sensor, the concentration of Pcad34 used for immobilization was set to 20 pmol / 100 μL as the upper limit.

(5)鉛・カドミウムセンサーにおけるCadC−GFP添加量の検討
ウェル当たり20pmolのPcad34使用量に対し、CadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液の最適添加量の検討を行った。Pcad34−ビオチンを20pmol/100μLとなるよう調製し、ウェルに添加することで固定化した。CadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液の99μLと10mg/mLサケ精子DNAの1.0μLの混合液を調製した。次に、この混合液をTG(50mMトリスヒドロキシメチルアミノメタン−HCl pH7.4、15%(v/v)グリセロール)によって混合液の全量に対する容量比が0−100μL/100μLとなるよう希釈した。そして、この希釈試料をPcad34固定化ウェルに添加し蛍光測定を行った(図21上図)。その後に室温で1時間の振盪を行った後に、余剰の希釈試料を除去し、200μLのPB−T(表6)により5秒間の洗浄を2回行った。洗浄後にウェルに50mM Tris−HCl、pH7.9の150μLを添加し蛍光測定を行った(図21下図)。
(5) Examination of addition amount of CadC-GFP in lead / cadmium sensor The optimum addition amount of protein crude extract containing CadC-GFP was examined with respect to the amount of Pcad34 used of 20 pmol per well. Pcad34-biotin was prepared to 20 pmol / 100 μL, and immobilized by adding to wells. A mixed solution of 99 μL of a crude protein extract containing CadC-GFP and 1.0 μL of 10 mg / mL salmon sperm DNA was prepared. Next, the mixture was diluted with TG (50 mM trishydroxymethylaminomethane-HCl pH 7.4, 15% (v / v) glycerol) so that the volume ratio with respect to the total amount of the mixture became 0-100 μL / 100 μL. Then, this diluted sample was added to the Pcad34-immobilized well, and fluorescence measurement was performed (upper diagram in FIG. 21). Thereafter, the mixture was shaken at room temperature for 1 hour, and then the excess diluted sample was removed, followed by washing with 200 μL of PB-T (Table 6) twice for 5 seconds. After washing, 150 μL of 50 mM Tris-HCl, pH 7.9 was added to the well, and fluorescence measurement was performed (the lower diagram in FIG. 21).

その結果、ウェルに添加した溶液の容量比が80〜90μL/100μL程度でCadC−GFPのPcad34への結合量が飽和に達した。使用したタンパク質粗抽出液に関しては、容量比が80−90μL/100μL以上では20pmolの固定化Pcad34に対してCadC−GFPが過剰になると考えられる。つまり検出試験において、タンパク質粗抽出液が今回の容量比80〜90μL/100μLの濃度よりも高くなると鉛やカドミウムに対する検出感度の低下が予想されるということである。今回の試験で使用したタンパク質粗抽出液中のCadC−GFP濃度を目安に鉛・カドミウムセンサーの構築を行うことにした。しかしながらArsR−GFPの場合と同様に、CadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液も夾雑タンパク質が含まれたE.coli細胞破砕液であるため、正確にCadC−GFP濃度を算出するのが困難である。そこでpH7.4におけるタンパク質粗抽出液の蛍光強度を基に簡易的にCadC−GFPの濃度を決めることにした。   As a result, the amount of CadC-GFP bound to Pcad34 reached saturation when the volume ratio of the solution added to the well was about 80 to 90 μL / 100 μL. Regarding the crude protein extract used, it is considered that CadC-GFP is excessive with respect to 20 pmol of immobilized Pcad34 at a volume ratio of 80-90 μL / 100 μL or more. In other words, in the detection test, when the crude protein extract becomes higher than the concentration of the current volume ratio of 80 to 90 μL / 100 μL, a decrease in detection sensitivity to lead and cadmium is expected. It was decided to construct a lead / cadmium sensor based on the CadC-GFP concentration in the crude protein extract used in this test. However, as in the case of ArsR-GFP, the crude protein extract containing CadC-GFP was also contaminated with E. coli. Since it is an E. coli cell disruption solution, it is difficult to accurately calculate the CadC-GFP concentration. Therefore, it was decided to simply determine the concentration of CadC-GFP based on the fluorescence intensity of the crude protein extract at pH 7.4.

CadC−GFPとArsR−GFPを比較する上での大きな違いは、各タンパク質溶液が持つ蛍光強度を仮にセンサータンパク質−GFPの濃度と考えた場合に、一定量のプロモーター領域DNA鎖に対する結合を飽和させるのに必要な量が異なる点が挙げられる。CadC−GFPでは、蛍光強度と液量の積がより多くなるようにタンパク質粗抽出液を添加する必要がある。これは、各センサータンパク質−GFPとプロモーター領域DNA鎖との結合定数が異なるということや、使用しているPcad34の塩基数が不十分であるなどの原因が考えられる。そこで、複合体を形成させる上でのPcadの塩基数の影響と、塩濃度による影響の検討を行うことにした。   The major difference in comparing CadC-GFP and ArsR-GFP is that saturation of binding to a certain amount of promoter region DNA strand is assumed when the fluorescence intensity of each protein solution is considered as the concentration of sensor protein-GFP. The amount required for this is different. In CadC-GFP, it is necessary to add a crude protein extract so that the product of the fluorescence intensity and the liquid volume is increased. This may be due to the fact that the binding constants of each sensor protein-GFP and the promoter region DNA chain are different, or the number of bases of Pcad34 used is insufficient. Therefore, the influence of the number of bases of Pcad in forming the complex and the influence of the salt concentration were examined.

(6)鉛・カドミウムセンサー構築におけるPcad塩基数及び塩濃度の検討
Pcadの塩基数の違いによる影響を調べるために、新たに二本鎖DNAを設計した。これはS. aureusが持つpI258上のcadCの転写開始地点から上流のプロモーター共通配列の−10塩基付近のCadC結合配列を含むPcad34の塩基配列に、さらに−35付近のCadC結合配列を加えたものである。新たに作成した二本鎖DNAを調製するために、表9に示すPcad50−S−3−B(配列番号5にPcad50−Sの配列を示す)とPcad50−A(配列番号6)を等量混合し、プロモーター配列の3’末端にビオチンが標識された二本鎖オリゴヌクレオチド、Pcad50−ビオチンを形成させた。次に、Pcad34−ビオチンとPcad50−ビオチンを20pmol/100μLとなるよう調製し固定化に用いた。
(6) Examination of Pcad base number and salt concentration in construction of lead / cadmium sensor In order to investigate the influence of the difference in the base number of Pcad, a double-stranded DNA was newly designed. This is a Pcad34 base sequence containing a cadC binding sequence near -10 bases of the promoter common sequence upstream from the cadC transcription start site on pI258 possessed by S. aureus, plus a cadC binding sequence near -35. It is. In order to prepare a newly created double-stranded DNA, Pcad50-S-3-B (SEQ ID NO: 5 shows the sequence of Pcad50-S) and Pcad50-A (SEQ ID NO: 6) shown in Table 9 are equivalent. The mixture was mixed to form Pcad50-biotin, a double-stranded oligonucleotide labeled with biotin at the 3 ′ end of the promoter sequence. Next, Pcad34-biotin and Pcad50-biotin were prepared to 20 pmol / 100 μL and used for immobilization.

CadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液は、300mLの培養液中の細胞を4mLのTG2(200mMトリスヒドロキシメチルアミノメタン−HCl pH7.4、15%(v/v)グリセロール)に懸濁し氷上にて、UD−201(トミー精工社)を利用して超音波破砕(発振出力3、インターバル50%、5分間を4回)を行うことで調製した。7.5μLのタンパク質粗抽出液と0.5μLの10mg/mLサケ精子DNA、92μLの超純水を混合し100μLとした時の蛍光強度は65.3±0.6であった。この混合液をPcad34及びPcad50固定化ウェルに添加し、室温で2時間の振盪を行った。2時間後にウェル中の混合液を除去し、200μLのPB−T(表6)により5秒間、1回の洗浄を行った。洗浄後、ウェルに150μLの蛍光測定用緩衝液を添加し蛍光測定を行った。その結果、蛍光強度はPcad34固定化ウェルでは2.10、Pcad50固定化ウェルでは2.06の値を示した。もう一箇所のCadC結合配列を増やしたPcad50を固定化してもCadC−GFPの結合量に変化は認められなかった。   The crude protein extract containing CadC-GFP was prepared by suspending cells in 300 mL of the culture solution in 4 mL of TG2 (200 mM trishydroxymethylaminomethane-HCl pH 7.4, 15% (v / v) glycerol) on ice. , UD-201 (Tomy Seiko Co., Ltd.) was used for ultrasonic crushing (oscillation output 3, interval 50%, 5 minutes, 4 times). When 7.5 μL of the crude protein extract, 0.5 μL of 10 mg / mL salmon sperm DNA, and 92 μL of ultrapure water were mixed to make 100 μL, the fluorescence intensity was 65.3 ± 0.6. This mixed solution was added to Pcad34 and Pcad50 fixed wells, and shaken at room temperature for 2 hours. After 2 hours, the mixed solution in the wells was removed and washed once with 200 μL of PB-T (Table 6) for 5 seconds. After washing, 150 μL of a fluorescence measurement buffer was added to the well, and fluorescence measurement was performed. As a result, the fluorescence intensity was 2.10 in the Pcad34-immobilized well and 2.06 in the Pcad50-immobilized well. Even when Pcad50 with an increased CadC binding sequence at another site was immobilized, no change was observed in the binding amount of CadC-GFP.

次に、複合体を形成させる上での塩濃度による影響についての検討を行った。複合体を形成させる反応時に塩化ナトリウムを添加し、塩濃度の調整を行った。マイクロプレートのウェルには、Pcad50−ビオチンを20pmol/100μLとなるよう調製し固定化した。鉛検出試験においては、Pcad−CadC−GFP複合体形成における塩濃度による影響を調べるため、まず試料とタンパク質粗抽出液の混合液を表10に示す組成で調製した。この場合に塩化ナトリウム添加条件では、酢酸鉛(II)溶液:4M塩化ナトリウムが99:1(v/v)となる。その後、これまでの検出試験と同様に一連の操作を行い、蛍光強度の測定を行った。   Next, the influence of the salt concentration on the formation of the complex was examined. During the reaction for forming the complex, sodium chloride was added to adjust the salt concentration. In the well of the microplate, Pcad50-biotin was prepared and immobilized so as to be 20 pmol / 100 μL. In the lead detection test, in order to examine the influence of the salt concentration on the formation of the Pcad-CadC-GFP complex, first, a mixture of the sample and the crude protein extract was prepared with the composition shown in Table 10. In this case, under the sodium chloride addition condition, the lead (II) acetate solution: 4M sodium chloride becomes 99: 1 (v / v). Thereafter, a series of operations were performed in the same manner as in the previous detection tests, and the fluorescence intensity was measured.

塩化ナトリウム非添加、及び塩化ナトリウム添加のいずれの条件においてもPb(II)濃度の増加に伴い蛍光強度の減少が認められた(図22)。しかしながら、塩化ナトリウム添加条件ではPb(II)濃度0μg/Lにおける蛍光強度が大幅に増加した。さらに、鉛を添加した場合との蛍光強度の差も顕著に増加し、Pb(II)濃度100μg/Lにおいては、0μg/Lと比較し蛍光強度が約30%にまで減少した。この結果から、CadC−GFPとPcadの結合には塩濃度が大きく影響していることが明らかとなったため、鉛とカドミウム検出試験では塩濃度を40mMに調整して行うことが効果的であると判断される。   A decrease in fluorescence intensity was observed with an increase in the Pb (II) concentration under both conditions of no addition of sodium chloride and addition of sodium chloride (FIG. 22). However, under the sodium chloride addition condition, the fluorescence intensity at a Pb (II) concentration of 0 μg / L significantly increased. Furthermore, the difference in fluorescence intensity from the case where lead was added increased remarkably, and the fluorescence intensity decreased to about 30% at a Pb (II) concentration of 100 μg / L compared to 0 μg / L. From this result, it was clarified that the salt concentration had a great influence on the binding between CadC-GFP and Pcad. Therefore, it was effective to adjust the salt concentration to 40 mM in the lead and cadmium detection test. To be judged.

(7)鉛及びカドミウム検出における標準曲線
これまでの試験で得られたインキュベーション条件にて鉛及びカドミウムの検出試験を行った。マイクロプレートのウェルには、Pcad50−ビオチンを20pmol/100μLとなるよう調製し固定化した。試料として0から100μg/Lの既知濃度のPb(II)あるいはCd(II)溶液の376μLと4MのNaClの4.0μLを混合した。さらに、試料のpHを一定にするために1Mのトリスヒドロキシメチルアミノメタン−HCl(pH7.4)の20.0μLを緩衝液として加え、試料の全量を400μLとした。この前処理後の試料の92μLとCadC−GFPを含むタンパク質粗抽出液の7.5μL、10mg/mLサケ精子DNAの0.5μLを混合し、これまでの検出試験と同様に一連の操作を行い、蛍光強度の測定を行った。
(7) Standard curve for lead and cadmium detection Lead and cadmium detection tests were conducted under the incubation conditions obtained in the previous tests. In the well of the microplate, Pcad50-biotin was prepared and immobilized so as to be 20 pmol / 100 μL. As a sample, 376 μL of a Pb (II) or Cd (II) solution having a known concentration of 0 to 100 μg / L was mixed with 4.0 μL of 4M NaCl. Furthermore, in order to make the pH of the sample constant, 20.0 μL of 1M trishydroxymethylaminomethane-HCl (pH 7.4) was added as a buffer solution to make the total amount of the sample 400 μL. Mix 92 µL of the pretreated sample with 7.5 µL of the crude protein extract containing CadC-GFP and 0.5 µL of 10 mg / mL salmon sperm DNA, and perform a series of operations in the same manner as in the previous detection tests. The fluorescence intensity was measured.

その結果、Pb(II)、Cd(II)の濃度増加に相関した蛍光強度の減少が認められた(図23)。0μg/Lと比較し、Pb(II)では10μg/L、Cd(II)では5μg/Lの濃度で蛍光強度に有意差が認められた。Cd(II)の検出下限について、さらに詳細な試験を行った結果、1μg/Lであることが判明した。一方、いずれの重金属においても75μg/L以上で蛍光強度の減少が見られなくなることが明らかとなった。   As a result, a decrease in fluorescence intensity correlated with an increase in the concentration of Pb (II) and Cd (II) was observed (FIG. 23). Compared with 0 μg / L, a significant difference was observed in fluorescence intensity at a concentration of 10 μg / L for Pb (II) and 5 μg / L for Cd (II). As a result of conducting a more detailed test on the lower limit of detection of Cd (II), it was found to be 1 μg / L. On the other hand, it was clarified that no decrease in fluorescence intensity was observed at 75 μg / L or more for any heavy metal.

世界保健機構が勧告する飲料水の基準値は、Pb(II)が10μg/L、Cd(II)が3μg/Lである。したがって、開発した鉛・カドミウムセンサーは、基準値にある鉛、そして基準値以下のカドミウムをそれぞれ検出可能であることが示された。また、データには示さないが、センサーは1、10、100μMのCa(II)、Mg(II)、Fe(II)、Mn(II)、Fe(III)、As(III)に対する交差応答性をほとんど示さないことが明らかとなった。   The standard values of drinking water recommended by the World Health Organization are 10 μg / L for Pb (II) and 3 μg / L for Cd (II). Therefore, it was shown that the developed lead / cadmium sensor can detect lead at the reference value and cadmium below the reference value. Although not shown in the data, the sensors are cross-responsive to 1, 10, and 100 μM Ca (II), Mg (II), Fe (II), Mn (II), Fe (III), As (III). It became clear that almost no.

[比較例;FRET法]
DNAとタンパク質の相互作用を介した複合体分子の高次構造の変化を検出するために、蛍光共鳴エネルギー移動 (Fluorescence Resonance Energy Transfer; FRET)を利用した系の開発を試みた。FRETとは、ドナーとなるエネルギー供与体からアクセプターとなるエネルギー受容体へ励起エネルギーが移動する現象である。励起状態にあるドナーの近くにアクセプターが存在すると、ドナーからの発光が起こらないうちにその励起エネルギーがアクセプターを励起させ、その発光を検出することができる。距離が近いほどFRETは起きやすいため、分子間の相互作用や分子の構造変化を検出する手段として用いられている。
[Comparative example: FRET method]
In order to detect the change in the higher order structure of the complex molecule through the interaction between DNA and protein, we tried to develop a system using fluorescence resonance energy transfer (FRET). FRET is a phenomenon in which excitation energy is transferred from an energy donor as a donor to an energy acceptor as an acceptor. When an acceptor is present near an excited donor, the excitation energy excites the acceptor before light emission from the donor occurs, and the light emission can be detected. Since FRET is more likely to occur as the distance is shorter, it is used as a means for detecting interaction between molecules and structural change of molecules.

(1)組み換えタンパク質の発現とその抽出ならびに発現の確認
ZntRタンパク質の発現用大腸菌形質転換株をAmpとCmを添加した培地5mLで37℃、一晩培養し、その後AmpとCmを添加した培地250mLに植菌し37℃で振とう培養した。OD600が0.6−0.8に達したときにイソプロピル−β−D−チオガラクトピラノシド(Isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside;IPTG)を終濃度0.5mMになるように無菌的に加え37℃で3時間、培養した。この培養液を8000rpmで5分間遠心分離して集菌し上清を捨てた後、凍結融解(−80℃で30分間凍結させ室温で30分間融解する)を3回行い、適量のトリスバッファーA(50mM Tris−Cl、pH8.0、2mM EDTA、5mM ジチオスレイトール)に再懸濁して室温で10分間インキュベートした。4℃、12000rpm、10分間遠心してZntRタンパク質粗抽出液を得た後、ドデシル硫酸ナトリウム−ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS−PAGE)によって展開してZntRタンパク質の発現確認を行った。
(1) Expression and Extraction of Recombinant Protein and Confirmation of Expression Escherichia coli transformed strain for expression of ZntR protein was cultured overnight at 37 ° C. in 5 mL of medium supplemented with Amp and Cm, and then 250 mL of medium supplemented with Amp and Cm Inoculated and cultured at 37 ° C with shaking. When OD 600 reaches 0.6-0.8, isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG) is aseptically prepared to a final concentration of 0.5 mM. Furthermore, it culture | cultivated at 37 degreeC for 3 hours. The culture is centrifuged at 8000 rpm for 5 minutes to collect the cells, the supernatant is discarded, and freeze-thaw (freeze at -80 ° C. for 30 minutes and thaw for 30 minutes at room temperature) three times to obtain an appropriate amount of Tris buffer A. Resuspended in (50 mM Tris-Cl, pH 8.0, 2 mM EDTA, 5 mM dithiothreitol) and incubated at room temperature for 10 minutes. After centrifuging at 4 ° C., 12,000 rpm for 10 minutes to obtain a crude extract of ZntR protein, it was developed by sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) to confirm the expression of the ZntR protein.

ArsRタンパク質の発現用大腸菌形質転換株をAmpとCmを添加した培地5mLで37℃、一晩培養し、その後Ampを添加したLB培地250mLに植菌した。これを37℃でOD600が0.8になるまで振とう培養した。その後、IPTGを終濃度1mMになるように無菌的に加え、37℃で3時間、培養した。この培養液を8000rpmで15分間遠心して集菌し上清を捨てた後、30mLのトリスバッファーAに再懸濁し、超音波破砕を行うことでArsRタンパク質粗抽出液を得た。このArsRタンパク質粗抽出液をSDS−PAGEによって展開することでArsRタンパク質の発現の確認を行った。タンパク質とDNAを分離するために、DNaseI処理を行った。DNaseI処理はRNaseフリーDNaseI(TaKaRa社) を用い、方法は製品のプロトコールに従って行った。 An Escherichia coli transformant for expression of ArsR protein was cultured overnight at 37 ° C. in 5 mL of a medium supplemented with Amp and Cm, and then inoculated into 250 mL of LB medium supplemented with Amp. This was cultured with shaking at 37 ° C. until the OD 600 was 0.8. Thereafter, IPTG was aseptically added to a final concentration of 1 mM, and cultured at 37 ° C. for 3 hours. The culture was centrifuged at 8000 rpm for 15 minutes to collect and discard the supernatant, and then resuspended in 30 mL of Tris buffer A and subjected to ultrasonic disruption to obtain an ArsR protein crude extract. This ArsR protein crude extract was developed by SDS-PAGE to confirm the expression of ArsR protein. In order to separate protein and DNA, DNase I treatment was performed. DNase I treatment was performed using RNase-free DNase I (TaKaRa), and the method was performed according to the product protocol.

ArsR−GFP融合タンパク質の発現はArsRタンパク質の発現と同様にして行った。ただし、培地にはAmpのみを添加した。   The expression of ArsR-GFP fusion protein was performed in the same manner as the expression of ArsR protein. However, only Amp was added to the medium.

SDS-PAGEのゲル、電気泳動バッファー、サンプルバッファーの組成を表11、表12、表13にそれぞれ示す。タンパク質溶液とサンプルバッファーを20μLずつ混合して40μLとし、沸騰水中で5分間ボイルしたものをゲルに添加し電気泳動を行った。分子量マーカーはPrestained Protein Marker, Broad Range (Bio Labs社) を使用した。泳動後のゲルは、40%(v/v)メタノール−10%(v/v)酢酸水溶液に0.2%(w/v)のクーマシーブリリアントブルーR−250を溶かした染色液に浸漬させて、30分間ゆるやかに振とうさせて染色した。脱色は20%(v/v)メタノール−5%(v/v)酢酸水溶液(脱色液)に浸してゆるやかに振とうさせた。ゲルが脱色されタンパク質のバンドが鮮明になるまで新しい脱色液に取り替えての脱色を繰り返した。   The compositions of SDS-PAGE gel, electrophoresis buffer, and sample buffer are shown in Table 11, Table 12, and Table 13, respectively. The protein solution and sample buffer were mixed 20 μL each to make 40 μL, and boiled in boiling water for 5 minutes was added to the gel and subjected to electrophoresis. As a molecular weight marker, Prestained Protein Marker, Broad Range (Bio Labs) was used. The gel after electrophoresis was immersed in a staining solution in which 0.2% (w / v) Coomassie Brilliant Blue R-250 was dissolved in 40% (v / v) methanol-10% (v / v) acetic acid aqueous solution. Then, the sample was dyed by gently shaking for 30 minutes. Decolorization was performed by gently immersing in 20% (v / v) methanol-5% (v / v) acetic acid aqueous solution (decolorizing solution). Decolorization was repeated by replacing with a new decolorizing solution until the gel was decolorized and the protein band was clear.

(2)ZntRとArsR−GFP融合タンパク質の精製
全ての精製のステップは低温室(6〜8℃)にて行った。ZntRあるいはArsR−GFP融合タンパク質の粗抽出液に対し硫酸アンモニウム沈殿を行い、その後、脱塩のためのゲルろ過を行った。硫酸アンモニウムは乳棒と乳鉢で細かくすりつぶした。その後、スターラーで撹拌しながら、0%→10%→20%→30%→40%→45%となるよう粗抽出液に添加しそれぞれのステップにおいて完全に溶解させた。45%濃度に到達した後、一晩、スターラーで撹拌した。その後、4℃、12000rpmで30分間遠心し上清を捨て、粗抽出液の1/10量のトリスバッファーAを沈殿に加え完全に溶解させた。ゲルろ過はPD−10 Desalting column(GE Healthcare社)を用い、方法は付属のプロトコールに従い行った。この時、カラム平衡化に使用したバッファーと溶出バッファーにはトリスバッファーAを用いた。
(2) Purification of ZntR and ArsR-GFP fusion protein All purification steps were performed in a cold room (6-8 ° C). The crude extract of ZntR or ArsR-GFP fusion protein was subjected to ammonium sulfate precipitation, and then subjected to gel filtration for desalting. Ammonium sulfate was finely ground with a pestle and mortar. Thereafter, while stirring with a stirrer, 0% → 10% → 20% → 30% → 40% → 45% was added to the crude extract and completely dissolved in each step. After reaching 45% concentration, the mixture was stirred overnight with a stirrer. Thereafter, the mixture was centrifuged at 4 ° C. and 12000 rpm for 30 minutes, the supernatant was discarded, and 1/10 amount of Tris buffer A of the crude extract was added to the precipitate to completely dissolve it. For gel filtration, PD-10 Desalting column (GE Healthcare) was used, and the method was performed according to the attached protocol. At this time, Tris buffer A was used as the buffer and elution buffer used for column equilibration.

その後、ZntRタンパク質の精製においてはアフィニティークロマトグラフィーを、ArsR−GFP融合タンパク質の精製においてはアフィニティークロマトグラフィーとイオン交換クロマトグラフィーを行った。アフィニティークロマトグラフィーではHi Prep 16/10 Heparin FF(GE Healthcare社)、イオン交換クロマトグラフィーではHi Trap SP HP(GE Healthcare社)を用いた。方法はそれぞれのプロトコールに従い行った。それぞれの精製条件については表14、表15に示す。   Thereafter, affinity chromatography was performed for the purification of the ZntR protein, and affinity chromatography and ion exchange chromatography were performed for the purification of the ArsR-GFP fusion protein. Hi Prep 16/10 Heparin FF (GE Healthcare) was used for affinity chromatography, and Hi Trap SP HP (GE Healthcare) was used for ion exchange chromatography. The method was performed according to each protocol. Each purification condition is shown in Tables 14 and 15.

精製後のZntRタンパク質の定量は、Bradford法(クーマシーブリリアントブルー染色後に595nmの吸光度(A595)を測定)により行った。吸光度測定にはSmart SpecTMPlusSpectrophotometer(Bio Rad社製)を用いた。精製後のArsR−GFP融合タンパク質の定量は、A280を測定することにより行った。同時にGFPの蛍光測定(518nm)も行った。蛍光測定にはF−2500形分光蛍光光度計(日立社製)を用いた。 The ZntR protein after purification was quantified by the Bradford method (measurement of absorbance at 595 nm (A 595 ) after Coomassie brilliant blue staining). Smart Spec Plus Spectrophotometer (manufactured by Bio Rad) was used for absorbance measurement. Determination of ARSR-GFP fusion protein after purification was carried out by measuring the A 280. At the same time, GFP fluorescence (518 nm) was also measured. An F-2500 type spectrofluorometer (manufactured by Hitachi) was used for the fluorescence measurement.

(3)ゲルシフト法 (Electrophoresis Mobility Shift Assay; EMSA)
EMSAに用いた蛍光標識オリゴヌクレオチド鎖を表16に示した(配列番号7にzntA-Pr-Sの配列を、配列番号8にzntA-Pr-Aの配列を示す)。なお、蛍光非標識のオリゴヌクレオチドは蛍光標識オリゴヌクレオチドと同じ塩基配列のもの作製した。また、プロモーターDNAとZntRタンパク質の結合反応組成を表17に示す。2本鎖DNAとする際は、相補的な2本の1本鎖DNA(100μM)を等量ずつPCRチューブにて混合し、95℃で1分間の熱処理を行った。熱処理の後は室温で1時間以上放置して2本鎖(50μM)の形成を促した。プロモーターDNAとZntRタンパク質との結合を促すために反応液を調製後、37℃で30分間のインキュベートを行った。反応液は表18に示すNative-PAGE用サンプルバッファーを加えて40μLとした。その後、表19に示した組成で作製したアクリルアミドゲルと表20に示すTBEバッファーを使用しNative-PAGEを行った。
(3) Gel shift method (Electrophoresis Mobility Shift Assay; EMSA)
Fluorescently labeled oligonucleotide chains used for EMSA are shown in Table 16 (SEQ ID NO: 7 shows the zntA-Pr-S sequence and SEQ ID NO: 8 shows the zntA-Pr-A sequence). The non-fluorescent oligonucleotide was prepared with the same base sequence as the fluorescently labeled oligonucleotide. Table 17 shows the composition of the binding reaction between the promoter DNA and the ZntR protein. When double-stranded DNA was used, complementary two single-stranded DNAs (100 μM) were mixed in equal amounts in a PCR tube and heat treated at 95 ° C. for 1 minute. After the heat treatment, it was left at room temperature for 1 hour or more to promote the formation of double strands (50 μM). In order to promote the binding between the promoter DNA and the ZntR protein, a reaction solution was prepared and then incubated at 37 ° C. for 30 minutes. The reaction solution was adjusted to 40 μL by adding a sample buffer for Native-PAGE shown in Table 18. Thereafter, Native-PAGE was performed using an acrylamide gel prepared with the composition shown in Table 19 and the TBE buffer shown in Table 20.

EMSAにおける蛍光標識DNAの検出は暗条件下においてLED光源ビジレイズ(ATTO社、AE−6935B(青色光源)、AE−6935GL(緑色光源))を照射したゲルをデジタルカメラにより撮影することで行った。   Detection of fluorescently labeled DNA in EMSA was performed by photographing a gel irradiated with LED light source visualizes (ATTO, AE-6935B (blue light source), AE-6935GL (green light source)) with a digital camera under dark conditions.

(4)鉛化合物の検出試験
用いたプロモーターDNAはEMSAで用いたものと同様に両末端にFITCとTAMRAを標識した2本鎖DNAである。プロモーターDNAはあらかじめFITCとTAMRAで標識した1本鎖DNAプローブを混合しEMSAにおいて用いた方法により処理することで2本鎖DNAを形成させた。重金属は、酢酸鉛(II);Pb(CHCOOH)(以降Pbと表記)と硫酸亜鉛;ZnSO(以降Znと表記)をそれぞれ10nMの濃度で調製した。比較対象として塩化ナトリウム;NaCl(以降Naと表記)、カルシウムイオン;CaCl・2HO(以降Caと表記)をそれぞれ10nM濃度で調製した。試料は1nM Pb、1nM Zn、1nM Na、1nM Ca、そしてEDTAを加えないトリスバッファーA(50mM Tris−Cl pH8.0、5mMジチオスレイトール)を加えたものの5条件を検討した。表21に示す組成で反応液を調製し暗条件下、37℃で30分間のインキュベートを行った。その後、反応溶液にEDTAを加えないトリスバッファーAを1mL加えて混合した後に表22に示す条件にて蛍光測定を行った。
(4) Lead compound detection test The promoter DNA used was double-stranded DNA labeled with FITC and TAMRA at both ends, as used in EMSA. The promoter DNA was mixed with a single-stranded DNA probe previously labeled with FITC and TAMRA and treated by the method used in EMSA to form a double-stranded DNA. As heavy metals, lead acetate (II); Pb (CH 3 COOH) 2 (hereinafter referred to as Pb) and zinc sulfate; ZnSO 4 (hereinafter referred to as Zn) were each prepared at a concentration of 10 nM. As comparative objects, sodium chloride; NaCl (hereinafter referred to as Na), calcium ion; CaCl 2 · 2H 2 O (hereinafter referred to as Ca) were each prepared at a concentration of 10 nM. Samples were examined under 5 conditions including 1 nM Pb, 1 nM Zn, 1 nM Na, 1 nM Ca, and Tris buffer A (50 mM Tris-Cl pH 8.0, 5 mM dithiothreitol) without EDTA added. Reaction solutions were prepared with the compositions shown in Table 21 and incubated at 37 ° C. for 30 minutes under dark conditions. Thereafter, 1 mL of Tris buffer A to which EDTA was not added was added to the reaction solution and mixed, and then fluorescence measurement was performed under the conditions shown in Table 22.

(5)ヒ素化合物の検出試験
ArsRタンパク質を融合させた、pAcGFP1プラスミド由来のGFPは励起波長475nm、蛍光波長505nmの緑色蛍光を発する蛍光タンパク質である。3つの異なる蛍光標識DNAプローブを、それぞれArsR−GFP融合タンパク質、亜ヒ酸ナトリウム;NaAsO(以降、Asと表記)と混合することで反応溶液を調製した。用いた3つの蛍光標識DNAプローブを表23に示した。350nm、360nm、370nm、380nm、390nm、400nm、410nm、420nmの励起光を検討した結果、As非添加時とAs添加時にTAMRAとGFPの蛍光強度のピークに変化が生じた350nmと360nmの波長を用いた。励起波長と蛍光開始波長、蛍光終了波長を除く蛍光測定条件は表22に示す条件にて行った。全てのインキュベートは遮光条件下にて行った。表23に示すプライマー「ParsR-S3-5-TAMRA」と「Ec arsR prm ext prm」を組み合わせたPCRによりArsRタンパク質が結合する、ゲノムDNA上のプロモーター領域を中心とした350bpのDNA断片を増幅した(以下、ParsR-350プローブDNAと表記する)(配列番号9にParsR-S3の配列を、配列番号10にEc arsR prm ext prmの配列を、配列番号11にR773-50-Sの配列を、配列番号12にR773-50-Aの配列を示す)。
(5) Arsenic Compound Detection Test GFP derived from pAcGFP1 plasmid fused with ArsR protein is a fluorescent protein emitting green fluorescence with an excitation wavelength of 475 nm and a fluorescence wavelength of 505 nm. A reaction solution was prepared by mixing three different fluorescently labeled DNA probes with ArsR-GFP fusion protein, sodium arsenite; NaAsO 2 (hereinafter referred to as As). The three fluorescently labeled DNA probes used are shown in Table 23. As a result of examining excitation light of 350 nm, 360 nm, 370 nm, 380 nm, 390 nm, 400 nm, 410 nm, and 420 nm, the wavelengths of 350 nm and 360 nm at which the peaks of the fluorescence intensity of TAMRA and GFP changed when As was not added and when As was added were determined. Using. The fluorescence measurement conditions excluding the excitation wavelength, the fluorescence start wavelength, and the fluorescence end wavelength were the conditions shown in Table 22. All incubations were performed under light shielding conditions. A 350 bp DNA fragment centered on the promoter region on genomic DNA to which ArsR protein binds was amplified by PCR combining the primers “ParsR-S3-5-TAMRA” and “Ec arsR prm ext prm” shown in Table 23. (Hereinafter referred to as ParsR-350 probe DNA) (SEQ ID NO: 9 is the sequence of ParsR-S3, SEQ ID NO: 10 is the sequence of EcorsR prm ext prm, SEQ ID NO: 11 is the sequence of R773-50-S, SEQ ID NO: 12 shows the sequence of R773-50-A).

表23に示すプライマー、ParsR-S3-5-TAMRAとEc arsR prm ext prmを組み合わせたPCRによりArsRタンパク質が結合する、ゲノムDNA上のプロモーター領域を中心とした350bpのDNA断片が増幅される(以降、ParsR-350プローブDNAと表記)。ParsR-350プローブDNAを用いた検出試験における反応組成を表24に示した。検出は表24に示す手順で行った後、反応溶液1mLの蛍光スペクトルを測定した。蛍光の検出は400−650nmについて、2回ずつ行った。   A 350 bp DNA fragment centered on the promoter region on genomic DNA, to which ArsR protein binds, is amplified by PCR combining the primers shown in Table 23, ParsR-S3-5-TAMRA and EcorsR prm ext prm (hereinafter referred to as “DNA”). , Written as ParsR-350 probe DNA). Table 24 shows the reaction composition in the detection test using ParsR-350 probe DNA. After detection was performed according to the procedure shown in Table 24, the fluorescence spectrum of 1 mL of the reaction solution was measured. The detection of fluorescence was performed twice for 400-650 nm.

表23に示す、ParsR-50-S-5-TAMRAとParsR-50-Aにより形成される2本鎖DNAはArsRタンパク質が結合する、ゲノムDNA上のプロモーターDNAの50bpの塩基配列からなる(以下、ParsR−50プローブDNAと表記)。
また、表23に示す、R773-50-S-5-TAMRAとR773-50-Aにより形成される2本鎖DNAはArsRタンパク質が結合する、R−773プラスミドDNA上のプロモーターDNAの50bpの塩基配列からなる(以下、R773−50プローブDNAと表記)。これら2つ蛍光標識DNAプローブは、80℃でインキュベートした後、室温でインキュベートし2本鎖DNAを形成させた。
The double-stranded DNA formed by ParsR-50-S-5-TAMRA and ParsR-50-A shown in Table 23 is composed of a 50-bp base sequence of promoter DNA on genomic DNA to which ArsR protein binds (hereinafter referred to as “DNA”). , Written as ParsR-50 probe DNA).
The double-stranded DNA formed by R773-50-S-5-TAMRA and R773-50-A shown in Table 23 is a 50 bp base of promoter DNA on R-773 plasmid DNA to which ArsR protein binds. It consists of a sequence (hereinafter referred to as R773-50 probe DNA). These two fluorescently labeled DNA probes were incubated at 80 ° C. and then incubated at room temperature to form double-stranded DNA.

ParsR−50プローブDNAあるいはR773−50プローブDNAを用いた検出試験における反応組成と検出手順を表25に示した。蛍光の検出は480〜650nmについて、3回ずつ行った。   Table 25 shows the reaction composition and the detection procedure in the detection test using ParsR-50 probe DNA or R773-50 probe DNA. The fluorescence was detected three times for 480 to 650 nm.

(6)ZntRタンパク質発現用大腸菌株の育種の結果
ZntRタンパク質発現用大腸菌株の育種にはpET3aベクターを用いた。以前報告した組み換えZntRタンパク質にはN末端にHisタグが付いていたため、Hisタグを介した重金属との結合の可能性が否定できなかったため、Hisタグの付いていないZntRタンパク質を発現する大腸菌株を再度、育種した。まず、図27に示すpET16zntRを保持するJM109株を、Ampを加えたLB培地100mLに植菌し、37℃で一晩振とう培養した。翌日、菌体を回収した後にプラスミド抽出を行った。得られたプラスミド溶液を制限酵素NdeIとBamHIを用いて一晩、反応を行った。制限酵素反応液をアガロースゲル電気泳動により展開し、目的とするzntR遺伝子断片のバンドを切り出し精製した。これをインサートDNAとしpET3aベクターと16℃で一晩のインキュベートを行うことによりライゲーションを行った。ライゲーション反応液を用いて大腸菌JM109株の形質転換を行った。形質転換の後に選んだ5つコロニーをa、b、c、d、eとし、それぞれAmpを加えたLB培地5mLに植菌し、37℃で一晩振とう培養した。次に、それぞれの培養液を用いてプラスミド抽出を行った後にNdeI、BamHIを用いて37℃で1時間の制限酵素反応を行った。アガロースゲル電気泳動を行い、インサートの有無を確認した結果、bとcから抽出したプラスミドにてインサートが認められた。シーケンスの結果、cのサンプルが目的のpET3zntRであることが確認できたため、本プラスミドによりBL21(DE3)pLysSを形質転換した。これらの過程を経て、ZntRタンパク質発現用大腸菌株を育種した(図27)。
(6) Result of breeding of E. coli strain for expressing ZntR protein The pET3a vector was used for breeding of the E. coli strain for expressing ZntR protein. Since the recombinant ZntR protein reported previously had a His tag at the N-terminus, the possibility of binding to a heavy metal via the His tag could not be ruled out, so an E. coli strain expressing a ZntR protein without a His tag Breeding again. First, the JM109 strain carrying pET16zntR shown in FIG. 27 was inoculated into 100 mL of LB medium supplemented with Amp, and cultured overnight at 37 ° C. with shaking. On the next day, plasmids were extracted after collecting the cells. The resulting plasmid solution was reacted overnight using restriction enzymes NdeI and BamHI. The restriction enzyme reaction solution was developed by agarose gel electrophoresis, and the band of the target zntR gene fragment was cut out and purified. Ligation was performed by using this as insert DNA and incubating with the pET3a vector at 16 ° C. overnight. Escherichia coli JM109 strain was transformed using the ligation reaction solution. Five colonies selected after the transformation were designated as a, b, c, d, and e. Each of them was inoculated into 5 mL of LB medium supplemented with Amp, and cultured overnight at 37 ° C. with shaking. Next, after performing plasmid extraction using each culture solution, restriction enzyme reaction was performed at 37 ° C. for 1 hour using NdeI and BamHI. As a result of performing agarose gel electrophoresis and confirming the presence or absence of the insert, the insert was observed in the plasmid extracted from b and c. As a result of sequencing, it was confirmed that the sample of c was the target pET3zntR. Therefore, BL21 (DE3) pLysS was transformed with this plasmid. Through these processes, an E. coli strain for expressing ZntR protein was bred (FIG. 27).

(7)ZntRタンパク質の発現と精製の結果
ZntRタンパク質発現用大腸菌をAmpとCmを加えたLB培地5mLで37℃にて一晩振とう培養し、種菌とした。AmpとCmを加えたLB培地5mLを新たに2つ用意し、それぞれに種菌を植菌し培養の途中で1つにIPTGを添加した。得られた培養液から10,000rpm、4℃の条件で5分間の遠心分離を行い、菌体を回収した。得られた菌体をトリスバッファーAに懸濁させ、超音波破砕機により菌体を破砕した。その後、12,000rpm、4℃の条件で10分間の遠心分離を行い、上清を回収した。これを、ZntRタンパク質粗抽出液として、SDS−PAGEによりZntRタンパク質の発現を確認した。この結果、IPTGを添加した方にのみ、ZntRタンパク質と見られるバンドが確認出来たため(図28の矢印の位置)、ZntRタンパク質の精製のために培地を250mLにスケールアップして培養を行うこととした。5mLの培養スケールの時と同様にして回収した菌体にトリスバッファーAを加えて溶解し超音波により破砕した。その後、遠心チューブに移し、12,000rpm、4℃の条件で10分間遠心分離を行い、デカンテーションによって上清を回収した。これをZntRタンパク質粗抽出液とする。
(7) Results of Expression and Purification of ZntR Protein E. coli for expressing ZntR protein was cultured overnight at 37 ° C. in 5 mL of LB medium supplemented with Amp and Cm, and used as an inoculum. Two new 5 mL LB media supplemented with Amp and Cm were prepared, inoculated with each inoculum, and IPTG was added to one during the culture. Centrifugation was performed for 5 minutes under the conditions of 10,000 rpm and 4 ° C. from the obtained culture solution, and the cells were collected. The obtained bacterial cells were suspended in Tris buffer A, and the bacterial cells were crushed with an ultrasonic crusher. Thereafter, centrifugation was performed at 12,000 rpm and 4 ° C. for 10 minutes, and the supernatant was recovered. This was used as a crude extract of the ZntR protein, and the expression of the ZntR protein was confirmed by SDS-PAGE. As a result, a band seen as ZntR protein was confirmed only in the case where IPTG was added (the position of the arrow in FIG. 28). Therefore, the culture medium was scaled up to 250 mL for the purification of the ZntR protein, and cultured. did. Tris buffer A was added to the cells collected in the same manner as in the 5 mL culture scale, dissolved and disrupted by ultrasonic waves. Thereafter, the mixture was transferred to a centrifuge tube, centrifuged at 12,000 rpm and 4 ° C. for 10 minutes, and the supernatant was collected by decantation. This is defined as a ZntR protein crude extract.

精製の初発過程として硫酸アンモニウム沈殿を行った。その後、脱塩のためにゲルろ過を行い続けてヘパリンカラムによるアフィニティークロマトグラフィーを行った。その際、約5mLずつ40フラクションを回収した。各フラクションの280nmにおける吸光値をそれぞれ測定した結果、いくつかの吸光値のピークが得られた。しかしながら、これらのピークを形成するフラクションについてSDS−PAGEを行った結果、図28の矢印で示される位置にバンドが確認されなかった。ZntRタンパク質は芳香族アミノ酸を含有しておらず、そのため280nmの光吸収を示さないことが推察された。そのため、40フラクションについてBradford法によりタンパク質染色を行い、595nmにおける吸光値をそれぞれ測定した(図29)。フラクション5までに認められたピークは非吸着画分と考えられたためフラクション5以降で認められたピークを形成するフラクション9〜15をSDS−PAGEにより展開した。   As the initial process of purification, ammonium sulfate precipitation was performed. Thereafter, gel filtration was continued for desalting, followed by affinity chromatography using a heparin column. At that time, about 5 mL of 40 fractions were collected. As a result of measuring the absorbance value of each fraction at 280 nm, several peaks of absorbance values were obtained. However, as a result of SDS-PAGE for the fractions forming these peaks, no band was confirmed at the position indicated by the arrow in FIG. It was speculated that the ZntR protein does not contain aromatic amino acids and therefore does not show light absorption at 280 nm. Therefore, 40 fractions were subjected to protein staining by the Bradford method, and the absorbance values at 595 nm were measured (FIG. 29). Since the peaks recognized up to fraction 5 were considered to be non-adsorbed fractions, fractions 9 to 15 forming peaks observed after fraction 5 were developed by SDS-PAGE.

フラクション10−13において、矢印の箇所にZntRタンパク質と考えられるバンドを確認することができた(図30、矢印の位置)。そこで、フラクション10−13をまとめて限外ろ過により濃縮し、Bradford法にてタンパク質定量を行った後、脱塩のためにゲルろ過を行った。さらに、SDS−PAGEによりZntRタンパク質の確認を行った(図31)。その結果、矢印の箇所にZntRタンパク質と見られるバンドが確認出来たため、このZntRタンパク質部分精製液を用いて以後の実験を行った。   In fraction 10-13, a band considered to be a ZntR protein could be confirmed at the position of the arrow (FIG. 30, the position of the arrow). Thus, fractions 10-13 were combined and concentrated by ultrafiltration, protein quantification was performed by the Bradford method, and then gel filtration was performed for desalting. Furthermore, the ZntR protein was confirmed by SDS-PAGE (FIG. 31). As a result, since a band seen as a ZntR protein could be confirmed at the position indicated by the arrow, the subsequent experiment was performed using this ZntR protein partial purified solution.

(8)ZntRタンパク質部分精製液を用いたEMSAの結果
部分精製したZntRタンパク質の定量を行った結果、0.53mg/mLであった。ZntRタンパク質と各蛍光色素を標識したDNAからなるプローブDNAを用いてEMSAを行った。電気泳動用ゲルにロードした各試料の一覧を表26に示す。FITC標識したプローブDNAを用いた場合には、FITC標識の場合には青色励起光を照射しSCF515フィルター(ATTO社製)を通して、TAMRA標識の場合には緑色励起光を照射しR−60フィルター(ATTO社製)を通してそれぞれ撮影を行った(図32)。レーン1で認められるバンドは1本鎖DNA、レーン2と6で認められるバンドは2本鎖DNAのバンドと考えられる。ZntRタンパク質部分精製液を添加した試料ではさらに上にZntRタンパク質とプローブDNAの複合体のバンドと考えられるバンドのシフトが認められ、加えたタンパク質の液量の増加に伴いシフトしたバンドの量的増加が認められた。また、FITCあるいはTAMRAで標識したプローブDNAは緑色あるいは赤色の蛍光として検出可能であった。これらの結果から、調製した組み換えZntRタンパク質と用いたプローブDNAは特異的に結合し複合体を形成することが明らかとなった。
(8) Results of EMSA using partially purified ZntR protein The result of quantification of partially purified ZntR protein was 0.53 mg / mL. EMSA was performed using probe DNA consisting of DNA labeled with ZntR protein and each fluorescent dye. Table 26 shows a list of each sample loaded on the electrophoresis gel. In the case of using FITC-labeled probe DNA, in the case of FITC labeling, blue excitation light is irradiated through an SCF515 filter (manufactured by ATTO), and in the case of TAMRA labeling, green excitation light is irradiated and an R-60 filter ( Images were taken through ATTO (FIG. 32). The band recognized in lane 1 is considered to be a single-stranded DNA, and the bands recognized in lanes 2 and 6 are considered to be double-stranded DNA bands. In the sample to which the ZntR protein partial purified solution was added, a band shift considered to be a band of the complex of the ZntR protein and the probe DNA was further observed, and the amount of the shifted band increased with the increase in the amount of the added protein. Was recognized. The probe DNA labeled with FITC or TAMRA was detectable as green or red fluorescence. From these results, it was revealed that the prepared recombinant ZntR protein and the probe DNA used specifically bound to form a complex.

FITCとTAMRAを標識したプローブDNAを用いたEMSAにおいて、電気泳動用ゲルにロードした各試料の一覧を表27、実験結果を図33にそれぞれ示す。ゲルはFITCを励起する青色励起光を照射しオレンジ色のフィルムを介して撮影された。1種類の蛍光で標識されたプローブDNAを用いたEMSAの結果と同様にZntRタンパク質部分精製液を添加した試料ではZntRタンパク質とプローブDNAの複合体と考えられる、上方にシフトしたバンドが認められた。レーン1においてFITCで標識した一本鎖DNAのバンドにおいて緑色の蛍光が認められるが一方、レーン2のTAMRAで標識した一本鎖DNAでは赤色蛍光がほとんど確認できなかった。しかしながら、FITCとTAMRAの両方を標識したプローブDNA由来のバンドにおいては、FITCの緑色とTAMRA赤色の中間色のピンク色の蛍光が認められた。この結果より、FITCの発する緑色蛍光によりTAMRAが励起され赤色蛍光を発していること、すなわちプローブDNA上のFITCからTAMRAへとFRETが生じていることが確認された。   In EMSA using probe DNA labeled with FITC and TAMRA, a list of samples loaded on the gel for electrophoresis is shown in Table 27, and the experimental results are shown in FIG. The gel was photographed through an orange film irradiated with blue excitation light to excite FITC. Similar to the results of EMSA using a probe DNA labeled with one type of fluorescence, a sample shifted with a ZntR protein partially purified solution showed an upwardly shifted band that was considered to be a complex of ZntR protein and probe DNA. . In lane 1, green fluorescence was observed in the band of single-stranded DNA labeled with FITC, whereas red fluorescence was hardly confirmed in the single-stranded DNA labeled with TAMRA in lane 2. However, in the band derived from the probe DNA labeled with both FITC and TAMRA, pink fluorescence of an intermediate color between FITC green and TAMRA red was observed. From this result, it was confirmed that TAMRA was excited by green fluorescence emitted from FITC to emit red fluorescence, that is, FRET was generated from FITC to TAMRA on the probe DNA.

(9)ZntRタンパク質部分精製液と蛍光標識プローブDNAを用いた鉛化合物の検出結果
FITCとTAMRAで2重標識したプローブDNAとZntRタンパク質部分精製液を混合した反応液の蛍光スペクトルを測定した結果、PbあるいはZnの添加によりバッファーを添加したコントロールと比較し全体的に蛍光スペクトルが上方にシフトしただけであった。金属イオンであるNa、CaにおいてもPbとZnのときと同様の結果となった(図34)。
(9) Detection result of lead compound using ZntR protein partial purified solution and fluorescently labeled probe DNA As a result of measuring the fluorescence spectrum of the reaction mixture obtained by mixing the probe DNA double-labeled with FITC and TAMRA and the ZntR protein partially purified solution, Compared with the control to which the buffer was added by adding Pb or Zn, the fluorescence spectrum was only shifted upward. The same results were obtained with Na and Ca, which are metal ions, as with Pb and Zn (FIG. 34).

予想された蛍光スペクトルの変化は、PbあるいはZnが存在する場合にはFITCの518nmのピークが増加しTAMRAの580nmのピークが減少するというものであった。また、Na、Ca、コントロールにおいては、FITCの518nmのピークとTAMRAの580nmのピークにおける比率に変化がないことが期待された。しかし、FITCの蛍光ピーク(518nm)とTAMRAの蛍光ピーク(580nm)の比率において、バッファーを加えたコントロールとPbあるいはZnを加えたものを比較した場合に変化が生じなかった。   The expected change in the fluorescence spectrum was that when Pb or Zn was present, the FITC 518 nm peak increased and the TAMRA 580 nm peak decreased. In addition, in Na, Ca, and control, it was expected that there was no change in the ratio between the 518 nm peak of FITC and the 580 nm peak of TAMRA. However, there was no change in the ratio of the FITC fluorescence peak (518 nm) to the TAMRA fluorescence peak (580 nm) when comparing the control with buffer and the addition of Pb or Zn.

本試験において、FITCの蛍光ピークとTAMRAの蛍光ピークの比率に変化が生じなかった原因としては、FRETを起こす際、ZntR−プロモーターDNA複合体の高次構造変化に伴う蛍光物質間の距離の変化が小さい点が推察される。また、試験を行う際に試料中に加えた蛍光標識プローブDNAやZntRタンパク質の量がFRETを生じさせるための添加量として適切でなかった可能性も考えられる。   The reason why the ratio between the fluorescence peak of FITC and the fluorescence peak of TAMRA did not change in this test is that the distance between the fluorescent substances changes due to the change in the higher-order structure of the ZntR-promoter DNA complex when FRET occurs. Is a small point. In addition, there is a possibility that the amount of the fluorescently labeled probe DNA or ZntR protein added to the sample when performing the test was not appropriate as the addition amount for causing FRET.

(10)ArsRタンパク質発現用大腸菌株の育種結果
FRETを介したAs検出系を構築するためにヒ素に対するセンサータンパク質であるArsRタンパク質を組み換えタンパク質として調製することとした。組み換えArsRタンパク質を調製することができれば図26に示す原理で、かつArsRをGFPとの融合タンパク質という形でなくとも直接的に蛍光物質で標識可能であると考えられる。表28に示すarsR遺伝子断片増幅用プライマーE.coliArsR−S及びE.coilArsR−Aを大腸菌K12株のDNAシークエンスデータを基にして設計した(配列番号13に大腸菌ArsR−Sの配列を、配列番号14に大腸菌ArsR−Aの配列を示す)。大腸菌K12株のゲノムDNAを鋳型にプライマー大腸菌 ArsR−S及び大腸菌 ArsR-Aを用いてarsR遺伝子を、Pfx50TMDNA Polymeraseによるポリメラーゼ連鎖反応(PCR)で増幅した。電気泳動にて増幅を確認した後、PCR反応液にTaKaRa LA TaqTM with GC Bufferを加えて3’末端へのdATPの付加反応を行った。この反応液を精製し、TAクローニングベクター、pGEM−T ベクターとライゲーションし、大腸菌JM109株を形質転換した(図35)。形質転換株よりpGEMarsRを抽出しXhoIとNdeIで消化して電気泳動によって挿入断片の確認を行った。pGEMarsRとpET16bをそれぞれXhoIとNdeIで処理し、pGEMarsRに関しては電気泳動後に目的とするarsR遺伝子断片(約360bp)のバンドを切り出して精製した。また、pET16bは反応液をそのまま精製してarsR遺伝子断片とライゲーションした。ライゲーション反応液を用いて大腸菌JM109株を形質転換した。arsR遺伝子のpET16bへの挿入の確認は形質転換株よりプラスミドを抽出し、XhoIとNdeIで処理した後電気泳動にてarsR遺伝子断片のバンドを確認することで行った。pET16arsR上のarsR遺伝子のシークエンスを行いGen Bankデータベースの大腸菌 K12株DNAシークエンスデータと比較することで、クローニングしたarsR遺伝子に変異がないことを確認した。しかし、pET16arsRから発現するArsRタンパク質にはHisタグが付いており、Hisタグを介して重金属と結合してしまう可能性が考えられたため、Hisタグを持たないpET3aベクターにarsR遺伝子断片を連結し直すことにした。pET16arsRとpET3aベクターをそれぞれBamHIとNdeIで処理し、pET16arsRに関しては電気泳動後に目的とするarsR遺伝子断片のバンドを切り出して精製した。arsR遺伝子断片をpET3aベクターと連結させ、pET3arsRを作製した。上記と同様にしてシークエンスを行い、Gen Bankの大腸菌 K12株DNAシークエンスデータと比較することでpET3arsR上のarsR遺伝子に、変異がないことを確認した。次にpET3arsRのプラスミド溶液を用いてタンパク質発現用株大腸菌BL21(DE3)pLysSを形質転換し、ArsRタンパク質発現用大腸菌株を育種した(図35)。
(10) Breeding result of Escherichia coli strain for expressing ArsR protein In order to construct an As detection system via FRET, ArsR protein, which is a sensor protein for arsenic, was prepared as a recombinant protein. If a recombinant ArsR protein can be prepared, it is considered that the ArsR can be directly labeled with a fluorescent substance even if ArsR is not in the form of a fusion protein with GFP. Primers for arsR gene fragment amplification shown in Table 28 coli Ars R-S and E. coli. coilArsR-A was designed based on the DNA sequence data of Escherichia coli K12 (SEQ ID NO: 13 shows the sequence of E. coli ArsR-S, and SEQ ID NO: 14 shows the sequence of E. coli ArsR-A). The arsR gene was amplified by polymerase chain reaction (PCR) with Pfx50 DNA Polymerase using E. coli K12 strain genomic DNA as a template and primers E. coli ArsR-S and E. coli ArsR-A. After confirming amplification by electrophoresis, TaKaRa LA Taq with GC Buffer was added to the PCR reaction solution, and dATP was added to the 3 ′ end. This reaction solution was purified and ligated with a TA cloning vector and a pGEM-T vector to transform Escherichia coli JM109 strain (FIG. 35). PGEMarsR was extracted from the transformant, digested with XhoI and NdeI, and the inserted fragment was confirmed by electrophoresis. pGEmarsR and pET16b were treated with XhoI and NdeI, respectively, and for pGEMarsR, the band of the target arsR gene fragment (about 360 bp) was excised after electrophoresis and purified. In addition, pET16b was directly purified from the reaction solution and ligated with the arsR gene fragment. Escherichia coli JM109 strain was transformed with the ligation reaction solution. Confirmation of the insertion of the arsR gene into pET16b was performed by extracting a plasmid from the transformant, treating with XhoI and NdeI, and then confirming the band of the arsR gene fragment by electrophoresis. It was confirmed that there was no mutation in the cloned arsR gene by sequencing the arsR gene on pET16arsR and comparing it with the E. coli K12 strain DNA sequence data in the Gen Bank database. However, since the ArsR protein expressed from pET16arsR has a His tag and may bind to a heavy metal via the His tag, the arsR gene fragment was religated to the pET3a vector without the His tag. It was to be. The pET16arsR and pET3a vectors were treated with BamHI and NdeI, respectively. For pET16arsR, the band of the desired arsR gene fragment was excised after electrophoresis and purified. The arsR gene fragment was ligated with the pET3a vector to prepare pET3arsR. Sequencing was performed in the same manner as described above, and it was confirmed that there was no mutation in the arsR gene on pET3arsR by comparing with Gen Bank's Escherichia coli K12 strain DNA sequence data. Next, the Escherichia coli BL21 (DE3) pLysS for protein expression was transformed with the plasmid solution of pET3arsR, and the Escherichia coli strain for expressing ArsR protein was bred (FIG. 35).

(11)組み換えArsRタンパク質の発現と確認
ArsRタンパク質発現用大腸菌株を培養後に超音波破砕することでArsRタンパク質粗抽出液を得た。このArsRタンパク質粗抽出液をSDS−PAGEによって展開することでArsRタンパク質の発現の確認を行った。しかし、IPTGの添加の有無に関わらずArsRタンパク質のバンドが予測された位置(約13kDa)にバンドが確認できなかった。IPTG添加時のタンパク質粗抽出液ではゲルの上部にバンドが密集しているため、ArsRタンパク質とDNAが結合している可能性が考えられた。そこでタンパク質と結合したDNAを除去する目的でタンパク質粗抽出液をDNaseI処理し、その後、再度SDS−PAGEによってArsRタンパク質のバンドの確認を行った。しかしながら、IPTGの添加の有無により予測される位置のバンドに差異は見られなかった。原因を特定していないが、組み換えArsRタンパク質を調製するには至らなかった。そこで、ArsRをGFPとの融合タンパク質という形で調製することにより蛍光標識することにした。
(11) Expression and confirmation of recombinant ArsR protein An ArsR protein crude extract was obtained by culturing an Escherichia coli strain for expression of ArsR protein after culturing. This ArsR protein crude extract was developed by SDS-PAGE to confirm the expression of ArsR protein. However, no band could be confirmed at the position where the band of ArsR protein was predicted (about 13 kDa) regardless of the presence or absence of IPTG addition. In the crude protein extract at the time of IPTG addition, since bands were concentrated at the top of the gel, there was a possibility that ArsR protein and DNA were bound. Therefore, the protein crude extract was treated with DNase I for the purpose of removing DNA bound to the protein, and then the ArsR protein band was confirmed again by SDS-PAGE. However, no difference was observed in the band at the position predicted by the presence or absence of IPTG addition. Although the cause has not been specified, a recombinant ArsR protein has not been prepared. Therefore, it was decided to fluorescently label ArsR by preparing it in the form of a fusion protein with GFP.

(12)ArsR−GFP融合タンパク質発現用大腸菌株の育種の結果
arsR遺伝子断片のクローニングのために表29に示す、arsR遺伝子増幅用プライマーEc-arsR-pAcGFP-S(配列番号15)及びEc-arsR-pAcGFP-A(配列番号16)を大腸菌K12株のDNAシークエンスデータを基にして設計した。また、それぞれのプライマーにはクローニングの際に必要となる制限酵素サイトを付けた。まず、大腸菌K12株のゲノムDNAを鋳型にプライマーEc-arsR-pAcGFP-S及びEc-arsR-pAcGFP-Aを用いてarsR遺伝子断片をPCRで増幅した(図36)。電気泳動にて増幅を確認した後のarsR遺伝子断片とpAcGFP1ベクターをそれぞれHindIIIとPstIで処理し、pAcGFP1に関しては電気泳動後に目的とするベクター部位(約3.3kb)のバンドを切り出して精製した。また、arsR遺伝子断片は反応液をそのまま精製した。両DNA断片をライゲーションし、得られたpAcGFParsRで大腸菌JM109株を形質転換した。arsR遺伝子の挿入の確認は形質転換株よりpAcGFParsRを抽出し、HindIIIとPstIで消化した後、アガロースゲル電気泳動にてarsR遺伝子断片(約360bp)のバンドを確認することで行った。pAcGFParsR上のシークエンスを行い、Gen Bankの大腸菌K12株のarsRのDNAシークエンスデータとの比較によりpAcGFParsR上のarsR遺伝子に変異がないことを確認した。
(12) Results of breeding of Escherichia coli strain for expression of ArsR-GFP fusion protein ArsR gene amplification primers Ec-arsR-pAcGFP-S (SEQ ID NO: 15) and Ec-arsR shown in Table 29 for cloning of the arsR gene fragment -pAcGFP-A (SEQ ID NO: 16) was designed based on the DNA sequence data of Escherichia coli K12 strain. Each primer was provided with a restriction enzyme site required for cloning. First, the arsR gene fragment was amplified by PCR using primers Ec-arsR-pAcGFP-S and Ec-arsR-pAcGFP-A using the genomic DNA of Escherichia coli K12 strain as a template (FIG. 36). After confirming amplification by electrophoresis, the arsR gene fragment and the pAcGFP1 vector were treated with HindIII and PstI, respectively, and for pAcGFP1, the band at the target vector site (about 3.3 kb) was excised and purified after electrophoresis. Moreover, the reaction liquid was purified as it was for the arsR gene fragment. Both DNA fragments were ligated, and Escherichia coli JM109 was transformed with the obtained pAcGFParsR. The insertion of the arsR gene was confirmed by extracting pAcGFParsR from the transformant, digesting with HindIII and PstI, and then confirming the band of the arsR gene fragment (about 360 bp) by agarose gel electrophoresis. A sequence on pAcGFPParsR was performed, and it was confirmed that there was no mutation in the arsR gene on pAcGFPParsR by comparison with the DNA sequence data of arsR of E. coli K12 strain of Gen Bank.

(13)ArsR−GFP融合タンパク質の発現と確認
ArsR−GFP融合タンパク質発現用大腸菌株を培養し菌体を破砕することでArsR−GFP融合タンパク質粗抽出液を得た。このArsR−GFP融合タンパク質粗抽出液をSDS−PAGEによって展開することでArsR−GFP融合タンパク質の発現の確認を行った。その結果、ArsR−GFP融合タンパク質の予測される位置(約47kDa)にバンドが確認された(図37の矢印の位置)。しかしながら、発現量が低いため目的タンパク質をアフィニティークロマトグラフィーにて部分精製し、夾雑タンパク質に対する比率を高めることとした。
(13) Expression and Confirmation of ArsR-GFP Fusion Protein An Escherichia coli strain for expressing ArsR-GFP fusion protein was cultured and disrupted to obtain an ArsR-GFP fusion protein crude extract. This ArsR-GFP fusion protein crude extract was developed by SDS-PAGE to confirm the expression of the ArsR-GFP fusion protein. As a result, a band was confirmed at the predicted position (about 47 kDa) of the ArsR-GFP fusion protein (position of the arrow in FIG. 37). However, since the expression level was low, the target protein was partially purified by affinity chromatography to increase the ratio to the contaminating protein.

(14)ArsR−GFP融合タンパク質の精製結果
ArsR−GFP融合タンパク質粗抽出液に対して硫酸アンモニウム沈殿を行いバッファーに再溶解後、ゲルろ過による脱塩を行った。その後、アフィニティークロマトグラフィーによる精製を行い回収した40本のフラクションのA280とGFPの蛍光(520nm)を測定した。その結果、フラクション19と20を中心にA280と蛍光値のピークが認められ(図38)、ArsR−GFP融合タンパク質は主としてこれらのフラクションに存在することが明らかとなった。フラクション19と20についてSDS−PAGEによりタンパク質を確認したところ、ArsR−GFP融合タンパク質と考えられるバンドが確認できた(図39、矢印の位置)。
(14) Purification results of ArsR-GFP fusion protein Ammonium sulfate precipitation was performed on the ArsR-GFP fusion protein crude extract, redissolved in the buffer, and then desalted by gel filtration. Thereafter, fluorescence was measured (520 nm) of the A 280 and GFP of recovered forty fraction was purified by affinity chromatography. As a result, it observed peak of A 280 and fluorescence values around a fraction 19 and 20 (FIG. 38), ArsR-GFP fusion protein was found to be mainly present in these fractions. When the protein was confirmed by SDS-PAGE for fractions 19 and 20, a band considered to be an ArsR-GFP fusion protein was confirmed (FIG. 39, position of arrow).

しかしながら、目的タンパク質以外にも夾雑タンパク質が依然として認められたため更に精製度を高めるために、これらのフラクションを用いてイオン交換クロマトグラフィーを行った。その後、回収した40本のフラクションのA280と蛍光強度(420nm)を測定した。その結果、フラクション19〜21を中心にA280のピークが認められ、蛍光値は主としてフラクション20と21が高い値を示した(図40)。ArsR−GFP融合タンパク質は主としてフラクション20と21に存在することが明らかとなった。フラクション20と21についてSDS−PAGEにてタンパク質を分離したところArsR−GFP融合タンパク質と考えられるバンドが確認できた(図41、矢印の位置)。イオン交換クロマトグラフィーによる精製を行うことによって、ArsR−GFP融合タンパク質以外の夾雑タンパク質を大幅に除くことができた。 However, since contaminating proteins were still recognized in addition to the target protein, ion exchange chromatography was performed using these fractions in order to further increase the degree of purification. Thereafter, A 280 and fluorescence intensity (420 nm) of the collected 40 fractions were measured. As a result, a peak of A 280 was recognized centering on fractions 19 to 21, and fluorescence values were mainly high in fractions 20 and 21 (FIG. 40). It was revealed that ArsR-GFP fusion protein is mainly present in fractions 20 and 21. When fractions 20 and 21 were separated by SDS-PAGE, a band considered to be an ArsR-GFP fusion protein was confirmed (FIG. 41, position of arrow). By performing purification by ion exchange chromatography, contaminating proteins other than the ArsR-GFP fusion protein could be largely removed.

(15)ArsR−GFP融合タンパク質と蛍光標識プローブDNAを用いたAsの検出試験
図26に示す原理により、ヒ素化合物(As)の存在がFRETを介して蛍光スペクトルに変化をもたらすか否かの検討を行った。ArsR−GFP融合タンパク質の部分精製液とTAMRAで標識したParsR−350を混合しAs存在下そして非存在下において励起光350nmと360nmにて蛍光スペクトルを測定した結果を図42に示す。いずれの励起光においても、580nm近辺のTAMRAの蛍光ピークにおいてわずかながらAs非添加時よりも添加時に蛍光強度の減少が認められた。また、510nm近辺のGFPの蛍光ピークにおいては、わずかながらAs非添加時よりも添加時にピークの増加が認められた。この傾向は、図26で示す検出原理から予測される蛍光スペクトルの変化と一致する。つまり、As非添加時にはタンパク質とDNAの複合体形成によりTAMRAとGFPの距離が短くなりGFPの蛍光がTAMRAの励起光として吸収され易くなった結果TAMRAの蛍光が増加し、逆にAs添加時にはタンパク質とDNAの解離によりTAMRAとGFPの距離が離れTAMRAにより吸収されるGFPの蛍光の割合が減少した結果GFPの蛍光が増加したと考えられる。しかしながら、TAMRAとGFPの蛍光強度の比率においてAs添加による顕著な変化が認められなかったため、DNA鎖の長さを350bpから50bpへと短くした、ParsR−50あるいはR773−50プローブDNAを用いてAsの検出試験を行った。その結果、いずれの励起光そしてプローブDNAにおいても、As添加によりParsR−350プローブDNAを使用した場合と同様のスペクトル変化が認められた(図43、図44)。また、580nm近辺のTAMRAの蛍光においてはAs添加によりParsR−350プローブDNAを使用した場合より減少が見られた。しかしながら、いずれのプローブDNAにおいてもGFPの蛍光強度においてはAs添加により増加傾向は認められなかった。ParsR−50とR773−50プローブDNA間の比較においては、TAMRAの蛍光においてはAs添加によりParsR−50プローブDNAを使用した場合が、より減少幅が大きかった。
(15) As detection test using ArsR-GFP fusion protein and fluorescently labeled probe DNA Whether or not the presence of the arsenic compound (As) changes the fluorescence spectrum via FRET based on the principle shown in FIG. Went. FIG. 42 shows the results of mixing the partially purified solution of ArsR-GFP fusion protein and ParsR-350 labeled with TAMRA and measuring the fluorescence spectrum at excitation light of 350 nm and 360 nm in the presence and absence of As. In any excitation light, the fluorescence intensity of TAMRA near 580 nm was slightly decreased when added than when As was not added. Further, in the fluorescence peak of GFP near 510 nm, a slight increase in the peak was observed at the time of addition than when no As was added. This tendency is consistent with the change in the fluorescence spectrum predicted from the detection principle shown in FIG. That is, when As is not added, the distance between TAMRA and GFP is shortened by the formation of a complex of protein and DNA, and the fluorescence of GFP is easily absorbed as TAMRA excitation light. As a result, the fluorescence of TAMRA increases. It is considered that the fluorescence of GFP increased as a result of the dissociation of DNA and the distance between TAMRA and GFP and the proportion of GFP fluorescence absorbed by TAMRA decreased. However, since the remarkable change by addition of As was not recognized in the ratio of the fluorescence intensity of TAMRA and GFP, the length of the DNA strand was shortened from 350 bp to 50 bp using ParsR-50 or R773-50 probe DNA. A detection test was conducted. As a result, in any excitation light and probe DNA, the same spectral change was observed when ParsR-350 probe DNA was used by addition of As (FIGS. 43 and 44). In addition, in the fluorescence of TAMRA near 580 nm, a decrease was observed when ParsR-350 probe DNA was used by adding As. However, in any of the probe DNAs, the GFP fluorescence intensity did not increase with the addition of As. In comparison between ParsR-50 and R773-50 probe DNA, the amount of decrease in TAMRA fluorescence was greater when ParsR-50 probe DNA was used by adding As.

3つの異なるプローブDNAを用いたヒ素検出試験の結果、プローブDNA鎖長を50bpに設定し、かつゲノム上のヒ素応答型プロモーターの塩基配列を選択することで、As添加においてTAMRAの蛍光強度の微弱な変化を生じさせることが明らかとなった。プローブDNAの鎖長や塩基配列を変化させたが期待したFRETを介した蛍光スペクトルの変化をもたらすことはできなかった。   As a result of the arsenic detection test using three different probe DNAs, the probe DNA chain length was set to 50 bp, and the base sequence of the arsenic-responsive promoter on the genome was selected. It has become clear that this causes a change. Although the chain length and the base sequence of the probe DNA were changed, the expected fluorescence spectrum change via FRET could not be brought about.

(16)まとめ
調製した2つの組み換えタンパク質、ZntRあるいはArsR−GFPを用いたPbあるいはAsの検出試験の結果をそれぞれ以下に要約した。
プロモーターDNAをFITCとTAMRAで2重標識した、プローブDNAとZntRタンパク質を用いた試験においてはPbの添加によりFITCとTAMRAの蛍光強度の比率において変化は認められなかった。ゲルシフト法による解析結果から、調製したZntRタンパク質とプローブDNAはZntR−プロモーターDNA複合体を形成することが確認された。したがって、形成された複合体の、Pb添加による高次構造変化がFRETにおけるエネルギー移動の変化を引き起こすには小さ過ぎた可能性が考えられる。ZntR−プロモーターDNA複合体の高次構造の変化を、FRETを介して外部提示するのは困難であった。
(16) Summary The results of Pb or As detection tests using the two prepared recombinant proteins, ZntR or ArsR-GFP, are summarized below.
In the test using the probe DNA and the ZntR protein in which the promoter DNA was double-labeled with FITC and TAMRA, no change was observed in the ratio of the fluorescence intensity of FITC and TAMRA with the addition of Pb. From the analysis result by the gel shift method, it was confirmed that the prepared ZntR protein and the probe DNA form a ZntR-promoter DNA complex. Therefore, it is considered that the higher-order structural change of the formed complex due to the addition of Pb was too small to cause the change of energy transfer in FRET. It was difficult to externally present changes in the higher-order structure of the ZntR-promoter DNA complex via FRET.

一方、As検出のために野生型のArsRタンパク質を大腸菌株にて発現させることは困難であった。このため、ArsR−GFP融合タンパク質として発現させたところ、ArsRタンパク質をGFPにより蛍光修飾することが可能となった。プロモーターDNAにTAMRAによる蛍光修飾を入れることで、As添加により引き起こされるタンパク質−DNA複合体からのDNA分子の解離を、FRETにより蛍光スペクトルの変化として外部提示できるか否かを確認した。その結果、As添加によりGFPとTAMRAの蛍光強度の比率において、わずかながら変化が認められた。また、3つの異なるプローブDNAを用いた試験結果から、プローブDNAの鎖長や塩基配列の違いによりAsの添加による蛍光強度の変動幅がわずかながら変化することが明らかとなった。TAMRAの蛍光強度が最も大きく変化した試験で用いたプローブDNAは株ゲノムDNA上のヒ素応答型プロモーターDNA50bpにTAMRAを修飾した、ParsR−50であった。   On the other hand, it was difficult to express wild-type ArsR protein in an E. coli strain for As detection. For this reason, when expressed as an ArsR-GFP fusion protein, it became possible to fluorescently modify the ArsR protein with GFP. It was confirmed whether or not dissociation of DNA molecules from the protein-DNA complex caused by the addition of As can be externally presented as a change in fluorescence spectrum by adding fluorescence modification with TAMRA to the promoter DNA. As a result, a slight change was observed in the ratio of the fluorescence intensity of GFP and TAMRA with the addition of As. From the test results using three different probe DNAs, it became clear that the fluctuation range of the fluorescence intensity due to the addition of As slightly changed due to the difference in the chain length and base sequence of the probe DNA. The probe DNA used in the test in which the fluorescence intensity of TAMRA changed the most was ParsR-50 in which TAMRA was modified to arsenic-responsive promoter DNA 50 bp on the strain genomic DNA.

Asの検出試験において蛍光強度の変化が微弱であった原因として、相互作用するタンパク質とDNAの両分子が試験時にいずれも溶液状態であった点が挙げられる。分子が溶液中を自由に運動するために分子の結合・解離の状態の如何に関係なく、バックグラウンドのFRETが少なからず生じていた可能性が考えられる。したがって、蛍光強度の変化をより顕著にするために、プローブDNAを基材表面に修飾する形で固定化するといった方策が挙げられる。プローブDNAを固定化することでヒ素添加によるFRETが著しく減少すれば、マイクロプレートを用いたアッセイ系等への応用も可能となり将来的なハイスループットAs検出系への発展も期待される。しかし、プローブDNAを固定化しない本法では結局、実用レベルのFRETの変化すなわち蛍光スペクトルの変化は生じなかった。   The cause of the weak change in fluorescence intensity in the As detection test is that both interacting protein and DNA molecules were in solution at the time of the test. Since the molecules move freely in the solution, it is possible that background FRET has occurred not a little, regardless of the state of binding / dissociation of the molecules. Therefore, in order to make the change in fluorescence intensity more prominent, there is a measure of immobilizing probe DNA on the substrate surface in a modified form. If the FRET due to arsenic addition is remarkably reduced by immobilizing the probe DNA, it can be applied to an assay system using a microplate, and a future high-throughput As detection system is expected. However, in the present method in which the probe DNA was not immobilized, a practical change in FRET, that is, a change in fluorescence spectrum did not occur.

本発明によれば、微生物由来のセンサータンパク質を用い、簡便かつ迅速に被検試料中の分析物を検出及び測定することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to detect and measure an analyte in a test sample simply and quickly using a sensor protein derived from a microorganism.

Claims (15)

以下の(A)及び(B)の工程を含むことを特徴とする、被検試料中の分析物を水系で検出又は定量する方法。
(A)前記の分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む、支持体に固相化された核酸とを、被検試料の存在下で反応させる工程
(B)固相化された核酸に結合したセンサータンパク質を検出又は測定する工程
A method for detecting or quantifying an analyte in a test sample in an aqueous system, comprising the following steps (A) and (B):
(A) A sensor protein that specifically binds to the analyte, and a nucleic acid immobilized on a support and containing a sequence specifically recognized by the sensor protein, in the presence of a test sample. A step of reacting (B) a step of detecting or measuring a sensor protein bound to the immobilized nucleic acid;
センサータンパク質が、検出可能なマーカーで標識されていることを特徴とする請求項1記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the sensor protein is labeled with a detectable marker. センサータンパク質が、検出可能なマーカータンパク質との融合タンパク質であることを特徴とする請求項1記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the sensor protein is a fusion protein with a detectable marker protein. 以下の(A)及び(B)の工程を含むことを特徴とする、被検試料中の分析物を水系で検出又は定量する方法。
(A)支持体に固相化された前記の分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸とを、被検試料の存在下で反応させる工程
(B)固相化されたセンサータンパク質に結合した核酸を検出又は測定する工程
A method for detecting or quantifying an analyte in a test sample in an aqueous system, comprising the following steps (A) and (B):
(A) A sensor protein that specifically binds to the analyte immobilized on a support and a nucleic acid containing a sequence specifically recognized by the sensor protein are reacted in the presence of a test sample. (B) detecting or measuring the nucleic acid bound to the immobilized sensor protein
核酸が、検出可能なマーカーで標識されていることを特徴とする請求項4記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the nucleic acid is labeled with a detectable marker. センサータンパク質と核酸との結合が、分析物により阻害されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか記載の方法。 6. The method according to claim 1, wherein the binding between the sensor protein and the nucleic acid is inhibited by the analyte. センサータンパク質が、金属応答オペロンによりコードされるタンパク質であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the sensor protein is a protein encoded by a metal responsive operon. 金属応答オペロンによりコードされるタンパク質が、ArsRタンパク質又はCadCタンパク質であることを特徴とする請求項7記載の方法。 8. The method according to claim 7, wherein the protein encoded by the metal responsive operon is ArsR protein or CadC protein. 分析物が、重金属化合物であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the analyte is a heavy metal compound. 重金属化合物が、ヒ素(As)化合物、カドミウム(Cd)化合物及び鉛(Pb)化合物から選択されることを特徴とする請求項9記載の方法。 10. The method of claim 9, wherein the heavy metal compound is selected from arsenic (As) compounds, cadmium (Cd) compounds, and lead (Pb) compounds. あらかじめ5価のヒ素(As(V))化合物を還元処理して3価のヒ素(As(III))化合物に変換することを特徴とする請求項10記載の方法。 The method according to claim 10, wherein a pentavalent arsenic (As (V)) compound is reduced in advance and converted to a trivalent arsenic (As (III)) compound. センサータンパク質と該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸との反応を、50mM以上のリン酸緩衝液(pH7.4)中で行うことを特徴とする請求項9〜11のいずれか記載の方法。 The reaction between a sensor protein and a nucleic acid containing a sequence specifically recognized by the sensor protein is carried out in a phosphate buffer solution (pH 7.4) of 50 mM or more. The method described. センサータンパク質と該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸との反応を、40mM以上の塩化ナトリウム溶液中で行うことを特徴とする請求項9〜11のいずれか記載の方法。 The method according to any one of claims 9 to 11, wherein the reaction between the sensor protein and a nucleic acid containing a sequence specifically recognized by the sensor protein is carried out in a 40 mM or higher sodium chloride solution. 分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む、支持体に固相化された核酸とを備えたことを特徴とする、被検試料中の分析物の検出又は定量用キット。 In a test sample, comprising: a sensor protein that specifically binds to an analyte; and a nucleic acid immobilized on a support that includes a sequence that is specifically recognized by the sensor protein. Analyte detection or quantification kit. 支持体に固相化された分析物に特異的に結合するセンサータンパク質と、該センサータンパク質によって特異的に認識される配列を含む核酸とを備えたことを特徴とする、被検試料中の分析物の検出又は定量用キット。
An analysis in a test sample, comprising: a sensor protein that specifically binds to an analyte immobilized on a support; and a nucleic acid containing a sequence that is specifically recognized by the sensor protein. Detection or quantification kit for objects.
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