JP2010243301A - Measuring system, measuring instrument, transistor, and measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶液中のタンパク質濃度を測定するための測定システム、測定装置、トランジスタおよび測定方法に関する。 The present invention relates to a measurement system, a measurement device, a transistor, and a measurement method for measuring a protein concentration in a solution.
従来、濃度未知のタンパク質を定量するために様々な方法が用いられてきた。最も一般的に使用されているタンパク質の定量方法の1つは、ウエスタンブロット法である。ウエスタンブロット法とは、SDS−PAGEなどの電気泳動により試料中のタンパク質を分離した後、当該タンパク質を電気的にメンブレンに転写し、試料中の目的タンパク質に対して特異的な抗体とメンブレン上で反応させて、目的タンパク質を検出する方法である。 Conventionally, various methods have been used to quantify proteins with unknown concentrations. One of the most commonly used protein quantification methods is Western blotting. Western blotting is a method of separating proteins in a sample by electrophoresis such as SDS-PAGE, then transferring the proteins to a membrane electrically, and using antibodies specific to the target protein in the sample on the membrane. In this method, the target protein is detected by reaction.
上記ウエスタンブロット法は、使用する機器や試薬が安価であることから広く使用されてきたが、一連の実験操作に長時間を要し、かつ煩雑であることから、トランジスタを用いたタンパク質の定量に関する研究が盛んに行われている。 The Western blot method has been widely used because the equipment and reagents to be used are inexpensive, but it takes a long time for a series of experimental operations and is complicated, so it relates to protein quantification using a transistor. There is a lot of research.
電気的シグナルを利用して生体物質を検出するトランジスタとして、特定の抗体に対して反応する抗原を検出できるよう設計された電界効果トランジスタが提案されている(特許文献1参照)。また、プリン、ピリミジン、およびヌクレオチドを検出できるよう設計された電界効果トランジスタも提案されている(特許文献2参照)。 A field effect transistor designed to detect an antigen that reacts with a specific antibody has been proposed as a transistor for detecting a biological substance using an electrical signal (see Patent Document 1). A field effect transistor designed to detect purines, pyrimidines, and nucleotides has also been proposed (see Patent Document 2).
現在知られている生体物質を検出するトランジスタでは、DNAを検出するもの(非特許文献1参照)が圧倒的に多く、タンパク質を検出するものはまだ少ない。 Currently known transistors that detect biological substances are predominantly those that detect DNA (see Non-Patent Document 1), and few transistors still detect proteins.
タンパク質を定量する従来のトランジスタは以下の問題を有している。 A conventional transistor for quantifying proteins has the following problems.
第一に、DNAをトランジスタで定量する場合には、ヌクレオチドの有するリン酸基の負電荷とDNAの電気的シグナルとが一致するが、タンパク質は各々が複雑な立体構造を有するため、アミノ酸配列から計算した電荷量と表面電荷とが一致しない。その結果、表面電荷がタンパク質量に比例せず、表面電荷からタンパク質量を正確に定量することが困難である。 First, when DNA is quantified with a transistor, the negative charge of the phosphate group of the nucleotide matches the electrical signal of the DNA, but each protein has a complex three-dimensional structure. The calculated charge amount does not match the surface charge. As a result, the surface charge is not proportional to the protein amount, and it is difficult to accurately quantify the protein amount from the surface charge.
第二に、タンパク質は高分子であり、リガンドに結合・吸着した目的タンパク質の全体をデバイ長内に収めることが困難である。このため、デバイ長内に収まっている電気的シグナルのポテンシャルの一部分(テーリング部分)で、タンパク質を高感度に検出しなければならない。それゆえ、タンパク質の検出が困難であるという問題が生じる。 Second, proteins are macromolecules, and it is difficult to fit the entire target protein bound and adsorbed to the ligand within the Debye length. For this reason, the protein must be detected with high sensitivity at a part of the electric signal potential (tailing portion) within the Debye length. Therefore, there arises a problem that it is difficult to detect the protein.
従って、タンパク質の定量に用いることができ、かつ少ないタンパク質の電荷量を高感度に検出可能な測定装置が強く望まれていた。 Therefore, a measuring apparatus that can be used for protein quantification and can detect a small amount of protein charge with high sensitivity has been strongly desired.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも高感度にタンパク質を検出する測定装置(トランジスタ)および測定システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a measurement device (transistor) and a measurement system that detect proteins with higher sensitivity than in the past.
本発明に係る測定システムは、上記課題を解決するために、測定対象である対象タンパク質の濃度を測定する測定システムであって、基板表面に形成されたソース領域およびドレイン領域と、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間の基板表面上に形成されたゲート部と、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側に存在する電解質溶液を介して上記ゲート部に電圧を印加する参照電極とを備えるとともに、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側の面に、上記対象タンパク質と特異的に相互作用するリガンドが結合されているトランジスタと、上記リガンドに特異的に相互作用した対象タンパク質に電荷付与分子が結合することによって、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に生じるチャネルを流れる電流を測定する測定装置とを含むことを特徴としている。 In order to solve the above problems, the measurement system according to the present invention is a measurement system that measures the concentration of a target protein that is a measurement target, the source region and the drain region formed on the substrate surface, the source region, A reference for applying a voltage to the gate part through an electrolyte solution existing on the gate part formed on the substrate surface between the drain region and the side of the gate part facing the substrate surface A transistor having a ligand that specifically interacts with the target protein on a surface opposite to the surface of the gate portion facing the substrate surface, and a specific electrode for the ligand. When a charge-carrying molecule binds to the target protein that interacted, the current flowing through the channel between the source region and the drain region is measured. It is characterized in that it comprises a measuring device for.
上記の構成によれば、測定システムを構成するトランジスタは、ソース領域、ドレイン領域、ゲート部および参照電極を備えている。参照電極は、ゲート部の基板表面に面する側とは反対側に存在する電解質溶液を介して当該ゲート部に電圧を印加する。このゲート部には、基板表面に面する側とは反対側の面に、対象タンパク質と特異的に相互作用するリガンドが結合されている。この構成により、対象タンパク質のみをゲート部の表面に留めることが可能となる。 According to said structure, the transistor which comprises a measurement system is provided with the source region, the drain region, the gate part, and the reference electrode. The reference electrode applies a voltage to the gate portion via an electrolyte solution that is present on the opposite side of the gate portion facing the substrate surface. A ligand that specifically interacts with the target protein is bound to the gate portion on the side opposite to the side facing the substrate surface. With this configuration, it is possible to keep only the target protein on the surface of the gate portion.
そして、測定装置は、リガンドに特異的に相互作用した対象タンパク質に電荷付与分子が結合することによって生じるチャネルに流れるドレイン電流(ソース領域とドレイン領域との間を流れる電流)を測定する。 Then, the measuring apparatus measures a drain current (current flowing between the source region and the drain region) flowing in the channel generated by the binding of the charge-providing molecule to the target protein that specifically interacts with the ligand.
電荷付与試薬を対象タンパク質に結合させることで、当該対象タンパク質が少量であっても、電荷を増大させることで、対象タンパク質濃度に応じたドレイン電流を測定することが可能となる。それゆえ、対象タンパク質を従来よりも高感度に検出できる。 By binding the charge-providing reagent to the target protein, even if the amount of the target protein is small, the drain current corresponding to the target protein concentration can be measured by increasing the charge. Therefore, the target protein can be detected with higher sensitivity than before.
なお、電荷付与試薬が有する電荷は、正の電荷であってもよいし、負の電荷であってもよい。 The charge possessed by the charge-providing reagent may be a positive charge or a negative charge.
上記電荷付与分子は、CBB G−250、ドデシル硫酸ナトリウム、およびカチオン性ポリマーからなる群から選択されるものであることが好ましい。 The charge-providing molecule is preferably selected from the group consisting of CBB G-250, sodium dodecyl sulfate, and a cationic polymer.
上記の構成により、対象タンパク質の電荷を増大することが可能となり、従来よりも高感度に対象タンパク質を検出することが可能となる。 With the above configuration, the charge of the target protein can be increased, and the target protein can be detected with higher sensitivity than before.
上記ゲート部は、上記基板表面上に形成されたゲート絶縁層と、当該ゲート絶縁層に積層された、上記リガンドを固定化する固定化層とを有するものであることが好ましい。 The gate portion preferably includes a gate insulating layer formed on the substrate surface and an immobilizing layer laminated on the gate insulating layer for immobilizing the ligand.
上記の構成により、リガンドをゲート部に固定化することが容易となる。 With the above configuration, it becomes easy to fix the ligand to the gate portion.
また、上記測定システムにおいて用いられるトランジスタであって、上記ソース領域、上記ドレイン領域、上記ゲート部と、上記参照電極とを備えるとともに、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側の面にリガンドが結合されているトランジスタも本発明の技術的範囲に含まれる。 The transistor used in the measurement system includes the source region, the drain region, the gate portion, and the reference electrode, and is opposite to the side of the gate portion facing the substrate surface. A transistor having a ligand bonded to the surface is also included in the technical scope of the present invention.
本発明に係る測定方法は、上記測定システムを用いた測定方法であって、上記リガンドと上記対象タンパク質とを相互作用させる相互作用工程と、上記相互作用工程において上記リガンドと相互作用しなかったタンパク質を除去する洗浄工程と、上記洗浄工程の後に、上記リガンドと相互作用しているタンパク質に上記電荷付与分子を結合させる電荷付与工程と、上記電荷付与工程の後に、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間を流れる電流を測定する測定工程とを含むことを特徴としている。 The measurement method according to the present invention is a measurement method using the measurement system, and includes an interaction step in which the ligand and the target protein interact with each other, and a protein that has not interacted with the ligand in the interaction step. A washing step for removing the charge, a charge giving step for binding the charge-providing molecule to a protein interacting with the ligand after the washing step, and a source region and the drain region after the charge giving step. And a measuring step for measuring a current flowing between them.
上記方法によれば、ゲート絶縁層上に特異的に目的タンパク質を留めておくことが可能となり、該目的タンパク質に電荷付与試薬を結合させることにより、タンパク質の電荷を増大させ、従来よりも高感度に目的タンパク質を検出することが可能となる。 According to the above method, the target protein can be specifically retained on the gate insulating layer, and the charge of the protein is increased by binding the target protein to the target protein, resulting in higher sensitivity than before. It becomes possible to detect the target protein.
本発明に係る測定装置は、対象タンパク質の濃度を測定する測定装置であって、基板表面に形成されたソース領域およびドレイン領域と、上記ソースと上記ドレインとの間の基板表面上に形成されたゲート部と、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側に存在する電解質溶液を介して上記ゲート部に電圧を印加する参照電極とを備えるとともに、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側の面に、上記対象タンパク質と特異的に相互作用するリガンドが結合されているトランジスタと、上記リガンドに特異的に相互作用した対象タンパク質に電荷付与分子が結合することによって、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に生じるチャネルを流れる電流の変化を測定する測定部とを備えることを特徴としている。 The measuring apparatus according to the present invention is a measuring apparatus for measuring the concentration of a target protein, and is formed on a substrate surface between a source region and a drain region formed on the substrate surface and between the source and the drain. A gate part and a reference electrode for applying a voltage to the gate part via an electrolyte solution present on the opposite side of the gate part facing the substrate surface; and on the substrate surface of the gate part A transistor to which a ligand that specifically interacts with the target protein is bound to a surface opposite to the facing side, and a charge-imparting molecule binds to the target protein that specifically interacts with the ligand. And a measuring unit for measuring a change in current flowing through the channel generated between the source region and the drain region.
上記の構成によれば、測定装置は、ソース領域、ドレイン領域、ゲート部および参照電極を備えるトランジスタを備えている。トランジスタに備えられた参照電極は、ゲート部の基板表面に面する側とは反対側に存在する電解質溶液を介して当該ゲート部に電圧を印加する。このゲート部には、基板表面に面する側とは反対側の面に、対象タンパク質と特異的に相互作用するリガンドが結合されている。この構成により、対象タンパク質を特異的にゲート部の表面に留めることが可能となる。 According to said structure, the measuring apparatus is provided with the transistor provided with a source region, a drain region, a gate part, and a reference electrode. The reference electrode provided in the transistor applies a voltage to the gate portion via an electrolyte solution that is present on the opposite side of the gate portion facing the substrate surface. A ligand that specifically interacts with the target protein is bound to the gate portion on the side opposite to the side facing the substrate surface. With this configuration, the target protein can be specifically retained on the surface of the gate portion.
そして、測定装置は、リガンドに特異的に相互作用した対象タンパク質に電荷付与分子が結合することによって生じるチャネルに流れるドレイン電流を測定する。 Then, the measurement device measures the drain current flowing in the channel that is generated when the charge-providing molecule binds to the target protein that specifically interacts with the ligand.
電荷付与試薬を対象タンパク質に結合させることで、当該対象タンパク質が少量であっても、電荷を増大させることで、対象タンパク質濃度に応じたドレイン電流を測定することが可能となる。それゆえ、対象タンパク質を従来よりも高感度に検出できる。 By binding the charge-providing reagent to the target protein, even if the amount of the target protein is small, the drain current corresponding to the target protein concentration can be measured by increasing the charge. Therefore, the target protein can be detected with higher sensitivity than before.
なお、電荷付与試薬が有する電荷は、正の電荷であってもよいし、負の電荷であってもよい。 The charge possessed by the charge-providing reagent may be a positive charge or a negative charge.
以上のように、本発明に係るタンパク質定量システムは、基板表面に形成されたソース領域およびドレイン領域と、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間の基板表面上に形成されたゲート部と、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側に存在する電解質溶液を介して上記ゲート部に電圧を印加する参照電極とを備えるとともに、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側の面に、対象タンパク質と特異的に相互作用するリガンドが結合されているトランジスタと、上記リガンドに特異的に相互作用した対象タンパク質に電荷付与分子が結合することによって、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に生じるチャネルを流れる電流を測定する測定装置とを含む構成である。 As described above, the protein quantification system according to the present invention includes a source region and a drain region formed on the substrate surface, a gate portion formed on the substrate surface between the source region and the drain region, and A reference electrode for applying a voltage to the gate part via an electrolyte solution present on the opposite side of the gate part from the side facing the substrate surface, and a side of the gate part facing the substrate surface On the opposite side, a transistor in which a ligand that specifically interacts with the target protein is bound, and a charge-providing molecule binds to the target protein that specifically interacts with the ligand. And a measuring device for measuring a current flowing through a channel generated between the drain region and the drain region.
それゆえ、対象タンパク質を従来よりも高感度に検出できるという効果を奏する。 Therefore, there is an effect that the target protein can be detected with higher sensitivity than before.
本発明の実施の一形態について図1〜図3に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施形態のタンパク質定量システム20は、検出および測定対象である目的タンパク質(対象タンパク質、ターゲットタンパク質)14を定量する定量システムである。後述するように、タンパク質定量システム20では、トランジスタ10のゲート部7に結合したリガンド13に特異的に結合した目的タンパク質14を電荷付与試薬15で処理し、目的タンパク質14に電荷付与試薬15が結合することによって増減するドレイン電流を測定することにより、目的タンパク質14を高感度に検出および定量する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. The
(1)タンパク質定量システム20の構成
本実施形態のタンパク質定量システム20の構成を図1に示した。図1に示すように、タンパク質定量システム20は、タンパク質センサ(バイオセンサ)としてのトランジスタ10、一定の電圧を供給する固定電源8、電流計(電流測定装置)9および供給する電圧を変更できる可変電源16を含んでいる。
(1) Configuration of
トランジスタ10は、基本的には電界効果トランジスタ(Field−Effect Transistor:FET)であり、参照電極1、基板6の表面に形成されたソース領域4およびドレイン領域5、ソース領域4とドレイン領域5との間の基板表面上に形成されたゲート部7および液槽11を備えている。
The
参照電極1は、ゲート部7の基板表面に面する側とは反対側に存在する電解質溶液12を介してゲート部7に電圧を印加する。この参照電極1は、可変電源16の陽極に接続されており、液槽11に溜められている電解質溶液12に、参照電極1の先端部が挿入されている。なお、可変電源16の陰極は接地されている。
The
ソース領域4およびドレイン領域5は、N型不純物が高濃度にドープされた領域であり、基板6はP型不純物が高濃度にドープされたシリコン基板である。そして、ソース領域4とドレイン領域5とは、ゲート部7によって分離されている。すなわち、トランジスタ10は、Nチャネル・デプレッション型のイオン感応性電界効果トランジスタ(Ion Sensitive Field−Effect Transistor:ISFET)をその基本構造として有している。ソース領域4およびドレイン領域5には、それぞれソース電極およびドレイン電極が接続されているが、これらの電極は図1には図示していない。なお、トランジスタ10は、Pチャネル型のMOSトランジスタをその基本構造として有していてもよい。
The
ゲート部7は、基板表面上に形成されたゲート絶縁層3を有している。ゲート絶縁層3は、例えば、シリコン酸化膜である。
The
固定化層2は、目的タンパク質14と特異的に相互作用(結合または吸着)するリガンド13を固定化するための層であり、シリコン窒化膜(Si3N4)の層である。シリコン窒化膜は溶液に対する保護作用が強いため、シリコン酸化膜を溶液から保護する目的がある。固定化層2は、リガンド13を固定化しやすいようにAu、Pt、またはポリマーを含んでいてもよい。
The immobilization layer 2 is a layer for immobilizing the
リガンド13は、固定化層2の、ゲート絶縁層3と接する側とは反対側の表面(リガンド結合面)に結合されている。換言すれば、リガンド13は、ゲート部7の基板表面に面する側とは反対側の面に結合されている。固定化層2のリガンド結合面は、電解質溶液12と直接接している。
The
リガンド13は、目的タンパク質14と特異的に相互作用することにより、目的タンパク質14を捕捉する。リガンド13には、抗体、人工抗体、ペプチド、タンパク質、アプタマーなど、またはこれらの組み合わせが利用できる。
The
リガンド13を固定化層2に固定化する方法として、リガンド13を固定化層2に直接吸着させる物理吸着法、固定化層2上にAuまたはPtなどを塗布してリガンド13と化学結合させる化学結合法、ポリマーを用いてリガンド13を包括する包括法などが利用できる。リガンド13を固定化層2に固定化する場合に用いるリガンド13を含む溶液の濃度は、例えば5μg/mLである。リガンド溶液の濃度範囲は、1〜20μg/mLが望ましく、更に5μg/mLであることが望ましい。
As a method of immobilizing the
電流計9は、参照電極1から電圧を印加したときに、ソース領域4からドレイン領域5に流れるドレイン電流を測定する。参照電極1から電圧を印加するとソース領域4からドレイン領域5に印加電圧に応じたドレイン電流が流れ、電流計9により該ドレイン電流が検出される。特に、電流計9は、リガンド13に特異的に相互作用した目的タンパク質14に電荷付与試薬15が結合することによって生じるドレイン電流を測定する。
The
(2)リガンドへの目的タンパク質の結合および電荷付与試薬による処理
次に、リガンド13に目的タンパク質14を特異的に結合させ、結合した目的タンパク質14を電荷付与試薬15で処理する方法について説明する。図2は、目的タンパク質14とリガンド13と電荷付与試薬(電荷付与分子)15とのゲート部7での反応を示す図である。
(2) Binding of target protein to ligand and treatment with charge imparting reagent Next, a method of specifically binding the
図2に示すように、まず、固定化層2に対する目的タンパク質14および/または目的タンパク質14以外の物質との非特異的吸着を防止するために、リガンド13を固定化層2上に固定化後、固定化層2の表面をブロッキング剤でブロッキングする。ブロッキング剤としては、例えば、10%ウシ血清アルブミン(BSA)溶液が挙げられる。ブロッキング処理により、リガンド13に特異的に結合した目的タンパク質14のみを検出することができる。
As shown in FIG. 2, first,
次に、リガンド13と目的タンパク質14とを結合させる。すなわち、リガンド13上に目的タンパク質14を含む溶液を滴下し、リガンド13と結合させる。目的タンパク質14は、生体組織から採取したものであってもよいし、クロマトグラフィーなどの精製方法を用いて精製したものであってもよく、目的タンパク質14の調整方法は特に限定されない。
Next, the
リガンド13と目的タンパク質14との反応時間は、リガンド13および目的タンパク質14が分解および/または変性しない範囲で、リガンド13および目的タンパク質14の濃度などによって決定されればよく、例えば、1〜3時間である。抗原抗体反応は数分〜3時間でよく、更に5分〜1時間が望ましい。本実施例では10分で行った。
The reaction time between the
その後、PBS(Phosphate buffered saline)などの適当な洗浄用緩衝液を用いて、リガンド13に結合しなかった目的タンパク質14を洗い流す。
Thereafter, the
次に、固定化層2上に電荷付与試薬15を滴下し、所定時間放置することにより、リガンド13に特異的に結合した目的タンパク質14に電荷付与試薬15を結合させる。電荷付与試薬15と目的タンパク質14との反応時間は、電荷付与試薬15の種類に応じて適宜設定されればよい。電荷付与試薬15として、CBB G−250を用いる場合には、上記反応時間は、例えば5分間である。
Next, the charge-imparting
電荷付与試薬15として、CBB G−250の他に、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)、およびカチオン性ポリマー(正電荷を有するポリマー)などを用いることができる。これらのうち、CBB G−250が特に好ましい。
As the charge-providing
電荷付与試薬15として、CBB G−250を使用した場合は、目的タンパク質14の高次構造や複合体構造を維持しながら目的タンパク質14全体に負電荷を与えることが出来る。このため、目的タンパク質14は、従来の方法で分離困難な高分子、または膜タンパク質などでもよい。
When CBB G-250 is used as the charge-providing
電荷付与試薬15として、SDSを使用する場合は、SDSの結合は目的タンパク質14の変性を伴うため、SDSと目的タンパク質14との反応時間を短くするなど変性による抗原抗体反応への影響をできるだけ小さくすることが好ましい。
When SDS is used as the charge-imparting
電荷付与試薬15として、カチオン性ポリマーを用いる場合には、当該カチオン性ポリマーを目的タンパク質14の表面に限定的に化学結合させる。この場合に利用できるタンパク質の修飾方法の一例が特開平6−184190に開示されている。
When a cationic polymer is used as the charge-providing
その後、目的タンパク質14に結合せずに遊離した状態の電荷付与試薬15を、0.1×PBSなどで洗浄することにより取り除く。
Thereafter, the charge-providing
最後に、液槽11に測定溶液である電解質溶液12(例えば、0.1×PBS)を注入する。 Finally, an electrolyte solution 12 (for example, 0.1 × PBS) as a measurement solution is injected into the liquid tank 11.
(3)目的タンパク質濃度を定量する原理
トランジスタ10において、参照電極1による電圧負荷によってソース領域4からドレイン領域5にドレイン電流が流れる。このとき、リガンド13に特異的に結合した目的タンパク質14に、電荷を有する電荷付与試薬15が結合することにより、ソース領域4からドレイン領域5に流れるドレイン電流が増加する。電荷付与試薬15は、目的タンパク質14に非特異的に結合するため、リガンド13に特異的に結合した目的タンパク質14の量が増えるのに伴いドレイン電流が増加する。このようにタンパク質定量システム20では、リガンド13に特異的に結合した目的タンパク質14の量をドレイン電流の増加量として検出する。このドレイン電流の変化は、Vg−Id特性を測定することで測定すればよい。
(3) Principle of Quantifying Target Protein Concentration In the
測定対象となる試料に含まれる目的タンパク質14の濃度を測定するために、まず、参照電極1に印加される電圧(すなわち、可変電源16の電圧)を変化させながら、少なくとも3つの異なる既知濃度のタンパク質溶液を用いて、所定のId値(ドレイン電流)が得られるVg値(ゲート電圧)を、既知濃度のタンパク質溶液のそれぞれについて測定する。参照電極1の電圧変化は、例えば、−3〜+3Vで挿引すればよい。そして、上記Vg値に対してタンパク質濃度をプロットすることにより検量線を作成する。
In order to measure the concentration of the
その後、目的タンパク質14を含む試料の上記Id値におけるVg値を電流計9を用いて検出し、該Vg値を上記検量線に当てはめることで、上記試料中の目的タンパク質14の濃度を算出する。
Thereafter, the Vg value in the Id value of the sample containing the
なお、可変電源16の電圧を一定にした状態で、3つの異なる既知濃度のタンパク質溶液を用いた場合のId値(ドレイン電流)をそれぞれ測定し、Id値に対してタンパク質濃度をプロットすることにより検量線を作成してもよい。
By measuring the Id value (drain current) when three different protein solutions having different concentrations were used with the voltage of the
いずれにせよ、リガンド13に特異的に相互作用した目的タンパク質14に電荷付与試薬15が結合することによるドレイン電流の増加を測定できればよい。
In any case, it is only necessary to measure an increase in drain current due to the binding of the charge-providing
以上のように、タンパク質定量システム20におけるタンパク質定量方法は、リガンド13と目的タンパク質14とを特異的に相互作用させる相互作用工程と、相互作用工程においてリガンド13と相互作用しなかったタンパク質を除去する洗浄工程と、洗浄工程の後に、リガンド13と相互作用している目的タンパク質14に電荷付与試薬15を結合させる電荷付与工程と、電荷付与工程の後に、ドレイン電流を測定する測定工程とを含んでいる。
As described above, the protein quantification method in the
(4)コントロールについて
CBB G−250は、リガンド13およびブロッキング剤にも結合する。検量線を作成するために用いるリガンド13と濃度未知のタンパク質溶液のタンパク質濃度を測定するために用いるリガンド13とは、基本的に同じものであるため、バックグラウンドを除くためのコントロールをとる必要は必ずしもない。
(4) Control The CBB G-250 also binds to the
トランジスタ10のドリフトの影響やノイズを除くためにコントロールをとる場合には、1つの目的タンパク質14の濃度を測定するために2つのトランジスタ10を利用する。一方のトランジスタ10では、リガンド13の固定、ブロッキング、抗原抗体反応、および電荷付与試薬15による処理を行い、他方のトランジスタ10では、ブロッキング、抗原抗体反応、および電荷付与試薬15による処理を行う。後者は、ノイズを含んだ測定値であるため、これをバックグラウンドとして、前者の測定値から後者の測定値を差し引き、タンパク質量のための測定値として用いる。
When control is performed to remove the influence of drift and noise of the
(5)タンパク質定量システム20の効果
本発明では目的タンパク質14の電荷量を大きくするために、電気泳動の一種であるBN−PAGEに用いられているCBB G−250を電荷付与試薬15の一例として利用している。一般的に、タンパク質の電気泳動を行う場合、SDS−PAGEやNative−PAGEが用いられる。
(5) Effect of
SDS−PAGEは、電荷の小さいタンパク質にSDSの負電荷を与えることで、ゲル中を泳動しやすくし、分離を行う。しかし、このSDSはタンパク質の高次構造や複合体構造を壊しながら結合するため、タンパク質本来の形に基づいた分離が行えない。 In SDS-PAGE, a negative charge of SDS is imparted to a protein having a small charge, thereby facilitating migration in a gel and separation. However, since this SDS binds while destroying the higher-order structure and complex structure of the protein, separation based on the original shape of the protein cannot be performed.
Native−PAGEは、泳動バッファ条件を検討することでタンパク質自体に電荷を与え、タンパク質本来の形のまま分離する。しかし、塩基性等電点をもつタンパク質や表面電荷の少ないタンパク質では泳動に十分な電荷をもつことが出来ず、正確な分離をも困難とする。 Native-PAGE gives charge to the protein itself by examining the electrophoresis buffer conditions, and separates the protein in its original form. However, a protein having a basic isoelectric point or a protein having a small surface charge cannot have a sufficient charge for electrophoresis, and makes accurate separation difficult.
一方、BN−PAGEは、SDSの代わりにCBB G−250という色素を用いることで全体的に負電荷を帯びた状態でタンパク質を泳動させ分離する。このCBB G−250は、タンパク質の高次構造や複合体構造を維持したまま、タンパク質全体に負電荷を与えることが出来るため、泳動が容易でタンパク質本来の形に基づいた分離が行える。このため、分離困難な高分子や膜タンパク質への応用も可能となる。 On the other hand, BN-PAGE uses and separates a dye called CBB G-250 instead of SDS to migrate and separate proteins in an overall negatively charged state. Since this CBB G-250 can give a negative charge to the whole protein while maintaining the higher-order structure and complex structure of the protein, migration is easy and separation based on the original form of the protein can be performed. For this reason, application to a polymer or membrane protein which is difficult to separate becomes possible.
また、電気泳動によるタンパク質の検出は、タンパク質の大きさ毎に分離するというものである。このことよりサンプル溶液中に同じ大きさのタンパク質が含まれている可能性が懸念される場合など、ターゲットタンパク質だという確証を得るには、電気泳動後にウェスタンブロッティングを行って抗体による特異的反応を検出する必要がある。これらの作業は数時間に及ぶものであり、また手間のかかるものである。 Moreover, the detection of the protein by electrophoresis is to separate the protein for each size. For this reason, in order to obtain confirmation that the protein is the target protein, such as when there is a possibility that the same size protein is contained in the sample solution, Western blotting is performed after electrophoresis, and a specific reaction by the antibody is performed. It needs to be detected. These operations are hours consuming and time consuming.
タンパク質定量システム20を用いれば、従来の電気泳動法に比べ、動作が速く煩雑な作業を必要とせずに、少ないタンパク質の電荷量を高感度に検出することができる。
When the
また、トランジスタ10は、高集積化が可能で簡易に製造できるため、産業上利用することが容易である。
Further, since the
〔実験結果例〕
タンパク質定量システム20を用いてタンパク質濃度測定のための検量線を作成した実験結果の一例について説明する。図3(a)は本発明の一実施例に係るタンパク質定量システム20の構成を示す図であり、図3(b)はタンパク質定量システム20におけるタンパク質定量の原理を説明するためのグラフである。
[Example of experimental results]
An example of the experimental result of creating a calibration curve for measuring protein concentration using the
本実施例では、リガンド13として抗アディポネクチン抗体(Anti Adiponectin [Acrp30],Human,(Mouse)、RSD)を用い、目的タンパク質14としてアディポネクチンを用いた。市販のアディポネクチン(1μg/mL)(Acrp30/Adiponectin,CF,Human、RSD)を0、25、62.5μg/mLに2.5mM KH2PO4を用いて希釈することにより3種類のタンパク質溶液を調整した。
In this example, an anti-adiponectin antibody (Anti Adiponectin [Acrp30], Human, (Mouse), RSD) was used as the
また、本実施例では、プロトン感応膜(Si3N4)を固定化層2として有するトランジスタ10を用いた。このトランジスタ10は、図3(a)に示すように、Nチャネル・デプレッション型のCMOS−ISFETを基本構造として有するものであり、ソース領域4とドレイン領域5とを架橋するN型領域が基板表面に形成されている。このN型領域はN型不純物が高濃度にドーピングされた領域であり、その表面にゲート部7が形成されている。また、基板6はN型シリコンであり、ソース領域4およびドレイン領域5の周囲にはPウェルが形成されている。
Further, in this embodiment, a
まず、トランジスタ10を3つ用意し、それぞれ、図2に示すように固定化層2上に抗アディポネクチン抗体を物理吸着法で固定化した。用いた抗体溶液は、2.5mM KH2PO4/2.5mM Na2HPO4 1mLに抗体500μgを溶解し、500μg/mLの抗体溶液とし、さらに5μg/mLへ希釈したものを使用した。固定化層2上に抗アディポネクチン抗体溶液を滴下した後、1時間静置した。
First, three
固定化後、0.1×PBSを用いて固定化層2の表面を洗浄し、固定化層2に結合していない抗体を取り除いた。 After immobilization, the surface of the immobilization layer 2 was washed with 0.1 × PBS to remove antibodies that were not bound to the immobilization layer 2.
次に、10%BSAを含む0.1×PBSを固定化層2上に滴下し、1時間静置してブロッキングした。ブロッキング後、0.1×PBSを用いて洗浄し、遊離のBSAを取り除いた。 Next, 0.1 × PBS containing 10% BSA was dropped onto the immobilization layer 2 and allowed to stand for 1 hour for blocking. After blocking, the plate was washed with 0.1 × PBS to remove free BSA.
<目的タンパク質への電荷付与試薬の付加>
次に、希釈した各濃度の抗体溶液を、リガンド13を固定化した3つのトランジスタ10の固定化層2にそれぞれ滴下し、10分間静置することにより抗原抗体反応を行った。0.1×PBSを用いて洗浄して遊離の抗体を除去した後、電荷付与試薬としてCBB G−250溶液を滴下し、5分間静置した。この処理によりアディポネクチンにCBB G−250を結合させた。CBB G−250溶液は、PROTEIN ASSAY Bradford、BIO-RADを希釈せずに使用した。
<Addition of charge-imparting reagent to target protein>
Next, each diluted antibody solution was dropped onto the immobilized layer 2 of the three
次に、0.1×PBSで洗浄し、遊離のCBB G−250を取り除き、測定溶液(0.1×PBS)を液槽11に充填した。 Next, it was washed with 0.1 × PBS, free CBB G-250 was removed, and the measurement solution (0.1 × PBS) was filled in the liquid tank 11.
このようにセッティングした各トランジスタ10について、電流計9として半導体パラメータアナライザ(4155A SEMICONDUCTOR PARAMETER ANALYZER、hp、および16442A TEST FIXTURE、hp)を用いてVg−Id特性を測定した。半導体パラメータアナライザに各測定値(ゲート電極Vgは‐3〜+3Vで挿引し、ソースとウェルコンタクトは接地、ドレイン電圧+50mV、基板電位+1V)を入力し、図3(b)に示すように、Id=3μAの時のVgを測定値として記録した。
Vg-Id characteristics of each
その結果、抗アディポネクチン抗体濃度が0、25、62.5μg/mLの順にVgは、それぞれ970、960、940mVであった。この結果を用いて、最小自乗法により検量線を作成した。各抗アディポネクチン抗体濃度に対応する3点は、ほぼ一直線上にのっており、抗体の定量が精度高く行われたことを示している。 As a result, Vg was 970, 960, and 940 mV in the order of anti-adiponectin antibody concentrations of 0, 25, and 62.5 μg / mL, respectively. Using this result, a calibration curve was created by the method of least squares. The three points corresponding to each anti-adiponectin antibody concentration are almost in a straight line, indicating that the antibody was quantified with high accuracy.
(変更例)
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
(Example of change)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
例えば、トランジスタ10と電流計9とを一体として形成し、タンパク質定量装置として実現してもよい。また、可変電源16および固定電源8を上記タンパク質定量装置に組み込んでもよい。
For example, the
すなわち、本発明は、測定対象である対象タンパク質の濃度を測定する測定装置であって、基板表面に形成されたソース領域およびドレイン領域と、上記ソースと上記ドレインとの間の基板表面上に形成されたゲート部と、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側に存在する電解質溶液を介して上記ゲート部に電圧を印加する参照電極とを備えるとともに、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側の面に、上記対象タンパク質と特異的に相互作用するリガンドが結合されているトランジスタと、上記リガンドに特異的に相互作用した対象タンパク質に電荷付与分子が結合することによる、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間を流れる電流の変化を測定する測定部とを備える測定装置であると表現することもできる。 That is, the present invention is a measuring apparatus for measuring the concentration of a target protein to be measured, which is formed on a substrate surface between a source region and a drain region formed on the substrate surface and between the source and the drain. And a reference electrode for applying a voltage to the gate portion via an electrolyte solution present on the opposite side of the gate portion facing the substrate surface, and the substrate of the gate portion. A charge-binding molecule binds to a transistor in which a ligand that specifically interacts with the target protein is bound to a surface opposite to the surface facing the surface, and to the target protein that specifically interacts with the ligand Therefore, it can also be expressed as a measurement device including a measurement unit that measures a change in current flowing between the source region and the drain region.
なお、本発明は、以下のようにも表現できる。 The present invention can also be expressed as follows.
すなわち、本発明は、検出しようとするタンパク質(ターゲットタンパク質)に特異的に反応あるいは吸着するリガンドがゲート表面に導入されていることを特徴とするソース、ゲートおよびドレイン電極を有するFET型のセンサである。 That is, the present invention is an FET type sensor having a source, a gate and a drain electrode, wherein a ligand that specifically reacts or adsorbs to a protein to be detected (target protein) is introduced on the gate surface. is there.
上記センサは、前記リガンドとターゲットタンパク質とを特異的に反応あるいは吸着させた後、CBB G−250を結合させ、CBB G−250の電荷によって変化したチャネルのドレイン電流を検出するバイオセンサであることが好ましい。 The sensor is a biosensor that detects the channel drain current changed by the charge of the CBB G-250 by binding the CBB G-250 after specifically reacting or adsorbing the ligand and the target protein. Is preferred.
本発明のタンパク質定量システムを使用すれば、簡便、かつ高感度にタンパク質を定量することが可能となる。このため、ライフサイエンス分野、医学分野などの研究や検査におけるタンパク質の定量に好適に使用できる。 If the protein quantification system of the present invention is used, the protein can be quantified easily and with high sensitivity. Therefore, it can be suitably used for protein quantification in research and testing in the life science field, medical field, and the like.
1 ゲート電極
2 固定化層
3 ゲート絶縁層
4 ソース領域
5 ドレイン領域
7 ゲート部
6 基板
9 電流計
12 電解質溶液
13 リガンド
14 目的タンパク質(対象タンパク質)
15 電荷付与試薬(電荷付与分子)
20 タンパク質定量システム
DESCRIPTION OF
15 Charge-providing reagents (charge-providing molecules)
20 Protein quantification system
Claims (6)
基板表面に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
上記ソース領域と上記ドレイン領域との間の基板表面上に形成されたゲート部と、
上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側に存在する電解質溶液を介して上記ゲート部に電圧を印加する参照電極とを備えるとともに、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側の面に、上記対象タンパク質と特異的に相互作用するリガンドが結合されているトランジスタと、
上記リガンドに特異的に相互作用した対象タンパク質に電荷付与分子が結合することによって、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に生じるチャネルを流れる電流を測定する測定装置とを含むことを特徴とする測定システム。 A measurement system for measuring the concentration of a target protein to be measured,
A source region and a drain region formed on the substrate surface;
A gate portion formed on the substrate surface between the source region and the drain region;
A reference electrode for applying a voltage to the gate portion via an electrolyte solution present on the opposite side of the gate portion from the side facing the substrate surface, and a side of the gate portion facing the substrate surface; Is a transistor to which a ligand that specifically interacts with the target protein is bonded to the opposite surface;
And a measuring device that measures a current flowing through a channel generated between the source region and the drain region by binding a charge-providing molecule to a target protein that specifically interacts with the ligand. Measuring system.
上記ソース領域、上記ドレイン領域、上記ゲート部と、上記参照電極とを備えるとともに、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側の面にリガンドが結合されていることを特徴とするトランジスタ。 A transistor used in the measurement system according to claim 1,
The device includes the source region, the drain region, the gate portion, and the reference electrode, and a ligand is bonded to a surface of the gate portion opposite to the side facing the substrate surface. Transistor.
上記リガンドと上記対象タンパク質とを特異的に相互作用させる相互作用工程と、
上記相互作用工程において上記リガンドと相互作用しなかったタンパク質を除去する洗浄工程と、
上記洗浄工程の後に、上記リガンドと相互作用しているタンパク質に上記電荷付与分子を結合させる電荷付与工程と、
上記電荷付与工程の後に、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間を流れる電流を測定する測定工程とを含むことを特徴とする測定方法。 A measurement method using the measurement system according to any one of claims 1 to 3,
An interaction step for specifically interacting the ligand and the target protein;
A washing step for removing proteins that did not interact with the ligand in the interaction step;
A charge imparting step of binding the charge imparting molecule to the protein interacting with the ligand after the washing step;
And a measuring step of measuring a current flowing between the source region and the drain region after the charge applying step.
基板表面に形成されたソース領域およびドレイン領域と、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間の基板表面上に形成されたゲート部と、
上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側に存在する電解質溶液を介して上記ゲート部に電圧を印加する参照電極とを備えるとともに、上記ゲート部の上記基板表面に面する側とは反対側の面に、上記対象タンパク質と特異的に相互作用するリガンドが結合されているトランジスタと、
上記リガンドに特異的に相互作用した対象タンパク質に電荷付与分子が結合することによって、上記ソース領域と上記ドレイン領域との間に生じるチャネルを流れる電流の変化を測定する測定部とを備えることを特徴とする測定装置。 A measuring device for measuring the concentration of a target protein,
A source region and a drain region formed on the substrate surface; and a gate portion formed on the substrate surface between the source region and the drain region;
A reference electrode for applying a voltage to the gate portion via an electrolyte solution present on the opposite side of the gate portion from the side facing the substrate surface, and a side of the gate portion facing the substrate surface; Is a transistor to which a ligand that specifically interacts with the target protein is bonded to the opposite surface;
And a measurement unit that measures a change in a current flowing through a channel generated between the source region and the drain region by binding a charge-providing molecule to a target protein that specifically interacts with the ligand. A measuring device.
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