JP2022517952A - 分子エレクトロニクスのための伝導性合成ペプチド - Google Patents

Abstract

種々の実施形態では、分子電子回路内の分子ワイヤとして使用される合成ペプチドは、反復アルファヘリックスモチーフをさらに含むアルファヘリックスセグメントを含む。合成ペプチドは、末端間に結合性プローブなどの５分子との付着のための少なくとも１つの特異的なコンジュゲーション部位をさらに含み得、材料結合性配列の反復などの金属結合性官能基を有する末端をさらに含み得る。種々の態様では、合成ペプチドは、分子内水素結合、塩橋、および必要に応じて、ペプチドを通る電気伝導率をもたらす芳香環を含む。

Description

譲受人：Ｒｏｓｗｅｌｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．
発明者：Ｂａｒｒｙ Ｍｅｒｒｉｍａｎ、Ｔｉｍ Ｇｅｉｓｅｒ、Ｖｅｎｋａｔｅｓｈ Ａｌａｇａｒｓｗａｍｙ Ｇｏｖｉｎｄａｒａｊ

関連出願の相互参照
本出願は、開示全体があらゆる目的に関して本明細書に組み込まれる、２０１９年１月１０日に出願された「分子エレクトロニクスのための伝導性合成ペプチド」という表題の米国仮特許出願第６２／７９０，８２８号の優先権および利益を主張するものである。

本開示は、一般には、合成ペプチド、特に、分子エレクトロニクスにおいて分子ワイヤとして使用される、アルファヘリックス配置を有する伝導性合成ペプチドに関する。

分子エレクトロニクスの広範な分野は１９７０年代にＡｖｉｒａｍおよびＲａｔｎｅｒによって導入された。それらの概念は、回路構成成分として単一分子を使用することによって電気回路の極限のスケールダウンを実現することであった。図１は、ナノスケール電極間に付着させた分子、ならびに分子を電極に結合させるいくつかのコンジュゲーション基または機構（小さな影付きの四角）の一般的な概念を例示する。一部の実施形態では、時間に対する電流の挿入プロットに示されている通り、時間と共に変化する電流ｉをこの分子に通すことができる。種々の実施形態では、例えば論理処理回路または検知回路においてなど、分子素子によりこの電流を調節することができる。

分子および動作条件に応じて多様な機能をもたらすことができるものなどの分子回路素子、例えば、ワイヤ、抵抗器、スイッチ、整流器、アクチュエータまたはセンサーなど。ここで興味深いのは、そのような構築物をセンサーとして適用し、回路内の分子との分子間相互作用により単一分子検知の基礎がもたらされることである。回路素子として興味深いのは、図１に示されている通り、分子回路内の２つの点の間の伝導性接続をもたらすのに役立ち得る様々な形態の分子ワイヤである。

当業者に対して、分子ワイヤという用語は、大まかには、比較的長く薄い構造を有し、電気的に伝導性または半伝導性である規則的なまたは繰返し構造の分子を指す。十分に研究されているそのような分子ワイヤの例としては、カーボンナノチューブ、グラフェンリボン、アルファヘリックスタンパク質、二本鎖ＤＮＡヘリックス、ならびに芳香環から形成される種々の合成有機ポリマー、例えば、ポリチオフェン（チオフェン環構成要素で形成されたポリマー）およびＰＥＤＯＴ（ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン））分子の周知の例などが挙げられる。

分子ワイヤに関する以前の研究にもかかわらず、電子分子回路に使用するための新しい分子、特に、合成化学の確立された方法によって作製することができる正確な分子構造を有する分子が依然として必要とされている。

本開示の種々の実施形態では、分子電子回路において分子ワイヤとして使用可能な電気伝導性合成ペプチドが記載される。本発明の合成ペプチドは、ボトムアップ式合成化学によって作製することができ、したがって、合成ペプチドは、（ａ）例えば分子電子回路における性能の変動性を低減するために、正確な分子構造を含み得、（ｂ）必要に応じて分子上の正確な場所に位置する特定の付着基を含み得、（ｃ）高純度および低費用で効率的に多量に製造することができる。

種々の実施形態では、合成ペプチドは、式：［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍ（式中、各Ｘ^１は、独立に、約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチド、プロテアーゼ切断配列、またはペプチド捕捉用タグを含み、各Ｘ^２は、独立に、グリシン／セリン｛Ｇ、Ｓ｝リッチリンカーまたはＣ１～Ｃ２０炭素鎖分子リンカーを含み、各Ｘ^３は、独立に、共有結合、単一のアミノ酸、遷移性ヘリックス促進モチーフ、金属結合性基、または約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチドを含み、各Ｘ^４は、独立に、約４～約４０アミノ酸を含むアルファヘリックスモチーフを含み、各ｍは、独立に、０～４であり、ｎは１～４０である）を含む。

種々の実施形態では、Ｘ^４の少なくとも１つは、コンジュゲーション部位を含む。種々の態様では、コンジュゲーション部位は、システイン、リシン、チロシン、ビオチン、アジド、またはクリックケミストリー基を含み得、したがって、合成ペプチドは、結合性プローブなどの生体分子とコンジュゲートすることができる。種々の実施形態では、結合性プローブは、ポリメラーゼ酵素または抗体を含み得る。

種々の実施形態では、Ｘ^１の少なくとも１つは、配列番号６、７、８、９、１０、１１、１６、１８または２９のいずれか１つに対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含み得る。

種々の実施形態では、Ｘ^２の少なくとも１つは、グリシン、セリン、ＧＳ、ＧＳＧ、配列番号２４、配列番号２５に対して少なくとも８０％の配列同一性を有するアミノ酸配列、またはＣ１～Ｃ２０炭素鎖分子リンカーを含み得る。

種々の実施形態では、［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３の任意の１つの群分けに関して、ｍ≠０の場合には、Ｘ^３は、共有結合、単一のアミノ酸、または遷移性ヘリックス促進モチーフを含む。さらに、［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３の任意の１つの群分けにおいて、ｍ＝０の場合には、Ｘ^３は、金属結合性基または約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチドを含む。種々の態様では、部分構造［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３によって表される合成ペプチドの末端を、金属との結合または生体分子とのコンジュゲートなどの特定の有用性のためにカスタマイズする。種々の実施形態では、両方のｍがゼロになり得ず、その場合、合成ペプチドの一方の末端は［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍ部分構造を保持する。

種々の実施形態では、金属結合性基は、Ｃ、ＣＣ、ＣＣＣ、配列番号３２、配列番号３３、配列番号５、配列番号３５、または配列ＣＣＸＸＣＣ（配列中、Ｘは任意のアミノ酸である）のＦＬＡＳＨ結合性モチーフを含み得る。

種々の実施形態では、Ｘ^４の少なくとも１つは、配列番号１、２、３、４、１３、１７、２０、２２、２３、２６、２７、２８または３１のいずれか１つに対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含み得る。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号１４に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を有する。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号１５に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を有する。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号１９に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を有する。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号２１に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を有する。

種々の実施形態では、分子電子回路が開示される。分子電子回路は、第１の電極と、第１の電極からナノギャップによって間隔が空いた第２の電極と、第１および第２の電極の両方と電気的に接続してナノギャップと架橋した、一般式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍに従う合成ペプチドを含む架橋用分子ワイヤと、コンジュゲーション部位とコンジュゲートしたポリメラーゼ酵素とを含み、ここで、回路は、合成ペプチドを通る伝導性経路を含む。

種々の実施形態では、分子センサーが開示される。センサーは、第１の電極と、第１の電極からナノギャップによって間隔が空いた第２の電極と、第１および第２の電極の両方と電気的に接続してナノギャップと架橋した、式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍに従う合成ペプチドを含む架橋用分子ワイヤと、コンジュゲーション部位とコンジュゲートしたポリメラーゼ酵素とを含む分子電子回路であって、合成ペプチドを通る伝導性経路を含む回路と、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方に電気的に接続したトランスインピーダンス増幅器であって、測定可能な電気的パラメーターを含む出力をもたらすトランスインピーダンス増幅器とを含む。

種々の実施形態では、ＣＭＯＳチップデバイスは、これらのセンサーのアレイを含む。

種々の実施形態では、ＤＮＡ分子を配列決定する方法が開示される。方法は、第１の電極と、第１の電極からナノギャップによって間隔が空いた第２の電極と、第１および第２の電極の両方と電気的に接続してナノギャップと架橋した、式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍに従う合成ペプチドを含む架橋用分子ワイヤと、コンジュゲーション部位とコンジュゲートしたポリメラーゼ酵素とを含む分子電子回路であって、合成ペプチドを通る伝導性経路を含む回路と、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方に電気的に接続したトランスインピーダンス増幅器であって、測定可能な電気的パラメーターを含む出力をもたらすトランスインピーダンス増幅器とを含むセンサーを提供するステップと、回路を通る電圧または電流の少なくとも１つを開始するステップと、回路を、プライミングされた（primed）一本鎖ＤＮＡおよび／またはｄＮＴＰを含有する溶液に曝露させるステップと、ポリメラーゼが鋳型と係合し、それを伸長させるときに回路を通る電気信号を測定するステップとを含み、電気信号を処理して、ポリメラーゼによって処理されたＤＮＡ分子の基礎をなす配列に関する情報をもたらす特徴を同定する。

種々の実施形態では、分子電子回路は、ナノギャップによって間隔が空いた第１の電極および第２の電極と、第１の電極とポリメラーゼ酵素の第１の部位の間に電気的に接続された式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍに従う第１の合成ペプチドと、第２の電極とポリメラーゼ酵素の第２の部位の間に電気的に接続された式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍに従う第２の合成ペプチドとを含み、回路は、ポリメラーゼ酵素の一部を通る伝導性経路を含む。

種々の実施形態では、分子センサーは、ナノギャップによって間隔が空いた第１の電極および第２の電極と、第１の電極とポリメラーゼ酵素の第１の部位の間に電気的に接続された式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍに従う第１の合成ペプチドと、第２の電極とポリメラーゼ酵素の第２の部位の間に電気的に接続された式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍに従う第２の合成ペプチドとを含む分子電子回路であって、ポリメラーゼ酵素の一部を通る伝導性経路を含む回路と、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方に電気的に接続したトランスインピーダンス増幅器であって、測定可能な電気的パラメーターを含む出力をもたらすトランスインピーダンス増幅器とを含む。

種々の実施形態では、ＣＭＯＳチップデバイスは、これらのセンサーのアレイを含む。

種々の実施形態では、ＤＮＡ分子を配列決定する方法は、ナノギャップによって間隔が空いた第１の電極および第２の電極と、第１の電極とポリメラーゼ酵素の第１の部位の間に電気的に接続された式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍに従う第１の合成ペプチドと、第２の電極とポリメラーゼ酵素の第２の部位の間に電気的に接続された式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍに従う第２の合成ペプチドとを含む分子電子回路であって、ポリメラーゼ酵素の一部を通る伝導性経路を含む回路と、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方に電気的に接続したトランスインピーダンス増幅器であって、測定可能な電気的パラメーターを含む出力をもたらすトランスインピーダンス増幅器とを含むセンサーを提供するステップと、回路を通る電圧または電流の少なくとも１つを開始するステップと、回路を、プライミングされた一本鎖ＤＮＡおよび／またはｄＮＴＰを含有する溶液に曝露させるステップと、ポリメラーゼが鋳型と係合し、それを伸長させるときに回路を通る電気信号を測定するステップとを含み、電気信号を処理して、ポリメラーゼによって処理されたＤＮＡ分子の基礎をなす配列に関する情報をもたらす特徴を同定する。

本開示の主題は、本明細書の最後の部分で特に指し示され、別個に特許請求される。しかし、本開示のより徹底的な理解は、詳細な説明および特許請求の範囲を図面と併せて参照することによって最もよく得ることができる。

図１は、伝導性分子によりナノ電極間の回路が完成する、分子電子回路の一般的な概念の図である。

図２は、種々の実施形態に従った、結合するプローブとその標的の間の結合事象を検出することができるセンサーとして作動する、電子回路における結合性プローブ分子の分子ワイヤへの係合の一般的な概念の図である。

図３は、種々の実施形態に従った、２つの分子ワイヤ素子またはアーム分子を使用して電流路内に直接配線された分子ワイヤを含む結合性プローブの図である。

図４は、種々の実施形態に従った、電流路内に直接配線された結合性プローブの図である。接続はプローブ内の内部タンパク質アルファヘリックス構造と接続した分子ワイヤを介したものである。

図５は、種々の実施形態に従った、電流路内に直接配線された結合性プローブの図である。接続はプローブ内の内部タンパク質ベータ－シート構造と接続した分子ワイヤを介したものである。

図６は、種々の実施形態に従った、プローブを安定化するもしくは方向付ける、またはプローブとの接続の伝導率を上昇させるために追加的な分子ワイヤ接続を行った電流路内に直接配線された結合性プローブの図である。

図７は、種々の実施形態に従った、２つの分子ワイヤコネクターを使用して直接回路内に直接配線されており、分子ワイヤとの１点コンジュゲーションも有し、１対の電極を利用して複合伝導を測定する結合性プローブの概略図である。

図８は、種々の実施形態に従った、２つの分子ワイヤコネクターを使用して直接回路内に直接配線されており、分子ワイヤとの１点コンジュゲーションも有し、２対の電極を利用してこれらの２つの方式の伝導を独立に測定する結合性プローブの概略図である。

図９は、種々の実施形態に従った、結合性プローブがＩｇＧ抗体である場合の概略図である。回路の電流路内に直接配線された、抗原結合性標的に結合した１つのＦａｂドメインが示されている。特定の内部ベータシートが接触のために使用され、分子ワイヤアームにより電極との伝導性接続がもたらされる。

図１０は、種々の実施形態に従った、２つの分子ワイヤを使用して回路の電流路内に直接配線された一本鎖ＲＮＡまたはＤＮＡまたは他のＸＮＡ核酸類似体オリゴマーで構成される核酸ハイブリダイゼーション結合性プローブ分子の概略図である。一本鎖の末端またはその付近の部位が分子ワイヤコネクターとコンジュゲートして電極との伝導性接続がもたらされる。

図１１は、Ｅ．ｃｏｌｉ Ｐｏｌ Ｉ Ｋｌｅｎｏｗ断片ポリメラーゼ酵素のタンパク質構造図である。アルファヘリックス、ベータ－シート、および接続しているループ構造の存在が図解されている。

図１２は、種々の実施形態に従った、酵素の活性を検出することができるセンサーとして作動するように、電子回路の分子ワイヤ上にポリメラーゼ酵素分子をコンジュゲートした概略図である。

図１３は、種々の実施形態に従った、酵素の活性を検出することができるセンサーとして作動するように、ポリメラーゼ酵素を回路の電流路内に直接配線した概略図である。特定の内部アルファヘリックスが接触点として使用されており、分子ワイヤアームによりこれらの接触から電極への伝導性接続がもたらされる。

図１４は、２つの分子ワイヤコネクターを使用してポリメラーゼ酵素を回路の電流路内に直接配線した概略図である。アームを接続する追加的な分子ワイヤが、安定化および固定された空間的方向付け、ならびに電極または基板との追加的な伝導性接続がもたらされるように配線されている。

図１５Ａ～Ｅは、配列番号４の種々の表示を示す図である。図１５Ａはリボン図であり、図１５Ｂは配列骨格の球棒モデルであり、図１５Ｃは空間充填モデルであり、図１５Ｄは完全な分子の球棒モデルであり、図１５Ｅは空間充填モデルである。 図１５Ａ～Ｅは、配列番号４の種々の表示を示す図である。図１５Ａはリボン図であり、図１５Ｂは配列骨格の球棒モデルであり、図１５Ｃは空間充填モデルであり、図１５Ｄは完全な分子の球棒モデルであり、図１５Ｅは空間充填モデルである。 図１５Ａ～Ｅは、配列番号４の種々の表示を示す図である。図１５Ａはリボン図であり、図１５Ｂは配列骨格の球棒モデルであり、図１５Ｃは空間充填モデルであり、図１５Ｄは完全な分子の球棒モデルであり、図１５Ｅは空間充填モデルである。 図１５Ａ～Ｅは、配列番号４の種々の表示を示す図である。図１５Ａはリボン図であり、図１５Ｂは配列骨格の球棒モデルであり、図１５Ｃは空間充填モデルであり、図１５Ｄは完全な分子の球棒モデルであり、図１５Ｅは空間充填モデルである。 図１５Ａ～Ｅは、配列番号４の種々の表示を示す図である。図１５Ａはリボン図であり、図１５Ｂは配列骨格の球棒モデルであり、図１５Ｃは空間充填モデルであり、図１５Ｄは完全な分子の球棒モデルであり、図１５Ｅは空間充填モデルである。

図１６Ａ～Ｃは、配列番号４の分子レンダリングを示す図である。破線はヘリックス内の水素結合およびアミノ酸側鎖間の塩橋を示す。 図１６Ａ～Ｃは、配列番号４の分子レンダリングを示す図である。破線はヘリックス内の水素結合およびアミノ酸側鎖間の塩橋を示す。 図１６Ａ～Ｃは、配列番号４の分子レンダリングを示す図である。破線はヘリックス内の水素結合およびアミノ酸側鎖間の塩橋を示す。

図１７Ａ～Ｃは、反復ＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）（Ｅ４Ｒ４）アルファヘリックスモチーフに基づいたペプチドアルファヘリックスの分子レンダリングを示す。破線はヘリックス内の水素結合およびアミノ酸側鎖間の塩橋を示す。 図１７Ａ～Ｃは、反復ＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）（Ｅ４Ｒ４）アルファヘリックスモチーフに基づいたペプチドアルファヘリックスの分子レンダリングを示す。破線はヘリックス内の水素結合およびアミノ酸側鎖間の塩橋を示す。 図１７Ａ～Ｃは、反復ＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）（Ｅ４Ｒ４）アルファヘリックスモチーフに基づいたペプチドアルファヘリックスの分子レンダリングを示す。破線はヘリックス内の水素結合およびアミノ酸側鎖間の塩橋を示す。

図１８は、反復ＥＡＹＡＲ（配列番号３）アルファヘリックスモチーフに基づいたペプチドアルファヘリックスの分子レンダリングを示す。破線はヘリックス内の水素結合およびアミノ酸側鎖間の塩橋を示す。

図１９は、この細菌由来の特定の主要なピリン鎖ＩＶａ型の結晶構造を示す図である（Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｄａｔａ ＢａｓｅエントリーＰＤＢ ＩＤ ２Ｍ７Ｇ＿Ａ）。リボンプロットおよび全ての側鎖を示す重ね合わせた球棒モデルを用いて可視化されたＸ線結晶構造から、ピリンタンパク質が、可視のアルファヘリックス構造、１３ターン長、および３つの芳香環側鎖を有することが示される。

図２０は、それぞれＥＡＡＡＲ（配列番号１）およびＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）反復アルファヘリックスモチーフに基づいた１５ｎｍ長の合成ペプチド配列番号１５および配列番号１９について観察された電流分布を示すグラフである。合成ペプチド配列番号１５の方が伝導率が高いことが示されている。

図２１は、配列番号２１を有し、ＥＡＡＡＲ（配列番号１）反復アルファヘリックスモチーフに基づく２５ｎｍの合成ペプチドをＤＮＡオリゴヌクレオチドと、中心のシステインにおいてコンジュゲートし、プライミングされた鋳型へのポリメラーゼ結合およびポリメラーゼポケットへのヌクレオチド結合を検知するために使用した実験の、時間に対する電流のトレースを示すグラフである。

本開示の種々の実施形態では、合成ペプチドが記載される。種々の実施形態では、本発明の合成ペプチドは、電気伝導率を示し、単一分子エレクトロニクス分子センサーなどの分子エレクトロニクスにおいて、およびＣＭＯＳ半導体チップデバイス中に統合された電気回路において使用される。

種々の実施形態では、合成ペプチドは、全体的なアルファヘリックスコンフォメーションを含む、または少なくとも１つの内部アルファヘリックスセグメントを含む。種々の実施形態では、合成ペプチドは、ペプチドに全体的なアルファヘリックスコンフォメーションをもたらすように設計されたアミノ酸配列を有する、または少なくとも１つの内部アルファヘリックスセグメントをもたらすように設計されたアミノ酸配列を有する。種々の実施形態では、本発明の合成ペプチドは、反復ヘリックスセグメントまたは「ヘリックスモチーフ」を含む。

種々の実施形態では、本発明の合成ペプチドは、直鎖状一次構造を含み、したがって、末端と称することができる、配列に対する２つの対向する端（ペプチドのＮ末端またはその付近の第１の末端とペプチドのＣ末端またはその付近の第２の末端）を含む。末端のいずれかまたは両方を、金属電極への付着または外部化学基への付着などの部位特異的コンジュゲーションに使用することができる。

種々の実施形態では、本発明の合成ペプチは、別の分子を合成ペプチドに部位特異的、選択的な様式でコンジュゲートするために使用することができる、末端の間のペプチドのアミノ酸配列に沿った内部部位も含む。内部部位は、単一のシステインアミノ酸（ＣもしくはＣｙｓと略される）、もしくはリシン（ＫもしくはＬｙｓ）、もしくはチロシン（ＹもしくはＴｙｒ）、または、チオール、ビオチン、アジド、もしくはクリックケミストリー基の付加などの、コンジュゲーションのために使用される化学修飾を有するアミノ酸を含み得る。

定義
本明細書で使用される場合、「ペプチド」という用語は、アミノ酸の任意の連続した単鎖を指し、アミノ酸は、標準アミノ酸、非標準アミノ酸もしくは修飾アミノ酸、またはペプチド結合に関与するアミノ酸類似体である。種々の実施形態では、本発明のペプチドは、１０～３００アミノ酸長、または２０～２００アミノ酸長の範囲内に入り得る。

本明細書で使用される場合、「モチーフ」という用語は、本開示による合成ペプチド内の特徴部を指す。種々の例では、モチーフは、アルファヘリックスモチーフであり得る、これは、アルファヘリックス二次構造を有するペプチド内のアミノ酸のセグメントを意味する。他の例では、モチーフは、合成ペプチドを金属に係留するために使用可能な材料結合性ペプチドを含むモチーフなどの、別の機能的目的を有するペプチド内の１つまたは複数のアミノ酸であり得る。他の態様では、モチーフは、有機化学の官能基などの化学置換基（例えば、アミン、チオールなど）を含み得る、または、モチーフは、化学的リンカー、（例えば、１つまたは２つのアミノ酸、３アミノ酸のひと続き、（ポリ）エトキシレートテザー、１，４－フェニレン連結など）を含み得る。

本明細書で使用される場合、「アルファヘリックス」という用語は、Ｘ線結晶学の分野においてタンパク質構造要素を記載する文脈で使用する場合、ペプチドのヘリックス二次構造を指す。本明細書では、合成ペプチドのセグメントはアルファヘリックス二次構造を有し得、このセグメントは、代わりに「ヘリックスセグメント」または「ヘリックスモチーフ」と称することができる。本発明の合成ペプチドは、反復アルファヘリックスモチーフなどの１つまたは複数のヘリックスモチーフを含み得る。一部の場合では、実質的にアルファヘリックス二次コンフォメーション内のペプチドについて、ペプチドの２つの端におけるペプチドの結合を無視する場合、「アルファヘリックス」という用語を「合成ペプチド」という用語の代わりに使用することができる。種々の例では、「アルファヘリックス」は、分子電子回路内の伝導性架橋分子として使用可能な合成ペプチドを指し得る。

本明細書で使用される場合、「分子」という用語は、共有結合した原子のアセンブリ、または同様に、明確に定義され、安定に結合した原子の集合体を指す。

本明細書で使用される場合、「分子エレクトロニクス」という用語は、電気回路内の素子として単一分子または少数の分子を伴う小分子複合体が組み込まれた電気回路を指す。そのような小さな複合体は、ただ２つまたは３つの分子、種々の実施形態では１０個未満、または３０個未満の分子を伴い得る。分子エレクトロニクスセンサーは分子エレクトロニクスの例である。

本明細書で使用される場合、「分子ワイヤ」という用語は、回路に組み込まれると、例えば、電荷の移行のために電極の対または接触点に橋を架けることによって電気を伝導することができる、比較的長く薄い分子または少数の分子の集合体を指す。そのような集合体は伝導体または半導体であり得、電圧に対する電流の特徴が直線状または非直線状であり得る。そのような集合体はまた、閾値電圧未満での伝導を抑制するバンドギャップも示し得る。分子ワイヤの長さは、およそ数ナノメートル、最大で数ミクロンであり得る。電気伝導可能な本発明の合成ペプチドは、それ自体で分子電子回路内の分子ワイヤとして機能し得る。または、本開示による合成ペプチドをアセンブリして、より大きな構造を構成する、例えば、ヤーン内のフィラメントのように配置されたペプチドの束を構成する分子ワイヤにすることができる。合成ペプチドを分子電子回路に直接使用することができる場合には、「合成ペプチド」および「分子ワイヤ」という用語は互換的に使用することができる。

本明細書で使用される場合、「合成ペプチド」という用語は、天然に存在するものではなく、製造されたペプチド、すなわち、人工的な手段によって設計された、操作された、および／または作製されたペプチドを指す。そのように、「合成」は、完全に有機化学的方法に基づく直線状または収束性化学合成によってアセンブルされたペプチドを意味するものと狭く解釈されるべきではない。本発明の合成ペプチドは、タンパク質発現および遺伝子操作によって作出することもできる。すなわち、合成ペプチドを、タンパク質発現系において、そのような系に挿入された合成ＤＮＡ遺伝子を発現させて調製することができる。さらに、タンパク質発現遺伝子操作によって作製された合成ペプチドを、有機合成によってさらに官能化すること、例えば、官能基を付加すること、保護基を除去することなどができる。本発明の合成ペプチドは、製造されたものであるが、天然に存在するペプチドによって想起されたものであり得、天然に存在するアミノ酸配列を含み得る。

本明細書で使用される場合、「末端（ｔｅｒｍｉｎｕｓ）」または複数形の「末端（ｔｅｒｍｉｎｉ）」という用語は、本開示による合成ペプチドのアミノ酸配列の端を指し、合成ペプチドのアルファヘリックスと伝導性コアの区別、および電極への結合のためまたはタグ付けのためのコンジュゲーションなどの他の機能性をもたらす端領域を可能にする。配列の「端」は、配列の実際の物理的な端（原子、または１つのアミノ酸）であると解釈されるべきではなく、より広範に、立体的にただ１つのアミノ酸よりも長い可能性がある、合成ペプチドの終わりの領域であると解釈されるべきである。言い換えれば、合成ペプチドの末端は、Ｎ末端（Ｎ－ｅｎｄ）またはＣ末端（Ｃ－ｅｎｄ）のいずれであっても、単一のアミノ酸、アミノ酸の配列、リンカーおよび官能基の種々の組合せ、リンカーおよびアミノ酸の短い配列の種々の組合せなどを含み得る。種々の実施形態では、合成ペプチドの末端は、配列の最後にシステインを含み得、したがって、チオール（－ＳＨ）官能基が金属とのコンジュゲーションのために利用可能である。他の例では、合成ペプチドの末端は、アジド基などの非天然付属物を含むように官能化された単一のアミノ酸を含み得る。他の例では、配列の末端は、金またはパラジウムなどの特定の金属に対する特異性を有する材料結合性ペプチド、または材料結合性ペプチドの２重、３重、もしくは４重の反復を含み得る。他の例では、合成ペプチドの末端は、１つ、２つまたは３アミノ酸を含む介在するリンカーを伴ってひと続きになった硫化物－Ｓ－原子などの金属結合性基を含み得る。

本明細書で使用される場合、「配列同一性」および「パーセント配列同一性」という用語は、２つまたはそれよりも多くのペプチド配列に関しては、２つまたはそれよりも多くの配列または部分配列が、最大の対応について比較およびアラインメントした場合に、そのようなアミノ酸配列の比較のための配列比較アルゴリズムのうちの１つ（例えば、ＢＬＡＳＴｐもしくは当業者が利用可能な他のアルゴリズム）を使用してまたは目視検査によって測定して、同じであるアミノ酸残基の指定のパーセンテージを有することを指す。適用に応じて、パーセント配列同一性は、比較される配列のある領域にわたって、例えば、アルファヘリックスセグメントにわたって存在し得る、またはその代わりに、比較される２つの配列の全長にわたって存在し得る。配列比較に関して、一般には、１つの配列が、試験配列を比較する参照配列として機能する。配列比較アルゴリズムを使用する場合、試験配列および参照配列をコンピュータに入力し、必要であれば部分配列座標を指定し、配列アルゴリズムプログラムパラメーターを指定する。次いで、配列比較アルゴリズムにより、指定されたプログラムパラメーターに基づいて、試験配列（複数可）について参照配列と比べたパーセント配列同一性が算出される。

本明細書で使用される場合、「ポリマー」という用語は、明確な有限の構成単位分子のセットから取得され、共有結合を通じて互いに連結した化学的構成要素の鎖である分子を指す。

本明細書で使用される場合、「芳香環」という用語は、有機化学における一般的な意味を持ち、ｓｐ２混成炭素原子の環であり、電子の対を有するヘテロ原子が介在するまたは介在せず、環内の原子のそれぞれの軌道内の電子が非局在化している。芳香族分子または芳香族アミノ酸という用語は、その分子構造内に芳香環を含む実体を指す。

全てのアミノ酸またはタンパク質配列をＮ末端からＣ末端へ書くことは本明細書で使用されている慣習である。

本明細書で使用される場合、「結合性プローブ」という用語は、特異的な標的分子または標的分子のファミリーに優先的に結合する分子または分子複合体を指す。抗体または抗体断片は結合性プローブの例である。ポリメラーゼなどの酵素も結合性プローブの例である。本明細書の種々の実施形態では、結合性プローブを、分子電子回路内の電極間の架橋用分子ワイヤとして使用される合成ペプチドに付着させることができる。

本明細書で使用される場合、「酵素」という用語は、化学反応を触媒する、一般には１つまたは複数のタンパク質を含む分子または分子複合体を指す。ポリメラーゼという用語は、ＤＮＡまたはＲＮＡ一本鎖鋳型に対するＤＮＡまたはＲＮＡ相補物を合成する酵素を指す。種々の実施形態では、酵素は分子電子回路内の結合性プローブとして作用する。

本明細書で使用される場合、「塩橋」という用語は、ペプチド内に存在するアミノ酸の正に荷電した残基と負に荷電した残基の間で形成される弱い結合現象を指し、それらの残基はそのような結合が形成し得るように空間内で近傍に位置する。

本明細書で使用される場合、「架橋（ｂｒｉｄｇｅ）」または「架橋分子（ｂｒｉｄｇｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ）」または架橋すること（ｂｒｉｄｇｉｎｇ）という用語は、電極間に伝導性架橋を形成するために使用することができる分子を指し、これは、末端に適切な付着基を有する本明細書で考察されている全ての合成ペプチドに当てはまる。関連する用語は「アーム」または「アーム分子」であり、電極間にまたがるのとは対照的に、電極と生体分子またはプローブ分子の間にまたがるモダリティにおける合成ペプチドの使用を指し、同じく末端に適切な付着基を有する本明細書で考察されている全ての合成ペプチドに当てはまる。

本明細書で使用される場合、「電極」という用語は、完成した回路を通して電子を伝導する機能を果たす、電気回路内の電気的接触点の１つを指す。そのような電極は、一般には、金属またはドープされた半導体で構成され、比較的高く伝導性であり、また、さらにその表面を誘導体化して、分子ワイヤを用いたものなどの適当な電気的接続および機械的接続を促進することができる。

分子電子回路における伝導性分子ワイヤとしての使用を促進するための構造モチーフを有する合成ペプチド
種々の実施形態では、本発明の合成ペプチドは、ペプチド構造を通じた電気伝導率を増強するため、ならびにペプチドの一方または両方の末端および末端間などの種々のコンジュゲーション部位をもたらすための特定の構造モチーフを含む。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、以下の一般化された構造によって表すことができる：［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍ（式中、［Ｘ^４］_ｎは、ｎ回反復される反復アルファヘリックスモチーフＸ^４を表し、配列の両端における［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３の組合せは、合成ペプチドの末端を表す。一般化された構造には２つの重要な態様が存在する。第１に、一般化された構造におけるモチーフＸ^１、Ｘ^２、Ｘ^３、およびＸ^４は単一のアミノ酸に限定されず、その代わりに、アミノ酸配列であり得る。例として、Ｘ^４はＥＡＡＡＲ（配列番号１）であり得、これは、単一のアミノ酸ではない。第２に、一般化された構造において角括弧内に出現するＸ^１、Ｘ^２およびＸ^４などの反復部分構造内のモチーフの各例は独立に選択されることを理解することが重要である。例えば、部分構造［Ｘ^４］_ｎでは、ｎ＝３、すなわち［Ｘ^４］_３の場合、Ｘ^４’Ｘ^４’’Ｘ^４’’’と表すことができ、Ｘ^４’、Ｘ^４’’およびＸ^４’’’は、異なるモチーフ、例えば、異なるアミノ酸配列であり得る。種々の実施形態では、Ｘ^４の少なくとも１つは、コンジュゲーション部位を含む。また、ペプチドのいずれかの端の２つのＸ^３モチーフのそれぞれが同一である必要はなく、合成ペプチドの末端［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３のそれぞれが同一である必要もない。言い換えれば、上記の一般化された構造は、合成ペプチドの中点が式に当てはまることによってある特定の対称性を示唆し得るが、一般構造に包含されるあらゆる種がそのような対称性を有する必要はない。例えば、［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３によって表されるＮ末端を金に結合するように設計することができ、一方、他方の末端、［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３によって表されるＣ末端をパラジウムに結合するように設計することができ、したがって、合成ペプチド種により異なる金属の電極間を架橋することができる。種々の実施形態では、ｍの１つの例は０であり得、一方、ｍの他の例は１、２、または３であり得る。すなわち、種々の実施形態では、合成ペプチドの両方の末端部分についてｍは０ではない。種々の例では、一方の末端［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３は、タグ配列を含み得る。種々の実施形態では、ｍの１つの例は０であり、一方、ｍの他の例はゼロではなく、したがって、合成ペプチドの一方の末端はＸ^３で終わり、これは、例えば、生体分子とのクリックケミストリーコンジュゲーションのために設計することができ、一方、他方の末端では、部分構造［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍ（式中、ｍ＝１、２または３である）を金属に結合するように設計することができる。

最後に、通則として、上記の一般構造は、構造内のモチーフ、すなわち、合成ペプチドのセグメントの相対的な長さを意味するものではない。言い換えれば、書かれた一般構造により、［Ｘ^４］_ｎによって表される内部ヘリックスコア部分の長さが［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３によって表される２つの末端の組合せよりも短いことが示唆され得るが、必ずしもそうではない。例えば、ｎは２１であり得、Ｘ^４は５アミノ酸のペプチドであり得、したがって、［Ｘ^４］_ｎは１０５アミノ酸の長さであり、一方、［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３の全体がシステイン（Ｃ）だけ、すなわち、ｍが０であり、Ｘ^３がシステインである場合があり得る。

モチーフＸ^１、Ｘ^２、Ｘ^３、およびＸ^４の性質および範囲、ならびに反復単位ｍおよびｎの範囲は、本明細書において下で定義されている。

種々の実施形態では、特定の構造モチーフ、特にヘリックスモチーフの組み入れにより、合成ペプチドの少なくとも一部分に対してアルファヘリックス構造が促進される。これらのアルファヘリックスセグメント内のアミノ酸配列に応じて、合成ペプチドを通る電気伝導率が促進される。これらのモチーフは、例えば、
（１）ペプチド鎖内のｉ位およびｉ＋５位、もしくはペプチド鎖内のｉ位およびｉ＋４位に、アルファヘリックスコンフォメーション内の残基間で塩橋を形成し得る対立する電荷の側鎖を有するアミノ酸；
（２）芳香環残基を有するアミノ酸；
（３）ｉ位およびｉ＋４位もしくはｉ位およびｉ＋５位に芳香環残基を有し、したがって、そのような環が空間的にアルファヘリックスコンフォメーションで隣接し得るアミノ酸；
（４）アルファヘリックス構造を安定化する炭化水素鎖ステープルであって、鎖内のｉ残基とｉ＋４残基もしくはｉ＋５残基の間に存在して、近接部位をアルファ－ヘリックスコンフォメーションに固定し得る、ステープル；または
（５）本質的に電荷移行の生物学的機能を有する、生物学的伝導性タンパク質を模倣するまたはそれから想起されたアミノ酸配列モチーフ
を含み得る。

アルファヘリックスペプチド概念の一般的な図表に関しては、図１５は、アルファヘリックスペプチドの５つの異なる図表示を示す。この例のペプチドは、４０アミノ酸からなり、一次アミノ酸配列（標準のＡＵＧアミノ酸コード１文字呼称を使用して書かれる）はモチーフＥＡＡＡＲ（配列番号１）（Ｅ＝グルタミン酸、Ａ＝アラニン、Ｒ＝アルギニン）の８つの反復からなる、または簡潔表示法では８×（ＥＡＡＡＲ）（配列番号４）、またはＮ末端からＣ末端の標準の方向で、ＥＡＡＡＲＥＡＡＡＲＥＡＡＡＲＥＡＡＡＲＥＡＡＡＲＥＡＡＡＲＥＡＡＡＲＥＡＡＡＲ（配列番号４）と明示的に書かれる。

図１５Ａ～Ｅは、配列番号４の種々の表示を示す。図１５Ａはペプチドのアルファヘリックス構造のタンパク質リボン図であり、図１５Ｂはタンパク質ペプチド結合骨格の球棒モデルであり、図１５Ｃはタンパク質ペプチド結合骨格の空間充填モデルであり、図１５Ｄはアミノ酸側鎖を含めた完全な分子構造の球棒モデルであり、図１５Ｅはアミノ酸側鎖を含めた完全な分子構造の空間充填モデルである。

アルファヘリックスの一般構造は、ヘリックスターン当たり３．６アミノ酸、ヘリックスターン当たり０．５４ｎｍの長さ、およびヘリックスコア直径１．２ｎｍからなる。したがって、図１５Ａ～Ｅに示されている配列番号４のペプチドの例は、４０アミノ酸、または１１．１ヘリックスターン、または６．０ｎｍの長さを有する。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号４に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有する配列を含む。種々の実施形態では、合成ペプチドは、配列番号４を含む。種々の実施形態では、そのような合成ペプチドは、分子電子回路の伝導性分子ワイヤとして機能する。種々の実施形態では、このアルファヘリックス構造は、より大きな合成ペプチドの中心コアであり得る。

本開示の種々の実施形態では、アルファヘリックスペプチドを、３ｎｍ～１００ｎｍ、または一部の実施形態では５ｎｍ～５０ｎｍ、または他の実施形態では７ｎｍ～３０ｎｍ、１０ｎｍ～２５ｎｍ、もしくは１０ｎｍ～１５ｎｍの範囲に入る正確な長さを有するように設計することができる。

合成ペプチドは、合成有機化学および生化学の当業者に公知のものなどの、確立されたペプチド合成の方法によって作出することができる。これらの方法は、これだけに限定されないが、ペプチドに結合したアミノ酸の固相合成または液相合成を含み得、また、より長いペプチドを効率的に作製するためのそのような合成断片の化学的ライゲーションの使用をさらに含み得る。使用されるアミノ酸構成要素は、生物学において現れる標準の２２種のタンパク質新生性アミノ酸、ならびに、ｐＡｃＦ（ｐアセチル－Ｆ）、ｐＡｚＦ（ｐアジド－Ｆ）およびｐＢｐＦ（ｐベンゾイル－ｄｌ－Ｆ）と表されるフェニルアラニン（Ｆ）の化学修飾された形態の周知の例などの、いわゆる非標準アミノ酸（Ｎｏｎ－Ｓｔａｎｄａｒｄ Ａｍｉｎｏ Ａｃｉｄ）（ＮＳＡＡ）または非天然アミノ酸（Ｕｎｎａｔｕｒａｌ Ａｍｉｎｏ Ａｃｉｄ）（ＵＡＡ）を含めた非タンパク質新生性アミノ酸の使用を含み得る。

本開示による合成ペプチドは、所望のペプチド配列を表す合成遺伝子の発現によって作出することもできる。そのようなタンパク質発現方法は周知であり、一般には、合成ＤＮＡセグメント（「遺伝子」）を細菌または他の発現ベクターにクローニングし、発現させ、得られた目的のタンパク質を精製することを伴う。そのような発現系に関しては、捕捉用タグペプチド（例えば、ＨｉｓタグまたはＦＬＡＧタグまたは当技術分野で公知の他のものなど）を目的の標的ペプチドのＣ末端またはＮ末端の一方に付加することができ、種々の実施形態では、このタグを捕捉後に除去することもでき、除去しないこともできる。そのような小さなタグまたは関連するペプチド残余が所定の位置に残る場合、一般に、本明細書に記載の合成ペプチドの有用性には影響を及ぼさない。

発現の場合では、いわゆる「拡張された遺伝暗号」の場合と同様に、そのような目的のために作出された発現系を使用する場合、ペプチドにＮＳＡＡを付加することも可能である。改変された遺伝暗号、所望のＮＳＡＡで荷電したカスタマイズされた転移ＲＮＡの同時発現を有する細菌ベクターの使用に依拠するそのような発現系は、拡張された遺伝暗号の当業者には周知であり、例えば、ＮＳＡＡを用いたタンパク質の発現のためのそのような系に関しては、生物学者であるＰｅｔｅｒ Ｇ．ＳｃｈｕｌｔｚおよびＧｅｏｒｇｅ Ｍ．Ｃｈｕｒｃｈが先駆けである。Ｅ．ｃｏｌｉに基づくそのような系は、現在まで、７０種を超える異なるＮＳＡＡを含むタンパク質を発現させるために使用されている。

ペプチドの分子回路内へのコンジュゲーションに有用な、アルファヘリックスセグメントの端またはその付近に位置し得るペプチドの末端またはその付近の結合性基は、アミノ酸システイン（Ｃ）を含み得、これは、金属電極表面へのチオール－金属結合などのチオールに基づくコンジュゲーションに有用である、または、コンジュゲーション化学としてマレイミドへのシステイン－マレイミド選択的結合、もしくはシステイン－システイン架橋もしくはシステイン－硫黄硫化物架橋に基づくコンジュゲーションにも有用である。結合性基は、システインリッチモチーフ、ＣＣ、ＣＣＣ、ＣＣＣＣ（配列番号３２）、ＣＣＣＣＣ（配列番号３３）、または、ＣＣＣＧＣＣ（配列番号５）もしくはＣＣＰＧＣＣ（配列番号３５）などの「ＦＬＡＳＨ」テトラ－ＣモチーフＣＣＸＸＣＣ（Ｘ＝任意のアミノ酸）も含み得る。ヘリックスセグメントの末端またはその付近のコンジュゲーション基は、アジドもしくはアミン基などの、同類誘導体化表面に結合することができる基、またはクリックケミストリー結合に関与することができる基を有するアミノ酸も含み得る。ヘリックスセグメントの末端またはその付近のコンジュゲーション基は、材料結合性ペプチドも含み得る。材料結合性ペプチドは、特定の材料に結合することができるアミノ酸配列を有する、一般には５～１５アミノ酸長の範囲に入るペプチドである。多くのそのような材料結合性ペプチドは、バイオコンジュゲーションの当業者には公知である。１つの例である、金に選択的に結合することが公知のＢｒｏｗｎの金結合性ペプチドは、アミノ酸配列ＭＨＧＫＴＱＡＴＳＧＴＩＱＳ（配列番号６）を有する。例えば、S. Brown, "Metal-recognition by repeating polypeptides," Nature Biotechnology, 15, 269-272, 1997を参照されたい。他の公知の金属結合性ペプチドとしては、これだけに限定されないが、ＷＡＧＡＫＲＬＶＬＲＲＥ（配列番号７）、ＶＳＧＳＳＰＤＳ（配列番号８）、ＴＧＴＳＶＬＩＡＴＰＹＶ（配列番号９）、ＬＫＡＨＬＰＰＳＲＬＰＳ（配列番号１０）、およびＱＱＳＷＰＩＳ（配列番号１６）が挙げられる。最後の例は、パラジウム結合性ペプチドである。

さらに、結合性基は、短いスペーサーペプチドによって分離された一連のタンデムリピートとして配置されたそのような結合性ペプチドを含み得る。例えば、アミノ酸配列ＭＨＧＫＴＱＡＴＳＧＴＩＱＳ－ＧＳＧ－ＭＨＧＫＴＱＡＴＳＧＴＩＱＳ－ＧＳＧ－ＭＨＧＫＴＱＡＴＳＧＴＩＱＳ（配列番号１１）などの、ペプチドリンカー－ＧＳＧ－によって分離された３コピーの金結合性ペプチドが存在し得る。そのような基はペプチド分子ワイヤのいずれかの末端に含めることができ、また、ヘリックスコンフォメーションが破壊されないように、一次アルファヘリックスセグメントからそれをオフセットするために、－ＧＳＧ－またはＧおよびＳで構成される他の短いペプチド、または他の一般的な柔軟な水溶性ペプチドリンカー配列などの追加的な短いペプチドリンカーを含み得る。種々の実施形態では、結合性基にそのような反復が２～５つ存在し得る。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号１１に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有する配列を含む。種々の実施形態では、合成ペプチドは、配列番号１１を含む。種々の実施形態では、そのような合成ペプチドは、分子電子回路の伝導性分子ワイヤとして機能する。種々の実施形態では、この配列は、より大きな合成ペプチドの一方または両方の末端の一部であり得る。

種々の実施形態では、アミノ酸配列に沿って中心位置付近などのペプチドの内部の結合性部位は、特定の部位にシステイン－マレイミドコンジュゲーションなどのシステインに基づくコンジュゲーションをもたらすためのシステインアミノ酸を含み得る。内部の結合性部位は、アジドまたはアミン基などの残基を有するペプチド内の特定の位置に、特定のコンジュゲーション反応を受け得る、標準アミノ酸、非標準アミノ酸、または修飾アミノ酸も含み得る。例えば、アジド官能基を含むアミノ酸をクリックケミストリーコンジュゲーション反応に使用することができる。種々の実施形態では、内部の結合性部位を、アルファヘリックスモチーフ内、例えば、反復アルファヘリックスモチーフをさらに含むアルファヘリックスコアセグメントを含む合成ペプチド内に含めることができ、この場合、アルファヘリックス反復の１つまたは複数がシステインを含む。

ペプチドの内部の結合性部位として機能することが可能な１つまたは複数の単離されたアミノ酸は、一般には、ヘリックス構造を規定する正確な反復モチーフから逸脱していたとしても、または、モチーフの２つのそのようなタンデムリピートの間に存在していたとしても、ペプチドのアルファヘリックス構造を破壊しない。一部の実施形態では、ペプチド鎖の内部の結合性部位の場所、およびペプチドの端の基を、ヘリックスコンフォメーションで、ペプチドが、ヘリックス幾何学的形状を歪めることなく、回路内の所定の位置に結合し、補助分子とコンジュゲートする一方で、補助分子が回路の電極および基板に対して所望の通り方向付けられるように、間隔をあける。例えば、ペプチドの端の基が電極に最小のエネルギー構成で結合し、ヘリックスセグメントがその標準の最小のエネルギーコンフォメーションにある場合、内部結合性基が回路の基礎をなす基板から離れて方向付けられ、溶液中で他の補助分子の結合に関して最大限に利用可能になり得る。

ヘリックス構造を安定化することおよび伝導路をもたらすことの両方のための塩橋の使用は、図１６、１７および１８の例によって例示される。塩橋は、３Ｄアルファヘリックス構造に沿って空間的に近いアミノ酸間に形成される。これらは、一般には、アミノ酸配列内のｉ位およびｉ＋４位またはｉ＋５位に存在する。これらの例は、原理を例示するものであるが、同様の効果を実現する他のアミノ酸配列を包含する本開示の範囲を制限するものではない。一般に、塩架橋は、正に荷電したアミノ酸と負に荷電したアミノ酸、例えば、標準のアミノ酸Ｒ、Ｈ、Ｋ（正）とＥ、Ｄ（負）の残基間に生じ得る。種々の実施形態では、荷電したＮＳＡＡも同様に使用することができる。

図１６Ａ～Ｃは、配列番号４の分子レンダリングを示す。これは、反復ＥＡＡＡＲ（配列番号１）ヘリックスペプチドモチーフに基づき、レンダリング内の破線１６１０はヘリックス内の水素結合を表し、破線１６２０はＥアミノ酸側鎖とＲアミノ酸側鎖の間の塩橋を表す（明確にするために他の側鎖は示していない）。分子内水素結合および塩橋により、分子ワイヤが分子回路内に接続されている場合にモチーフＥＡＡＡＲ（配列番号１）の反復を含む分子ワイヤを横断する電子の好都合な伝導路がもたらされる。ｉおよびｉ＋４アミノ酸であるＥとＲの相互作用する側鎖として示される塩橋は、ヘリックス構造を安定化するためにさらに役立つ。

図１７Ａ～Ｃは、ＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）（Ｅ４Ｒ４）ヘリックスペプチドモチーフの反復を含む合成ペプチドの分子レンダリングを示す。レンダリング内の破線１７１０はヘリックス内の水素結合を表し、レンダリング内の破線１７２０はＥアミノ酸側鎖とＲアミノ酸側鎖の間の塩橋を表す（明確にするために他の側鎖は示していない）。

種々の実施形態では、芳香環を含むアミノ酸を合成ペプチドに組み入れることによって伝導率の増強が実現される。芳香環は、電子が豊富であり、タンパク質を通る電子伝導を支持する。そのような芳香環側鎖を合成ペプチドのアルファヘリックスセグメントに組み入れることにより、ペプチドを通る伝導をさらに増強することができる。

図１８は、モチーフＥＡＹＡＲ（配列番号３）の反復に基づくそのような合成ペプチドを示す。破線１８１０は水素結合を示し、Ｅ、Ｒおよび芳香族Ｙ（１８３０）の側鎖が示されている。ＥおよびＲ側鎖により塩橋１８２０がもたらされ、Ｙ基（チロシン）１８３０により伝導率を増強するための芳香環がもたらされる。芳香環を有する天然に存在するアミノ酸は、Ｆ、Ｗ、Ｙ、Ｐ（フェニルアラニン、トリプトファン、チロシン、プロリン）であり、これらならびにスルホン化されていない芳香族アミン（ＮＳＡＡ）をこの効果のために使用することができる。種々の実施形態では、芳香族アミノ酸は、ペプチド鎖内のｉおよびｉ＋４ならびに／またはｉおよびｉ＋５だけ間隔が空いており、したがって、芳香環はヘリックス構造で空間的に互いに近く、環から環へ飛び越える電子のための連続した伝導路がもたらされる。

種々の実施形態では、種々の生物学的プロセスにおいて電子移行または電荷移行を行うことが分かっている、またはそのような伝導性機能を行う複合体の一部であるタンパク質などの、生物学的伝導性ヘリックスタンパク質のペプチドセグメントと高度に類似した合成ペプチドセグメントを含めることにより、伝導率の増強が実現される。

そのような生物学的タンパク質のファミリーの例は、例えば、グラム陰性金属還元性プロテオバクテリアであるＧｅｏｂａｃｔｅｒ ｓｕｌｆｕｒｒｅｄｕｃｅｎｓの線毛タンパク質などの細菌ピリンである。この属は１９８７年に発見され、その金属還元性および電子伝導性に関して十分に研究されている。例えば、K. Xiao, et al., "Low Energy Atomic Models Suggesting a Pilus Structure that could Account for Electrical Conductivity of Geobacter sulfurreducens Pili," Scientific Reports, March 22, 2016, (DOI: 10.1038/srep23385)を参照されたい。

生物系では、個々のピリンタンパク質鎖はねじれて、２１の鎖から形成されるヘリックス超構造「フィラメント」になり、これは、細菌における電子伝達において重要な役割を果たす。

Xiao, et al.上記には、生物学的ピリンタンパク質およびピリンフィラメントの伝導性の基礎が例示されている。Xiao, et al.上記の図３は、Ｇ．ｓｕｌｆｕｒｒｅｄｕｃｅｎｓ線毛の予測されるモデル構造の結果を示す：（Ａ）それぞれが異なる陰影を有する２１の単鎖ヘリックスタンパク質サブユニットを含有する完全なフィラメント超構造モデル；（Ｂ）は、超構造の幾何的パラメーターを示す；および（Ｃ）は、超構造の端面図を示す。

Xiao, et al.上記の図４は、芳香環がフィラメント超構造を通じてどのように組織化されるかを、超構造を通る連続した伝導路を形成する空間的に近接する芳香環の鎖と共に示し（Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ）、また、この芳香環構造のＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ由来のＧｅｏｂａｃｔｅｒ相同性モデルとの比較を示す（Ｅ、Ｆ）：（Ａ）は、線毛モデルにおける芳香環を示す；（Ｂ）は、フィラメントの長さを通って反復する、隣接する芳香環の詳細を示す。環間の最も近い原子は３．５Å離れている。環の中心は４～５Å離れている。「Ｐ」は参照プロトマーを示す。「Ｐ＋３」および「Ｐ＋４」はそれぞれヘリックスアセンブリに沿ってより遠くの３番目および４番目のプロトマーを示す；（Ｃ）２１の単量体を含有するモデルの端面図（モデルの長さ２７５Å）；（Ｄ）モデルフィラメントの横断面（厚さ２２Å）、異なる単量体由来の残基が異なる陰影で示されている。Ｐｈｅｌ、Ｐｈｅ２４およびＴｙｒ２７の芳香環は不透明であり、横断面の中心を外れている；（Ｅ）Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓに基づくＧｅｏｂａｃｔｅｒ相同性モデルの横断面；（Ｆ）モデルにおける中心的なチャネルの非存在（左側）とそれに対して相同性モデルにおける中心的なチャネル（右側）。

本明細書の図１９は、この細菌由来の特定の主要なピリン鎖ＩＶａ型の結晶構造を示す（Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｄａｔａ ＢａｓｅエントリーＰＤＢ ＩＤ ２Ｍ７Ｇ＿Ａ）。リボンプロットおよび全ての側鎖を示す重ね合わせた球棒モデルを用いて可視化されたＸ線結晶構造から、ピリンタンパク質が、可視のアルファヘリックス構造、１３ターン長、および３つの芳香環側鎖を有することが示される。

図１９に示されているこのピリンタンパク質の特定のアミノ酸組成は、ＰＤＢエントリーから取得される以下の６１アミノ酸配列である：
ＰＤＢ： ２Ｍ７Ｇ＿Ａ Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ ｓｕｌｆｕｒｒｅｄｕｃｅｎｓの電気的に伝導性の細菌ナノワイヤ由来のＩＶａ型主要ピリンの構造：

。

Xiao, et al.上記には、芳香環により伝導の機構がもたらされること、およびさらに、環が、芳香環の半連続伝導性路が創出されるように、３Ｄ構造において近傍になるように配置されることが示されている。他の点では芳香環、多くの場合、チロシンが、タンパク質への伝導率の付与においていくらかの役割を果たし得ることが伝導性生物学的タンパク質の分野で公知である。伝導率は、少なくとも仮説上は、電子が豊富であり、環の周囲に高い伝導をもたらす芳香環の存在に起因する。

本開示のペプチドに関して、および生物学的伝導性タンパク質の観察に基づいて、芳香族アミノ酸を合成ペプチド配列に付加して、合成ペプチドアルファヘリックスの伝導率を増強することができる。種々の実施形態では、チロシン（Ｙ）を付加することができる。ある特定の態様では、３Ｄアルファヘリックス構造で互いに近傍になる場所に芳香族アミノ酸を付加して、芳香環がより密接かつ連続的な間隔になる伝導路を形成する。そのような例の１つが図１８に示されており、アルファヘリックスが反復モチーフＥＡＹＡＲ（配列番号３）に基づき、それにより、図１８に示されているｉ位およびｉ＋５位のチロシンが含まれ、それにより、ヘリックスの周りにらせん状になる環のパターンが導かれて、電子が構造を横断するための路を増強するヘリックス伝導がもたらされる。

種々の実施形態では、生物学的伝導性タンパク質の観察に基づいて、伝導率を増強するために、アルファヘリックス生物学的伝導性タンパク質由来のセグメント全体をタンデムリピートとして合成アルファヘリックスペプチドに組み入れる。これらのセグメントは生物学的配列と同一であり得る、または生物学的配列と、例えば、生物学的アミノ酸配列に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性など、高度に類似したものであり得る。分子ワイヤをバイオセンサーなどの水性媒体中で使用する場合などの種々の実施形態では、生物学的タンパク質から取得されたまたはそれから想起された配列の一部は、ヘリックスの溶解度を促進し、分子ワイヤを、基板上に移動または沈殿するのではなく溶液中で分子回路内に保持するために、および、水性媒体中での取扱い中、例えば、分子ワイヤの回路内への自己組織化、または、付着性酵素などの他の生体分子構成成分とのアセンブリの間の沈殿または凝集を防止するために、可溶性もしくは親水性セグメント、またはいかなる膜貫通セグメントも含有しないセグメントであるべきである。

種々の実施形態では、上記のピリン配列ＰＤＢ：２Ｍ７Ｇ＿Ａに基づく合成ヘリックスペプチド分子ワイヤを、生物学的アミノ酸配列由来の２６アミノ酸のセグメント（上で下線が引かれている）、すなわち、ＱＦＳＡＹＲＶＫＡＹＮＳＡＡＳＳＤＬＲＮＬＫＴＡＬＥ（配列番号１３）の抽出に基づいて形成し、この配列を合成ペプチドのコアの反復モチーフとして使用する。これは水溶性ドメインであり、このドメインの３つの反復を含む分子ワイヤ構造を有する完全な合成ペプチド、１つの例である配列ＱＦＳＡＹＲＶＫＡＹＮＳＡＡＳＳＤＬＲＮＬＫＴＣＬＥ（配列番号３１）および金結合性ペプチド配列である配列番号６は、以下のアミノ酸配列：

を含む。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号１４に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有する配列を含む。種々の実施形態では、合成ペプチドは、配列番号１４を含む。種々の実施形態では、そのような合成ペプチドは、分子電子回路の伝導性分子ワイヤとして機能する。

配列番号１４を含むこの構築物は、２６アミノ酸の生物学的セグメントの４つのタンデムリピートに基づくヘリックスセグメントを含有するが、第２の反復は、モチーフの２４位のＡを置き換えるシステイン（Ｃ）を含む。この内部に位置するシスチンは、例えば結合性プローブを合成ペプチドに付着させる、システイン－マレイミドコンジュゲーション反応のための特異的なコンジュゲーション部位として作用する。さらに、本開示に従って、この１０４アミノ酸のヘリックスセグメントはＮ末端およびＣ末端の両方を金結合性ペプチドＭＨＧＫＴＱＡＴＳＧＴＩＱＳ（配列番号６）の三重タンデムリピートで挟み、各反復および一次ヘリックスを分離するために柔軟な可溶性リンカー－ＧＳＧ－が使用されている。全体で、配列番号１４を有する合成ペプチドの長さは２０６アミノ酸であり、分子量は２１．３７ｋＤａであり、ｐＩ（タンパク質等電点、または中性電荷のｐＨ）は１０．０８であり、内部ヘリックスセグメントは１５．５ｎｍ長であり、およそ２８．９のヘリックスターンを有する。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、以下の１８７アミノ酸の配列を含む：

。

この合成ペプチドは、ヘリックスモチーフＥＡＡＡＲ（配列番号１）に基づく。これは、ターン当たり０．５４ｎｍ、およびターン当たり３．６アミノ酸というアミノ酸長および既知のアルファヘリックスピッチに基づいて、１５．６ｎｍの長さのアルファヘリックスセグメントを有する。配列は、ＧＳＧリンカーによって分離された、各端のパラジウム結合性ペプチドＱＱＳＷＰＩＳ（配列番号１６）の三重反復をさらに特徴とする。配列ＥＡＣＡＲ（配列番号１７）は、合成ペプチドの中心に位置するヘリックスモチーフである。このヘリックスモチーフは、合成ペプチドに、例えば、マレイミドまたはＡＰＮに基づくコンジュゲーション反応に使用するためのコンジュゲーション部位をもたらすために、中心に位置する単一のシステインをアラニン（Ａ）の代わりに用いて改変したＥＡＡＡＲ（配列番号１）である。配列番号１５では改変されたヘリックスモチーフＥＡＣＡＲ（配列番号１７）が正確に配列の中点に位置するが、部位特異的コンジュゲーション部位、この場合はＣが配列のいずれかの方向にシフトし得るので、この例は限定するものとみなされるべきではない。４１位および１４７位において、一次アルファヘリックスがリンカーＧＳＧに直接付着し、場合によってヘリックスの端において二次構造が破壊されるのを回避するために、一次アルファヘリックスの各端に単一のアラニン（Ａ）残基が存在する。その代わりに、介在するアラニンＡは、遷移性ヘリックス促進性アミノ酸をもたらし、何らかによってヘリックス構造の犠牲的部位として機能する。配列番号１５は、複数のパラジウム結合性ペプチド配列を切断する選択肢をもたらすために付加されたＴＥＶプロテアーゼ切断配列、ＥＮＬＹＦＱＧ（配列番号１８）も含む。他のＴＥＶプロテアーゼ切断配列は、Ｐ１’位のＧのＳ、Ａ、ＭまたはＣのいずれか１つによる置換えを含む。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号１５に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有する配列を含む。種々の実施形態では、合成ペプチドは、配列番号１５を含む。種々の実施形態では、そのような合成ペプチドは、分子電子回路の伝導性分子ワイヤとして機能する。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、以下の１６４アミノ酸の配列を含む：

。

この合成ペプチドは、ヘリックスモチーフＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）に基づく。この合成ペプチドは、ターン当たり０．５４ｎｍ、およびターン当たり３．６アミノ酸というアミノ酸長および既知のアルファヘリックスピッチに基づいて、１５．７５ｎｍの長さのアルファヘリックスセグメントを有する。配列は、ＧＳＧリンカーによって分離された、各端のパラジウム結合性ペプチドＱＱＳＷＰＩＳ（配列番号１６）の三重反復をさらに特徴とする。配列ＥＥＥＥＣＲＲＲ（配列番号２０）は、合成ペプチドの中心に位置するヘリックスモチーフである。このヘリックスモチーフは、合成ペプチド内に、例えばマレイミドまたはＡＰＮに基づくコンジュゲーション反応に使用するためのコンジュゲーション部位をもたらすために、ほぼ中心に位置する単一のシステインをアルギニン（Ｒ）の代わりに用いて改変されたＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）である。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号１９に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有する配列を含む。種々の実施形態では、合成ペプチドは、配列番号１９を含む。種々の実施形態では、そのような合成ペプチドは、分子電子回路の伝導性分子ワイヤとして機能する。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、以下の２２７アミノ酸の配列を含む：

。

この合成ペプチドは、ヘリックスモチーフＥＡＡＡＲ（配列番号１）に基づく。この合成ペプチドは、ターン当たり０．５４ｎｍ、およびターン当たり３．６アミノ酸というアミノ酸長および既知のアルファヘリックスピッチに基づいて、２５．４ｎｍの長さのアルファヘリックスセグメントを有する。配列は、ＧＳＧリンカーによって分離された、各端のパラジウム結合性ペプチドＱＱＳＷＰＩＳ（配列番号１６）の三重反復をさらに特徴とする。配列ＥＡＣＡＲ（配列番号１７）は、合成ペプチドの中心に位置するヘリックスモチーフである。このヘリックスモチーフは、合成ペプチド内に、例えばマレイミドまたはＡＰＮに基づくコンジュゲーション反応に使用するためのコンジュゲーション部位をもたらすために、中心に位置する単一のシステインをアラニン（Ａ）の代わりに用いて改変したＥＡＡＡＲ（配列番号１）である。配列番号２１では改変されたヘリックスモチーフＥＡＣＡＲ（配列番号１７）が正確に配列の中点に位置するが、部位特異的コンジュゲーション部位、この場合はＣが配列のいずれかの方向にシフトし得るので、この例は限定するものとみなされるべきではない。３１位および１９７位において、一次アルファヘリックスがリンカーＧＳＧに直接付着し、場合によってヘリックスの端において二次構造が破壊されるのを回避するために、一次アルファヘリックスの各端に単一のアラニン（Ａ）残基が存在する。その代わりに、介在するアラニンＡは、遷移性ヘリックス促進性アミノ酸をもたらし、何らかによってヘリックス構造の犠牲的部位として機能する。

種々の実施形態では、本開示による合成ペプチドは、配列番号２１に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有する配列を含む。種々の実施形態では、合成ペプチドは、配列番号２１を含む。種々の実施形態では、そのような合成ペプチドは、分子電子回路の伝導性分子ワイヤとして機能する。

分子ワイヤとして機能することが可能な他の合成ペプチドが本発明と同じ原理を使用して構造的に考えられること、および、上の例は、単にこれらの原理を例示するものであり、範囲を限定するものではないことが理解されるべきである。そのような合成ヘリックスペプチドが基づくピリンに加えて、コラーゲンフィラメント、ダイニン、キネシン、分子モーターの構成成分、シトクロムの要素、または免疫グロブリンの鎖などの、他の生物学的天然に存在する伝導性タンパク質ヘリックスが存在することが理解される。

分子電子回路における分子架橋として使用可能な合成伝導性ペプチドの構造的バリエーション
ヘリックス架橋の長さ：種々の実施形態では、本発明の合成ペプチドを、１つもしくは複数のヘリックスセグメントを短くするもしくは長くすることによって、および／または、ヘリックスモチーフの繰返しを拡大するもしくは減少させることによって、特定の長さになるように設計することができる。存在する全てのヘリックスモチーフを、任意の長さのヘリックスを規定するものとみなすことができ、例えば、合成ペプチド、ＥＡＡＡＲ．．．．ＥＡＡＡＲにおいてモチーフＥＡＡＡＲ（配列番号１）を無制限に反復することができ、これから取得される任意の配列セグメントにより、任意の所望の長さの架橋ヘリックスがもたらされ得る。図１または図１２に示されているものなどの、間隔が離れた電極の間に橋を架けるために使用されるペプチド架橋に関しては、好ましい長さは、５ｎｍから１００ｎｍまで、およびより好ましくは１０ｎｍから５０ｎｍまで、および最も好ましくは１５ｎｍから４０ｎｍまでである。図１３に示されているものなどの、プローブ分子と電極の間の接続アームとして使用される合成ペプチドに関しては、好ましい長さは、２ｎｍから５０ｎｍまで、およびより好ましくは５ｎｍから３０ｎｍまで、および最も好ましくは７ｎｍから２０ｎｍまでである。天然に存在するヘリックス配列、すなわち、生物学的起源のタンパク質内に存在するアルファヘリックス配列に関しては、これらから取得したサブセグメントをより短い架橋として使用することができ、ヘリックス配列の全てまたはサブセグメントまたはセグメントを反復することによって形成された配列により、天然に存在するアルファヘリックスと比べてより長い架橋が可能になる。

アミノ酸配列類似性：上記のヘリックスアミノ酸配列に関して、同様の特性および有用性を有し得る他の好ましい配列は、提供される配列に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有する配列を含む。同様に、任意の天然に存在するアルファヘリックス配列に関して、これから取得した、天然の形態に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列類似性を有する少なくとも５アミノ酸のセグメントにより、好ましい架橋ヘリックス、または反復して架橋ヘリックスを創出するセグメントをもたらすことができる。

機能的に類似したアミノ酸置換：本明細書に記載のヘリックス配列のいずれかに関して、ヘリックス構造および他の機能性が保持されると予測することができるある特定の個々のアミノ酸置換を行うことができる。例えば、ヘリックス内の１つまたは複数のアミノ酸を、ヘリックス構造を促進するアミノ酸で置き換えることにより、構造および有用性が同様のヘリックスがもたらされることが予測され得る。特に、アミノ酸Ａ、Ｍ、Ｌ、ＥおよびＫによりヘリックス形成が促進され、特に、これらでヘリックス内のアミノ酸を置換することができ、ヘリックス構造が保持される可能性が高いことが公知である。より一般的には、各アミノ酸に対して、それらのヘリックスを形成するもしくはヘリックス構造と適合する傾向、または天然に存在するヘリックスにおいてより頻繁に生じる傾向を順位付けるスコアが開発されている。同様にまたはより良好にスコア化されるアミノ酸による置換では、ヘリックス構造が保存される、またはさらには増強されることが予測される。そのようなスコアの１つは、ヘリックス傾向である（参照：Pace, C. N., & Scholtz, j. M. (1998). A helix propensity scale based on experimental studies of peptides and proteins. Biophysical journal, 75(1), 422-427、アミノ酸が、以下の通り、ヘリックスに対する適合性が最大（低スコア）から最小（高スコア）まで数値的に順位付けられる：Ａｌａ＝０、Ｌｅｕ＝０．２１、Ａｒｇ＝０．２１、Ｍｅｔ＝０．２４、Ｌｙｓ＝０．２６、Ｇｌｎ＝０．３９、Ｇｌｕ＝０．４０、Ｉｌｅ＝０．４１、Ｔｒｐ＝０．４９、Ｓｅｒ＝０．５０、Ｔｙｒ＝０．５３、Ｐｈｅ＝０．５４、Ｖａｌ＝０．６１、Ｈｉｓ＝０．６１、Ａｓｎ＝０．６５、Ｔｈｒ＝０．６６、Ｃｙｓ＝０．６８、Ａｓｐ＝０．６９、およびＧｌｙ＝１。

さらに、ＥＡＡＡＲモチーフ（配列番号１）およびＥＥＥＥＲＲＲＲモチーフ（配列番号２）によって例示されるものなどの、ヘリックスで空間的に近接するｉ位およびｉ＋４位またはｉ＋５位に位置する逆に荷電したアミノ酸の間で形成される塩橋を、一般に負に荷電したアミノ酸｛Ｅ、Ｄ｝と塩橋を形成する正に荷電したアミノ酸｛Ｒ、Ｋ、Ｈ｝を含む、任意の塩橋を形成するアミノ酸の対を置くことによって形成することができる。したがって、本明細書に記載の任意の配列から開始し、配列内のｉ位の｛Ｒ、Ｋ、Ｈ｝のうちの１つ、およびｉ＋４またはｉ＋５の｛Ｅ、Ｄ｝のうちの１つを置換することにより、すでに存在するものが維持されるか、またはおそらく安定性もしくは伝導率が増強されたものが追加されて塩橋が形成されることが予測される。例えば、記載のモチーフＥＡＡＡＲ（配列番号１）およびＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）により、ＤＡＡＡＫ（配列番号２２）、およびＥＥＤＤＲＫＨＫ（配列番号２３）などの機能的に置換されたモチーフが示唆される。ヘリックス内に存在する芳香環アミノ酸の場合、または伝導率を潜在的に上昇させるためのそのような導入に関しては、Ｆ、Ｗ、Ｖ、またはＰなどの、芳香環アミノ酸のいずれかを考慮することができる。

より一般的には、荷電（正、負）、極性、疎水性もしくは親水性、または芳香族などの、同様の群へのアミノ酸の分類も、同様の機能性を有することが予測される、所与のアミノ酸を同種のアミノ酸で置き換える多数の置換のガイドとなる。そのような置換は全て、本明細書に記載の例示的配列に適用することができる改変の範囲内に入る。

非標準アミノ酸置換。非標準アミノ酸（ＮＡＡ）は、非天然アミノ酸（ＵＡＡ）としても公知であり、生物学的タンパク質内に存在する２２種以外のアミノ酸である。特に、標準のアミノ酸の代替として使用することができる、標準のアミノ酸の化学修飾された形態であるそのようなＮＡＡが多く存在する。これらを、ペプチド化学合成、もしくは非標準遺伝暗号が実行された発現系における発現を使用して、またはタンパク質内に存在する標準のアミノ酸になされた化学修飾を通じて、タンパク質に組み入れることができる。そのようなＮＡＡは、それでもなお、ヘリックス傾向、塩架橋、芳香環、スペーサー／リンカー、または電極への結合という重要な設計原理を－特に、これらがこれらの特性を具体化する同類の標準アミノ酸の修飾された形態である場合に、具体化することができる。したがって、同様の形態のＮＡＡである標準のアミノ酸の置換により、同様の構造および有用性がもたらされることが予測される、本明細書に記載の配列に行うことができる大きなクラスの変更がもたらされる。これらのＮＡＡは、ペプチド化学合成を使用して、または非標準遺伝暗号が実行された発現系における発現によって、またはタンパク質内に存在する標準のアミノ酸になされた化学修飾を通じて、タンパク質に組み入れることができる。

リンカーバリエーション：提示される例では、アミノ酸配列ＧＳＧを、一次ヘリックス間、および端における１つまたは複数の結合性基間の架橋の端においてリンカー／スペーサーとして使用する。そのようなリンカーの大きな多様性がタンパク質工学の当業者に公知であり、タンパク質内の目的の機能的ドメイン間の間隔を空けるまたは立体的干渉を低減するために使用されており、また、それらの多くを本明細書に記載の配列に代替リンカー／スペーサーとして使用することができる。例えば、他の一般的なリンカーは、例えばＧ、ＧＳ、ＳＧ、ＧＳＧＳ（配列番号２４）、ＧＳＳＳＧＳＳＳＧ（配列番号２５）などのＧ／Ｓ配列である。より一般的には、｛Ｇ、Ｓ｝リッチ配列により、都合がよく一般に使用されるリンカーがもたらされる。より一般的には、リンカー／スペーサーの大きな多様性が文献において使用されており、これらのいずれも本明細書に記載の配列における代替リンカーとして適し得る。一般に、これらのリンカーは、柔軟な親水性の鎖を形成する配列である傾向があり、これは、高｛Ｓ、Ｇ｝含有量の短い配列によって都合よく行うことができる。そのようなリンカーは、短いことが好ましく、１～１０アミノ酸であることが好ましいが、それよりも長いアミノ酸も同様に機能し得る。多様な適用に使用される種々のリンカー／スペーサーの編集は、ｈｔｔｐ：／／ｐａｒｔｓ．ｉｇｅｍ．ｏｒｇ／Ｐｒｏｔｅｉｎ＿ｄｏｍａｉｎｓ／Ｌｉｎｋｅｒにおいて見いだされ得る。ＧＳＧなどのペプチドリンカー／スペーサーに加えて、他の柔軟な分子リンカーを使用することができ、化学合成によって作出されたペプチドの場合では、ペプチド鎖への非アミノ酸エレメントの付加が可能になる。１つの一般的なそのようなファミリーは、Ｃ３、Ｃ６またはＣ１２などの短い炭素鎖リンカーである（炭化水素３個、６個、または１２個の鎖）。そのような場合では、これらまたは他の短い分子リンカーをＧＳＧなどのペプチドリンカーの代わりに使用することができる。

ステープルヘリックス（ｓｔａｐｌｅｄ ｈｅｌｉｘ）：アルファヘリックスを安定化するために使用される公知の技法は、ヘリックスのターンを一緒に化学的に連結するための、それらの間の炭化水素ステープルの使用である。本明細書に記載のヘリックスはいずれも、ヘリックスをさらに安定化するために、１つまたは多数のステープルを含むように改変することもできる。そのような方法は、例えば、Hydrocarbon-Stapled Peptides: Principles, Practice, and Progress, Loren D. Walensky and Gregory H. Bird, Journal of Medicinal Chemistry , 57 (15), 6275-6288 (2014)に記載されている。

機能的に類似したモチーフバリエーション：本明細書に記載のヘリックスモチーフは、同じ設計原理を具体化する多くの直接伸長を有する。例えば、モチーフＥＡＡＡＲ（配列番号１）から、機能的に類似したモチーフＥＡＡＡＲＲＡＡＡＥ（配列番号２６）またはＥＡＡＡＲＡＡＲＡＡＡＲ（配列番号２７）などが示唆され、これらは、ヘリックス形成アミノ酸Ａを使用し、ｉ位置とｉ＋４位置の間に形成され得るＥ－Ｒ塩橋を有する。または、例えば、モチーフＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）から、機能的に類似したモチーフとしてより長い形態のＥＥＥＥＲＲＲＲＲＲＲＲＥＥＥＥ（配列番号２８）が示唆され、これは、それでもなお、各Ｅ／Ｒがｉ＋４ Ｒ／Ｅと対形成する。提示されるモチーフ、ＥＡＡＡＲ（配列番号１）およびＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）は、これらのファミリーのうちの単に最も単純かつ／または最も短いものであり、一方で多くのより長くかつ／またはより複雑なモチーフパターンにより同じ原理が具体化される。

一般的な架橋アーキテクチャ：配列番号１４、１５、１９および２１などの本明細書に提示される配列の具体例を越えた合成ペプチド構造の範囲は、以下の一般式を含む合成ペプチドを含む：
［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍ
（式中、
各Ｘ^１は、独立に、約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチド、プロテアーゼ切断配列、またはペプチド捕捉用タグであり、
各Ｘ^２は、独立に、グリシン／セリン｛Ｇ、Ｓ｝リッチリンカーまたはＣ１～Ｃ２０炭素鎖分子リンカーであり、
各Ｘ^３は、独立に、共有結合、単一のアミノ酸、遷移性ヘリックス促進モチーフ、金属結合性基、または約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチドであり、
各Ｘ^４は、独立に、約４～約４０アミノ酸を含むアルファヘリックスモチーフであり、
各ｍは、独立に、０～４であり、
ｎは１～４０である。

合成ペプチドの種はそれぞれ属［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍ内に包含され、本明細書において定義されているモチーフ、ならびにｎおよびｍの範囲のそれぞれが、例えば、図２に例示されている通り、間隔が離れた電極に架橋する伝導性分子ワイヤとして、または、例えば、図１３に例示されている通り、電極と結合性プローブ上の特定の部位との間をコンジュゲートする合成ペプチドアーム分子として使用される。伝導性合成ペプチドの有用性の差異は、少なくとも一部において、例えばプローブ分子を合成ペプチドに付着させるためのコンジュゲーション部位が合成ペプチドの配列に沿ってもたらされるか否か、ならびに［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍおよびＸ^３モチーフの構成、例えば、これらのモチーフが金属電極または結合性プローブなどの生体分子に結合するように設計されているかどうか、ならびに合成ペプチドの末端が同一であるか異なるかによって決定される。上記の通り、合成架橋ペプチドを、ペプチド配列内、例えば、合成ペプチドの長さに沿って中点付近にシステイン（Ｃ）または他のコンジュゲーション部位を有すると特徴付けることができる。すなわち、Ｘ^４アルファヘリックスモチーフの少なくとも１つがシステイン残基などのコンジュゲーション部位を含み得る。種々の実施形態では、Ｘ^１モチーフは、材料結合性ペプチドを含み、これは、－ＧＳＧ－などのグリシン／セリンリッチリンカーＸ^２が介在する三つ組で配置され得る。これらの場合では、ｍが０でない場合、Ｘ^３を、三つ組の配置の材料結合性配列と反復アルファヘリックスモチーフで構成されるコアアルファヘリックスセグメントとの間のスペーサーとして使用することができる。ある特定の例では、ｍが０でない場合、Ｘ^３は、アラニン（Ａ）のような遷移性ヘリックス促進性アミノ酸であり得る。遷移性ヘリックス促進性アミノ酸が所望でない場合には、Ｘ^３は単に共有結合であり得る。

上記の他の例では、［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍ末端モチーフの一方または両方の全体が総じて存在しない、すなわち、ｍ＝０の場合があり得る。ｍ＝０の種々の実施形態では、［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍセグメントが存在しないことを意味し、Ｘ^３が合成ペプチドの末端領域、一方の端または両端のいずれかの結合性モチーフの役割を引き受け得る。例えば、ｍ＝０では、Ｘ^３は、システインを含み得る（ペプチド末端に単一の－ＳＨ基をもたらすために）、または、２つもしくはそれよりも多くのシステインアミノ酸のひと続き、もしくは材料結合性ペプチドなどの、特定のコンジュゲーションのためのより複雑な配置を含み得る。他の場合では、ｍ＝０の場合、Ｘ^３は、特異的結合のためのアジドまたは他の官能基を有する非天然アミノ酸を含み得る。

上記の一般的な考察により、合成ペプチドに種々の物理的特質を付与するためにモチーフをどのように選択するかに関するいくらかの展望がもたらされるが、以下のモチーフの選択肢により、合成ペプチドの一般式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍの範囲がさらに規定される：

種々の実施形態では、各Ｘ^１は、約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチド、プロテアーゼ切断配列、またはペプチド捕捉用タグのいずれか１つを含み得る。ある特定の例では、Ｘ^１は、配列番号６、７、８、９、１０、１１、１６、１８または２９のいずれか１つに対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む。ある特定の例では、Ｘ^１は、配列番号６、７、８、９、１０、１１、１６、１８または２９のいずれか１つを含む。種々の実施形態では、Ｘ^１は、特定の金属に結合するように構成された配列を含む。Ｘ^１の各例を独立に選択することができ、したがって、必要であれば、合成ペプチドのＮ末端とＣ末端を異なるものにできることを想い出すことが重要である。結合性ドメインとして構成する場合、Ｘ^１は、材料結合性ペプチド、もしくは介在するリンカーＸ^２によって分離された一連のそのような材料結合性ペプチド配列からなり得る、または、種々の金属もしくはコンジュゲーション基マレイミドに結合することができるシステインなどの、ある特定の材料もしくは官能基と結合／コンジュゲートするアミノ酸を含み得る。結合性ドメインはまた、チオール、ビオチン、マレイミド、ＡＰＮ、リシン、アジド、もしくはアミン、またはコンジュゲーション化学の当業者に公知の多くの他のものなどの他の公知のコンジュゲーション基も含み得る。ペプチド標的タグは、ＦＬＡＧエピトープタグ、ＨＩＳタグ（ポリ－ヒスチジン）、Ｍｙｃタグ、ＨＡ、ＧＳＴ、もしくは他のエピトープタグなどの、抗体のペプチド標的、または、コンジュゲーション標的であるａｖｉｔａｇ、もしくはアルデヒドタグなどのペプチド基を含有し得る。他の例では、Ｘ^１は、合成のためにペプチドの一方の末端に捕捉タグを含み得る、または、一方もしくは両方の末端は、プロテアーゼ切断配列を含み得、したがって、合成ペプチドを、例えば、予め結合していた電極もしくは他の回路素子、またはコンジュゲートし得る他の生体分子から、他のエレメントとカップリングする前またはその後に消化することができる。

種々の実施形態では、Ｘ^２は、グリシン／セリンリッチリンカーまたは炭化水素型リンカーを含み得る。前者に関しては、非限定的な選択肢として、他のグリシン／セリンリッチ配列の中でも、少なくとも１０またはそれよりも多くのアミノ酸に至るまで、Ｇ、Ｓ、－ＧＳ－、および－ＧＳＧ－が構想される。リンカーＸ^２は、「Ｃ１～Ｃ２０炭素鎖分子リンカー」と称される「テザー」も含み得る。Ｃ１～Ｃ２０炭素鎖分子リンカーの性質に対する唯一の制限は、リンカーにより合成ペプチドの１つの部分を別の部分に係留することができるように、二価であることである。種々の実施形態では、そのようなリンカーとしては、これだけに限定されないが、メチレン－ＣＨ_２－およびそのホモログ、－（ＣＦ_２）_ｐ－（式中、ｐ＝１～約２０）、１ＥＯから約１０ＥＯまでのエトキシレート、１，４－フェニレン、－ＣＯ_２－、－Ｃ（Ｏ）－ＮＨ－などが挙げられる。Ｃ１～Ｃ２０リンカーは、炭素原子およびヘテロ原子の任意の組合せも含み得、また、非環式、環式、脂肪族、もしくは芳香族、またはこれらの組合せであり得る。種々の実施形態では、Ｘ^２は、アミノ酸配列およびＣ１～Ｃ２０非アミノ酸種の組合せを含み得る。Ｘ^２の長さは、ある特定のデバイスに対して、例えば、金属電極の接触面積に応じて、または、合成ペプチドに結合したプローブ分子と金属電極の間の所望の分離距離を実現するために、カスタマイズすることができる。例えば、材料結合性ペプチドＸ^１を合成ペプチドのほぼ中点（すなわち、［Ｘ^４］_ｎセグメントの中心付近）に付着した結合性プローブから離して間隔を空けるために、Ｘ^２を故意に長くすることができる。

種々の実施形態では、モチーフＸ^３は、共有結合、単一のアミノ酸、遷移性ヘリックス促進モチーフ、金属結合性基、または約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチドを含み得る。考察した通り、Ｘ^３の選択は、特にｍ＝０の場合にはＸ^１の選択に少なくとも部分的に依存し、合成ペプチドの末端はＸ^３の性質によって完全に規定される。Ｘ^３が「共有結合」を含む場合、Ｘ^３は合成ペプチドに存在せず、［Ｘ^４］_ｎによって規定される内部アルファヘリックスセグメントの端はＸ^２と直接結合する。言い換えれば、Ｘ^３が共有結合であり得ると述べることは、Ｘ^３の存在が必要に応じたものであると述べることと等価である。種々の実施形態では、Ｘ^３は、アラニン（Ａ）などの単一のアミノ酸を含み得、これは、［Ｘ^４］_ｎによって定義されるアルファヘリックスセグメントを損なわないスペーサーとして機能する。種々の実施形態では、Ｘ^３は、１つだけのアミノ酸よりも長いスペーサーを含み得、アルファヘリックス二次コンフォメーションを促進するスペーサーである遷移性ヘリックス促進モチーフを含み得る。そのような遷移性ヘリックス促進モチーフは、最大で約５アミノ酸を含み得、ポリ－アラニン配列のように単純なものであり得る。

種々の実施形態では、例えば、ｍ＝０の場合、Ｘ^３は、金属結合性基を含み得る。そのような金属結合性基の選択は、本明細書において詳細に考察されており、チオール基、カルベン、アミン基、ジアゾニウム基、または、Ａｕ、ＰｔもしくはＰｄなどの金属に少なくともいくらかの程度まで結合することができる任意の他の官能基などの種を含む。種々の実施形態では、金属結合性基は、チオール基をもたらすアミノ酸（すなわち、システイン）、またはアミノ酸に対してネイティブではない官能基を含むように誘導体化され、金属と結合することができるアミノ酸を含み得る。言い換えると、Ｘ^３は、単一のアミノ酸を含み得るが、選択される単一のアミノ酸は、アルファヘリックスコンフォメーションを促進するスペーサーとして機能させるためのものではなく、単一のアミノ酸を、金属と結合することができる官能基をもたらすことが理由で選択することができる。種々の実施形態では、Ｘ^３は、２つまたはそれよりも多くのシステイン残基、例えば、６つまたはそれよりも多くのシステインのひと続きなどを含み得る。種々の実施形態では、Ｘ^３は、上記の通り、ＣＣＣＧＣＣ（配列番号５）などのテトラ－システインＦＬＡＳＨ結合性モチーフＣＣＸＸＣＣ、（Ｘ＝任意のアミノ酸）を含み得る。種々の実施形態では、Ｘ^３は、ＦＬＡＳＨ結合性モチーフＣＣＸＸＣＣを含み得、ここで、ＸＸはプロリン－セリンである、すなわち、ＣＣＰＳＣＣ（配列番号３４）である。

種々の実施形態では、合成ペプチドのヘリックスコア部分、すなわち［Ｘ^４］_ｎは、ＱＦＳＡＹＲＶＫＡＹＮＳＡＡＳＳＤＬＲＮＬＫＴＡＬＥ（配列番号１３）または配列番号１もしくは２を含む反復モチーフなどの、その部分に対するアルファヘリックス二次構造を促進する任意のアミノ酸配列の反復を含み得る。例から明らかになる通り、反復整数ｎ、および反復アルファヘリックスモチーフＸ^４の配列の長さは、合成ペプチドの全体の長さに対して甚大な影響を有し得、これらの変数はどちらも、末端部分の選択と共に、合成ペプチドの非常に正確な長さを規定するように操作することができる。言及した通り、合成ペプチドを、間隔が離れた電極に架橋するまたは生体分子を分子電子回路内の電極と接続する分子ワイヤとして使用する場合、合成ペプチドの予測可能かつ正確な長さが重要である。

ヘリックス内、例えば、反復されて合成ペプチドのアルファヘリックスコアを規定するＸ^４アルファヘリックスモチーフの少なくとも１つ内のコンジュゲーション部位は、システイン、もしくはリシンなどのアミノ酸であり得る、または、遊離アジド基が付着したリシン、もしくはビオチンが付着したリシンなどの修飾アミノ酸、または化学修飾もしくは合成によってペプチド内に位置付けられた修飾アミノ酸もしくは非アミノ酸部位であり得る。さらに、およびそのような一次コンジュゲーション部位を、コンジュゲーションのために他の基に化学的に官能化または変換すること、例えば、システインと反応するアジド－マレイミド二官能性リンカーを使用することによってシステインをアジドに変換することができる。一次コンジュゲーション部位から所望のコンジュゲーション基への多くの他のそのような変換が可能であり、コンジュゲーション化学の当業者に周知である。

種々の実施形態では、式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍの合成ペプチドは、配列番号１４に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む。特定の例では、合成ペプチドは、配列番号１４を含む。

種々の実施形態では、式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍの合成ペプチドは、配列番号１５に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む。特定の例では、合成ペプチドは、配列番号１５を含む。

種々の実施形態では、式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍの合成ペプチドは、配列番号１９に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む。特定の例では、合成ペプチドは、配列番号１９を含む。

種々の実施形態では、式［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍの合成ペプチドは、配列番号２１に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む。特定の例では、合成ペプチドは、配列番号２１を含む。

架橋分子の製作：化学的ペプチド合成およびタンパク質発現の公知の方法を使用して本明細書に記載の架橋分子を作製することができる。化学的カップリングステップにおいてアミノ酸を段階的に付加して目的の鎖を合成する化学的ペプチド合成の場合では、修飾／非天然アミノ酸を付加すること、ならびに、化学的リンカーまたはコンジュゲーション基などの内部または末端非アミノ酸基を付加することも可能である。タンパク質発現の場合では、標的架橋をアミノ酸全体に行わなければならず、対応する遺伝子を作製し、Ｅ．ｃｏｌｉ細菌などの生物学的発現系に入れ、遺伝子を発現させて、得られるタンパク質を産生させ、次いでそれを培養細胞から抽出し、精製する。そのようなタンパク質をさらに化学修飾して、ある特定の所望の基を作製すること、例えば、システインをマレイミドと反応させて、その部位の他の基とコンジュゲートさせること、または、リシンをＮＨＳと反応させること、または末端アミノもしくはカルボキシ基と反応させることができる。これらの方法のいずれかによって作出された架橋は、一般に、これらのプロセスをサービスとして実施している民間のベンダーから注文することができる。非標準アミノ酸を使用するための遺伝子改変された発現系を使用してそのようなＮＡＡをタンパク質産物に挿入することもできる。

本発明の原理は、上記の単鎖ヘリックスペプチドの束として組織化された分子ワイヤにも拡張される。例えば、上記で概説された３つのヘリックス鎖で形成された三重ヘリックスはこの概念のさらなる拡張である。そのようなクラスの一実施形態に関しては、そのような例は、三重ヘリックスを天然に形成する合成形態のコラーゲンに基づくものであり得る。同様に、ピリンは、多重鎖超構造に天然に組織化し、したがって、同様の多鎖構築物を、ピリンによって促される合成分子ワイヤから形成することができる。

分子エレクトロニクスにおける分子ワイヤとしての合成ペプチドの使用
本開示による伝導性合成ペプチドには少なくとも２つの注目すべき適用がある。本開示による伝導性合成ペプチドは、例えば図３、４、５および６に示されている通り他の極めて重要な分子回路素子間の伝導性接続を形成するための分子ワイヤとして使用することができる。これらの例示されているデバイスでは、ペプチドの主要な機能は、電子または他の電荷担体の回路を通じた輸送を過度に妨害しない伝導性路をもたらすことである。別の注目すべき適用では、合成ペプチドの伝導率がその直接の環境との相互作用に起因して変動し、その場合、センサー構築の一部として機能し得る。

一部の実施形態では、ワイヤは、環境内の分子、例えば、気体環境では気体分子、または液体環境では溶液中の分子と直接相互作用し、これらの相互作用の結果として伝導率または抵抗性が変化する（図１を参照されたい）。図２に示されているものなどの他の実施形態では、二次分子を電極にまたがる主要分子ワイヤにコンジュゲートし、この二次分子とその結合標的の相互作用により、ワイヤの伝導率を調節する局所的な環境変化が創出され得、それにより、図２に示されている通り電圧印加下でこの複合体を通る電流をモニタリングすることによって、これらの相互作用に対するセンサーがもたらされる。そのようなセンサーシステムでは、酵素と係合した標的基板に起因する局所的な電荷の乱れにより一次ワイヤを通る電荷輸送が乱され、したがって、プロット挿入図におけるｉ対ｔ電流の増大変化によって示されるように時間に対する伝導率または電流の変化として記録される。情報価値のある電流の変化は、増大もしくは減少、パルス、または他の時間変動であり得る。

例示目的で、本開示の範囲を限定するものではなく、図２～１０および１２～１４は、分子電子回路において分子ワイヤとして機能する本明細書に開示される合成ペプチドの１つまたは複数を含む種々のそのような分子センサー構築物を例示し、合成ペプチドが種々の図において球棒表示として（図１～８）または長く薄い棒として（図９～１０、および１２－１４）概略的に示されている。合成ペプチドを電極および／または他の分子に接続するために使用するコンジュゲーションシステムが図面において合成ペプチド／生体分子および合成ペプチド／電極または基板の交差点の小さな影付きの四角によって概略的に示されている。そのようなコンジュゲーション点は、クリックケミストリーカップリング、チオール－金属結合、ビオチン－アビジン結合、材料結合性ペプチド、ジアゾニウム－金属結合、カルベン－金属結合、システイン－マレイミドカップリング、アミン反応性架橋結合、または化学的なコンジュゲーション、バイオコンジュゲーション、もしくは材料表面コンジュゲーションの当業者に公知の多くの他のものなどの、２つの分子／原子（金属）構成成分間の特定の接続を作出するための任意の公知の分子コンジュゲーションを表し得る。このコンジュゲーションに必要な同類のエレメントは、一般には、本発明で設計および製造される合成ペプチドの構造および付着部位に組み込まれる。簡単に述べると、分子ワイヤとして機能する合成ペプチドを含む電子構築物が以下の通り図面に例示されている：

図２は、２つの電極にまたがる合成ペプチドとコンジュゲートした結合性プローブ分子を示す。この回路はセンサーとして機能し、印加電圧の下で、プローブ分子がその同類の標的分子に結合するとワイヤの伝導率が調節されることにより、電流増大シグナル（伝導率の上昇）が生じる。種々の実施形態では、結合性プローブ分子は、ポリメラーゼなどの酵素を含み、センサーはＤＮＡの配列決定に使用可能である。

種々の実施形態では、図２のセンサーは、前進型酵素分子エレクトロニクスセンサーを含む。種々の例では、センサーは、第１の電極と、第１の電極から電極ギャップによって間隔が空いた第２の電極と、第１および第２の電極に電気的に接続され、それらの間のギャップに架橋する、本開示による合成ペプチドとコンジュゲートした前進型酵素を含むセンサー複合体とを含む。前進型酵素は、ネイティブなまたは遺伝子操作されたポリメラーゼ、逆転写酵素、ヘリカーゼ、エキソヌクレアーゼ、またはウイルスＤＮＡのパッケージング用の分子モーターを含み得る。機能するセンサーに関しては、トランスインピーダンス増幅器が第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方に電気的に接続されており、このトランスインピーダンス増幅器により測定可能な電気的パラメーターを含む出力がもたらされ、測定可能な電気的パラメーターは、前進型酵素の酵素活性に対応する区別可能なシグナルを含む。

図３は、結合性プローブ分子が、間隔が離れた電極の対に、アーム分子として機能する２つの合成ペプチドによって直接電気的に接続された構成を示す。合成ペプチドはここでは主にプローブ分子に対する伝導性コネクターとして機能し、プローブ分子はその同類の標的に結合するとそれ自体の伝導率が変化する。中心点からペプチドの配列に沿ったコンジュゲーションは必要ないので、アーム分子として使用するための本発明の合成ペプチドは末端が官能化されているだけでよい。本開示による合成ペプチドが組み入れた図２または図３のいずれかの構成は、ＤＮＡ配列決定のためのセンサーとして使用することができる。

種々の実施形態では、分子電子回路は、基板上のナノギャップによって間隔が空いた第１および第２の電極、ならびに、第１および第２の電極の両方に電気的に接続され、したがって、ナノギャップを架橋する合成ペプチドを含む。この実施形態は、例えば、図２に表されている。種々の実施形態では、基礎をなす基板はＳｉＯ_２を含む。種々の実施形態では、電極は、Ａｕ、ＰｔまたはＰｄなどの金属を含む。種々の実施形態では、第１および第２の電極は、回路内の正電極および負電極である。種々の実施形態では、架橋性合成ペプチドをポリメラーゼ酵素などの結合性プローブとコンジュゲートする。コンジュゲーション部位は、付着したポリメラーゼが電極の対のいずれの電極とも接触しないように、合成ペプチド配列の実質的に中央に位置し得る。種々の実施形態では、例えば、基板に埋まったゲート電極など、電極間および架橋性ペプチドの下にゲート電極を置くことができる。種々の実施形態では、トランスインピーダンス増幅器が第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方に電気的に接続されており、このトランスインピーダンス増幅器により、測定可能な電気的パラメーターを含む出力がもたらされる。測定可能な電気的パラメーターは、架橋性ペプチドとコンジュゲートした結合性プローブが関与する結合事象に対応する区別可能なシグナルを含む。

種々の実施形態では、分子電子回路は、基板上のナノギャップによって間隔が空いた第１および第２の電極、ならびに、ポリメラーゼ酵素などの結合性プローブを第１および第２の電極の両方に電気的に接続し、したがって、ナノギャップに架橋し、電気的伝導性経路が結合性プローブの一部を通るように強いるアーム分子として機能する２つの合成ペプチドを含む。この実施形態は、例えば図３に表される。種々の実施形態では、基礎をなす基板はＳｉＯ_２を含む。種々の実施形態では、電極は、Ａｕ、ＰｔまたはＰｄなどの金属を含む。種々の実施形態では、第１および第２の電極は、回路内の正電極および負電極である。２つの合成ペプチドアーム分子の長さにより、結合性プローブがどのように電極間の中央に位置するかが決定され、これらの長さを、付着したポリメラーゼが電極の対のいずれの電極とも接触しないように正確に操作することができる。種々の実施形態では、例えば、基板に埋め込まれたゲート電極など、電極間および架橋性ペプチドの下にゲート電極を置くことができる。種々の実施形態では、トランスインピーダンス増幅器が第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方に電気的に接続されており、このトランスインピーダンス増幅器により、測定可能な電気的パラメーターを含む出力がもたらされる。測定可能な電気的パラメーターは、ペプチドアーム分子によって回路内に電気的に配線された結合性プローブが関与する結合事象に対応する区別可能なシグナルを含む。

図２および３に関して記載されており、本開示による１つまたは複数の合成ペプチドを含むものなどのセンサー回路をチップ上のアレイとして配置することができ、したがって、複数のそのようなセンサーをＤＮＡ配列決定のためのシステムとして作動させることができる。システムの種々の態様では、システムは、センサーのアレイを含み、測定可能な電気的パラメーターの測定を実施する画素回路を支持するＣＭＯＳセンサーアレイチップをさらに含む。

システムの種々の態様では、システムは、ＣＭＯＳセンサーアレイチップ；チップの電気的な入力およびデータ出力を制御および管理するための電子ハードウェアシステム；緩衝液中の合成ＤＮＡ分子をチップに導入するための流体システム；ならびに区別可能なシグナルを捕捉するためおよび区別可能なシグナルを情報に変換し戻すための信号処理およびデータ記録システムのうちの少なくとも２つを含む。

図４～１０および１２～１４は、本開示の種々の実施形態に従った１つまたは複数の合成ペプチドを含む分子電子回路の他の構成を例示する。これらの回路は、図２および３に関して上記のバイオセンサーの一部であり得、これらのセンサーを考察している通りチップ上のアレイに配置することができる。

図４は、プローブ分子が、内部アルファヘリックスをその構造の一部として有し、タンパク質の内部アルファヘリックスの端を正電極および負電極と接続してプローブ分子の一部を通る伝導性経路をもたらす２つの合成ペプチドを有するタンパク質である、特別な場合の分子電子回路を示す。

図５は、代わりに合成ペプチドアーム分子をタンパク質プローブ分子内の内部ベータシートと接続し、再度好ましい伝導路を創出する、別のバージョンを示す。

図６は、３つの合成ペプチドアーム分子を使用して、電極との複数の接続を用いてプローブを電極に配線するセンサー構成を示す。

図７は、プローブ分子を直接第１および第２の電極に接続する２つの他の合成ペプチドを用いて１つの合成ペプチドを図２の調節された様式で使用することを示す。

図８は、合成ペプチドアーム分子によりプローブを複数の電極システムに接続し、それにより複数の同時測定が可能になる、いくらかより複雑な構成を示す。

図９は、プローブ分子がＩｇＧ抗体タンパク質であり、同類の結合標的が対応する抗原である、図３の特定の場合を示し、そのようなシステムは、抗体－抗原結合を検出するために使用することができる。

図１０は、プローブ分子が一本鎖ＤＮＡオリゴヌクレオチドであり、その結合標的が相補的なオリゴである、図３の特定の場合を示し、そのようなシステムは、ハイブリダイゼーションプローブ結合を検出するために使用することができる。

図１１は、ポリメラーゼにより鋳型がコピーされるとＤＮＡ配列が検知される状況で結合性プローブとして使用することができるクレノウポリメラーゼ酵素の詳細なタンパク質構造を示す。

図１２、１３および１４は、それぞれ図２、４および６の特定の例であるポリメラーゼ酵素を種々の構成に配線するための、本開示による合成ペプチドの使用を示し、得られた回路は、ポリメラーゼによって処理される鋳型の配列に対するセンサーとして使用することができる。

本開示に従って分子ワイヤとして使用される伝導性合成ペプチドは、分子エレクトロニクスセンサーに使用される分子センサー複合体の一部であり得る。図２～１４に開示されている実施形態のいずれかでは、これらの回路に使用される架橋性合成ペプチドおよび／または合成ペプチドアーム分子は、本明細書に開示される合成ペプチドのいずれか１つを含み得る。本発明の合成ペプチドを利用することができる分子センサーは、それぞれの全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，８２９，４５６号；同第１０，０３６，０６４号；同第１０，１２５，４２０号；同第１０，１５１，７２２号および同第１０，５０８，２９６号；ならびに米国特許出願公開第２０１８０３４０２２０号にも開示されている。参照により本明細書に組み込まれる通り、そのようなセンサーを、ＣＭＯＳプロセスによって作製されるチップ上のセンサーのアレイに配置することができる。開示されるセンサーは、ＤＮＡ配列決定のために使用することができる。

種々の実施形態では、ＤＮＡ分子を配列決定する方法が開示される。方法は、正電極；正電極から間隔が空いた負電極；正電極および負電極に電気的に接続した伝導性合成ペプチド；ならびに合成ペプチド配列に沿って位置するコンジュゲーション部位において合成ペプチドとコンジュゲートしたポリメラーゼ酵素をさらに含む回路を提供するステップと、回路を通る電圧または電流の少なくとも１つを開始するステップと、回路を、プライミングされた一本鎖ＤＮＡおよび／またはｄＮＴＰを含有する溶液に曝露させるステップと、ポリメラーゼが鋳型と係合し、それを伸長させるときに回路を通る電気信号を測定するステップとを含み、電気信号を処理して、ポリメラーゼによって処理されたＤＮＡ分子の基礎をなす配列に関する情報をもたらす特徴を同定する。種々の実施形態では、正電極と負電極を接続する合成ペプチドは、式：
［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍ、（式中、
各Ｘ^１は、独立に、約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチド、プロテアーゼ切断配列、またはペプチド捕捉用タグであり、
各Ｘ^２は、独立に、グリシン／セリン｛Ｇ、Ｓ｝リッチリンカーまたはＣ１～Ｃ２０炭素鎖分子リンカーであり、
各Ｘ^３は、独立に、共有結合、単一のアミノ酸、遷移性ヘリックス促進モチーフ、金属結合性基、または約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチドであり、
各Ｘ^４は、独立に、約４～約４０アミノ酸を含むアルファヘリックスモチーフであり、
各ｍは、独立に、０～４であり、
ｎは１～４０であり、
Ｘ^４の少なくとも１つは、コンジュゲーション部位を含む）
を含む。

種々の実施形態では、コンジュゲーション部位は、チオール、ビオチン、アジド、アミン、クリックケミストリー基、システイン、リシンもしくはチロシン、または合成ペプチドをポリメラーゼ酵素などの生体分子にコンジュゲートすることが可能な任意の官能基を含む。

種々の実施形態では、ＤＮＡ分子を配列決定する別の方法が開示される。方法は、正電極；正電極から間隔が空いた負電極；正電極およびポリメラーゼ酵素上の第１の部位に電気的に接続された第１の伝導性合成ペプチドアーム分子ならびに負電極およびポリメラーゼ酵素上の第２の部位に電気的に接続された第２の伝導性合成ペプチドアーム分子をさらに含み、したがって、ポリメラーゼ酵素を通る伝導性経路をもたらす回路を提供するステップと、回路を通る電圧または電流の少なくとも１つを開始するステップと、回路を、プライミングされた一本鎖ＤＮＡおよび／またはｄＮＴＰを含有する溶液に曝露させるステップと、ポリメラーゼが鋳型と係合し、それを伸長させるときに回路を通る電気信号を測定するステップとを含み、電気信号を処理して、ポリメラーゼによって処理されたＤＮＡ分子の基礎をなす配列に関する情報をもたらす特徴を同定する。種々の実施形態では、第１および第２の合成ペプチドアーム分子は、各個が式：
［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍ（式中、
各Ｘ^１は、独立に、約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチド、プロテアーゼ切断配列、またはペプチド捕捉用タグであり、
各Ｘ^２は、独立に、グリシン／セリン｛Ｇ、Ｓ｝リッチリンカーまたはＣ１～Ｃ２０炭素鎖分子リンカーであり、
各Ｘ^３は、独立に、共有結合、単一のアミノ酸、遷移性ヘリックス促進モチーフ、金属結合性基、または約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチドであり、
各Ｘ^４は、独立に、約４～約４０アミノ酸を含むアルファヘリックスモチーフであり、
各ｍは、独立に、０～４であり、
ｎは１～４０である）
を含む。

種々の実施形態では、合成ペプチドの［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍまたはＸ^３モチーフの少なくとも１つは、合成ペプチドの末端を正電極、負電極、ポリメラーゼ酵素上の第１の部位またはポリメラーゼ酵素上の第２の部位のいずれか１つに結合させるように構成されている。

架橋の有用性の実験的検証：
アルファヘリックスモチーフＥＡＡＡＲ（配列番号１）およびアルファヘリックスモチーフＥＥＥＥＲＲＲＲ（配列番号２）の反復を含むバージョンの合成ペプチドを製作し、これらは、パラジウム結合性ペプチドを末端に有し、コンジュゲーションに使用可能な中心のシステイン残基を有し、長さがおよそ１５．６ｎｍ、１５．７５ｎｍおよび２５．４ｎｍであり（架橋のアルファヘリックス部分について、リンカーおよび結合性ペプチドを含まない）、整数のヘリックスターンに近く、したがって、ヘリックスに対して過剰なねじれストレスが生じることなく結合性基が電極表面と接触し得る。以下の３つの合成ペプチドをこれらの実験に使用した：

。

これらの合成ペプチドを、Ｇｅｎｓｃｒｉｐｔ，Ｉｎｃの標準の商業的タンパク質発現サービスを使用して製作した。簡単に述べると、それらはＥ．ｃｏｌｉ．において発現させ、Ｎ末端に付加したＦＬＡＧタグを含み、ＦＬＡＧカラム精製を可能にした。材料を、９５％を超えるまで精製して得、標準のＰＢＳ緩衝液に懸濁させた。

さらに、これらの合成ペプチドの発現手段による作製における精製のために、ＦＬＡＧエピトープタグ（７ｍｅｒペプチドＤＹＫＤＤＤＫ（配列番号２９））をこの配列のＮ末端にリンカーを用いてＤＹＫＤＤＤＫ－ＧＳＧ－（配列番号３０）として付加し、したがって、ＦＬＡＧタグアフィニティーカラムを使用して発現産物を精製することができるようにした。この付加されたエピトープタグを実験作業のために所定の位置に残し、したがって、実験適用における抗体に基づく標識のために使用することができる、抗ＦＬＡＧ抗体結合のための部位をもたらした。

架橋伝導率実験：
第１の実験では、配列番号１５と配列番号１９との間で架橋伝導率の比較を実施した。ナノ電極をＥビームリソグラフィによって製作した。簡単に述べると、レジストをシリコンウェーハ基板にスピンコーティングし、Ｅビームリソグラフィを使用して、レジストに電極パターンを露光し、先端間ギャップ２０ｎｍを伴う幅５０ｎｍのナノ電極パターンを画定した。レジストを現像し、スパッタリング沈着を使用して厚さ５ｎｍのチタン接着層および厚さ２０ｎｍのパラジウム金属電極層を沈着させた。リフトオフプロセスを使用して、仕上がったパラジウムナノ電極を作製した。

フォトリソグラフィおよびリフトオフ法を使用して、電気的接続のために肉眼で見えるパッドまで広がるパラジウムマイクロ電極を加え、追加的なフォトリソグラフィを使用して、厚さ１００ｎｍのスパッタリングされたＳｉＯ_２の不動態化層を加え、電極ギャップ付近に集中した４ミクロンの幅のチャネルのみを露出したままにし、デバイスに適用される溶液との接触のためにナノワイヤの２ミクロンの長さの部分のみを露出させた。

架橋ペプチドを、８つのナノ電極の対を含有する小さなサイコロ状（４ｍｍ×８ｍｍ）に角切りにしたこれらのデバイス上で溶液中に入れた。特注のフローセルおよび電流測定ステーションを使用して溶液をこれらのデバイスに適用し、ＤＣ印加電圧の下で電極電流を測定した。デバイスを、１０ｎＭの濃度の架橋分子を含有する溶液に曝露させ、電極との架橋結合が生じる時間を取った。得られた電極を通る電流を、印加したＤＣ電圧１Ｖで測定した。１Ｖでの電流と０Ｖでの電流の間の差異を「デルタ最大」電流と定義した。

図２０は、配列番号１９の架橋からの２９電極、および配列番号１５の架橋からの７１電極の観察に基づいて得られたこのデルタ最大電流の電流分布を示す。図２０は、観察された電流の分布をピコアンペア（ｐＡ）で示し、配列番号１５ペプチドの方が伝導率が高いことを示す。

図２０は、配列番号１９および配列番号１５についての電極の第１の集団が４ｐＡ未満に集中し、これらはおそらく電極にまたがる架橋が形成されていないと解釈されることを示す。他の主要な電極の集団は、電流が１６ｐＡ（配列番号１９を有する合成ペプチド）および２０ｐＡ（配列番号１５を有する合成ペプチド）に集中したことが見いだされ、これらは、伝導率が単一の架橋で観察され、したがって、配列番号１５が配列番号１９よりも高い伝導率を示すものと解釈される。３０ｐＡおよび４５ｐＡ付近の高次電流を有する少数の集団は電極ギャップをまたぐ多数の架橋に由来すると解釈される。

架橋センサー実験：
これらの実験では、結合事象および酵素活性事象を検出するセンサーを創出するために、配列番号２１を有する２５．４ｎｍ長の合成ペプチドを構成した。合成ペプチドの中心のシステインＣを直鎖一本鎖ＤＮＡオリゴヌクレオチドの５’末端に標準のシステインコンジュゲーション化学を使用してコンジュゲートした。付着したオリゴヌクレオチドはプライマーＤＮＡオリゴヌクレオチドへの結合のためのプローブ分子として機能した。得られた合成ペプチドとＤＮＡオリゴヌクレオチドプローブ分子のアセンブリを、上記の架橋伝導率実験と同様の実験のために製作し、配備したパラジウム電極にわたって架橋した。溶液中で確立されたら、この架橋／プローブアセンブリをまず相補的なプライマーオリゴヌクレオチドに結合させ、検出される第１の型の結合事象をもたらし、それにより、鋳型オリゴヌクレオチド５’末端と架橋性ペプチドのシステインが接する場所である、コンジュゲーション接合部位から５塩基が除去された３’末端プライミング部位を確立した。次いで、ポリメラーゼを溶液に導入し、ポリメラーゼをプライマー部位に結合させ、検出される第２の型の結合事象をもたらした。ポリメラーゼを非触媒緩衝液（ストロンチウムを二価カチオンとして使用した）中で維持し、したがって、ヌクレオチドを組み入れることができず、したがって、ポケットに可逆的に結合し、そこから出、それにより、センサーにより検出されるさらに第３の型の結合事象をもたらした。

図２１は、５０００秒間の経過にわたる実験全体の時間に対する電流トレースを示し、センサーにより、ポリメラーゼが添加されると強力な電流スパイクが検出され、ヌクレオチドが添加された後に一連の強力なスパイクが検出されることを示す。これらのスパイクは、架橋上のプライマー複合体へのシグナル伝達ポリメラーゼの結合、次いで、ポリメラーゼポケットへのヌクレオチドの非生産的かつ一過性の結合と解釈される。この実験は、センサーの状況でのそのような架橋ペプチドの使用を例示する。

種々の配置の分子電子回路において伝導性架橋分子またはアーム分子として使用される合成ペプチドが提供される。本明細書の詳細な説明では、「種々の実施形態」、「一実施形態」、「ある実施形態」、「実施形態例」などへの参照は、記載されている実施形態が特定の特色、構造、または特徴を含み得るが、あらゆる実施形態が必ずしもその特定の特色、構造、または特徴を含まない場合があることを示す。さらに、そのような句は、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。さらに、特定の特色、構造、または特徴がある実施形態に関連して記載されている場合、明確に記載されているか否かにかかわらず、そのような特色、構造、または特徴が他の実施形態に関連して想起されることは当業者の知識の範囲内であることが提起される。説明を読んだ後、関連する技術分野（複数可）の当業者には、本開示を代替の実施形態でどのように実行するかが明らかになろう。

本明細書では、利益、他の利点、および問題の解決法が特定の実施形態に関して記載されている。しかし、利益、利点、問題の解決法、および、任意の利益、利点、または解決法を生じさせ得るまたはより顕著にし得る任意の要素は、本開示の極めて重要な、必要な、または必須な特色または要素とは解釈されない。したがって、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、単数の要素への言及は、明確にそのように規定されている場合を除き「唯一の」を意味するものではなく、「１つまたは複数の」を意味する。さらに、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」または「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」と同様の句が特許請求の範囲または明細書において使用される場合、その句は、ある実施形態ではＡが単独で存在し得る、ある実施形態ではＢが単独で存在し得る、ある実施形態ではＣが単独で存在し得る、または要素Ａ、ＢおよびＣの任意の組合せが単一の実施形態に存在し得ること；例えば、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＢおよびＣ、またはＡおよびＢおよびＣを意味すると解釈されるものとする。

上記の種々の実施形態の要素の当業者に公知の構造的、化学的、および機能的等価物は全て明白に参照により本明細書に組み込まれ、本特許請求の範囲に包含されるものとする。さらに、本開示によって解決が試みられるありとあらゆる問題に対処するための化学的実体、分子エレクトロニクス構造または方法に関して、本特許請求の範囲に包含される必要はない。さらに、本開示の要素、構成成分、または方法ステップのいずれも、その要素、構成成分、または方法ステップが特許請求の範囲に明確に記載されているかどうかにかかわらず、公共に捧げることを意図するものではない。特許請求の範囲の要素のいずれも、その要素が「ための手段」という句を使用して明白に記載されている場合を除き、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１２（ｆ）の行使を意図するものではない。本明細書で使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語またはそれらの任意の他のバリエーションは、非排他的包含を含むものとし、したがって、要素の一覧を含む化学物質、化学組成物、プロセス、方法、物品、または器具は、それらの要素のみを含むのではなく、明白には列挙されていないまたはそのような化学物質、化学組成物、プロセス、方法、物品、もしくは器具に固有の他の要素も含み得る。

Claims (21)

1. 式：
   ［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３［Ｘ^４］_ｎＸ^３［Ｘ^２Ｘ^１］_ｍ
   を含む合成ペプチドであって、式中、
   各Ｘ^１は、独立に、約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチド、プロテアーゼ切断配列、またはペプチド捕捉用タグを含み、
   各Ｘ^２は、独立に、グリシン／セリン｛Ｇ、Ｓ｝リッチリンカーまたはＣ１～Ｃ２０炭素鎖分子リンカーを含み、
   各Ｘ^３は、独立に、共有結合、単一のアミノ酸、遷移性ヘリックス促進モチーフ、金属結合性基、または約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチドを含み、
   各Ｘ^４は、独立に、約４～約４０アミノ酸を含むアルファヘリックスモチーフを含み、
   各ｍは、独立に、０～４であり、
   ｎは１～４０である、
   合成ペプチド。
2. Ｘ^４の少なくとも１つが、コンジュゲーション部位を含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
3. 前記コンジュゲーション部位が、システイン、リシン、チロシン、ビオチン、アジド、またはクリックケミストリー基を含む、請求項２に記載の合成ペプチド。
4. Ｘ^１の少なくとも１つが、配列番号６、７、８、９、１０、１１、１６、１８または２９のいずれか１つに対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
5. Ｘ^２の少なくとも１つが、グリシン、セリン、ＧＳ、ＧＳＧ、配列番号２４、配列番号２５に対して少なくとも８０％の配列同一性を有するアミノ酸配列、またはＣ１～Ｃ２０炭素鎖分子リンカーを含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
6. ［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３の任意の１つの群分けにおいて、ｍ≠０の場合には、Ｘ^３が、共有結合、単一のアミノ酸、または遷移性ヘリックス促進モチーフを含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
7. ［Ｘ^１Ｘ^２］_ｍＸ^３の任意の１つの群分けにおいて、ｍ＝０の場合には、Ｘ^３が、金属結合性基または約５～約１５アミノ酸を含む材料結合性ペプチドを含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
8. 前記金属結合性基が、Ｃ、ＣＣ、ＣＣＣ、配列番号３２、配列番号３３、配列番号５、配列番号３５、または配列ＣＣＸＸＣＣ（配列中、Ｘは任意のアミノ酸である）のＦＬＡＳＨ結合性モチーフを含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
9. Ｘ^４の少なくとも１つが、配列番号１、２、３、４、１３、１７、２０、２２、２３、２６、２７、２８または３１のいずれか１つに対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
10. 配列番号１４に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
11. 配列番号１５に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
12. 配列番号１９に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
13. 配列番号２１に対して少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む、請求項１に記載の合成ペプチド。
14. 第１の電極と、
    前記第１の電極からナノギャップによって間隔が空いた第２の電極と、
    前記第１の電極および前記第２の電極の両方と電気的に接続して前記ナノギャップと架橋した、請求項２に記載の合成ペプチドを含む架橋用分子ワイヤと、
    コンジュゲーション部位とコンジュゲートしたポリメラーゼ酵素と
    を含む分子電子回路であって、
    前記回路は、前記合成ペプチドを通る伝導性経路を含む、分子電子回路。
15. 請求項１４に記載の分子電子回路と、
    第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方に電気的に接続したトランスインピーダンス増幅器であって、測定可能な電気的パラメーターを含む出力をもたらすトランスインピーダンス増幅器と
    を含むセンサー。
16. 請求項１５に記載のセンサーのアレイを含むＣＭＯＳチップデバイス。
17. ＤＮＡ分子を配列決定する方法であって、
    請求項１５に記載のセンサーを提供するステップと、
    回路を通る電圧または電流の少なくとも１つを開始するステップと、
    前記回路を、プライミングされた一本鎖ＤＮＡおよび／またはｄＮＴＰを含有する溶液に曝露させるステップと、
    前記ポリメラーゼが鋳型と係合し、それを伸長させるときに前記回路を通る電気信号を測定するステップと、
    を含み、
    前記電気信号を処理して、前記ポリメラーゼによって処理された前記ＤＮＡ分子の基礎をなす配列に関する情報をもたらす特徴を同定する、方法。
18. ナノギャップによって間隔が空いた第１の電極および第２の電極と、
    前記第１の電極とポリメラーゼ酵素の第１の部位の間に電気的に接続された請求項１に記載の第１の合成ペプチドと、
    前記第２の電極と前記ポリメラーゼ酵素の第２の部位の間に電気的に接続された請求項１に記載の第２の合成ペプチドと、
    を含む、分子電子回路であって、
    前記回路は、前記ポリメラーゼ酵素の一部を通る伝導性経路を含む、分子電子回路。
19. 請求項１８に記載の分子電子回路と、
    第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方に電気的に接続したトランスインピーダンス増幅器であって、測定可能な電気的パラメーターを含む出力をもたらすトランスインピーダンス増幅器と
    を含む、センサー。
20. 請求項１９に記載のセンサーのアレイを含むＣＭＯＳチップデバイス。
21. ＤＮＡ分子を配列決定する方法であって、
    請求項１９に記載のセンサーを提供するステップと、
    回路を通る電圧または電流の少なくとも１つを開始するステップと、
    前記回路を、プライミングされた一本鎖ＤＮＡおよび／またはｄＮＴＰを含有する溶液に曝露させるステップと、
    前記ポリメラーゼが鋳型と係合し、それを伸長させるときに前記回路を通る電気信号を測定するステップと
    を含み、
    前記電気信号を処理して、前記ポリメラーゼによって処理された前記ＤＮＡ分子の基礎をなす配列に関する情報をもたらす特徴を同定する、方法。

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