JP3226373B2 - Biomolecule switch - Google Patents

Biomolecule switch

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JP3226373B2
JP3226373B2 JP07484593A JP7484593A JP3226373B2 JP 3226373 B2 JP3226373 B2 JP 3226373B2 JP 07484593 A JP07484593 A JP 07484593A JP 7484593 A JP7484593 A JP 7484593A JP 3226373 B2 JP3226373 B2 JP 3226373B2
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polymer
rbp
biomolecule
immobilized
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徹 和辻
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having a potential-jump barrier or a surface barrier
    • H10K10/701Organic molecular electronic devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00Organic light-emitting devices
    • H10K50/10OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/11OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/761Biomolecules or bio-macromolecules, e.g. proteins, chlorophyl, lipids or enzymes

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は情報テクノロジーの分野
に関連し、特に生体分子スイッチの生体電子工学および
構築に関する。本発明における生体分子スイッチは、タ
ンパク質、核酸または多糖類などの生体高分子を使用
し、データの収集および処理装置またはバイオセンサー
に利用される。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of information technology, and more particularly to the bioelectronics and construction of biomolecular switches. The biomolecule switch according to the present invention uses a biopolymer such as protein, nucleic acid or polysaccharide, and is used for a data collection and processing device or a biosensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】ディジタルコンピュータは通常、量子化
された形すなわちディジタル形式で変数を表す。そのた
め、アナログの変数の個々の値は、多くの離散的な状態
または条件の内の1つを用いて表現される。例えば、1
0進法は0から9のディジットを用いる。しかし、10
の状態から成るシステムは、製造する際に構成成分の複
雑な配列を要求しがちであり結果として高価となるた
め、極めてまれである。このことは、3つ以上の複数の
状態から成るシステムであっても当てはまる。従って、
0および1のみによって表される2つの状態のみを用い
る2進法が一般的に利用される。2つの状態から成る単
純なシステムの例として、機械的スイッチ(オン/オ
フ)およびトランジスター(伝導/遮断)がある。この
ようなシステムは一般的に、シリコンチップにプリント
された相互に接続する半導体素子から成る、極小規模の
固体回路上に構築される。しかし、情報テクノロジーの
急速な成長に伴って、集積度の向上およびより小型の情
報処理装置の製造に対する要求は増大し続けている。精
密プリントテクノロジーの新たな発展はより小型の装置
の製造を可能にしたものの、シリコンおよびヒ化ガリウ
ムを典型とする一般的に用いられる材料の物理的な制約
(例えば熱損失)は、これらの装置の集積化および小型
化を一定のレベル以上に改良することを制限している。
構造のさらなる小型化および集積度のさらなる向上に対
する要望の結果として、分子電子工学の分野での有機材
料の利用、特に生体高分子をそのような目的に利用する
可能性、が論じられるようになっている。例えば、Conr
ad (M) Common ACT 28 464(1985)は、生体分子コンピュ
ータにおける酵素の利用について記載する。このコンピ
ュータは、酵素による基質の消費によって形成された濃
度勾配をその酵素が読み取る能力を利用する。
2. Description of the Related Art Digital computers typically represent variables in a quantized or digital form. Thus, the individual values of the analog variables are represented using one of many discrete states or conditions. For example, 1
The 0-ary system uses digits from 0 to 9. However, 10
Systems are extremely rare because they tend to require complex arrangements of components during manufacture and are consequently expensive. This is true even for systems with more than two states. Therefore,
A binary system using only two states represented by only 0 and 1 is commonly used. An example of a simple system with two states is a mechanical switch (on / off) and a transistor (conduction / shutoff). Such systems are typically built on tiny solid-state circuits consisting of interconnecting semiconductor elements printed on silicon chips. However, with the rapid growth of information technology, the demands for higher integration and the manufacture of smaller information processing devices continue to increase. While the new developments in precision printing technology have allowed the manufacture of smaller devices, the physical constraints (e.g., heat loss) of commonly used materials, typically silicon and gallium arsenide, have imposed these devices. To improve the integration and miniaturization of the device beyond a certain level.
As a result of the desire for further miniaturization and higher integration of structures, the use of organic materials in the field of molecular electronics, especially the possibility of using biopolymers for such purposes, has been discussed. ing. For example, Conr
ad (M) Common ACT 28 464 (1985) describes a use of the enzyme in biomolecular computer. The computer takes advantage of the ability of the enzyme to read the concentration gradient formed by consumption of the substrate by the enzyme.

【0003】生体高分子は比較的安価で、熱力学的効率
が高く、自己構成能力を示すという利点を有する。その
ため、有機および無機分子の使用に伴う合成上の問題の
いくつかが避けられる。
[0003] Biopolymers have the advantage of being relatively inexpensive, having high thermodynamic efficiency, and exhibiting self-assembling capabilities. Thus, some of the synthetic problems associated with the use of organic and inorganic molecules are avoided.

【0004】このような高分子に基づく装置は、極めて
高い記録密度を達成し得る可能性があり、さらに、従来
ディジタル計算では不可能であった非フォンノイマン型
構造の開発に役立つ。
[0004] Such polymer-based devices have the potential to achieve extremely high recording densities and are useful for the development of non-Von Neumann-type structures that were previously impossible with digital computation.

【0005】[0005]

【発明の要旨】本願発明は、生体高分子が特定の刺激に
反応して、またはその微視的環境の混乱に反応して物理
的/化学的性質を変化させる能力を活用し、そしてこの
特性をこれら高分子の異なる状態に基づく生体分子スイ
ッチの製造に利用することを意図する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention exploits the ability of biopolymers to change physical / chemical properties in response to specific stimuli, or in response to perturbations in their microenvironment, and to utilize this property. Is intended for use in the production of biomolecular switches based on the different states of these macromolecules.

【0006】従って本願発明は、バイオセンサーおよび
データ収集/処理装置への利用に適した生体分子スイッ
チを提供する。この生体分子スイッチは、同定度に安定
な存在状態を2種類以上有し得る、担体上に固定化され
た生体高分子の配列を含む。これらの状態間の相互変換
は迅速かつ可逆的であり、適切な外的刺激の適用または
除去によって誘導されるため、この高分子は無刺激時の
状態と刺激依存性の状態との間で選択的に相互変換する
ことが可能となる。高分子のこの特性を活用するために
必要なことは、第1に高分子の微視的環境に対して選択
的に刺激を適用し、少なくとも一部の高分子を無刺激時
の状態から刺激依存性の状態に変換し得ること(入
力)、そして第2に、高分子の状態の変化を測定または
モニターし得ること(出力)である。本発明は、バイオ
センサーまたはデータ収集処理装置における使用に適し
た、生体分子スイッチであって、以下の要素:担体上に
固定化された生体高分子の配列であって、各高分子は、
可逆的に相互変換し得る2種類またはそれ以上の存在状
態で存在し得、かつ該配列中で、相互作用し得る、生体
高分子の配列;少なくとも一部の該高分子を無刺激時の
状態から刺激依存性の状態に変換するように該高分子に
選択的に刺激を適用し得る、入力手段;および該高分子
の状態の変化を測定またはモニターするための、出力手
段、を包含する、生体分子スイッチを提供する。
Accordingly, the present invention provides a biomolecular switch suitable for use in biosensors and data collection / processing devices. This biomolecule switch includes a sequence of a biopolymer immobilized on a carrier, which can have two or more kinds of existing states that are stable in identification degree. Because the interconversions between these states are rapid and reversible and are induced by the application or removal of an appropriate external stimulus, this macromolecule selects between the unstimulated state and the stimulus-dependent state. It is possible to perform mutual conversion. In order to take advantage of this property of the polymer, it is necessary to first apply a stimulus selectively to the macroscopic environment of the polymer, and to stimulate at least a part of the polymer from the state without stimulation. It can be converted to a dependent state (input), and secondly, it can measure or monitor changes in the state of the macromolecule (output). The present invention
Suitable for use in sensors or data acquisition and processing equipment
A biomolecule switch, comprising:
An array of immobilized biopolymers, wherein each polymer is:
Two or more reversible interconversions
A living organism capable of existing in a state and interacting in the sequence
Sequence of macromolecules; at least some of the macromolecules
The macromolecule to convert from a state to a stimulus-dependent state
An input means capable of selectively applying a stimulus; and the macromolecule
Output means to measure or monitor changes in
A biomolecule switch comprising:

【0007】入力から出力への変換は上記の高分子によ
って調節され、利用される特定の高分子の特性に依存す
る。選択される高分子は、天然高分子、合成高分子、化
学修飾された高分子、または遺伝子工学的手法により得
られる高分子であり得る。
The conversion of input to output is regulated by the polymer described above and depends on the properties of the particular polymer utilized. The selected polymer can be a natural polymer, a synthetic polymer, a chemically modified polymer, or a polymer obtained by genetic engineering techniques.

【0008】入力手段のための手段としては、高分子の
微視的環境におけるpHまたは温度またはイオン強度ま
たはリガンド濃度あるいはこれらの任意の組み合わせ
調節機能を有する電気的または電磁気的手段が望まし
い。出力のための手段としては、無刺激時の状態および
刺激依存性の状態の相対的な数量の測定に適応する手段
が望ましい。
[0008] As a means for the input means, pH or temperature or ionic strength Doma <br/> other in microscopic environments polymer electrically or with regulatory function of the ligand concentration or any combination thereof Electromagnetic means are preferred. As a means for output, a means adapted to measure the relative quantity of the state at the time of non-stimulation and the state dependent on stimulus is desirable.

【0009】[0009]

【発明の構成】タンパク質、核酸および多糖類などの生
体高分子、特にタンパク質は、同程度の安定性を有する
2つ以上の状態で存在し得る。これら複数の状態は、高
分子の3次元構造、化学的もしくは物理的性質、量子力
学的な電子スピン状態、および/または生物活性の違い
を表す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Biological macromolecules such as proteins, nucleic acids and polysaccharides, especially proteins, can exist in more than one state with comparable stability. These states represent differences in the three-dimensional structure, chemical or physical properties, quantum mechanical electron spin states, and / or biological activity of the polymer.

【0010】タンパク質は、このような生体分子スイッ
チを構築する目的上特に有用である。
[0010] Proteins are particularly useful for the purpose of constructing such biomolecular switches.

【0011】その理由は微視的環境の変化に対するタン
パク質の感受性にあり、例えば、pH、温度、イオン強
度およびリガンド濃度の変化はタンパク質の物理的およ
び化学的性質に影響し得る。これらの微視的環境の変化
は一般的にタンパク質の構造の変化となって表現され、
しばしばそのタンパク質の生物活性の変化を伴う。この
ような構造の変化は通常ミリ秒の時間単位で生じる。
The reason for this is the sensitivity of the protein to changes in the microscopic environment, for example, changes in pH, temperature, ionic strength and ligand concentration can affect the physical and chemical properties of the protein. These changes in the microscopic environment are generally expressed as changes in the structure of proteins,
Often accompanied by a change in the biological activity of the protein. Such structural changes typically occur in millisecond time units.

【0012】極端なpH、温度またはイオン強度はタン
パク質の状態の不可逆的な変化を生じ得ること、および
タンパク質がその微視的環境の混乱をどの程度まで許容
し得るかは選ばれた特定のタンパク質によって決まるこ
とは明らかである。例えば、多くのタンパク質は40か
ら50℃の温度で不可逆的に変性する。しかし、他のタ
ンパク質はより高い熱的安定性を示し、高温に耐えるこ
とが可能であり、そのようなタンパク質は生体分子スイ
ッチの構築に特に有用である。
It is important to note that extreme pH, temperature or ionic strength can cause irreversible changes in the state of the protein, and to what extent the protein can tolerate perturbations in its microscopic environment. It is clear that it depends. For example, many proteins are irreversibly denatured at temperatures between 40 and 50 ° C. However, other proteins exhibit higher thermal stability and are able to withstand high temperatures, and such proteins are particularly useful in the construction of biomolecular switches.

【0013】本願明細書における用語「微視的環境」
は、高分子の局所的な環境を示す。本願における用語
「リガンド」は、高分子に可逆的に結合可能な任意の分
子またはイオンを意味する。選択すべきリガンドは選ば
れた高分子によって決まるが、タンパク質への使用に適
切なリガンドの例としては、基質、拮抗的阻害剤および
非拮抗的可逆的阻害剤、ネガティブエフェクターおよび
ポジティブエフェクター、ならびにコファクターがあ
る。
The term “microscopic environment” in the present specification
Indicates the local environment of the polymer. As used herein, the term “ligand” refers to any molecule or ion that can reversibly bind to a macromolecule. The ligand to be selected will depend on the macromolecule chosen, but examples of suitable ligands for use in proteins include substrates, antagonistic and non-antagonistic reversible inhibitors, negative and positive effectors, and There is a factor.

【0014】任意の特定のリガンドに対するタンパク質
の親和性は、その周囲の微視的環境のpH、イオン強度
および温度などの外的因子によってさらに調節され得
る。例えば、pHの変化は、そのリガンドの結合に必須
である特定の酸性および塩基性アミノ酸側鎖のイオン化
に影響し得る。さらに、その結合自体がまたリガンドの
化学的または物理的性質を変更し得る。
[0014] The affinity of a protein for any particular ligand may be further regulated by external factors such as the pH, ionic strength, and temperature of the surrounding microenvironment. For example, a change in pH can affect the ionization of certain acidic and basic amino acid side chains that are essential for the binding of its ligand. In addition, the binding itself may also alter the chemical or physical properties of the ligand.

【0015】核酸もまた、生体分子スイッチに利用し得
る。極端なpH、温度またはイオン強度は、粘度の低下
を特徴とする、二重らせんDNAの可逆的な解離を生じ
る(この現象は融解と呼ばれる)。pH、温度またはイ
オン強度を正常な生理学的範囲に戻すと、その結果とし
て、解離した二本鎖は自発的にアニーリングされて(す
なわち再び巻き合って)元の二重らせん構造を形成す
る。
[0015] Nucleic acids can also be used in biomolecular switches. Extreme pH, temperature or ionic strength results in the reversible dissociation of double-stranded DNA, which is characterized by a decrease in viscosity (this phenomenon is called melting). When the pH, temperature, or ionic strength is returned to the normal physiological range, the dissociated duplex will spontaneously anneal (ie, rewind) to form the original double helix structure.

【0016】本願発明に利用される高分子の例として
は、多糖類、核酸、ならびにレセプター、酵素および糖
タンパクなどのタンパク質がある。生体分子スイッチの
製造に用いられる高分子は純粋であるべきことが好まし
いが、ある程度の不純物は許容され得る。生体高分子
は、多量に入手可能であり、かつ熱的に安定なものが好
ましい。この点で特に有用なのは、50℃を越える温度
で構造を維持する高分子である。
Examples of macromolecules utilized in the present invention include polysaccharides, nucleic acids, and proteins such as receptors, enzymes and glycoproteins. Preferably, the macromolecules used to make the biomolecular switch should be pure, but some impurities can be tolerated. The biopolymer is preferably available in a large amount and is thermally stable. Particularly useful in this regard are polymers that maintain their structure at temperatures above 50 ° C.

【0017】今日までに多くの研究の対象とされ、その
結果構造に関する詳細な情報が得られている高分子は、
特に有用である。なぜなら、どのような化学修飾が有益
かを見極め、また固定化の適切な手法を選択する目的
で、そのような情報を容易に用い得るからである。生体
電子工学との関係で有用なタンパク質は、細胞の情報変
換システムに関与する酵素およびレセプタータンパク質
である。
To date, macromolecules that have been the subject of much research and have provided detailed information on their structure,
Particularly useful. This is because such information can easily be used to determine what chemical modification is beneficial and to select an appropriate technique for immobilization. Proteins useful in the context of bioelectronics are enzymes and receptor proteins involved in cellular information transduction systems.

【0018】本願発明の生体分子スイッチには、任意の
適切な担体を用い得る。例えば、金属、ガラス、または
合成ポリマーが担体として使用し得る。しかし、入力が
リガンド濃度の変化であり、そのため出力がリガンドの
結合数によって決まる場合には、高分子の担体への固定
化が、リガンドを結合するために必要な官能基を利用し
ない手法によって行われることが重要である。種々の固
定化の手法が、L.Q.Zhou およびA.E.G.CassによってBio
sensors Bioelec. 6 445-450(1991)に記載されている。
Any appropriate carrier can be used for the biomolecular switch of the present invention. For example, metal, glass, or synthetic polymers can be used as a carrier. However, when the input is a change in ligand concentration and the output is determined by the number of bound ligands, the polymer is immobilized on the carrier by a method that does not use the functional groups necessary for binding the ligand. Is important. Various immobilization techniques have been developed by LQZhou and AEGCas
sensors Bioelec. 6 445-450 (1991).

【0019】担体としては石英が好ましい。石英には以
下のような利点がある。(1)有機官能基を有するシラ
ンによる石英のシラン化は、高分子、特にタンパク質を
固定化するための多様な経路を提供する。(2)選択し
た高分子を固定化する前に、石英上に容易に金属膜を形
成し得、この膜を高分子の環境を調節するための電極と
して使用し得る。(3)本来蛍光を有する高分子または
蛍光ラベルされた高分子、特にタンパク質、が用いられ
かつ励起された際、石英は青色波長側での光吸収が、ガ
ラス、合成高分子に比べて極めて小さいため、効率よく
蛍光発光を検出(集光)でき、また、石英担体の表面か
ら放射された光はエバネッセント波として導波すること
ができるため光を効率的に集めることが可能となる。
The carrier is preferably quartz. Quartz has the following advantages. (1) Silanization of quartz with silanes having organic functional groups provides various routes for immobilizing macromolecules, especially proteins. (2) A metal film can be easily formed on quartz before immobilizing the selected polymer, and this film can be used as an electrode for controlling the environment of the polymer. (3) When a polymer having intrinsic fluorescence or a fluorescently labeled polymer, particularly a protein, is used and excited, quartz absorbs much less light on the blue wavelength side than glass and synthetic polymers. Therefore, fluorescence emission can be detected (collected) efficiently, and light emitted from the surface of the quartz carrier can be guided as an evanescent wave, so that light can be efficiently collected.

【0020】第二の好適な担体は、多孔性構造が大きな
表面積を提供する、および活性基即ちアミノ基が存在し
ている、アミノプロピルガラスビーズである。グルタル
アルデヒド、カルボジイミドおよびトリアジンが、高分
子および担体の間の架橋のために特に有用な試薬であ
る。
A second preferred carrier is aminopropyl glass beads, where the porous structure provides a large surface area and the active or amino groups are present. Glutaraldehyde, carbodiimide and triazine are particularly useful reagents for crosslinking between the polymer and the carrier.

【0021】入力の性質は、もちろん選択された高分子
のタイプによって決められる。しかし、概して電気的な
入力が用いられ、微視的環境におけるpHまたは度ま
たはイオン強度あるいはこれらの任意の組み合わせの変
化を生じるか、またはリガンドを導入するか、または一
定のリガンド濃度を変更するか、またはこれらの任意の
組み合わせをもたらす。本願発明の生体分子スイッチ
は、必要に応じて、固定化された高分子の配列上に電位
を与える手段を含み得る。高分子の配列上に与えられた
電位差は、pHまたは温度またはイオン強度またはリガ
ンド濃度あるいはこれらの任意の組み合わせの調節によ
って個々の高分子の微視的環境を変化させ、その結果、
高分子の構造またはリガンドの結合が生じる頻度を変化
させるために用い得る。操作に電圧の利用を要する生体
分子スイッチは、明らかに、電流を与えるための電極を
有するべきである。
The nature of the input is, of course, determined by the type of polymer selected. However, generally electrical input is used, either pH or temperature Doma <br/> other in microscopic environments or resulting in a change in the ionic strength or any combination thereof, or introducing a ligand, or certain Or effect any combination of these . The biomolecule switch of the present invention may include a means for applying an electric potential on the immobilized polymer sequence, if necessary. The potential difference imparted on an array of macromolecules changes the microenvironment of individual macromolecules by adjusting pH or temperature or ionic strength or ligand concentration or any combination thereof , so that:
It can be used to alter the structure of the macromolecule or the frequency at which ligand binding occurs. Biomolecular switches that require the use of voltage for operation should obviously have electrodes for applying current.

【0022】[0022]

【実施例】本願発明の実施態様においては、生体分子ス
イッチは、導電性ポリマーで被覆された電極を少なくと
も1つ含む。この電極は、高分子の配列に対してリガン
ド(アニオンまたはカチオン)の放出または除去を選択
的に行うために用い得る。この放出および除去は、加え
られた電圧に依存する。さらに、この導電性ポリマー
は、水素イオン濃度[H+]を変化させることによりp
Hを調節するために用い得る。放出されるリガンドの量
またはpH調節の程度は、明らかに、電圧が与えられる
時間の長さ、および特定の電圧範囲内での電圧の値によ
って決まる。極性を逆転させれば、効果も逆転する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In an embodiment of the present invention, a biomolecular switch includes at least one electrode coated with a conductive polymer. This electrode can be used to selectively release or remove ligands (anions or cations) relative to the macromolecular array. This release and removal depends on the applied voltage. In addition, the conductive polymer can change the p ion concentration by changing the hydrogen ion concentration [H + ].
Can be used to adjust H. The amount of ligand released or the degree of pH adjustment will obviously depend on the length of time the voltage is applied and the value of the voltage within a particular voltage range. If the polarity is reversed, the effect is also reversed.

【0023】本願発明の実施態様においては、電位の増
加はその効果として、高分子の配列上にリガンドまたは
pHの濃度勾配を形成する。このような生体分子スイッ
チは、変換用アルゴリズムまたはメモリーとして特に有
用である。これらのシステムでは、加えられた電圧(入
力)は高分子の微視的環境を制御するために使用され、
また出力は、刺激パターンの変化により調節された高分
子の配列からの反応パターンである。
In an embodiment of the present invention, increasing the potential has the effect of forming a concentration gradient of ligand or pH on the macromolecular sequence. Such a biomolecular switch is particularly useful as an algorithm or a memory for conversion. In these systems, the applied voltage (input) is used to control the macroscopic environment of the polymer,
The output is a response pattern from the arrangement of macromolecules adjusted by the change in the stimulation pattern.

【0024】リガンド濃度が上記のようにして調節され
る場合には、このリガンド濃度は電圧に依存するだけで
はなく、個々の高分子の現存する状態がリガンド結合型
かリガンド非結合型かにも依存する。すなわち、任意の
1つの高分子のリガンド結合の状態は、その周囲の分子
のリガンド結合の状態に依存する。従って、任意の時間
だけ加えられた任意の電圧に関して、リガンド結合型お
よびリガンド非結合型の高分子から成る異なったプロフ
ィールが存在する。
When the ligand concentration is adjusted as described above, the ligand concentration is not only dependent on the voltage but also on whether the existing state of the individual macromolecules is ligand-bound or non-ligand-bound. Dependent. That is, the state of ligand binding of any one macromolecule depends on the state of ligand binding of surrounding molecules. Thus, for any given voltage applied for any amount of time, there are different profiles of ligand-bound and non-ligand-bound macromolecules.

【0025】1つの状態から他の状態への変化は、その
高分子および/またはリガンドに固有の性質の変動をモ
ニターすることによって、またはその高分子またはリガ
ンドに検出可能なラベルを付加することによって追跡し
得る。容易に検出が可能な任意のラベルが用いられ得
る。ラベルの選択は主として、生体分子スイッチの製造
用に選ばれた高分子によって決まる。高分子およびリガ
ンドをラベルする方法は既知であり、例えばM.Brinkley
によるBioconjugate Chemistry 3 2-13 (1992)が、利用
可能な手法の範囲を説明している。
The change from one state to the other can be accomplished by monitoring changes in the intrinsic properties of the macromolecule and / or ligand, or by adding a detectable label to the macromolecule or ligand. Can be tracked. Any label that is easily detectable can be used. The choice of label depends primarily on the macromolecule chosen for the production of the biomolecular switch. Methods for labeling macromolecules and ligands are known and include, for example, M. Brinkley
Bioconjugate Chemistry 3 2-13 (1992) describes the range of available techniques.

【0026】状態の変化をモニターするために用いられ
得る方法の例としては、核磁気共鳴法、赤外分光スペク
トル法、UV差スペクトル法、蛍光法、化学発光法およ
び生物発光法が挙げられる。
Examples of methods that can be used to monitor changes in state include nuclear magnetic resonance, infrared spectroscopy, UV difference spectroscopy, fluorescence, chemiluminescence and bioluminescence.

【0027】本発明の1つの局面によれば、生体分子ス
イッチはバイオセンサーにおいて用いられ、入力のセン
サーとして作用する。この際、出力、すなわち高分子の
2つの状態の相対的な数量は、与えられた刺激の量(入
力)の直接的な関数である。本発明のさらに他の局面に
よれば、高分子は補助的な入力のセンサーとして用いら
れ、2つの入力を単一の出力へと同時に変換し得る。こ
の際、出力は、補助的な入力の、元の入力−出力の反応
に対する効果の関数である。
According to one aspect of the invention, a biomolecular switch is used in a biosensor and acts as an input sensor. The output, ie the relative quantity of the two states of the macromolecule, is a direct function of the amount (input) of the applied stimulus. According to yet another aspect of the present invention, the macromolecule is used as a sensor of an auxiliary input and can simultaneously convert two inputs into a single output. The output here is a function of the effect of the auxiliary input on the original input-output response.

【0028】以下に本願発明の実施例を図面に基づいて
説明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0029】(実施例1:リボフラビン結合タンパク
質)リボフラビン結合タンパク質(RBP)は、pH
4.5を越えるpH値ではリボフラビン(リガンド)に
強く結合する(Kd=10-9M)が、pH4.0未満の
pH値ではリボフラビンを容易に放出する。図1に示す
ように、リボフラビン固有の蛍光はRBPとの結合によ
って消失し、この蛍光はリボフラビンの放出によっての
み再び得られる。
Example 1 Riboflavin Binding Protein Riboflavin binding protein (RBP)
At pH values above 4.5 it binds strongly to riboflavin (ligand) (Kd = 10 −9 M), but at pH values below pH 4.0 it readily releases riboflavin. As shown in FIG. 1, the intrinsic fluorescence of riboflavin disappears upon binding to RBP, and this fluorescence is regained only by the release of riboflavin.

【0030】高分子の微視的環境のpHは電位を変化さ
せることによって電気化学的に制御される。こうしてリ
ボフラビンのRBPへの結合は電気的な入力によって調
節され、結果として得られるタンパク質の2つの状態
(リガンド結合型およびリガンド非結合型)の間のスイ
ッチングは、蛍光の変化をモニターすることによって追
跡される。リボフラビンのRBPへの結合を制御するた
めには、まず用いられるRBPの結合活性、および結合
反応へのpHの影響を知ることが必要である。
The pH of the macroscopic environment of the polymer is controlled electrochemically by changing the potential. Thus, the binding of riboflavin to RBP is regulated by electrical input, and the switching between the two states of the resulting protein (ligand-bound and non-ligand-bound) is followed by monitoring changes in fluorescence. Is done. In order to control the binding of riboflavin to RBP, it is first necessary to know the binding activity of the RBP used and the effect of pH on the binding reaction.

【0031】(a)RBPの結合活性 一定のリボフラビン濃度(0.5μg)はRBPを用い
て滴定された。図2は、0.5μgのリボフラビンの蛍
光を消失させるために約60μgのRBPが必要であっ
たこと、およびそのモル比(RBP/リボフラビン)は
1.3であったことを示す。RBPはリボフラビンと
1:1の比で結合することが知られている。上記のやや
大きいモル比は、タンパク質またはリガンドの不純物、
またはこれらの材料の吸水によるものと見なし得る。
(A) RBP Binding Activity A constant riboflavin concentration (0.5 μg) was titrated with RBP. FIG. 2 shows that about 60 μg of RBP was required to quench the fluorescence of 0.5 μg of riboflavin, and that its molar ratio (RBP / riboflavin) was 1.3. RBP is known to bind to riboflavin in a 1: 1 ratio. The slightly higher molar ratios described above are due to protein or ligand impurities,
Alternatively, it can be considered that these materials are due to water absorption.

【0032】高純度の材料が望ましいものの、低品位の
材料もまた用いられ得る。上記の材料は適切であること
が分かった。
Although high purity materials are desired, lower grade materials may also be used. The above materials have been found to be suitable.

【0033】(b)結合反応へのpHの影響 RBPの存在下および非存在下におけるリボフラビンの
蛍光(リボフラビンとRBPとの比は1:1.3)を、
pH値2から7で測定した。図3に示した結果は、3.
0未満のpHでの蛍光の変化はRBPには依存しない
が、3を越えるpHでの変化は明らかにリボフラビンの
RBPへの結合の程度に依存することを示す。3を越え
るpHでの変化のpKaは、約pH3.7と計算され
た。
(B) Effect of pH on binding reaction The fluorescence of riboflavin in the presence and absence of RBP (the ratio of riboflavin to RBP is 1: 1.3)
The pH was measured at 2 to 7. The results shown in FIG.
The change in fluorescence at pH below 0 is not dependent on RBP, whereas the change at pH above 3 clearly indicates that it depends on the degree of riboflavin binding to RBP. The pKa of the change at a pH above 3 was calculated to be about pH 3.7.

【0034】従って、RBPを含む生体分子スイッチを
操作するpHは、pH3.7の周辺で調節される。
Accordingly, the pH at which the biomolecular switch containing RBP is operated is adjusted around pH 3.7.

【0035】シラン化されたガラスへのRBPの固定化
は、例えば、トリアジン、カルボジイミドまたはグルタ
ルアルデヒドなどの試薬を用いて行われ、可逆的なリボ
フラビン結合活性を保持したタンパク質を生じた。RB
Pは卵白由来であり、STCLaboratories(Winnipeg、
カナダ)から供給された。リボフラビンは酵母由来であ
り、Sigma Chemical Co.(Poole、ドーセット州、英
国)から供給された。
Immobilization of RBP on silanized glass was performed using reagents such as, for example, triazine, carbodiimide or glutaraldehyde, resulting in a protein that retained reversible riboflavin binding activity. RB
P is derived from egg white and STC Laboratories (Winnipeg,
(Canada). Riboflavin was derived from yeast and supplied by Sigma Chemical Co. (Poole, Dorset, UK).

【0036】(c)ポリピロール電極を用いるリガンド
結合のpH調節 ポリピロールで被覆したインジウムスズ酸化物(IT
O)の電極によって、電気化学的にpHを制御した。作
用電極へのポリピロール被覆層の使用は、作用電極およ
び対極の両方でのpHの変化につながる酸素および水素
の発生を避ける。pH調節のためのポリピロール被覆電
極の使用法を図4に示す。
(C) pH adjustment of ligand binding using polypyrrole electrode Indium tin oxide coated with polypyrrole (IT
The pH was electrochemically controlled by the electrode O). The use of a polypyrrole coating on the working electrode avoids the evolution of oxygen and hydrogen which leads to a change in pH at both the working and counter electrodes. The use of a polypyrrole-coated electrode for pH adjustment is shown in FIG.

【0037】ポリピロールで被覆したインジウムスズ酸
化物(ITO)の電極は作用電極であって、蛍光計の測
定用セルの内壁に適合するように、8mmx50mmのサイ
ズに切断される。対極は9mmx9mmの網状白金であっ
て、大きな表面積を与える。ポリピロールは、0.1M
ピロールおよび0.1M塩酸の水溶液から、ガルバノス
タットを用いて(1mA/cm2)、ITO電極上に電着さ
れる。電着は典型的には5分間続けられる。ポリピロー
ルの溶液から酸素を除くために、電着を行う前に酸素を
含まない窒素を溶液に通す。これらの装置を用いてpH
が調節され得ることを確認するために、ポリピロールで
被覆したITO電極(作用電極)、網状白金電極(対
極)およびAg/AgClの参照電極を1MのKCl水
溶液に浸した。この溶液にもまた、O2およびCO2を除
くために酸素を含まない窒素を予め通した。極薄棒状の
pH電極を用いてpHの変化をモニターした。次に作用
電極の電位を、ポテンシオスタットを用いて、+0.5
Vと−0.7Vとの間で変化させた。ポリピロール被覆
電極の水溶液中での典型的な環状のボルタモグラムを示
す図5は、比較的に可逆的なアニオンの取り込みと放出
が起こっていることを示している。
The indium tin oxide (ITO) electrode coated with polypyrrole is the working electrode, which is cut to a size of 8 mm × 50 mm to fit the inner wall of the measuring cell of the fluorometer. The counter electrode is a 9 mm x 9 mm mesh platinum which provides a large surface area. 0.1 M polypyrrole
It is electrodeposited from an aqueous solution of pyrrole and 0.1 M hydrochloric acid on an ITO electrode using a galvanostat (1 mA / cm 2 ). Electrodeposition typically lasts for 5 minutes. To remove oxygen from the polypyrrole solution, oxygen-free nitrogen is passed through the solution prior to performing the electrodeposition. PH using these devices
To be able to adjust the pH, the ITO electrode (working electrode) coated with polypyrrole, the reticulated platinum electrode (counter electrode) and the Ag / AgCl reference electrode were immersed in a 1M aqueous KCl solution. To this solution was also passed through a nitrogen containing no oxygen to remove O 2 and CO 2 in advance. The change in pH was monitored using an ultrathin rod-shaped pH electrode. Next, the potential of the working electrode was set to +0.5 using a potentiostat.
V was varied between V and -0.7V. FIG. 5, which shows a typical cyclic voltammogram of a polypyrrole-coated electrode in aqueous solution, shows that relatively reversible anion uptake and release has occurred.

【0038】pH調節は、作用電極と対極を物理的(位
置的)に離すことによって行うことも可能である(すな
わち、作用電極室と対極室を分ける)。この場合、リボ
フラビンの酸化還元反応が起こらないように、作用電極
の電位をリボフラビンの酸化還元電位より高く維持させ
た。さらに、作用電極室内の液は、バルク溶液と分離さ
れており、入射光(EL)は作用電極内の液にしかあた
らない。図14は上記のような電極室の配置を用い、R
BPとリボフラビンが溶液中に溶解している場合に使用
した、蛍光分光電気化学セルシステムを図示したもので
ある。作用電極(白金メッシュ)1を、上下転倒して挿
入したキュベット内に配置した。対極(白金メッシュ)
2および参照電極(Ag/AgCl)3を、バルク溶液
の入ったテフロンの容器に入れた。散乱を最小限にする
様に、入射光(EL)角を調整する目的で蓋が回転可能
である。
The pH can also be adjusted by physically (positionally) separating the working electrode and the counter electrode (that is, separating the working electrode chamber and the counter electrode chamber). In this case, the potential of the working electrode was maintained higher than the oxidation-reduction potential of riboflavin so that the oxidation-reduction reaction of riboflavin did not occur. Further, the liquid in the working electrode chamber is separated from the bulk solution, and the incident light (EL) impinges only on the liquid in the working electrode. FIG. 14 uses the arrangement of the electrode chambers as described above,
Fig. 3 illustrates a fluorescence spectroelectrochemical cell system used when BP and riboflavin are dissolved in a solution. The working electrode (platinum mesh) 1 was placed in a cuvette inserted upside down. Counter electrode (platinum mesh)
2 and a reference electrode (Ag / AgCl) 3 were placed in a Teflon container containing the bulk solution. The lid can be rotated to adjust the incident light (EL) angle to minimize scattering.

【0039】RBPおよび/またはリボフラビンを固定
化する場合には、図15に示す電気化学セルシステムを
使用した。作用電極(白金メッシュ)4および固定化R
BPアミノプロピルガラスビーズ5を、セルの中心の作
用電極室6中に置いた。作用電極室中の溶液は、Oリン
グ7で支持された仕切り、および焼結ガラス8を通じて
電気的に接続するバルク溶液から分離される。作用電極
室の深さは、0.8mmである。深さはすぐ下のスペー
サー9を取り除くことにより2mmに変更できる。セル
底部には溝10が設けられている。対極(白金メッシ
ュ)11および参照電極(SCE)12がバルク溶液の
中に配置されている。カバーガラスを、セル窓(作用電
極室の頂部)の中心にはめ込める。入射光(励起光:E
L)を作用電極室6に照射し、その時に起こる蛍光(F
L)の変化を観察した。
For immobilizing RBP and / or riboflavin, the electrochemical cell system shown in FIG. 15 was used. Working electrode (platinum mesh) 4 and immobilized R
BP aminopropyl glass beads 5 were placed in the working electrode chamber 6 at the center of the cell. The solution in the working electrode chamber is separated from the bulk solution electrically connected through the partition supported by the O-ring 7 and the sintered glass 8. The working electrode chamber has a depth of 0.8 mm. The depth can be changed to 2 mm by removing the spacer 9 just below. A groove 10 is provided at the bottom of the cell. A counter electrode (platinum mesh) 11 and a reference electrode (SCE) 12 are located in the bulk solution. The cover glass is fitted in the center of the cell window (top of the working electrode chamber). Incident light (excitation light: E
L) to the working electrode chamber 6 and the fluorescence (F
L) changes were observed.

【0040】上記の方法により、pHが±0.2ユニッ
トずつ、図6に示すように調節された。このようなpH
の変化を用いてRBP−リボフラビンの結合を制御し
た。電位依存性のpHサイクルの条件下での、リボフラ
ビンの蛍光の変化を図8に示す。
According to the above method, the pH was adjusted by ± 0.2 units as shown in FIG. Such pH
Were used to control RBP-riboflavin binding. FIG. 8 shows the change in riboflavin fluorescence under the condition of the voltage-dependent pH cycle.

【0041】(実施例2:硫酸イオンおよびリン酸イオ
ン結合タンパク質)これらのタンパク質はE.coliおよび
S.typhimuriumなどのグラム陰性細菌の細胞周辺腔(per
iplasmic space)に存在し、これらの生物の栄養摂取系
の一部を形成する。炭水化物、アミノ酸およびアニオン
(例えばリン酸イオンおよび硫酸イオン)などの多様な
分子が、これらの結合タンパク質によって取り込まれ
る。これらのタンパク質は多くの例が知られているが、
それらはいずれも、「インゲンマメ型」と称される共通
の基本構造を有する。リガンドが結合すると、分子中の
2つの丸い突出部は互いに近づいてリガンドを埋め込
む。この構造変化はX線回折によって観察し得るが、本
実施例においてより重要なことに、蛍光スペクトル法に
よっても観察し得る。
Example 2 Sulfate and Phosphate Ion Binding Proteins These proteins were obtained from E. coli and
Periplasmic space (per) of Gram-negative bacteria such as S. typhimurium
present in the iplasmic space) and form part of the nutrient intake system of these organisms. A variety of molecules, such as carbohydrates, amino acids and anions (eg, phosphate and sulfate) are taken up by these binding proteins. Many examples of these proteins are known,
They all have a common basic structure called "bean beans". When the ligand binds, the two round protrusions in the molecule approach each other and embed the ligand. This structural change can be observed by X-ray diffraction, but more importantly in this example, it can also be observed by fluorescence spectroscopy.

【0042】(a)精製とラベル化 リン酸イオン結合タンパク質はE.coliから、また硫酸イ
オン結合タンパク質はS.typhimuriumから、文献記載の
方法(それぞれ、N.Medevsky, H.Rosenberg, Biochim.
Biophys. Acta 211 158, 1970;およびA.B.Pardee, J.B
iol. Chem. 2415886, 1966)に従って単離される。
(A) Purification and Labeling Phosphate ion binding protein was obtained from E. coli, and sulfate ion binding protein was obtained from S. typhimurium, according to methods described in the literature (N. Medevsky, H. Rosenberg, Biochim.
Biophys. Acta 211 158, 1970; and ABPardee, JB
iol. Chem. 241 5886, 1966).

【0043】このタンパク質の一連の蛍光性誘導体が、
以下の蛍光発色団を用いて調製される;アミノ基をラベ
ルするフルオレセインイソチオシアナート;システイン
およびメチオニンのためのアセトアミド誘導体;およ
び、チロシンおよびリジンをラベルする7−クロロ−4
−ニトロベンゾ−2−オキサ−1,3−ジアゾール。ト
リプトファン残基の固有の蛍光もまた測定し得る。
A series of fluorescent derivatives of this protein
Prepared using the following fluorophores; fluorescein isothiocyanate to label amino groups; acetamide derivatives for cysteine and methionine; and 7-chloro-4 to label tyrosine and lysine.
-Nitrobenzo-2-oxa-1,3-diazole. The intrinsic fluorescence of tryptophan residues can also be measured.

【0044】種々の蛍光性誘導体のリガンドの結合に対
する反応を確かめるために、これらの誘導体の詳細な分
光蛍光学的研究が行われた。
To determine the response of the various fluorescent derivatives to ligand binding, detailed spectrofluorimetric studies of these derivatives were performed.

【0045】(b)固定化 図7に、本実施態様による生体分子スイッチの構成を示
す。
(B) Immobilization FIG. 7 shows a configuration of a biomolecule switch according to the present embodiment.

【0046】アニオン濃度を調節するための電極として
作用するように、まず白金の金属膜を石英上にスパッタ
リングにより形成した。
First, a platinum metal film was formed on quartz by sputtering so as to function as an electrode for adjusting the anion concentration.

【0047】次に、リン酸イオン結合タンパク質および
硫酸イオン結合タンパク質の各々の特定の蛍光性誘導体
が、石英基板13上に固定化される。この石英基板13
は、予めU.Deschler, P.KleinschmitおよびP.Pastnerに
よるAngew. Chem.(Int.Ed.)25 236,(1986)の方法に従っ
てシラン化されている。
Next, specific fluorescent derivatives of each of the phosphate ion binding protein and the sulfate ion binding protein are immobilized on the quartz substrate 13. This quartz substrate 13
Has previously been silanized according to the method of Angew. Chem. (Int. Ed.) 25 236, (1986) by U. Deschler, P. Kleinschmit and P. Pastner.

【0048】固定化された蛍光ラベル化タンパク質14
は次に、蛍光顕微鏡を用いて、リガンドへの結合の再測
定を含め、その特性が再評価された。
Immobilized fluorescently labeled protein 14
Was then re-evaluated using a fluorescence microscope, including remeasurement of binding to the ligand.

【0049】(c)酸化還元ポリマー膜 電極として作用する金属膜は、ガルバノスタットを用い
た電着によって、ポリピロールで被覆され、ポリマー膜
電極15を形成した。ポリピロールの導電性ポリマーは
与えられた電位に応じて2つの荷電状態で存在する。還
元型では、このポリマーは電気的に中性でありリガンド
(リン酸イオンおよび硫酸イオン)を結合しない。一
方、酸化されるとこのポリマーは正に誘電され、リガン
ドを結合する。リン酸イオンおよび硫酸イオンのいずれ
かのリガンドは、タンパク質の配列中に既知の濃度で存
在する。このタンパク質の配列上に加えられる電圧の増
加を利用して、タンパク質配列上にリガンド濃度の勾配
を形成することによって、個々のタンパク質分子がリガ
ンドと接触する程度が調節される。リガンドは−0.6
から−0.9Vの電位で放出され、−0.1から+0.
3Vで取り込まれる(電圧はすべて飽和カロメル電極を
基準とする)。個々のタンパク質分子はスイッチング要
素として作用し、励起光(EL)によりタンパク質の配
列からの蛍光による出力(FL)を生じる。
(C) Redox polymer film The metal film acting as an electrode was coated with polypyrrole by electrodeposition using a galvanostat to form a polymer film electrode 15. The conductive polymer of polypyrrole exists in two charged states depending on the applied potential. In the reduced form, the polymer is electrically neutral and does not bind ligands (phosphate and sulfate). On the other hand, when oxidized, the polymer becomes positively dielectric and binds the ligand. Ligands for either phosphate and sulfate ions are present at known concentrations in the sequence of the protein. The increase in voltage applied on the protein sequence is used to form a gradient of ligand concentration on the protein sequence, thereby controlling the degree to which individual protein molecules come into contact with the ligand. Ligand is -0.6
At a potential of -0.9 V from -0.1 to +0.
It is taken in at 3 V (all voltages are relative to a saturated calomel electrode). The individual protein molecules act as switching elements and the excitation light (EL) produces a fluorescent output (FL) from the protein sequence.

【0050】上記の実施態様による生体分子スイッチ
は、変換アルゴリズムまたはメモリーとして利用し得
る。
The biomolecular switch according to the above embodiment can be used as a conversion algorithm or a memory.

【0051】図9は、本願発明の1局面による一般化さ
れた略図バイオセンサーを示す。このバイオセンサーに
おいては、固定化されたタンパク質の配列が、入力のセ
ンサーとして用いられる。ここでの入力は、例えば未知
濃度のリガンド、またはpHの変化であり得る。
FIG. 9 illustrates a generalized schematic biosensor according to one aspect of the present invention. In this biosensor, an immobilized protein sequence is used as an input sensor. The input here can be, for example, an unknown concentration of ligand, or a change in pH.

【0052】上記においては、本願発明を2つの実施態
様に基づいて記述したが、種々の改変が容易になし得る
こと、および上記の実施態様に適用された原理が他の生
体高分子に適用し得ることは明らかである。
In the above, the present invention has been described based on two embodiments. However, various modifications can be easily made, and the principle applied to the above embodiment is applied to other biopolymers. Obviously gaining.

【0053】例えば、pHの調節は金または白金の電極
を用いて容易になし得る。さらに、上記の実施態様は、
単一種の高分子を用いるという点で均一系の生体分子ス
イッチに注目しているが、2種類以上の高分子/ラベル
の組み合わせが用い得ることは明らかである。ただし、
例えば蛍光性の違いに基づいて、複数のラベルを識別す
ることが必要であろう。
For example, adjustment of pH can be easily achieved using gold or platinum electrodes. Further, the above embodiments include:
Although attention is directed to homogeneous biomolecular switches in that a single polymer is used, it is clear that more than one polymer / label combination can be used. However,
For example, it may be necessary to identify multiple labels based on differences in fluorescence.

【0054】リボフラビン生体高分子スイッチを用い
た、バイオセンサーの特定の例を、以下の実施例に詳細
に記載する。
A specific example of a biosensor using a riboflavin biopolymer switch is described in detail in the Examples below.

【0055】(実施例3:リボフラビンバイオセンサ
ー)固定化されたRBPシステムからのリボフラビンは
放出は、結合タンパク質が、リガンド濃度勾配に反応す
る出力シグナルを生じるので、リボフラビンを測定する
バイオセンサーとして使用し得る。この目的のために、
リボフラビン結合タンパク質(RBP)を、Sigma Chem
ical Co.から得た、アミノプロピルで調節された細孔ガ
ラスビーズ(ポアサイズ、17nM)上に、以下の方法
を用いて固定化した: (1)ビーズを、ジクロロメタン、次いでアセトン、エ
タノール、mili-Q水および希釈界面活性剤中で3回
(1回の洗浄は2分間)洗浄し、そして次に、mili-Q
水で完全にすすいだ。
Example 3 Riboflavin Biosensor The release of riboflavin from an immobilized RBP system is used as a biosensor to measure riboflavin since the binding protein produces an output signal that is responsive to a ligand concentration gradient. obtain. For this purpose,
Riboflavin binding protein (RBP) was purchased from Sigma Chem.
Immobilized on aminopropyl-regulated pore glass beads (pore size, 17 nM) from ical Co. using the following method: (1) Beads were dichloromethane, then acetone, ethanol, mili- Wash three times in Q water and diluted surfactant (one wash for 2 minutes) and then mili-Q
Rinse thoroughly with water.

【0056】(2)ビーズを、25%エタノール中で3
回、2分間、そして次いで無水エタノール中で3回(1
回の洗浄は2分間)洗浄した。
(2) The beads were placed in 25% ethanol for 3 hours.
2 times, then 3 times in absolute ethanol (1
(2 minutes for 2 washes).

【0057】(3)次に、ビーズを、ナトリウム乾燥さ
れたトルエン中のトリアジン溶液中で、50℃、4時間
インキュベートした(300mgのビーズに対して、4
50μlの2,4−ジクロロ−n−プロポキシ−s−ト
リアジン(Lancaster Synthesis社製)15mlトルエ
ン)。
(3) The beads were then incubated in sodium-dried triazine solution in toluene at 50 ° C. for 4 hours (for 300 mg of beads, 4
50 μl of 2,4-dichloro-n-propoxy-s-triazine (manufactured by Lancaster Synthesis) 15 ml toluene).

【0058】(4)ビーズを、トルエンで5回洗浄し、
そして窒素雰囲気下で乾燥した。
(4) The beads are washed five times with toluene,
And it dried under nitrogen atmosphere.

【0059】(5)ビーズを、その後、pH8の0.1
Mりん酸緩衝液中の4mg/mlRBPと、4℃で一晩
〜2日間、回転ミキサー上で混合しながらインキュベー
トした。
(5) The beads were then washed with a pH of 0.1
Incubated with 4 mg / ml RBP in M phosphate buffer at 4 ° C overnight to 2 days with mixing on a rotary mixer.

【0060】(6)ビーズは、少なくとも5回PBS
(1.37M NaClおよび0.027MKClを含
む0.1Mりん酸緩衝液)で洗浄し、次にPBS−tw
een(0.05%のtween80を含む)およびP
BSで、各3回洗浄した。
(6) Beads were washed at least 5 times with PBS
(0.1 M phosphate buffer containing 1.37 M NaCl and 0.027 M KCl), then PBS-tw
een (containing 0.05% tween 80) and P
Washed three times each with BS.

【0061】(7)ビーズを、1Mエタノールアミン
(pH9)(あるいは、0.1Mトリス/HCl、pH
8が使用し得る)に移し、2時間から1晩保持した。そ
して、 (8)ビーズを、PBSで3回洗浄した。
(7) The beads were mixed with 1 M ethanolamine (pH 9) (or 0.1 M Tris / HCl, pH
8 could be used) and kept for 2 hours to overnight. (8) The beads were washed three times with PBS.

【0062】異なる量のリボフラビンを、RBP固定化
アミノプロピルガラスビーズと混合した。次に、結合し
たリボフラビンが以下の手順で放出された。
Different amounts of riboflavin were mixed with RBP-immobilized aminopropyl glass beads. Next, the bound riboflavin was released by the following procedure.

【0063】(a)電気化学的セルの構築 電気化学的セルを、図10に示す様に結晶皿16内に構
築した。固定化RBPアミノプロピルガラスビーズ17
を、底部に焼結されたグラスファイバー(焼結ガラス)
18を有するガラスカラム内に置いた。作用電極(白金
メッシュ)19を、ビーズ中に埋め込んだ。バルク溶液
に接触し、チューブの挿入により捕獲された空気を除去
するため、カラム延長部の底部にV字形の刻み目20が
設けられている。延長部を包含するカラムは、ソケット
21によって支えられている。対極(白金メッシュ)2
2および参照電極(SCE)23がバルク溶液の中に配
置されている。
(A) Construction of Electrochemical Cell An electrochemical cell was constructed in a crystal dish 16 as shown in FIG. Immobilized RBP aminopropyl glass beads 17
With glass fiber sintered on the bottom (sintered glass)
18 was placed in a glass column. A working electrode (platinum mesh) 19 was embedded in the beads. A V-shaped notch 20 is provided at the bottom of the column extension to contact the bulk solution and remove any air trapped by tube insertion. The column containing the extension is supported by a socket 21. Counter electrode (platinum mesh) 2
2 and a reference electrode (SCE) 23 are located in the bulk solution.

【0064】(b)ex situ(原部位でない)測定I
(電位で制御される、固定化RBPへのリボフラビン結
合) リボフラビンは、酸性溶液では、固定化RBPには結合
しない。しかし、負電圧(対SCE)を印加するとpH
が上昇し、そしてリボフラビンが固定化RBPに結合す
る。リボフラビン−固定化RBP複合体は、次に酸性溶
液に移され、リボフラビンを放出し、その蛍光を蛍光計
でex situ測定する。
(B) Ex situ (not original site) measurement I
(Ripoflavin binding to immobilized RBP controlled by potential) Riboflavin does not bind to immobilized RBP in an acidic solution. However, when a negative voltage (vs. SCE) is applied, pH
And riboflavin binds to the immobilized RBP. The riboflavin-immobilized RBP complex is then transferred to an acidic solution, releasing riboflavin and measuring its fluorescence ex situ with a fluorimeter.

【0065】まず、pH変化は、以下の形態で測定す
る。作用電極19を、固定化RBPアミノプロピルガラ
スビーズ17中に埋めた。バルク溶液(5μM リボフ
ラビン溶液、pH3の0.1MKCl中)のレベルは、
カラムの容量が0.3mlになるようにセットされた。
pH測定を、電位が開回路であるときに行なう。電位
が、−0.2V(対SCE)することでは、pH変化は
非常に小さかった。pHが3.0から3.5に増加する
のに30分要した。電位を−1.0Vに保持したとき、
アミノプロピルガラスビーズ近傍で、pH値は、5分間
で3.0から6またはそれ以上に変化した。そして、カ
ラム中の溶液が撹拌された後は、4.0であった。この
電位では、リボフラビンは還元され得、引き続いて、リ
ボフラビンの蛍光が変化する。水素イオンの移動度は、
リボフラビンの移動度よりかなり速いので、蛍光変化に
対するpHの影響は、5分間までは、リボフラビンの還
元を支配し得る。この仮定を証明するために、5−10
分間、−1.0Vで電位を印加した後に、酸性溶液(p
H3)中で、リボフラビンを放出し、そして放出された
リボフラビンの蛍光を測定した。もし、酸化還元反応
が、pH変化を支配するならば、蛍光は観察されない。
しかし、放出されるリボフラビンによる蛍光が観察さ
れ、そしてこの様にこの結果は、酸化還元反応の影響
が、この測定形態において決定的ではないことを示し
た。
First, the change in pH is measured in the following manner. Working electrode 19 was embedded in immobilized RBP aminopropyl glass beads 17. The level of the bulk solution (5 μM riboflavin solution, in 0.1 M KCl, pH 3) was
The column was set so that the volume became 0.3 ml.
pH measurements are taken when the potential is open circuit. When the potential was -0.2 V (vs. SCE), the pH change was very small. It took 30 minutes for the pH to increase from 3.0 to 3.5. When the potential is held at -1.0 V,
Near the aminopropyl glass beads, the pH value changed from 3.0 to 6 or more in 5 minutes. And, after the solution in the column was stirred, it was 4.0. At this potential, riboflavin can be reduced, followed by a change in riboflavin fluorescence. The mobility of hydrogen ions is
Because the mobility of riboflavin is much faster, the effect of pH on the change in fluorescence can dominate the reduction of riboflavin up to 5 minutes. To prove this assumption, 5-10
After applying a potential at -1.0 V for minutes, the acidic solution (p
In H3), riboflavin was released and the fluorescence of the released riboflavin was measured. If the redox reaction dominates the pH change, no fluorescence is observed.
However, fluorescence due to the released riboflavin was observed, and thus the results showed that the effect of the redox reaction was not critical in this assay format.

【0066】5μMリボフラビン溶液(pH3の0.1
MKCl中)に、窒素を少なくとも10分間吹き込ん
だ。この溶液を、結晶皿16に注ぎ、溶液レベルをガラ
スカラムを満たし0.5mlになるように調整した。こ
こで、作用電極19および固定化RBPアミノプロピル
ガラスビーズ17は、あらかじめ所定の場所に配置され
ている。電位は、5分間、−1.0Vに保持した。次に
作用電極が即座に除去され、そしてカラム中の過剰の溶
液を除去するためにガラスカラムを真空ポンプに接続し
た。次に乾燥したガラスビーズを、即座にpH3の0.
1MKCl溶液の1mlに再懸濁し、そして混合物をキ
ュベットに移した。2分後、ビーズが沈降した後、放出
されたリボフラビンの蛍光を測定した。真空ポンプによ
る溶液の除去は、すべての非結合のリボフラビンを除去
するには充分でないので、アミノプロピルガラスビーズ
上の、固定化BSA(ウシ血清アルブミン)を対照とし
て用いた。BSAの存在は、リボフラビンに対して10
0倍モル過剰でも、リボフラビン蛍光に影響を与えない
ことは前もって確認している。次に、リボフラビンの蛍
光を、固定化RBPで使用されたのと同一の手法で固定
化BSAについて測定した(以下の表を参照)。
A 5 μM riboflavin solution (pH 3 0.1
(In MKCl) was sparged with nitrogen for at least 10 minutes. The solution was poured into a crystallization dish 16 and the solution level was adjusted to fill the glass column to 0.5 ml. Here, the working electrode 19 and the immobilized RBP aminopropyl glass beads 17 are arranged at predetermined positions in advance. The potential was kept at -1.0 V for 5 minutes. The working electrode was then immediately removed, and the glass column was connected to a vacuum pump to remove excess solution in the column. The dried glass beads were then immediately squeezed to a pH of 0.3.
Resuspended in 1 ml of 1M KCl solution and transferred the mixture to a cuvette. Two minutes later, after the beads had settled, the fluorescence of the released riboflavin was measured. Immobilized BSA (bovine serum albumin) on aminopropyl glass beads was used as a control, as removal of the solution by a vacuum pump was not sufficient to remove all unbound riboflavin. The presence of BSA was 10% relative to riboflavin.
It has been previously confirmed that a 0-fold molar excess does not affect riboflavin fluorescence. Next, riboflavin fluorescence was measured for immobilized BSA in the same manner as used for immobilized RBP (see table below).

【0067】[0067]

【表1】 [Table 1]

【0068】リボフラビンを、アミノプロピルガラスビ
ーズ上の固定化タンパク質から放出させた。pH3で、
5μMリボフラビン溶液中で、−1Vの電位が印加され
た後、固定化タンパク質を乾燥し、そしてpH3の0.
1MKCl溶液中に再懸濁した。アミノプロピルガラス
ビーズが沈降した後、上澄中のリボフラビンの蛍光を測
定(455nmの励起、525nmの発光)した。それ
ぞれのタンパク質について、3つの別の試料について測
定した。RBPおよびBSA(対照)間の差異は顕著で
ある。このように、この結果は、遊離のリボフラビンの
固定化RBPへの結合が、外部刺激、即ち、印加電位に
より制御されることを示している。
[0068] Riboflavin was released from the immobilized protein on aminopropyl glass beads. At pH 3,
After a potential of -1 V was applied in a 5 [mu] M riboflavin solution, the immobilized protein was dried and adjusted to pH 3 at 0.
Resuspended in 1M KCl solution. After the aminopropyl glass beads settled, the fluorescence of riboflavin in the supernatant was measured (excitation at 455 nm, emission at 525 nm). For each protein, three separate samples were measured. The difference between RBP and BSA (control) is significant. Thus, the results indicate that the binding of free riboflavin to immobilized RBP is controlled by external stimuli, ie, the applied potential.

【0069】(c)ex situ測定II(電位で制御され
た、固定化RBPからのリボフラビン放出) 固定化RBPに結合したリボフラビンは、正電位(対S
CE)の印加の結果生じるpH低下により放出され得
る。放出されたリボフラビンは、次にex situ測定され
得る。
(C) Ex situ measurement II (Riboflavin release from immobilized RBP controlled by potential) Riboflavin bound to immobilized RBP has a positive potential (vs. S
It can be released by a pH drop resulting from the application of CE). The released riboflavin can then be measured ex situ.

【0070】固定化RBPアミノプロピルガラスビーズ
を、最初、リボフラビン−RBP複合体を形成するため
に、pH5で、5μMリボフラビン溶液中と混合し、そ
して過剰のリボフラビンを除去するためにpH5の0.
1MKClで洗浄した。ビーズを、ガラスカラムに配置
し、そして、前記の様に電極をセットした。pH5の
0.1MKCl溶液が、カラムが1mlの溶液で満たさ
れるまで、結晶皿に注いだ。2Vで、pH値が4以下に
なるのに10分以上要した。次に作用電極を除去した。
カラムもまた、結晶皿から除去し、ビーズが沈降するま
で、1分間静置した。次いで、上澄みの蛍光を蛍光計で
測定した。放出されたリボフラビンによる蛍光が、はっ
きりと観察された。
The immobilized RBP aminopropyl glass beads were first mixed with a 5 μM riboflavin solution at pH 5 to form a riboflavin-RBP complex, and then mixed with a pH 5. 0 to remove excess riboflavin.
Washed with 1M KCl. The beads were placed on a glass column and the electrodes were set as described above. A 0.1 M KCl solution at pH 5 was poured into the crystallization dish until the column was filled with 1 ml of solution. At 2 V, it took 10 minutes or more for the pH value to be 4 or less. Next, the working electrode was removed.
The column was also removed from the crystallization dish and allowed to stand for 1 minute until the beads settled. Subsequently, the fluorescence of the supernatant was measured with a fluorimeter. Fluorescence from the released riboflavin was clearly observed.

【0071】対照の固定化BSAを用いた場合は、BS
Aは、リボフラビンに結合しないので、すべてのリボフ
ラビンが、電位を印加する前の洗浄工程の間に除去され
た。このように、アミノプロピルガラスビーズ上に固定
化されたBSAの上澄中には、蛍光は観察されなかっ
た。この結果は、リボフラビンが、外部刺激、即ち、正
電位の印加により、固定化されたRBPから放出される
ことを示している。この手順は、リボフラビンバイオセ
ンサーに適用され得るので、この電位で制御されるリボ
フラビン放出の定量測定を以下に記載する。
When a control immobilized BSA was used, BS
Since A does not bind to riboflavin, all riboflavin was removed during the washing step before applying the potential. Thus, no fluorescence was observed in the supernatant of BSA immobilized on aminopropyl glass beads. This result indicates that riboflavin is released from the immobilized RBP by an external stimulus, ie, application of a positive potential. Since this procedure can be applied to a riboflavin biosensor, a quantitative measurement of riboflavin release controlled by this potential is described below.

【0072】(d)バイオセンサー リボフラビンバイオセンサーでは、測定速度を上げるた
めに印加電位を、4V(対SCE)に変更した。リボフ
ラビンを放出するのに4V、5分間が充分であった。図
11は、電位印加により放出されるリボフラビンの蛍光
強度は、試料中のリボフラビン濃度に比例することを示
している。放出されるリボフラビンの蛍光強度は、45
5nmで励起され、次いで525nmで測定された。
(D) Biosensor In the riboflavin biosensor, the applied potential was changed to 4 V (vs. SCE) in order to increase the measurement speed. 4V, 5 minutes was sufficient to release riboflavin. FIG. 11 shows that the fluorescence intensity of riboflavin released by application of a potential is proportional to the riboflavin concentration in the sample. The fluorescence intensity of the released riboflavin is 45
Excited at 5 nm and then measured at 525 nm.

【0073】1−7μMの試料リポフラビン濃度に対し
て、直線関係が観察された。固定化RBPの全量を増加
すると、測定上限が増加する。下限は、pH変化をより
効果的にするために、固定化RBPビーズに隣接する電
極表面領域の増加により改良される。
For a sample lipoflavin concentration of 1-7 μM, a linear relationship was observed. Increasing the total amount of immobilized RBP increases the upper measurement limit. The lower limit is improved by increasing the electrode surface area adjacent to the immobilized RBP beads to make the pH change more effective.

【0074】図12に示す様に、固定化されたRBP2
4を有するアミノプロピルガラスビーズを保持するガラ
スカラム25、および作用電極(Pt電極)26は、試
料溶液が、矢印Aの方向に流れるようにチューブに接続
され、カラムは、フローセルとして作用し検出器に接続
され、試料リボフラビン濃度の連続測定を可能にする。
As shown in FIG. 12, immobilized RBP2
The glass column 25 holding the aminopropyl glass beads having No. 4 and the working electrode (Pt electrode) 26 are connected to a tube so that the sample solution flows in the direction of arrow A, and the column functions as a flow cell and operates as a detector. To enable continuous measurement of sample riboflavin concentration.

【0075】試料溶液が、カラム25を通過する時、リ
ボフラビンが固定化RBPカラムに選択的に結合する。
次に、pHを低下させ、そしてリボフラビンを放出する
ために、作用電極に正電位を印加することにより水素イ
オンが発生する。次いで、蛍光検出器で蛍光が測定され
る。カラム(センサー)は、すでに次の試料の測定可能
の状態になっている。
As the sample solution passes through column 25, riboflavin selectively binds to the immobilized RBP column.
Next, hydrogen ions are generated by applying a positive potential to the working electrode to lower the pH and release riboflavin. The fluorescence is then measured with a fluorescence detector. The column (sensor) is already ready to measure the next sample.

【0076】RBPはまた、白金およびITO電極上に
固定化され得、それによって、上記に述べた、アミノプ
ロピルガラスビーズカラムが必要でなくなる。RBP
は、トリアジン化学(Mehtods in Enzymology (vol. 4
4, 1976, Weetall H. H.))を用いて固定化される。
RBP can also be immobilized on platinum and ITO electrodes, thereby eliminating the need for the aminopropyl glass bead column described above. RBP
Is a triazine chemistry (Mehtods in Enzymology (vol. 4)
4, 1976, Weetall HH)).

【0077】このシステムを用いて開発されたバイオセ
ンサーは、試薬が不要で、そしてさらに重要なことに
は、in situ(その場所で)再生可能で、そしてそれ故
可逆的である。選択性は、もし電位が、検出側で別の電
極によってスキャンされるならば、蛍光に関する、リボ
フラビン酸化還元反応の作用を用いることによって、さ
らに改善され得る。このようにして、カラムに非選択的
に結合する妨害物質の存在が識別され得る。
The biosensors developed using this system are reagent-free and, more importantly, reproducible in situ and are therefore reversible. Selectivity can be further improved by using the action of the riboflavin redox reaction on fluorescence if the potential is scanned by another electrode on the detection side. In this way, the presence of interfering substances that bind non-selectively to the column can be identified.

【0078】リボフラビンは、ビタミンB2であるた
め、このバイオセンサーは、尿および血液試料中のその
濃度の測定に有用である。
Since riboflavin is a vitamin B2, this biosensor is useful for measuring its concentration in urine and blood samples.

【0079】本発明は、実施例により説明されたが、種
々の改変が容易になされ、そして実施例において使用さ
れる原理は、他の生体高分子に適用できる。さらに、上
記実施例は、単一の高分子を用いると言う点に関して、
均一な生体高分子スイッチに焦点をあてているけれど
も、例えば、異なる蛍光特性を持つラベルに基づいて、
ラベルを区別するのが必要であるが、一つ以上の高分子
/ラベルの組み合せが使用し得ることは明らかである。
Although the present invention has been described by way of examples, various modifications can be readily made, and the principles used in the examples can be applied to other biopolymers. In addition, the above examples relate to using a single polymer,
Although focusing on homogeneous biopolymer switches, for example, based on labels with different fluorescent properties,
While it is necessary to distinguish labels, it is clear that more than one polymer / label combination can be used.

【0080】上記実施例に記載された電極は、一次元的
間隔でのみ考慮しているが、高分子が、例えば図13に
示す様に、二次元的な濃度プロフィールを検知し得ると
いう事実の利点を利用して、pH発生電極27および固
定化タンパク質28を二次元的に配置し得ることは明白
である。
Although the electrodes described in the above examples consider only one-dimensional spacing, the fact that macromolecules can detect a two-dimensional concentration profile, for example, as shown in FIG. It is clear that the advantage can be used to arrange the pH generating electrode 27 and the immobilized protein 28 two-dimensionally.

【0081】印加電位に制御された二次元的な濃度勾配
(プロフィール)は、蛍光顕微鏡を用いて観察すること
が可能となった。二次元的なリガンド濃度プロフィール
の検出の一例を図16に示す。図16は、電位を印加す
ることにより、RBPから放出されたリボフラビンを蛍
光顕微鏡を使用することにより観察した結果を示す。印
加した電圧は、10秒間は、+2V(対Ag/AgC
l)で、その後−1Vにスイッチした。リボフラビンの
蛍光は、フィルター(450〜490nm励起、515
〜585nm発光)を通じて観察し、画像は、CCDビ
デオカメラにより2秒毎に撮影した。図中aは、灰色ス
ケール画像、図中bは、疑似カラー画像である。
The two-dimensional concentration gradient (profile) controlled by the applied potential can be observed using a fluorescence microscope. FIG. 16 shows an example of detection of a two-dimensional ligand concentration profile. FIG. 16 shows the results of observing riboflavin released from RBP by applying a potential by using a fluorescence microscope. The applied voltage is +2 V (vs. Ag / AgC) for 10 seconds.
In l), it was then switched to -1V. Riboflavin fluorescence was measured using a filter (excitation between 450 and 490 nm, 515
発 光 585 nm emission) and images were taken every 2 seconds with a CCD video camera. In the figure, a is a gray scale image, and b is a pseudo color image.

【0082】pH発生電極27は、二次元的に配置し得、
そして、この高分子を、フォトリソグラフィーの様な分
子分離技術(molecular valediction technique)で残り
の領域全体に固定し得る。pH電極の配列は、複雑な入力
パターンの可能性を提供する。固定化高分子28それぞ
れは濃度勾配パターンにより、局部的領域および離れた
領域で、互いに他と相互作用され、それにより、蛍光の
出力パターンを生成する。
The pH generating electrodes 27 can be arranged two-dimensionally,
The polymer can then be immobilized over the rest of the region by a molecular valediction technique such as photolithography. The arrangement of pH electrodes offers the possibility of complex input patterns. Each of the immobilized macromolecules 28 interacts with each other in the local and remote areas by a concentration gradient pattern, thereby producing a fluorescent output pattern.

【0083】この配置では、固定化高分子の一群は、直
接隣接した電極のみならず、離れた部位の電極によって
も影響を受ける。従って、短い時間スケールでは、この
高分子はそれらに最も近い電極の影響を強く受け、一
方、長い時間スケールでは、離れた電極との相互作用に
よる効果も発生する。この様にして、この電極の配列
は、複雑な入力パターン、および、電極部位からの距離
および刺激の入力の時間スケールに依存した並列の様式
で影響される多くの分子による増強された性能の可能性
を提供する。
In this arrangement, a group of immobilized macromolecules is affected not only by directly adjacent electrodes but also by electrodes at distant sites. Thus, on a short time scale, the macromolecules are strongly affected by the electrode closest to them, while on a long time scale, effects due to interaction with distant electrodes also occur. In this way, this electrode arrangement allows for complex input patterns and enhanced performance with many molecules affected in a parallel fashion depending on the distance from the electrode site and the time scale of the stimulus input. To provide sex.

【0084】この様にして、固定化高分子は、配置され
た領域で互いに他と相互作用する。各分子の結合状態
は、それに近傍の分子の結合状態に影響を与え、そして
自身も影響を受ける。離れた分子部位もまた、濃度勾配
パターンの効果により相互作用される。上述の相互に相
互作用する二次元的配列構造により促進された入力の可
能性の複雑さによって、入力が現れ得る形態の柔軟性に
は程度があり、複雑なパターンおよびより単純なパター
ンが考えられる。
In this way, the immobilized polymers interact with each other in the region where they are located. The binding state of each molecule affects the binding state of nearby molecules, and is itself affected. Distant molecular sites are also interacted by the effect of the concentration gradient pattern. Due to the complexity of the input possibilities promoted by the interacting two-dimensional array structures described above, there is a degree of flexibility in the form in which the inputs can appear, and complex and simpler patterns are possible. .

【0085】上記の実施例では、システム内の応答の発
生に、電気化学的方法が採用された。しかし、pHの変調
のために光学的技術を使用することもまた可能である。
例えば、迅速なpHの変調は、レーザーパルスで為し得
る。
In the above example, an electrochemical method was employed to generate the response in the system. However, it is also possible to use optical techniques for modulation of the pH.
For example, rapid pH modulation can be achieved with laser pulses.

【0086】古典的なフォンノイマン理論では、入力の
形態の質問が受け取られ、一連の独立した論理演算によ
り1工程ずつ処理され、答えに到着する。この種の方法
は、従来の論理的接続および操作の種類に決定的に依存
し、生体分子スイッチが考察するシステムは不可能であ
る。
In classic von Neumann theory, a question in the form of an input is received, processed step-by-step by a series of independent logical operations, and arrive at an answer. This type of method is critically dependent on the type of conventional logical connection and operation, and the system considered by biomolecular switches is not possible.

【0087】本発明の生体分子スイッチを用いるコンピ
ュータは、異なった様式で作用する。この新しいスイッ
チからの出力は、pH勾配により仲介される二次元的結合
相互作用として表現され、実際に入力自身の直接の結果
である。即ち、提示された質問が、二次元マトリックス
として答えを出させる条件を発生する。
Computers using the biomolecular switch of the present invention operate in different ways. The output from this new switch is expressed as a two-dimensional binding interaction mediated by a pH gradient, and is in fact a direct result of the input itself. That is, the presented question generates a condition under which an answer is given as a two-dimensional matrix.

【0088】このシステムのプログラミングは、結合親
和性の力学の変化により容易となり得、次いで、遺伝子
工学的に改変した高分子の使用、あるいは、この高分子
に対し各々異なった親和性を有する種々のリガンドアナ
ログの使用により、成し遂げられる。
The programming of this system can be facilitated by a change in the dynamics of the binding affinity, followed by the use of genetically engineered macromolecules, or by the use of different macromolecules, each having a different affinity for this macromolecule. Achieved by the use of ligand analogs.

【0089】以上のように、本願発明は、生体高分子が
自らの微視的環境の物理的または化学的変化に反応して
複数の状態間で相互に変換する能力を活用した、生体分
子スイッチを提供する。このような生体分子スイッチ
は、情報処理装置等の集積化および小型化の改良に貢献
し得る。
As described above, the present invention provides a biomolecular switch utilizing the ability of a biopolymer to convert between a plurality of states in response to a physical or chemical change in its microscopic environment. I will provide a. Such a biomolecule switch can contribute to improvement of integration and miniaturization of information processing devices and the like.

【0090】[0090]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1はリボフラビン結合タンパク質(RBP)
へのリボフラビンの結合を示す略図である。
FIG. 1 shows riboflavin binding protein (RBP)
1 is a schematic diagram showing the binding of riboflavin to riboflavin.

【図2】図2はRBPの結合活性を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing RBP binding activity.

【図3】図3は結合反応へのpHの影響を示すグラフで
ある。
FIG. 3 is a graph showing the effect of pH on the binding reaction.

【図4】図4はポリピロール被覆電極を用いたpHの調
節を示す概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing adjustment of pH using a polypyrrole-coated electrode.

【図5】図5はポリピロール被覆電極の典型的な環状の
ボルタモグラムを示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a typical annular voltammogram of a polypyrrole-coated electrode.

【図6】図6はポリピロール被覆電極を用いたpHの調
節を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing pH adjustment using a polypyrrole-coated electrode.

【図7】図7は本願発明の生体分子スイッチを示す略図
である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a biomolecular switch of the present invention.

【図8】図8は電位依存性サイクルの条件下でのリボフ
ラビンの蛍光の変化を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing changes in riboflavin fluorescence under conditions of voltage-dependent cycling.

【図9】図9は本願発明によるバイオセンサーの一般化
された略図を示す。
FIG. 9 shows a generalized schematic of a biosensor according to the present invention.

【図10】図10はリボフラビン結合、および放出の測
定を行うのに適した電気化学的セルを示す図である。
FIG. 10 shows an electrochemical cell suitable for measuring riboflavin binding and release.

【図11】図11は正電位を印加することにより、固定
化RBPから放出されたリボフラビンの蛍光強度を示す
グラフである。
FIG. 11 is a graph showing the fluorescence intensity of riboflavin released from immobilized RBP by applying a positive potential.

【図12】図12は白金電極を有する、固定化RBPの
フローセルを示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a flow cell of immobilized RBP having a platinum electrode.

【図13】図13はpH発生電極が二次元的に配列され
たRBP生体高分子スイッチを示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing an RBP biopolymer switch in which pH generating electrodes are two-dimensionally arranged.

【図14】図14は、RBPとリボフラビンが溶液中に
溶解している場合に使用した、蛍光分光電気化学セルシ
ステムの図である。
FIG. 14 is a diagram of a fluorescence spectroelectrochemical cell system used when RBP and riboflavin are dissolved in a solution.

【図15】図15は、RBPおよび/またはリボフラビ
ンを固定化する場合に使用した、電気化学的セルシステ
ムの図である。
FIG. 15 is a diagram of an electrochemical cell system used for immobilizing RBP and / or riboflavin.

【図16】図16は、電位を印加することにより、RB
Pから放出されたリボフラビンを観察した蛍光顕微鏡画
像で、aは灰色スケール画像、bは疑似カラー画像を示
す。
FIG. 16 is a diagram showing an example in which RB is applied by applying potential;
In the fluorescence microscope image obtained by observing riboflavin released from P, a shows a gray scale image and b shows a pseudo color image.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 作用電極 2 対極 3 参照電極 4 作用電極 5 固定化RBPアミノプロピルガラスビーズ 6 作用電極室 7 0リング 8 焼結ガラス 9 スペーサー 10 溝 11 対極 12 参照電極 13 石英基板 14 固定化されたタンパク質配列 15 ポリマー膜電極 16 結晶皿 17 固定化RBPアミノプロピルガラスビーズ 18 焼結ガラス 19 作用電極 20 V字形の刻み目 21 ソケット 22 対極 23 参照電極 24 固定化RBP 25 ガラスカラム 26 作用電極(Pt電極) 27 pH発生電極 28 固定化高分子 Reference Signs List 1 working electrode 2 counter electrode 3 reference electrode 4 working electrode 5 immobilized RBP aminopropyl glass beads 6 working electrode chamber 70 ring 8 sintered glass 9 spacer 10 groove 11 counter electrode 12 reference electrode 13 quartz substrate 14 immobilized protein array 15 Polymer membrane electrode 16 Crystal dish 17 Immobilized RBP aminopropyl glass beads 18 Sintered glass 19 Working electrode 20 V-shaped notch 21 Socket 22 Counter electrode 23 Reference electrode 24 Immobilized RBP 25 Glass column 26 Working electrode (Pt electrode) 27 pH generation Electrode 28 Immobilized polymer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−171686(JP,A) 特開 昭63−237584(JP,A) 特開 平2−281770(JP,A) 特開 平6−291303(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 51/00 G01N 21/76 G01N 27/30 C12N 11/00 - 13/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-171686 (JP, A) JP-A-63-237584 (JP, A) JP-A-2-281770 (JP, A) JP-A-6-237 291303 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 51/00 G01N 21/76 G01N 27/30 C12N 11/00-13/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】バイオセンサーまたはデータ収集処理装置
における使用に適した、生体分子スイッチであって、以
下の要素: 担体上に固定化された生体高分子の配列であって、各高
分子は、可逆的に相互変換し得る2種類またはそれ以上
の存在状態で存在し得、かつ該配列中の各高分子間で、
相互作用し得る、生体高分子の配列; 少なくとも一部の該高分子を無刺激時の状態から刺激依
存性の状態に変換するように該高分子に選択的に刺激を
適用し得る、入力手段;および該高分子の状態の変化を
測定またはモニターするための、出力手段、 を包含する、生体分子スイッチ。
1. A biomolecule switch suitable for use in a biosensor or data acquisition and processing device, comprising: an array of biopolymers immobilized on a carrier, each polymer comprising: Can exist in two or more states that can be reversibly interconverted, and between each macromolecule in the sequence,
An array of biopolymers that can interact; an input means that can selectively apply a stimulus to the polymer to convert at least some of the polymer from a non-stimulated state to a stimulus-dependent state And an output means for measuring or monitoring a change in the state of the macromolecule.
【請求項2】前記生体高分子がタンパク質、核酸または
多糖類である、請求項1に記載の生体分子スイッチ。
2. The biomolecule switch according to claim 1, wherein said biopolymer is a protein, nucleic acid or polysaccharide.
【請求項3】前記入力手段が、前記高分子の微視的環境
におけるpHまたは温度またはイオン強度またはリガン
ド濃度あるいはこれらの任意の組み合わせを調節するよ
うに作用する電気的または電磁気的手段である、請求項
1または2に記載の生体分子スイッチ。
Wherein said input means, electrical or electromagnetic means pH or temperature or ionic strength Doma other in microscopic environment of the polymer acts to modulate ligand concentration or any combination thereof The biomolecule switch according to claim 1 or 2, wherein
【請求項4】前記出力手段が、前記無刺激時の状態およ
び前記刺激依存性の状態の相対的な数量の測定に適合し
ている、請求項3に記載の生体分子スイッチ。
4. The biomolecule switch according to claim 3, wherein said output means is adapted to measure a relative quantity of said non-stimulated state and said stimulus-dependent state.
【請求項5】前記入力が、前記生体高分子の配列上にリ
ガンド濃度またはpHの勾配を形成するように作用し、
また前記出力手段が、与えられた刺激のパターンの変化
を反映した該高分子の反応パターンをモニターすること
に適合している、請求項3に記載の生体分子スイッチ。
5. The method of claim 2, wherein the input acts to form a ligand concentration or pH gradient on the biopolymer sequence;
4. The biomolecule switch according to claim 3, wherein said output means is adapted to monitor a reaction pattern of said polymer reflecting a change in a pattern of a given stimulus.
【請求項6】前記出力手段が核磁気共鳴、赤外分光スペ
クトル、UV差スペクトル、蛍光、化学発光または生物
発光を利用する、請求項1から5のいずれかに記載の生
体分子スイッチ。
Wherein said output means nuclear magnetic resonance, infrared spectrum, UV difference spectra, using fluorescence, chemiluminescence or bioluminescence biomolecules switch according to any one of claims 1 to 5.
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