JP3233851B2 - Electrochemical detection method of gene and its device - Google Patents

Electrochemical detection method of gene and its device

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JP3233851B2
JP3233851B2 JP10295796A JP10295796A JP3233851B2 JP 3233851 B2 JP3233851 B2 JP 3233851B2 JP 10295796 A JP10295796 A JP 10295796A JP 10295796 A JP10295796 A JP 10295796A JP 3233851 B2 JP3233851 B2 JP 3233851B2
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繁織 竹中
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繁織 竹中
宮原 孝俊
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本願発明はDNAの検出装
置、および検出方法に関する。
[0001] The present invention relates to an apparatus and a method for detecting DNA.

【0002】[0002]

【従来の技術】生物学、医学分野での遺伝子解析におい
ては、特定の配列を有するDNAを検出する手段とし
て、ハイブリダイゼーション方法が用いられている。
2. Description of the Related Art In gene analysis in the fields of biology and medicine, a hybridization method is used as a means for detecting DNA having a specific sequence.

【0003】この中でも、特に、いわゆるサザンハイブ
リダイゼーションが一般的に用いられている。このサザ
ンハイブリダイゼーションは一般的には、まず、被験D
NAを1種類以上の制限酵素でフラグメントとした後、
ゲル電気泳動にかけてサイズによって分離する。次に被
験DNAを一本鎖DNAに変性した後、ナイロン・フィ
ルターまたはニトロセルロース・ぺーパーに固定化す
る。そして、この変性された一本鎖DNAと、放射性同
位元素(以下、RIという)でラベルされた塩基対を形
成する相補的な一本鎖DNA(以下、DNAプローブと
いう)とをハイブリダイズさせて、フィルター(ニトロ
セルロースペーパー)を洗浄する。洗浄後、上記フィル
ター(ニトロセルロースペーパー)をオートラジオグラ
フにかけ、現像することによって、プローブDNAとハ
イブリダイズする特定の配列を有するDNAが検出され
る。
[0003] Among them, particularly, so-called Southern hybridization is generally used. In general, this Southern hybridization is performed by first applying the test D
After fragmenting NA with one or more restriction enzymes,
Separate by size on gel electrophoresis. Next, the test DNA is denatured into single-stranded DNA, and then immobilized on a nylon filter or nitrocellulose paper. Then, the denatured single-stranded DNA is hybridized with a complementary single-stranded DNA (hereinafter, referred to as a DNA probe) forming a base pair labeled with a radioisotope (hereinafter, referred to as RI). Wash the filter (nitrocellulose paper). After washing, the filter (nitrocellulose paper) is subjected to autoradiography and developed, whereby DNA having a specific sequence that hybridizes with the probe DNA is detected.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記のサザンハイブリ
ダイゼーションなどの従来法は、標識として放射性同位
元素用いるため、放射性物質取扱施設とその維持管理に
多大な費用と労力を要するばかりでなく、研究者の健康
上の安全も保証されない。またオートラジオグラフィー
でバンドとして検出するためには24時間以上の時間を要
する。さらに、被験DNA量が少ない場合には、フィル
ムを感光させるためには長時間の曝露が必要であり、ま
たバンドの輪郭が不明瞭となる問題点がある。
The conventional methods such as the above-mentioned southern hybridization use a radioisotope as a label, which requires not only a large expense and labor for a radioactive substance handling facility and its maintenance, but also for researchers. Health safety is not guaranteed. It takes more than 24 hours to detect a band by autoradiography. Further, when the amount of the test DNA is small, there is a problem that long-time exposure is required to expose the film, and the outline of the band becomes unclear.

【0005】サザンハイブリダイゼーション法におい
て、RIの代わりに蛍光物質をプローブの標識とする方
法も提案されている。この方法は安全性と迅速さにおい
ては、RIに優るが、励起光による褪色が起こること、
測定には専用の蛍光測定装置が必要であること、さらに
蛍光の内部消光のために一定量以上の蛍光物質をプロー
ブとして導入することは困難であること、などの欠点を
有している。また、近年、発光にてDNAを検出する方
法も実用化されてきたが蛍光法と同様に専用測定装置が
必要である。
[0005] In the Southern hybridization method, a method has been proposed in which a fluorescent substance is used as a probe label instead of RI. Although this method is superior to RI in terms of safety and speed, it causes discoloration due to excitation light,
The measurement has a drawback that a dedicated fluorescence measurement device is required, and it is difficult to introduce a certain amount or more of a fluorescent substance as a probe for internal quenching of the fluorescence. In recent years, a method of detecting DNA by luminescence has also been put to practical use, but a dedicated measuring device is required as in the case of the fluorescence method.

【0006】上記のように、種々の検出方法が検討され
ているが、いずれも、特定の遺伝子配列の有無を検出す
るためには、検体から取り出したDNAを制限酵素でフ
ラグメント化したのち、電気泳動等の手法により、サイ
ズにより分画し、被験DNAをニトロセルロースペーパ
ー等に固定化せねばならず煩雑であるという問題点は、
未解決である。
[0006] As described above, various detection methods have been studied. In order to detect the presence or absence of a specific gene sequence, in each case, DNA obtained from a sample is fragmented with a restriction enzyme and then subjected to electrolysis. The problem that the DNA must be fractionated according to size by electrophoresis or the like and the test DNA must be immobilized on nitrocellulose paper or the like, which is complicated,
Unresolved.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本願発明は、上記の問題
点を解決することを目的としてなされたものであり、検
体のDNAを断片化することなく、特定の配列を有する
DNA配列を検出する方法および装置を提供することに
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and detects a DNA sequence having a specific sequence without fragmenting the DNA of a specimen. It is to provide a method and an apparatus.

【0008】本願発明は、一本鎖のDNAプローブを電
極表面に固定化し、溶液系でインターカレータの存在
下、被験DNAとプローブDNAとの相補的二本鎖DN
Aを形成させ、形成された二本鎖DNAの検出を、電極
の電流変化を電気化学的シグナルとして検出および/ま
たは測定する発明に関する。
According to the present invention, a single-stranded DNA probe is immobilized on an electrode surface, and a complementary double-stranded DN of a test DNA and a probe DNA in a solution system in the presence of an intercalator.
The present invention relates to an invention in which A is formed, and the detection of the formed double-stranded DNA is performed by detecting and / or measuring a change in current of an electrode as an electrochemical signal.

【0009】従って、本願発明は、特定の配列を有する
DNAを検出する方法であって、導電性の物質で修飾さ
れたDNAプローブが固定された電極と、DNAを含む
試料とをインターカレータ存在下に反応させ、該DNA
プローブとDNAとのハイブリッドDNAを形成させる
工程;および、該反応後の電極の電流を検出および/ま
たは測定する工程;を有する、方法に関する。
Accordingly, the present invention relates to a method for detecting DNA having a specific sequence, comprising the steps of: using an electrode on which a DNA probe modified with a conductive substance is immobilized, and a sample containing DNA in the presence of an intercalator. And the DNA
A method of forming a hybrid DNA of a probe and DNA; and a step of detecting and / or measuring a current of the electrode after the reaction.

【0010】好適な実施態様においては、反応後に電極
を洗浄する工程を含む。
[0010] In a preferred embodiment, the method includes a step of washing the electrode after the reaction.

【0011】好適な実施態様においては、前記導電性物
質が酸化還元活性を有する化合物である。さらに好まし
くは、前記化合物がフェロセンである。
In a preferred embodiment, the conductive substance is a compound having a redox activity. More preferably, said compound is ferrocene.

【0012】また、好適な実施態様においては、前記イ
ンターカレータが、フェロセン修飾縫い込み型インター
カレータである。縫い込み型インターカレータとは、D
NAへのインターカレーション時に二つの置換基が主溝
にそれぞれ突き出した複合体を形成する薬剤である。従
って、縫い込み型インターカレータがDNAからはずれ
る時、置換基の一つがストッパーとして働く。これによ
って二本鎖核酸からの解離は極めて遅い。一本鎖ではこ
のようなことが起こらないため素早く解離する。従っ
て、縫い込み型インターカレータが好適に用いられ得
る。
[0012] In a preferred embodiment, the intercalator is a ferrocene-modified sewn intercalator. What is a sewn intercalator?
An agent that forms a complex in which two substituents respectively protrude into the main groove upon intercalation into NA. Thus, one of the substituents acts as a stopper when the threaded intercalator comes off the DNA. Thereby, dissociation from double-stranded nucleic acids is extremely slow. Single strands dissociate quickly because this does not occur. Therefore, a sewn intercalator can be suitably used.

【0013】さらに、本願発明は、特定の配列を有する
DNAを検出する装置に関し、導電性の物質で修飾され
たDNAプローブが固定された電極;該電極に固定され
たDNAプローブとDNAを含む試料とをインターカレ
ータ存在下に反応させ、ハイブリッドDNAを形成させ
る手段;および、該反応後の電極の電流を検出および/
または測定する手段;とを有する、装置に関する。
Further, the present invention relates to an apparatus for detecting DNA having a specific sequence, an electrode on which a DNA probe modified with a conductive substance is immobilized; a sample containing the DNA probe and DNA immobilized on the electrode. And a reaction in the presence of an intercalator to form a hybrid DNA; and detecting and / or detecting the current of the electrode after the reaction.
Or means for measuring;

【0014】好適な実施態様においては、反応後の電極
を洗浄する手段を有する。
In a preferred embodiment, there is provided a means for cleaning the electrode after the reaction.

【0015】好適な実施態様においては、前記導電性物
質が酸化還元活性を有する化合物であり、好ましくは、
酸化還元活性を有する化合物がフェロセンである。
In a preferred embodiment, the conductive substance is a compound having a redox activity.
A compound having redox activity is ferrocene.

【0016】好適な実施態様においては、前記インター
カレータがフェロセン修飾縫い込み型インターカレータ
である。
In a preferred embodiment, the intercalator is a ferrocene-modified threaded intercalator.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】本願発明の方法あるいは装置に用
いられる電極としては、核酸を固定できるものであれば
いづれをも使用し得る。好適には金、グラシーカーボ
ン、炭素などが挙げられる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As an electrode used in the method or apparatus of the present invention, any electrode can be used as long as it can fix nucleic acid. Preferably, gold, glassy carbon, carbon and the like are used.

【0018】DNAを修飾する導電性の物質としては、
導電性を有する物質であればいずれもが用いられ得る。
特に酸化−還元活性を有する物質が好ましい。フェロセ
ン、カテコールアミン、金属ビピリジン錯体、金属フェ
ナンスリン錯体、ビオローゲンが好ましく、特にフェロ
センが好ましい。
Examples of conductive substances that modify DNA include:
Any substance having conductivity can be used.
Particularly, a substance having an oxidation-reduction activity is preferable. Ferrocene, catecholamine, metal bipyridine complex, metal phenanthrin complex and viologen are preferred, and ferrocene is particularly preferred.

【0019】プローブDNAとしては、生物試料から抽
出したDNAを制限酵素で切断し、電気泳動による分離
などで精製したDNA、あるいは化学合成したDNAの
いずれもが用いられ得る。プローブDNAの配列はあら
かじめ決定しておくことが好ましい。DNA配列決定法
は周知である。
As the probe DNA, any of DNA extracted from a biological sample cut with a restriction enzyme and purified by electrophoretic separation or the like, or chemically synthesized DNA can be used. It is preferable that the sequence of the probe DNA is determined in advance. DNA sequencing is well known.

【0020】プローブDNAは、導電性の物質と結合さ
せるために、5’あるいは3’末端が例えばアミノ基で
修飾され得る。導電性の物質とDNAとの結合は、当業
者に公知の方法が用いられ得る。5’末端にアミノ基が
導入されたDNAとフェロセンとを例に挙げて説明する
と、DNAを適当な緩衝液(例えば、炭酸ナトリウム−
炭酸水素ナトリウム緩衝液)に溶解し、これに例えば、
フェロセンカルボン酸N−ヒドロキシスクシンイミドエ
ステルを含む有機溶媒(例えば、DMSO)を加えて反応さ
せ、HPLCなどを用いて精製することにより、5’末
端側にフェロセンが結合したDNAが得られ得る。
The probe DNA may be modified at the 5 'or 3' end with, for example, an amino group in order to bind to a conductive substance. A method known to those skilled in the art can be used to bind the conductive substance to DNA. Taking the DNA having an amino group introduced at the 5 ′ end and ferrocene as an example, the DNA is prepared using a suitable buffer solution (for example, sodium carbonate-
Dissolved in sodium bicarbonate buffer)
An organic solvent containing ferrocene carboxylic acid N-hydroxysuccinimide ester (for example, DMSO) is added and reacted, and purified using HPLC or the like, whereby a DNA having ferrocene bonded to the 5 ′ terminal side can be obtained.

【0021】この導電性物質で修飾されたプローブを電
極に固定する。固定化方法としては、公知の方法が用い
られ得る。例えば、電極が金である場合、DNAにチオ
ール基を導入し、金と硫黄との金−硫黄配位結合を介し
てDNAが電極に結合され得る。DNAにチオール基を
導入する方法は、Mizuo MAEDA, Koji NAKANO, Shinji U
CHIDA, and Makoto TAKAGI, Chemistry Letters, 1805-
1808 (1994) あるいはB.A.Connolly, Nucleic Acids Re
s.,13, 4484 (1985) に記載されている。上記の方法で
得られるチオール基を有するDNAを金電極に滴下し、
低温下(例えば4℃)で、数時間放置することにより、
フェロセンで修飾されたDNAが金電極に固定化され得
る。
The probe modified with the conductive substance is fixed to an electrode. As the immobilization method, a known method can be used. For example, if the electrode is gold, a thiol group can be introduced into the DNA and the DNA can be bound to the electrode via a gold-sulfur coordination bond between gold and sulfur. Methods for introducing thiol groups into DNA are described in Mizuo MAEDA, Koji NAKANO, Shinji U
CHIDA, and Makoto TAKAGI, Chemistry Letters, 1805-
1808 (1994) or BAConnolly, Nucleic Acids Re
s., 13 , 4484 (1985). DNA having a thiol group obtained by the above method is dropped on a gold electrode,
By leaving at low temperature (for example, 4 ° C) for several hours,
Ferrocene-modified DNA can be immobilized on a gold electrode.

【0022】他の方法として、グラシーカーボンを過マ
ンガン酸カリウムで酸化することにより電極表面にカル
ボン酸を導入し、核酸のアミノ基とアミド結合形成させ
て固定化し得る。グラシーカーボンへの固定化は、Kell
y M. Millan and Susan R. Mikkelsen, Analitical Che
mistry 65, 2317-2323 (1993) に記載されている。
As another method, carboxylic acid is introduced into the electrode surface by oxidizing glassy carbon with potassium permanganate, and immobilized by forming an amide bond with the amino group of the nucleic acid. Immobilization to glassy carbon, Kell
y M. Millan and Susan R. Mikkelsen, Analitical Che
mistry 65 , 2317-2323 (1993).

【0023】上記で得られた、導電性物質で修飾された
プローブDNAが結合した電極を、DNA試料を含む検
体溶液に導入することにより、プローブDNAと相補的
な配列を有するDNAがハイブリダイズし、ハイブリッ
ドDNAが形成される。DNAをハイブリッドさせる方
法は周知である。
By introducing the above-obtained electrode to which a probe DNA modified with a conductive substance is bound into a sample solution containing a DNA sample, a DNA having a sequence complementary to the probe DNA is hybridized. , A hybrid DNA is formed. Methods for hybridizing DNA are well known.

【0024】本願発明の装置は、好ましくは、反応溶液
を加熱する加熱手段を有する。必要に応じて、冷却手段
を有し得る。加熱により、二本鎖DNAを解離して一本
鎖とし、プローブとハイブリダイズさせるためである。
The apparatus of the present invention preferably has a heating means for heating the reaction solution. If necessary, it may have a cooling means. This is because the double-stranded DNA is dissociated into a single strand by heating and hybridized with the probe.

【0025】このハイブリダイゼーションは、インター
カレータの存在下行う。インターカレータが共存する
と、ハイブリダイゼーションの形成が早められると同時
に、生じたハイブリッドDNAを安定化し得る。
This hybridization is performed in the presence of an intercalator. The coexistence of an intercalator can speed up the formation of hybridization and stabilize the resulting hybrid DNA.

【0026】本願発明に用いられ得るインターカレータ
としては、フェロセン化合物、カテコールアミン化合
物、金属ビピリジン錯体、金属フェナンスリン錯体、ビ
オローゲン化合物などが挙げられる。フェロセン、カテ
コールアミン、金属ビピリジン錯体、金属フェナンスリ
ン錯体、ビオローゲンなどを導入した縫い込み型インタ
ーカレータなどが好ましく、特に好ましくは、フェロセ
ン修飾縫い込み型インターカレータである。
The intercalator which can be used in the present invention includes a ferrocene compound, a catecholamine compound, a metal bipyridine complex, a metal phenanthrin complex, a viologen compound and the like. A threaded intercalator into which ferrocene, catecholamine, a metal bipyridine complex, a metal phenanthrin complex, viologen, or the like is introduced is preferred, and a ferrocene-modified threaded intercalator is particularly preferred.

【0027】ハイブリダイズ反応液中のインターカレー
タは、数nM〜数mMオーダーの濃度範囲で用いられ得る。
好ましくは0.1mM〜5mMであり、最も好ましくは0.5mMで
ある。
The intercalator in the hybridization reaction solution can be used in a concentration range from several nM to several mM.
Preferably it is 0.1 mM to 5 mM, most preferably 0.5 mM.

【0028】インターカレータは、ハイブリッドDNA
の層間に侵入し、一種の電荷移動錯体を形成する。ハイ
ブリッドを形成しない場合(つまり一本鎖のままであれ
ば)インターカレーションは起こらない。インターカレ
ーションにより、電極に流れる電流量が変化する。この
電流は(ハイブリダイズにより形成された)二本鎖DN
Aにインターカレートしたインターカレータの酸化、還
元によるものである。二本鎖DNAの形成の程度がイン
ターカレートの程度として検出され得る。従って、この
電流量を検出および/または測定することにより、ハイ
ブリッドDNAの存在が検出され、あるいはハイブリッ
ドDNAの量が測定される。従って、本願発明の装置
は、電流量を検出および/または測定する手段を有す
る。このような手段(装置)としては、サイクリックボ
ルタモグラム、デファレンシャルパルスボルタモグラ
ム、ポテンシオスタットが挙げられる。
The intercalator is a hybrid DNA
To form a kind of charge transfer complex. If no hybrids are formed (ie, single-stranded), no intercalation occurs. The amount of current flowing through the electrodes changes due to the intercalation. This current is a double-stranded DN (formed by hybridization)
This is due to oxidation and reduction of the intercalator intercalated into A. The degree of double-stranded DNA formation can be detected as the degree of intercalation. Therefore, by detecting and / or measuring the amount of the current, the presence of the hybrid DNA is detected or the amount of the hybrid DNA is measured. Therefore, the device of the present invention has means for detecting and / or measuring the amount of current. Examples of such means (apparatus) include a cyclic voltammogram, a differential pulse voltammogram, and a potentiostat.

【0029】電流量の検出/測定に際し、インターカレ
ータ存在下におけるハイブリダイゼーション反応後、電
極を洗浄し、遊離のインターカレータを除いておく。従
って、本願発明の装置は、電極の洗浄手段を有し得る。
Upon detection / measurement of the amount of current, after the hybridization reaction in the presence of the intercalator, the electrode is washed to remove free intercalator. Therefore, the device of the present invention may have means for cleaning the electrodes.

【0030】以上のようにして、本願発明の装置に用い
られる、導電性の物質で修飾されたDNAプローブが固
定された電極、該電極に固定されたDNAプローブとD
NAを含む試料とをインターカレータ存在下に反応さ
せ、ハイブリッドDNAを形成させる手段、および、該
反応後の電極の電流を検出および/または測定する手段
が提供され、本願発明の装置が作成され得る。
As described above, the electrode used for the apparatus of the present invention, on which the DNA probe modified with a conductive substance is fixed, and the DNA probe fixed on the electrode and D
A means for reacting a sample containing NA with an intercalator to form a hybrid DNA and a means for detecting and / or measuring the current of the electrode after the reaction are provided, and the device of the present invention can be produced. .

【0031】特定の配列を有するDNAは、上記の装置
を用いて検出され得る。
[0031] DNA having a specific sequence can be detected using the above apparatus.

【0032】特定の配列を有するDNAを検出する方法
は、例えば上記の作成方法で作成された導電性の物質で
修飾されたDNAプローブが固定された電極と、DNA
を含む試料とをインターカレータ存在下に反応させ、該
DNAプローブとDNAとのハイブリッドDNAを形成
させる。ハイブリダイズの条件は周知である。より厳密
に特定する場合は、用いるプローブの塩基組成あるいは
長さ等によって、ハイブリダイズの条件、適切な塩濃度
と時間などが設定され得る。
A method for detecting DNA having a specific sequence includes, for example, an electrode on which a DNA probe modified with a conductive substance prepared by the above-described preparation method is immobilized,
Is reacted in the presence of an intercalator to form a hybrid DNA of the DNA probe and the DNA. Hybridization conditions are well known. When specifying more strictly, hybridization conditions, appropriate salt concentration and time, etc. can be set depending on the base composition or length of the probe used.

【0033】ハイブリダイズ反応後、電極を洗浄し、不
要なインターカレータを洗い流し、電極の電流量を検出
および/または測定することにより、ハイブリダイズし
たDNAを検出および/または測定する。
After the hybridization reaction, the electrode is washed, unnecessary intercalators are washed away, and the amount of electric current of the electrode is detected and / or measured, so that the hybridized DNA is detected and / or measured.

【0034】以下、実施例をあげて説明するが、本願発
明が実施例のみに限定されないことはいうまでもない。
Hereinafter, the present invention will be described by way of examples, but it goes without saying that the present invention is not limited to only the examples.

【0035】[0035]

【実施例】【Example】

(A:フェロセンで修飾されたDNAプローブが固定さ
れた電極の作成) (1)フェロセンカルボン酸N−ヒドロキシスクシンイ
ミドエステルの合成 フェロセンカルボン酸0.5g(2.2mM)とN−ヒドロキシス
クシンイミド0.29g(2.5mM)の20mlジオキサン溶液に、
撹拌下ジシクロヘキシルカルボジイミド0.5g(2.5mM)の5
mlジオキサン溶液を添加し、24時間室温で撹拌した。
反応混合物中に析出した成分のうち、シリカゲルクロマ
トグラフィー処理により暗黄色成分を分取した。暗黄色
成分の物性は下記の通りである。
(A: Preparation of electrode on which DNA probe modified with ferrocene was immobilized) (1) Synthesis of ferrocenecarboxylic acid N-hydroxysuccinimide ester Ferrocenecarboxylic acid 0.5 g (2.2 mM) and N-hydroxysuccinimide 0.29 g (2.5 mM) ) In a 20 ml dioxane solution,
0.5 g (2.5 mM) of dicyclohexylcarbodiimide under stirring
ml dioxane solution was added and stirred at room temperature for 24 hours.
Of the components precipitated in the reaction mixture, a dark yellow component was separated by silica gel chromatography. The physical properties of the dark yellow component are as follows.

【0036】[0036]

【表1】 [Table 1]

【0037】(2)フェロセン修飾DNAプローブの合
成 DNAプローブとして、チミジンの20マー(T20A)
(2) Synthesis of ferrocene-modified DNA probe As a DNA probe, a thymidine 20-mer (T 20 A)

【0038】[0038]

【化1】 Embedded image

【0039】を合成した。合成は、DNA自動合成装置
(アプライドバイオシステムズ社製のModel391 PCR-MAT
ETM/PCR-MATE EP)を用いて行った。T20A26nmol(E
260=8800M-1cm-1として算出)を1.3mM炭酸ナトリウム
−炭酸水素ナトリウム緩衝液(pH9.0)20μlに溶解し
た。これに上記(1)で得られたフェロセンカルボン酸
N-ヒドロキシスクシンイミドエステル1.3μmolを含む6m
lのDMSO溶液を加え、室温で一晩振とうした。反応
混合物をTEAA(triethylamine-acetic acid 緩衝液)
(pH7.0)で1mlに希釈した後、NAP-10カラム(Pharma
cia Sephadex G-25)によりTEAA緩衝液を溶離液として
保持容量1mlから2.5mlの部分を分取した。これを減圧濃
縮(40℃以下)し、逆相HPLC(LiChrospher 100RP‐18
(e)/Cica-MERCK)で分取した。収量は7.4nmol(29%)
であった。
Was synthesized. Synthesis was performed using an automated DNA synthesizer (Model 391 PCR-MAT manufactured by Applied Biosystems).
ETM / PCR-MATE EP). T 20 A26 nmol (E
260 = 8800 M -1 cm -1 ) was dissolved in 20 μl of 1.3 mM sodium carbonate-sodium hydrogen carbonate buffer (pH 9.0). The ferrocenecarboxylic acid obtained in the above (1)
6m containing 1.3μmol of N-hydroxysuccinimide ester
l of DMSO solution was added and shaken at room temperature overnight. Transfer the reaction mixture to TEAA (triethylamine-acetic acid buffer)
(PH 7.0), and then diluted to 1 ml with a NAP-10 column (Pharma
Using cia Sephadex G-25), a portion of 2.5 ml from a retention volume of 1 ml was fractionated using a TEAA buffer as an eluent. This was concentrated under reduced pressure (40 ° C or less) and reverse phase HPLC (LiChrospher 100RP-18).
(e) / Cica-MERCK). Yield 7.4 nmol (29%)
Met.

【0040】(3)フェロセン修飾DNAプローブのチ
オール化 フェロセン修飾DNAのチオール化は、公知の方法、B.
A.Connolly, NucleicAcids Res.,13, 4484 (1985) に従
って行った。
(3) Thiolation of Ferrocene-Modified DNA Probe Thiolation of ferrocene-modified DNA can be carried out by a known method.
A. Connolly, NucleicAcids Res., 13 , 4484 (1985).

【0041】(4)フェロセン修飾プローブDNAの電
極表面への固定化 (3)で得られたチオール基を導入したdT20量体溶液
1μl(3.4X10-10mol)を、金電極(0.79mm2)に滴下
し、4℃で1時間放置した。その後電極を水で洗浄し、
洗浄水からチオール基導入dT20量体を回収した。HPLC
にて、反応しなかったチオール基導入dT20量体を測定
して、電極に固定されたdT20量体量を算出すると2.9X
10-11mol(29pmol)であった。これをトリス塩酸−EDTA
(pH7.0)緩衝液中にて保存した。
(4) Immobilization of ferrocene-modified probe DNA on the electrode surface dT 20- mer solution into which the thiol group was introduced and obtained in (3)
1 μl (3.4 × 10 −10 mol) was dropped on a gold electrode (0.79 mm 2 ) and left at 4 ° C. for 1 hour. After that, wash the electrode with water,
A thiol group-introduced dT 20 mer was recovered from the washing water. HPLC
At, a thiol group introduced dT 20 mer which has not reacted were measured, calculating the dT 20 mer amount that is fixed to the electrode 2.9X
It was 10 -11 mol (29 pmol). This is Tris-HCl-EDTA
(PH 7.0) Stored in buffer.

【0042】(B:フェロセン修飾縫い込み型インター
カレータの調製)フェロセン修飾縫い込み型インターカ
レータは、上記A(1)で調製したフェロセンカルボン
酸N−ヒドロキシスクシンイミドエステルと、下記の方
法により作成したアミン体とを用いて合成した。
(B: Preparation of Ferrocene-Modified Threaded Intercalator) The ferrocene-modified threaded intercalator was prepared by mixing the ferrocenecarboxylic acid N-hydroxysuccinimide ester prepared in the above A (1) with an amine prepared by the following method. It was synthesized using the body.

【0043】(1)アミン体の合成 1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボン酸二無水物2g(7.45
mol)と1,4−(3−アミノプロピル)ピペラジン40m
l(0.194mmol)をTHF30ml中で8時間還流した。室温ま
で冷やした後それをそのまま、へキサンに再沈澱させ、
結晶を濃過により回収した。さらに最少量のクロロフォ
ルムに溶解させ工一テルに再沈澱させた。沈澱物を除去
後、エーテルを減圧除去する。クロロフォルムに再溶解
させ、ヘキサンによる再沈澱後、結晶を回収した。収量
は330mg、収率52%であった。
(1) Synthesis of amine compound 2,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride 2 g (7.45
mol) and 1,4- (3-aminopropyl) piperazine 40m
l (0.194 mmol) was refluxed in 30 ml of THF for 8 hours. After cooling to room temperature, it was reprecipitated in hexane,
Crystals were collected by thickening. Further, it was dissolved in a minimum amount of chloroform and reprecipitated in a polyester. After removing the precipitate, the ether is removed under reduced pressure. After re-dissolving in chloroform and re-precipitating with hexane, the crystals were recovered. The yield was 330 mg and the yield was 52%.

【0044】[0044]

【表2】 [Table 2]

【0045】(2)フェロセン修飾縫い込み型インター
カレータの合成 上記A(1)で調製したフェロセンカルボン酸N−ヒド
ロキシスクシンイミドエステルと、B(1)の方法で調
製したアミン体(NaDI)とを反応させて合成した。
(2) Synthesis of Ferrocene-Modified Threaded Intercalator The ferrocenecarboxylic acid N-hydroxysuccinimide ester prepared in the above A (1) is reacted with the amine (NaDI) prepared in the method of B (1). And synthesized.

【0046】アミン体300mg(0.474mol)と上記A
(1)で調製したエステル600mg(1.8mmole)とをクロ
ロフォルム30mlに溶解した。これを室温で50時間撹拌
した。これをシリカゲルのTLCにかけメタノールを溶媒
として展開した。原点にNaDI、Rf値0.8にフェロセンカル
ボン酸N-ヒドロキシンイミドエステル、Rf値0.2にブロ
ードな目的物と思われるスポットが確認された。反応溶
液を減圧留去した後、メタノールに溶かし、展開溶媒に
メタノールを用いてシリカゲルカラムで展開し、目的物
と思われる画分を得た。メタノールを減圧留去し、クロ
ロフォルムに溶かした。ろ過後、ろ液を濃縮し、水で再
沈澱させ、アセトンて再結晶し、結晶を回収した。アセ
トンで再結晶した後のTLC(MeOH)はRf値0.2のスポットの
みであった。
Amine compound 300 mg (0.474 mol) and the above A
600 mg (1.8 mmole) of the ester prepared in (1) was dissolved in 30 ml of chloroform. This was stirred at room temperature for 50 hours. This was subjected to TLC on silica gel and developed using methanol as a solvent. At the origin, NaDI, a ferrocenecarboxylic acid N-hydroxyimide ester with an Rf value of 0.8, and a spot that was considered to be a broad target product with an Rf value of 0.2 were confirmed. After evaporating the reaction solution under reduced pressure, the residue was dissolved in methanol and developed with a silica gel column using methanol as a developing solvent to obtain a fraction considered to be the desired product. The methanol was distilled off under reduced pressure and dissolved in chloroform. After filtration, the filtrate was concentrated, reprecipitated with water, and recrystallized with acetone to collect crystals. TLC (MeOH) after recrystallization from acetone was only a spot having an Rf value of 0.2.

【0047】[0047]

【表3】 [Table 3]

【0048】上記回収物質の収量は33mgで収率は7%で
あった。得られたインターカレータは382nmに吸収極大
を有していた。
The yield of the recovered substance was 33 mg and the yield was 7%. The obtained intercalator had an absorption maximum at 382 nm.

【0049】(C:電極の性能評価)プローブDNAに
相補的に結合するDNAフラグメントとしては合成オリ
ゴヌクレオチドdA20を用いた。dA2029pmolと上記
(B)で作成したインターカレーター0.5mMとを含む30%DM
SO-41mM(AcOK-AcOH)緩衝液(pH5.2)に、フェロセン
修飾プローブDNA(dT20)が表面に固定化された電
極を浸した。反応は、40℃、10分間行った。
[0049] (C: Evaluation of electrode) The DNA fragment of complementarily binding to the probe DNA with a synthetic oligonucleotide dA 20. dA 20 29 pmol and above
30% DM containing 0.5mM intercalator created in (B)
The electrode with the ferrocene-modified probe DNA (dT 20 ) immobilized on the surface was immersed in SO-41 mM (AcOK-AcOH) buffer (pH 5.2). The reaction was performed at 40 ° C. for 10 minutes.

【0050】反応終了後電極を引き上げ、電極を5秒間
30%DMSO-41mM(AcOK-ACOH)緩衝液(pH 5.2)で洗浄
し、遊離インターカレーターを除去した。
After the reaction is completed, the electrode is pulled up, and the electrode is held for 5 seconds.
Washing was performed with 30% DMSO-41 mM (AcOK-ACOH) buffer (pH 5.2) to remove free intercalator.

【0051】この電極のサイクリックボルタモグラムを
測定したのが、図1である。測定は、41mM酢酸カリウム
−酢酸緩衝液(pH 5.2)、30%DMSO、スキャン速度100m
V/secの条件で行った。
FIG. 1 shows the measurement of the cyclic voltammogram of this electrode. Measurements were performed using 41 mM potassium acetate-acetic acid buffer (pH 5.2), 30% DMSO, and a scanning speed of 100 m.
The test was performed under the condition of V / sec.

【0052】本願発明の29pmolのdT20が結合した電極の
フェロセンインターカレータに由来する619mVの増加電
流は0.15μAであった。従って、dA20がdT20に結合する
ことにより、つまり、電極に固定化されたプローブDN
Aに相補的なDNAが結合することにより、特定の配列
が検出できることがわかる。
[0052] increasing current 619mV where dT 20 of 29pmol of the present invention is derived from ferrocene intercalators bound electrodes was 0.15Myuei. Therefore, the binding of dA 20 to dT 20 , that is, the probe DN immobilized on the electrode
It turns out that a specific sequence can be detected by binding of DNA complementary to A.

【0053】この電極を用い、種々の濃度のdA20と上
記(B)で作成したインターカレーター0.5mMとを含む30%
DMSO-41mM(AcOK-AcOH)緩衝液(pH5.2)に、フェロセ
ン修飾プローブDNA(dT20)が表面に固定化された
電極を浸した。反応は、40℃、10分間行った。
Using this electrode, 30% containing various concentrations of dA 20 and 0.5 mM of the intercalator prepared in (B) above.
The electrode on which the ferrocene-modified probe DNA (dT 20 ) was immobilized was immersed in a DMSO-41 mM (AcOK-AcOH) buffer (pH 5.2). The reaction was performed at 40 ° C. for 10 minutes.

【0054】反応終了後電極を引き上げ、電極を5秒間
30%DMSO-41mM(AcOK-ACOH)緩衝液(pH 5.2)で洗浄
し、遊離インターカレーターを除去した。
After completion of the reaction, the electrode is pulled up, and the electrode is held for 5 seconds.
Washing was performed with 30% DMSO-41 mM (AcOK-ACOH) buffer (pH 5.2) to remove free intercalator.

【0055】この電極のサイクリックボルタモグラムを
測定した結果を図2に示す。増加電流の検出限界から、
上記電極により検出可能なDNAの検出限界は、数fmol
と推定された。この図から、特定の配列を有するDNA
の検出および定量が可能であることがわかる。
FIG. 2 shows the result of measuring the cyclic voltammogram of this electrode. From the detection limit of the increasing current,
The detection limit of DNA that can be detected by the above electrodes is several fmol
It was estimated. From this figure, it can be seen that DNA having a specific sequence
It can be seen that detection and quantification of are possible.

【0056】このDNA検出限界は現行のRI法、蛍光
ラベル法、発光法と比較して同等あるいはより高感度で
ある。
This DNA detection limit is equivalent to or higher in sensitivity than the current RI method, fluorescent label method, and luminescence method.

【0057】[0057]

【発明の効果】導電性を有する物質で修飾されたプロー
ブDNAを電極に固定化し、インターカレータ存在下、
DNA試料と反応させた後、電極の電流を検出および/
または測定することにより、特定の配列を有するDNA
が検出および/または測定される。この方法により、従
来のRIを用いるオートラジオグラフィーのように数日
を要せず、リアルタイムで検出することが可能となる。
そしてオートラジオグラフィーで必須の、現像の手間が
不要である。さらに、オートラジオグラフィーては感光
度不足が現像によって初めて確認され、感光度が不足す
る時には再度フィルムを感光させる必要があり、時間的
ロスが生じる。本発明では、このような時間的ロスが皆
無となる。さらに、被験DNAを制限酵素処理、電気泳
動による分画処理などが不要になるため、分画装置など
を要せず、簡便に特定の配列を有するDNAが検出、測
定され得る。
According to the present invention, a probe DNA modified with a conductive substance is immobilized on an electrode, and in the presence of an intercalator,
After reacting with the DNA sample, the electrode current is detected and / or
Or, by measuring, DNA having a specific sequence
Is detected and / or measured. According to this method, detection can be performed in real time without requiring several days as in the conventional autoradiography using RI.
In addition, there is no need for development work, which is essential for autoradiography. Furthermore, in autoradiography, lack of photosensitivity is confirmed for the first time by development, and when the photosensitivity is insufficient, the film needs to be exposed again, resulting in a time loss. In the present invention, such a time loss is completely eliminated. Furthermore, since the test DNA does not need to be treated with a restriction enzyme or fractionation by electrophoresis, a DNA having a specific sequence can be easily detected and measured without using a fractionation device.

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

【図1】本願発明の電極のサイクリックボルタモグラム
を測定した図である。
FIG. 1 is a view showing a measurement of a cyclic voltammogram of an electrode of the present invention.

【図2】本願発明の電極の性能を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the performance of the electrode of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−199898(JP,A) Kelly M.Millan an d Susan R.Mikkelse n,Anal.Chem.,1993,Vo l.65,No.17,p2317−2323 Keji Hashimoto 他2 名,Anal.Chim.Acta., 1994,Vol.286,No.2,p219− 224 Shigeori Takenaka 他2名,J.Chem.Soc.,C hem.Commun.,1990,Vo l.21,p1485−1487 Shigeori Takenaka 他4名,Anal.Bioche m.,1994,Vol.218,p436−443 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/327 G01N 27/06 BIOSIS(DIALOG) CAPLUS(STN) JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-5-199898 (JP, A) Kelly M. Millan and Susan R. See Mikkelsen, Anal. Chem. , 1993, Vol. 65, no. 17, p2317-2323 Keji Hashimoto and two others, Anal. Chim. Acta. , 1994, Vol. 286, no. 2, p219-224 Shigeori Takenaka, et al. Chem. Soc. , Chem. Commun. , 1990, Vol. 21, pp. 1485-1487 Shigeori Takenaka, et al., Anal. Biochem. , 1994, Vol. 218, p436-443 (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 27/327 G01N 27/06 BIOSIS (DIALOG) CAPLUS (STN) JICST file (JOIS)

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 特定の配列を有する遺伝子を検出する
方法であって、少なくとも酸化活性または還元活性のいずれかを有する
化合物で 修飾されたDNAプローブが固定された電極と
DNAを含む試料とをインターカレータ存在下に反応さ
せ、該DNAプローブとDNAとのハイブリッドDNA
を形成させる工程と、 前記反応後の電極の電流を検出および/または測定する
工程と、 を有する遺伝子の電気化学的検出方法。
1. A method for detecting a gene having a specific sequence, which comprises at least either an oxidizing activity or a reducing activity.
An electrode having a DNA probe modified with a compound immobilized thereon is reacted with a sample containing DNA in the presence of an intercalator, and a hybrid DNA of the DNA probe and DNA is reacted.
A method of electrochemically detecting a gene, comprising: a step of forming and a step of detecting and / or measuring a current of the electrode after the reaction.
【請求項2】 前記少なくとも酸化活性または還元活
性のいずれかを有する化合物が、酸化還元活性を有する
化合物である、請求項1記載の遺伝子の電気化学的検出
方法。
2. The method according to claim 2, wherein said at least oxidizing activity or reducing activity is
The method for electrochemically detecting a gene according to claim 1 , wherein the compound having any of the above-mentioned properties is a compound having a redox activity.
【請求項3】 前記少なくとも酸化活性または還元活
性のいずれかを有する化合物が、フェロセン、カテコー
ルアミン、金属ビピリジン錯体、金属フェナンスリン錯
体、ビオローゲンのいずれかである、請求項1記載の遺
伝子の電気化学的検出方法。
3. The at least oxidizing or reducing activity.
The method for electrochemically detecting a gene according to claim 1 , wherein the compound having any of the above-mentioned properties is any of ferrocene, catecholamine, metal bipyridine complex, metal phenanthrin complex, and viologen.
【請求項4】 特定の配列を有する遺伝子を検出する
方法であって、 DNAプローブが固定された電極とDNAを含む試料と
をインターカレータ存在下に反応させ、当該DNAプロ
ーブとDNAとのハイブリッドDNAを形成させる工程
と、 前記ハイブリッドDNAの層間にインターカレータを反
させて、当該インターカレータの置換基が主溝及び副
溝にそれぞれ突き出した複合体を形成させる工程と、 当該複合体が形成されることによる電極に流れる電流量
の変化を検出及び/又は測定する工程と、を有する遺伝
子の電気化学的検出方法。
4. A method for detecting a gene having a specific sequence, comprising reacting a DNA-immobilized electrode with a sample containing DNA in the presence of an intercalator to obtain a hybrid DNA of the DNA probe and DNA. And reacting an intercalator between the layers of the hybrid DNA so that the substituent of the intercalator has a main groove and a sub-groove.
A method for electrochemically detecting a gene, comprising: forming a complex protruding from a groove; and detecting and / or measuring a change in an amount of current flowing through an electrode due to the formation of the complex .
【請求項5】 特定の配列を有する遺伝子を検出する
方法であって、 DNAプローブが固定された電極とDNAを含む試料と
をインターカレータ存在下に反応させ、当該DNAプロ
ーブとDNAとのハイブリッドDNAを形成させる工程
と、 前記ハイブリッドDNAへ縫い込み型インターカレータ
を反応させる工程と、前記反応後の電極の電流を検出お
よび/または測定する工程と、 を有する遺伝子の電気化学的検出方法。
5. A method for detecting a gene having a specific sequence, comprising reacting a DNA-immobilized electrode with a sample containing DNA in the presence of an intercalator to obtain a hybrid DNA of the DNA probe and DNA. A method for electrochemically detecting a gene, comprising: a step of reacting a sewn intercalator with the hybrid DNA; and a step of detecting and / or measuring a current of the electrode after the reaction.
【請求項6】 前記縫い込み型インターカレータがハ
イブリッドDNAと反応して、縫い込み型インターカレ
ータの二つの置換基がハイブリッドDNAの二重らせん
の主溝及び副溝にそれぞれ突き出した複合体を形成する
ことを特徴とする請求項5記載の遺伝子の電気化学的検
出方法。
6. The sewn intercalator reacts with the hybrid DNA to form a complex in which the two substituents of the sewn intercalator protrude into the main groove and the minor groove of the double helix of the hybrid DNA, respectively. The method for electrochemically detecting a gene according to claim 5, wherein
【請求項7】 前記インターカレータが、フェロセン
修飾縫い込み型インターカレータである、請求項1〜6
のいずれか一項に記載の遺伝子の電気化学的検出方法。
7. The intercalator according to claim 1, wherein the intercalator is a ferrocene-modified threaded intercalator.
The method for electrochemically detecting a gene according to any one of the above.
【請求項8】 前記インターカレータが、カテコール
アミン、金属ビピリジン、金属フェナンスリン錯体、又
はビオローゲン化合物を導入した縫い込み型インターカ
レータである請求項1〜6のいずれか一項に記載の遺伝
子の電気化学的検出方法。
8. The electrochemical electrochemical gene according to claim 1, wherein the intercalator is a threaded intercalator into which a catecholamine, a metal bipyridine, a metal phenanthrin complex, or a viologen compound is introduced. Detection method.
【請求項9】 特定の配列を有する遺伝子を検出する
装置であって、少なくとも酸化活性または還元活性のいずれかを有する
化合物で 修飾されたDNAプローブが固定された電極
と、 当該電極に固定されたDNAプローブとDNAを含む試
料とをインターカレータ存在下に反応させ、ハイブリッ
ドDNAを形成させる手段と、 当該反応後の電極の電流を検出および/または測定する
手段と、 を有する遺伝子の電気化学的検出装置。
9. An apparatus for detecting a gene having a specific sequence, wherein the apparatus has at least either an oxidizing activity or a reducing activity.
An electrode on which a DNA probe modified with a compound is immobilized, a means for reacting the DNA probe immobilized on the electrode with a sample containing DNA in the presence of an intercalator to form hybrid DNA, and an electrode after the reaction. Means for detecting and / or measuring the current of the gene.
【請求項10】 前記少なくとも酸化活性または還元
活性のいずれかを有する化合物が酸化還元活性を有する
化合物である、請求項9記載の遺伝子の電気化学的検出
装置。
10. The at least oxidative activity or reduction
The apparatus for electrochemically detecting a gene according to claim 9, wherein the compound having any of the activities is a compound having a redox activity.
【請求項11】 前記少なくとも酸化活性または還元
活性のいずれかを有する化合物がフェロセン、カテコー
ルアミン、金属ビピリジン錯体、金属フェナンスリン錯
体、ビオローゲンのいずれかである、請求項9記載の遺
伝子の電気化学的検出装置。
11. The at least oxidizing activity or the reducing
10. The apparatus for electrochemically detecting a gene according to claim 9, wherein the compound having any activity is any of ferrocene, catecholamine, metal bipyridine complex, metal phenanthrin complex, and viologen.
【請求項12】 特定の配列を有する遺伝子を検出す
る装置であって、 DNAプローブが固定された電極と、 当該電極に固定されたDNAプローブとDNAを含む試
料とをインターカレータ存在下に反応させハイブリッド
DNAを形成させ、当該ハイブリッドDNAへ縫い込み
型インターカレートする手段と、 当該反応後の電極の電流を検出および/または測定する
手段と、 を有する遺伝子の電気化学的検出装置。
12. An apparatus for detecting a gene having a specific sequence, comprising: reacting a DNA probe-immobilized electrode with a DNA probe-immobilized sample in the presence of an intercalator. An apparatus for electrochemically detecting a gene, comprising: means for forming a hybrid DNA, thread-type intercalation into the hybrid DNA, and means for detecting and / or measuring the current of the electrode after the reaction.
【請求項13】 前記縫い込み型インターカレートに
より、前記縫い込み形インターカレータの二つの置換基
がハイブリッドDNAの二重らせんの主溝及び副溝にそ
れぞれ突き出した複合体を形成することを特徴とする、
請求項12記載の遺伝子の電気化学的検出装置。
13. The sewn intercalator forms a complex in which the two substituents of the sewn intercalator protrude into the main groove and the minor groove of the double helix of the hybrid DNA, respectively. And
An apparatus for electrochemically detecting a gene according to claim 12.
【請求項14】 前記インターカレータがフェロセン
修飾縫い込み型インターカレータである、請求項9〜1
3のいずれか一項に記載の遺伝子の電気化学的検出装
置。
14. The intercalator according to claim 9, wherein said intercalator is a ferrocene-modified threaded intercalator.
4. The apparatus for electrochemically detecting a gene according to claim 3.
【請求項15】 前記インターカレータが、カテコー
ルアミン、金属ビピリジン、金属フェナンスリン錯体、
又はビオローゲン化合物を導入した縫い込み型インター
カレータである請求項9〜13のいずれか一項に記載の
遺伝子の電気化学的検出装置。
15. The method according to claim 15, wherein the intercalator is a catecholamine, a metal bipyridine, a metal phenanthrin complex,
The electrochemical detection device for a gene according to any one of claims 9 to 13, wherein the device is a threaded intercalator into which a viologen compound is introduced.
【請求項16】 少なくとも酸化活性または還元活性
のいずれかを有する化合物で修飾されたDNAプローブ
が電極に固定されている、特定のDNA配列を検出する
ための電極。
16. At least oxidizing activity or reducing activity
An electrode for detecting a specific DNA sequence, wherein a DNA probe modified with a compound having any one of the above is immobilized on the electrode.
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