JP3761569B2

JP3761569B2 - ピロリン酸検出センサ、核酸の検出方法、および塩基種判別方法

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Publication number: JP3761569B2
Application number: JP2005511429A
Authority: JP
Inventors: 哲男行政; 英信夜久; 弘章岡; 信池田; 貴裕中南
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: WO2005003750A1; US20060269915A1; CN1705878A; JPWO2005003750A1; CN100453651C

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料中のピロリン酸を簡便かつ高感度で検出するセンサ、ならびにこれを用いた核酸の検出方法および塩基種判別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピロリン酸は、細胞内における酵素反応に深く関与していることが知られている。例えば、タンパク質の合成過程において、アミノ酸がアミノアシルアデニル酸を経由してアミノアシルｔＲＮＡを形成する反応においてピロリン酸が生成される。また、例えば、植物などに見られるデンプン合成の過程では、グルコース−１−リン酸とＡＴＰとの反応によってＡＤＰ−グルコースが生成される際に、ピロリン酸が生成される。これら以外にも、種々の酵素反応においてピロリン酸が関与していることが知られている。従って、ピロリン酸を定量的に検出する技術は、細胞状態、あるいは上記の酵素反応等を解析する上で重要な技術である。
【０００３】
従来のピロリン酸測定方法として、Ｇｒｉｎｄｌｅｙらの化学的方法（非特許文献１参照）が知られている。しかし、この方法では濃硫酸を用いるので、非常に危険が伴う。
【０００４】
特許文献１では、濃硫酸などの危険な薬品を用いずに、酵素を利用した三種類のピロリン酸測定方法が開示されている。それらに関して以下に説明する。
【０００５】
第１の方法は、ピロリン酸をホスホエノ−ルピルビン酸およびアデノシン一リン酸の存在下で、ピルベートオルソホスフェートジキナーゼを作用させる方法である。この反応によってピルビン酸が生成されるので、ピルビン酸の量を測定することによってピロリン酸の量を算出することができる。なお、ピルビン酸の量を測定する方法は二種類の方法が提案されている。１つは、ラクテートデヒドロゲナーゼの触媒作用を利用してピルビン酸をＮＡＤＨで還元する際に、ＮＡＤＨの減少を比色定量する方法である。もう１つは、生成したピルビン酸にピルベートオキシダーゼを作用させて生成する過酸化水素を色素に導くことによって比色定量する方法である。
【０００６】
第２の方法は、ピロリン酸をシチジン二リングリセロールの存在下でグリセロール−３−ホスフェートシチジルトランスフェラーゼに作用させる方法である。この反応によってグリセロール三リン酸が生成される。従って、グリセロール三リン酸の生成量を測定することでピロリン酸の量を算出することができる。グリセロール三リン酸の量を測定する方法は二種類の方法が提案されている。１つは、グリセロール−３−ホスフェートデヒドロゲナーゼの触媒作用を利用してグリセロール三リン酸をＮＡＤ（Ｐ）で酸化する際に、ＮＡＤ（Ｐ）Ｈの増加を比色定量する方法である。もう１つは、生成したグリセロール三リン酸にグリセロール−３−ホスフェートオキシダーゼを作用させて生成する過酸化水素を色素に導きこれを比色定量する方法である。
【０００７】
第３の方法は、ピロリン酸をシチジン二リン酸リビトールの存在下でリビトール−５−ホスフェートシチジルトランスフェラーゼを作用させる方法である。この反応によってＤ−リビトール−５−リン酸が生成されるため、その生成量を測定することでピロリン酸量を測定することができる。Ｄ−リビトール−５−リン酸を測定する方法は、ＮＡＤ（またはＮＡＤＰ）の存在下でリビトール−５−ホスフェートデヒドロゲナーゼを作用させてＮＡＤＨ（またはＮＡＤＰＨ）の増加を比色定量する方法が提案されている。
【０００８】
その他にも特許文献２には、ピロホスファターゼによりピロリン酸をリン酸に加水分解した後、プリンヌクレオシドホスホリラーゼによりリン酸をイノシンまたはキサントシンと反応させ、生じたヒポキサンチンをキサンチンオキシダーゼにより酸化してキサンチンとし、さらに酸化して尿酸を生成させ、このキサンチンオキシダーゼによる酸化過程で生じる過酸化水素をペルオキシダーゼを用いて発色剤を発色させる方法が示されている。
【０００９】
一方、核酸の伸長反応もピロリン酸が関与する重要な生体反応の一種である。
【００１０】
近年、遺伝子情報に関する技術が盛んに開発されている。医療分野では、疾患関連遺伝子を解析することにより、疾患の分子レベルでの治療が可能となってきている。また、遺伝子診断により、患者個人ごとに対応したテーラーメード医療も可能となってきた。製薬分野においては、遺伝子情報を使用して、抗体やホルモンなどのタンパク分子を特定し、薬品として利用している。農業や食品分野などにおいても、多くの遺伝子情報を利用した製品が作り出されている。
【００１１】
これらの遺伝子情報の中でも、遺伝子多型は特に重要である。我々の顔や体型などが様々であるように、一人一人の遺伝子情報もかなりの部分で異なっている。これらの遺伝情報の違いのうち、塩基配列の変化が人口の１％以上の頻度で存在するものを遺伝子多型と呼んでいる。これらの遺伝子多型が、個人の顔かたちだけでなく、様々な遺伝子疾患の原因や、体質、薬剤応答性、薬剤の副作用などに関連していると言われ、現在この遺伝子多型と疾患などとの関連が急速に調べられている。
【００１２】
この遺伝子多型の中で、近年、特に注目されているのがＳＮＰ（Ｓｉｎｇｌｅｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ）である。ＳＮＰは、遺伝子情報の塩基配列の中で、一塩基のみが異なっている遺伝子多型のことを指す。ＳＮＰはヒトゲノムＤＮＡ内に２〜３百万あると言われており、遺伝子多型のマーカーとして利用しやすく、臨床への応用が期待されている。現在では、ＳＮＰ関連技術として、ゲノム中のＳＮＰの位置同定およびＳＮＰと疾患との関連性等の研究とともに、ＳＮＰ部位の塩基を判別するＳＮＰタイピング技術の開発が行われている。
【００１３】
ＳＮＰタイピングの技術は、ハイブリダイズを利用したもの、制限酵素を利用したもの、リガーゼ等の酵素を利用したもの等様々な種類のものがある。それらの技術のうち、最も簡便な技術としてプライマー伸長反応を利用するものがある。この技術では、プライマー伸長反応が起こるか否かを判定することによって、ＳＮＰタイピングを行なう。
【００１４】
プライマー伸長反応を利用したＳＮＰタイピング技術の検出には、実際のＤＮＡの増幅産物を蛍光色素を用いて検出する方法や、固定化プローブを用いる方法の他に、ＤＮＡポリメラーゼによる核酸合成の副産物であるピロリン酸を検出する方法も考案されている。この方法では、伸長反応の進行の差を検出するために、プライマー伸長反応の進行に伴って生成されるピロリン酸をＡＴＰに変換し、その後ルシフェラーゼ反応を利用してピロリン酸の量を測定する方法を用いている（非特許文献２参照）。
【非特許文献１】
Ｇ．Ｂ．ＧｒｉｎｄｌｅｙａｎｄＣ.Ａ．Ｎｉｃｈｅｌ, Ａｎａｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ, vol３３.ｐ１１４（１９７０）
【特許文献１】
特開昭６１−１２３００号公報
【特許文献２】
特開２００２−３６９６９８号公報
【非特許文献２】
Ｊ．ＩｍｍｕｎｏｌｏｇｉｃａｌＭｅｔｈｏｄ，１５６，５５−６０，１９９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら上述した方法よるピロリン酸の測定方法においては、プライマー伸長反応においてｄＡＴＰを用いる場合、ｄＡＴＰはＡＴＰと同様にルシフェラーゼ反応の基質になる。このため、正確なＳＮＰ部位の塩基種の判別ができない。従って、ｄＡＴＰの代わりにＤＮＡポリメラーゼの基質として作用し、且つルシフェラーゼ反応の基質としては作用しない特殊なｄＡＴＰアナログを用いる必要があるという課題があった。
【００１６】
また、他のピロリン酸の測定技術においても、複数種の酵素、試薬などを必要とし、コストが増大し、工程が複雑化してしまうという不具合がある。また、これらの測定方法においては、上記の理由からキット化および小型センサとしてのデバイス化が困難であるという課題があった。
【００１７】
さらにこれらの方法のほとんどは光学式検出法であるため、測定装置が大型化してしまうという問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、試料液中のピロリン酸を簡便かつ高感度でピロリン酸を検出し、かつ構成が簡便なピロリン酸検出センサ、ならびにこれを用いた核酸の検出方法および塩基種判別方法を提供することを目的とする。
【００１９】
これらの目的を達成するために、本発明は、試料液中のピロリン酸を検出するピロリン酸検出センサであって、前記試料液を受容する試料液受容部と、Ｈ^＋−ピロホスファターゼを有するＨ^＋難透過性膜と、前記Ｈ^＋難透過性膜を固定する固定層と、前記固定層の水素イオン濃度変化に伴う電気化学的変化を測定する測定手段と、を備え、前記Ｈ^＋−ピロホスファターゼは、前記試料液中のピロリン酸を加水分解し、これに伴って固定層の水素イオン濃度に変化をもたらすように配されている。このような構成においては、Ｈ^＋−ピロホスファターゼにより水素イオンの濃度変化がもたらされる固定層が、Ｈ^＋難透過性膜を固定する機能をも有するので、ピロリン酸検出センサを簡便に構成することができる。
【００２０】
上記ピロリン酸検出センサの一形態は、前記固定層がその上面又はその内部にＨ^＋難透過性膜を固定する構成である。
【００２１】
上記ピロリン酸検出センサの一形態は、前記Ｈ^＋難透過性膜が膜小胞であり、前記固定層は前記Ｈ^＋難透過性膜をその内部に固定する構成である。
【００２２】
上記ピロリン酸検出センサの一形態は、前記測定手段が、前記固定層に接する水素イオン感受性電極と、前記試料液を受容した状態で前記試料液に接するように配された参照電極とを有する構成である。そして、前記測定手段は、前記水素イオン感受性電極と前記参照電極との電位差の変化を測定するように構成することが好ましい。
【００２３】
上記ピロリン酸検出センサの一形態は、前記固定層が高分子ゲルまたは自己組織化単分子膜（以下、ＳＡＭ膜とも称す）からなる構成である。高分子ゲルは、その保持能により前記Ｈ^＋難透過性膜を固定しうる。
【００２４】
上記ピロリン酸検出センサの一形態は、前記固定層が水素イオン濃度の変化により酸化還元反応が生じる材料を含み、前記測定手段が前記固定層に接する分極性電極と、前記試料液を受容した状態で前記試料液に接するように配された参照電極とを有する構成である。そして、前記測定手段は、前記分極性電極と前記参照電極との間の電流の変化を測定するように構成することが好ましい。
【００２５】
上記ピロリン酸検出センサの一形態は、前記固定層が水素イオン濃度の変化により酸化還元反応が生じるメディエータを含む高分子ゲルまたは自己組織化単分子膜からなり、その上面に前記Ｈ^＋難透過性膜を固定する構成である。
【００２６】
上記ピロリン酸検出センサの一形態は、前記固定層が水素イオン濃度の変化により酸化還元反応が生じる電解重合材料からなる構成である。
【００２７】
また、本発明は、上記ピロリン酸検出センサを用いる、特定の塩基配列を有する核酸の検出方法であって、試料と、前記核酸に相補的に結合する相補結合領域を含む塩基配列を有するプライマーと、ヌクレオチドとを含む試料液を調製する工程（ａ）、前記試料液を前記プライマーの伸長反応が生じる条件下におき、前記伸長反応が生じた場合にピロリン酸を生成する工程（ｂ）、前記ピロリン酸検出センサの前記試料液受容部に前記試料液が受容された状態とする工程（ｃ）、前記ピロリン酸検出センサの前記測定手段により前記固定層の水素イオン濃度変化に伴う電気化学的変化を測定する工程（ｄ）、工程（ｄ）の測定結果に基づいて前記伸長反応を検出する工程（ｅ）、および工程（ｅ）の検出結果に基づいて前記核酸を検出する工程（ｆ）を包含する。
【００２８】
また、本発明は、上記ピロリン酸検出センサを用いる、核酸の塩基配列中の塩基種判別方法であって、核酸と、前記核酸に相補的に結合する相補結合領域を含む塩基配列を有するプライマーと、ヌクレオチドとを含む試料液を調製する工程（ａ）、前記試料液を前記プライマーの伸長反応が生じる条件下におき、前記伸長反応が生じた場合にピロリン酸を生成する工程（ｂ）、前記ピロリン酸検出センサの前記試料液受容部に前記試料液が受容された状態とする工程（ｃ）、前記ピロリン酸検出センサの前記測定手段により前記固定層の水素イオン濃度変化に伴う電気化学的変化を測定する工程（ｄ）、工程（ｄ）の測定結果に基づいて前記伸長反応を検出する工程（ｅ）、および工程（ｅ）の検出結果に基づいて前記核酸の塩基配列中の塩基種を判別する工程（ｆ）を包含する。
【００２９】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、ピロリン酸の高感度、高速、かつ定量的な測定が可能となるピロリン酸検出センサならびにこれを用いた核酸の検出方法および塩基種判別方法を提供する。
【００３１】
また、本発明によれば、ＤＮＡの伸長反応に伴って生成されるピロリン酸を測定することによって、試料中の目的ＤＮＡを標識することなく、目的の核酸の有無を定量的に測定することが出来る。さらには、目的のＳＮＰのタイピングを、高感度かつ高速に測定することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
まず、図１を用いて本発明の反応原理を説明する。本発明では、ピロリン酸を定性的又は定量的に検出するために、Ｈ⁺−ピロホスファターゼを用いる。図１は、植物の液胞膜に内在された状態のＨ⁺−ピロホスファターゼを模式的に表す図である。図１に示すように、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ１１は通常、植物等の液胞膜１３内に存在する膜タンパク質であり、１分子のピロリン酸１０から２分子のリン酸１２を生成する加水分解反応に伴って、水素イオンを通さない、あるいは通しにくい液胞膜１３の外側（表面１３ａ側）から液胞膜１３の内側（裏面１３ｂ側）に向けて水素イオンを輸送する性質を有する。このため、Ｈ⁺−ピロホスファターゼの酵素反応によって、液胞膜１３の内部では水素イオン濃度が増大し、液胞膜１３の外部では水素イオン濃度が減少する。
【００３４】
各実施形態にかかるピロリン酸検出センサでは、Ｈ⁺−ピロホスファターゼの上記性質及び膜タンパク質であるという形態を利用して、ピロリン酸の検出を行う。すなわち、Ｈ⁺−ピロホスファターゼを保持する膜で領域を分離し、少なくともいずれか一方の水素イオン濃度の変化を測定することにより、Ｈ⁺−ピロホスファターゼが加水分解に寄与したピロリン酸の量を検出することができる。このように、各実施形態にかかるピロリン酸検出センサでは、Ｈ⁺−ピロホスファターゼの作用に直接的にかかわった水素イオンの濃度変化を検出することにより、ピロリン酸の検出を行うので、簡便かつ高感度の検出が可能である。また、上述の検出を行うためには、水素イオンの輸送元の領域と、水素イオンの輸送先の領域との分離が必須要件となるが、Ｈ⁺−ピロホスファターゼは膜タンパク質であることにより、その形態を領域の分離に利用することができる。このことは、ピロリン酸検出センサの構成の簡素化に寄与する。
【００３５】
各実施形態のピロリン酸検出センサを用いた検出工程においては、ピロリン酸を含む試料液を、植物細胞等から単離してきた液胞膜１３等のＨ^＋難透過性膜に内在している状態のＨ⁺−ピロホスファターゼに接触させる。
【００３６】
この後、Ｈ^＋難透過性膜の内側あるいはＨ^＋難透過性膜の外側の水素イオン濃度の変化を測定する。このことによって、試料液中のピロリン酸の有無あるいは量を測定し、ピロリン酸の定性的検出あるいは定量的検出を行う。
【００３７】
（第１の実施形態）
本実施形態は、ピロリン酸検出センサに係るものである。図２は、本実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。ピロリン酸検出センサ３１は、絶縁基板２２と、絶縁基板２２上に固定された溶液保持部材２５によって形成される溶液保持部３２と、測定手段とを有する。溶液保持部３２は、基板２２上に形成された固定層５１と、前記固定層５１上面に固定されたＨ^＋難透過性膜２１と、これらが構成されていない領域である試料液受容部３３とからなる。測定手段は、固定層５１と接するように基板２２直上に配された水素イオン感受性電極２３と、試料液受容部３３に試料液２６が満たされた状態で、試料液２６に接するように配された参照電極２７とを有する。
【００３８】
Ｈ^＋難透過性膜２１は、Ｈ^＋−ピロホスファターゼ１１を有する。Ｈ^＋難透過性膜２１は、Ｈ^＋−ピロホスファターゼ１１の部分を除いて水素イオンを透過させにくい膜からなり、例えば天然の液胞膜、もしくは人工の脂質二重膜等が利用できる。Ｈ^＋難透過性膜２１において、Ｈ^＋−ピロホスファターゼ１１のピロリン酸を加水分解する活性部位は、試料液受容部３３側に露出している。
【００３９】
固定層５１は、水素イオンを十分透過させ水分を保持し得る材料で形成されている。また、固定層５１は、その上面にＨ^＋難透過性膜２１を固定可能な材料で形成されている。固定層５１は、その保持能を利用してＨ^＋難透過性膜２１を上面に固定するゲルや、架橋反応を利用してＨ^＋難透過性膜２１を上面に固定するＳＡＭ膜で形成することができる。このような材料として、アガロースゲル等の高分子ゲル、フラーレン様化合物を含む材料、等を用いることができる。
【００４０】
水素イオン感受性電極２３としては、通常のｐＨセンサとして機能できるものであればよく、ガラス電極、ＩＳＦＥＴ電極（ｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅＦＥＴ、ゲートにイオン感受性膜を使用したイオン感受性ＦＥＴ）、ＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ−ＡｄｄｒｅｓｓａｂｌｅＰｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃＳｅｎｓｏｒ）等が利用できる。
【００４１】
参照電極２７には、標準水素電極、銀／塩化銀電極、飽和カロメル電極等が利用できる。
【００４２】
絶縁基板２２と溶液保持部材２５は、ピロリン酸の加水分解反応に影響しない材料で形成されていればよく、ガラス、シリコン、プラスチック等で形成され得る。
【００４３】
ピロリン酸検出センサ３１を用いて、試料液２６中に含まれるピロリン酸を検出する方法及びその原理について説明する。まず、試料液２６を試料液受容部３３に満たす。試料液２６にピロリン酸が含まれる場合、Ｈ^＋−ピロホスファターゼ１１の活性により、ピロリン酸がリン酸へと加水分解され、それに伴って固定層５１内の水素イオン濃度が上昇する。それを、水素イオン感受性電極２３を用いて測定することによって、測定液２６中のピロリン酸濃度を検出することができる。具体的には、水素イオン感受性電極２３と参照電極２７との電位差の変化を測定することによって、固定層５１内の水素イオン濃度変化を測定し、かかる測定結果に基づいて測定液２６中のピロリン酸濃度を検出する。
【００４４】
なお、Ｈ^＋難透過性膜２１は、ピロリン酸を加水分解する活性部位が固定層５１側（内部）に露出しているＨ^＋−ピロホスファターゼを含んでいても良い。ただし、ピロリン酸を加水分解する活性部位が内部に露出しているＨ^＋−ピロホスファターゼを有するＨ^＋難透過性膜２１を用いる場合、固定層５１のピロリン酸の濃度は、試料液２６のピロリン酸の濃度よりも低くしておくことが好ましく、固定層５１にはピロリン酸を含まないことが最も好ましい。このことによって、固定層５１から試料液２６への水素イオン輸送が減少あるいは停止し、試料液２６から固定層５１への水素イオンの輸送が優勢となって、固定層５１の水素イオン濃度の変化が、試料液２６中に含まれるピロリン酸によるものにほぼ限定される。したがって、試料液２６中に含まれるピロリン酸の量を正確に見積もることができる。
【００４５】
ピロリン酸検出センサ３１は、固定層５１の試料液受容部３３との境界面全てがＨ^＋難透過性膜２１で被覆されている構成ではないので、Ｈ^＋難透過性膜２１で被覆されていない境界部分から試料液２６と固定層５１との間の水素イオンの移動が可能であり、平衡状態を保つべくこの部分から水素イオンが拡散するが、拡散による水素イオンの移動は、Ｈ^＋−ピロホスファターゼ１１の活性による水素イオンの移動と比較して遅いので、水素イオン感受性電極２３によって測定される水素イオンの濃度変化はほぼＨ^＋−ピロホスファターゼ１１の活性によるものとすることができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
本実施形態は、ピロリン酸検出センサに係るものである。図３は、本実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。本実施形態のピロリン酸検出センサ３４は、第１の実施形態のピロリン酸検出センサ３１とは、固定層５１が絶縁基板２２直上の全領域に形成されており、固定層５１と試料液受容部３３との全境界領域にＨ^＋難透過性膜２１が配されている点が異なるのみである。その他の構成は、第１の実施形態のピロリン酸検出センサ３１と同じなので、説明を省略する。
【００４７】
（第３の実施形態）
本実施形態は、ピロリン酸検出センサに係るものである。図４は、本実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。第１の実施形態と異なる点は、Ｈ^＋難透過性膜が膜小胞７１で形成されている点と、膜小胞７１であるＨ^＋難透過性膜の固定されている位置である。以下、第１の実施形態と異なる点のみ説明する。
【００４８】
膜小胞７１はＨ⁺−ピロホスファターゼ１１を有し、固定層７２内に固定されている。固定層７２は、例えばゲルの保持能によって膜小胞７１を内部に固定し得る材料からなる。膜小胞７１としては、細胞から単離された液胞から調製されたものを用いることができる。また、膜小胞７１としては、人工的に形成した脂質二重層膜やＬＢ膜などの水素イオンを通さない、あるいは通しにくい膜内に単離および精製したＨ⁺−ピロホスファターゼを内在するように再構築することによって形成されたものを用いてもよい。
【００４９】
膜小胞７１の膜には、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ以外のタンパク質が含まれていてもよい。但し、これらのタンパク質は、ピロリン酸と反応しない、あるいは反応性の低いタンパク質であることが好ましい。すなわち、ピロリン酸が膜小胞７１の膜中にあるＨ⁺−ピロホスファターゼ以外のタンパク質と反応する場合、Ｈ⁺−ピロホスファターゼと反応するピロリン酸の量が減少し、それに伴ってＨ^＋の輸送量が減少するからである。また、ピロリン酸とは反応せず、且つピロリン酸以外の物質との反応によって水素イオンを輸送するタンパク質が膜小胞７１の膜に含まれている場合、そのタンパク質が反応する物質が試料液２６中にほとんど含まれていないことが好ましい。例えば、具体的には、膜小胞７１の膜には、ピロリン酸とほとんど反応せず、且つＡＴＰとの反応によって水素イオンを輸送するタンパク質であるＡＴＰａｓｅが含まれている場合、試料液２６中にＡＴＰをほとんど含まないようにすることが好ましい。
【００５０】
ピロリン酸検出センサ３５を用いて、試料液２６中に含まれるピロリン酸を検出する方法及びその原理について説明する。まず、試料液２６を試料液受容部３３に満たす。試料液２６中にピロリン酸が存在する場合、ピロリン酸は固定層７２に拡散される。そして、固定層７２に拡散されたピロリン酸は、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ１１の活性により、リン酸へと加水分解され、それに伴って膜小胞７１の内部液２４の水素イオン濃度が上昇し、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ１１の周辺では、それに伴って水素イオン濃度が減少する。Ｈ⁺−ピロホスファターゼが水素イオン感受性電極２３のごく近傍に存在したとき、水素イオン濃度の減少が水素イオン感受性電極２３により測定され、試料液２６中のピロリン酸濃度を測定することができる。
【００５１】
（第４の実施形態）
本実施形態は、ピロリン酸検出センサに係るものである。図５は、本実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。ピロリン酸検出センサ３６は、第２の実施形態とは、固定層の構成と、測定電極の構成が異なるのみである。以下、この点について説明する。
【００５２】
測定電極は、絶縁基板２２上に形成された分極性電極８１からなる。分極性電極８１は、金、白金、カーボン等の通常の電気化学測定に使用できる電極で構成することができる。分極性電極８１には、非常に簡便な構成の電極を利用することができる。このことは、ピロリン酸検出センサの全体構成の簡便化に寄与する。さらに、本実施形態の場合、参照電極２７としては、標準水素電極、銀／塩化銀電極、飽和カロメル電極等に加え、金、白金、カーボン等の電極も利用することができ、さらなるピロリン酸検出センサの全体構成の簡便化に寄与しうる。
【００５３】
分極性電極８１表面には、メディエータ８２を含む固定層８３が形成されている。固定層８３としては、例えば一端にチオール基を持つ直鎖状炭素を利用したＳＡＭ膜（ｓｅｌｆーａｓｓｅｍｂｌｅｄｍｏｎｏｌａｙｅｒ）などが利用できる。ただし、固定層８３はＨ^＋難透過性膜２１を固定可能な材質で形成されていればこれに限定されることなく、その保持能によりＨ^＋難透過性膜２１を固定するゲルで形成されていても良い。メディエータ８２としては、水素イオン感受性物質の酸化体を使用することができる。このように形成された固定層８３上にＨ⁺−ピロホスファターゼを含むＨ^＋難透過性膜２１を固定する。固定層８３に上述したＳＡＭ膜を利用した場合、チオール基の架橋反応によりＨ^＋難透過性膜２１を固定層８３上面に固定することができる。Ｈ^＋難透過性膜２１が、脂質膜である場合、固定層８３および脂質膜の疎水性部分が対向し、脂質膜の親水性部分が膜表面を形成する。Ｈ⁺−ピロホスファターゼ１１は固定層８３および脂質膜の疎水性部分が形成する膜の内部に固定されるが、このとき、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ１１のピロリン酸を加水分解する活性部位は、Ｈ^＋難透過性膜２１の外部に露出している。
【００５４】
ピロリン酸検出センサ３６を用いて、試料液２６中に含まれるピロリン酸を検出する方法及びその原理について説明する。まず、試料液２６を試料液受容部３３に満たす。試料液２６中にピロリン酸が存在する場合、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ１１の活性により、ピロリン酸がリン酸へと加水分解され、それに伴って固定層８３内の水素イオン濃度が上昇する。このとき水素イオン感受性のメディエータ８２の酸化体が存在した場合、酸化還元反応によりメディエータ８２の還元体が生成される。分極性電極８１にメディエータ８２の酸化還元電位より十分に高い電位を加えておくことにより、メディエータ８２の還元物質の濃度に応じた電流を測定することができる。よって、試料液２６中のピロリン酸の濃度を検出することが可能である。
【００５５】
（第５の実施形態）
本実施形態は、ピロリン酸検出センサに係るものである。図６は、本実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。本実施形態のピロリン酸検出センサ３７の第４の実施形態と異なる点は、Ｈ^＋難透過性膜が膜小胞７１で形成されている点と、膜小胞７１であるＨ^＋難透過性膜の固定されている位置と、固定層の構成である。以下、第４の実施形態と異なる点のみ説明する。
【００５６】
膜小胞７１はＨ^＋−ピロホスファターゼ１１を有し、固定層９１内に固定されている。固定層９１は、電解重合膜からなる。電解重合膜によって膜小胞を固定する方法は、例えば重合前のモノマーと膜小胞７１を混合しておき、所定の電圧を加えることで形成できる。電解重合膜を形成する電解重合材料としては電気化学的に活性なものが選択でき、例えばポリ（アニリン）、ポリ（ｏ−フェニレンジアミン）、ポリ（Ｎ−メチルアニリン）、ポリ（ピロール）、ポリ（Ｎ−メチルピロール）、ポリ（チオフェン）等が使用できる。
【００５７】
ピロリン酸検出センサ３７を用いて、試料液２６中に含まれるピロリン酸を検出する方法及びその原理について説明する。まず、試料液２６を試料液受容部３３に満たす。試料液２６中にピロリン酸が存在する場合、ピロリン酸が固定層９１に拡散され、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ１１の活性により、ピロリン酸がリン酸へと加水分解される。ピロリン酸の加水分解に伴って内部液２４の水素イオン濃度が上昇し、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ１１の周辺では水素イオン濃度が減少する。この水素イオン濃度の変化により、固定層９１である電解重合膜の酸化還元反応が起こり、その電子移動を分極性電極８１で測定することによって、試料液２６中のピロリン酸濃度を検出することができる。
【００５８】
本発明にかかるピロリン酸検出センサにおいては、図１を用いて説明した反応原理からわかるように、Ｈ^＋−ピロホスファターゼを含むＨ^＋難透過性膜と測定電極（水素イオン感受性電極２３、分極性電極８１）との間に、水素イオンもしくは水素イオン感受性メディエータの酸化体が、イオンの状態で存在しうる場が必要である。このような場として、バルクの水溶液を用いることも可能である。しかしながら、Ｈ^＋難透過性膜と測定電極との間に、バルクの水溶液を存在させるためには、例えば特開平６−９０７３６号公報に示されているような、非常に複雑な工程を経て、センサを作製する必要がある。さらに、このように作製したセンサでは、一旦作製してしまうと水溶液中でしか保存することができず、例えばピロリン酸検出センサをＤＮＡ検出センサとして用いた場合、その取扱方法や保存方法も極めて特殊なものとなり、作製方法の複雑さも考慮すると、例えばディスポーザブル形式の臨床検査等の使用には適さない。一方、第１〜第５の実施形態のピロリン酸検出センサにおいては、上述した水素イオンもしくは水素イオン感受性メディエータの酸化体が、イオンの状態で存在しうる場は、固定層からなる。かかる固定層は、例えばＳＡＭ膜や電解重合膜で形成することができ、比較的簡便な方法でセンサを作製することができる。また、高分子ゲルを固定層としたセンサでは、水分子を保持したまま保存することが可能であるので、取扱や保存が極めて簡便となる。その他の材料で固定層を形成する場合であっても、バルクの水溶液で前記場を構成する場合と比較して、取扱や保存が非常に簡便である。したがって、例えばディスポーザブル形式の臨床検査等の使用にも適したものを構成することができる。さらに、固定層の厚さをできる限り薄くすることによって、水素イオン濃度の変化率を上げ、感度を向上させることも可能である。
【００５９】
以下、Ｈ⁺−ピロホスファターゼを用いたピロリン酸検出センサの他の構成例を示す。
【００６０】
＜ピロリン酸検出センサの構成例１＞
図７は、ピロリン酸検出センサの一構成例を模式的に示す断面図である。第１の実施形態とは、水素イオン感受性電極２３の周囲が内部液２４で満たされている点と、Ｈ^＋難透過性膜２１が水素イオン感受性電極２３を覆うように絶縁基板２２上に固定されている点のみが異なる。以下、第１の実施形態と異なる点のみ説明する。
【００６１】
Ｈ^＋難透過性膜２１の固定方法は、Ｈ^＋難透過性膜２１が水素イオン感受性電極２３の表面をすべて覆っていればどのような方法でもよく、例えばリポソームを利用してＳＡＭ膜に転写する方法や、ＬＢ法を用いることができる。Ｈ^＋難透過性膜２１によって分離された溶液保持部３２内の領域のうちの水素イオン感受性電極２３が含まれた領域には、内部液２４が満たされているようにする。
【００６２】
ピロリン酸検出センサ３８を用いて、試料液２６中に含まれるピロリン酸を検出する方法及びその原理について説明する。まず、試料液２６を試料液受容部３３に満たす。試料液２６にピロリン酸が含まれる場合、Ｈ^＋−ピロホスファターゼ１１の活性により、ピロリン酸がリン酸へと加水分解され、それに伴って内部液２４内の水素イオン濃度が上昇する。それを、水素イオン感受性電極２３を用いて測定することによって、測定液２６中のピロリン酸濃度を検出することができる。
【００６３】
内部液２４は特に限定されないが、Ｈ^＋難透過性膜２１において、ピロリン酸の活性部位が水素イオン感受性電極２３側（内側）の領域に露出しているＨ⁺−ピロホスファターゼを含む場合、内部液２４のピロリン酸の濃度は、試料液２６のピロリン酸の濃度よりも低くしておくことが好ましく、内部液２４にはピロリン酸を含まないことが最も好ましい。このことによって、内部液２４から試料液２６への水素イオン輸送が減少あるいは停止し、試料液２６から内部液２４への水素イオンの輸送が優勢となって、内部液２４の水素イオンの濃度の変化が、試料液２６中に含まれるピロリン酸によるものにほぼ限定される。従って、試料液２６中に含まれるピロリン酸の量を正確に見積もることができる。
【００６４】
＜ピロリン酸検出センサの構成例２＞
図８は、ピロリン酸検出センサの一構成例を模式的に示す断面図である。上述の構成例１とは、Ｈ^＋難透過性膜２１の固定方法のみが異なる。以下、構成例１と異なる点のみ説明する。
【００６５】
本構成例のピロリン酸検出センサ３９のＨ^＋難透過性膜２１は、直鎖状炭素化合物４９を介して絶縁基板２２上に固定されている。
【００６６】
＜ピロリン酸検出センサの構成例３＞
図９は、ピロリン酸検出センサの一構成例を模式的に示す断面図である。上述の構成例１とは、Ｈ^＋難透過性膜２１の固定方法のみが異なる。以下、構成例１と異なる点のみ説明する。
【００６７】
本構成例のピロリン酸検出センサ４０のＨ^＋難透過性膜２１は、溶液保持部材２５に両端が固定されている。
【００６８】
＜ピロリン酸検出センサの構成例４＞
図１０は、ピロリン酸検出センサの一構成例を模式的に示す断面図である。本構成例のピロリン酸検出センサ４１において、Ｈ^＋難透過性膜２１は、絶縁基板２２に形成された貫通孔に固定されている。Ｈ^＋難透過性膜２１の内側には水素イオン感受性電極２３が備えられ、外側には参照電極２７が備えられている。水素イオン感受性電極２３および参照電極２７は、絶縁基板２２上に形成されていてもよい。内部液２４および試料液２６は、それぞれ水素イオン感受性電極２３および参照電極２７に接しかつＨ^＋難透過性膜２１に接し得る。Ｈ^＋−ピロホスファターゼの方向性については、第１の実施形態と同様である。貫通孔へのＨ^＋難透過性膜２１の固定方法は、例えば、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔｅ法を応用した公知の方法によって行うことが可能である（吉岡書店、岡田泰伸編「新パッチクランプ実験技術法」ｐ．２１４参照）。また、絶縁基板２２上への貫通孔およびウェルの形成および絶縁基板２２上への電極の形成方法は、例えばシリコン基板のエッチング等により行うことが可能である（特開２００４−１２２１５号公報参照）。
【００６９】
試料液２６中のピロリン酸の検出方法及びその原理は構成例１と同様であるので、説明を省略する。
【００７０】
（第６の実施形態）
第６の実施形態は、本発明に係るピロリン酸センサを用いて特定配列を持つＤＮＡを検出する方法である。
【００７１】
本実施形態においては、まず、目的とするＤＮＡの配列に相補的な配列を持つＤＮＡプローブ、ＤＮＡポリメラーゼ、デオキシヌクレオチドを含む反応系に試料が供せられる。ここで「反応系」とは、以下に説明するような一連の核酸伸長反応およびこのような反応が実施される場をいう。「反応系」には、一連の反応が実施されるのに必要な成分が存在する。「反応系」は、通常、上記成分が適切な溶媒（例えば、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ緩衝液、核酸伸長反応または核酸増幅反応で通常使用され得るいずれもの緩衝液（市販による入手可能なキット中の緩衝液を含む））中に溶解された溶液の形態で提供され得る。ＤＮＡポリメラーゼは、市販により入手可能な、または当業者により調製可能な、任意のＤＮＡポリメラーゼであり得る。好ましくは、Ｔａｑポリメラーゼが使用され得るが、これに限定されない。デオキシヌクレオチドは、各デオキシヌクレオシド三リン酸（ｄＮＴＰとも称される：デオキシシトシン三リン酸、デオキシグアニン三リン酸、デオキシアデニン三リン酸、およびデオキシチミジン三リン酸を含む）であり得、通常、ＤＮＡ合成の直接の前駆物質として使用され得る物質である。これにより、ＤＮＡプローブを伸長させ、ここでピロリン酸がこのＤＮＡプローブの伸長反応に伴って生成される。この反応について、化学反応式１を用いて説明する。
【００７２】
このＤＮＡプローブは目的のＤＮＡとハイブリダイズすると、反応系中に存在するＤＮＡポリメラーゼによって、反応系中の１つのデオキシヌクレオチド（化学反応式１中、ｄＮＴＰ）を取り込んで伸長され、ピロリン酸が１つ生成される。
［化学反応式１］
ＤＮＡ_（ｎ）＋ｄＮＴＰ ⇔ ＤＮＡ_{（ｎ＋１）}＋ＰＰｉ
【００７３】
化学反応式１中、添え字のｎ＋１は、ｎベースのＤＮＡプローブがｎ＋１ベースに伸長したことを示す。このようにして生成されたピロリン酸を、上述の各実施形態のピロリン酸検出センサを用いて検出することにより、試料液中の特定配列を持つＤＮＡを検出することが可能である。
【００７４】
具体的には、上述のいずれかのピロリン酸検出センサの試料液受容部３３にピロリン酸を含む前記試料液を満たす工程（ｃ）、ピロリン酸検出センサの測定手段により固定層の水素イオン濃度の変化を電気化学的に測定する工程（ｄ）、工程（ｄ）の測定結果に基づいてＤＮＡの伸長反応を検出する工程（ｅ）、および工程（ｅ）の検出結果に基づいて前記ＤＮＡを検出する工程（ｆ）を経て、特定配列を持つＤＮＡを検出することができる。
【００７５】
本実施の形態で使用されるＤＮＡプローブは、検出を目的とされるＤＮＡの配列に対して相補的な配列を有するように設計される。このＤＮＡプローブは、検出を目的とされるＤＮＡの配列とハイブリダイズした場合に、当該ＤＮＡプローブの伸長のためのプライマーとして働く。したがって、ＤＮＡプローブの長さは、伸長反応のためのプライマーとして働くのに十分な長さである。例えば、少なくとも１０塩基、少なくとも１２塩基、少なくとも１５塩基、少なくとも２０塩基、少なくとも３０塩基の長さであり得る。ハイブリダイゼーションおよびプライマー伸長を十分に行い得、かつその調製の容易さを考慮すると、２０〜２５塩基の長さが好ましい。本発明の方法で使用されるＤＮＡプローブは、検出を目的とされるＤＮＡに特異的にハイブリダイズし、かつ当該ＤＮＡプローブの伸長のためのプライマーとして働く限り、いずれの長さでもあり得る。
【００７６】
ＤＮＡプローブは、試料液中の目的のＤＮＡと特異的にハイブリダイズし、かつプライマーとして働くため、検出しようとする配列が既知である場合、この配列に対して完全に相補的である、すなわち、配列中の塩基に対して正確に対応する（Ａ−ＴまたはＣ−Ｇペア）配列を有するように設計され得る。試料液中に目的の特定配列を有するＤＮＡが存在しない場合、当然のことながらＤＮＡプローブとのハイブリダイズは起こらない。したがって、本反応系を使用することにより、検出しようとする配列が既知または未知であるに関わらず、このＤＮＡプローブに完全に相補的である配列の存在を検出し得る。
【００７７】
ハイブリダイゼーションおよび伸長反応は、ＤＮＡのハイブリダイゼーション、ならびにＤＮＡポリメラーゼの作用によるプライマーおよびデオキシヌクレオチドによるＤＮＡの伸長反応が行われる任意の条件下で実施され得る。ＤＮＡプローブと目的ＤＮＡとのハイブリダイゼーションは、例えば、Ｓａｍｂｒｏｏｋら（１９８９）ＭｏｌｅｃｕｌａｒＣｌｏｎｉｎｇ：ＡＬａｂｏｒａｔｏｒｙＭａｎｕａｌ、第２版、第１〜３巻、ＣｏｌｄＳｐｒｉｎｇＨａｒｂｏｒＬａｂｏｒａｔｏｒｙなどの実験書に記載される方法によって行なわれ、本方法は当業者に公知である。
【００７８】
反応系中に含み得るＤＮＡプローブ、ポリメラーゼ、デオキシヌクレオチドの量は、当業者によって適宜決定され得る。
【００７９】
また、化学反応式１に示すように、デオキシヌクレオチドが１つ伸長する度にピロリン酸が１つ生成されるので、目的の特定配列を持つＤＮＡおよびＤＮＡプローブの両方の長さ（ベース）が既知であれば、目的の特定配列を持つＤＮＡを定量的に検出することが可能である。
【００８０】
さらに、化学反応式１の反応をＰＣＲ等の核酸増幅反応と置き換えることにより、試料中の目的の特定配列を持つＤＮＡの量を飛躍的に増加させることができる。ＰＣＲ増幅の方法は、当該分野で周知である（ＰＣＲＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒＤＮＡＡｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ、ＨＡＥｒｌｉｃｈ編、ＦｒｅｅｍａｎＰｒｅｓｓ、ＮｅｗＹｏｒｋ、ＮＹ（１９９２）；ＰＣＲＰｒｏｔｏｃｏｌｓ：ＡＧｕｉｄｅｔｏＭｅｔｈｏｄｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｉｎｎｉｓ、Ｇｅｌｆｌａｎｄ、Ｓｎｉｓｋｙ、およびＷｈｉｔｅ編、ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ、ＳａｎＤｉｅｇｏ、ＣＡ（１９９０）；Ｍａｔｔｉｌａら（１９９１）ＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓＲｅｓ．１９：４９６７；Ｅｃｋｅｒｔ、Ｋ．Ａ．およびＫｕｎｋｅｌ、Ｔ．Ａ．（１９９１）ＰＣＲＭｅｔｈｏｄｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ１：１７；ＰＣＲ、ＭｃＰｈｅｒｓｏｎ、Ｑｕｉｒｋｅｓ、およびＴａｙｌｏｒ、ＩＲＬＰｒｅｓｓ、Ｏｘｆｏｒｄ）。ＰＣＲ等の核酸増幅反応を用いることにより、極微量のＤＮＡの検出も可能である。
【００８１】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態は、本発明に係るピロリン酸検出センサを用いて測定系のＤＮＡの塩基種を判別する方法、より具体的にはＳＮＰを高速にタイピングする方法である。
【００８２】
第７の実施形態について図１１および図１２を用いて説明する。図１１は、検出を目的とするＤＮＡとＤＮＡプローブとにおいてＳＮＰ部位が一致した場合の反応系を示し、図１２は、検出を目的とするＤＮＡとＤＮＡプローブとにおいてＳＮＰ部位が一致しない場合の反応系を示す。図１１および図１２中、１はＤＮＡプローブ、２は目的の特定配列を持つＤＮＡ、３ａは一致したＳＮＰ部位、３ｂは一致しないＳＮＰ部位、４はＤＮＡポリメラーゼ、そして５はｄＮＴＰを表す。
【００８３】
本実施形態においては、まず、目的とするＤＮＡの配列に相補的な配列を持ち、かつ３’末端がＳＮＰ部位であるＤＮＡプローブ１、ＤＮＡポリメラーゼ４、デオキシヌクレオチド５を含む反応系に試料が供せられる。これにより、ＤＮＡプローブ１が伸長され、ここでピロリン酸が、このＤＮＡプローブ１の伸長反応に伴って生成される。
【００８４】
本実施形態で使用されるＤＮＡプローブ１は、目的の配列に相補的であり、かつ３’末端がＳＮＰ部位であるように設計され得る。本実施形態において、ＤＮＡプローブ１は、３’末端がＳＮＰ部位であることを除いては、上述の第６の実施形態と同様に設計され得る。本実施形態において使用されるＤＮＡポリメラーゼ４およびデオキシヌクレオチド５は、上述の第６の実施形態と同様であり得る。本実施の形態におけるハイブリダイゼーションおよび伸長の条件もまた、上述の第６の実施形態と同様であり得る。なお、本実施の形態におけるＤＮＡプローブは、ＳＮＰ部位における塩基種のタイピングが可能であればどのようなものでもよく、上記により設計されたプローブに限られるものではない。
【００８５】
試料液中の目的のＤＮＡ２およびＤＮＡプローブ１の塩基配列が、ＳＮＰ部位も含めて完全に相補する場合、当該ＤＮＡプローブ１は目的のＤＮＡ２にハイブリダイズし、かつ当該プローブ１のさらなる伸長のためのプライマーとして働く。この場合、図１１に示されるように、反応系中に存在するＤＮＡポリメラーゼ４によって、ＤＮＡプローブ１にデオキシヌクレオチド５が１つ伸長されて、ピロリン酸が１つ生成される。一方、試料液中の目的のＤＮＡ２およびＤＮＡプローブ１の塩基配列が、ＳＮＰ部位において相補的でない場合（たとえ他の部分において相補的であったとしても）、ＤＮＡプローブ１は、目的のＤＮＡ２とハイブリダイズは行い得るが、ＤＮＡプローブ１の３’末端がミスマッチとなるため、当該プローブ１の伸長のためのプライマーとして働かない。この場合、図１２に示されるように、反応系中にＤＮＡポリメラーゼ４および必要なデオキシヌクレオチド５が存在しても、化学反応式１の反応は起こらず、ピロリン酸は生成されない。
【００８６】
よって、ＤＮＡの伸長反応後の試料液中のピロリン酸を、上述の各実施形態のピロリン酸検出センサを用いて検出することにより、試料液中の目的の特定配列を持つＤＮＡ２およびＤＮＡプローブ１は、ＳＮＰ部位も含め完全に一致していると判別できる。ＳＮＰ部位における多くとも４種類のプローブ１を用いれば、試料中の特定配列を持つＤＮＡ２のＳＮＰを４種類の塩基についてタイピングすることが可能である。
【００８７】
なお、ＳＮＰ部位における塩基の種類が既知の場合、そのタイピングに必ずしも４種類のプローブが必要でないことは言うまでもない。
【００８８】
ＤＮＡの伸長反応後の試料液中のピロリン酸を、上述の各実施形態のピロリン酸検出センサを用いて検出することによりＳＮＰをタイピングする方法は、より具体的には、上述のいずれかのピロリン酸検出センサの試料液受容部３３にピロリン酸を含む前記試料液を満たす工程（ｃ）、ピロリン酸検出センサの測定手段により固定層の水素イオン濃度の変化を電気化学的に測定する工程（ｄ）、工程（ｄ）の測定結果に基づいてＤＮＡの前記伸長反応を検出する工程（ｅ）、および工程（ｅ）の検出結果に基づいてＤＮＡの塩基配列中のＳＮＰ部位の塩基種を判別する工程（ｆ）を有する。
【００８９】
本発明で使用される「試料液」とは、ピロリン酸を含み得るいずれの試料液をもいう。第６及び第７の実施形態においては、伸長反応によりピロリン酸が生成されるＤＮＡを含み得る試料液である。特にＤＮＡの検出に関する方法（第６又は第７の実施形態）においては、「試料液」は、目的とするＤＮＡを含み得る任意の被分析物に由来し得る。このような被分析物は、目的とするＤＮＡが疾患と関連し得る場合、疾患によって罹患された細胞、組織、器官、または血液であり得る。もちろん、本発明の方法は、臨床用途に限定されることなく、あらゆる分野において使用され得、従って、このような被分析物は、目的とするＤＮＡが発現しているかまたはその存在が確認されている細胞、組織、器官、または血液であり得る。ＤＮＡは、このような被分析物から、フェノール抽出法およびアルコール沈殿のような常法を用いて抽出され得る。ＤＮＡの純度は反応の効率に影響を与え得、ＤＮＡの精製の手順もまた当業者に公知である。
【００９０】
以上説明したように、本発明によれば、ピロリン酸の高感度、高速、かつ定量的な測定が可能となるピロリン酸検出センサならびにこれを用いた核酸の検出方法および塩基種判別方法を提供する。
【００９１】
また、本発明によれば、ＤＮＡの伸長反応に伴って生成されるピロリン酸を測定することによって、試料中の目的ＤＮＡを標識することなく、目的の核酸の有無を定量的に測定することが出来る。さらには、目的のＳＮＰのタイピングを、高感度かつ高速に測定することが出来る。
【実施例１】
【００９２】
本実施例は、第４の実施形態に係るピロリン酸検出センサを作製するものである。
【００９３】
まず、ＳｈｉｚｕｏＹｏｓｈｉｄａ等の方法（ＭａｓａｙｏｓｈｉＭａｅｓｈｉｍａａｎｄＳｈｉｚｕｏＹｏｓｈｉｄａ.（１９８９）Ｊ.Ｂｉｏｌ.Ｃｈｅｍ.２６４（３３）,２００６８−２００７３）に準じて、ヤエナリ由来の液胞膜１３からなる膜小胞をＴｒｉｓ／Ｍｅｓバッファー（濃度５ｍＭ、ｐＨ７．０）、ｓｏｒｂｉｔｏｌ（濃度０．２５Ｍ）、ＤＴＴ（濃度２ｍＭ）からなる溶液中に溶かし、Ｈ⁺−ピロホスファターゼを含む液胞膜１３からなる膜小胞の懸濁液とした。
【００９４】
一方、金電極（分極性電極８１）を１ｍＭｎ−オクタンチオール／エタノール溶液中に浸漬し、室温で４時間放置して、金電極表面にオクタンチオールのＳＡＭ膜（固定層８３）を形成した。次に、オクタンチオール修飾電極を１０ｍＭチオニン水溶液中に浸漬し、室温で１時間静置して、ＳＡＭ膜間にチオニン（メディエータ８２）を固定化した。
【００９５】
こうして作製したチオニン／オクタンチオール修飾電極に、Ｈ⁺−ピロホスファターゼを含む膜小胞の懸濁液を滴下することによって、Ｈ⁺−ピロホスファターゼを固定層８３表面に固定し、Ｈ^＋−ピロホスファターゼ電極を構成した。ピロリン酸ナトリウムの各終濃度がそれぞれ２０μＭ、４０μＭ、６０μＭ、８０μＭおよび１００μＭとなるようにピロリン酸ナトリウム溶液をＨ^＋−ピロホスファターゼに接触させ、Ｈ⁺−ピロホスファターゼによるピロリン酸の加水分解反応を開始した。
【００９６】
サンプル液中のピロリン酸ナトリウムの濃度と、参照電極２７として銀／塩化銀電極を用い、２００ｍＶの電位をかけたときの金電極の示した電流値は、ほぼ直線関係であるという結果が得られた。このことから、本方法によりピロリン酸の量を測定できることがわかった。
【実施例２】
【００９７】
本実施例は、第１の実施形態にかかるピロリン酸検出センサを作製するものである。
【００９８】
まず、ＭａｓａｓｕｋｅＹｏｓｈｉｄａ等の方法（ＭａｓａＨ.Ｓａｔｏ，ＭａｓａｈｉｋｏＫａｓａｈａｒａ，ＮｏｒｉｙｕｋｉＩｓｈｉｉ，ＨａｒｕｏＨｏｍａｒｅｄａ，ＨｉｄｅｏＭａｔｓｕｉａｎｄＭａｓａｓｕｋｅＹｏｓｈｉｄａ.（１９９４）Ｊ.Ｂｉｏｌ.Ｃｈｅｍ.２６９（９），６７２５−６７２８）に準じ、カボチャの種から液胞膜Ｈ⁺−ピロホスファターゼの精製を行なった。
【００９９】
一方、０．１ｇポリビニルブチラル樹脂と１ｇヘキサメチレンジアミンをジクロロメタンに溶解し、室温で３０分間撹拌した溶液を、ＩＳＦＥＴのゲート電極（水素イオン感受性電極２３）に滴下した後、５％グルタルアルデヒドに浸漬し、室温で２４時間放置した。このようにしてＩＳＦＥＴ電極上に固定層５１を形成した。そして、固定層５１が形成されたＩＳＦＥＴ電極（修飾ＩＳＦＥＴ電極）を、５ｍｇ／ｍｌのＨ⁺−ピロホスファターゼ溶液に浸漬し、４℃で２４時間静置し、Ｈ⁺−ピロホスファターゼをＩＳＦＥＴのゲート電極に固定した。このＨ⁺−ピロホスファターゼ固定ＩＳＦＥＴ電極に対してピロリン酸ナトリウムの各終濃度がそれぞれ２０μＭ、４０μＭ、６０μＭ、８０μＭおよび１００μＭとなるようにピロリン酸ナトリウム溶液を添加し、ピロリン酸のＨ⁺−ピロホスファターゼによる加水分解反応を開始した。
【０１００】
サンプル液中のピロリン酸ナトリウムの濃度と、参照電極２７として銀／塩化銀電極を用い、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ固定ＩＳＦＥＴ電極のソース−ドレイン間に４．０Ｖの電圧をかけ、ソース−ドレイン間の電流値を４００μＡに保ったときのゲート電圧値は、ほぼ直線関係であるという結果が得られた。このことから、本方法によりピロリン酸の量を測定できることがわかった。
【実施例３】
【０１０１】
本実施例は、第５の実施形態のピロリン酸検出センサを作製するものである。
【０１０２】
まず、上記実施例２と同様にカボチャの種由来の液胞膜Ｈ⁺−ピロホスファターゼを精製した。
【０１０３】
次に、上述した液胞膜Ｈ⁺−ピロホスファターゼ５０ｍｇ／ｍｌと、０．１Ｍのピロールと、１Ｍの塩化カリウムとを混合し、電解重合用混合液を得た。この電解重合用混合液に、分極性電極８１である白金電極と、参照電極２７として銀／塩化銀電極を浸漬し、白金電極に＋１Ｖの定電圧を６分間印加し、電解重合によりＨ⁺−ピロホスファターゼ固定化ポリピロール膜修飾電極を得た。このようにして得られたＨ⁺−ピロホスファターゼ固定化ポリピロール膜修飾電極に対してピロリン酸ナトリウムの各終濃度がそれぞれ２０μＭ、４０μＭ、６０μＭ、８０μＭおよび１００μＭとなるようにピロリン酸ナトリウム溶液を添加し、ピロリン酸のＨ⁺−ピロホスファターゼによる加水分解反応を開始した。
【０１０４】
ピロリン酸ナトリウムの濃度と、参照電極２７として銀／塩化銀電極を用い、３００ｍ
Ｖの電位をかけたときのＨ⁺−ピロホスファターゼ固定化ポリピロール膜修飾電極の示した電流は、ほぼ直線関係であるという結果が得られた。このことから、本方法によってピロリン酸の量を測定できることがわかった。
【実施例４】
【０１０５】
本実施例では、試料中におけるλＤＮＡ（λＤＮＡの全塩基配列は、ＧｅｎＢａｎｋデータベースのＡｃｃｅｓｓｉｏｎＮｏ．Ｖ００６３６、Ｊ０２４５９、Ｍ１７２３３、Ｘ００９０６を参照）の検出を行なった。
【０１０６】
まず、λＤＮＡ（宝酒造（株）製）が１０ｎｇ／μＬの濃度で蒸留水中に溶解されている試料液２６Ａ、および蒸留水のみからなる試料液２６Ｂを用意した。また、図１３Ａに示すように、λＤＮＡの特定の塩基配列に完全にハイブリダイズし得る２種類のプライマーＣ（配列番号：１）およびプライマーＤ（配列番号：２）をそれぞれ蒸留水に溶かしたプライマー溶液ＥおよびＦ（いずれも２０μＭ）を用意した。
【０１０７】
上記試料液２６Ａおよび２６Ｂそれぞれに、ＴａＫａＲａＬａＴａｑ（５Ｕ／μＬ、宝酒造（株）製）、ＴａＫａＲａＬａＴａｑの専用バッファーである２×ＧＣｂｕｆｆｅｒＩ（宝酒造（株）製）、ｄＮＴＰｍｉｘｔｕｒｅ（各濃度２．５ｍＭ、宝酒造（株）製）、ならびにプライマー溶液ＥおよびＦを添加して、図１３Ｂに示す組成のＰＣＲ反応液ＧおよびＨを調製した。
【０１０８】
次に、ＰＣＲ反応液ＧおよびＨのそれぞれについて、図１３Ｃに示す反応温度条件でＰＣＲ反応を行なった。
【０１０９】
ＰＣＲ反応終了後、ＰＣＲ反応液ＧおよびＨのそれぞれを、上記実施例１に記載のＨ⁺−ピロホスファターゼ電極を用いて、実施例１と同様に参照電極として銀／塩化銀電極を用い、２００ｍＶの電位を印加して電流を測定したところ、ＰＣＲ反応液Ｇの方が、ＰＣＲ反応液Ｈよりも明らかに電流値が大きかった。つまり、ＰＣＲ反応液Ｇでは、プライマー伸長反応が進行したことがわかる。従って、本方法により標的核酸の検出ができることがわかった。
【実施例５】
【０１１０】
本実施例では、λＤＮＡの塩基配列内におけるある塩基を人為的に他の塩基に置換した変異型λＤＮＡを作製し、通常のλＤＮＡと変異λＤＮＡとを判別できるか否かについて検討した。
【０１１１】
まず、λＤＮＡ（宝酒造（株）製）（配列番号：３）を用いて変異型λＤＮＡ（配列番号：４）を作製した。変異型λＤＮＡは、λＤＮＡ（以下、通常のλＤＮＡのことを野性型λＤＮＡと記す）の二本鎖ＤＮＡ配列内に存在するＧＣ塩基対（図中の領域Ｒ₁）を当業者に周知の方法で人為的にＡＴ塩基対（図中の領域Ｒ₂）に置換した。
【０１１２】
次に、野性型λＤＮＡおよび変異型λＤＮＡのそれぞれを最終濃度１０ｎｇ／μＬとなるように蒸留水に溶解したものをそれぞれ野性型λＤＮＡ液および変異型λＤＮＡ液とした。
【０１１３】
次に、上記の塩基の違いを判別するために、図１４Ａに示すタイピングプライマー（配列番号：５）を用意した。続いて、タイピングプライマーを最終濃度２０μＭとなるように蒸留水に溶解したタイピングプライマー溶液を調製した。
【０１１４】
なお、図１４Ａに示すタイピングプライマーは、野性型λＤＮＡの下の段に記した一本鎖ＤＮＡに完全にハイブリダイズする。しかし、このタイピングプライマーの３’末端のＧは、変異λＤＮＡの下の段に記した一本鎖ＤＮＡにハイブリダイズできない。従って、このタイピングプライマーを用いてプライマー伸長反応を行なうと、野性型λＤＮＡの場合は良好に反応が進行するが、変異λＤＮＡの場合は反応があまり進行しない。
【０１１５】
また、上記実施例４で用いたプライマー溶液Ｆも用意した。
【０１１６】
次に、野性型λＤＮＡ液および変異型λＤＮＡ液のそれぞれについて、ＴａＫａＲａＴａｑ（５Ｕ／μＬ、宝酒造（株）製）、およびＴａＫａＲａＴａｑ専用の１０×ＰＣＲｂｕｆｆｅｒ（宝酒造（株）製）、およびｄＮＴＰｍｉｘｔｕｒｅ（各濃度２．５ｍＭ、宝酒造（株）製）、およびタイピングプライマー溶液およびプライマー溶液Ｆを用いて、図１４Ｂに示す組成のＰＣＲ反応液ＩおよびＪを調製した。
【０１１７】
そして、ＰＣＲ反応液ＩおよびＪにおいて、それぞれ図１４Ｃに示す反応温度条件でＰＣＲ反応を行なった。
【０１１８】
ＰＣＲ反応終了後、各ＰＣＲ反応液をＨ⁺−ピロホスファターゼを固定した修飾ＩＳＦＥＴ電極に導入した。修飾ＩＳＦＥＴ電極は、上記実施例２で用いたものと同様である。
【０１１９】
この修飾ＩＳＦＥＴ電極を用いて、実施例２と同様に参照電極として銀／塩化銀電極を用い、Ｈ⁺−ピロホスファターゼ固定ＩＳＦＥＴ電極のソース−ドレイン間に４．０Ｖの電圧をかけ、ソース−ドレイン間の電流値を４００μＡに保ったときのゲート電圧を測定したところ、ＰＣＲ反応液Ｉの方が、ＰＣＲ反応液Ｊよりも明らかに電圧値が大きかった。つまり、ＰＣＲ反応液Ｉでは、プライマー伸長反応が進行したことがわかる。これは、反応液Ｊでは伸長反応が起きなかったが、変異型λＤＮＡを含む伸長反応液ＩではｄＡＴＰによる１塩基伸長反応が起こり、その結果、生成されるピロリン酸が修飾ＩＳＦＥＴ電極上のＨ⁺−ピロホスファターゼと反応し、水素イオンが修飾ＩＳＦＥＴ電極側に輸送されたためと考えられる。
【０１２０】
従って、本実施例によれば、ＤＮＡの特定の塩基配列中の１塩基対の違いを判別できることがわかった。すなわち、本実施例は、本発明の方法が、ＳＮＰ部位の塩基種の判別、突然変異による１塩基対の変異など、特定の塩基配列を判別するために非常に有効であることを示すものである。
【０１２１】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明に係るピロリン酸検出センサは、例えばＳＮＰ部位の塩基種の判別に利用することができ、従ってＳＮＰタイピングに基づいた薬の投与といったテーラーメード医療に有用である。また、本発明に係るピロリン酸検出センサは、ＤＮＡの塩基配列中の突然変異の解析に有用であり、かかる解析結果を創薬や臨床に利用することができる。
【０１２３】
さらに、本発明に係るピロリン酸検出センサは、特定の塩基配列を有する核酸の検出に利用することができ、核酸の検出は、遺伝病の診断、細菌およびウィルス等による食品の汚染検査、人体への感染検査に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】植物の液胞膜に内在された状態のＨ⁺−ピロホスファターゼを模式的に表す図である。
【図２】第１の実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】第２の実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。
【図４】第３の実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。
【図５】第４の実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。
【図６】第５の実施形態のピロリン酸検出センサの構成を模式的に示す断面図である。
【図７】ピロリン酸検出センサの構成例１を模式的に示す断面図である。
【図８】ピロリン酸検出センサの構成例２を模式的に示す断面図である。
【図９】ピロリン酸検出センサの構成例３を模式的に示す断面図である。
【図１０】ピロリン酸検出センサの構成例４を模式的に示す断面図である。
【図１１】検出を目的とするＤＮＡとＤＮＡプローブとにおいてＳＮＰ部位が一致した場合の反応系を示す図である。
【図１２】検出を目的とするＤＮＡとＤＮＡプローブとにおいてＳＮＰ部位が一致しない場合の反応系を示す図である。
【図１３Ａ】λＤＮＡの特定の塩基配列に完全にハイブリダイズし得る２種類のプライマーＣおよびプライマーＤを表す図である。
【図１３Ｂ】ＰＣＲ反応液ＧおよびＨの組成を表す表を示す図である。
【図１３Ｃ】ＰＣＲ反応を行なった反応温度条件を表すフローチャートである。
【図１４Ａ】野性型λＤＮＡ、変異型λＤＮＡおよびタイピングプライマーを表す図である。
【図１４Ｂ】ＰＣＲ反応液ＩおよびＪの組成を表す表を示す図である。
【図１４Ｃ】ＰＣＲ反応を行なった反応温度条件を表すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１２５】
１ＤＮＡプローブ
２ＤＮＡ
３ａ一致したＳＮＰ部位
３ｂ一致しないＳＮＰ部位
４ＤＮＡポリメラーゼ
５ｄＮＴＰ
１０ピロリン酸
１１Ｈ+−ピロホスファターゼ
１２リン酸
１３液胞膜
２１Ｈ＋難透過性膜
２２絶縁基板
２３水素イオン感受性電極
２４内部液
２５溶液保持部材
２６試料液
２７参照電極
４９直鎖状炭素化合物
３２溶液保持部
３３試料液受容部
５１固定層
７１膜小胞
７２固定層
８１分極性電極
８２メディエータ
８３固定層
９１電解重合膜
【配列表のフリーテキスト】
【０１２６】
配列番号１の<223>：プライマー
配列番号２の<223>：プライマー
配列番号３の<223>：二本鎖ＤＮＡ
配列番号４の<223>：二本鎖ＤＮＡ
配列番号５の<223>：プライマー

Claims

試料液中のピロリン酸を検出するピロリン酸検出センサであって、
前記試料液を受容する試料液受容部と、
Ｈ^＋−ピロホスファターゼを有するＨ^＋難透過性膜と、
前記Ｈ^＋難透過性膜を固定する固定層と、
前記固定層の水素イオン濃度変化に伴う電気化学的変化を測定する測定手段と、を備え、
前記Ｈ^＋−ピロホスファターゼは、前記試料液中のピロリン酸を加水分解し、これに伴って固定層の水素イオン濃度に変化をもたらすように配されている、ピロリン酸検出センサ。
前記固定層は、その上面又はその内部にＨ^＋難透過性膜を固定する、請求項１に記載のピロリン酸検出センサ。
前記Ｈ^＋難透過性膜は膜小胞であり、前記固定層は前記Ｈ^＋難透過性膜をその内部に固定する、請求項１に記載のピロリン酸検出センサ。
前記測定手段は、前記固定層に接する水素イオン感受性電極と、前記試料液を受容した状態で前記試料液に接するように配された参照電極とを有する、請求項１に記載のピロリン酸検出センサ。
前記測定手段は、前記水素イオン感受性電極と前記参照電極との電位差の変化を測定する、請求項４に記載のピロリン酸検出センサ。
前記固定層は高分子ゲルまたは自己組織化単分子膜からなる、請求項４に記載のピロリン酸検出センサ。
前記固定層は、水素イオン濃度の変化により酸化還元反応が生じる材料を含み、
前記測定手段は、前記固定層に接する分極性電極と、前記試料液を受容した状態で前記試料液に接するように配された参照電極とを有する、請求項１に記載のピロリン酸検出センサ。
前記測定手段は、前記分極性電極と前記参照電極との間の電流の変化を測定する、請求項７に記載のピロリン酸検出センサ。
前記固定層は、水素イオン濃度の変化により酸化還元反応が生じるメディエータを含む高分子ゲルまたは自己組織化単分子膜からなり、その上面に前記Ｈ^＋難透過性膜を固定する、請求項７に記載のピロリン酸検出センサ。
前記固定層は、水素イオン濃度の変化により酸化還元反応が生じる電解重合材料からなる、請求項７に記載のピロリン酸検出センサ。
請求項１に記載のピロリン酸検出センサを用いる、特定の塩基配列を有する核酸の検出方法であって、該方法は以下の工程を包含する；
試料と、前記核酸に相補的に結合する相補結合領域を含む塩基配列を有するプライマーと、ヌクレオチドとを含む試料液を調製する工程（ａ）、
前記試料液を前記プライマーの伸長反応が生じる条件下におき、前記伸長反応が生じた場合にピロリン酸を生成する工程（ｂ）、
前記ピロリン酸検出センサの前記試料液受容部に前記試料液が受容された状態とする工程（ｃ）、
前記ピロリン酸検出センサの前記測定手段により前記固定層の水素イオン濃度変化に伴う電気化学的変化を測定する工程（ｄ）、
工程（ｄ）の測定結果に基づいて前記伸長反応を検出する工程（ｅ）、および
工程（ｅ）の検出結果に基づいて前記核酸を検出する工程（ｆ）。
請求項１に記載のピロリン酸検出センサを用いる、核酸の塩基配列中の塩基種判別方法であって、該方法は以下の工程を包含する；
核酸と、前記核酸に相補的に結合する相補結合領域を含む塩基配列を有するプライマーと、ヌクレオチドとを含む試料液を調製する工程（ａ）、
前記試料液を前記プライマーの伸長反応が生じる条件下におき、前記伸長反応が生じた場合にピロリン酸を生成する工程（ｂ）、
前記ピロリン酸検出センサの前記試料液受容部に前記試料液が受容された状態とする工程（ｃ）、
前記ピロリン酸検出センサの前記測定手段により前記固定層の水素イオン濃度変化に伴う電気化学的変化を測定する工程（ｄ）、
工程（ｄ）の測定結果に基づいて前記伸長反応を検出する工程（ｅ）、および
工程（ｅ）の検出結果に基づいて前記核酸の塩基配列中の塩基種を判別する工程（ｆ）。