JP3942146B2 - 塩基配列検出用基板の製造方法および塩基配列検出方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本願発明は、生物の遺伝情報伝達物質であるDNAあるいはRNAの塩基配列を決定する技術に属し、より詳細には、ハイブリダイゼーション法により塩基配列を決定する技術に属する。
【0002】
【従来の技術】
DNAなどの核酸ポリマー中の目的遺伝子配列を検索したり、あるいは複数の核酸ポリマーの異同を判定したりする方法として、ターゲット核酸ポリマーの一部配列と相補的な一本鎖核酸ポリマーをプローブとするハイブリダイゼーション法が知られている。
ハイブリダイゼーション法では、ターゲット核酸ポリマーをスライドガラスやシリコン等の基板に固定化し、放射性同位元素(RI)もしくは蛍光物質でラベリング(標識)したプローブ核酸ポリマー水溶液を膜上に加える。プローブ核酸ポリマーがターゲット核酸ポリマーにハイブリダイズした場合には、水洗の後、膜にはターゲット核酸ポリマーとハイブリダイズしたプローブ核酸ポリマーだけが残存する。プローブ核酸ポリマーにラベリングされたRIからの放射能や、あるいは蛍光物質が発する光や沈殿物の色を検出することにより、ターゲット核酸ポリマー中に目的とする配列が存在するか否かを判定することができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
標識としてRIを用いる方法は、放射性物質取り扱い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、取り扱い者の健康の点でも問題があるため、近年では一般的に、蛍光物質を標識に用い、蛍光測定装置を用いて測定が行われている。
しかしながら、プローブ核酸ポリマーをRIもしくは蛍光物質でラベリングするには特別な修飾処理を必要とするため手間がかかるし、励起光による蛍光物質の褪色は避けられないため、高精度に測定を行うためには専用の高価な蛍光測定装置が必要となる。
また、ターゲット核酸ポリマーの基板への固定化効率が悪く、固定化のために大量のターゲット核酸ポリマーを必要とするため、ターゲット核酸ポリマーが微少量しか入手できない場合には測定を行うことは難しい。
また、他の方法として、固体基板上に直接一本鎖プローブ核酸ポリマーを固定化し、ターゲット核酸ポリマーとのハイブリダイゼーションを行い、プラズモン共鳴法あるいは水晶振動子法などにより検出する方法もあるが、この方法の場合も、核酸ポリマーを基板に固定化するために分子構造を修飾する必要があり、その固定化の制御が難しいといった問題がある。
【0004】
本願発明は、このような事情の下に創案されたものであり、その課題は、核酸ポリマーをRIまたは蛍光物質でラベリングする必要がなく、また核酸ポリマーの分子構造を修飾することなく、プローブ核酸ポリマーの基板への固定化をハイブリダイゼーションに適した状態に制御しつつ、基板上でハイブリダイゼーションを行って、微少量のターゲット核酸ポリマーでその塩基配列を検出することができる塩基配列検出用基板および塩基配列検出方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本願発明の塩基配列検出用基板は、核酸ポリマーのインターカレーターである非イオン性芳香族化合物(アントラセン、ピレン、ナフタレン、フェナントレン、ナフタセン、等)を分散させた自己組織化単分子膜を有する。
本願発明の塩基配列検出用基板において、前記自己組織化単分子膜は、アントラセンを有するジスルフィドの自己組織化単分子膜、またはピレンを有するチオールの自己組織化単分子膜であることが望ましい。
また、本願発明の塩基配列検出用基板の製造方法は、核酸ポリマーのインターカレーターである非イオン性芳香族化合物を有する化合物(ジスルフィド化合物、チオール化合物、等)を合成するステップと、前記化合物を含有した溶液に少なくともその表面層が金属(好ましくは金または銀)からなる基板を浸漬することにより当該基板の表面に非イオン性芳香族化合物を分散させた自己組織化単分子膜を生成させるステップと、前記自己組織化単分子膜にプローブ核酸ポリマーを吸着させることにより、前記基板の表面に核酸ポリマーを固定するステップとを含む。
アントラセンを分散させた自己組織化単分子膜を有する塩基配列検出用基板の製造方法は、核酸ポリマーのインターカレーターであるアントラセンを有するジスルフィドの化合物を合成するステップと、前記化合物を含有した溶液に少なくともその表面層が金属からなる基板を浸漬することにより当該基板の表面にアントラセンを有するジスルフィドの自己組織化単分子膜を生成させるステップと、前記自己組織化単分子膜にプローブ核酸ポリマーを吸着させることにより、前記基板の表面に核酸ポリマーを固定するステップとを含む。
また、ピレンを分散させた自己組織化単分子膜を有する塩基配列検出用基板の製造方法は、核酸ポリマーのインターカレーターであるピレンを有するチオールの化合物を合成するステップと、前記化合物を含有した溶液に少なくともその表面層が金属からなる基板を浸漬することにより当該基板の表面にピレンを有するチオールの自己組織化単分子膜を生成させるステップと、前記自己組織化単分子膜にプローブ核酸ポリマーを吸着させることにより、前記基板の表面に核酸ポリマーを固定するステップとを含む。
【0006】
本願発明の塩基配列検出方法は、核酸ポリマーのインターカレーターである非イオン性芳香族化合物を有する化合物(ジスルフィド化合物、チオール化合物、等)を合成するステップと、前記化合物を含有した溶液に少なくともその表面層が金属からなる基板を浸漬することにより当該基板の表面に非イオン性芳香族化合物を有するチオールもしくはジスルフィドの自己組織化単分子膜を生成させるステップと、前記自己組織化単分子膜にプローブ核酸ポリマーを吸着させることにより、前記基板の表面に核酸ポリマーを固定するステップと、前記基板上で前記プローブ核酸ポリマーとターゲット核酸ポリマーとのハイブリダイゼーションを実施するステップとを含む。
【0007】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
図1に本願発明によるDNAの塩基配列検出方法における処理工程の概略を示す。
(a)自己組織化単分子膜(SAM:Self-Assembled Monolayer)の生成
アントラセンを有するジスルフィド(S-S)化合物を含有した溶液に金薄膜1aをコーティングした透明基板1を浸漬することにより、透明基板1上にアントラセンを有するジスルフィドのSAM2を生成させる。SAM2には、S(硫黄)にアントラセンがアルキル鎖のようなスペーサーを介して結合した化合物と、末端にアントラセンが結合していない化合物とが存在する。
(b)一本鎖DNA(プローブ)の固定
プローブDNA3を含有した水溶液をSAM2上に供給し、SAM2にプローブDNA3を吸着させることにより、透明基板1の金薄膜1a上にプローブDNA3を固定する。
(c)相補的なDNA(ターゲット)とのハイブリダイゼーション
ターゲットDNA4を含有した水溶液をSAM2上に供給し、プローブDNA3とターゲットDNA4とのハイブリダイゼーションを行う。
以上の処理の後、透明基板1を水洗処理すると、SAM2上にはハイブリダイズしたターゲットDNA4だけが残存するので、SAM2上に残存しているターゲットDNA4を検出することによりターゲットDNA4側の塩基配列を検出することができる。
【0008】
DNAのインターカレーターであるアントラセンを有するジスルフィドのSAM2を金薄膜1a上に形成し、SAM2上でプローブDNA3とターゲットDNA4とのハイブリダイゼーションを行うようにしたことにより、プローブDNA3の金薄膜1aへの固定化効率を高めることができるので、ターゲットDNA4が微少量しか入手できない場合でも、ターゲットDNA4の塩基配列を検出することができる。
プローブDNA3の金薄膜1aへの固定化効率は、SAM2の硫黄原子数に対するアントラセン数の割合を調節することにより制御できる。この割合の調節は、具体的には、下記の化学式1で表される化合物と下記化学式2で表される化合物との混合比を適宜調節することにより行うことができる。
【化3】
ただし、x,y,zは共に6〜18、RはCH3、OHまたはNH2である。
上記割合は10%〜50%であることが望ましい。この割合が10%未満であると、プローブDNA3がSAM2に吸着し難くなり、50%を越えると、SAM2に対するプローブDNA3の吸着率が大きくなり過ぎて、ターゲットDNA4とのハイブリダイゼーションが起り難くなるからである。この割合はより好ましくは15%〜20%であることが望ましい。
化学式1の化合物における硫黄原子数とアントラセン数との比は2:1である。したがって、化学式1の化合物を100%使用して成膜した場合、硫黄原子数に対するアントラセン数の割合が50%のSAM2を得ることができる。
そして、化学式1の化合物に化学式2の化合物を適宜加えて成膜を行うことにより、硫黄原子数に対するアントラセン数の割合が50%未満のSAM2を得ることができる。たとえば、化学式1の化合物と化学式2の化合物との混合比を99:1に調節してSAM2を成膜した場合における上記割合はSAM2内において約15%となる。
SAM2上に残存しているターゲットDNA4を検出する方法としては、ラベリングしたターゲットDNA4を用いる一般的な方法も使用できるが、表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance)法を用いることにより、より迅速に検出を行うことができる。
【0009】
図2は表面プラズモン共鳴法による測定原理を示したものである。図2(a)に示すように、プリズム等の透明部材の底面に金または銀薄膜層を形成しその上に試料を堆積させ、透明部材を通して金属膜に斜めにレーザ光を入射させる。レーザ光の入射角(?)と反射率の関係は図2(b)に示したようになる。このときにみられる深い谷が表面プラズモン共鳴に相当する。表面プラズモン共鳴は、金属薄膜上の境界条件に大きく依存する。この入射角−反射率曲線をシミュレートすることより、吸着した超薄膜の膜厚や被覆率を知ることができる。
したがって、この実施の形態の場合、透明基板1に対し金薄膜1aの反対側からレーザ光を入射させ、表面プラズモン共鳴法を用いて、SAM2上にターゲットDNA4が存在する場合と存在しない場合との反射率の変化を増感して検知することにより、SAM2上に残存しているターゲットDNA4を迅速かつ確実に検出することができる。
【0010】
図3に表面プラズモン共鳴法を用いたRNAのアントラセンを有するジスルフィドのSAMへの吸着過程の観察例を示す。
DNAのインターカレーターであるアントラセンを有するジスルフィド化合物(下記化学式3)を合成し、この化合物と11-mercapto-1-undecanol(下記化学式4)を99:1の割合でクロロホルムに溶解させ、この溶液に金基板を24時間浸漬することによりSAMを形成させ、これをRNAの固定化のための基板とした。
【化4】
この観察例では、第1段階においてPoly(A)(polyadenylic acid:ポリアデニル酸)がSAMに吸着し、さらに第2段階においてPoly(A)に相補的なPoly(U)(polyuridilic acid:ポリウリジル酸)を加えることにより、Poly(U)も吸着していることがわかる。また、Poly(U)以外のRNAでは吸着は観察されなかったことから、Poly(A)とPoly(U)とがSAM上において特異的に相互作用していることが示された。この実験結果から、本願発明の方法はRNAの塩基配列検出にも有効に適用できることがわかる。
【0011】
[第2の実施の形態]
以上の実施の形態では、核酸ポリマーのインターカレーターとしてアントラセンを用いた場合について説明したが、アントラセンの代わりにピレンを使用することも有効である。
ピレンを使用する場合も、図1と同様の処理を行うことによりターゲットDNAの塩基配列を検出することができる。この場合も、プローブDNAの金薄膜への固定化効率を高めることができるので、ターゲットDNAが微少量しか入手できない場合でも、ターゲットDNAの塩基配列を検出することができる。
プローブDNAの金薄膜への固定化効率は、SAMの硫黄原子数に対するピレン数の割合を調節することにより制御できる。この割合の調節は、具体的には、下記の化学式5で表される化合物と下記化学式6で表される化合物との混合比を適宜調節することにより行うことができる。
【化5】
ただし、x,zは共に6〜18、RはOH、CH3、NH2である。
上記割合は15%〜50%であることが望ましい。この割合が15%未満であると、プローブDNAがSAMに吸着し難くなり、50%を越えると、SAM2に対するプローブDNA3の吸着率が大きくなり過ぎて、ターゲットDNA4とのハイブリダイゼーションが起り難くなるからである。この割合はより好ましくは15%〜20%であることが望ましい。
化学式5の化合物における硫黄原子数とピレン数との比は1:1である。したがって、化学式5の化合物を100%使用して成膜した場合、硫黄原子数に対するピレン数の割合が100%のSAMを得ることができる。
そして、化学式5の化合物に化学式6の化合物を適宜加えて成膜を行うことにより、硫黄原子数に対するピレン数の割合が100%未満のSAMを得ることができる。たとえば、化学式5の化合物と化学式6の化合物との混合比を1:1に調節してSAMを成膜した場合における上記割合はSAM内において約50%となる。
この場合も、SAM上に残存しているターゲットDNAを検出する方法としては、ラベリングしたターゲットDNAを用いる一般的な方法も使用できるが、表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance)法を用いることにより、より迅速に検出を行うことができる。
【0012】
図4に表面プラズモン共鳴法を用いたRNAのピレンを有するチオールのSAMへの吸着過程の観察例を示す。
DNAのインターカレーターであるピレンを有するチオール化合物(下記化学式7)を合成し、この化合物とメルカプトウンデカノール(下記化学式8)を1:1の割合でクロロホルムに溶解させ、この溶液に金基板を24時間浸漬することによりSAMを形成させ、これをRNAの固定化のための基板とした。
【化6】
図3の図4との比較から、第1段階すなわちPoly(A)をSAMに吸着させる段階における吸着能力はピレンの方がアントラセンよりも高いことがわかる。このことは、ピレンを使用することにより一本鎖RNAをより強く吸着して基板上に固定できることを意味している。
【0013】
また、SAMのIR−RAS測定の結果より図5(a)に示すようにアントラセンを有するジスルフィドのアントラセン分子は基板表面に対して大きく傾いているが、図5(b)に示すようにピレンを有するジスルフィドのピレン分子は基板表面に対してほぼ垂直に立っている。したがって、ピレンを有するジスルフィドのSAMを用いることにより、アントラセンを有するジスルフィドのSAMを用いた場合より多くDNAやRNAをSAMに吸着させることが可能になる。
なお、上記の例では、DNAのインターカレーターとしてアントラセンまたはピレンを用いた場合について説明したが、その他の非イオン性芳香族化合物たとえばナフタレン、フェナントレン、ナフタセン、等を用いることも可能である。また、上記の例では、SAM上に残存しているプローブ核酸ポリマー、ターゲット核酸ポリマーの検出方法として表面プラズモン共鳴を用いたが水晶振動子法を用いてもよい。
また、上記の例では、金薄膜を有する基板上にアントラセンまたはピレンを有するジスルフィドおよびチオールのSAMを形成したが、Si、Al、Ag、Cuなどのその他の金属や、これらの合金(金との合金を含む)または酸化物を金属薄膜の材料に用いてもよい。ただし、有機分子に含まれる硫黄原子の吸着能を利用する点から、または表面プラズモン共鳴法や水晶振動子法を用いる点から、金(Au)または銀(Ag)が薄膜材料として最も適している。
【0014】
【発明の効果】
以上の説明からわかるように、本願発明は以下のような優れた効果を奏するものである。
本願発明の塩基配列検出用基板を用いることにより、核酸ポリマーをRIもしくは蛍光物質でラベリングする必要がなく、プローブ核酸ポリマーの基板への固定化をハイブリダイゼーションに適した状態に制御しつつ、基板上でハイブリダイゼーションを行って、微少量のターゲット核酸ポリマーでその塩基配列を検出することができる。
本願発明の塩基配列検出用基板の製造方法によれば、核酸ポリマーをRIもしくは蛍光物質でラベリングする必要がなく、プローブ核酸ポリマーの基板への固定化をハイブリダイゼーションに適した状態に制御しつつ、基板上でハイブリダイゼーションを行って、微少量のターゲット核酸ポリマーでその塩基配列を検出することができる塩基配列検出用基板を製造することができる。
本願発明の塩基配列検出方法によれば、核酸ポリマーをRIもしくは蛍光物質でラベリングする必要がなく、プローブ核酸ポリマーの基板への固定化をハイブリダイゼーションに適した状態に制御しつつ、基板上でハイブリダイゼーションを行って、微少量のターゲット核酸ポリマーでその塩基配列を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)乃至(c)は本願発明によるDNAの塩基配列検出方法における処理工程の概略を示す説明図である。
【図2】(a)は表面プラズモン共鳴法による測定原理の説明図、(b)は表面プラズモン共鳴法におけるレーザ光の入射角(θ)と反射率との関係を例示する図である。
【図3】表面プラズモン共鳴法を用いたRNAのアントラセンを有するジスルフィドの自己組織化単分子膜への吸着過程及びハイブリダイゼーション過程の観察結果の一例を示す図(反射率と膜厚の時間変化をプロットした図)である。
【図4】表面プラズモン共鳴法を用いたRNAのピレンを有するジスルフィドの自己組織化単分子膜への吸着過程の観察結果の一例を示す図(反射率と膜厚の時間変化をプロットした図)である。
【図5】(a)はアントラセンを有するジスルフィドの基板上における形状を示した図、(b)はピレンを有するチオールの基板上における形状を示した図である。
【符号の説明】
1:透明基板(基板)、1a:金薄膜
2:自己組織化単分子膜
3:プローブDNA(プローブ核酸ポリマー)
4:ターゲットDNA(ターゲット核酸ポリマー)
Claims (6)
- 一本鎖核酸ポリマーのインターカレーターである、下記化学式1で表されるアントラセンを有するジスルフィドの化合物、又は下記化学式1で表される化合物及び下記化学式2で表わされる化合物を含む溶液を調製するステップ、
前記化合物を含有した溶液に少なくともその表面層が金属からなる基板を浸漬することにより当該基板の表面にアントラセンを有するジスルフィドの自己組織化単分子膜を生成させるステップ;及び
前記自己組織化単分子膜に一本鎖プローブ核酸ポリマーを吸着させることにより、前記基板の表面に一本鎖核酸ポリマーを固定するステップとを含む、塩基配列検出用基板の製造方法であって:
前記化学式1で表わされる化合物と前記化学式2で表わされる化合物との混合比が、前記自己組織化単分子膜の硫黄原子数に対するアントラセン数の割合が10%〜50%となるような混合比である、前記の塩基配列検出用基板の製造方法。 - 前記混合比が、前記自己組織化単分子膜の硫黄原子数に対するアントラセン数の割合が15%〜20%となるような混合比である、請求項1に記載の塩基配列検出用基板の製造方法。
- 一本鎖核酸ポリマーのインターカレーターである下記化学式5で表されるピレンを有するチオールの化合物、又は、下記化学式5で表される化合物、及び下記化学式6で表される化合物を含む溶液を調製するステップ、
前記化合物を含有した溶液に少なくともその表面層が金属からなる基板を浸漬することにより当該基板の表面にピレンを有するチオールの自己組織化単分子膜を生成させるステップ;及び
前記自己組織化単分子膜に一本鎖プローブ核酸ポリマーを吸着させることにより、前記基板の表面に一本鎖核酸ポリマーを固定するステップとを含む、塩基配列検出用基板の製造方法であって:
前記化学式5で表される化合物と前記化学式6で表される化合物との混合比が、前記自己組織化単分子膜の硫黄原子数に対するピレン数の割合が5%〜100%となるような混合比である、前記塩基配列検出用基板の製造方法。 - 前記混合比が、前記自己組織化単分子膜の硫黄原子数に対するピレン数の割合が15%〜50%となるような混合比である、請求項3に記載の塩基配列検出用基板の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法により製造された塩基配列検出用基板上で、前記一本鎖プローブ核酸ポリマーとターゲット核酸ポリマーとのハイブリダイゼーションを実施することを特徴とする塩基配列検出方法。
- 前記ハイブリダイゼーション後の前記自己組織化単分子膜に残存しているターゲット核酸ポリマーを表面プラズモン共鳴法、又は水晶振動子法により検出することを特徴とする請求項5に記載の塩基配列検出方法。
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2001
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