JP3998977B2 - 生化学検体の検出方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プローブＤＮＡに修飾したセラミックス粒子標識を検出して目的の生化学検体を検出する方法に係り、基板に配列されたプローブＤＮＡがループ構造を形成して解放末端側が基板側に向くように構成することで、目的ＤＮＡがある場合にハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されるため、例えばハイブリダイゼーションした後にセラミックス粒子を標識として修飾すると、ハイブリダイゼーションしたプローブＤＮＡと目的ＤＮＡにのみセラミックス粒子標識を修飾できることから、このセラミックス粒子の集合体を目視にて観察し、目的遺伝子の有無を検出できる生化学検体の検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＮＡチップの基本原理は、ＤＮＡが相補的な二重螺旋構造を形成することを利用するものである。Ａ（アデニン）とＴ（チミン）、Ｃ（シトシン）とＧ（グアニン）が対をなすことから、例えば、ＡＧＧＴＴＡＣのＤＮＡ配列を持つ遺伝子を検出するには、プローブとしてＴＣＣＡＡＴＧの配列を持つＤＮＡを作成し、サンプリング検体遺伝子中に目的遺伝子が存在すると、ＤＮＡハイブリダイゼーションによって、プローブＤＮＡの配列にＡＧＧＴＴＡＣの配列が結合して二重螺旋構造を取るため、これを検出することで目的ＤＮＡを容易に選別できることになる。
【０００３】
二重螺旋構造のＤＮＡを検出する方法として、検体ＤＮＡ（サンプリング遺伝子ＤＮＡ）に蛍光標識の修飾を施しておき、プローブＤＮＡと前記のＤＮＡハイブリダイゼーション操作を行い、二重螺旋構造を呈したＤＮＡ、すなわち蛍光シグナルを発するものを検出する、蛍光法が知られている。
【０００４】
蛍光標識としては、蛍光色素そのものの他、蛍光色素により直接染色された染色体、糖蛋白や糖脂質から切り出された糖鎖体に修飾したイオン性蛍光物質、あるいはタンパク質、核酸、酵素、細胞等を蛍光色素でタグ化するなど、種々方法並びに物質で蛍光を発する標識が提案されている。
【０００５】
そこで、検体ＤＮＡに蛍光色素の修飾を行わずに二重螺旋構造のＤＮＡを検出する方法として、屈折率変化を検出するＳＰＲ分光法を用いた方法が提案されている。詳述すると、ガラス基板に金属薄膜を形成してこの薄膜上にプローブＤＮＡを固定しておき、これとサンプリング遺伝子をハイブリダイゼーション操作させることにより二重螺旋構造のＤＮＡを形成させ、基板裏面側からの金属薄膜への反射光強度の測定を行い、ハイブリダイゼーション前の金属薄膜の屈折率と二重螺旋構造のＤＮＡを有する場合の屈折率との変化を測定する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる蛍光法を用いたＤＮＡハイブリダイゼーション検出には、蛍光標識の修飾操作が煩雑であること、また、施術者の技量によって前記修飾効果が異なること、種々条件で蛍光色素の光消失が発生すること、未反応吸着物によるバックグラウンドノイズの上昇で検出精度が低下すること等の問題が指摘されている。
【０００７】
前記ＳＰＲ分光法において、前述したハイブリダイゼーション前後の金属薄膜の屈折率の変化を測定するが、基板裏面側からの金属薄膜への入射角度と反射率との関係として解析する際に、当該変化が僅かであるため、さらに高精度に検体ＤＮＡを検出するには、ＳＰＲ応答の増幅を図るなどの改良を施す必要がある。
【０００８】
この発明は、バックグラウンドノイズの上昇で検出精度が低下する蛍光法やＳＰＲ応答の増幅を図る必要があるＳＰＲ分光法など、従来の検出方法を用いることなく目視で検出が可能であり、検出工程を再現性よく簡素化でき、測定者に過度の技量を要求することがなく、簡単な工程からなる生化学検体の検出方法の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、ＳＰＲ応答の増幅を目的に種々検討した結果、基板の金属薄膜に金を用い、プローブＤＮＡに貴金属コロイドを修飾することで末端に金微粒子修飾を行うと、検体ＤＮＡとのハイブリダイゼーション後に金微粒子と金薄膜間の光学的相互作用が変化することでＳＰＲ応答の増幅を実現できることを知見した。
【００１０】
また、発明者らは、ＳＰＲ応答の増幅、安定した検出チップの構成を目的にプローブＤＮＡへの金微粒子修飾の有効性、最適化を検討した結果、金薄膜表面に対するプローブＤＮＡの吸着固定量は、ＤＮＡ塩基数（鎖長）によらずほぼ一定であること、金微粒子の修飾部位であるビオチンへの修飾に際してアビジンコート金微粒子の直径に最適値があり、またその修飾量はＤＮＡ塩基数に依存することを知見し、従って、金薄膜表面において、プローブＤＮＡ塩基数の違いによってプローブＤＮＡの立体的構造が変化していることを知見した。
【００１１】
そこで、発明者らは、プローブＤＮＡ鎖長の検討を行い、プローブＤＮＡの塩基数の違いによるＳＰＲ応答、すなわち金微粒子修飾を行ったプローブＤＮＡに対してハイブリダイゼーションを施し、その後のＳＰＲ角度のシフト量についての変化や挙動を検討したところ、塩基数１０では金微粒子修飾量が少なく、塩基数３０では修飾量が増大するが、いずれも該シフト量の増大効果が少ないこと、塩基数６０では金微粒子修飾ができないことを知見した。
【００１２】
さらに、発明者らは、プローブＤＮＡ鎖長の検討、特に塩基数６０以上の長いプローブＤＮＡにおけるＳＰＲ応答の増幅を目的に種々検討した結果、前述のごとく検出チップに吸着固定したプローブＤＮＡに先に金微粒子修飾するのではなく、まず先にサンプルとのハイブリダイゼーションを施すと、検出チップの薄膜上でループ状となって配列していたプローブＤＮＡが伸びて金微粒子修飾が可能となり、ハイブリダイゼーション後に金微粒子修飾を行う工程にて、長いプローブＤＮＡにも修飾が可能となり、ハイブリダイゼーション後の２本鎖を形成したプローブＤＮＡにのみ金微粒子修飾できることから、ＳＰＲ角度のシフト量が増大して二重螺旋構造のＤＮＡの検出精度を著しく高精度にすることが可能であることを知見した。
【００１３】
さらに、発明者らは、先の金微粒子修飾に換えてハイブリダイゼーション後のプローブＤＮＡに大きな粒径のＦｅ粒子コロイド、コロイダルシリカを用いてＦｅ粒子、シリカ標識の修飾を行ったところ、金微粒子修飾と同様にハイブリダイゼーション後の２本鎖を形成したプローブＤＮＡにのみＦｅやシリカ粒子の標識を設けることが可能であり、よって目的ＤＮＡにのみ標識を設けたことになるとともに、検出チップ上でこれらの粒子標識の集合体を目視検出できること、さらには先に設けた粒子標識に第２の標識として、粒子や化学発色、色素標識などを修飾することでより一層容易に、目視検出が可能であることを知見した。
【００１４】
また、この発明の特徴であるプローブＤＮＡは、目的ＤＮＡがある場合にハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されて２本鎖を形成できることから、このプローブＤＮＡに予め種々の標識を修飾した検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションすることも可能であり、また前記プローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションした後に２本鎖を形成したプローブＤＮＡと検体ＤＮＡに標識を修飾することも可能であり、さらには先に設けた粒子標識に第２の標識として、粒子や化学発色、色素標識などを修飾することでより一層容易に、目視検出が可能であることを知見した。
【００１５】
また、発明者らは、プローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションした後に２本鎖を形成したプローブＤＮＡと検体ＤＮＡにいずれかに第１の標識を修飾した後、さらに第２の標識を第１の標識を設けなかった方に設けることも可能であり、ハイブリダイゼーション前に予め第１の標識がどちらかに設けられていた場合は、ハイブリダイゼーション後の標識の修飾時に第１の標識を設けなかった方に選択的に修飾することで、２本鎖を形成したプローブＤＮＡと検体ＤＮＡの両方に標識を修飾することが可能で、一層容易に目視検出が可能であることを知見し、この発明を完成した。
【００１６】
基板表面にプローブＤＮＡを配列する工程、ループ構造を形成しているプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程、ハイブリダイゼーションの実行中又は実行後のプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に標識を修飾する工程、２本鎖を形成したプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に修飾された標識を目視検出する工程を有し、標識がセラミックス粒子である生化学検体の検出方法である。
【００１８】
また、この発明は、基板表面にプローブＤＮＡを配列する工程、ループ構造を形成している基板上のプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程、ハイブリダイゼーションの実行中又は実行後のプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に第１の標識を修飾する工程、２本鎖を形成したプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に修飾された第１の標識にさらに第２の標識を修飾する工程、第１の標識とそれに修飾された第２の標識とを目視検出する工程を有し、標識がセラミックス粒子である生化学検体の検出方法である。
【００２１】
また、この発明は、基板表面にプローブＤＮＡを配列する工程、ループ構造を形成している基板上のプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程、ハイブリダイゼーションの実行中又は実行後のプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡに第１の標識を修飾する工程、２本鎖を形成したプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡの修飾されない方に第２の標識を修飾する工程、第１の標識と第２の標識とを目視検出する工程を有し、標識がセラミックス粒子である生化学検体の検出方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の特徴である各プローブＤＮＡがループ構造を形成して解放末端が基板表面側にあるように構成した検出チップ並びにループ構造について説明する。
【００２４】
まず、検出チップの作製について説明すると、ガラス基板をアセトン、メタノール、超純水中で超音波洗浄した後、１０％フッ酸で表面を２０秒間エッチングを行ない、さらに、アセトン、メタノール、超純水中で超音波洗浄した後、窒素ガスで乾燥させた。
その後、スパッタ装置（ＵＬＶＡＣ）を用いガラス基板にまず約１ｎｍ厚みのＣｒ層を設け、さらに約５０ｎｍ厚みのＡｕ層を設けた。
【００２５】
前記基板を濃硫酸中１〜２時間浸漬後、超純水で洗浄した後、プローブの３’端側をＳＨ（チオール）基で、５’端側をビオチンで修飾したプローブＤＮＡ−Ｄ−ＢＦＲ溶液（ＫＨ2ＰＯ4、Ｋ2ＨＰＯ4、ｐＨ ７．０）を基板上に滴下し、飽和水蒸気中に約１５時間放置し、プローブＤＮＡをガラス基板の金薄膜上に付着させて検出チップとなした。なお、プローブＤＮＡには日清紡製を使用した。
【００２６】
金コロイド修飾方法は、上記の検出チップをＲ−ＢＦＲ溶液（ＮａＣｌ、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、ｐＨ ７．４）で洗浄後、窒素ガスでおだやかに乾燥させ、表面にアビジンをコートした金コロイド（粒径１０ｎｍ、ＳＩＧＭＡ製）を滴下し１〜３時間、飽和水蒸気中で放置することで、ビオチンとアビジンの特異的結合を利用して修飾させた。
【００２７】
ハイブリダイゼーションは、Ｒ−ＢＦＲ溶液とＨ−ＢＦＲ溶液（ＮａＣｌ、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、ＥＤＴＡ、ｐＨ ７．４）で洗浄後乾燥せずに、検体ＤＮＡのＨ−ＢＦＲ溶液を所要濃度となるように滴下し、約１６時間放置して実施した。
【００２８】
ＳＰＲ測定は、検出チップをＲ−ＢＦＲ溶液で洗浄後に窒素ガスで乾燥し速やかにＳＰＲ測定を行なった。
【００２９】
上記方法で、１０〜６０の塩基数のプローブＤＮＡをそれぞれ固定した検出チップを作製した。この時、プローブＤＮＡの金薄膜への吸着量をＳＰＲ測定により評価した。プローブＤＮＡの塩基数が大きくなるにつれ、ＳＰＲ角度のシフトが大きくなった。また、ＳＰＲ角度シフトを分子量で割った値は、吸着量に比例するため、これを求めたところ、プローブＤＮＡの吸着効率は、塩基数１０が最もよく、３０、６０では、大きな変化がないこと、さらに塩基数による吸着効率の変化は、１０、１００倍と大きく変化するものではなく、塩基長によらずオーダーとしてほぼ一定であることを確認した。なお、ここでは基板への被覆率約２５％を達成した。
【００３０】
また、１０〜６０の塩基数のプローブＤＮＡをそれぞれ固定した検出チップを作製し、それぞれ上記金コロイド修飾方法により修飾を行い、塩基数による金コロイド修飾量の変化をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察し、修飾された金コロイド粒子数を計測したところ、塩基長１０では、約４００個／μｍ2、塩基長３０では、約７００個／μｍ2の金コロイドの修飾が観察されたが、塩基長６０では、金コロイドの修飾が全く観察されなかった。
【００３１】
これを確認するため、ＳＰＲ法を用いｉｎ−ｓｉｔｕでのＤＮＡプローブに対する金コロイド修飾の挙動を観察した。すなわち、検出チップをプリズム上に接着し、基板表面を上述のＲ−ＢＦＲ溶液で満たし、これに、金コロイド溶液を滴下し、ある一定入射角での反射光強度を継時的に観測したところ、金コロイド修飾が行なわれた場合にはＳＰＲ角度がシフトし、反射光強度の上昇が観察されるが、塩基数６０のＤＮＡでは、反射強度の変化が無くＡＦＭでの観察と同様、金コロイドの修飾が行なわれないことを確認した。
【００３２】
検出チップ金薄膜へのプローブＤＮＡの吸着は、プローブＤＮＡの鎖長に依らずオーダー的にほぼ一定であるのに対し、金薄膜に固定化されたプローブＤＮＡに対する金コロイドの修飾効率は、プローブＤＮＡの鎖長に大きく依存することが判明し、塩基数６０のプローブＤＮＡでは、まったく金コロイド修飾が起こらないことを確認した。
【００３３】
前述の合成によるプローブＤＮＡに換えて、実際のＯ−１９ ｇｙｒＢ遺伝子変異部周辺の８５６ｂｐという長い遺伝子を目的ＤＮＡ（試験遺伝子）とし、これと相補的に結合する末端３０塩基、中央３０塩基、中央６０塩基の３種類をプローブＤＮＡとし、前述と同様の方法で検出チップを作製した。
【００３４】
上記の３種のプローブＤＮＡに対して前述した金コロイド修飾方法を行い、その後実際の長いＤＮＡ鎖を用いてハイブリダイゼーションを実施した後、ＳＰＲ法によるハイブリダイゼーションの検出を実施した。
【００３５】
表１のプローブＤＮＡ塩基長によるＳＰＲ角度シフトの変化を示す表に明らかなように、３０塩基のプローブＤＮＡでは、末端、中央、共に、ハイブリダイゼーションによる有意差が小さく、また、塩基数６０のプローブＤＮＡでは、全く金コロイドが修飾されず、実際の長い遺伝子を目的遺伝子とした場合、上記の条件では、ＳＰＲ法によるハイブリダイゼーションの検出は困難であることを確認した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１のプローブＤＮＡ塩基長によるＳＰＲ角度シフトの変化から、８５６ｂｐの長いＤＮＡを目的遺伝子とした場合、プローブ鎖と比べて、目的遺伝子が約１４〜２８倍長いため、立体的な制約によりプローブＤＮＡと反応する確率が低いと考えられる。従って、ハイブリダイゼーションしたプローブ鎖に金コロイドが修飾される場合と、ハイブリダイゼーションしていないプローブ鎖に金コロイドが修飾される場合とでＳＰＲ角度のシフトにバラツキがみられると推測される。
【００３８】
そこで先の工程、すなわち金コロイド修飾方法を行い、その後ハイブリダイゼーションを実施する工程とは逆に、上記と同じプローブＤＮＡの検出チップに対してハイブリダイゼーションを実施した後、金コロイド修飾方法を行い、その後ＳＰＲ法による前記ハイブリダイゼーションの検出を実施した。
【００３９】
すなわち、塩基数６０のプローブＤＮＡでは、ループ構造を形成しているため、金コロイド修飾が行なわれないと推測される。ループ構造をとっている長い１本鎖ＤＮＡはハイブリダイゼーションによりそのループ構造が解消された後に、金コロイド修飾を行なえば金コロイド修飾が可能であると推測される。そこで６０塩基のＤＮＡプローブにおいても同様の手法を用いれば金コロイド修飾が可能であると考えた。図１Ａ，Ｂ参照。
【００４０】
換言すれば、目的遺伝子がない場合には、ハイブリダイゼーションは起こらずかつ金コロイド修飾が行なわれない。これに対して、目的遺伝子がある場合には、ハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されることににより、ハイブリダイゼーションしたＤＮＡプローブにのみ選択的に金コロイド修飾が起こり、ＳＰＲ測定でハイブリダイゼーションによるシフトに金コロイド修飾によるシフトが加わった大きなＳＰＲ角度シフトの差が得られると考えた。
【００４１】
そこで、実際の長いＤＮＡ鎖を目的遺伝子とした検出チップを用い、前述の各工程で、プローブＤＮＡの基板への付着、ハイブリダイゼーション、金コロイド修飾を実施し、水溶液中でのＳＰＲ角度シフト並びに空気中でのＳＰＲ角度シフトを測定した。
【００４２】
プローブＤＮＡのみの場合には、金コロイド修飾を行なってもＳＰＲ角度シフトが見られないが、プローブＤＮＡにハイブリダイゼーションが起こった場合には、ＳＰＲ角度が大きくシフトして金コロイド修飾が行われていることが明らかになった。
【００４３】
すなわち、空気中でのＳＰＲ角度シフトの測定結果を表２に示すように、３０塩基のプローブＤＮＡでは、金コロイド修飾によるＳＰＲ角度シフトの増幅作用が小さく、また、サンプル間における偏差も大きかった。それに対して、６０塩基のプローブＤＮＡを用いて、ハイブリダイゼーション後に金コロイド修飾した場合には、金コロイド修飾によるＳＰＲ角度シフトが約４〜５倍増幅され、かつサンプル間における偏差も小さかった。
【００４４】
要するに、ハイブリダイゼーション後に金コロイド修飾を行うことにより、溶液中、空気中ともに、６０塩基プローブＤＮＡの金コロイド修飾が可能となった。すなわち、６０塩基プローブＤＮＡの立体構造（ループ構造）を利用することにより、ハイブリダイゼーションしたプローブＤＮＡのみに選択的に金コロイド修飾させることが可能であり、その結果、大きなＳＰＲ角度シフト増幅が可能で、サンプル間の偏差を小さくすることが可能であることを確認した。
【００４５】
【表２】
【００４６】
この発明は、以上の知見に基づきなされたもので、ループ構造を形成しているプローブＤＮＡにおいて、目的ＤＮＡがある場合にのみハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されてプローブＤＮＡが伸びることで例えば解放末端に修飾が可能となり、２本鎖を形成したプローブＤＮＡにのみ比較的大きな粒子の標識を設けることが可能であり、検出チップ上でこれらの粒子標識の集合体を目視検出でき、さらには先に設けた粒子標識に第２の標識として、別の発色粒子や化学発色、色素標識などを修飾することでより一層容易に目視検出が可能となる。
【００４７】
この発明は、ループ構造を形成しているプローブＤＮＡは、目的ＤＮＡがある場合にハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されて２本鎖を形成することを有効利用するもので、このプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションした後に２本鎖を形成したプローブＤＮＡと検体ＤＮＡともに標識を修飾することが可能であり、かかる標識を見るだけで目的ＤＮＡを確認できる。
【００４８】
この発明において、基板には、ガラス基板、樹脂基板、シリコン基板等のプローブＤＮＡの配列が実施可能な基板であればいずれの材質も採用できる。また、基板に貴金属薄膜を成膜する場合は、その表面粗度はできるだけ平坦なものが好ましい。洗浄、乾燥方法としては、実施例に示すごとく、半導体ウエーハや各種デバイスを製造する際に採用される、各種溶剤による洗浄、純水中の超音波洗浄、各種酸溶液による洗浄、ブロー乾燥、スピン乾燥など公知の基板の洗浄、乾燥方法を適宜選択、組合せて採用できる。ガラス基板としては、公知のホウケイ酸ガラス等が利用でき、厚みは厚いほうが取り扱いやすいが、いずれの厚みのものも利用できる。
【００４９】
この発明において、プローブＤＮＡの配列を容易にするため、基板上に金、白金、銀などの貴金属薄膜を設けることができる。成膜方法としては膜厚みを一定に制御するため、スパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤ等の公知の気相成長による方法が好ましい。なお、基板と薄膜との密着性を向上させるために下地層を適宜成膜することができる。例えば、ガラス基板、石英基板にＣｒ層を設けたり、シラン化合物によって表面改質するなどの手段を採用できる。
【００５０】
この発明において、基板上あるいはさらに貴金属薄膜表面にプローブＤＮＡを配列する工程は、特に限定されるものでなく、公知のいずれの方法も採用でき、例えば薄膜上を酸や純水で洗浄後、プローブＤＮＡと緩衝液を用いて飽和水蒸気雰囲気中で配列させることができる。
【００５１】
また、緩衝液としては、例えばＫＨ2ＰＯ4とＫ2ＨＰＯ4を配合して所要ｐＨにした溶液が採用できる。他には、ＰＳＢや、ＮａＣｌとＴｒｉｓ−ＨＣｌ、ＮａＣｌとＴｒｉｓ−ＨＣｌとＥＤＴＡを用いるなど、所要ｐＨにするため公知の薬液を選定配合した溶液等も採用できる。
【００５２】
この発明において、プローブＤＮＡは、その末端を一方は基板表面あるいは基板上、あるいは貴金属薄膜に固定し、他方端あるいはその近傍には後述の標識を修飾するために、各々の前記末端を前記基板表面あるいは標識と接合可能な物質で修飾しておくことが望ましい。
【００５３】
この発明において、プローブＤＮＡの塩基数は特に限定しないが、ハイブリダイゼーション後に、目的ＤＮＡと２本鎖を形成したプローブＤＮＡにのみ標識を修飾するには、チップ基板上にあるプローブＤＮＡはハイブリダイゼーション前にループ構造を形成して解放末端側あるいは修飾可能な部位が薄膜側にある必要がある。
【００５４】
この発明において、プローブＤＮＡは、その製造過程中又は製造後にループ構造を形成していて基板に配列されるか、基板に配列する際にループ構造を形成するか、基板に配列後にループ構造を形成するように構成するか、いずれの構成、方法も採用できる。
【００５５】
例えば、図２Ａ，Ｂに示すごとく、相補的な二重螺旋構造を形成可能な対をなすＤＮＡの配列を予め形成しておき、ループ構造を形成し得るように構成することが可能であり、塩基数は特に限定しないが、比較的長鎖の構成を有するものが望ましく、好ましくは塩基数が６０以上である。さらに塩基数が１００を超えたり、１０００程度の場合であってもこの発明を適用できる。
【００５６】
この発明において、基板表面に配列したプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程は、特に限定されるものでなく、公知のいずれの方法も採用でき、例えば基板の洗浄後に検体ＤＮＡと緩衝溶液を用いてハイブリダイゼーションすることができる。緩衝溶液としては、例えばＮａＣｌとＴｒｉｓ−ＨＣｌを配合して所要ｐＨに保持した溶液が採用できる。また、ガラス基板に金薄膜を設ける場合では、ハイブリダイゼーション時の温度を３０〜４０℃に保持することが好ましい。
【００５７】
標識には、金属粒子（Ｓｉを含む）、セラミックス粒子、公知の蛍光標識、蛍光色素、化学発色手段、あるいは生化学検体の検出に利用されている染色体、糖鎖体、タンパク質、核酸、酵素、細胞など、プローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡに修飾できるもの、さらに前記の各種標識で再修飾であればいずれのものも利用できるが、この発明においてはセラミックス粒子を用いる。
【００５８】
なお、金属微粒子標識は、Ｓｉを含み、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏなどの各種金属の微粒子を用いるもので、特に微粒子の形状や粒径寸法や均一性は任意に適宜選択でき、特に必須条件ではないが、ＤＮＡの所要部位に修飾可能とすること、微粒子表面に成膜可能なことなどから、５μｍ以下、さらに１μｍ以下が好ましく、数ｎｍ〜数百ｎｍの範囲で所定粒径が均一でかつ工業安定的に得られる微粒子が好ましい。
【００５９】
この発明において、セラミックス微粒子標識には、公知のいずれの形態も採用できるが、微粒子表面に成膜可能なことなどから、５μｍ以下、さらに１μｍ以下が好ましく、検出方法に応じて数ｎｍ〜数百ｎｍの範囲で所定粒径が均一でかつ工業安定的に得られるＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯなどのセラミックス微粒子が好ましい。
【００６０】
なお、蛍光標識には、公知のいずれの形態も採用でき、市販されている蛍光色素によりタグ化された染色体、糖鎖体、タンパク質、核酸、酵素、細胞、微粒子等を標識自体の性質を利用したり後述のごとく抗原−抗体反応を利用して修飾させることが可能である。また、この発明では蛍光自体は必須でないため、蛍光標識等に利用されている染色体、糖鎖体、タンパク質、核酸、酵素、細胞をそのまま利用することも可能である。
【００６１】
また、上述の金属微粒子、セラミックス微粒子などの各種標識をプローブＤＮＡに修飾する方法としては、例えば金属微粒子等の粒子自体の性質を利用したり、公知の蛍光標識を修飾する方法などのように抗原−抗体反応を利用して修飾するなど、公知のいずれの方法も採用できる。また、中性のコロイダル液のごとく、金属微粒子を均一分散させた溶液の形態を利用することで修飾が容易になる。
【００６２】
また、プローブＤＮＡの末端にビオチンを修飾しておき、ストレプトアビジンをコートした金属微粒子をビオチン−アビジンの高い結合能力を利用して標識となすことができる。さらに、プローブＤＮＡの末端にＩｇＧや抗プロテイン物質を付加することで、タンパクをコートした金属微粒子を抗原−抗体反応を利用して修飾させることが可能である。
【００６３】
さらに、検体ＤＮＡに前記各種の標識を修飾することも可能で修飾方法は、検体ＤＮＡの所要箇所を適宜標識化できればよく、公知のいずれの方法も採用でき、特に末端を修飾するには上述の方法などいずれの方法も採用できる。
【００６４】
また、化学発色は、実施例に示すごとき免疫組織染色方法が採用でき、予め４つの結合部位をもつアビジンと複数箇所でビオチン化されたペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）を適当な割合で混合し、多数のＨＲＰを含み一部にアビジンの未反応基を残す複合体（ＡＢＣ）を形成させて、この複合体（ＡＢＣ）と予め組織中の標的抗原と結合したビオチン化抗体とを反応させて標的抗原を検出するもので、例えばプローブＤＮＡにビオチンで修飾した箇所を用意することで容易に実施できる。また、ＡＰＲ法など公知の免疫組織染色方法も応用できる。
【００６５】
この発明において、標識は上述のごとく、独自の色や形を有しておりこれらが集合して目視可能になるもので、検出に際して第１の標識と第２の標識は、それぞれプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡに設けられる場合はこれらを目視することになる。また、第１の標識をターゲットにして第２の標識が修飾される場合は、第１の標識と第２の標識の両方を目視することになるが、第１の標識が目視できないような場合は第２の標識のみを目視することになる。
【００６６】
【実施例】
実施例１
ガラス基板をアセトン、メタノール、超純水中で超音波洗浄した後、１０％フッ酸で表面を２０秒間エッチングを行ない、さらに、アセトン、メタノール、超純水中で超音波洗浄した後、窒素ガスで乾燥させた。
その後、スパッタ装置（ＵＬＶＡＣ）を用いガラス基板にまず約１ｎｍ厚みのＣｒ層を設け、さらに約５０ｎｍ厚みのＡｕ層を設けた。
【００６７】
前記基板を濃硫酸中１〜２時間浸漬後、超純水で洗浄した後、３０塩基、６０塩基のプローブＤＮＡの３’端側をＳＨ（チオール）基で、５’端側をビオチン修飾したプローブＤＮＡ−Ｄ−ＢＦＲ溶液（ＫＨ2ＰＯ4、Ｋ2ＨＰＯ4、ｐＨ ７．０）を基板上に滴下し、飽和水蒸気中に約１５時間放置し、プローブＤＮＡをガラス基板の金薄膜上に付着させて検出チップとなした。プローブＤＮＡには日清紡製を使用した。
【００６８】
また、実際のＯ−１９ ｇｙｒＢ遺伝子変異部周辺の８５６ｂｐという長い遺伝子を目的ＤＮＡ（試験遺伝子）とし、これらと相補的に結合する中央９０塩基のＤＮＡをプローブＤＮＡとし、同様の方法で検出チップを作製した。
【００６９】
プローブＤＮＡの金属微粒子修飾は、５’端側とビオチン−アビジン結合させるため、予めアビジンコートした平均粒径が１μｍ程度のＦｅ微粒子を用いて、ｐＨ ７．４のコロイダル液となして実施した。
【００７０】
プローブＤＮＡと完全に相補的な６０塩基の目的ＤＮＡとのハイブリダイゼーションは、Ｒ−ＢＦＲ溶液とＨ−ＢＦＲ溶液（ＮａＣｌ、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、ＥＤＴＡ、ｐＨ ７．４）で洗浄後乾燥せずに、検体ＤＮＡのＨ−ＢＦＲ溶液を所要濃度となるように滴下し、約１６時間放置して実施した。
【００７１】
また、比較のために同様の２種の検出チップを作製した後、ハイブリダイゼーションを実施する際に、目的遺伝子がある場合と、ない場合を設定して、Ｆｅ微粒子コロイダル修飾を行い、その後、微分干渉顕微鏡にて観察を行った結果を図３に示す。図３に明らかなように、目的遺伝子がある場合には、Ｆｅ微粒子を多数観察されたが、目的遺伝子がない場合には、Ｆｅ微粒子はほとんど観察されない。目視に際しては、前記の２種の検出チップのいずれの場合も、表面に粒状感のあるなしで明確に目的遺伝子の存在を区別することができた。
【００７２】
実施例２
前記中央６０塩基のプローブＤＮＡを使用して実施例１と同様の方法で検出チップを作製した。プローブＤＮＡは５’端側をビオチン修飾してあり、実施例１の方法で配列並びにハイブリダイゼーションを行った。
【００７３】
ハイブリダイゼーション後のプローブＤＮＡへの修飾には、アビジン−ビオチン−ペルオキシターゼ複合体を用いるＡＢＣ法による免疫組織染色方法を実施した。すなわち、前記複合体を滴下して室温で１ｈｒ放置した。その後、ＴＢＳ−Ｔ（Ｔｗｅｅｎ２０添加Ｔｒｉｓ Ｂｕｆｆｅｒ Ｓａｌｉｎｅ）で洗浄し、テトラメチルベンジン溶液を滴下し、５〜１５ｍｉｎ、室温で放置した。
【００７４】
その後、超純水にて洗浄し、窒素ガスにて乾燥させた。その結果、目的遺伝子がある場合は発色したが、目的遺伝子がない場合は発色せず、明確に目視することができた。
【００７５】
実施例３
実施例２において、同等の検出チップを用い、ＡＢＣ法に換えてアビジンをコートした色素を滴下し、３７℃〜室温、飽和水蒸気中で１〜２時間の修飾を行った。その後、ＴＢＳで洗浄し、窒素ガスにて乾燥させた。さらに乾燥させたところ、目的遺伝子がある場合は着色したが、目的遺伝子がない場合は着色せず、明確に目視して目的遺伝子を検出できた。
【００７６】
実施例４
実施例３において、実施例１と同等の検出チップを用い、アビジンをコートした色素を滴下し、３７℃〜室温、飽和水蒸気中で１〜２時間の修飾を行った。その後、ＴＢＳで洗浄し、窒素ガスにて乾燥させた。
【００７７】
さらに、予め染色されたタンパクにビオチンをコートした第２の標識を、実施例２と同様に滴下して、修飾処理した。その後ＴＢＳで洗浄し、乾燥させたところ、目的遺伝子がある場合は実施例３に比較して強く発色したが、目的遺伝子がない場合は発色せず、明確に目視確認することができた。
【００７８】
【発明の効果】
この発明は、例えばプローブＤＮＡの解放末端側が基板側に向くようにループ構造を取る構成を採用することで、目的遺伝子がある場合にはハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されるため、ハイブリダイゼーションを行った後にセラミックス粒子標識処理するとハイブリダイゼーションしたプローブＤＮＡにのみセラミックス粒子標識を設けることができ、さらにセラミックス粒子標識をターゲットに別の発色標識を設けることが可能であり、検出チップにおいてセラミックス粒子標識の集合体の有無を目視することで、目的遺伝子の有無が直ちに判明する利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリダイゼーションによるループ構造の解消と金コロイド修飾の状況を示す模式図であり、Ａは目的遺伝子がない場合、Ｂは目的遺伝子が有る場合を示す。
【図２】Ａ、Ｂはこの発明におけるプローブＤＮＡのループ構造の概念を示す説明図である。
【図３】Ａ、Ｂはこの発明による検出チップを微分干渉顕微鏡にて観察を行った際の顕微鏡写真の模写図であり、Ａは目的遺伝子がある場合、Ｂは目的遺伝子がない場合である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、プローブＤＮＡに修飾したセラミックス粒子標識を検出して目的の生化学検体を検出する方法に係り、基板に配列されたプローブＤＮＡがループ構造を形成して解放末端側が基板側に向くように構成することで、目的ＤＮＡがある場合にハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されるため、例えばハイブリダイゼーションした後にセラミックス粒子を標識として修飾すると、ハイブリダイゼーションしたプローブＤＮＡと目的ＤＮＡにのみセラミックス粒子標識を修飾できることから、このセラミックス粒子の集合体を目視にて観察し、目的遺伝子の有無を検出できる生化学検体の検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＮＡチップの基本原理は、ＤＮＡが相補的な二重螺旋構造を形成することを利用するものである。Ａ（アデニン）とＴ（チミン）、Ｃ（シトシン）とＧ（グアニン）が対をなすことから、例えば、ＡＧＧＴＴＡＣのＤＮＡ配列を持つ遺伝子を検出するには、プローブとしてＴＣＣＡＡＴＧの配列を持つＤＮＡを作成し、サンプリング検体遺伝子中に目的遺伝子が存在すると、ＤＮＡハイブリダイゼーションによって、プローブＤＮＡの配列にＡＧＧＴＴＡＣの配列が結合して二重螺旋構造を取るため、これを検出することで目的ＤＮＡを容易に選別できることになる。
【０００３】
二重螺旋構造のＤＮＡを検出する方法として、検体ＤＮＡ（サンプリング遺伝子ＤＮＡ）に蛍光標識の修飾を施しておき、プローブＤＮＡと前記のＤＮＡハイブリダイゼーション操作を行い、二重螺旋構造を呈したＤＮＡ、すなわち蛍光シグナルを発するものを検出する、蛍光法が知られている。
【０００４】
蛍光標識としては、蛍光色素そのものの他、蛍光色素により直接染色された染色体、糖蛋白や糖脂質から切り出された糖鎖体に修飾したイオン性蛍光物質、あるいはタンパク質、核酸、酵素、細胞等を蛍光色素でタグ化するなど、種々方法並びに物質で蛍光を発する標識が提案されている。
【０００５】
そこで、検体ＤＮＡに蛍光色素の修飾を行わずに二重螺旋構造のＤＮＡを検出する方法として、屈折率変化を検出するＳＰＲ分光法を用いた方法が提案されている。詳述すると、ガラス基板に金属薄膜を形成してこの薄膜上にプローブＤＮＡを固定しておき、これとサンプリング遺伝子をハイブリダイゼーション操作させることにより二重螺旋構造のＤＮＡを形成させ、基板裏面側からの金属薄膜への反射光強度の測定を行い、ハイブリダイゼーション前の金属薄膜の屈折率と二重螺旋構造のＤＮＡを有する場合の屈折率との変化を測定する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる蛍光法を用いたＤＮＡハイブリダイゼーション検出には、蛍光標識の修飾操作が煩雑であること、また、施術者の技量によって前記修飾効果が異なること、種々条件で蛍光色素の光消失が発生すること、未反応吸着物によるバックグラウンドノイズの上昇で検出精度が低下すること等の問題が指摘されている。
【０００７】
前記ＳＰＲ分光法において、前述したハイブリダイゼーション前後の金属薄膜の屈折率の変化を測定するが、基板裏面側からの金属薄膜への入射角度と反射率との関係として解析する際に、当該変化が僅かであるため、さらに高精度に検体ＤＮＡを検出するには、ＳＰＲ応答の増幅を図るなどの改良を施す必要がある。
【０００８】
この発明は、バックグラウンドノイズの上昇で検出精度が低下する蛍光法やＳＰＲ応答の増幅を図る必要があるＳＰＲ分光法など、従来の検出方法を用いることなく目視で検出が可能であり、検出工程を再現性よく簡素化でき、測定者に過度の技量を要求することがなく、簡単な工程からなる生化学検体の検出方法の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、ＳＰＲ応答の増幅を目的に種々検討した結果、基板の金属薄膜に金を用い、プローブＤＮＡに貴金属コロイドを修飾することで末端に金微粒子修飾を行うと、検体ＤＮＡとのハイブリダイゼーション後に金微粒子と金薄膜間の光学的相互作用が変化することでＳＰＲ応答の増幅を実現できることを知見した。
【００１０】
また、発明者らは、ＳＰＲ応答の増幅、安定した検出チップの構成を目的にプローブＤＮＡへの金微粒子修飾の有効性、最適化を検討した結果、金薄膜表面に対するプローブＤＮＡの吸着固定量は、ＤＮＡ塩基数（鎖長）によらずほぼ一定であること、金微粒子の修飾部位であるビオチンへの修飾に際してアビジンコート金微粒子の直径に最適値があり、またその修飾量はＤＮＡ塩基数に依存することを知見し、従って、金薄膜表面において、プローブＤＮＡ塩基数の違いによってプローブＤＮＡの立体的構造が変化していることを知見した。
【００１１】
そこで、発明者らは、プローブＤＮＡ鎖長の検討を行い、プローブＤＮＡの塩基数の違いによるＳＰＲ応答、すなわち金微粒子修飾を行ったプローブＤＮＡに対してハイブリダイゼーションを施し、その後のＳＰＲ角度のシフト量についての変化や挙動を検討したところ、塩基数１０では金微粒子修飾量が少なく、塩基数３０では修飾量が増大するが、いずれも該シフト量の増大効果が少ないこと、塩基数６０では金微粒子修飾ができないことを知見した。
【００１２】
さらに、発明者らは、プローブＤＮＡ鎖長の検討、特に塩基数６０以上の長いプローブＤＮＡにおけるＳＰＲ応答の増幅を目的に種々検討した結果、前述のごとく検出チップに吸着固定したプローブＤＮＡに先に金微粒子修飾するのではなく、まず先にサンプルとのハイブリダイゼーションを施すと、検出チップの薄膜上でループ状となって配列していたプローブＤＮＡが伸びて金微粒子修飾が可能となり、ハイブリダイゼーション後に金微粒子修飾を行う工程にて、長いプローブＤＮＡにも修飾が可能となり、ハイブリダイゼーション後の２本鎖を形成したプローブＤＮＡにのみ金微粒子修飾できることから、ＳＰＲ角度のシフト量が増大して二重螺旋構造のＤＮＡの検出精度を著しく高精度にすることが可能であることを知見した。
【００１３】
さらに、発明者らは、先の金微粒子修飾に換えてハイブリダイゼーション後のプローブＤＮＡに大きな粒径のＦｅ粒子コロイド、コロイダルシリカを用いてＦｅ粒子、シリカ標識の修飾を行ったところ、金微粒子修飾と同様にハイブリダイゼーション後の２本鎖を形成したプローブＤＮＡにのみＦｅやシリカ粒子の標識を設けることが可能であり、よって目的ＤＮＡにのみ標識を設けたことになるとともに、検出チップ上でこれらの粒子標識の集合体を目視検出できること、さらには先に設けた粒子標識に第２の標識として、粒子や化学発色、色素標識などを修飾することでより一層容易に、目視検出が可能であることを知見した。
【００１４】
また、この発明の特徴であるプローブＤＮＡは、目的ＤＮＡがある場合にハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されて２本鎖を形成できることから、このプローブＤＮＡに予め種々の標識を修飾した検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションすることも可能であり、また前記プローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションした後に２本鎖を形成したプローブＤＮＡと検体ＤＮＡに標識を修飾することも可能であり、さらには先に設けた粒子標識に第２の標識として、粒子や化学発色、色素標識などを修飾することでより一層容易に、目視検出が可能であることを知見した。
【００１５】
また、発明者らは、プローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションした後に２本鎖を形成したプローブＤＮＡと検体ＤＮＡにいずれかに第１の標識を修飾した後、さらに第２の標識を第１の標識を設けなかった方に設けることも可能であり、ハイブリダイゼーション前に予め第１の標識がどちらかに設けられていた場合は、ハイブリダイゼーション後の標識の修飾時に第１の標識を設けなかった方に選択的に修飾することで、２本鎖を形成したプローブＤＮＡと検体ＤＮＡの両方に標識を修飾することが可能で、一層容易に目視検出が可能であることを知見し、この発明を完成した。
【００１６】
基板表面にプローブＤＮＡを配列する工程、ループ構造を形成しているプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程、ハイブリダイゼーションの実行中又は実行後のプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に標識を修飾する工程、２本鎖を形成したプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に修飾された標識を目視検出する工程を有し、標識がセラミックス粒子である生化学検体の検出方法である。
【００１８】
また、この発明は、基板表面にプローブＤＮＡを配列する工程、ループ構造を形成している基板上のプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程、ハイブリダイゼーションの実行中又は実行後のプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に第１の標識を修飾する工程、２本鎖を形成したプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に修飾された第１の標識にさらに第２の標識を修飾する工程、第１の標識とそれに修飾された第２の標識とを目視検出する工程を有し、標識がセラミックス粒子である生化学検体の検出方法である。
【００２１】
また、この発明は、基板表面にプローブＤＮＡを配列する工程、ループ構造を形成している基板上のプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程、ハイブリダイゼーションの実行中又は実行後のプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡに第１の標識を修飾する工程、２本鎖を形成したプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡの修飾されない方に第２の標識を修飾する工程、第１の標識と第２の標識とを目視検出する工程を有し、標識がセラミックス粒子である生化学検体の検出方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の特徴である各プローブＤＮＡがループ構造を形成して解放末端が基板表面側にあるように構成した検出チップ並びにループ構造について説明する。
【００２４】
まず、検出チップの作製について説明すると、ガラス基板をアセトン、メタノール、超純水中で超音波洗浄した後、１０％フッ酸で表面を２０秒間エッチングを行ない、さらに、アセトン、メタノール、超純水中で超音波洗浄した後、窒素ガスで乾燥させた。
その後、スパッタ装置（ＵＬＶＡＣ）を用いガラス基板にまず約１ｎｍ厚みのＣｒ層を設け、さらに約５０ｎｍ厚みのＡｕ層を設けた。
【００２５】
前記基板を濃硫酸中１〜２時間浸漬後、超純水で洗浄した後、プローブの３’端側をＳＨ（チオール）基で、５’端側をビオチンで修飾したプローブＤＮＡ−Ｄ−ＢＦＲ溶液（ＫＨ2ＰＯ4、Ｋ2ＨＰＯ4、ｐＨ ７．０）を基板上に滴下し、飽和水蒸気中に約１５時間放置し、プローブＤＮＡをガラス基板の金薄膜上に付着させて検出チップとなした。なお、プローブＤＮＡには日清紡製を使用した。
【００２６】
金コロイド修飾方法は、上記の検出チップをＲ−ＢＦＲ溶液（ＮａＣｌ、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、ｐＨ ７．４）で洗浄後、窒素ガスでおだやかに乾燥させ、表面にアビジンをコートした金コロイド（粒径１０ｎｍ、ＳＩＧＭＡ製）を滴下し１〜３時間、飽和水蒸気中で放置することで、ビオチンとアビジンの特異的結合を利用して修飾させた。
【００２７】
ハイブリダイゼーションは、Ｒ−ＢＦＲ溶液とＨ−ＢＦＲ溶液（ＮａＣｌ、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、ＥＤＴＡ、ｐＨ ７．４）で洗浄後乾燥せずに、検体ＤＮＡのＨ−ＢＦＲ溶液を所要濃度となるように滴下し、約１６時間放置して実施した。
【００２８】
ＳＰＲ測定は、検出チップをＲ−ＢＦＲ溶液で洗浄後に窒素ガスで乾燥し速やかにＳＰＲ測定を行なった。
【００２９】
上記方法で、１０〜６０の塩基数のプローブＤＮＡをそれぞれ固定した検出チップを作製した。この時、プローブＤＮＡの金薄膜への吸着量をＳＰＲ測定により評価した。プローブＤＮＡの塩基数が大きくなるにつれ、ＳＰＲ角度のシフトが大きくなった。また、ＳＰＲ角度シフトを分子量で割った値は、吸着量に比例するため、これを求めたところ、プローブＤＮＡの吸着効率は、塩基数１０が最もよく、３０、６０では、大きな変化がないこと、さらに塩基数による吸着効率の変化は、１０、１００倍と大きく変化するものではなく、塩基長によらずオーダーとしてほぼ一定であることを確認した。なお、ここでは基板への被覆率約２５％を達成した。
【００３０】
また、１０〜６０の塩基数のプローブＤＮＡをそれぞれ固定した検出チップを作製し、それぞれ上記金コロイド修飾方法により修飾を行い、塩基数による金コロイド修飾量の変化をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察し、修飾された金コロイド粒子数を計測したところ、塩基長１０では、約４００個／μｍ2、塩基長３０では、約７００個／μｍ2の金コロイドの修飾が観察されたが、塩基長６０では、金コロイドの修飾が全く観察されなかった。
【００３１】
これを確認するため、ＳＰＲ法を用いｉｎ−ｓｉｔｕでのＤＮＡプローブに対する金コロイド修飾の挙動を観察した。すなわち、検出チップをプリズム上に接着し、基板表面を上述のＲ−ＢＦＲ溶液で満たし、これに、金コロイド溶液を滴下し、ある一定入射角での反射光強度を継時的に観測したところ、金コロイド修飾が行なわれた場合にはＳＰＲ角度がシフトし、反射光強度の上昇が観察されるが、塩基数６０のＤＮＡでは、反射強度の変化が無くＡＦＭでの観察と同様、金コロイドの修飾が行なわれないことを確認した。
【００３２】
検出チップ金薄膜へのプローブＤＮＡの吸着は、プローブＤＮＡの鎖長に依らずオーダー的にほぼ一定であるのに対し、金薄膜に固定化されたプローブＤＮＡに対する金コロイドの修飾効率は、プローブＤＮＡの鎖長に大きく依存することが判明し、塩基数６０のプローブＤＮＡでは、まったく金コロイド修飾が起こらないことを確認した。
【００３３】
前述の合成によるプローブＤＮＡに換えて、実際のＯ−１９ ｇｙｒＢ遺伝子変異部周辺の８５６ｂｐという長い遺伝子を目的ＤＮＡ（試験遺伝子）とし、これと相補的に結合する末端３０塩基、中央３０塩基、中央６０塩基の３種類をプローブＤＮＡとし、前述と同様の方法で検出チップを作製した。
【００３４】
上記の３種のプローブＤＮＡに対して前述した金コロイド修飾方法を行い、その後実際の長いＤＮＡ鎖を用いてハイブリダイゼーションを実施した後、ＳＰＲ法によるハイブリダイゼーションの検出を実施した。
【００３５】
表１のプローブＤＮＡ塩基長によるＳＰＲ角度シフトの変化を示す表に明らかなように、３０塩基のプローブＤＮＡでは、末端、中央、共に、ハイブリダイゼーションによる有意差が小さく、また、塩基数６０のプローブＤＮＡでは、全く金コロイドが修飾されず、実際の長い遺伝子を目的遺伝子とした場合、上記の条件では、ＳＰＲ法によるハイブリダイゼーションの検出は困難であることを確認した。
【００３６】
【表１】
表１のプローブＤＮＡ塩基長によるＳＰＲ角度シフトの変化から、８５６ｂｐの長いＤＮＡを目的遺伝子とした場合、プローブ鎖と比べて、目的遺伝子が約１４〜２８倍長いため、立体的な制約によりプローブＤＮＡと反応する確率が低いと考えられる。従って、ハイブリダイゼーションしたプローブ鎖に金コロイドが修飾される場合と、ハイブリダイゼーションしていないプローブ鎖に金コロイドが修飾される場合とでＳＰＲ角度のシフトにバラツキがみられると推測される。
【００３８】
そこで先の工程、すなわち金コロイド修飾方法を行い、その後ハイブリダイゼーションを実施する工程とは逆に、上記と同じプローブＤＮＡの検出チップに対してハイブリダイゼーションを実施した後、金コロイド修飾方法を行い、その後ＳＰＲ法による前記ハイブリダイゼーションの検出を実施した。
【００３９】
すなわち、塩基数６０のプローブＤＮＡでは、ループ構造を形成しているため、金コロイド修飾が行なわれないと推測される。ループ構造をとっている長い１本鎖ＤＮＡはハイブリダイゼーションによりそのループ構造が解消された後に、金コロイド修飾を行なえば金コロイド修飾が可能であると推測される。そこで６０塩基のＤＮＡプローブにおいても同様の手法を用いれば金コロイド修飾が可能であると考えた。図１Ａ，Ｂ参照。
【００４０】
換言すれば、目的遺伝子がない場合には、ハイブリダイゼーションは起こらずかつ金コロイド修飾が行なわれない。これに対して、目的遺伝子がある場合には、ハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されることににより、ハイブリダイゼーションしたＤＮＡプローブにのみ選択的に金コロイド修飾が起こり、ＳＰＲ測定でハイブリダイゼーションによるシフトに金コロイド修飾によるシフトが加わった大きなＳＰＲ角度シフトの差が得られると考えた。
【００４１】
そこで、実際の長いＤＮＡ鎖を目的遺伝子とした検出チップを用い、前述の各工程で、プローブＤＮＡの基板への付着、ハイブリダイゼーション、金コロイド修飾を実施し、水溶液中でのＳＰＲ角度シフト並びに空気中でのＳＰＲ角度シフトを測定した。
【００４２】
プローブＤＮＡのみの場合には、金コロイド修飾を行なってもＳＰＲ角度シフトが見られないが、プローブＤＮＡにハイブリダイゼーションが起こった場合には、ＳＰＲ角度が大きくシフトして金コロイド修飾が行われていることが明らかになった。
【００４３】
すなわち、空気中でのＳＰＲ角度シフトの測定結果を表２に示すように、３０塩基のプローブＤＮＡでは、金コロイド修飾によるＳＰＲ角度シフトの増幅作用が小さく、また、サンプル間における偏差も大きかった。それに対して、６０塩基のプローブＤＮＡを用いて、ハイブリダイゼーション後に金コロイド修飾した場合には、金コロイド修飾によるＳＰＲ角度シフトが約４〜５倍増幅され、かつサンプル間における偏差も小さかった。
【００４４】
要するに、ハイブリダイゼーション後に金コロイド修飾を行うことにより、溶液中、空気中ともに、６０塩基プローブＤＮＡの金コロイド修飾が可能となった。すなわち、６０塩基プローブＤＮＡの立体構造（ループ構造）を利用することにより、ハイブリダイゼーションしたプローブＤＮＡのみに選択的に金コロイド修飾させることが可能であり、その結果、大きなＳＰＲ角度シフト増幅が可能で、サンプル間の偏差を小さくすることが可能であることを確認した。
【００４５】
【表２】
この発明は、以上の知見に基づきなされたもので、ループ構造を形成しているプローブＤＮＡにおいて、目的ＤＮＡがある場合にのみハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されてプローブＤＮＡが伸びることで例えば解放末端に修飾が可能となり、２本鎖を形成したプローブＤＮＡにのみ比較的大きな粒子の標識を設けることが可能であり、検出チップ上でこれらの粒子標識の集合体を目視検出でき、さらには先に設けた粒子標識に第２の標識として、別の発色粒子や化学発色、色素標識などを修飾することでより一層容易に目視検出が可能となる。
【００４７】
この発明は、ループ構造を形成しているプローブＤＮＡは、目的ＤＮＡがある場合にハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されて２本鎖を形成することを有効利用するもので、このプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションした後に２本鎖を形成したプローブＤＮＡと検体ＤＮＡともに標識を修飾することが可能であり、かかる標識を見るだけで目的ＤＮＡを確認できる。
【００４８】
この発明において、基板には、ガラス基板、樹脂基板、シリコン基板等のプローブＤＮＡの配列が実施可能な基板であればいずれの材質も採用できる。また、基板に貴金属薄膜を成膜する場合は、その表面粗度はできるだけ平坦なものが好ましい。洗浄、乾燥方法としては、実施例に示すごとく、半導体ウエーハや各種デバイスを製造する際に採用される、各種溶剤による洗浄、純水中の超音波洗浄、各種酸溶液による洗浄、ブロー乾燥、スピン乾燥など公知の基板の洗浄、乾燥方法を適宜選択、組合せて採用できる。ガラス基板としては、公知のホウケイ酸ガラス等が利用でき、厚みは厚いほうが取り扱いやすいが、いずれの厚みのものも利用できる。
【００４９】
この発明において、プローブＤＮＡの配列を容易にするため、基板上に金、白金、銀などの貴金属薄膜を設けることができる。成膜方法としては膜厚みを一定に制御するため、スパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤ等の公知の気相成長による方法が好ましい。なお、基板と薄膜との密着性を向上させるために下地層を適宜成膜することができる。例えば、ガラス基板、石英基板にＣｒ層を設けたり、シラン化合物によって表面改質するなどの手段を採用できる。
【００５０】
この発明において、基板上あるいはさらに貴金属薄膜表面にプローブＤＮＡを配列する工程は、特に限定されるものでなく、公知のいずれの方法も採用でき、例えば薄膜上を酸や純水で洗浄後、プローブＤＮＡと緩衝液を用いて飽和水蒸気雰囲気中で配列させることができる。
【００５１】
また、緩衝液としては、例えばＫＨ2ＰＯ4とＫ2ＨＰＯ4を配合して所要ｐＨにした溶液が採用できる。他には、ＰＳＢや、ＮａＣｌとＴｒｉｓ−ＨＣｌ、ＮａＣｌとＴｒｉｓ−ＨＣｌとＥＤＴＡを用いるなど、所要ｐＨにするため公知の薬液を選定配合した溶液等も採用できる。
【００５２】
この発明において、プローブＤＮＡは、その末端を一方は基板表面あるいは基板上、あるいは貴金属薄膜に固定し、他方端あるいはその近傍には後述の標識を修飾するために、各々の前記末端を前記基板表面あるいは標識と接合可能な物質で修飾しておくことが望ましい。
【００５３】
この発明において、プローブＤＮＡの塩基数は特に限定しないが、ハイブリダイゼーション後に、目的ＤＮＡと２本鎖を形成したプローブＤＮＡにのみ標識を修飾するには、チップ基板上にあるプローブＤＮＡはハイブリダイゼーション前にループ構造を形成して解放末端側あるいは修飾可能な部位が薄膜側にある必要がある。
【００５４】
この発明において、プローブＤＮＡは、その製造過程中又は製造後にループ構造を形成していて基板に配列されるか、基板に配列する際にループ構造を形成するか、基板に配列後にループ構造を形成するように構成するか、いずれの構成、方法も採用できる。
【００５５】
例えば、図２Ａ，Ｂに示すごとく、相補的な二重螺旋構造を形成可能な対をなすＤＮＡの配列を予め形成しておき、ループ構造を形成し得るように構成することが可能であり、塩基数は特に限定しないが、比較的長鎖の構成を有するものが望ましく、好ましくは塩基数が６０以上である。さらに塩基数が１００を超えたり、１０００程度の場合であってもこの発明を適用できる。
【００５６】
この発明において、基板表面に配列したプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程は、特に限定されるものでなく、公知のいずれの方法も採用でき、例えば基板の洗浄後に検体ＤＮＡと緩衝溶液を用いてハイブリダイゼーションすることができる。緩衝溶液としては、例えばＮａＣｌとＴｒｉｓ−ＨＣｌを配合して所要ｐＨに保持した溶液が採用できる。また、ガラス基板に金薄膜を設ける場合では、ハイブリダイゼーション時の温度を３０〜４０℃に保持することが好ましい。
【００５７】
標識には、金属粒子（Ｓｉを含む）、セラミックス粒子、公知の蛍光標識、蛍光色素、化学発色手段、あるいは生化学検体の検出に利用されている染色体、糖鎖体、タンパク質、核酸、酵素、細胞など、プローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡに修飾できるもの、さらに前記の各種標識で再修飾であればいずれのものも利用できるが、この発明においてはセラミックス粒子を用いる。
【００５８】
なお、金属微粒子標識は、Ｓｉを含み、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏなどの各種金属の微粒子を用いるもので、特に微粒子の形状や粒径寸法や均一性は任意に適宜選択でき、特に必須条件ではないが、ＤＮＡの所要部位に修飾可能とすること、微粒子表面に成膜可能なことなどから、５μｍ以下、さらに１μｍ以下が好ましく、数ｎｍ〜数百ｎｍの範囲で所定粒径が均一でかつ工業安定的に得られる微粒子が好ましい。
【００５９】
この発明において、セラミックス微粒子標識には、公知のいずれの形態も採用できるが、微粒子表面に成膜可能なことなどから、５μｍ以下、さらに１μｍ以下が好ましく、検出方法に応じて数ｎｍ〜数百ｎｍの範囲で所定粒径が均一でかつ工業安定的に得られるＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯなどのセラミックス微粒子が好ましい。
【００６０】
なお、蛍光標識には、公知のいずれの形態も採用でき、市販されている蛍光色素によりタグ化された染色体、糖鎖体、タンパク質、核酸、酵素、細胞、微粒子等を標識自体の性質を利用したり後述のごとく抗原−抗体反応を利用して修飾させることが可能である。また、この発明では蛍光自体は必須でないため、蛍光標識等に利用されている染色体、糖鎖体、タンパク質、核酸、酵素、細胞をそのまま利用することも可能である。
【００６１】
また、上述の金属微粒子、セラミックス微粒子などの各種標識をプローブＤＮＡに修飾する方法としては、例えば金属微粒子等の粒子自体の性質を利用したり、公知の蛍光標識を修飾する方法などのように抗原−抗体反応を利用して修飾するなど、公知のいずれの方法も採用できる。また、中性のコロイダル液のごとく、金属微粒子を均一分散させた溶液の形態を利用することで修飾が容易になる。
【００６２】
また、プローブＤＮＡの末端にビオチンを修飾しておき、ストレプトアビジンをコートした金属微粒子をビオチン−アビジンの高い結合能力を利用して標識となすことができる。さらに、プローブＤＮＡの末端にＩｇＧや抗プロテイン物質を付加することで、タンパクをコートした金属微粒子を抗原−抗体反応を利用して修飾させることが可能である。
【００６３】
さらに、検体ＤＮＡに前記各種の標識を修飾することも可能で修飾方法は、検体ＤＮＡの所要箇所を適宜標識化できればよく、公知のいずれの方法も採用でき、特に末端を修飾するには上述の方法などいずれの方法も採用できる。
【００６４】
また、化学発色は、実施例に示すごとき免疫組織染色方法が採用でき、予め４つの結合部位をもつアビジンと複数箇所でビオチン化されたペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）を適当な割合で混合し、多数のＨＲＰを含み一部にアビジンの未反応基を残す複合体（ＡＢＣ）を形成させて、この複合体（ＡＢＣ）と予め組織中の標的抗原と結合したビオチン化抗体とを反応させて標的抗原を検出するもので、例えばプローブＤＮＡにビオチンで修飾した箇所を用意することで容易に実施できる。また、ＡＰＲ法など公知の免疫組織染色方法も応用できる。
【００６５】
この発明において、標識は上述のごとく、独自の色や形を有しておりこれらが集合して目視可能になるもので、検出に際して第１の標識と第２の標識は、それぞれプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡに設けられる場合はこれらを目視することになる。また、第１の標識をターゲットにして第２の標識が修飾される場合は、第１の標識と第２の標識の両方を目視することになるが、第１の標識が目視できないような場合は第２の標識のみを目視することになる。
【００６６】
【実施例】
実施例１
ガラス基板をアセトン、メタノール、超純水中で超音波洗浄した後、１０％フッ酸で表面を２０秒間エッチングを行ない、さらに、アセトン、メタノール、超純水中で超音波洗浄した後、窒素ガスで乾燥させた。
その後、スパッタ装置（ＵＬＶＡＣ）を用いガラス基板にまず約１ｎｍ厚みのＣｒ層を設け、さらに約５０ｎｍ厚みのＡｕ層を設けた。
【００６７】
前記基板を濃硫酸中１〜２時間浸漬後、超純水で洗浄した後、３０塩基、６０塩基のプローブＤＮＡの３’端側をＳＨ（チオール）基で、５’端側をビオチン修飾したプローブＤＮＡ−Ｄ−ＢＦＲ溶液（ＫＨ2ＰＯ4、Ｋ2ＨＰＯ4、ｐＨ ７．０）を基板上に滴下し、飽和水蒸気中に約１５時間放置し、プローブＤＮＡをガラス基板の金薄膜上に付着させて検出チップとなした。プローブＤＮＡには日清紡製を使用した。
【００６８】
また、実際のＯ−１９ ｇｙｒＢ遺伝子変異部周辺の８５６ｂｐという長い遺伝子を目的ＤＮＡ（試験遺伝子）とし、これらと相補的に結合する中央９０塩基のＤＮＡをプローブＤＮＡとし、同様の方法で検出チップを作製した。
【００６９】
プローブＤＮＡの金属微粒子修飾は、５’端側とビオチン−アビジン結合させるため、予めアビジンコートした平均粒径が１μｍ程度のＦｅ微粒子を用いて、ｐＨ ７．４のコロイダル液となして実施した。
【００７０】
プローブＤＮＡと完全に相補的な６０塩基の目的ＤＮＡとのハイブリダイゼーションは、Ｒ−ＢＦＲ溶液とＨ−ＢＦＲ溶液（ＮａＣｌ、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ、ＥＤＴＡ、ｐＨ ７．４）で洗浄後乾燥せずに、検体ＤＮＡのＨ−ＢＦＲ溶液を所要濃度となるように滴下し、約１６時間放置して実施した。
【００７１】
また、比較のために同様の２種の検出チップを作製した後、ハイブリダイゼーションを実施する際に、目的遺伝子がある場合と、ない場合を設定して、Ｆｅ微粒子コロイダル修飾を行い、その後、微分干渉顕微鏡にて観察を行った結果を図３に示す。図３に明らかなように、目的遺伝子がある場合には、Ｆｅ微粒子を多数観察されたが、目的遺伝子がない場合には、Ｆｅ微粒子はほとんど観察されない。目視に際しては、前記の２種の検出チップのいずれの場合も、表面に粒状感のあるなしで明確に目的遺伝子の存在を区別することができた。
【００７２】
実施例２
前記中央６０塩基のプローブＤＮＡを使用して実施例１と同様の方法で検出チップを作製した。プローブＤＮＡは５’端側をビオチン修飾してあり、実施例１の方法で配列並びにハイブリダイゼーションを行った。
【００７３】
ハイブリダイゼーション後のプローブＤＮＡへの修飾には、アビジン−ビオチン−ペルオキシターゼ複合体を用いるＡＢＣ法による免疫組織染色方法を実施した。すなわち、前記複合体を滴下して室温で１ｈｒ放置した。その後、ＴＢＳ−Ｔ（Ｔｗｅｅｎ２０添加Ｔｒｉｓ Ｂｕｆｆｅｒ Ｓａｌｉｎｅ）で洗浄し、テトラメチルベンジン溶液を滴下し、５〜１５ｍｉｎ、室温で放置した。
【００７４】
その後、超純水にて洗浄し、窒素ガスにて乾燥させた。その結果、目的遺伝子がある場合は発色したが、目的遺伝子がない場合は発色せず、明確に目視することができた。
【００７５】
実施例３
実施例２において、同等の検出チップを用い、ＡＢＣ法に換えてアビジンをコートした色素を滴下し、３７℃〜室温、飽和水蒸気中で１〜２時間の修飾を行った。その後、ＴＢＳで洗浄し、窒素ガスにて乾燥させた。さらに乾燥させたところ、目的遺伝子がある場合は着色したが、目的遺伝子がない場合は着色せず、明確に目視して目的遺伝子を検出できた。
【００７６】
実施例４
実施例３において、実施例１と同等の検出チップを用い、アビジンをコートした色素を滴下し、３７℃〜室温、飽和水蒸気中で１〜２時間の修飾を行った。その後、ＴＢＳで洗浄し、窒素ガスにて乾燥させた。
【００７７】
さらに、予め染色されたタンパクにビオチンをコートした第２の標識を、実施例２と同様に滴下して、修飾処理した。その後ＴＢＳで洗浄し、乾燥させたところ、目的遺伝子がある場合は実施例３に比較して強く発色したが、目的遺伝子がない場合は発色せず、明確に目視確認することができた。
【００７８】
【発明の効果】
この発明は、例えばプローブＤＮＡの解放末端側が基板側に向くようにループ構造を取る構成を採用することで、目的遺伝子がある場合にはハイブリダイゼーションが起こり、ループ構造が解消されるため、ハイブリダイゼーションを行った後にセラミックス粒子標識処理するとハイブリダイゼーションしたプローブＤＮＡにのみセラミックス粒子標識を設けることができ、さらにセラミックス粒子標識をターゲットに別の発色標識を設けることが可能であり、検出チップにおいてセラミックス粒子標識の集合体の有無を目視することで、目的遺伝子の有無が直ちに判明する利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリダイゼーションによるループ構造の解消と金コロイド修飾の状況を示す模式図であり、Ａは目的遺伝子がない場合、Ｂは目的遺伝子が有る場合を示す。
【図２】Ａ、Ｂはこの発明におけるプローブＤＮＡのループ構造の概念を示す説明図である。
【図３】Ａ、Ｂはこの発明による検出チップを微分干渉顕微鏡にて観察を行った際の顕微鏡写真の模写図であり、Ａは目的遺伝子がある場合、Ｂは目的遺伝子がない場合である。
Claims (6)
- 基板表面にプローブＤＮＡを配列する工程、ループ構造を形成しているプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程、ハイブリダイゼーションの実行中又は実行後のプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に標識を修飾する工程、２本鎖を形成したプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に修飾された標識を目視検出する工程を有し、標識がセラミックス粒子である生化学検体の検出方法。
- 基板表面にプローブＤＮＡを配列する工程、ループ構造を形成している基板上のプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程、ハイブリダイゼーションの実行中又は実行後のプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に第１の標識を修飾する工程、２本鎖を形成したプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡあるいはその両方に修飾された第１の標識にさらに第２の標識を修飾する工程、第１の標識とそれに修飾された第２の標識とを目視検出する工程を有し、標識がセラミックス粒子である生化学検体の検出方法。
- 基板表面にプローブＤＮＡを配列する工程、ループ構造を形成している基板上のプローブＤＮＡに検体ＤＮＡをハイブリダイゼーションする工程、ハイブリダイゼーションの実行中又は実行後のプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡに第１の標識を修飾する工程、２本鎖を形成したプローブＤＮＡ又は検体ＤＮＡの修飾されない方に第２の標識を修飾する工程、第１の標識と第２の標識とを目視検出する工程を有し、標識がセラミックス粒子である生化学検体の検出方法。
- プローブＤＮＡの塩基数が６０以上である請求項１から請求項３のいずれかに記載の生化学検体の検出方法。
- 基板表面に貴金属薄膜を有する請求項１から請求項３のいずれかに記載の生化学検体の検出方法。
- セラミックス粒子は、粒径が５００ｎｍ以上のＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯのいずれかである請求項１から請求項３のいずれかに記載の生化学検体の検出方法。
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