JP4028964B2 - バイオチップ及びバイオチップの使用方法 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、特定のＤＮＡやタンパク質と特異的にハイブリダイズするプローブＤＮＡなどの生体高分子を多数スポット配列したバイオチップに関する。
背景技術
従来から生化学における遺伝子などの研究では、ガラスやナイロン又はニトロセルロースメンブレンなどの固定化材料にＤＮＡやタンパク質などの生体高分子を高密度にスポットしたバイオチップを用いて、ハイブリダイズなどの実験を行ってきた。第２図は、従来のバイオチップの模式図である。このバイオチップ２０は、固定化基板２１の表面に多数種類のＤＮＡ２２が予め決められた配列に従ってスポットされている。このようなバイオチップ２０の場合、バイオチップ自体の形状はどれも同じであるため、外観から個々のバイオチップを識別することはできず、スポットしてあるＤＮＡの種類も判別できない。そのため、バイオチップ２０の片隅に識別番号２３を書き込んだりバーコードを付与し、どの識別番号あるいはバーコードのバイオチップにはどのＤＮＡをどの場所にスポットしたという情報を別途メモして保管しておくことでバイオチップの管理を行っていた。
しかし、このように別々の部材に書き込まれた２種類の情報を併用して管理する方法では、バイオチップの識別はできるが、どの様な核酸配列をしているＤＮＡがチップ上にスポットされているかなどの学術的な情報は別のもので管理されているため、実験時に誤って使用されるケースがあった。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、情報を一元的に管理することのできるバイオチップ及びそのバイオチップの使用方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明においては、バイオチップにメモリを組み込み、スポットしたＤＮＡの種類、量、スポット位置などの情報をバイオチップと一体化したメモリに記憶させることで前記目的を達成する。このバイオチップを用いると、バイオチップ上のどの位置にどの様なＤＮＡがスポットされているか、いつどの様な実験で誰が使用したかなど、バイオチップに関する全ての情報を一元化して管理することができる。
すなわち、本発明によるバイオチップは、複数の生体高分子が所定の配列でスポットされる表面と、スポットされる生体高分子に関する情報を記憶する記憶媒体とを備えることを特徴とする。
本発明によるバイオチップは、また、、複数の生体高分子、例えばＤＮＡ、タンパク質などが所定の配列でスポットされた表面と、生体高分子に関する情報を記憶する記憶媒体とを備えることを特徴とする。バイオチップ上にスポットされるＤＮＡは、遺伝子診断や遺伝子発現解析に利用される多数のプローブＤＮＡであってもよいし、個人のＤＮＡであってもよい。
生体高分子がスポットされる表面を備える部材と記憶媒体とは着脱自在とすることもできるし、一体に構成することもできる。記憶媒体には非接触状態で情報をリード／ライトすることのできる半導体メモリを用いるのが好ましい。
記憶媒体には、バイオチップの表面上のスポット位置に関する情報と各スポット位置にスポットされた生体高分子に関する情報を関連づけて記憶することができる。スポット位置に関する情報としては、例えば、スポット配列中の順番を表す番号、あるいはスポット位置の座標を使用することができる。生体高分子に関する情報としては、例えばＤＮＡの塩基配列情報、そのＤＮＡに関係する遺伝病の情報、そのＤＮＡに関する遺伝子、スポット量などを記憶しておくことができる。
本発明の記憶媒体を備えるバイオチップの使用に当たっては、バイオチップの表面に所定の配列で複数の生体高分子をスポットするとともに、記憶媒体にスポット位置に関する情報と各スポット位置にスポットされた生体高分子に関する情報、例えばＤＮＡ塩基配列を関連付けて書き込む。記憶媒体への書き込みは１個スポットする毎に情報書き込みしてもよいし、あるいは後でまとめて書き込みしてもよい。
また、表面に複数の生体高分子が所定の配列でスポットされ、スポット位置に関する情報と各スポット位置にスポットされた生体高分子に関する情報を関連付けて記憶した記憶媒体を備える本発明のバイオチップの使用に当たっては、バイオチップにサンプルを接触させ、サンプルがハイブリダイズしたスポット位置を蛍光標識から発せられる蛍光等を用いて検出し、ハイブリダイゼーションが検出されたスポット位置をキーに記憶媒体の記憶内容からサンプルがハイブリダイズした生体高分子の情報を検索して表示することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第１図は、本発明によるバイオチップの一例の模式図である。この例のバイオチップ１０は、ＤＮＡやタンパク質等の生体高分子１２を１ｃｍ^２当たり約１万個スポットしたガラスやナイロン又はニトロセルロースメンブレンなどの固定化基板１１に記憶媒体１３を付加したものである。記憶媒体１３は、ハイブリダイゼーションの際に生体高分子１２と共にサンプル溶液などに曝されるため、その表面領域をプラスチック、ガラス等で被覆しておく必要がある。このバイオチップ１０は、例えば固定化基板１１としてシリコンウェハー等の半導体メモリ用基材を用い、その一部に記憶媒体１３としての半導体メモリを形成してメモリ上部を樹脂等で被覆し、残ったシリコン基材の表面にＤＮＡなどの生体高分子１２を直接スポットすることで作製することができる。この方式によると、バイオチップを小型化することが可能である。
第３図は、本発明によるバイオチップの他の例を示す模式図である。この例のバイオチップ３０は、ケース３４とＤＮＡ等の生体高分子３２を表面にスポットしたチップ３１からなる。ケース３４には記憶媒体３３ａが埋設され、またチップ３１を収容する凹部３５を有する。記憶媒体３３ａはＩＣメモリであり、同じくケース３４に埋設されているループ状アンテナ３３ｂと接続されて非接触記憶手段３３を構成する。
この非接触記憶手段３３は、バイオチップ３０の近くに配置されたリーダー／ライターが発する電磁波をアンテナ３３ｂで受け、電磁誘導によって発生する起電力を電源としてデータ通信を行い、記憶媒体３３ａへの情報の書き込み、あるいは記憶媒体３３ｂからの情報の読み出しを行う。非接触記憶手段３０は外部に露出した端子を要することなく非接触で情報をリード／ライトすることができ、完全に密封して外部環境と遮断した状態におくことができるため、試薬やサンプル溶液に曝されるバイオチップに付属するメモリとして好適である。
第３図に示したバイオチップ３０の使用法は概略以下の通りである。バイオチップ３０への生体高分子スポット操作は、ケース３４から分離したチップ３１のみを用いて行う。その後、チップ３１をケース３４の凹部３５にはめ込んで一体化し、一体化したバイオチップ３０に対して後述する第７図の検査工程を行い、検査情報を非接触記憶手段３３の記憶媒体３３ａに書き込む。その後、チップ３１をケース３３から外し、チップ３１のみをハイブリダイゼーション溶液に浸漬して後述する第８図のハイブリダイゼーション反応工程を行う。ハイブリダイゼーション反応の後、再度チップ３１をケース３４に組み込み、後述する第９図の読み取り処理を行う。読み取り処理で得られたデータは非接触記憶手段３３の記憶媒体３３ａに記憶される。
第３図に示した方式のバイオチップ３０では、ハイブリダイゼーション反応の時、非接触記憶手段３３が設けられたケース３４が溶液に曝されることがない。従って、ケース３４の材質等に対する制限が緩い。また、ケース３４が溶液に曝されないため、記憶手段として非接触記憶手段３３に代えて、端子等がケース表面に露出した接触型の記憶手段を用いることが可能である。また、ケース３４は、記憶媒体３３ａの記憶内容を消去して再利用することが可能である。
第４図は、本発明によるバイオチップの更に他の例を示す模式図である。この例のバイオチップ４０は、ガラスやプラスチック等の固定化基板４１の一部にエッチング処理等で凹部を形成し、そこにループ状アンテナ４３ｂとそれに接続された記憶媒体４３ａとからなる非接触記憶手段４３を収容した後、樹脂等によって記憶媒体４３ａを埋め込んだものである。固定化基板４１の表面には、ＤＮＡ等の生体高分子４２が所定の配列にスポットされている。この方式のバイオチップは、第３図に示したバイオチップと比較して機構が単純である。また、生体高分子をスポットする部材中に記憶媒体を埋め込んで一体化しているため、バイオチップ全体を小型化することができる。
第５図は、個々のバイオチップに付属する記憶媒体に記憶させる情報の一例を示す図である。記憶する情報としては、バイオチップのシリアル番号、製造ロット番号、作製日時、スポット数、その他チップに関する付加情報などバイオチップ全体についての情報と、バイオチップ上の各スポットに関する情報とがある。各スポットに関する情報としては、例えばスポット番号、バイオチップ上のＸＹ座標、スポット量やスポットした時間などのスポット条件情報、スポットしたＤＮＡやタンパク質に関する名称、機能などの付加情報などが記憶される。スポット番号は、バイオチップ上にスポットされた順番に従って付される連続番号である。スポットのＸＹ座標は、例えばバイオチップの左上角位置を原点とする座標で表される。また、バイオチップをＤＮＡ診断に利用する場合には、個人情報や通常カルテに記載される情報も記憶する。
次に、第６図から第９図を用いて、チップ情報の管理方法について説明する。第６図は、バイオチップ作製時の処理を説明する図である。マイクロプレート６１には、多数種類の生体高分子、例えば既知の塩基配列を有するサンプルＤＮＡ６２が各々既知の位置に載置されている。コンピュータ６６によって制御される駆動コントローラ６５の制御下に、ＸＹ駆動装置６３によってピン６４をマイクロプレート６１上の所定の位置に移動し、その位置のＤＮＡをピン６４の先端に付着させたのち、再びＸＹ駆動装置６３によってピン６４をバイオチップ１上の所定の位置に移動し、表面に接触させてスポットする。こうして、バイオチップ１上にＤＮＡスポット２が形成される。この動作を反復することにより、マイクロプレート６１上の各サンプルＤＮＡ６２は、バイオチップ１上に予め定められた配列に従ってスポット配置される。バイオチップ１は、メモリ３を備えている。
コンピュータ６６は、リーダー／ライター６７に指令し、バイオチップ１のスポット番号、スポット位置、そのスポット位置にスポットしたサンプルＤＮＡ６２の核酸配列、遺伝子名、マイクロプレート６１の番号や位置およびバイオチップ１の作製日など、バイオチップ作製情報を、例えば第５図に示した形式に従ってメモリ３に書き込み記憶させる。このとき、リーダー／ライター６７は非接触型とするのが望ましいが、第３図に示したタイプのバイオチップの場合には接触型であってもよい。リーダー／ライター６７による情報書き込みはスポッティング動作に同期して一つずつ行ってもよいし、全てのスポット操作が終了した後で一度に行ってもよい。
第７図は、バイオチップの検査工程を説明する図である。この工程では、第６図に示す処理を経て作製されたバイオチップ１に対して、全てのスポット位置２にＤＮＡが正常にスポットされているか否かなどの検査を行い、その検査情報をバイオチップのメモリ３に書き込む処理を行う。
バイオチップ１上のスポット配列は、ＣＣＤカメラ等の撮像装置７１で撮像され、撮像データは読み取りコントローラ７２からコンピュータ６６へ転送される。コンピュータ６６では、スポット配列の撮像データを解析し、適量のＤＮＡがスポットされていない不良スポットを検出する。マイクロプレート６１上の全てのサンプルＤＮＡ６２に予めＦＩＴＣ（イソチオシアン酸フルオレセイン）などの蛍光物質が付与されている場合には、スポット位置２にアルゴンイオンレーザ等の励起光を照射することによって、各スポット位置の蛍光物質から発せられる蛍光の有無によって不良スポットを知ることができる。さらに、各スポットから発せられる蛍光強度を測定することにより、各スポットにスポットされているＤＮＡの量を検出することができる。こうして検出された不良スポットのスポット番号、各スポットにスポットされているＤＮＡの量などの情報は、コンピュータ６６の制御の下にリーダー／ライター６７によってメモリ３に書き込まれる。
第７図の検査工程の後、不良スポットとなったＤＮＡを第６図のスポッティング工程によって再度スポットしてもよい。この場合、再スポットする場所は、不良スポットとなった位置と重なる位置であってもよいし、通常のスポット位置とは異なる予備のスポット位置であってもよい。また、バイオチップ上のスポット配列の撮像は、スポット配列を直接撮像する代わりに、位相差顕微鏡等を介して撮像するようにしてもよい。
第８図は、本発明によるバイオチップを用いたハイブリダイゼーション処理の説明図である。図示するように、ＤＮＡ等の生体高分子２がスポットされた記憶媒体３付きのバイオチップ１と、蛍光標識を付けたサンプルＤＮＡ８２をハイブリダイゼーション溶液８１に入れて、ハイブリダイズさせる。バイオチップ１にスポットされたＤＮＡ２とサンプルＤＮＡ８２の間に相補的なＤＮＡ配列があるときは、２重らせん構造を形成してスポット上でＤＮＡが結合する。
第９図は、本発明によるバイオチップの読み取り及び解析処理の説明図である。バイオチップ１上のどのスポット２のＤＮＡがサンプルＤＮＡと結合したかを、バイオチップ１のスポット２に励起光を照射することによってスポットから発せられる蛍光をもとにＣＣＤ７１などの光センサーで読み取る。光センサーで読み取られたデータは、読取りコントローラ７２からコンピュータ６６に転送される。コンピュータ６６では、光センサーで読み取られたバイオチップ１上の蛍光位置情報と、リーダー／ライター６７を用いてバイオチップ１のメモリ３から読み出したスポットに関する情報を用いて、バイオチップ上のＤＮＡとハイブリダイズしたサンプルＤＮＡの情報を導出する。すなわち、光センサーで読み取られた結果から、バイオチップ１上のＤＮＡとハイブリダイズしたと考えられるスポットに関し、メモリ３内の情報を対応付けてコンピュータ６６の表示部に出力する。
また、メモリ３に記憶されている各スポットのＤＮＡ量のデータと、光センサーから得られたハイブリダイゼーション反応を生じたＤＮＡ量との差分からデータの正規化を行い、結果をリーダー／ライター６７でメモリ３に書き込む。こうして情報の一元管理を可能とする。また、定量的解析や発現量解析も可能となる。
第１０図及び第１１図は、第９図で説明したバイオチップの解析結果の表示例を示している。第１０図に示した表示例では、光センサーで読み取られたバイオチップの蛍光強度像が表示画面に表示される。操作者が、詳細な情報を知りたいスポットのイメージをマウスカーソル等のポインタで指定すると、そのスポットに関してメモリに記憶されている付加情報がリーダー／ライター６７によって取り出され、表示画面に表示される。
第１１図に示した表示例は、解析結果を表形式で一覧表示する例である。第１１図の例では、バイオチップの識別情報と付加情報、及び各スポットに関する情報とハイブリダイゼーション反応の結果を表示している。ハイブリダイゼーション反応結果は、ハイブリダイゼーションが生じたスポットを○、生じていないスポットを×で表示してある。この例では、全てのスポットの情報を表示しているが、例えばハイブリダイゼーションが生じたスポットのみを一覧表示するなど、所望のフィルター処理を施した結果を表示するようにしてもよい。また、第１０図の画面と第１１図の画面を切り替え表示できるようにしてもよい。
第１２図は、バイオチップ使用時における一連の処理の実行プロセスを説明したものである。コンピュータ６６にロードされているバイオチップイメージ及びメモリ情報読取り実行処理プログラム９０は、キーボード１０１などの入力装置からの指示により動作開始する。バイオチップイメージ及びメモリ情報読取り実行処理プログラム９０のイメージ読取りモジュール９１はバイオチップ読み取り装置７０の読取りコントローラ７２を制御し、バイオチップ１上のスポット２の蛍光強度をＣＣＤ７１などの光センサーで読取る。読み取られたイメージデータは、読取りコントローラ７２からコンピュータ６６へ転送される。転送されてきたイメージデータに対して、ノイズフィルタリング処理モジュール９２及びイメージピーク認識処理モジュール９３において、ノイズ除去処理とピーク認識処理を行い、各スポットの蛍光のピーク座標及び強度を決定する。
次に、メモリ情報読取り処理モジュール９４は、バイオチップ読み取り装置７０にバイオチップ１上のメモリ３に保存されているスポット情報の読み取りを指示する。読み取られたスポット情報はコンピュータ６６へ転送され、イメージ・メモリ情報連結処理モジュール９５は、このスポット情報とイメージデータ及びピーク座標、蛍光強度の情報を連結させる。イメージ・メモリ情報画面表示処理モジュール９６は、連結されたイメージ・メモリ情報をＲＧＢディスプレイ１０２に表示させる。イメージ・メモリ情報は、イメージ・メモリ情報保存処理モジュール９７により、記憶媒体１１０であるハードディスク装置１１１やフロッピーディスク装置１１２やバイオチップ１に保存される。第１２図に示した各モジュールはプログラムによってソフト的に実現することができる。
第１３図は、バイオチップイメージ及びメモリ情報読み取り解析処理のフローを説明したものである。読取り装置等の初期処理を行った後、バイオチップ１上のスポット２の蛍光強度をＣＣＤ７１などの光センサーで読取るチップ画像読取り処理（Ｓ１１）、バイオチップ１上のメモリ３に保存されているスポット情報を読取る処理（Ｓ１２）、チップ画像のスポットの蛍光のピーク座標及びピーク強度の認識処理（Ｓ１３）、チップ画像から得られたスポットピーク情報及びメモリに格納されているスポット情報を連結処理（Ｓ１４）を行う。一連の処理により得られた情報は、表示形式の選択（Ｓ１５）に応じて、チップ画像及びカーソル位置のスポット情報の表示処理（Ｓ１６）あるいは各スポット強度やスポット情報のリスト表示処理（Ｓ１７）を行う。さらに、チップ画像、スポット強度、スポット情報は、ハードディスク装置１１１やフロッピーディスク装置１１２やバイオチップ１などの記憶媒体に格納される。そして、終了処理を実行し、バイオチップイメージ及びメモリ情報読み取り解析処理のフローは終了する。
このように、メモリを付属させた本発明のバイオチップを用いると、バイオチップ使用時には使用したサンプルＤＮＡや実験環境などのデータを付属メモリに記憶させ、分析や解析時にはその結果を付属メモリに記憶させることで情報を一元的に管理することができ、実験のミスを防止することができる。また、バイオチップの読取り時、予め情報としてチップ上の各ＤＮＡの量を付属メモリに記憶させておき、ハイブリダイゼーションなどの実験後のチップ読取り時にＤＮＡ量の差分で結果を求めるようにすれば、正確な実験結果を得ることができる。分析や解析結果をコンピュータでデータベース管理するときは、直接バイオチップの付属メモリから情報を読み込みデータベース化することで容易に情報管理を行うことができる。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明によると、バイオチップに関する情報をそのバイオチップ自身に付属するメモリに記憶させることで、情報の一元的管理が可能になり、ミスの発生を防止して迅速かつ正確な処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるバイオチップの一例の模式図である。
第２図は、従来のバイオチップの模式図である。
第３図は、本発明によるバイオチップの他の例を示す模式図である。
第４図は、本発明によるバイオチップの更に他の例を示す模式図である。
第５図は、バイオチップに付属する記憶媒体に記憶させる情報の一例を示す図である。
第６図は、バイオチップ作製時の処理を説明する図である。
第７図は、バイオチップの検査工程を説明する図である。
第８図は、本発明によるバイオチップを用いたハイブリダイゼーション処理の説明図である。
第９図は、本発明によるバイオチップの読み取り処理の説明図である。
第１０図は、バイオチップの解析結果の表示例を示す図である。
第１１図は、バイオチップの解析結果の表示例を示す図である。
第１２図は、バイオチップイメージ及びメモリ情報読み取り解析処理の実行プロセス説明図である。
第１３図は、バイオチップイメージ及びメモリ情報読み取り解析処理のフローの説明図である。

Claims (4)

1. 複数の生体高分子が所定の配列でスポットされる表面を有するチップ部材と、
   前記チップ部材を収容するための凹部を有するケース部材と、
   前記ケース部材に埋設され、スポットされる生体高分子に関する情報を記憶する記憶媒体と、
   前記ケース部材に埋設されたループアンテナと、を備え、
   前記記憶媒体は前記ループアンテナに接続されたICメモリであって、非接触状態での情報のリード／ライトが可能であり、
   前記チップ部材は、前記ケース部材に対して着脱自在であることを特徴とするバイオチップ。
2. 前記バイオチップは、その表面上にスポットされた複数の生体高分子を有し、
   前記記憶媒体は、前記表面上のスポット位置に関する情報と、前記各スポット位置にスポットされた前記生体高分子に関する情報と、前記各スポット位置にスポットされた前記生体高分子の量に関する情報とを関連付けて記憶することを特徴とする請求項１に記載のバイオチップ。
3. 請求項１又は２に記載のバイオチップを製造する方法であって、
   前記チップ部材の表面に所定の配列で複数の生体高分子をスポットする工程と、
   前記記憶媒体にスポット位置に関する情報と各スポット位置にスポットされた生体高分子に関する情報を関連付けて書き込む工程と、
   を備えることを特徴とするバイオチップの製造方法。
4. 請求項３に記載の製造方法によって製造されたバイオチップの使用方法であって、
   前記チップ部材の表面に複数の生体高分子が所定の配列でスポットされたバイオチップにサンプルを塗布する工程と、
   前記サンプルがハイブリダイズしたスポット位置を検出する工程と、
   ハイブリダイゼーションが検出されたスポット位置をキーに前記記憶媒体の記憶内容からサンプルがハイブリダイズした生体高分子の情報を検索する工程と、
   前記検索する工程で検索された前記ハイブリダイズした生体高分子の情報を表示する工程と、
   を備えることを特徴とするバイオチップの使用方法。

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