JP4064855B2 - Multi-wavelength observation optical probe microscope - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遺伝子の配列情報を解析するための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術として、遺伝子配列を解析する方法を例に取り説明すると、遺伝子解析では、ゲノムDNAを制限酵素などによって断片化し、クローニングしたDNAを鋳型としてDNAポリメラーゼなどの酵素により蛍光標識塩基を取り込ませたDNA鎖を作製し、電気泳動によって、A、T、G、Cそれぞれの塩基についての電気泳動パターンを求め塩基配列を解析する方法が広く用いられている。
【0003】
また、最近では、数多くの既知の配列のオリゴヌクレオチドやcDNAなどを基板上に固定し、クローニングした試料DNAを反応させ、特異吸着の起きたことを検知することで、試料DNA中に存在する塩基配列を推測するDNAチップと呼ばれる方法も開発されている。
【0004】
この他、DNAを解析する技術としては、Fluorescence in situ Hybridization 法によって、試料DNAに対してプローブDNAが、ハイブリダイズした状態を蛍光顕微鏡で観察することが、試みられている(例えば非特許文献1参照。)。
【0005】
電気泳動法による遺伝子解析およびDNAチップによる遺伝子解析法における問題点としては、解析操作の複雑さが挙げられる。すなわち、この方法によると、ゲノムDNAを断片化し、いくつもの工程を経てクローニングし、得られた膨大な数のクローンの塩基配列を解析するという作業を行う必要がある。さらに、解析から得られる塩基配列データは染色体上での位置情報を持たないため、目的塩基配列の位置を特定するには、それぞれの塩基配列を基に、様々なアルゴリズムによりクローンをつなぎ合わせていくという処理が必要であり、多くの時間と情報処理能力が要求されていた。これは、試料DNAの準備に手間がかかり、損傷DNAなどのクローニングのできないDNA試料の解析には適用できないという問題がある。また、解析が複雑になる点も問題としてあげられる。
【0006】
これに対して、Fluorescence in situ Hybridization法は、断片化していないDNA試料の配列情報を解析する方法として、工程も少なく、情報をつなぎ合わせる操作も不要で、きわめて有効な方法である。しかし、これまでの蛍光顕微鏡による観察法では、分解能がせいぜい500nm程度であり、1.5kbp程度の分解能でしか解析ができないという課題を有している。
【0007】
遺伝子地図の構築は、遺伝子操作技術において、その対象となる遺伝子部位を特定するという点できわめて重要な部分を占める。したがって、迅速かつ、効率よく、高精度に遺伝子地図を構築する手法の開発が、強く望まれている。
【0008】
このFluorescence in situ Hybridization法の課題を解決する方法として、近接場光学顕微鏡用プローブやトンネル顕微鏡用プローブや光ピンセットを使用する方法が開示されている(例えば特許文献1参照。)。測定対象のDNA鎖に含まれる特定遺伝子配列の位置を求める方法において、測定対象DNA鎖およびプローブ分子を用い、DNA特異結合操作、固定・伸張操作、探針による検出操作からなる遺伝子解析方法 、および、DNA固定操作、特異結合操作、伸張操作、探針による検出操作からなる遺伝子解析方法、および、DNA固定・伸張操作、特異結合操作、探針による検出操作からなる遺伝子解析方法によって、分解能と精度の高い遺伝子配列の解析を実現することが可能である。
【0009】
【非特許文献1】
Holmes-Davis著「Trends i n Plant Science」3(1999)91
【0010】
【特許文献1】
特開2001−165840号公報 (図9、0019段落)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
このような遺伝子解析方法において、複数の標識の識別を可能にして、遺伝子の相対的な位置を明確に求めるための技術が必要とされており、生体膜における膜タンパクの解析などバイオ分野を中心とするその他の試料の解析においても複数の蛍光標識の同時解析を行うことが必要とされている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明では、このような蛍光標識試料の解析方法において、複数の標識の識別を可能にして、蛍光標識の相対的な位置を明確に求めるために、
先端部分に局在した光の場を発生可能な光プローブと、前記光プローブの先端と試料の間を近接した距離に制御するための光プローブ位置検出手段と、微動手段および制御手段と、前記光プローブが試料表面上を2次元的に走査するための走査手段と、前記局在した光の場を発生するための光源と、光プローブ先端に近接した試料表面からから放射される光を集光するための集光光学系と、光検出手段と、データ収集手段とを有し、
前記光源が少なくとも2つ以上の選択可能な波長の励起光を発生できるとともに、さらに、動的光路変更手段を有し、励起光の光路の制御を行うことによって、同一試料に対して複数の蛍光イメージを取得することで、複数種の蛍光標識を識別して相対的な位置情報を解析できるようにした多波長同時観察光プローブ顕微鏡を考案した。
【0013】
さらに本発明では、先端に局在した光の場を発生可能な光プローブと、光プローブに複数の選択可能な波長の励起光を発生する光源と、光プローブを走査するための走査手段とを有する光プローブ顕微鏡とした。ここで複数の波長の励起光で観察される蛍光イメージを比較演算する演算手段を設けることができる。
【0014】
本発明では、蛍光標識したDNAプローブまたは蛍光標識したPNAプローブを結合したDNAに、先端に局在した光の場を発生可能な光プローブから複数の波長の励起光を照射し、複数の蛍光イメージを取得するDNA配列マッピング装置とした。
【0015】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照し説明する。
【0016】
図1は、本発明の多波長同時観察光プローブ顕微鏡の構成図を示したものである。図1において、先端部分に局在した光の場を有するプローブ11と、そのプローブ11の先端と試料の間を近接した距離に制御するためのプローブ位置検出手段12、微動手段13および制御手段14と、前記プローブを試料表面上で2次元的に走査する走査手段15と、前記局在した光の場を発生するための光源16と、プローブ11先端に近接した試料20表面から放射される光を集光するための光学系17と、光検出器18と、を有している。本発明では、走査手段15の信号に対して、動的光路変更手段21とデータ収集手段19で励起光の光路の切り替えとデータ収集の切り替えを行うことによって、同一試料に対して複数の蛍光イメージを取得することができる。これによって、例えば、蛍光標識したDNAプローブあるいはPNAプローブを結合させた検査対象DNAを高分解能な蛍光観察によって、分子レベルでそのDNAプローブあるいはPNAプローブの結合位置を検出し、特定DNA配列のマッピングを行う際に、一回の2次元走査を行うことで、同一試料に対して複数の蛍光イメージを取得することで、複数種の蛍光標識を識別して相対的な位置情報の解析が行えるようにしたものである。
【0017】
前記光源が同時に少なくとも2つ以上の波長の励起光を発生するか、又は、少なくとも異なる波長の励起光を発生する光源を2つ以上組み合わせたものであり、動的光路変更手段によって、いずれかの波長を選択できるようになっている。図2(a)は、光源と動的光路変更手段の部分の模式図であり、2つの波長を発生する光源の例を示している。光源161からの光は、動的光路変更手段201の中の可動フィルター31,32によって選択できる。図2(b) は、光源と動的光路変更手段の部分の模式図のうちの2つの光源から1つの波長を選択する例を示している。光源162,163からの光は、動的光路変更手段202の中の可動ミラー33 によって、切り替えることができ、波長を選択することができる。
【0018】
なお、フィルターやミラーを用いる切り替え方式のほかに、音響光学素子を用いて光路切り替えを行うこともできる。
【0019】
このような動的光路変更手段を用いることで、光プローブの2次元走査における各ライン走査中の往路と復路において、光プローブに導入される励起波長を動的光路変更手段によって切り替えることによって、1回の2次元走査において、2つの蛍光イメージを同時に取得できる。図3は、2次元走査における励起光の切り替えの状態の説明図であり、往路301において第1の励起光による蛍光の取得をおこない、復路302において第2の励起光による蛍光の取得を行うことができる。
【0020】
一方、前記光源が同時に少なくとも2つ以上の波長の励起光を発生するか、又は、少なくとも異なる波長の励起光を発生する光源を2つ以上組み合わせたものであり、光プローブの2次元走査におけるライン走査において、ライン走査毎に、交互に光プローブに導入される励起波長を動的光路変更手段によって切り替えることによって、1回の2次元走査において、2つの蛍光イメージを同時に取得することもできる。図4は、2次元走査における励起光の切り替えの状態の説明図であり、奇数回目の走査401において第1の励起光による蛍光の取得をおこない、偶数回目の走査402において第2の励起光による蛍光の取得を行うことができる。
【0021】
また、図3、図4で説明したデータの取得方式を組み合わせることによって、1回の2次元走査において、すくなくとも4つの蛍光イメージを同時に取得することができる。また、蛍光用のフィルターの切り替え手段を設け、同時に切り替えることもできる。
【0022】
一方、本発明の多波長同時観察光プローブ顕微鏡において、標識色素の判別を行うために、2つの励起光でそれぞれ観察された蛍光イメージを比較処理する演算手段を設けることもできる。
【0023】
【発明の効果】
複数種の蛍光標識を識別して相対的な位置情報の解析を可能にすることによって、例えば、遺伝子操作技術において有用となる、迅速かつ、効率よく、高精度に遺伝子地図を構築する手法として、測定対象のDNA鎖に含まれる特定遺伝子配列の位置を求める方法において、測定対象DNA鎖およびプローブ分子を用い、DNA特異結合操作、固定・伸張操作、探針による検出操作からなる遺伝子解析方法をさらに発展させ、複数の標識の識別を可能にして、遺伝子の相対的な位置を明確に求めるための装置を提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の多波長同時観察光プローブ顕微鏡の構成を示す図。
【図2】本発明の多波長同時観察光プローブ顕微鏡における光源と動的光路変更手段の部分の模式図。
【図3】2次元走査における励起光の切替状態の説明図
【図4】2次元走査における励起光の切替状態の説明図
【符号の説明】
11 プローブ
12 位置検出手段、
13 微動手段
14 制御手段
15 走査手段
16 光源
17 集光光学系
18 光検出器
19 データ収集手段
20 試料
21 動的光路変更手段
22 画像演算処理手段
31,32 可動フィルター
33 可動ミラー
161 光源
162,163 光源
201 動的光路変更手段
202 動的光路変更手段
301 往路
302 復路
401 奇数回目の走査
402 偶数回目の走査[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for analyzing gene sequence information.
[0002]
[Prior art]
As a conventional technique, a method for analyzing a gene sequence will be described as an example. In gene analysis, genomic DNA is fragmented with a restriction enzyme or the like, and a fluorescently labeled base is incorporated with an enzyme such as DNA polymerase using the cloned DNA as a template. A method of preparing a DNA chain and obtaining an electrophoresis pattern for each base of A, T, G, and C by electrophoresis and analyzing the base sequence is widely used.
[0003]
Recently, many nucleotides of known sequences, such as oligonucleotides and cDNAs, are immobilized on a substrate, reacted with sample DNA that has been cloned, and detected that specific adsorption has occurred. A method called a DNA chip for estimating the sequence has also been developed.
[0004]
In addition, as a technique for analyzing DNA, an attempt has been made to observe a state in which a probe DNA is hybridized to a sample DNA with a fluorescence microscope by a fluorescence in situ hybridization method (for example, Non-Patent Document 1). reference.).
[0005]
Problems in the gene analysis by electrophoresis and the gene analysis by DNA chip include the complexity of the analysis operation. That is, according to this method, it is necessary to perform the work of fragmenting genomic DNA, cloning it through a number of steps, and analyzing the base sequences of the enormous number of clones obtained. Furthermore, since the base sequence data obtained from the analysis does not have position information on the chromosome, in order to specify the position of the target base sequence, clones are connected by various algorithms based on each base sequence. Therefore, a lot of time and information processing ability are required. This has the problem that preparation of sample DNA takes time and cannot be applied to analysis of DNA samples that cannot be cloned, such as damaged DNA. Another problem is that the analysis is complicated.
[0006]
In contrast, the Fluorescence in situ Hybridization method is a very effective method as a method for analyzing sequence information of a non-fragmented DNA sample, which requires few steps and does not require an operation for joining information. However, the conventional observation methods using a fluorescence microscope have a problem that the resolution is at most about 500 nm and the analysis can be performed only with a resolution of about 1.5 kbp.
[0007]
The construction of a genetic map occupies a very important part in the genetic manipulation technique in that it specifies a target gene site. Therefore, development of a method for constructing a genetic map quickly, efficiently and with high accuracy is strongly desired.
[0008]
As a method for solving the problem of the Fluorescence in situ Hybridization method, a method using a near-field optical microscope probe, a tunnel microscope probe, or optical tweezers is disclosed (for example, see Patent Document 1). A method for determining the position of a specific gene sequence contained in a DNA strand to be measured, using a DNA strand to be measured and a probe molecule, a DNA analysis method comprising a DNA-specific binding operation, a fixation / extension operation, and a detection operation using a probe; and Resolution and accuracy by a gene analysis method consisting of DNA fixation operation, specific binding operation, extension operation, probe detection operation, and gene analysis method consisting of DNA fixation / extension operation, specific binding operation, probe detection operation It is possible to realize a gene sequence analysis with a high level.
[0009]
[Non-Patent Document 1]
Holmes-Davis, "Trends in Plant Science" 3 (1999) 91
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2001-165840 A (FIG. 9, paragraph 0019)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In such a gene analysis method, a technique for clearly identifying the relative position of a gene by enabling identification of a plurality of markers is required, and the biotechnology field such as analysis of membrane proteins in biological membranes is required. In the analysis of other samples, it is necessary to simultaneously analyze a plurality of fluorescent labels.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in such a method for analyzing a fluorescently labeled sample, in order to enable identification of a plurality of labels and to clearly determine the relative position of the fluorescent label,
An optical probe capable of generating a light field localized at the tip portion, an optical probe position detection means for controlling the distance between the tip of the optical probe and the sample, a fine movement means and a control means, A scanning means for the optical probe to scan the sample surface two-dimensionally, a light source for generating the localized light field, and light emitted from the sample surface close to the tip of the optical probe are collected. A condensing optical system for emitting light, a light detection means, and a data collection means;
The light source can generate excitation light of at least two or more selectable wavelengths, and further has a dynamic optical path changing means, and controls the optical path of the excitation light, thereby allowing a plurality of fluorescence to the same sample. We have devised a multi-wavelength simultaneous observation optical probe microscope that can identify multiple types of fluorescent labels and analyze relative positional information by acquiring images.
[0013]
Further, in the present invention, an optical probe capable of generating a light field localized at the tip, a light source that generates excitation light having a plurality of selectable wavelengths on the optical probe, and a scanning means for scanning the optical probe are provided. It was set as the optical probe microscope which has. Here, a calculation means for comparing and calculating fluorescence images observed with excitation light having a plurality of wavelengths can be provided.
[0014]
In the present invention, a fluorescence-labeled DNA probe or a DNA to which a fluorescence-labeled PNA probe is bound is irradiated with excitation light having a plurality of wavelengths from an optical probe capable of generating a light field localized at the tip, and a plurality of fluorescence images Was used as a DNA sequence mapping apparatus.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 shows a configuration diagram of a multi-wavelength simultaneous observation optical probe microscope of the present invention. In FIG. 1, a
[0017]
Wherein either the light source generates excitation light of at least two or more wavelengths simultaneously, or be a combination of a light source for generating excitation light of at least different wavelengths two or more, the dynamic optical path changing means, either The wavelength can be selected. FIG. 2A is a schematic diagram of the light source and the dynamic optical path changing means, and shows an example of a light source that generates two wavelengths. Light from the
[0018]
In addition to the switching method using a filter or a mirror, the optical path can be switched using an acousto-optic element.
[0019]
By using such a dynamic optical path changing unit, the excitation wavelength introduced into the optical probe is switched by the dynamic optical path changing unit in the forward path and the return path during each line scan in the two-dimensional scanning of the optical probe. Two fluorescent images can be acquired simultaneously in one two-dimensional scan. FIG. 3 is an explanatory diagram of a state of switching of excitation light in two-dimensional scanning, in which fluorescence is acquired by the first excitation light in the
[0020]
Meanwhile, the one light source for generating excitation light of at least two or more wavelengths simultaneously, or be a combination of a light source for generating excitation light of at least different wavelengths two or more lines in the two-dimensional scanning optical probe In scanning, two fluorescent images can be simultaneously acquired in one two-dimensional scanning by switching the excitation wavelength introduced into the optical probe alternately by the dynamic optical path changing means for each line scanning. FIG. 4 is an explanatory diagram of the state of switching of the excitation light in the two-dimensional scanning. In the odd-numbered
[0021]
Further, by combining the data acquisition methods described with reference to FIGS. 3 and 4, at least four fluorescent images can be acquired simultaneously in one two-dimensional scan. In addition, a fluorescent filter switching means can be provided and switched simultaneously.
[0022]
On the other hand, in the multi-wavelength simultaneous observation optical probe microscope of the present invention, in order to discriminate the labeling dye, it is possible to provide an arithmetic means for performing a comparison process on the fluorescence images observed with the two excitation lights.
[0023]
【The invention's effect】
By identifying multiple types of fluorescent labels and enabling analysis of relative positional information, for example, as a technique for constructing a genetic map quickly, efficiently, and highly accurately, which is useful in genetic manipulation techniques, In the method for determining the position of a specific gene sequence contained in a DNA strand to be measured, a gene analysis method further comprising a DNA-specific binding operation, a fixation / extension operation, and a detection operation using a probe using the DNA strand to be measured and a probe molecule It has become possible to provide a device for unambiguously determining the relative position of a gene, allowing the identification of multiple labels.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a multi-wavelength simultaneous observation optical probe microscope of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a light source and dynamic optical path changing means in the multi-wavelength simultaneous observation optical probe microscope of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a switching state of excitation light in two-dimensional scanning. FIG. 4 is an explanatory diagram of a switching state of excitation light in two-dimensional scanning.
11
13 Fine movement means 14 Control means 15 Scanning means 16
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