JP4684915B2 - Biomolecule affinity analyzer and method for analyzing affinity between biomolecules using the device - Google Patents

Biomolecule affinity analyzer and method for analyzing affinity between biomolecules using the device Download PDF

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Description

本発明は、生体分子の親和性を解析するための装置及び該装置を使用して生体分子間の親和性を解析する方法に関する。   The present invention relates to a device for analyzing the affinity of biomolecules and a method for analyzing the affinity between biomolecules using the device.

従来、生体分子の親和性を解析する方法としては、例えば核酸分子と相互作用するタンパク質の場合、核酸分子にタンパク質が結合すると核酸分子のみの場合よりも分子量が大きくなるため、DNA-タンパク質複合体をゲルなどの担体で電気泳動し、移動度の差を検出するゲルシフトアッセイなどの方法が開発されている。(非特許文献1)
Nucleic Acids Research 23, 6505-6525 (1981)
Conventionally, as a method for analyzing the affinity of a biomolecule, for example, in the case of a protein that interacts with a nucleic acid molecule, when the protein binds to the nucleic acid molecule, the molecular weight becomes larger than in the case of the nucleic acid molecule alone, so a DNA-protein complex A method such as a gel shift assay has been developed in which a gel is electrophoresed on a carrier such as a gel to detect a difference in mobility. (Non-Patent Document 1)
Nucleic Acids Research 23, 6505-6525 (1981)

また、核酸-タンパク質相互作用を検出する他の方法としては、次のような方法が提案されている。
フットプリンティング法:特定の遺伝子配列を認識し、結合するタンパク質の遺伝子結合部位を決定する方法。(非特許文献2)
サウスウェスタン法:SDSポリアクリルアミドゲル電気泳動法にてタンパク質を分離した後、ニトロセルロースフィルターなどへ転写する。これにラジオアイソトープなどで標識したDNAをプローブとして用い、標的物質との結合を測定する方法。(非特許文献3)
2本鎖DNAアレイ:2本鎖DNAをガラス基板などにアレイ化し、基板上でタンパク質を反応させた後、DNAに結合したタンパク質を抗体などを用いて検出する方法。(非特許文献4〜6)
Nucleic Acids Research 5, 3157-3170 (1978) Cell 52, 415-423 (1988) Nature Biotechnology 17,536-537(1999) Nature Biotechnology 17, 573-577 (1999) Proc Natl Acad Sci USA 98, 7158-7168(2001)
As other methods for detecting nucleic acid-protein interactions, the following methods have been proposed.
Footprinting method: A method for recognizing a specific gene sequence and determining a gene binding site of a protein to be bound. (Non-patent document 2)
Southwestern method: After separating proteins by SDS polyacrylamide gel electrophoresis, transfer to a nitrocellulose filter. A method of measuring the binding to a target substance using DNA labeled with a radioisotope as a probe. (Non-Patent Document 3)
Double-stranded DNA array: A method in which double-stranded DNA is arrayed on a glass substrate, the protein is reacted on the substrate, and then the protein bound to the DNA is detected using an antibody or the like. (Non-patent documents 4 to 6)
Nucleic Acids Research 5, 3157-3170 (1978) Cell 52, 415-423 (1988) Nature Biotechnology 17,536-537 (1999) Nature Biotechnology 17, 573-577 (1999) Proc Natl Acad Sci USA 98, 7158-7168 (2001)

この他、核酸-タンパク質相互作用を検出する方法として、表面プラズモン共鳴(SPR)法(非特許文献7)や、マイクロプレートでの検出法がある。マイクロプレートを用いてDNA結合タンパク質を検出するキットは市販されているが(たとえば、クロンテック社、Activemotif社(フナコシが販売))、これは、96穴マイクロプレートにDNAが固定化されており、各ウェルに測定サンプルを滴下してDNAを相互作用させた後、抗体で検出を行うものである。
Nucleic Acids Research 19, 2788 (1999)
In addition, as a method for detecting a nucleic acid-protein interaction, there are a surface plasmon resonance (SPR) method (Non-patent Document 7) and a detection method using a microplate. There are commercially available kits for detecting DNA-binding proteins using microplates (for example, Clontech, Activemotif (sold by Funakoshi)), which has DNA immobilized on a 96-well microplate. After the measurement sample is dropped into the well and the DNA is allowed to interact, detection is performed with an antibody.
Nucleic Acids Research 19, 2788 (1999)

また、タンパク質間相互作用の親和性を解析する方法では、S. Fieldsらによって相互作用を調べたい2種類のタンパク質をそれぞれ酵母や培養細胞の中で発現させ、これらが相互作用した場合にのみ転写因子が機能して特定のレポーター遺伝子の発現活性化によって検出するツーハイブリットなどの方法が開発されている。(特許文献1、非特許文献8参照)
米国特許第5,283,173号 Fields and Song, 1989, Nature, 340:245-246
Also, in the method of analyzing the affinity of protein-protein interaction, S. Fields et al. Expresses two types of proteins to be examined in yeast and cultured cells, and transcribes only when they interact. Methods such as two-hybrid have been developed in which factors function and detect by activation of expression of specific reporter genes. (See Patent Document 1 and Non-Patent Document 8)
US Pat. No. 5,283,173 Fields and Song, 1989, Nature, 340: 245-246

核酸分子と相互作用するタンパク質をゲルシフトアッセイにより解析する方法における問題点としては、解析に使用するポリアクリルアミドゲルなどの大きさに対して移動度が充分に大きく変化する電気泳動条件を検討する必要がある。また、検討された電気泳動条件であってもゲルシフトで検出されるバンドは明瞭でない場合が多く、特に相互作用が弱い場合には、多くの核酸分子とタンパク質を用いても核酸分子のみのバンド自身が明瞭でないため、ゲルシフトの検出が困難になる。さらに、相互作用が強い場合であっても、精製したタンパク質を多くの濃度条件でRIあるいは蛍光標識した核酸分子との相互作用を検出するため、相当量のタンパク質及び核酸分子を調製し、準備する必要がある。   As a problem in the method of analyzing proteins that interact with nucleic acid molecules by gel shift assay, it is necessary to examine electrophoresis conditions in which the mobility changes sufficiently with respect to the size of the polyacrylamide gel used for the analysis. is there. In addition, the bands detected by gel shift are often not clear even under the studied electrophoresis conditions, and in particular, when the interaction is weak, even if many nucleic acid molecules and proteins are used, the band of only the nucleic acid molecule itself Is not clear, making it difficult to detect gel shift. In addition, even if the interaction is strong, prepare and prepare a substantial amount of protein and nucleic acid molecules to detect the interaction of the purified protein with RI or fluorescently labeled nucleic acid molecules under many concentration conditions There is a need.

一方、タンパク質相互作用を酵母ツーハイブリットにより解析する方法は、時間がかかり、相互作用の検出感度が非常に高く網羅的な解析にも適しているが、擬陽性あるいは非特異的相互作用が多いため、正確な解析を行うためには、擬陽性あるいは非特異的相互作用を最小限にするための断片化タンパク質の設計、各種の分子生物学的手法及びデータ解析などを組み合わせて、擬陽性あるいは非特異的相互作用の検出を除去していくことが必要になる。
さらに、従来の相互作用解析では、目的とするタンパク質に対する抗体が必要であったが、新規のタンパク質を解析する手段にも適応可能な検出法が求められている。
On the other hand, the method of analyzing protein interactions by yeast two-hybrid is time-consuming and has a very high detection sensitivity for interactions and is suitable for exhaustive analysis, but because there are many false positive or non-specific interactions, In order to perform an accurate analysis, the design of fragmented proteins to minimize false positive or non-specific interactions, various molecular biological techniques and data analysis, etc. are combined to produce false positive or non-specific interactions. It is necessary to eliminate the detection of the action.
Furthermore, in the conventional interaction analysis, an antibody against the target protein is required, but a detection method that can be applied to a means for analyzing a novel protein is required.

したがって、本発明はこれら従来技術の問題点を解消して、少量の試料を使用し、簡単な操作により迅速かつ高精度で生体分子相互の親和性を解析することができ、新規なタンパク質を解析する手段としても適応可能な、生体分子の親和性を解析するための装置、及び該装置を使用して生体分子間の親和性を解析する方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention solves these problems of the prior art, can use a small amount of sample, and can analyze the affinity between biomolecules quickly and with high accuracy by a simple operation. It is an object of the present invention to provide a device for analyzing the affinity of biomolecules, which can also be applied as a means for performing the same, and a method for analyzing the affinity between biomolecules using the device.

本発明では、上記課題を解決するために、次の1〜12の構成を採用する。
1.少なくとも一対の電極を配置した試料容器、光源、局所照明手段、高倍率光学観察手段、選別光学フィルター及び交流電圧印加手段を具備し、前記試料容器内で、親和性相互作用を解析しようとする少なくとも2種類の生体分子に対し、前記電極間に交流電圧を印加することによって、電気泳動による往復運動をさせることを特徴とする生体分子の親和性解析装置。
2.前記局所照明手段が蛍光照明による蛍光励起手段であって、蛍光励起光源及び蛍光選別光学フィルターを有することを特徴とする1に記載の生体分子の親和性解析装置。
3.前記局所照明手段がエバネッセント照明による蛍光励起手段であることを特徴とする2に記載の生体分子の親和性解析装置。
4.前記試料容器が流路形状を成し、前記流路内に一対あるいは複数対の電極を配置し、前記電極間の電圧の周波数変化によって、前記生体分子を電気泳動させることを特徴とする1〜3のいずれかに記載の生体分子の親和性解析装置。
5.少なくとも一対の電極を配置した試料容器、光源、局所照明手段、高倍率光学観察手段、選別光学フィルター及び交流電圧印加手段を具備する生体分子の親和性解析装置の試料容器に、相互作用を判別する少なくとも2種類の生体分子の混合物の溶液を保持させ、前記電極間に交流電圧を印加することによって、前記生体分子を前記溶液中で電気泳動による往復運動をさせ、親和性相互作用による反応前後の個別の生体分子の往復運動の最大速度または移動距離の変化を比較することによって、前記生体分子の会合状態を評価することを特徴とする生体分子間の親和性を解析する方法。
6.前記生体分子の一方が、生体分子を表面に固定した粒子であることを特徴とする5に記載の生体分子間の親和性を解析する方法。
7.前記生体分子の一方が蛍光標識されていることを特徴とする5又は6に記載の生体分子間の親和性を解析する方法。
.前記試料容器が流路形状を成し、前記試料溶液を保持する際に、フロー式あるいは合流フロー式流路を用いて、前記電極間の周波数変化によって、前記生体分子を電気泳動による往復運動をさせることを特徴とする5〜のいずれかに記載の生体分子間の親和性を解析する方法。
(本発明において、合流フロー式流路とは、フロー式流路を2つ以上組合わせ、溶液を試料容器内で混合させる流路を意味する。)
.前記生体分子の少なくとも一方が核酸分子であることを特徴とする5〜いずれかに記載の生体分子間の親和性を解析する方法。
10.前記生体分子の少なくとも一方がタンパク質であり、前記試料溶液のpHを少なくとも一方のタンパク質の等電点でないpH、あるいは2つの生体分子の等電点に挟まれたpHに調製することを特徴とする5〜のいずれかに記載の生体分子間の親和性を解析する方法。
In the present invention, in order to solve the above problems, the following configurations 1 to 12 are adopted.
1. A sample container having at least a pair of electrodes, a light source, a local illumination unit, a high-magnification optical observation unit, a sorting optical filter, and an AC voltage application unit, and at least intends to analyze an affinity interaction in the sample container An affinity analysis apparatus for biomolecules , wherein two types of biomolecules are reciprocated by electrophoresis by applying an alternating voltage between the electrodes .
2. 2. The biomolecule affinity analysis apparatus according to 1, wherein the local illumination unit is a fluorescence excitation unit using fluorescence illumination, and includes a fluorescence excitation light source and a fluorescence selection optical filter.
3. 3. The biomolecule affinity analysis apparatus according to 2, wherein the local illumination means is fluorescence excitation means by evanescent illumination.
4). The sample container has a flow channel shape, a pair or a plurality of pairs of electrodes are arranged in the flow channel, and the biomolecule is electrophoresed by a frequency change of a voltage between the electrodes. 4. The biomolecule affinity analyzer according to any one of 3 above.
5. Interaction is discriminated in the sample container of the biomolecule affinity analyzer comprising at least a pair of electrodes, a light source, local illumination means, high-magnification optical observation means, sorting optical filter, and AC voltage application means By holding a solution of a mixture of at least two types of biomolecules and applying an alternating voltage between the electrodes , the biomolecules are reciprocated by electrophoresis in the solution, and before and after the reaction by affinity interaction. A method for analyzing affinity between biomolecules , wherein the association state of the biomolecules is evaluated by comparing changes in the maximum speed or movement distance of reciprocation of individual biomolecules .
6). 6. The method for analyzing affinity between biomolecules according to 5, wherein one of the biomolecules is a particle having a biomolecule fixed on a surface thereof.
7). 7. The method for analyzing affinity between biomolecules according to 5 or 6, wherein one of the biomolecules is fluorescently labeled.
8 . The sample container forms a flow path shape, when holding the sample solution, using a flow-type or merged-flow channel, the frequency change between the electrodes, a reciprocating movement by electrophoresis the biomolecule The method for analyzing affinity between biomolecules according to any one of 5 to 7 , wherein
(In the present invention, the merged flow channel means a channel in which two or more flow channels are combined and the solution is mixed in the sample container.)
9 . The method for analyzing affinity between biomolecules according to any one of 5 to 8, wherein at least one of the biomolecules is a nucleic acid molecule.
10 . At least one of the biomolecules is a protein, and the pH of the sample solution is adjusted to a pH that is not an isoelectric point of at least one protein, or a pH sandwiched between isoelectric points of two biomolecules. method of analyzing the affinity between bio-molecule of any of 5-9.

本発明によれば、少量の試料を使用し、簡単な操作により迅速かつ高精度で生体分子相互の親和性を解析することができる。本発明は、新規なタンパク質を解析する手段としても適応可能なものであり、実用的価値の高い発明である。   According to the present invention, it is possible to analyze the affinity between biomolecules quickly and with high accuracy by a simple operation using a small amount of sample. The present invention is applicable as a means for analyzing a novel protein, and has high practical value.

本発明の生体分子どうしの親和性を解析する装置は、少なくとも一対の電極を配置した試料容器、光源、局所照明手段、高倍率光学観察手段、選別光学フィルター及び交流電圧印加手段を具備するものである。そして、装置の試料容器に相互作用を判別する少なくとも2種類の生体分子の混合物の溶液を保持させ、電極間に交流電圧を印加することによって、生体分子を溶液中で往復運動させ、反応前後の個別の生体分子の運動の指標の変化を比較し、分子の会合状態を評価することで分子間の親和性を調べるものである。   The apparatus for analyzing the affinity between biomolecules of the present invention comprises a sample container having at least a pair of electrodes, a light source, local illumination means, high magnification optical observation means, sorting optical filter, and AC voltage application means. is there. Then, the sample container of the apparatus holds a solution of a mixture of at least two types of biomolecules for discriminating the interaction, and an alternating voltage is applied between the electrodes to reciprocate the biomolecules in the solution, before and after the reaction. By comparing changes in the motion index of individual biomolecules and evaluating the association state of the molecules, the affinity between the molecules is examined.

特に、局所照明手段としては、蛍光照明による蛍光励起手段を使用することが好ましく、蛍光励起光源及び蛍光選別光学フィルターによって、生体分子を表面に固定した蛍光粒子または蛍光標識した生体分子のみを検出し、その最大移動速度または移動距離(振幅)の変化を比較することによって、粒子または分子の会合状態を評価することで分子間の親和性を効率良く検出することができる。   In particular, as the local illumination means, it is preferable to use fluorescence excitation means by fluorescence illumination. Only the fluorescent particles or the fluorescently labeled biomolecules immobilized on the surface are detected by the fluorescence excitation light source and the fluorescence selection optical filter. By comparing changes in the maximum moving speed or moving distance (amplitude), the affinity between molecules can be efficiently detected by evaluating the state of association of particles or molecules.

また、試料容器を流路形状とし、流路内に一対あるいは複数対の電極を配置して、その電極間の電圧の周波数を変化させ、生体分子を表面に固定した粒子または生体分子を電気泳動させることによって、微量の試料により生体分子の親和性を検出することが可能となる。
さらに、試料容器を流路形状とし、微量な希薄試料溶液を保持する際に、フロー式あるいは合流フロー式流路を用いて、配置した電極間の電圧の周波数を変化させ、生体分子を表面に固定した粒子または生体分子を電気泳動させることによって、連続的な検出が可能となる。
In addition, the sample container has a flow channel shape, a pair or a plurality of pairs of electrodes are arranged in the flow channel, the voltage frequency between the electrodes is changed, and the biomolecules immobilized on the surface or the biomolecules are electrophoresed. By doing so, it becomes possible to detect the affinity of biomolecules with a very small amount of sample.
Furthermore, when the sample container is made into a flow channel shape and a small amount of dilute sample solution is held, the frequency of the voltage between the arranged electrodes is changed using a flow type or combined flow type flow channel so that the biomolecule is placed on the surface. Electrophoresis of fixed particles or biomolecules enables continuous detection.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
図1は、本発明の生体分子の親和性解析装置の1例を示す図で、(A)は装置の概略を示す模式図、(B)は該装置の試料容器に交流電圧を印加した状態を示す模式図である。この装置1は、少なくとも一対の電極103を配置した試料容器102、光源105、局所照明手段107、高倍率光学観察手段107、選別光学フィルター109及び交流電圧印加手段104を具備するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following specific examples do not limit the present invention.
1A and 1B are diagrams showing an example of the biomolecule affinity analysis apparatus of the present invention. FIG. 1A is a schematic diagram showing an outline of the apparatus, and FIG. 1B is a state in which an AC voltage is applied to a sample container of the apparatus. It is a schematic diagram which shows. The apparatus 1 includes a sample container 102 in which at least a pair of electrodes 103 are arranged, a light source 105, a local illumination unit 107, a high-magnification optical observation unit 107, a sorting optical filter 109, and an AC voltage application unit 104.

この装置1を使用して生体分子同士の親和性を解析するには、試料容器102内に相互作用を判別する少なくとも2種類の生体分子を表面に固定した粒子または生体分子101の混合物溶液を保持させ、交流電圧印加手段104により電極103,103間に交流電圧を印加することによって、判別する生体分子または判別する生体分子と生体分子を表面に固定した粒子101を溶液中で往復運動112させ〔図1(B)参照〕、反応前後の個別の粒子または分子の運動の指標の変化を比較することによって、粒子または分子の会合状態を評価することで分子間の親和性を調べるものである。   In order to analyze the affinity between biomolecules using this apparatus 1, a sample container 102 holds particles or a mixture solution of biomolecules 101 on which at least two types of biomolecules for discriminating interactions are fixed on the surface. By applying an AC voltage between the electrodes 103, 103 by the AC voltage applying means 104, the biomolecule to be discriminated or the particle 101 having the biomolecule to be discriminated and the biomolecule fixed on the surface is caused to reciprocate 112 in the solution [ In FIG. 1B, the affinity between molecules is examined by evaluating the state of association of the particles or molecules by comparing changes in the motion index of individual particles or molecules before and after the reaction.

図2は、本発明の生体分子の親和性解析装置の他の例を示す図である。
この装置2は、相互作用を判別する対象となる生体分子を表面に固定した粒子または生体分子として蛍光粒子または蛍光標識した分子201を使用するものである。この装置2では、図1の装置1における局所照明手段及び高倍率光学観察手段107を、試料容器202の下方に配置した局所照明手段及び高倍率光学観察手段207による蛍光照明あるいはエバネッセント照明212による蛍光励起手段とし、蛍光励起光源205及び蛍光選別光学フィルター209によって、蛍光粒子または蛍光標識した分子213のみを検出し、その運動の指標の変化を比較することによって、粒子または分子の会合状態を評価することにより分子間の親和性を調べるものである。
FIG. 2 is a diagram showing another example of the biomolecule affinity analysis apparatus of the present invention.
This device 2 uses fluorescent particles or fluorescently labeled molecules 201 as particles or biomolecules on which biomolecules to be discriminated for interaction are fixed on the surface. In this apparatus 2, the local illumination means and the high magnification optical observation means 107 in the apparatus 1 of FIG. 1 are replaced with the fluorescence illumination by the local illumination means and the high magnification optical observation means 207 arranged below the sample container 202 or the fluorescence by the evanescent illumination 212. As an excitation means, the fluorescence excitation light source 205 and the fluorescence sorting optical filter 209 detect only the fluorescent particles or the fluorescently labeled molecules 213, and evaluate the association state of the particles or molecules by comparing changes in the motion index. This is to check the affinity between molecules.

この装置2では、1種類あるいは複数種類の蛍光粒子または蛍光標識した分子201に合わせ、蛍光励起光源205及び蛍光選別光学フィルター209を選択することによって、試料容器202内にある検出対象とする蛍光粒子または蛍光標識した分子213のみを選別して検出することが可能である。
また、局所照明手段及び高倍率光学観察207をエバネッセント照明とした場合には、試料容器202内の照明範囲212が、蛍光照明と比べ、局所照明手段及び高倍率光学観察207に非常に近接した範囲(励起光206の波長と入射角に依存するが、一般的に100〜200nm)に限定することが可能であるため、より低いバックグラウンドノイズで蛍光検出が可能となる。
In this apparatus 2, fluorescent particles to be detected in the sample container 202 are selected by selecting the fluorescence excitation light source 205 and the fluorescence sorting optical filter 209 in accordance with one or more types of fluorescent particles or fluorescently labeled molecules 201. Alternatively, only the fluorescently labeled molecule 213 can be selected and detected.
When the local illumination means and the high magnification optical observation 207 are evanescent illumination, the illumination range 212 in the sample container 202 is a range that is very close to the local illumination means and the high magnification optical observation 207 as compared with the fluorescent illumination. Since it can be limited to (depending on the wavelength and incident angle of the excitation light 206 but generally 100 to 200 nm), fluorescence detection can be performed with lower background noise.

図3は、本発明の生体分子の親和性解析装置に使用する試料容器の他の例を示す模式図である。
図3(a)は、図1の装置1における試料容器102を流路形状を成した試料容器302としたものである。この試料容器302には一対の電極304を配し、交流電源303により電極間の電圧の周波数を変化させ、一対の電極304の部分までフローさせた相互作用を判別する粒子または分子301を電気泳動させることによって往復運動を検出するものである。
FIG. 3 is a schematic view showing another example of a sample container used in the biomolecule affinity analysis apparatus of the present invention.
FIG. 3A shows the sample container 102 in the apparatus 1 of FIG. 1 as a sample container 302 having a flow path shape. The sample container 302 is provided with a pair of electrodes 304, and the frequency of the voltage between the electrodes is changed by an AC power source 303, and the particles or molecules 301 that discriminate the interaction that has flowed to the pair of electrodes 304 are electrophoresed. By doing so, the reciprocating motion is detected.

また、図3(b)は、試料容器302として合流フロー式流路を用いて、一対の電極304の前にある合流部306で、一方の粒子または分子301と混合させる他方の粒子または分子305とを合流させるものである。
図3(c)は、流路形状を成した試料容器302内部に複数対の電極307を配置したものである。さらに、図3(d)は図3(a)、図3(e)は図3(b)において、それぞれ一対の電極304に代えて複数対の電極307を配置したものである。
FIG. 3B illustrates the other particle or molecule 305 to be mixed with one particle or molecule 301 at the merge portion 306 in front of the pair of electrodes 304 using a merged flow channel as the sample container 302. And join.
FIG. 3C shows a case where a plurality of pairs of electrodes 307 are arranged inside a sample container 302 having a channel shape. Further, FIG. 3D is a diagram in which a plurality of pairs of electrodes 307 are arranged in place of the pair of electrodes 304 in FIG. 3A and FIG. 3E in FIG.

図3のように試料容器を流路形状にすることで、検出対象とする粒子または分子を微量で希薄な試料溶液とすることが可能となり、その溶液を保持する際に、フロー式あるいは合流フロー式流路を用いることで、連続的な検出が可能となる。
また、図3(c)、(d)および(e)のように複数対の電極307を配置し、それぞれの電極間に異なった周波数変化をさせることにより、一対の電極の場合と比較して、最大移動速度または移動距離(振幅)のより大きな変化を得ることが可能となる。
By making the sample container into a flow channel shape as shown in FIG. 3, it becomes possible to make the particles or molecules to be detected a very small and dilute sample solution. When holding the solution, the flow type or the combined flow Continuous detection is possible by using an expression channel.
Also, as shown in FIGS. 3C, 3D, and 3E, a plurality of pairs of electrodes 307 are arranged, and different frequency changes are made between the respective electrodes, thereby comparing with the case of a pair of electrodes. It is possible to obtain a greater change in the maximum moving speed or moving distance (amplitude).

本発明の生体分子の親和性解析装置を構成する光源としては特に制限はないが、通常はアーク放電を発光体とする水銀ランプやキセノンランプ、特に超高圧水銀ランプが好適に用いられる。また、試料容器の構成材料は任意に選択することができるが、ポリメチルメタクリレート、ポリオレフィン等の透明性を有するプラスチックや、ガラス等が好適に用いられる。選別光学フィルターとしては、例えば市販の蛍光フィルターセットを使用して励起波長範囲と観察波長範囲を選択することができる。また、高倍率光学観察手段としては、各種顕微鏡の対物レンズを使用し、画像を検出するイメージセンサとしては、CCDカメラ等を用いることができる。   The light source constituting the biomolecule affinity analysis apparatus of the present invention is not particularly limited, but normally, a mercury lamp or xenon lamp using an arc discharge as a light emitter, particularly an ultrahigh pressure mercury lamp is preferably used. Further, the constituent material of the sample container can be arbitrarily selected, but transparent plastics such as polymethyl methacrylate and polyolefin, glass, and the like are preferably used. As the sorting optical filter, for example, a commercially available fluorescent filter set can be used to select an excitation wavelength range and an observation wavelength range. In addition, an objective lens of various microscopes can be used as the high magnification optical observation means, and a CCD camera or the like can be used as the image sensor for detecting an image.

本発明により親和性を解析する対象となる生体分子としては、タンパク質、DNA、RNA等の核酸分子等が挙げられる。
好適な解析対象としては、分子量が30〜150kDa程度のタンパク質、例えばアクチン、ストレプトアビジン、IgG、或いはサイズが20塩基対程度の二本鎖DNA、例えば転写因子認識配列等が挙げられる。
これらの生体分子は、生体分子そのものを測定対象とすることができるが、生体分子の少なくとも一方を平均粒径が0.1〜10μm程度の微粒子の表面に固定した状態で測定対象とすることも可能である。生体分子を表面に固定する微粒子としては、例えばポリスチレン等のプラスチックビーズや、シリカビーズ等通常この分野で使用される微粒子はいずれも使用することができる。
測定対象とする生体分子、或いは生体分子を表面に固定した粒子は,通常は例えばヒドロキシプロピルメチルセルロース等を含むリン酸緩衝液等を溶媒とする希薄水系溶液として測定される。これらの生体分子、或いは生体分子を表面に固定した粒子としては、少なくとも一方を蛍光標識したものを使用することが好ましい。
Examples of biomolecules for which affinity is analyzed according to the present invention include nucleic acid molecules such as proteins, DNA, and RNA.
Suitable analysis targets include proteins having a molecular weight of about 30 to 150 kDa, such as actin, streptavidin, IgG, or double-stranded DNA having a size of about 20 base pairs, such as a transcription factor recognition sequence.
Although these biomolecules can be measured, the biomolecules themselves can be measured, and at least one of the biomolecules can be measured with the surface of fine particles having an average particle size of about 0.1 to 10 μm being fixed. Is possible. As the fine particles for fixing the biomolecule to the surface, for example, any of the fine particles usually used in this field such as plastic beads such as polystyrene and silica beads can be used.
The biomolecule to be measured or the particle having the biomolecule fixed on the surface is usually measured as a dilute aqueous solution using, for example, a phosphate buffer solution containing hydroxypropylmethylcellulose or the like as a solvent. As these biomolecules or particles having the biomolecules immobilized on the surface, it is preferable to use at least one of which is fluorescently labeled.

核酸分子は負電荷を持ち、その電荷量は、核酸分子の塩基配列には依存せず、核酸分子の塩基長及び分子数に比例する。前記生体分子の少なくとも一方が核酸分子である場合、分子の会合状態によって粒子または分子の表面電荷に変化が生じるようなpH2〜pH10の範囲に試料溶液を調製することによって、最大移動速度または移動距離(振幅)の変化の検出が可能である。核酸分子が二本鎖DNAである場合、DNAが安定して二本鎖を形成する試料溶液のpHにおいて測定を行う必要がある。   A nucleic acid molecule has a negative charge, and the amount of charge does not depend on the base sequence of the nucleic acid molecule, and is proportional to the base length and the number of molecules of the nucleic acid molecule. When at least one of the biomolecules is a nucleic acid molecule, by preparing a sample solution in a pH range of pH 2 to pH 10 such that the surface charge of the particle or molecule changes depending on the association state of the molecule, the maximum moving speed or moving distance It is possible to detect changes in (amplitude). When the nucleic acid molecule is double-stranded DNA, it is necessary to perform measurement at the pH of the sample solution in which the DNA stably forms a double strand.

タンパク質は固有の等電点において見かけの電荷が0となるため、測定対象とする生体分子の少なくとも一方がタンパク質である場合、前記微量な希薄試料溶液が少なくとも一方のタンパク質の等電点でないpH、あるいは2つの等電点に挟まれたpHに調製することで、反応前後の個別の粒子または分子の最大移動速度または移動距離(振幅)の変化を大きくすることができる。生体分子の親和性のpH依存性を調べる場合には、等電点を考慮しながら測定を行うことになる。   Since the apparent charge at a specific isoelectric point of a protein is 0, when at least one of the biomolecules to be measured is a protein, the pH of the dilute sample solution is not the isoelectric point of at least one protein, Alternatively, by adjusting the pH to be sandwiched between two isoelectric points, the change in the maximum moving speed or moving distance (amplitude) of individual particles or molecules before and after the reaction can be increased. When investigating the pH dependence of the affinity of a biomolecule, the measurement is performed while taking into account the isoelectric point.

図4は、本発明の生体分子親和性解析装置を使用して得られる結果を説明する図である。図4(a)は、振幅電圧一定の場合の周波数fの2つの条件について、相互作用を判別する粒子または分子のもつ電荷に対する最大移動速度vmaxの関係を示している。振幅電圧一定の測定を行う場合、最大移動速度vmaxの絶対値は、周波数fに依存せず、電荷に依存した値となる。振幅電圧一定の測定を行うことにより、親和性がある場合、電荷の変化により、最大移動速度vmaxが変化することを示している。
図4(b)は、振幅電圧一定の場合の周波数fの2つの条件について、相互作用を判別する粒子または分子のもつ電荷に対する移動距離(振幅)Aの関係を示している。振幅電圧一定の測定を行う場合、周波数fが大きいほど、移動距離(振幅)Aの絶対値が小さくなる。振幅電圧一定、かつ周波数f一定の測定を行うことにより、親和性がある場合、電荷の変化により、移動距離(振幅)Aが変化することを示している。
図4(c)は、相互作用を判別する粒子または分子のもつ電荷の4つの条件について、振幅電圧一定の場合の周波数fに対する最大移動速度vmaxの関係を示している。振幅電圧一定の測定を行う場合、最大移動速度vmaxの絶対値は、周波数fに依存せず、電荷に依存した値となる。振幅電圧一定の測定を行うことにより、親和性がある場合、電荷の変化により、最大移動速度vmaxが変化することを示している。
図4(d)は、相互作用を判別する粒子または分子のもつ電荷の4つの条件について、振幅電圧一定の場合の周波数fに対する移動距離(振幅)Aの関係を示している。振幅電圧一定の測定を行う場合、周波数fが大きいほど、移動距離(振幅)Aの絶対値が小さくなり、電荷の絶対値が大きいほど、移動距離(振幅)Aの絶対値は大きい。振幅電圧一定、かつ周波数f一定の測定を行うことにより、親和性がある場合、電荷の変化により、移動距離(振幅)Aが変化することを示している。
本装置を使用して生体分子の親和性を調べる場合、最大移動速度または移動距離(振幅)の変化が最も大きい条件で測定することによって、より高精度な結果を得ることが可能である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the results obtained using the biomolecule affinity analyzer of the present invention. FIG. 4A shows the relationship between the maximum moving velocity vmax with respect to the charge of the particle or molecule for determining the interaction under the two conditions of the frequency f when the amplitude voltage is constant. When measurement with a constant amplitude voltage is performed, the absolute value of the maximum movement speed vmax does not depend on the frequency f but depends on the charge. By performing measurement with a constant amplitude voltage, it is shown that the maximum moving speed vmax changes due to a change in charge when there is affinity.
FIG. 4B shows the relationship of the movement distance (amplitude) A with respect to the charge of the particle or molecule for determining the interaction under the two conditions of the frequency f when the amplitude voltage is constant. When performing measurement with a constant amplitude voltage, the absolute value of the moving distance (amplitude) A decreases as the frequency f increases. By performing measurement with constant amplitude voltage and constant frequency f, it is shown that the movement distance (amplitude) A changes due to a change in charge when there is affinity.
FIG. 4C shows the relationship of the maximum moving speed vmax with respect to the frequency f when the amplitude voltage is constant for the four conditions of the electric charge of the particle or molecule for discriminating the interaction. When measurement with a constant amplitude voltage is performed, the absolute value of the maximum movement speed vmax does not depend on the frequency f but depends on the charge. By performing measurement with a constant amplitude voltage, it is shown that the maximum moving speed vmax changes due to a change in charge when there is affinity.
FIG. 4D shows the relationship of the moving distance (amplitude) A with respect to the frequency f when the amplitude voltage is constant for the four conditions of the electric charge of the particle or molecule for discriminating the interaction. When measuring with a constant amplitude voltage, the absolute value of the moving distance (amplitude) A decreases as the frequency f increases, and the absolute value of the moving distance (amplitude) A increases as the absolute value of the charge increases. By performing measurement with constant amplitude voltage and constant frequency f, it is shown that the movement distance (amplitude) A changes due to a change in charge when there is affinity.
When investigating the affinity of biomolecules using this apparatus, it is possible to obtain a more accurate result by measuring under conditions where the change in maximum movement speed or movement distance (amplitude) is the largest.

つぎに、本発明の生体分子の親和性解析装置、及び該解析装置により生体高分子の親和性を解析する方法について、実施例によりさらに説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
(実施例1)
図2に示す生体分子の親和性解析装置2において、光源205として市販の倒立蛍光顕微鏡(ニコンインストルメンツカンパニー製、TE2000−U)の超高圧水銀ランプを用いた。幅60mm、奥行き40mm、厚さ1mmのポリメチルメタクリレート板の中央に幅方向に沿って、長さ40mm、幅375μm、深さ400μmの溝状の流路をエキシマレーザー加工機(ビーム社製)により切削し、長さ方向の両端部に直径2.5mmの貫通孔を設けた後に、幅50mm、奥行き40mm、厚さ0.17mmのカバーガラスで覆って、流路状の試料容器202を構成した。ポリメチルメタクリレート板とカバーガラスの間にはメルカプトエステルを成分とするUV硬化接着剤を流し込み、紫外光を10分間照射して接着剤を硬化させた。この流路の両端部には、径0.5mmの白金線からなる一対の電極203を配置した。この試料容器202の下方には、蛍光選別フィルター209として緑色検出用の標準フィルターセット(ニコンインストルメンツカンパニー製、G−2A)、及びイメージセンサ211として冷却CCDカメラを配置した。
この装置では、流路状の試料容器202に測定対象とする少なくとも2種類の生体分子201の希釈溶液を試料容器202の一方の貫通孔から注入し、流路内を生体分子201の希釈溶液で完全に充填した。交流印加手段204となる交流電源から電圧0〜300V、周波数0.1〜1.0Hzの交流電圧を例えば15秒間程度印加し、交流電圧を印加している間、CCDカメラにより生体分子201の往復運動の連続画像を取得し、生体分子の最大移動距離(振幅)から生体分子相互作用の親和性を解析するものである。
Next, the biomolecule affinity analysis apparatus of the present invention and the method of analyzing the affinity of biopolymers using the analysis apparatus will be further described by way of examples. The following specific examples are intended to limit the present invention. is not.
Example 1
In the biomolecule affinity analysis apparatus 2 shown in FIG. 2, a commercially available inverted fluorescent microscope (manufactured by Nikon Instruments Company, TE2000-U) as a light source 205 was used. An excimer laser processing machine (manufactured by Beam Co., Ltd.) forms a groove-like channel having a length of 40 mm, a width of 375 μm and a depth of 400 μm along the width direction in the center of a polymethyl methacrylate plate having a width of 60 mm, a depth of 40 mm, and a thickness of 1 mm After cutting and providing through holes with a diameter of 2.5 mm at both ends in the length direction, the flow path-shaped sample container 202 was configured by covering with a cover glass having a width of 50 mm, a depth of 40 mm, and a thickness of 0.17 mm. . A UV curable adhesive containing mercaptoester as a component was poured between the polymethyl methacrylate plate and the cover glass, and ultraviolet light was irradiated for 10 minutes to cure the adhesive. A pair of electrodes 203 made of a platinum wire having a diameter of 0.5 mm was disposed at both ends of the flow path. Below this sample container 202, a standard filter set for green color detection (G-2A, manufactured by Nikon Instruments Co., Ltd.) is arranged as the fluorescence sorting filter 209, and a cooled CCD camera is arranged as the image sensor 211.
In this apparatus, a dilute solution of at least two types of biomolecules 201 to be measured is injected into a flow path-like sample container 202 from one through hole of the sample container 202, and the dilute solution of the biomolecule 201 is filled in the flow path. Fully filled. An AC voltage having a voltage of 0 to 300 V and a frequency of 0.1 to 1.0 Hz is applied from an AC power source serving as the AC applying means 204 for about 15 seconds, for example, and the biomolecule 201 is reciprocated by the CCD camera while the AC voltage is being applied. A continuous image of motion is acquired, and the affinity of biomolecule interaction is analyzed from the maximum movement distance (amplitude) of the biomolecule.

(実施例2)
印加する交流電圧の電圧依存性や周波数依存性を測定するため、測定対象として、直径1.0μmの球状粒子の表面にカルボキシル基が導入されたポリスチレン蛍光ビーズ〔インビトロジェン社製、FluoSpheres polystyrene microspheres, 1.0μm, orange fluorescent(540/560)〕を使用した。このビーズを測定装置に導入するための水溶液としては、0.25%ヒドロキシプロピルメチルセルロースを含む10mMリン酸緩衝液(pH7.0)を用いた。
(Example 2)
In order to measure the voltage dependency and frequency dependency of the AC voltage to be applied, polystyrene fluorescent beads having a carboxyl group introduced on the surface of a spherical particle having a diameter of 1.0 μm (manufactured by Invitrogen, Fluospheres polystyrene microspheres, 1 0 μm, orange fluorescent (540/560)]. A 10 mM phosphate buffer solution (pH 7.0) containing 0.25% hydroxypropylmethylcellulose was used as an aqueous solution for introducing the beads into the measuring apparatus.

印加する交流電圧の電圧依存性や周波数依存性の測定は、実施例1の解析装置2の試料容器202の流路内にこれらの測定試料を充填し、流路の中心付近を冷却CCDカメラで蛍光観察し、水溶液中のビーズの動きが測定する往復運動より十分小さくなってから交流電圧を印加し、連続画像を取得した。取得した画像から任意のビーズ10個を選択し、それぞれの連続画像上の座標から、ビーズの往復運動の最大移動距離、即ち振幅を取得した。
測定条件として、この測定試料に対して、周波数を0.1,0.2,0.3Hzで交流電圧を50,100,200,300V(12.5,25,50,75V/cm)印加し、データを解析した。その結果、各周波数の印加電圧あたりの振幅は、0.1Hzでは290μm/100V(相関係数0.86)、0.2Hzでは100μm/100V(相関係数0.98)、0.3Hzでは54μm/100V(相関係数0.98)の比例関係があった。また、各印加電圧の周波数あたりの振幅は、反比例の関係があった。
測定を行った周波数の範囲では、周波数が高くなるほど振幅が小さくなり、0.2Hzおよび0.3Hzで印加電圧あたりの振幅の相関が高い結果となった。
The measurement of the voltage dependence and frequency dependence of the AC voltage to be applied is performed by filling these measurement samples in the flow path of the sample container 202 of the analysis apparatus 2 of Example 1, and using a cooled CCD camera in the vicinity of the center of the flow path. After observing fluorescence, an alternating voltage was applied after the movement of the beads in the aqueous solution was sufficiently smaller than the reciprocating motion to measure, and continuous images were acquired. Ten arbitrary beads were selected from the acquired images, and the maximum moving distance, that is, the amplitude of the reciprocating motion of the beads was acquired from the coordinates on each continuous image.
As measurement conditions, an AC voltage of 50, 100, 200, 300 V (12.5, 25, 50, 75 V / cm) was applied to the measurement sample at a frequency of 0.1, 0.2, 0.3 Hz. The data was analyzed. As a result, the amplitude per applied voltage at each frequency is 290 μm / 100 V (correlation coefficient 0.86) at 0.1 Hz, 100 μm / 100 V (correlation coefficient 0.98) at 0.2 Hz, and 54 μm at 0.3 Hz. There was a proportional relationship of / 100V (correlation coefficient 0.98). Moreover, the amplitude per frequency of each applied voltage had an inversely proportional relationship.
In the frequency range where the measurement was performed, the amplitude decreased as the frequency increased, and the correlation of the amplitude per applied voltage was high at 0.2 Hz and 0.3 Hz.

(実施例3)
水溶液のpHによる振幅の変化を測定するため、測定対象として、実施例2と同じ直径1.0μmの球状粒子の表面にカルボキシル基が導入されたポリスチレン蛍光ビーズを使用した。このビーズを測定装置に導入するための水溶液としては、0.25%ヒドロキシプロピルメチルセルロースを含む広域緩衝液(0.1Mクエン酸水溶液に0.2Mリン酸二水素ナトリウム水溶液を加え、目的とするpHに調製した緩衝液)を用いた。
(Example 3)
In order to measure the change in amplitude due to the pH of the aqueous solution, polystyrene fluorescent beads in which carboxyl groups were introduced on the surface of spherical particles having the same diameter of 1.0 μm as in Example 2 were used as measurement targets. As an aqueous solution for introducing the beads into the measuring apparatus, a broad buffer solution containing 0.25% hydroxypropylmethylcellulose (a 0.2 M sodium dihydrogen phosphate aqueous solution is added to a 0.1 M citric acid aqueous solution to obtain a target pH). The buffer solution prepared in (1) was used.

水溶液のpHによる振幅の変化の測定は、実施例1の解析装置2の試料容器202の流路内にこれらの測定試料を充填し、流路の中心付近を冷却CCDカメラで蛍光観察し、水溶液中のビーズの動きが測定する往復運動より十分小さくなってから交流電圧を印加し、連続画像を取得した。取得した画像から任意のビーズ10個を選択し、それぞれの連続画像上の座標から、ビーズの往復運動の最大移動距離、即ち振幅を取得した。
測定条件として、この測定試料の水溶液のpHを4.0、5.0、6.0、7.0、8.0とし、周波数を0.2Hzで交流電圧を200V(50V/cm)印加し、データを解析した。その結果、各pHでの振幅は、pH4.0では6.4μm(標準偏差1.8μm)、pH5.0では25.6μm(標準偏差1.8μm)、pH6.0では38.7μm(標準偏差10.6μm)、pH7.0では55.4μm(標準偏差7.8μm)、pH8.0では164μm(標準偏差13.2μm)となった。
測定を行ったpHの範囲では、pHが高くなるほど振幅が大きくなり、測定試料の電荷によって振幅が変化することが判った。
The change in amplitude due to the pH of the aqueous solution is measured by filling these measurement samples in the flow path of the sample container 202 of the analysis apparatus 2 of Example 1, and observing the vicinity of the center of the flow path with a cooled CCD camera for fluorescence observation. After the movement of the beads in the inside was sufficiently smaller than the reciprocating motion to be measured, an alternating voltage was applied to obtain continuous images. Ten arbitrary beads were selected from the acquired images, and the maximum moving distance, that is, the amplitude of the reciprocating motion of the beads was acquired from the coordinates on each continuous image.
As measurement conditions, the pH of the aqueous solution of this measurement sample was set to 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, the frequency was 0.2 Hz, and an alternating voltage of 200 V (50 V / cm) was applied. The data was analyzed. As a result, the amplitude at each pH was 6.4 μm (standard deviation 1.8 μm) at pH 4.0, 25.6 μm (standard deviation 1.8 μm) at pH 5.0, and 38.7 μm (standard deviation) at pH 6.0. 10.6 μm), pH 7.0 was 55.4 μm (standard deviation 7.8 μm), and pH 8.0 was 164 μm (standard deviation 13.2 μm).
It was found that in the pH range in which the measurement was performed, the amplitude increased as the pH increased, and the amplitude varied depending on the charge of the measurement sample.

(実施例4)
異種タンパク質の固定化による振幅の変化を測定するため、測定対象となる生体分子として、タンパク質のイムノグロブリンG(IgG:分子量150kDa、等電点pI7付近)、及びアクチン(分子量43kDa、等電点pI5付近)を使用した。これらの生体分子を測定装置に導入するための水溶液としては、0.25%ヒドロキシプロピルメチルセルロースを含む10mMリン酸緩衝液(pH7.0)を用いた。
これらの生体分子を表面に固定する粒子として、実施例2と同じ直径1.0μmの球状粒子の表面にカルボキシル基が導入されたポリスチレン蛍光ビーズ(以下、「非固定ビーズ」という)を使用し、このビーズにタンパク質のイムノグロブリンG(IgG:分子量150kDa)をカルボジイミドで固定化した(以下、「IgGビーズ」という)。同様に、このビーズにタンパク質のアクチン(分子量43kDa)をカルボジイミドで固定化した(以下、「アクチンビーズ」という)。
Example 4
In order to measure changes in amplitude due to immobilization of heterologous proteins, protein immunoglobulin G (IgG: molecular weight 150 kDa, near isoelectric point pI7) and actin (molecular weight 43 kDa, isoelectric point pI5) are measured as biomolecules. Nearby). As an aqueous solution for introducing these biomolecules into the measuring apparatus, a 10 mM phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.25% hydroxypropylmethylcellulose was used.
As particles for immobilizing these biomolecules on the surface, polystyrene fluorescent beads (hereinafter referred to as “non-immobilized beads”) in which carboxyl groups are introduced on the surface of spherical particles having the same diameter of 1.0 μm as in Example 2, A protein immunoglobulin G (IgG: molecular weight 150 kDa) was immobilized on the beads with carbodiimide (hereinafter referred to as “IgG beads”). Similarly, protein actin (molecular weight 43 kDa) was immobilized on the beads with carbodiimide (hereinafter referred to as “actin beads”).

つぎに、上記10mMリン酸緩衝液に対して、非固定ビーズ、IgGビーズ、アクチンビーズをそれぞれ混和させて測定試料を調製した。
異種タンパク質の固定化による振幅の変化の測定は、実施例1の解析装置2の試料容器202の流路内にこれらの測定試料を充填し、流路の中心付近を冷却CCDカメラで蛍光観察し、水溶液中のビーズの動きが測定する往復運動より十分小さくなってから交流電圧を印加し、連続画像を取得した。取得した画像から任意のビーズ10個を選択し、それぞれの連続画像上の座標から、ビーズの往復運動の最大移動距離、即ち振幅を取得した。
測定条件として、これらの測定試料に対して、周波数を0.3Hzで交流電圧を250V(63V/cm)印加し、データを解析した。その結果、各試料の振幅として、非固定ビーズでは45.3μm(標準偏差7.9μm)、IgGビーズでは32.0μm(標準偏差4.2μm)、アクチンビーズでは63.8μm(標準偏差12.8μm)であり、アクチンビーズ、非固定ビーズ、IgGビーズの順に振幅が大きかった。
IgGビーズでは、水溶液(pH7.0)のpHとIgG(等電点pI7付近)の等電点pIが近いため、電荷が小さくなる。一方、アクチンビーズでは、水溶液と(pH7.0)のpHとアクチン(等電点pI5付近)の等電点pIが遠いため、電荷が大きくなる。そのため、非固定ビーズと比較して、IgGビーズでは振幅が小さく、アクチンビーズでは振幅が大きくなったことが判る。
Next, non-fixed beads, IgG beads, and actin beads were mixed with the 10 mM phosphate buffer to prepare a measurement sample.
The measurement of the change in amplitude due to the immobilization of the heterogeneous protein is performed by filling these measurement samples in the flow path of the sample container 202 of the analysis apparatus 2 of Example 1, and observing the vicinity of the center of the flow path with a cooled CCD camera. An alternating voltage was applied after the movement of the beads in the aqueous solution was sufficiently smaller than the reciprocating motion to be measured, and continuous images were acquired. Ten arbitrary beads were selected from the acquired images, and the maximum moving distance, that is, the amplitude of the reciprocating motion of the beads was acquired from the coordinates on each continuous image.
As measurement conditions, an AC voltage of 250 V (63 V / cm) was applied to these measurement samples at a frequency of 0.3 Hz, and data was analyzed. As a result, the amplitude of each sample was 45.3 μm (standard deviation 7.9 μm) for non-fixed beads, 32.0 μm (standard deviation 4.2 μm) for IgG beads, and 63.8 μm (standard deviation 12.8 μm) for actin beads. The amplitude was larger in the order of actin beads, non-immobilized beads, and IgG beads.
In the case of IgG beads, since the pH of the aqueous solution (pH 7.0) and the isoelectric point pI of IgG (near the isoelectric point pI7) are close, the charge becomes small. On the other hand, in the actin beads, the pH of the aqueous solution (pH 7.0) and the isoelectric point pI of actin (near the isoelectric point pI5) are far away, so that the charge becomes large. Therefore, it can be seen that the IgG beads have a smaller amplitude and the actin beads have a larger amplitude than the non-fixed beads.

(実施例5)
測定対象となる生体分子として、タンパク質のイムノグロブリンG(IgG:分子量150kDa)、ビオチン化IgG(分子量150kDa)、及びストレプトアビジン(分子量60kDa)を使用した。これらの生体分子を測定装置に導入するための水溶液としては、0.25%ヒドロキシプロピルメチルセルロースを含む10mMリン酸緩衝液(pH7.0)を用いた。
これらの生体分子を表面に固定する粒子として、実施例2と同じ直径1.0μmの球状粒子の表面にカルボキシル基が導入されたポリスチレン蛍光ビーズを使用し、このビーズにタンパク質のイムノグロブリンG(IgG:分子量150kDa)をカルボジイミドで固定化した(以下、「非ビオチン化ビーズ」という)。つぎに、定法により非ビオチン化ビーズのIgGをビオチン化試薬によってビオチン化したビーズ(以下、「ビオチン化ビーズ」)を調製した。
(Example 5)
As biomolecules to be measured, protein immunoglobulin G (IgG: molecular weight 150 kDa), biotinylated IgG (molecular weight 150 kDa), and streptavidin (molecular weight 60 kDa) were used. As an aqueous solution for introducing these biomolecules into the measuring apparatus, a 10 mM phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.25% hydroxypropylmethylcellulose was used.
As particles for immobilizing these biomolecules on the surface, polystyrene fluorescent beads having a carboxyl group introduced on the surface of spherical particles having the same diameter of 1.0 μm as in Example 2 were used, and protein immunoglobulin G (IgG) was used as the beads. : Molecular weight 150 kDa) was immobilized with carbodiimide (hereinafter referred to as “non-biotinylated beads”). Next, beads obtained by biotinylating IgG of non-biotinylated beads with a biotinylation reagent by a conventional method (hereinafter referred to as “biotinylated beads”) were prepared.

つぎに、上記10mMリン酸緩衝液に対して、非ビオチン化ビーズのみ、ビオチン化ビーズのみ、0.1mg/mLストレプトアビジン(分子量約60kDa)及び非ビオチン化ビーズ、0.1mg/mLストレプトアビジン及びビオチン化ビーズ、をそれぞれ混和させて測定試料を調製した。
生体分子の親和性の測定は、実施例1の解析装置2の試料容器202の流路内にこれらの測定試料を充填し、流路の中心付近を冷却CCDカメラで蛍光観察し、水溶液中のビーズの動きが測定する往復運動より十分小さくなってから交流電圧を印加し、連続画像を取得した。取得した画像から任意のビーズ10個を選択し、それぞれの連続画像上の座標から、ビーズの往復運動の最大移動距離、即ち振幅を取得した。
測定条件として、これらの測定試料に対して、周波数を0.2Hzで交流電圧を300V(75V/cm)印加し、データを解析した。その結果、各試料の振幅として、非ビオチン化ビーズのみの試料では151μm(標準偏差18μm)、ストレプトアビジン及び非ビオチン化ビーズを混和した試料では143μm(標準偏差13μm)となり、6%程度の差であったのに対して、ビオチン化ビーズのみの試料では94.1μm(標準偏差4.6μm)、ストレプトアビジン及びビオチン化ビーズを混和した試料では39.3μm(標準偏差8.7μm)となり、ストレプトアビジン及びビオチン化ビーズを混和した試料では、ビオチン化ビーズのみの試料の振幅の42%程度であった。
ストレプトアビジン及び非ビオチン化ビーズを混和した試料の振幅は、非ビオチン化ビーズのみの試料の振幅との差が小さいので、表面の電荷に大きな変化がなく、ストレプトアビジンと非ビオチン化ビーズの間の親和性が低いことが判る。一方、ストレプトアビジン及びビオチン化ビーズを混和した試料の振幅は、ビオチン化ビーズのみの試料の振幅との差が大きいので、表面の電荷に大きな変化があり、ストレプトアビジンとビオチン化ビーズの間の親和性が高いことが判る。
Next, for the 10 mM phosphate buffer, only non-biotinylated beads, only biotinylated beads, 0.1 mg / mL streptavidin (molecular weight of about 60 kDa) and non-biotinylated beads, 0.1 mg / mL streptavidin and Biotinylated beads were mixed to prepare measurement samples.
The affinity of the biomolecule is measured by filling these measurement samples into the flow path of the sample container 202 of the analyzer 2 of Example 1, and observing the vicinity of the center of the flow path with a cooled CCD camera to observe the fluorescence in the aqueous solution. After the movement of the beads was sufficiently smaller than the reciprocating motion to be measured, an alternating voltage was applied and continuous images were acquired. Ten arbitrary beads were selected from the acquired images, and the maximum moving distance, that is, the amplitude of the reciprocating motion of the beads was acquired from the coordinates on each continuous image.
As measurement conditions, an AC voltage of 300 V (75 V / cm) was applied to these measurement samples at a frequency of 0.2 Hz, and the data was analyzed. As a result, the amplitude of each sample was 151 μm (standard deviation 18 μm) for the sample containing only non-biotinylated beads, and 143 μm (standard deviation 13 μm) for the sample mixed with streptavidin and non-biotinylated beads, with a difference of about 6%. In contrast, 94.1 μm (standard deviation 4.6 μm) for the sample containing only biotinylated beads and 39.3 μm (standard deviation 8.7 μm) for the sample mixed with streptavidin and biotinylated beads, and streptavidin. In the sample mixed with biotinylated beads, it was about 42% of the amplitude of the sample containing only biotinylated beads.
The amplitude of the sample mixed with streptavidin and non-biotinylated beads is small compared to the amplitude of the sample with only non-biotinylated beads, so there is no significant change in the surface charge, and there is no significant difference between the streptavidin and non-biotinylated beads. It can be seen that the affinity is low. On the other hand, the amplitude of the sample mixed with streptavidin and biotinylated beads is largely different from the amplitude of the sample with only biotinylated beads, so there is a large change in the surface charge, and the affinity between streptavidin and biotinylated beads is large. It turns out that the nature is high.

これらの結果によれば、交流電圧印加時に水溶液中での生体分子を表面に固定したビーズの往復運動の速度や振幅の変化から、測定対象とする生体分子同士の親和性の有無を簡便に測定できることが判明した。
測定対象となる生体分子として核酸分子を使用する場合には、核酸分子はタンパク質と異なり、負電荷を持ち、その電荷量は、核酸分子の塩基配列には依存せず、核酸分子の塩基長及び分子数に比例するため、実施例5の様にタンパク質の親和性が測定可能であれば、同様に測定可能である。
According to these results, the presence or absence of affinity between the biomolecules to be measured can be easily measured from the changes in the speed and amplitude of the reciprocating motion of the beads that fixed the biomolecules in the aqueous solution to the surface when an AC voltage is applied. It turns out that you can.
When a nucleic acid molecule is used as a biomolecule to be measured, the nucleic acid molecule has a negative charge unlike a protein, and the amount of charge does not depend on the base sequence of the nucleic acid molecule. Since it is proportional to the number of molecules, if protein affinity can be measured as in Example 5, it can be measured in the same manner.

本発明の生体分子親和性解析装置の1例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the biomolecule affinity analysis apparatus of this invention. 本発明の生体分子親和性解析装置の他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the biomolecule affinity analysis apparatus of this invention. 本発明の生体分子親和性解析装置の他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the biomolecule affinity analysis apparatus of this invention. 本発明の生体分子親和性解析装置を使用して得られる結果の説明図である。It is explanatory drawing of the result obtained using the biomolecule affinity analysis apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101、301、305 相互作用を判別する粒子または分子
102、202、302 試料容器
103、203、304、307 一対の電極
104、204、303 交流電圧印加手段
105 光源
106 光
107、207 局所照明手段及び高倍率光学観察
108 像
109 選別光学フィルター
110 光学フィルターによって選別された像
111 イメージセンサ
112 粒子または分子の往復運動
201、213 蛍光粒子または蛍光標識分子
205 蛍光励起光源
206 励起光
208 蛍光励起像
209 蛍光選別光学フィルター
210 光学フィルターによって選別された蛍光励起像
211 蛍光イメージセンサ
212 蛍光照明あるいはエバネッセント照明
302 流路形状を成した試料容器
306 合流フロー式流路の合流部
101, 301, 305 Particles or molecules for discriminating the interaction 102, 202, 302 Sample container 103, 203, 304, 307 Pair of electrodes 104, 204, 303 AC voltage applying means 105 Light source 106 Light 107, 207 Local illumination means and High magnification optical observation 108 Image 109 Sorting optical filter 110 Image 111 sorted by optical filter Image sensor 112 Reciprocating motion of particles or molecules 201, 213 Fluorescent particles or fluorescent labeled molecules 205 Fluorescence excitation light source 206 Excitation light 208 Fluorescence excitation image 209 Fluorescence Selection optical filter 210 Fluorescence excitation image 211 selected by the optical filter Fluorescence image sensor 212 Fluorescent illumination or evanescent illumination 302 Sample container 306 having a flow channel shape Merge portion of a merge flow type flow channel

Claims (10)

少なくとも一対の電極を配置した試料容器、光源、局所照明手段、高倍率光学観察手段、選別光学フィルター及び交流電圧印加手段を具備し、前記試料容器内で、親和性相互作用を解析しようとする少なくとも2種類の生体分子に対し、前記電極間に交流電圧を印加することによって、電気泳動による往復運動させることを特徴とする生体分子の親和性解析装置。 At least at least a sample container disposed a pair of electrodes, a light source, a local illumination means, a high magnification optical observation means, comprising a sorting optical filter and alternating-current voltage applying means, in the sample container, to be analyzed for affinity interactions to two biological molecules, by applying an AC voltage between the electrodes, the affinity analyzer of biomolecules, characterized in that to the reciprocating motion by electrophoresis. 前記局所照明手段が蛍光照明による蛍光励起手段であって、蛍光励起光源及び蛍光選別光学フィルターを有することを特徴とする請求項1に記載の生体分子の親和性解析装置。   The biomolecule affinity analysis apparatus according to claim 1, wherein the local illumination means is fluorescence excitation means by fluorescence illumination, and includes a fluorescence excitation light source and a fluorescence selection optical filter. 前記局所照明手段がエバネッセント照明による蛍光励起手段であることを特徴とする請求項2に記載の生体分子の親和性解析装置。   3. The biomolecule affinity analysis apparatus according to claim 2, wherein the local illumination means is fluorescence excitation means by evanescent illumination. 前記試料容器が流路形状を成し、前記流路内に一対あるいは複数対の電極を配置し、前記電極間に交流電圧を印加することによって、前記生体分子を電気泳動による往復運動をさせることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の生体分子の親和性解析装置。 The sample container has a flow channel shape, a pair or a plurality of pairs of electrodes are disposed in the flow channel, and an alternating voltage is applied between the electrodes, thereby causing the biomolecule to reciprocate by electrophoresis. The biomolecule affinity analyzer according to any one of claims 1 to 3. 少なくとも一対の電極を配置した試料容器、光源、局所照明手段、高倍率光学観察手段、選別光学フィルター及び交流電圧印加手段を具備する生体分子の親和性解析装置の試料容器に、相互作用を判別する少なくとも2種類の生体分子の混合物の溶液を保持させ、前記電極間に交流電圧を印加することによって、前記生体分子を前記溶液中で電気泳動による往復運動をさせ親和性相互作用による反応前後の個別の生体分子の往復運動の最大速度または移動距離の変化を比較することによって、前記生体分子の会合状態を評価することを特徴とする生体分子間の親和性を解析する方法。 Interaction is discriminated in the sample container of the biomolecule affinity analyzer comprising at least a pair of electrodes, a light source, local illumination means, high-magnification optical observation means, sorting optical filter, and AC voltage application means By holding a solution of a mixture of at least two types of biomolecules and applying an alternating voltage between the electrodes , the biomolecules are reciprocated by electrophoresis in the solution, and before and after the reaction by affinity interaction. A method for analyzing affinity between biomolecules, wherein the association state of the biomolecules is evaluated by comparing changes in the maximum speed or movement distance of reciprocation of individual biomolecules . 前記生体分子の一方が、生体分子を表面に固定した粒子であることを特徴とする請求項5に記載の生体分子間の親和性を解析する方法。   6. The method for analyzing affinity between biomolecules according to claim 5, wherein one of the biomolecules is a particle having a biomolecule fixed on a surface thereof. 前記生体分子の一方が蛍光標識されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の生体分子間の親和性を解析する方法。   The method for analyzing affinity between biomolecules according to claim 5 or 6, wherein one of the biomolecules is fluorescently labeled. 前記試料容器が流路形状を成し、前記試料溶液を保持する際に、フロー式あるいは合流フロー式流路を用いて、前記電極間の周波数変化によって、前記生体分子を電気泳動による往復運動をさせることを特徴とする請求項5〜のいずれかに記載の生体分子間の親和性を解析する方法。 The sample container forms a flow path shape, when holding the sample solution, using a flow-type or merged-flow channel, the frequency change between the electrodes, a reciprocating movement by electrophoresis the biomolecule The method for analyzing affinity between biomolecules according to any one of claims 5 to 7 , wherein: 前記生体分子の少なくとも一方が核酸分子であることを特徴とする請求項5〜のいずれかに記載の生体分子間の親和性を解析する方法。 The method for analyzing affinity between biomolecules according to any one of claims 5 to 8 , wherein at least one of the biomolecules is a nucleic acid molecule. 前記生体分子の少なくとも一方がタンパク質であり、前記試料溶液のpHを少なくとも一方のタンパク質の等電点でないpH、あるいは2つの生体分子の等電点に挟まれたpHに調製することを特徴とする請求項5〜のいずれかに記載の生体分子間の親和性を解析する方法。
At least one of the biomolecules is a protein, and the pH of the sample solution is adjusted to a pH that is not an isoelectric point of at least one protein, or a pH sandwiched between isoelectric points of two biomolecules. method of analyzing the affinity between bio-molecule according to any of claims 5-9.
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