JP4823420B2 - Dnaチップの製造における固定化ヌクレオシド誘導体の光分解脱保護方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にフォトリソグラフィク法によるDNAチップ製造における、基体に固定化されたヌクレオシド誘導体の特定の光分解脱保護方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
同一化および小型化のため、分子生物学、医薬および関連分野における分析および診断用途に使用されるDNAチップは、通常、フォトリソグラフ技術によって製造される。これらの技術において、ヌクレオシド誘導体は、その光反応性保護基により適当な基体上に固定化される。次いで、光分解により特定の脱保護を行う。合成後の有効な精製法の欠如に起因して、保護基の化学組成に関して非常に高い要件が求められる。
【0003】
保護基の光分解的脱保護法の従来技術としては、2つの方法が知られている。第1の方法では、DNAチップはフロー室内で適当な溶媒または溶媒混合物を介して露光される(ジー・エッチ・マックガール(G.H.McGall)、エー・ディー・バローン(A.D.Barone)エム・ディグルマン(M.Digglemann)、エス・ピー・エー・フォドール(S.P.A.Fodor)、イー・ジェンターレン(E.Gentalen)、エヌ・ヌゴー(N.Ngo)著「J.Am.Chem.Soc.」、1997年、119巻、5081−5090頁参照)。この方法では、固定化ヌクレオチド誘導体を有する基体、例えば、ガラス基体を、フロー室内に取付ける。照射中に、好適な溶媒混合物をポンプによりフロー室を通じて流通させることによって基体の合成側を湿潤させ、固定化成長DNA鎖を疑似的溶解形態で存在させる。それ故、いずれの場合も、光制御脱保護操作において、溶媒または溶媒混合物が確実に関与している。その構造に起因して、チップ面は基体(例えば、ガラス基体)を通じて「不正側」、即ち裏側から露光される。
【0004】
上記方法は幾つかの欠点を伴う。例えば、ガラス基体上の光拡散によって不正な光学的分解が生じる。更に、基体の加熱または基体面の不十分な湿潤によって熱反応または二次光分解反応が生じる可能性がある。被分離基としての光反応性保護基が疑似的に光路の他端に位置する場合、その前方に存在するオリゴヌクレオチド鎖が光フィルターとして作用する可能性があり、その結果、一方で二次光分解反応の危険性が生じ、他方で露光時間が長くなる傾向がある。
【0005】
DNAチップのフォトリソグラフ製造のための第2の公知の方法では、当該チップは、溶媒の使用なしに、「正当側」、即ち表面側から露光される(エム・シー・ピルング(M.C.Pirrung)、エル・ファロン(L.Fallon)、ジー・マックガール(G.McGall)著「J.Org.Chem.」、1998年、63巻、241−246頁参照)。経験則によるこの方法の特有の欠点は、合成されたオリゴヌクレオチドの品質が劣るということである。これは、ヌクレオチド誘導体の緩慢かつ不完全な脱保護と共に、二次的熱または光分解反応に起因すると考えられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
それ故、本発明は、上記従来技術の欠点を解消すると共にむしろ迅速かつ完全な脱保護を可能とする、基体上に固定化されたヌクレオチド誘導体、特にDNAチップ製造において通常使用される保護基の特定の光分解脱保護方法を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記課題は、光分解前に、水、水/C1−C4アルコール混合物および/または極性非プロトン性溶媒中にポリマー化合物を分散させたゲル又は粘性液の層を、脱保護すべきヌクレオチド誘導体を有する基体上に塗布することにより解決される。
【0008】
上記方法により、二次的熱および光分解反応が著しく抑制され、所望の純度を有する合成ヌクレオチド又はヌクレオチド配列が得られることが見出された。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の方法において、「特定の光分解脱保護」とは、保護ヌクレオチド誘導体の特定の光分解脱保護を意味する。それ故、完全な脱保護に加え、例えば、マスクを介して光反応性保護基の一部のみを分離することも本発明の範囲に含まれる。
【0010】
本発明の方法においては、水、水/C1−C4アルコール混合物および/または極性非プロトン性溶媒中に1種以上のポリマー化合物を分散してなるゲル又は粘性液の層を、基体表面、即ち、ヌクレオシド、ヌクレオチド又はオリゴヌクレオチドから成るの固定化ヌクレオシド誘導体を有する基体に、好ましくは表面側から、当該ヌクレオチド誘導体の露光開始前に塗布する。上記ゲル層または粘性液層の厚さは、それぞれ、広範囲に変化させることができるが、最適な光学的分解のためには、好ましくは0.1μm〜5mm、より好ましくは10μm〜5mmの範囲である。
【0011】
上記ポリマー化合物は、ゲルまたは粘性液の合計重量に対し好ましくは0.1〜40重量%、より好ましくは1〜20重量%の割合で含有される。好ましい実施形態では、かかるポリマーは15〜90℃、特に30〜50℃のゾル/ゲル転移温度を有するゲルの製造に使用される。これらゲルの長所は、室温において疑似固体状を呈し、僅かに加熱することによって液状に変化するので、光分解脱保護後に相当するゲルを基体から非常に容易に分離することが可能である。
【0012】
使用されるゲルの強度は、好ましくは20〜10,000g/cm2、特に好ましくは100〜1,000g/cm2の範囲である。上記ゲル強度は、通常、当業者に公知の圧縮試験により測定される。ゼラチンを使用する場合、ゲル強度はブルーム(Bloom)法によって決定することができる。この場合、ゲル強度は特定の円筒形ピストンによって(10℃の温度で17時間後に得られる)6.67%ゼラチンゲルの表面を押圧した際、4mm深さの凹部を形成するのに要する力(g)に相当する。詳しくは、この方法により求められたゲル強度は、本発明の方法においてゼラチンゲルに対し5〜300gの値に相当する。
【0013】
粘性液を使用した場合、これら粘性液は、各濃度において25℃で測定した際、5〜40,000mPa・s、好ましくは50〜15,000Pa・sの動的粘度を示す。ポリマー化合物の種類は特に限定されず、水または各溶媒の存在下に所望のゲル又は粘性液が得られる限り如何なるポリマー化合物を使用してもよい。本発明の方法のおいて、かかるポリマー化合物として多くの合成または天然ポリマーを使用することができる。合成ポリマーとしては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルアセタール、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアセテート、ポリエチレンイミン、ノボラック樹脂(フェノール及びホルムアルデヒドの重縮合生成物)が、特に好ましい。また、天然ポリマーとしては、ゼラチン、アガロース、寒天、ペクチン、ガラクトマンナン類、カラギーナン類、スクレログルカン類、キサンタン類及びアルギナート類が好ましく使用される。
【0014】
本発明の方法では、水、水/C1−C4アルコール混合物および/または極性非プロトン性溶媒が、ゲル又は粘性液用溶媒として使用される。前記アルコールとしては、直鎖状または分岐状のいずれでもよく、水との混合物の形で使用される。水に対する前記アルコールの重量比は、90/10〜10/90の範囲である。前記アルコールは、1つ以上のOH基を含んでいてもよく、特に、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、2−ブタノール、2−メチル−2−プロパノール、エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,2−プロパンジオール、グリセリン、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール及び2,3−ブタンジオールから成る群より選択される。好ましい極性非プロトン性溶媒としては、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)、アセトニトリル、N−メチルピロリドン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、1,3−ジメチルテトラヒドロ−2(1H)−ピリミジノン、2−メトキシ−1−メチルエチルアセテート又はプロピレンカーボネートが挙げられる。
【0015】
本発明において、0.1〜10重量%、より好ましくは1〜5重量%の量で、ゲル又は粘性液に添加剤を添加してもよく、これによって、可及的に二次反応を抑制した迅速な光分解を行うことができる。好適な添加剤としては、例えば、弱塩基形状の促進剤が挙げられ、その具体例としては、イミダゾール、ピラゾール、1−メチルイミダゾール、1,8−ジアザビシクロ[5,4,0]ウンデカ−7−エン(DBU)、1,5−ジアザビシクロ[4,3,0]ノナ−5−エン(DBN)、1,4−ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン、モルホリン、N−メチルモルホリン、ピペリジン、N−メチルピペリジン、ピペラジン、N−メチルピペラジン、ジ−イソプロピルエチルアミン、トリエチルアミン、ピリジン、キノリン、コリジン、ルチジン又はピコリンが挙げられる。更に、光分解に対し積極的な作用を有する、尿素、チオ尿素、塩酸グアニジン、グリシン、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン塩酸塩又はマンニトール等の化合物を添加することにより、特に好ましい結果が得られることが判明した。
【0016】
光分解を妨げる遊離基を捕捉する好ましい添加剤として、ヒスチジン、ポリヒスチジン、イミダゾール、チオ尿素、トリス(ヒドロキシメチル)ニトロメタン、ナトリウム酸および/またはアスコルビン酸等のレドックス緩衝剤を使用することもできる。
【0017】
更に、UV増感剤、例えば、安息香酸または安息香酸塩(好ましくはナトリウム塩またはカリウム塩等のアルカリ塩)をゲル又は粘性液に添加して、光分解を促進することもできる。好ましい実施形態では、更に、稠度調節剤をゲル又は粘性液の合計重量に対し、(NaCl、KCl、CaCl2等の)アルカリ塩またはアルカリ土類塩換算で0.001〜10重量%の量でゲル又は粘性液に添加することもできる。しかしながら、本発明の範囲内で、適当な添加剤を、ポリマー化合物に共有結合させ、その化合物を官能基の形で含有させてもよい。かかる官能性ポリマー化合物としては、例えば、エステル化または部分エステル化ポリビニルアルコールが挙げられる。
【0018】
本発明の方法を実施するため、ヌクレオシド溶液を、適当な基体上に塗布して、固定化する。前記固定化は、例えば、溶媒の気化によって行うことができる。更に、基体表面にヌクレオシド誘導体を共有結合によって固定化することもできる。このためには、基体にOH又NH2末端官能基を有するカップリング剤を共有結合的に塗布する。これらの遊離官能基は、後のヌクレオシド誘導体のフォトリソグラフ合成反応の開始点として直接作用することができる。
【0019】
特に好ましいヌクレオシド誘導体または保護基としては、5’−O−[2−(4−シアノ−2−ニトロフェニル)エポキシカルボニル]チミジン、5’−O−[2−(2−クロロ−6−ニトロフェニル)エポキシカルボニル]チミジン、5’−O−[2−(2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]チミジン(NPPOC−T)、5’−O−[2−(2−ニトロフェニル)プロポキシチオカルボニル]チミジン、5’−O−[2−(4−ブロモ−2−ニトロフェニル)プロピルスルホニル]チミジン、5’−O−[2−(4−ブロモ−2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]チミジン、5’−O−[2−(4−ヨード−2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]チミジン、5’−O−(α−メチル−2−ニトロピペロニルオキシカルボニル)チミジン(MeNPOC−T)、5’−O−[(8−ニトロナフト−1−イル)メトキシカルボニル]チミジン、5’−O−[1−(3−ニトロチエニ−2−イル)エポキシカルボニル]チミジン(NTEOC−T)、5’−O−[2−(3−ニトロチエニ−2−イル)プロポキシカルボニル]チミジン(NTPOC−T)、5’−O−[7−メトキシクマリン−4−イル)メチルオキシカルボニル]チミジン(MCMOC−T)等が挙げられる。
【0020】
基体表面は、次いで、ポリマーゲル又は粘性液の均一な薄層で被覆される。基体表面の被覆は、好ましくは、スピンコーティング法によって行われる。
【0021】
次いで、通常、基体表面側からの露光によって、ゲル又は粘性液中に疑似溶解形態で存在するヌクレオシド誘導体の光分解を行うことができる。前記光分解は、好ましくは二次反応を可及的に抑制するために窒素またはアルゴン等の保護ガス雰囲気で行われる。
【0022】
光分解後、再度基体からゲル又は粘性液を除去する。比較的低いゾル/ゲル転移温度を有するゲルの場合は、その除去は、適当な溶媒(DMSO、DMF、水等)中での熱処理等のみによって達成することができる。
【0023】
ポリマーゲル又は粘性液は、任意に適当な添加剤を加えることによって、光分解の促進、二次生成物の防止、(オリゴ)ヌクレオチド鎖の好適な配向および反応熱の吸収を可能とするという利点を有する。このように、迅速、特定かつ完全なヌクレオシド誘導体の光反応性脱保護が促進され、その結果、所望の純度を有する合成ヌクレオチド又はオリゴヌクレオチド配列が得られる。
【0024】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
【0025】
平均分子量:49,000のポリビニルアルコール4重量%及びイミダゾール1重量%(残部:水)から成る粘性溶液の使用が、本発明の方法の実施に特に好適であることが判明した。この実施形態は、実施例1の試験No.18に記載される。
【0026】
(1)共通手順:
フォトリソグラフ固相合成の模擬実験を行った。本方法では、微小滴定板の反応室底部にヌクレオシド溶液を塗布した。溶媒を蒸発させると、光反応性保護形態のヌクレオシドが反応室底部に均一に分布していた。前記ヌクレオシドは、そのままの”乾燥”状態および/またはポリマー化合物のゲル及び/又は粘性液で被覆された状態の何れかで表面側から光照射された。HPLCを使用して光分解の定量分析を行った。この方法によって、乾燥ヌクレオシドの光分解による脱保護が、ポリマー化合物のゲル又は粘性液で被覆された場合の光照射による脱保護より明確に劣っていることが判明した。
【0027】
(2)ポリマー化合物のゲル又は粘性液により被覆した場合の露光の共通手順:微小滴定板の微小反応槽の底部に光反応性ヌクレオシドの0.5mmolアセトニトリル溶液8μl(1mmol溶液の場合4μl)を塗布する。2〜3分後溶媒を蒸発させる。次いで、理想的には、ポリマー化合物のゲル又は粘性液30μl(通常は、15〜100μl)を均一に塗布する(層厚:3〜4mm)。次にサンプルを光照射する(光源:干渉フィルター「Lambda−max;365nm」を備えた水銀高圧ランプ「HBO 100W」、照射時間:30分)。最後に照射サンプルをメタノール/水、アセトニトリル/水、アセトニトリル/メタノール/水または同様の適当な溶媒で希釈し、HPLCクロマトグラフ中に噴射する。
【0028】
実施例1:
5’−O−[2−(2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]チミジン(NPPOC−T)への光照射
【0029】
照射光波長は365nm、最大照射時間は30分で行った。結果を以下の表1に示す。
【0030】
【表1】
【0031】
実施例2:
5’−O−(α−メチル−2−ニトロピペロニルオキシカルボニル)チミジン(MeNPOC−T)への光照射
【0032】
照射光波長は365nm、最大照射時間は30分で行った。結果を以下の表2に示す。
【0033】
【表2】
【0034】
実施例3:
5’−O−[2−(2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]チミジン(NPPOC−T)への光照射
【0035】
照射光波長は365nm、最大照射時間は30分で行った。結果を以下の表3に示す。
【0036】
【表3】
【0037】
実施例4:
2’−デソキシ−5’−O−[2−(2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]−N4−フェノキシアセチルシチジン(NPPOC−dCPAC)への光照射
【0038】
照射光波長は365nm、最大照射時間は30分で行った。結果を以下の表4に示す。
【0039】
【表4】
【0040】
実施例5:
2’−デソキシ−5’−O−[2−(2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]−N6−フェノキシアセチルアデノシン(NPPOC−dAPAC)への光照射
【0041】
照射光波長は365nm、最大照射時間は30分で行った。結果を以下の表5に示す。
【0042】
【表5】
【0043】
実施例6:
2’−デソキシ−5’−O−[2−(2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]−N2−フェノキシアセチルグアノシン(NPPOC−dGPAC)への光照射:
【0044】
照射光波長は365nm、最大照射時間は30分で行った。結果を以下の表6に示す。
【0045】
【表6】
【0046】
実施例7:
5’−O−(α−メチル−2−ニトロピペロニルオキシカルボニル)チミジン(MeNPOC−T)への光照射:
【0047】
照射光波長は365nm、最大照射時間は30分で行った。結果を以下の表7に示す。
【0048】
【表7】
Claims (14)
- 1種以上のポリマー化合物と、水、水/C1−C4アルコール混合物および極性非プロトン性溶媒から成る群より選択された少なくとも1つの成分とから成るゲル又は粘性液の層を、基体に固定化されたヌクレオシド誘導体上に塗布する工程と;ヌクレオシド誘導体を露光して、保護基を光分解により分離する工程とから成り、前記1種以上のポリマー化合物が、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアセテート、ポリエチレンイミン、ノボラック樹脂、ゼラチン、アガロース、寒天、ペクチン、ガラクトマンナン、カラギーナン、スクレログルカン、キサンタン及びアルギナートから成る群より選択され、ポリマー化合物の濃度が、ゲル又は粘性液の合計重量に対し1〜20重量%であり、ヌクレオシド誘導体が、5’−O−[2−(4−シアノ−2−ニトロフェニル)エポキシカルボニル]チミジン、5’−O−[2−(2−クロロ−6−ニトロフェニル)エポキシカルボニル]チミジン、5’−O−[2−(2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]チミジン(NPPOC−T)、5’−O−[2−(2−ニトロフェニル)プロポキシチオカルボニル]チミジン、5’−O−[2−(4−ブロモ−2−ニトロフェニル)プロピルスルホニル]チミジン、5’−O−[2−(4−ブロモ−2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]チミジン、5’−O−[2−(4−ヨード−2−ニトロフェニル)プロポキシカルボニル]チミジン、5’−O−(α−メチル−2−ニトロピペロニルオキシカルボニル)チミジン(MeNPOC−T)、5’−O−[(8−ニトロナフト−1−イル)メトキシカルボニル]チミジン、5’−O−[1−(3−ニトロチエニ−2−イル)エポキシカルボニル]チミジン(NTEOC−T)、5’−O−[2−(3−ニトロチエニ−2−イル)プロポキシカルボニル]チミジン(NTPOC−T)、5’−O−[7−メトキシクマリン−4−イル)メチルオキシカルボニル]チミジン(MCMOC−T)から選択されることを特徴とする、基体に固定化されたヌクレオシド誘導体の保護基を光分解により分離する光分解脱保護方法。
- ゲル又は粘性液の層厚が、0.1μm〜5mmである請求項1に記載の方法。
- 水/C1−C4アルコール混合物中のC1−C4アルコールに対する水の重量比が、90/10〜10/90である請求項1又は2に記載の方法。
- 前記極性非プロトン性溶媒が、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)、アセトニトリル、N−メチルピロリドン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、1,3−ジメチルテトラヒドロ−2(1H)−ピリミジノン、2−メトキシ−1−メチルエチルアセテート及びプロピレンカーボネートから成る群より選択される請求項1〜3の何れかに記載の方法。
- 前記ゲル又は粘性液が、更に、促進剤、レドックス緩衝剤およびUV増感剤から成る群より選択された1種以上の添加剤を、0.1〜10重量%の量で含有する、請求項1〜4の何れかに記載の方法。
- 前記促進剤が、イミダゾール、ピラゾール、1−メチルイミダゾール、尿素、チオ尿素、塩酸グアニジン、グリシン、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン塩酸塩およびマニトールから成る群より選択される請求項5に記載の方法。
- 前記レドックス緩衝剤が、ヒスチジン、ポリヒスチジン、イミダゾール、チオ尿素、トリス(ヒドロキシメチル)ニトロメタン、ナトリウム酸およびアスコルビン酸から成る群より選択される請求項5に記載の方法。
- 前記UV増感剤が、安息香酸および安息香酸塩から成る群より選択される請求項5に記載の方法。
- 全ての添加剤またはその一部が前記ポリマー化合物に共有結合している請求項5〜8の何れかに記載の方法。
- 前記ゲル又は粘性液が、更に、アルカリ塩およびアルカリ土類塩から選択された1種以上の稠度調節剤を、ゲル又は粘性液の合計重量に対し0.001〜10重量%の量で含有する請求項1〜9の何れかに記載の方法。
- 前記ゲル又は粘性液が、基体上のヌクレオシド誘導体にスピンコーティング法によって塗布される請求項1〜10の何れかに記載の方法。
- 前記光分解が、保護ガス雰囲気下で行われる請求項1〜11の何れかに記載の方法。
- 前記露光が基体のヌクレオシド固定化側から行われる請求項1〜12の何れかに記載の方法。
- 光分解による脱保護後に、前記ゲルが加熱により液状に変化し、前記基体から除去される請求項1〜13の何れかに記載の方法。
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