JP5024132B2 - Method for identifying nucleic acid base species and method for determining nucleotide sequence - Google Patents

Method for identifying nucleic acid base species and method for determining nucleotide sequence Download PDF

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Description

本発明は核酸(DNA又はRNA)の個々の塩基種を識別する方法と、その方法を核酸の塩基に順次適用することにより核酸の塩基配列を決定する方法に関するものである。   The present invention relates to a method for identifying individual base types of nucleic acid (DNA or RNA) and a method for determining the base sequence of a nucleic acid by sequentially applying the method to the base of the nucleic acid.

DNAやRNAなどの核酸の塩基配列の決定法としては、マキサム・ギルバート法やサンガー法が広く用いられてきた。このうちサンガー法は、塩基配列決定の対象となるDNAと、蛍光標識されたDNA伸長阻害剤との反応を利用して様々な鎖長のDNA相補鎖を複製し、電気泳動法を利用して塩基配列を決定するものである。現在ではサンガー法はDNA塩基配列分析の主流となり、種々の改良が加えられてきている(特許文献1参照。)。   The Maxam-Gilbert method and the Sanger method have been widely used as methods for determining the base sequence of nucleic acids such as DNA and RNA. Among them, the Sanger method replicates DNA complementary strands of various chain lengths using a reaction between DNA to be sequenced and a fluorescently labeled DNA elongation inhibitor, and uses electrophoresis. The base sequence is determined. At present, the Sanger method has become the mainstream of DNA base sequence analysis, and various improvements have been added (see Patent Document 1).

また近年、特定の遺伝子の塩基配列の変異(1塩基多型:SNPs)を検出する方法として、DNAアレイを用いた検出方法が開発され、商品化されている。この方法では、既知のDNAを固定した基板上に蛍光標識した未知のDNAを流してハイブリダイゼーションさせることにより、蛍光標識した未知のDNAと結合した既知のDNAから塩基配列を読み取る(特許文献2参照。)。   In recent years, a detection method using a DNA array has been developed and commercialized as a method for detecting a mutation in a base sequence of a specific gene (single nucleotide polymorphism: SNPs). In this method, an unknown fluorescently labeled DNA is flowed on a substrate on which a known DNA is immobilized, and hybridization is performed, thereby reading a base sequence from the known DNA bound to the fluorescently labeled unknown DNA (see Patent Document 2). .)

この他に提案されている技術としては、相補鎖合成時に、基板上に固定された蛍光標識DNAポリメラーゼと、その種類ごとに特異的に蛍光標識されたヌクレオチドとの間で起こる蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)を光学的に観察することにより元の塩基配列を決定する方法(特許文献3参照。)や、自己凝集又はハイブリダイズしたDNAの三次元構造、形状などを、走査型プローブ顕微鏡を用いて測定し、塩基配列を決定する方法(特許文献4,5参照。)等がある。   Other proposed techniques include fluorescence resonance energy transfer that occurs between a fluorescently labeled DNA polymerase immobilized on a substrate and a nucleotide that is specifically fluorescently labeled for each type during complementary strand synthesis ( FRET) is optically observed to determine the original base sequence (see Patent Document 3), and the three-dimensional structure and shape of self-aggregated or hybridized DNA using a scanning probe microscope. There are methods for measuring and determining the base sequence (see Patent Documents 4 and 5).

走査型プローブ顕微鏡の1つである走査型トンネル顕微鏡(STM)は、プローブ(探針)と試料表面間に流れるトンネル電流を利用して試料表面を観察するものであり、半導体や金属の表面構造を原子レベルで観察することができるという特徴から、近年盛んに用いられている顕微鏡である。   A scanning tunneling microscope (STM), one of the scanning probe microscopes, observes the surface of a sample using a tunnel current flowing between the probe (probe) and the surface of the sample. It is a microscope that has been actively used in recent years because it can be observed at the atomic level.

走査型トンネル顕微鏡を使用した測定モードの1つに、プローブと試料との距離を固定した状態でプローブと試料との間に印加するバイアス電圧を掃引してそのバイアス電圧変化に依存したトンネル電流の変化を測定して試料表面の電子状態を観察する走査型トンネル分光法(STS)がある。この走査型トンネル分光法を生体分子の観察に利用して核酸の塩基配列を決定しようとする試みがなされている(特許文献6参照)。   One of the measurement modes using a scanning tunneling microscope is that the bias voltage applied between the probe and the sample is swept while the distance between the probe and the sample is fixed, and the tunnel current depending on the change in the bias voltage is swept. There is scanning tunneling spectroscopy (STS) that measures changes and observes the electronic state of the sample surface. Attempts have been made to determine the base sequence of nucleic acids using this scanning tunneling spectroscopy for observation of biomolecules (see Patent Document 6).

走査型トンネル顕微鏡を使用した他の試みとして、同一フィードバック条件で観察される塩基の高さの違いを利用してプリン塩基(グアニン及びアデニン)とピリミジン塩基(シトシン及びチミン)を区別する方法が報告されている (非特許文献1参照。)。   As another attempt using a scanning tunneling microscope, a method for distinguishing purine bases (guanine and adenine) and pyrimidine bases (cytosine and thymine) using the difference in base height observed under the same feedback condition is reported. (See Non-Patent Document 1).

走査型トンネル分光法を使用した他の試みとして、特定のバイアス電圧範囲におけるピークの有無を利用してプリン塩基についてグアニンであるかアデニンであるかを識別する方法も報告されている (非特許文献2参照。)。   As another attempt using scanning tunneling spectroscopy, a method for discriminating whether a purine base is guanine or adenine using the presence or absence of a peak in a specific bias voltage range has been reported (Non-Patent Document). 2).

また、別の方法としては、プローブ先端に各塩基を予め修飾しておき、解読対象である塩基種との電気的相互作用の違いを利用して塩基を識別する試みもなされている(非特許文献3参照。)。しかし、この方法は、いまのところグアニンのみの識別にとどまっており、他の塩基についての識別はできていない。   As another method, attempts have been made to identify bases by modifying each base in advance at the probe tip and using the difference in electrical interaction with the base species to be decoded (non-patent document). Reference 3). However, this method is limited to the identification of guanine only at present, and other bases cannot be identified.

このような走査型プローブ顕微鏡による核酸塩基識別は、現在最も一般的に応用されている塩基配列識別技術であるサンガー法に比較して、一度に解読できる核酸鎖長に原理的な制限がなく、また、従来解読困難とされてきた繰り返し配列の解読にも応用できるため、次世代シーケンス技術として有望である。
特開平05−038299号公報 特表2003−528626号公報 米国特許第6,210,896B1号公報 特開平9−299087号公報 特開平10−215899号公報 WO2007/013370パンフレット 蛋白質 核酸 酵素 Vol.48 No.5 2003 pp.614-620 田中裕行、川合知二、第53回応用物理学関係連合講演会(2006春季)要旨集、pp.1453 Umezawa et. al.PNAS, Vol.103, No.1, pp.10 - 14, 2006 J.Vac.Sci.Technol. B25(1) 2007 pp.242-246
Nucleobase identification by such a scanning probe microscope is not limited in principle to the length of the nucleic acid chain that can be decoded at one time compared to the Sanger method, which is the most commonly applied base sequence identification technology at present, Moreover, since it can be applied to the decoding of repetitive sequences, which has been considered difficult to decode, it is promising as a next-generation sequencing technology.
JP 05-038299 A Special table 2003-528626 gazette US Pat. No. 6,210,896 B1 Japanese Patent Laid-Open No. 9-299087 Japanese Patent Laid-Open No. 10-215899 WO2007 / 013370 Pamphlet Protein Nucleic Acid Enzyme Vol.48 No.5 2003 pp.614-620 Hiroyuki Tanaka, Tomoji Kawai, 53rd Symposium on Applied Physics (2006 Spring), pp.1453 Umezawa et. Al. PNAS, Vol.103, No.1, pp.10-14, 2006 J.Vac.Sci.Technol. B25 (1) 2007 pp.242-246

走査型プローブ顕微鏡又は走査型トンネル分光法を利用した核酸塩基種識別に対する上記の報告を総合すると、プリン塩基とピリミジン塩基の間の識別、及びグアニン塩基の特定の可能性が示されていることになる。さらに進めて、それらの技術を塩基配列の解読に応用するためには、ピリミジン塩基であると識別されたときにその塩基がシトシンであるのかチミンであるのを識別することが必要となる。シトシンとチミンを識別する試みとして、走査型トンネル分光法により塩基の電流-電圧特性を測定し、得られた電流の電圧に対する対数変化をプロットすることで、その傾きおよびバイアス電圧値がゼロにおける切片の値を得ることでチミンを識別する方法が報告されている(非特許文献4)。しかしながら、この方法においては信頼できる電流の対数変化のデータを得るために、広範囲に渡るバイアス電圧の掃引を行わなければならず、測定時間が長くなるために、高電界印加による生体分子の破壊や、定常的な温度ドリフトの影響でプローブ先端と塩基間の距離が変化し、トンネル電流の値が変化する恐れがある等、識別の指標としての再現性が十分でなく、得られた結果からも、完全にシトシンとチミンが識別されているとは言い難い。このように、現在までのところ走査型プローブ顕微鏡又は走査型トンネル分光法を利用してシトシンとチミンを識別する有効な手段は知られていない。   The above report on the identification of nucleobase species using scanning probe microscopy or scanning tunneling spectroscopy, together with the identification of purine and pyrimidine bases, and the specific potential of guanine bases Become. Further, in order to apply these techniques to decoding of the base sequence, it is necessary to identify whether the base is cytosine or thymine when it is identified as a pyrimidine base. In an attempt to distinguish cytosine and thymine, the current-voltage characteristics of the base were measured by scanning tunneling spectroscopy, and the logarithmic change against the voltage of the obtained current was plotted, so that the slope and the intercept at the bias voltage value were zero. A method for discriminating thymine by obtaining the value of is reported (Non-Patent Document 4). However, in this method, in order to obtain reliable logarithmic change data of the current, it is necessary to sweep the bias voltage over a wide range, and the measurement time becomes long. The distance between the probe tip and the base changes due to the steady temperature drift, and the tunnel current value may change. It is hard to say that cytosine and thymine are completely identified. Thus, until now, there is no known effective means for distinguishing cytosine and thymine using a scanning probe microscope or scanning tunneling spectroscopy.

本発明は、このような問題に対処するため、走査型トンネル分光法を用いてピリミジン塩基であるシトシンとチミンを識別する方法(請求項1〜3)と、その方法を利用して核酸の塩基配列を決定する方法(請求項4〜7)を提供することを目的とするものである。   In order to cope with such a problem, the present invention distinguishes cytosine and thymine, which are pyrimidine bases, using scanning tunneling spectroscopy (claims 1 to 3), and a nucleic acid base using the method. It is an object of the present invention to provide a method for determining a sequence (claims 4 to 7).

ピリミジン塩基であるシトシンとチミンについては、それらを表面が導電性をもつ基板表面に固定し、走査型プローブ顕微鏡のプローブと塩基間の距離を固定した状態でプローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させてプローブと塩基との間に流れるトンネル電流を測定し、バイアス電圧に対するトンネル電流の変化の挙動を比較すると大きな違いのあることが見出された。チミンではバイアス電圧に対する対数変換されたトンネル電流の変化率が特定のバイアス電圧で変化する(この特定のバイアス電圧を変曲バイアス電圧と呼ぶ。)のに対し、シトシンはそのような変曲バイアス電圧をもたない。本発明のピリミジン塩基種識別方法は、その変曲バイアス電圧の前後におけるトンネル電流の変化の挙動の違いを利用して対象となるピリミジン塩基がシトシンであるのかチミンであるのかを識別しようとする方法である。   For the pyrimidine bases cytosine and thymine, the surface is fixed on the conductive substrate surface, and the bias voltage applied between the probe and the substrate is changed with the distance between the probe and the base of the scanning probe microscope fixed. When the tunnel current flowing between the probe and the base was measured, and the behavior of the change in the tunnel current with respect to the bias voltage was compared, it was found that there was a great difference. In Timin, the rate of change of the logarithmically converted tunneling current with respect to the bias voltage changes with a specific bias voltage (this specific bias voltage is called an inflection bias voltage), whereas cytosine has such an inflection bias voltage. Does not have The pyrimidine base species identification method of the present invention is a method for identifying whether the target pyrimidine base is cytosine or thymine by utilizing the difference in behavior of the tunnel current change before and after the inflection bias voltage. It is.

すなわち、試料核酸中のピリミジン塩基種を識別する本発明の識別方法は以下の工程(A)から(C)を含んでいる。
(A)表面が導電性をもつ基板表面にチミンを固定し、走査型プローブ顕微鏡のプローブとチミン間の距離を固定した状態で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブとチミンとの間に流れるトンネル電流を測定し、バイアス電圧に対する対数変換されたトンネル電流の変化率が変化する変曲バイアス電圧を求める工程、
(B)表面が導電性をもつ基板表面に識別の対象となる試料核酸中のピリミジン塩基をもつ部分を伸長させてそれぞれの塩基が基板に直接接触した状態で固定し、前記プローブとピリミジン塩基間の距離を固定した状態で前記変曲バイアス電圧を間に含む特定の電圧範囲で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブと塩基との間に流れるトンネル電流の変化を測定する工程、及び
(C)工程(B)で求められたバイアス電圧の変化に対するトンネル電流の変化に基づき、変曲バイアス電圧の前後での変化の割合からそのピリミジン塩基がシトシンであるかチミンであるかを識別する工程。
That is, the identification method of the present invention for identifying a pyrimidine base species in a sample nucleic acid includes the following steps (A) to (C).
(A) A thymine is fixed on the surface of a substrate having a conductive surface, and the probe and thymine are changed by changing a bias voltage applied between the probe and the substrate in a state where the distance between the probe and the thymine of the scanning probe microscope is fixed. Measuring a tunnel current flowing between and a bias voltage that changes the rate of change of the logarithmically converted tunnel current with respect to the bias voltage,
(B) The surface having a pyrimidine base in the sample nucleic acid to be identified is extended on the surface of the substrate having conductivity, and fixed in a state in which each base is in direct contact with the substrate, and between the probe and the pyrimidine base. The change of the tunnel current flowing between the probe and the base is measured by changing the bias voltage applied between the probe and the substrate in a specific voltage range including the inflection bias voltage between them with a fixed distance. And (C) whether the pyrimidine base is cytosine or thymine based on the rate of change before and after the inflection bias voltage based on the change in tunneling current with respect to the change in bias voltage obtained in step (B). Identifying.

工程(B)におけるバイアス電圧の変化はその特定の範囲で連続的に行ってもよいが、測定時間を短縮するために、工程(B)におけるバイアス電圧の変化をその特定の範囲の最低バイアス電圧、変曲バイアス電圧及び最高バイアス電圧の3点で行うようにしてもよい。その場合、工程(C)における識別は最低バイアス電圧と変曲バイアス電圧の間でのトンネル電流の変化率と、変曲バイアス電圧と最高バイアス電圧の間でのトンネル電流の変化率との比率に基づいて行うのが好ましい。   Although the change in the bias voltage in the step (B) may be continuously performed in the specific range, in order to shorten the measurement time, the change in the bias voltage in the step (B) The inflection bias voltage and the maximum bias voltage may be used at three points. In that case, the identification in the step (C) is based on the ratio between the change rate of the tunnel current between the lowest bias voltage and the inflection bias voltage and the change rate of the tunnel current between the inflection bias voltage and the highest bias voltage. Preferably based on.

バイアス電圧を変化させたときのトンネル電流の変化が大きいときは、トンネル電流を対数変換して処理する方が好ましい。その場合には、工程(C)における識別は対数変換されたトンネル電流の変化率に基づいて行うと識別が容易になる。   When the change of the tunnel current when the bias voltage is changed is large, it is preferable to log the tunnel current for processing. In that case, if the identification in the step (C) is performed based on the change rate of the logarithmically converted tunnel current, the identification becomes easy.

走査型プローブ顕微鏡を用いて核酸中の塩基がプリン塩基であるかピリミジン塩基であるかを識別することについて既知の方法がある(非特許文献1参照。)。また、プリン塩基については、走査型プローブ顕微鏡を用いてそれがグアニンであるかアデニンであるかを識別することについても既知の方法がある(非特許文献2参照。)。それらの既知の方法に本発明のピリミジン塩基種識別方法を組み合わせると、核酸の全ての塩基種を識別することができる。   There is a known method for identifying whether a base in a nucleic acid is a purine base or a pyrimidine base using a scanning probe microscope (see Non-Patent Document 1). In addition, as for a purine base, there is a known method for identifying whether it is guanine or adenine using a scanning probe microscope (see Non-Patent Document 2). When these known methods are combined with the pyrimidine base species identification method of the present invention, all base species of nucleic acids can be identified.

すなわち、試料核酸中の塩基種を識別する本発明の識別方法は以下の工程(A)から(F)を含んでいる。
(A)表面が導電性をもつ基板表面にチミンを固定し、走査型プローブ顕微鏡のプローブとチミン間の距離を固定した状態で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブとチミンとの間に流れるトンネル電流を測定し、バイアス電圧に対する対数変換されたトンネル電流の変化率が変化する変曲バイアス電圧を求める工程、
(B)表面が導電性をもつ基板表面にグアニンを固定し、走査型プローブ顕微鏡のプローブとグアニン間の距離を固定した状態で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブとグアニンの間に流れるトンネル電流を測定し、トンネル電流のバイアス電圧による微分曲線上でのグアニンのピークを検出し、そのピーク検出バイアス電圧を求める工程、
(C)表面が導電性をもつ基板表面に試料核酸の識別の対象となる塩基配列をもつ部分を、伸長させてそれぞれの塩基が基板に直接接触した状態で固定する工程、
(D)走査型プローブ顕微鏡を用いてプローブと塩基との間に流れるトンネル電流が一定になるようにフィードバック制御してトポグラフィ像を測定し、塩基像の高さに基づいてその塩基がプリン塩基であるかピリミジン塩基であるかを識別する工程、
(E)工程(D)でプリン塩基と識別された塩基に対しては、プローブと塩基間の距離を固定した状態で前記ピーク検出バイアス電圧を間に含む特定の範囲でプローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブと塩基との間に流れるトンネル電流を測定し、前記ピーク検出バイアス電圧におけるトンネル電流のバイアス電圧による微分曲線上にピークが検出されるか否かによりそのプリン塩基がグアニンであるかアデニンであるかを識別する工程、
(F)工程(D)でピリミジン塩基と識別された塩基に対しては、プローブと塩基間の距離を固定した状態で前記変曲バイアス電圧を間に含む特定の電圧範囲で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させてプローブと塩基との間に流れるトンネル電流の変化を測定する工程、及び
(G)そのトンネル電流の変化の割合に基づいてそのピリミジン塩基がシトシンであるかチミンであるかを識別する工程。
That is, the identification method of the present invention for identifying a base species in a sample nucleic acid includes the following steps (A) to (F).
(A) A thymine is fixed on the surface of a substrate having a conductive surface, and the probe and thymine are changed by changing a bias voltage applied between the probe and the substrate in a state where the distance between the probe and the thymine of the scanning probe microscope is fixed. Measuring a tunnel current flowing between and a bias voltage that changes the rate of change of the logarithmically converted tunnel current with respect to the bias voltage,
(B) The guanine is fixed on the surface of the substrate having conductivity, and the bias voltage applied between the probe and the substrate is changed with the distance between the probe and the guanine of the scanning probe microscope fixed, thereby changing the probe and the guanine. Measuring the tunnel current flowing between the two, detecting the peak of guanine on the differential curve due to the bias voltage of the tunnel current, and obtaining the peak detection bias voltage,
(C) a step of extending a portion having a base sequence that is a target of identification of a sample nucleic acid on the surface of a substrate having conductivity, and fixing the base in a state in which each base is in direct contact with the substrate;
(D) Using a scanning probe microscope, the topography image is measured by feedback control so that the tunnel current flowing between the probe and the base becomes constant, and the base is a purine base based on the height of the base image. Identifying whether it is a pyrimidine base;
(E) For the base identified as the purine base in step (D), the distance between the probe and the base is fixed and applied between the probe and the substrate within a specific range including the peak detection bias voltage therebetween. The tunnel current flowing between the probe and the base is measured by changing the bias voltage, and the purine base is determined depending on whether or not a peak is detected on the differential curve by the bias voltage of the tunnel current at the peak detection bias voltage. Identifying whether it is guanine or adenine,
(F) For the base identified as the pyrimidine base in step (D), the distance between the probe and the substrate is within a specific voltage range including the inflection bias voltage with the distance between the probe and the base fixed. Measuring the change in the tunnel current flowing between the probe and the base by changing the bias voltage applied to the base, and (G) the pyrimidine base is cytosine or thymine based on the rate of change in the tunnel current The process of identifying

工程(E)におけるバイアス電圧の変化を特定の範囲の最低バイアス電圧、変曲バイアス電圧及び最高バイアス電圧の3点で行い、ピリミジン塩基の識別を最低バイアス電圧と変曲バイアス電圧の間でのトンネル電流の変化率と、変曲バイアス電圧と最高バイアス電圧の間でのトンネル電流の変化率との比率に基づいて行うようにすれば、測定時間を短縮することができる。   In step (E), the bias voltage is changed at three points of the minimum bias voltage, the inflection bias voltage, and the maximum bias voltage within a specific range, and the pyrimidine base is identified by the tunnel between the minimum bias voltage and the inflection bias voltage. If the measurement is performed based on the ratio between the current change rate and the tunnel current change rate between the inflection bias voltage and the maximum bias voltage, the measurement time can be shortened.

また、工程(E)における識別を対数変換されたトンネル電流の変化率に基づいて行えば識別が容易になる。   Further, if the identification in the step (E) is performed based on the logarithmically converted change rate of the tunnel current, the identification becomes easy.

試料核酸の塩基配列の決定は、工程(D)から(G)を基板に固定された試料核酸の塩基に沿って順次実行することにより、実現することができる。   Determination of the base sequence of the sample nucleic acid can be realized by sequentially executing steps (D) to (G) along the base of the sample nucleic acid fixed on the substrate.

プリン塩基とピリミジン塩基との間の識別方法及びプリン塩基種間の識別方法については、上に示した既知の方法に限らず、走査型プローブ顕微鏡を用いた方法であれば他の方法も本発明のピリミジン塩基種識別方法と組み合わせて試料核酸の塩基種識別方法とすることができ、さらには試料核酸の塩基配列決定方法を構成することができる。   The method for discriminating between purine bases and pyrimidine bases and the method for discriminating between purine base species are not limited to the above-mentioned known methods, and other methods can be used as long as they are methods using a scanning probe microscope. In combination with the pyrimidine base species identification method, a sample nucleic acid base species identification method can be used, and further, a sample nucleic acid base sequence determination method can be configured.

本発明のピリミジン塩基種識別方法は、変曲バイアス電圧の前後におけるトンネル電流の変化からシトシンとチミンを識別するので、狭い範囲のバイアス電圧変化を測定するだけでよく、測定時間が短くてすむ。   Since the pyrimidine base species identification method of the present invention discriminates cytosine and thymine from the change in tunnel current before and after the inflection bias voltage, it is only necessary to measure a narrow range of bias voltage change, and the measurement time can be shortened.

本発明の塩基配列決定方法によれば、走査型プローブ顕微鏡による高速のシーケンシングが可能になる。   According to the base sequence determination method of the present invention, high-speed sequencing using a scanning probe microscope is possible.

本発明を実施する走査型プローブ顕微鏡としては、原子間力顕微鏡、走査型近接場光顕微鏡等さまざまな種類のものを使用することができるが、好ましい一例は走査型トンネル顕微鏡(STM)である。以下の実施例では走査型トンネル顕微鏡を使用する。   Various types of scanning probe microscopes such as an atomic force microscope and a scanning near-field light microscope can be used as the scanning probe microscope for carrying out the present invention. A preferable example is a scanning tunneling microscope (STM). In the following examples, a scanning tunneling microscope is used.

走査型トンネル顕微鏡の概要を図1に概略的に示す。走査型トンネル顕微鏡はその構成要素として先端に探針をもつ微小プローブ2と、制御装置4を備えている。試料の核酸6は少なくとも表面が導電性の基板8の表面上に固定されて走査型プローブ顕微鏡内のステージ上に載置される。制御装置4はプローブ2と基板8の表面との間にバイアス電圧Vsを印加し、プローブ2から試料核酸6に流れるトンネル電流Itを検出するとともに、プローブ2の位置制御を行なう。 An outline of a scanning tunneling microscope is schematically shown in FIG. The scanning tunnel microscope includes a microprobe 2 having a probe at the tip and a control device 4 as its constituent elements. The sample nucleic acid 6 is placed on a stage in a scanning probe microscope with at least the surface fixed on the surface of the conductive substrate 8. The controller 4 applies a bias voltage V s between the surface of the probe 2 and the substrate 8, and detects a tunneling current I t flowing from the probe 2 to the sample nucleic 6, controls the position of the probe 2.

走査型トンネル顕微鏡の測定モードの1つは、プローブ2と塩基との間に流れるトンネル電流Itが一定になるようにプローブ2の高さをフィードバック制御(FB)するモードであり、塩基の高さに関する情報を得ることができる。 One measurement mode scanning tunneling microscope is a mode tunneling current I t flowing between the probe 2 and the base is a feedback control (FB) the height of the probe 2 to be constant, the base high You can get information about

他の動作モードは、プローブ2と塩基間の距離を固定してバイアス電圧Vsを変化させてトンネル電流Itの変化を測定する走査型トンネル分光法(STS)である。 Other operation modes are probes 2 and the distance between the base and fixed by changing the bias voltage V s scanning tunneling spectroscopy to measure changes in tunneling current I t (STS).

本発明では、基板8の表面に固定された試料核酸6に対して、まずフィードバック制御によりトポグラフィ像を測定し、塩基の位置を特定するとともに、核酸を構成する塩基像の高さの違いに基づいてその塩基がプリン塩基であるかピリミジン塩基であるかを識別する。例えば、測定される塩基高さが異なる2種類の塩基が測定された場合、高い方の塩基はプリン塩基と識別され、低い方の塩基はピリミジン塩基と識別される。   In the present invention, the topographic image is first measured by feedback control on the sample nucleic acid 6 fixed on the surface of the substrate 8 to specify the position of the base and based on the difference in the height of the base image constituting the nucleic acid. To identify whether the base is a purine base or a pyrimidine base. For example, when two types of bases having different measured base heights are measured, the higher base is identified as a purine base and the lower base is identified as a pyrimidine base.

次に、プローブ2を特定の塩基上に移動させ、フィードバック回路を切り、プローブ2と塩基間の距離を固定する。走査型トンネル分光法を適用してプリン塩基についてはグアニンであるかアデニンであるかを識別し、ピリミジン塩基についてはシトシンであるかチミンであるかを識別する。   Next, the probe 2 is moved onto a specific base, the feedback circuit is turned off, and the distance between the probe 2 and the base is fixed. Scanning tunneling spectroscopy is applied to identify whether the purine base is guanine or adenine, and for the pyrimidine base, whether it is cytosine or thymine.

プリン塩基種の識別を行うときは、プローブ−塩基間に印加されたバイアス電圧Vsを例えば−2.5V〜1Vの範囲で変化させてプローブと塩基との間に流れるトンネル電流を測定し、トンネル電流のバイアス電圧Vsによる微分値に特有のピークが検出されればそのプリン塩基がグアニン、検出されなければアデニンであると識別する。 When discriminating the purine base species, the bias voltage V s applied between the probe and the base is changed in the range of −2.5 V to 1 V, for example, and the tunnel current flowing between the probe and the base is measured, If a peak peculiar to the differential value of the tunnel current bias voltage V s is detected, the purine base is identified as guanine, and if not detected, it is identified as adenine.

ピリミジン塩基種の識別を行うときは、プローブ−塩基間に印加されたバイアス電圧Vsを、図1(B)に示されるようなある特定の範囲C、例えば1〜3Vの範囲で変化させ、バイアス電圧の変化に対するプローブと塩基との間に流れるトンネル電流の変化を測定することにより、変曲バイアス電圧前後でのバイアス電圧に対するトンネル電流の変化の割合の違いを利用して、ピリミジン塩基のシトシン及びチミンを識別する。 When identifying the pyrimidine base species, the bias voltage V s applied between the probe and the base is changed within a specific range C as shown in FIG. By measuring the change in the tunnel current flowing between the probe and the base with respect to the change in the bias voltage, the difference in the rate of change in the tunnel current with respect to the bias voltage before and after the inflection bias voltage can be used to determine the cytosine of the pyrimidine base. And identify thymine.

この特定の範囲Cは予め求めた変曲バイアス電圧を間に挟むように予め設定された適当な範囲であり、シトシンとチミンの両者の電流-電圧特性に最も顕著な差異が現れるバイアス電圧範囲である。その電圧範囲に関する情報は予め取得して設定しておく。その設定した電圧範囲にのみ限ってデータを取得し、変曲バイアス電圧前後での変化率の違いを算出する。これにより、短い測定時間で信頼性の高いデータを取得することができる。   The specific range C is an appropriate range set in advance so as to sandwich the inflection bias voltage obtained in advance, and is a bias voltage range in which the most significant difference is observed in the current-voltage characteristics of both cytosine and thymine. is there. Information regarding the voltage range is acquired and set in advance. Data is acquired only within the set voltage range, and the difference in change rate before and after the inflection bias voltage is calculated. Thereby, highly reliable data can be acquired in a short measurement time.

以下、図2〜図8を参照してピリミジン塩基のシトシン及びチミンを識別する方法をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the method for identifying the pyrimidine bases cytosine and thymine will be described in more detail with reference to FIGS.

図2により、まずDNAサンプルの調製方法を示す。3'末端をチオール化した合成DNA(保護基つき:オペロンバイオテクノロジーズ社製)をジチオスレイトール水溶液中に懸濁させた溶液を、固相抽出カラム(Sep−Pakカートリッジ:Waters社製)10を用いて脱保護処理を行い、DNA溶液12を調製した。得られたDNA溶液12中にPiranha洗浄(レジスト剥離剤SH−303:関東化学製に30分間浸漬後、30分間超純水洗浄)を行った金薄膜基板(サファイア基板表面に金薄膜を形成したもの)14を3時間浸漬し、金薄膜表面にDNAを吸着させた。その後、DNAが吸着した金薄膜基板14を超純水中で30分間洗浄し、乾燥させたものをSTM観察用サンプルとした。   FIG. 2 shows a method for preparing a DNA sample. A solution obtained by suspending a synthetic DNA having a thiolated 3 ′ end (with a protecting group: manufactured by Operon Biotechnologies) in an aqueous dithiothreitol solution is used as a solid phase extraction column (Sep-Pak cartridge: manufactured by Waters) 10. The DNA solution 12 was prepared by carrying out deprotection treatment. Gold thin film substrate (gold thin film was formed on the surface of the sapphire substrate) was subjected to Piranha cleaning (resist stripper SH-303: 30 minutes immersion in Kanto Chemical Co., Ltd., followed by 30 minutes ultrapure water cleaning) in the resulting DNA solution 12 No. 14) was immersed for 3 hours to adsorb DNA onto the gold thin film surface. Thereafter, the gold thin film substrate 14 on which the DNA was adsorbed was washed in ultrapure water for 30 minutes and dried to obtain a sample for STM observation.

図3は印加バイアス電圧を1V、トンネル電流Itを1pAとするフィードバック条件で取得した金薄膜基板上のシトシン塩基のSTM像である。 Figure 3 is 1V applied bias voltage is a STM image of the cytosine base on the gold thin film substrate obtained by feedback condition to 1pA the tunneling current I t.

この画像中の塩基上にプローブを移動させてフィードバック回路を切り、プローブと塩基との間の距離を約1nmに固定して取得した電流-電圧特性を図4に示す。また、得られた電流-電圧特性のうち、バイアス電圧が1V〜3Vの範囲で計測された電流値についてその対数値を算出し、電圧値に対して再プロットした結果を図5に示す。図5のグラフが直線状を示すことから、バイアス電圧が1V〜3Vの範囲におけるシトシン塩基の電流-電圧特性は、印加バイアス電圧に対してトンネル電流が指数関数的に変化する特徴をもつことがわかる。   FIG. 4 shows current-voltage characteristics obtained by moving the probe over the base in the image to cut the feedback circuit and fixing the distance between the probe and the base to about 1 nm. Further, among the obtained current-voltage characteristics, the logarithmic value is calculated for the current value measured in the range of the bias voltage of 1V to 3V, and the result of replotting with respect to the voltage value is shown in FIG. Since the graph of FIG. 5 shows a straight line shape, the current-voltage characteristic of the cytosine base in the bias voltage range of 1 V to 3 V has a characteristic that the tunnel current varies exponentially with the applied bias voltage. Recognize.

図6に、印加バイアス電圧を1V、トンネル電流Itを1pAとするフィードバック条件で測定された金薄膜基板上のチミン塩基のSTM像を示す。 6, the applied bias voltage 1V, indicating the STM image of thymine bases on the gold thin film substrate measured in feedback condition to 1pA the tunneling current I t.

シトシン塩基の場合と同様に、図6の画像中の塩基上にプローブを移動させてフィードバック回路を切り、プローブと塩基との間の距離を約1nmに固定して電流-電圧特性を取得した。取得した電流-電圧特性を図7に示す。また、得られた電流-電圧特性のうちバイアス電圧が1V〜3Vの範囲で計測される電流値の対数をシトシン塩基の場合と同様に算出し、電圧値に対してプロットした結果を図8に示す。この図よりわかるように、チミン塩基のもつ電流-電圧特性は、印加バイアス電圧が約2Vとなるポイントを境に傾きが不連続に増加しており、シトシン塩基で観察された連続的な指数関数的変化とは異なる特徴をもつことがわかる。このように、シトシン塩基の測定においてトンネル電流Itが対数変換された電流-電圧特性の傾きが不連続に変化するバイアス電圧(約2V)を本発明では変曲バイアス電圧と呼んでいる。 Similarly to the case of cytosine base, the probe was moved onto the base in the image of FIG. 6 to cut the feedback circuit, and the current-voltage characteristics were acquired by fixing the distance between the probe and the base to about 1 nm. The acquired current-voltage characteristics are shown in FIG. Moreover, the logarithm of the current value measured in the range of the bias voltage of 1 V to 3 V among the obtained current-voltage characteristics was calculated in the same manner as in the case of cytosine base, and the result plotted against the voltage value is shown in FIG. Show. As can be seen from this figure, the current-voltage characteristics of thymine bases show a continuous exponential function observed with cytosine bases, with the slope increasing discontinuously at the point where the applied bias voltage is about 2V. It can be seen that it has characteristics that are different from those of the change. Thus, current tunneling current I t in the measurement of the cytosine bases were log transformed - in slope of the voltage characteristic present invention discontinuously varying the bias voltage (approximately 2V) is called inflection bias voltage.

ピリミジン塩基種の識別では変曲バイアス電圧を挟む狭い電圧範囲でバイアス電圧を変化させるだけでよい。そのバイアス電圧変化の一例は、例えば2Vを間に挟む1V〜3Vの範囲の連続的な変化である。   To identify the pyrimidine base species, it is only necessary to change the bias voltage within a narrow voltage range sandwiching the inflection bias voltage. An example of the change in the bias voltage is a continuous change in the range of 1 V to 3 V with 2 V in between, for example.

バイアス電圧変化の他の例は変曲バイアス電圧とその前後の2点の合計3点の電圧値での不連続な変化である。例えば、図3から図8の結果から、プローブと塩基間に印加するバイアス電圧が1V、2V、及び3V近傍において測定されるトンネル電流の値を測定する。それらのトンネル電流測定値の対数値を印加バイアス電圧に対してプロットすることで、バイアス電圧が1Vと2Vの間、及びバイアス電圧が2Vと3Vの範囲でのそれぞれの平均変化率を近似的に求める。それらの平均変化率の比率をシトシンとチミンで比較することにより、対象となるピリミジン塩基がシトシンであるかチミンであるかを識別することができる。   Another example of the change in the bias voltage is a discontinuous change in the voltage value of a total of three points including the inflection bias voltage and two points before and after the inflection bias voltage. For example, from the results of FIGS. 3 to 8, the value of the tunnel current measured when the bias voltage applied between the probe and the base is around 1 V, 2 V, and 3 V is measured. By plotting the logarithmic values of the measured tunnel currents against the applied bias voltage, the average rate of change in the bias voltage range between 1V and 2V and the bias voltage range of 2V and 3V can be approximated. Ask. By comparing the ratio of the average rate of change between cytosine and thymine, it is possible to identify whether the target pyrimidine base is cytosine or thymine.

このような知見に基づけば、シトシンとチミンとの間の識別に最も有効なバイアス電圧値V1、V2、V3(この場合は(V1,V2,V3)=(1V,2V,3V))の情報を予め設定しておき、当該電圧値におけるトンネル電流値のみを測定することで、短い測定時間で信頼性の高いデータを取得することができる。 Based on such knowledge, the most effective bias voltage values V 1 , V 2 , V 3 (in this case (V 1 , V 2 , V 3 ) = (1V, 2V) for discrimination between cytosine and thymine , 3V)) in advance, and by measuring only the tunnel current value at the voltage value, highly reliable data can be acquired in a short measurement time.

上に述べた識別方法に必要となるデータ処理の一例を図9に示す。STS測定時には、コンピュータなどのデータベースに予め保存されているバイアス電圧Vs(V1,V2,V3)を印加した際に得られたトンネル電流(I1,I2,I3)がコンピュータ20に取り込まれる。コンピュータ20ではそれらのトンネル電流(I1,I2,I3)がそれぞれ対数値(LogI1、LogI2、LogI3)に変換される。次にそれぞれの電圧、対数電流値を基にV1〜V2間、V2〜V3間のそれぞれの平均変化率a1、a2が次のように求められる。
1=(LogI2−LogI1)/(V2−V1
2=(LogI3−LogI2)/(V3−V2
An example of data processing required for the above-described identification method is shown in FIG. At the time of STS measurement, the tunnel current (I 1 , I 2 , I 3 ) obtained when a bias voltage Vs (V 1 , V 2 , V 3 ) previously stored in a database such as a computer is applied is the computer 20. Is taken in. The computer 20 converts the tunnel currents (I 1 , I 2 , I 3 ) into logarithmic values (LogI 1 , LogI 2 , LogI 3 ), respectively. Next, average change rates a 1 and a 2 between V 1 and V 2 and between V 2 and V 3 are obtained as follows based on the respective voltages and logarithmic current values.
a 1 = (Log I 2 −Log I 1 ) / (V 2 −V 1 )
a 2 = (Log I 3 -Log I 2 ) / (V 3 -V 2 )

最後に2つの平均変化率の比の値(a2/a1)が計算され、その比の値が1より大きなある定数Pとの大小関係が求められて、(a2/a1)がP以上であればそのピリミジン塩基はチミンであり、(a2/a1)がPより小さければそのピリミジン塩基はシトシンであるというように、ピリミジン塩基種の識別処理がなされる。これにより、電流―電圧特性取得からシトシン−チミン識別にいたる一連の処理を自動化することができる。 Finally, the ratio value (a 2 / a 1 ) of the two average rate of change is calculated, and the magnitude relationship with a constant P whose ratio value is greater than 1 is determined, and (a 2 / a 1 ) is If it is P or more, the pyrimidine base is thymine, and if (a 2 / a 1 ) is smaller than P, the pyrimidine base is cytosine. Thereby, a series of processing from current-voltage characteristic acquisition to cytosine-thymine discrimination can be automated.

このシトシン−チミン識別を、走査型トンネル顕微鏡を用いたプリン塩基とピリミジン塩基間の識別方法、及び走査型トンネル顕微鏡を用いたプリン塩基種の識別方法と組み合わせることにより、図10に示されるように、走査型トンネル顕微鏡を用いて基板上に固定されたDNAの塩基配列を自動的に決定することができるようになる。   By combining this cytosine-thymine discrimination with a method for discriminating between purine bases and pyrimidine bases using a scanning tunneling microscope, and a method for discriminating purine base species using a scanning tunneling microscope, as shown in FIG. The base sequence of DNA fixed on the substrate can be automatically determined using a scanning tunneling microscope.

そのために、トポグラフィ像の高さからプリン塩基とピリミジン塩基を識別するための塩基高さのしきい値を設定し、データベースに保持する。また、ピリミジン塩基種の識別のための変曲バイアス電圧を求め、シトシンとチミンとの間の識別に最も有効なバイアス電圧値V1、V2(変曲バイアス電圧)及びV3をデータベースに保持する。バイアス電圧値V1、V2及びV3でのトンネル電流の対数値に基づく上記の平均変化率の比の値(a2/a1)からシトシンであるかチミンであるかを判定するための定数Pも設定し、これもデータベースに保持する。さらに、プリン塩基種の識別のためのピーク検出バイアス電圧を求め、グアニンに特有のピークを検出するためのバイアス電圧の変化範囲を設定して、それらもデータベースに保持する。 For this purpose, a base height threshold value for distinguishing purine bases and pyrimidine bases from the height of the topography image is set and stored in the database. Also, the inflection bias voltage for discrimination of pyrimidine base species is obtained, and the most effective bias voltage values V 1 , V 2 (inflection bias voltage) and V 3 for the discrimination between cytosine and thymine are stored in the database. To do. For determining whether it is cytosine or thymine from the ratio value ratio (a 2 / a 1 ) based on the logarithmic value of the tunnel current at the bias voltage values V 1 , V 2 and V 3 . A constant P is also set and stored in the database. Furthermore, a peak detection bias voltage for identifying the purine base species is obtained, a change range of the bias voltage for detecting a peak specific to guanine is set, and these are also stored in the database.

測定にあたっては、表面が導電性をもつ基板表面に試料DNAを固定し、走査型トンネル顕微鏡を用いてプローブと塩基との間に流れるトンネル電流が一定になるようにフィードバック制御してトポグラフィ像を測定し塩基の位置を特定する。   In measurement, sample DNA is fixed on the surface of a conductive substrate, and a topography image is measured using a scanning tunneling microscope with feedback control so that the tunnel current flowing between the probe and the base is constant. The position of the base is specified.

次に、塩基配列を決定しようとする塩基配列部分の端の塩基にプローブを位置決めする。その塩基については既に求められている塩基像の高さの違いに基づいてその塩基がプリン塩基であるかピリミジン塩基であるかを判定する。その塩基がプリン塩基と識別された場合は、プローブと塩基間の距離を固定した状態で、データベースに保持されているバイアス電圧範囲でバイアス電圧を変化させてプローブと塩基との間に流れるトンネル電流を測定し、ピーク検出バイアス電圧におけるピークが検出されるか否かによりそのプリン塩基がグアニンであるかアデニンであるかを識別する。その塩基がピリミジン塩基と識別された場合は、プローブと塩基間の距離を固定した状態で、データベースに保持されている3点のバイアス電圧でプローブと塩基との間に流れるトンネル電流を測定し、上述の平均変化率の比の値(a2/a1)を計算し、その比の値とデータベースに保持された定数Pとの比較によりそのピリミジン塩基がシトシンであるかチミンであるかを識別する。 Next, the probe is positioned at the base at the end of the base sequence portion whose base sequence is to be determined. For the base, it is determined whether the base is a purine base or a pyrimidine base based on the difference in height of base images that have already been obtained. If the base is identified as a purine base, the tunnel current that flows between the probe and the base by changing the bias voltage within the bias voltage range held in the database with the distance between the probe and the base fixed. And whether the purine base is guanine or adenine is discriminated based on whether or not a peak at the peak detection bias voltage is detected. If the base is identified as a pyrimidine base, the tunnel current flowing between the probe and the base is measured with a bias voltage of 3 points held in the database with the distance between the probe and the base fixed. The ratio value (a 2 / a 1 ) of the above average change rate is calculated, and it is discriminated whether the pyrimidine base is cytosine or thymine by comparing the ratio value with the constant P held in the database. To do.

このようにして、塩基配列を決定しようとする塩基配列部分の端の塩基から順にプローブを位置決めしてその塩基種を識別する作業を自動的に進めることにより、試料DNAの塩基配列が決定される。
実施例は本発明を、走査型トンネル顕微鏡を用いて実現する方法を示しているが、他の走査型プローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡や走査型近接場光顕微鏡などを用いても同様に実現することができる。また、DNAに限らずRNAにも同様に適用することができる。
In this way, the base sequence of the sample DNA is determined by automatically advancing the work of positioning the probe in order from the base at the end of the base sequence portion whose base sequence is to be determined and identifying the base type. .
The examples show how to implement the present invention using a scanning tunneling microscope, but the same can be achieved using an atomic force microscope or a scanning near-field light microscope, which is another scanning probe microscope. can do. Further, the present invention can be similarly applied to RNA as well as DNA.

本発明は走査型プローブ顕微鏡を用いて核酸中のピリミジン塩基種を識別するのに利用することができ、さらにその方法を利用して走査型プローブ顕微鏡を用いた核酸の塩基配列決定方法に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used to identify pyrimidine base species in nucleic acids using a scanning probe microscope, and further used for a nucleic acid base sequencing method using a scanning probe microscope. be able to.

(A)は本発明を実施する走査型トンネル顕微鏡を示す概略構成図、(B)は走査型トンネル分光法によるシトシンとチミンのバイアス電圧−トンネル電流特性を示すグラフである。(A) is a schematic block diagram which shows the scanning tunnel microscope which implements this invention, (B) is a graph which shows the bias voltage-tunnel current characteristic of cytosine and thymine by a scanning tunneling spectroscopy. DNAサンプルの調製方法を工程順に示す図である。It is a figure which shows the preparation method of a DNA sample in order of a process. フィードバック条件で取得した金薄膜基板上のシトシン塩基のSTM像である。It is the STM image of the cytosine base on the gold | metal thin film board | substrate acquired on feedback conditions. プローブとシトシンとの距離を固定して取得したトンネル電流-電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the tunnel current-voltage characteristic acquired by fixing the distance of a probe and cytosine. 図4の結果でトンネル電流を対数変換して示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing logarithmic conversion of the tunnel current based on the result of FIG. フィードバック条件で取得した金薄膜基板上のチミン塩基のSTM像である。It is an STM image of a thymine base on a gold thin film substrate acquired under feedback conditions. プローブとチミンとの距離を固定して取得したトンネル電流-電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the tunnel current-voltage characteristic acquired by fixing the distance of a probe and thymine. 図7の結果でトンネル電流を対数変換して示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing logarithmic conversion of the tunnel current based on the result of FIG. ピリミジン塩基種の識別方法を実現するデータ処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the data processing which implement | achieves the identification method of a pyrimidine base species. DNAの塩基配列決定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the base sequence determination method of DNA.

符号の説明Explanation of symbols

2 プローブ
4 制御装置
6 試料核酸
8 基板
12 DNA溶液
14 金薄膜基板
2 Probe 4 Control device 6 Sample nucleic acid 8 Substrate 12 DNA solution 14 Gold thin film substrate

Claims (7)

以下の工程(A)から(C)を備えて試料核酸中のピリミジン塩基種を識別する識別方法。
(A)表面が導電性をもつ基板表面にチミンを固定し、走査型プローブ顕微鏡のプローブとチミン間の距離を固定した状態で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブとチミンとの間に流れるトンネル電流を測定し、バイアス電圧に対する対数変換されたトンネル電流の変化率が変化する変曲バイアス電圧を求める工程、
(B)表面が導電性をもつ基板表面に識別の対象となる試料核酸中のピリミジン塩基をもつ部分を、伸長させてそれぞれの塩基が基板に直接接触した状態で固定し、前記プローブとピリミジン塩基間の距離を固定した状態で前記変曲バイアス電圧を間に含む特定の電圧範囲で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブと塩基との間に流れるトンネル電流の変化を測定する工程、及び
(C)工程(B)で求められたバイアス電圧の変化に対するトンネル電流の変化に基づき、前記変曲バイアス電圧の前後での変化の割合からそのピリミジン塩基がシトシンであるかチミンであるかを識別する工程。
An identification method comprising the following steps (A) to (C) for identifying a pyrimidine base species in a sample nucleic acid.
(A) A thymine is fixed on the surface of a substrate having a conductive surface, and the probe and the thymine are changed by changing a bias voltage applied between the probe and the substrate in a state where the distance between the probe and the thymine of the scanning probe microscope is fixed. Measuring a tunnel current flowing between and a bias voltage that changes the rate of change of the logarithmically converted tunnel current with respect to the bias voltage,
(B) The portion having the pyrimidine base in the sample nucleic acid to be identified is extended on the surface of the substrate having conductivity on the surface and fixed in a state where each base is in direct contact with the substrate, and the probe and the pyrimidine base are fixed. Measure the change of the tunnel current flowing between the probe and the base by changing the bias voltage applied between the probe and the substrate in a specific voltage range including the inflection bias voltage with the distance between them fixed And (C) based on the change of the tunnel current with respect to the change of the bias voltage obtained in the step (B), from the ratio of the change before and after the inflection bias voltage, whether the pyrimidine base is cytosine or thymine The process of identifying whether there is.
工程(B)におけるバイアス電圧の変化は前記特定の範囲の最低バイアス電圧、前記変曲バイアス電圧及び最高バイアス電圧の3点で行い、
工程(C)における識別は前記最低バイアス電圧と変曲バイアス電圧の間でのトンネル電流の変化率と、変曲バイアス電圧と前記最高バイアス電圧の間でのトンネル電流の変化率との比率に基づいて行う請求項1に記載のピリミジン塩基種識別方法。
The change of the bias voltage in the step (B) is performed at three points of the minimum bias voltage in the specific range, the inflection bias voltage, and the maximum bias voltage,
The identification in the step (C) is based on the ratio between the change rate of the tunnel current between the lowest bias voltage and the inflection bias voltage and the change rate of the tunnel current between the inflection bias voltage and the highest bias voltage. The pyrimidine base species identification method according to claim 1 performed.
工程(C)における識別は対数変換されたトンネル電流の変化率に基づいて行う請求項1又は2に記載のピリミジン塩基種識別方法。   The pyrimidine base species identification method according to claim 1 or 2, wherein the identification in the step (C) is performed based on a logarithmically converted rate of change of the tunnel current. 以下の工程(A)から(G)を備えて試料核酸中の塩基種を識別する識別方法。
(A)表面が導電性をもつ基板表面にチミンを固定し、走査型プローブ顕微鏡のプローブとチミン間の距離を固定した状態で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブとチミンとの間に流れるトンネル電流を測定し、バイアス電圧に対する対数変換されたトンネル電流の変化率が変化する変曲バイアス電圧を求める工程、
(B)表面が導電性をもつ基板表面にグアニンを固定し、走査型プローブ顕微鏡のプローブとグアニン間の距離を固定した状態で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブとグアニンの間に流れるトンネル電流を測定し、トンネル電流のバイアス電圧による微分曲線上でのグアニンのピークを検出し、そのピーク検出バイアス電圧を求める工程、
(C)表面が導電性をもつ基板表面に試料核酸の識別の対象となる塩基配列をもつ部分を、伸長させてそれぞれの塩基が基板に直接接触した状態で固定する工程、
(D)走査型プローブ顕微鏡を用いてプローブと塩基との間に流れるトンネル電流が一定になるようにフィードバック制御してトポグラフィ像を測定し、塩基像の高さに基づいてその塩基がプリン塩基であるかピリミジン塩基であるかを識別する工程、
(E)工程(D)でプリン塩基と識別された塩基に対しては、プローブと塩基間の距離を固定した状態で前記ピーク検出バイアス電圧を間に含む特定の範囲でプローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させて前記プローブと塩基との間に流れるトンネル電流を測定し、前記ピーク検出バイアス電圧におけるトンネル電流のバイアス電圧による微分曲線上にピークが検出されるか否かによりそのプリン塩基がグアニンであるかアデニンであるかを識別する工程、
(F)工程(D)でピリミジン塩基と識別された塩基に対しては、プローブと塩基間の距離を固定した状態で前記変曲バイアス電圧を間に含む特定の電圧範囲で前記プローブと基板間に加えるバイアス電圧を変化させてプローブと塩基との間に流れるトンネル電流の変化を測定する工程、及び
(G)そのトンネル電流の変化の割合に基づいてそのピリミジン塩基がシトシンであるかチミンであるかを識別する工程。
An identification method comprising the following steps (A) to (G) for identifying a base species in a sample nucleic acid.
(A) A thymine is fixed on the surface of a substrate having a conductive surface, and the probe and thymine are changed by changing a bias voltage applied between the probe and the substrate in a state where the distance between the probe and the thymine of the scanning probe microscope is fixed. Measuring a tunnel current flowing between and a bias voltage that changes the rate of change of the logarithmically converted tunnel current with respect to the bias voltage,
(B) The guanine is fixed on the surface of the substrate having conductivity, and the bias voltage applied between the probe and the substrate is changed with the distance between the probe and the guanine of the scanning probe microscope fixed, thereby changing the probe and the guanine. Measuring the tunnel current flowing between the two, detecting the peak of guanine on the differential curve due to the bias voltage of the tunnel current, and obtaining the peak detection bias voltage,
(C) a step of extending a portion having a base sequence that is a target of identification of a sample nucleic acid on the surface of a substrate having conductivity, and fixing the base in a state in which each base is in direct contact with the substrate;
(D) Using a scanning probe microscope, the topography image is measured by feedback control so that the tunnel current flowing between the probe and the base becomes constant, and the base is a purine base based on the height of the base image. Identifying whether it is a pyrimidine base;
(E) For the base identified as the purine base in step (D), the distance between the probe and the base is fixed and applied between the probe and the substrate within a specific range including the peak detection bias voltage therebetween. The tunnel current flowing between the probe and the base is measured by changing the bias voltage, and the purine base is determined depending on whether or not a peak is detected on the differential curve by the bias voltage of the tunnel current at the peak detection bias voltage. Identifying whether it is guanine or adenine,
(F) For the base identified as the pyrimidine base in step (D), the distance between the probe and the substrate is within a specific voltage range including the inflection bias voltage with the distance between the probe and the base fixed. Measuring the change in the tunnel current flowing between the probe and the base by changing the bias voltage applied to the base, and (G) the pyrimidine base is cytosine or thymine based on the rate of change in the tunnel current The process of identifying
工程(E)におけるバイアス電圧の変化は前記特定の範囲の最低バイアス電圧、前記変曲バイアス電圧及び最高バイアス電圧の3点で行い、
ピリミジン塩基の識別は前記最低バイアス電圧と変曲バイアス電圧の間でのトンネル電流の変化率と、変曲バイアス電圧と前記最高バイアス電圧の間でのトンネル電流の変化率との比率に基づいて行う請求項4に記載の塩基種識別方法。
The change of the bias voltage in the step (E) is performed at three points of the minimum bias voltage in the specific range, the inflection bias voltage, and the maximum bias voltage,
The pyrimidine base is identified based on the ratio of the rate of change of the tunnel current between the minimum bias voltage and the inflection bias voltage and the rate of change of the tunnel current between the inflection bias voltage and the maximum bias voltage. The base species identification method according to claim 4.
工程(E)における識別は対数変換されたトンネル電流の変化率に基づいて行う請求項4又は5に記載の塩基種識別方法。   6. The base species identification method according to claim 4 or 5, wherein the identification in the step (E) is performed based on a logarithmically converted rate of change of the tunnel current. 工程(D)から(G)を基板に固定された試料核酸の塩基に沿って順次行うことによりその試料核酸の塩基配列を決定する請求項4から6のいずれか一項に記載の塩基種識別方法。   The base species identification according to any one of claims 4 to 6, wherein the base sequence of the sample nucleic acid is determined by sequentially performing steps (D) to (G) along the base of the sample nucleic acid fixed to the substrate. Method.
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