JP5100236B2 - Single-stranded nucleotide multimer extension immobilization substrate and method for producing the same - Google Patents

Single-stranded nucleotide multimer extension immobilization substrate and method for producing the same Download PDF

Info

Publication number
JP5100236B2
JP5100236B2 JP2007196620A JP2007196620A JP5100236B2 JP 5100236 B2 JP5100236 B2 JP 5100236B2 JP 2007196620 A JP2007196620 A JP 2007196620A JP 2007196620 A JP2007196620 A JP 2007196620A JP 5100236 B2 JP5100236 B2 JP 5100236B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
stranded nucleotide
alkylamine
nucleotide multimer
substrate
multimer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2007196620A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009031164A (en
Inventor
知秀 高見
裕行 田中
知二 川合
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science and Technology Agency, National Institute of Japan Science and Technology Agency filed Critical Japan Science and Technology Agency
Priority to JP2007196620A priority Critical patent/JP5100236B2/en
Publication of JP2009031164A publication Critical patent/JP2009031164A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5100236B2 publication Critical patent/JP5100236B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、デオキシリボ核酸(DNA)やリボ核酸(RNA)などのヌクレオチド多量体を安定に導電性基板に固定化する方法に関する。より詳しくは、本発明は、一本鎖ヌクレオチド多量体を伸張した状態でグラファイト等の導電性基板に単分子膜として安定に固定化する方法に関する。   The present invention relates to a method for stably immobilizing nucleotide multimers such as deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA) on a conductive substrate. More specifically, the present invention relates to a method for stably immobilizing a single-stranded nucleotide multimer as a monomolecular film on a conductive substrate such as graphite in a stretched state.

デオキシリボ核酸(DNA)は生物の遺伝情報を担う分子であり、その塩基配列には生命体に必要な情報が符号化されている。したがって、DNAシークエンシング[非特許文献1]は遺伝情報を解析するための基本手段となっている。DNAシークエンシングにおいては、サンガー法[非特許文献2]などDNA断片長を調べる方法が主流である。
しかしながら、上記方法は、DNA鎖の複製を伴い、さらに断片化するため、DNAの塩基配列をそのままの状態で観察解析することができない。特に、複製のたびに、DNA末端に存在するテロメアが50から200塩基ずつ短くなり、テロメアの塩基配列を正確に観察することができないことなどの問題があった。
Deoxyribonucleic acid (DNA) is a molecule that carries the genetic information of living organisms, and information necessary for living organisms is encoded in its base sequence. Therefore, DNA sequencing [Non-Patent Document 1] is a basic means for analyzing genetic information. In DNA sequencing, methods for examining DNA fragment length, such as the Sanger method [Non-patent Document 2], are the mainstream.
However, since the above method involves DNA strand replication and further fragmentation, the DNA base sequence cannot be observed and analyzed as it is. In particular, there is a problem that the telomere existing at the end of the DNA is shortened by 50 to 200 bases every time of replication, and the base sequence of the telomere cannot be observed accurately.

これに対して、一本鎖DNAを伸張した状態で基板に固定し、塩基配列を観察できれば、オリジナルのDNA配列を観察することが可能となる。
走査プローブ顕微鏡法で一分子DNAをそのままの状態で観察解析を行うことは、単に一分子シークエンシングが可能になるだけでなく、DNA内の分子のマニピュレーションへの応用へと期待できる。
On the other hand, if the single-stranded DNA is fixed to the substrate in a stretched state and the base sequence can be observed, the original DNA sequence can be observed.
Observation and analysis of single-molecule DNA as it is by scanning probe microscopy can be expected not only for single-molecule sequencing but also for application to manipulation of molecules in DNA.

走査プローブ顕微鏡法において現在最も汎用な手法は原子間力顕微鏡法(AFM)であり、このAFMでDNAらせんを識別する分解能は達成されているが[非特許文献3および4]、その先の塩基識別は困難である。   At present, the most widely used technique in scanning probe microscopy is atomic force microscopy (AFM), and this AFM has achieved a resolution for identifying a DNA helix [Non-Patent Documents 3 and 4]. Identification is difficult.

これに対して走査トンネル顕微鏡法(STM)は、DNA観察においてAFMよりも高い空間分解能を得ることが可能であり[非特許文献5]、真空噴霧法で作製したDNA試料を超高真空下で液体窒素温度において観察することにより、塩基が識別できる高い空間分解能が達成できる[非特許文献6]。
この高い分解能を、室温で大気中または固液界面など汎用性の高い環境で得るためには、DNAを伸張した状態で安定に基板表面に固定することが必要である。
In contrast, scanning tunneling microscopy (STM) can obtain higher spatial resolution than AFM in DNA observation [Non-Patent Document 5], and a DNA sample prepared by vacuum spraying can be obtained under an ultrahigh vacuum. By observing at a liquid nitrogen temperature, a high spatial resolution capable of discriminating the base can be achieved [Non-Patent Document 6].
In order to obtain this high resolution at room temperature in a highly versatile environment such as in the air or a solid-liquid interface, it is necessary to stably fix the DNA to the substrate surface in a stretched state.

山本らはグラファイト表面に伸張したDNAを展開する方法を開発した[非特許文献8]。しかしこの手法で作製した試料をSTM観察すると、らせん構造までは確認できたが、DNAが基板に安定に固定されていないため、それ以上の分解能を得ることは困難であった。   Yamamoto et al. Developed a method for developing DNA stretched on a graphite surface [Non-Patent Document 8]. However, when the sample prepared by this technique was observed by STM, even the helical structure could be confirmed, but it was difficult to obtain a higher resolution because the DNA was not stably fixed to the substrate.

DNAおよびRNAはリン酸基を有する鎖状高分子である。このリン酸基に、グラファイトなどの基板に対して格子整合性のある長鎖アルキル分子、例えば、オクチルアミンを結合させることにより、長鎖アルキル分子を介して鎖状高分子を基板上に配列する手法が開発されている[非特許文献7]。
しかしながら、この手法を単に一本鎖DNAに応用すると多層膜は得られるが、一本鎖DNAを単分子膜として基板に配列させることができなかった。
DNA and RNA are chain polymers having a phosphate group. A long-chain alkyl molecule having lattice matching with a substrate such as graphite, for example, octylamine is bonded to the phosphate group, thereby arranging a chain polymer on the substrate via the long-chain alkyl molecule. A technique has been developed [Non-Patent Document 7].
However, if this technique is simply applied to single-stranded DNA, a multilayer film can be obtained, but the single-stranded DNA cannot be arranged on the substrate as a monomolecular film.

13塩基のDNAの片末端にチオール基を導入し、金基板上にDNAの自己組織化膜を配列し、STMで観察する手法が報告されている[非特許文献9]。この手法によれば、らせん構造を見ることができるが、伸張した状態でDNAを観察することはできなかった。   A technique has been reported in which a thiol group is introduced into one end of a 13-base DNA, a DNA self-assembled film is arranged on a gold substrate, and observed by STM [Non-patent Document 9]. According to this technique, the helical structure can be seen, but the DNA cannot be observed in the stretched state.

特開2005−049176号公報[特許文献1]には、DNAなどの鎖状高分子を基板に伸張固定する方法が開示されているが、大気中または固液界面でDNA内の塩基識別が可能な分解能にてSTM観察するためには、DNAと基板との相互作用が小さく、固定を安定に行うことができなかった。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-049176 [Patent Document 1] discloses a method of stretching and fixing a chain polymer such as DNA to a substrate. However, it is possible to identify bases in DNA in the air or at a solid-liquid interface. In order to perform STM observation with high resolution, the interaction between the DNA and the substrate was small, and the fixation could not be performed stably.

特開2005−049176号公報JP 2005-049176 A L. T. C. Franca, E. Carrilho, and T. B. L. Kist, Quart. Rev. Biophys. 35, 169 (2002).L. T. C. Franca, E. Carrilho, and T. B. L. Kist, Quart. Rev. Biophys. 35, 169 (2002). F. Sanger, S. Nicklen, and A. R. Coulson, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 74, 5463 (1977).F. Sanger, S. Nicklen, and A. R. Coulson, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 74, 5463 (1977). H. G. Hansma et al., Science 256, 1180 (1992).H. G. Hansma et al., Science 256, 1180 (1992). H. G. Hansma et al., Nucl. Acids Res. 20, 3585 (1992).H. G. Hansma et al., Nucl. Acids Res. 20, 3585 (1992). R. Guckenberger et al., Science 266, 1538 (1994).R. Guckenberger et al., Science 266, 1538 (1994). H. Tanaka and T. Kawai, Surf. Sci. 539, L531 (2003).H. Tanaka and T. Kawai, Surf. Sci. 539, L531 (2003). I. Yamamoto, T. Kanno, H. Tanaka and T. Kawai, Jpn. J. Appl. Phys. 42, L559 (2003).I. Yamamoto, T. Kanno, H. Tanaka and T. Kawai, Jpn. J. Appl. Phys. 42, L559 (2003). K. Ijiro and Y. Okahata, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1339 (1992).K. Ijiro and Y. Okahata, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1339 (1992). M. Gubb et al., J. Am. Chem. Soc., 7734 (2006).M. Gubb et al., J. Am. Chem. Soc., 7734 (2006).

本発明は、一本鎖のDNAまたはRNA(一本鎖ヌクレオチド多量体)を伸張した状態で、基板、特に、グラファイトなどの導電性基板に単分子膜として簡便かつ安定に固定化する方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a method for easily and stably immobilizing single-stranded DNA or RNA (single-stranded nucleotide multimer) as a monomolecular film on a substrate, particularly a conductive substrate such as graphite, in a stretched state. The purpose is to do.

本発明者らは、長鎖アルキル分子を介して鎖状高分子を基板上に伸張固定する上記の手法[非特許文献8]を応用して、一本鎖ヌクレオチド多量体のリン酸部位にアルキルアミンを結合させる反応を、水と有機溶媒の界面で行って単分子膜を作製して、この単分子膜を基板に固定する方法を開発した。この方法により作製したヌクレオチド多量体-アルキルアミン複合体の単分子膜を1テラオーム以上の高インピーダンスSTMで観察することにより、作製した単分子膜を破壊することなく塩基識別可能な空間分解能観察を達成した。
すなわち、本発明は、一本鎖ヌクレオチド多量体を伸張した状態で基板に安定に接合するために、液体界面での化学反応を用いて、アルキルアミンを一本鎖ヌクレオチド多量体のリン酸部位に結合して一本鎖ヌクレオチド多量体−アルキルアミン複合体を生成する。一本鎖ヌクレオチド多量体−アルキルアミン複合体は液体界面に沿って生成されるため、一本鎖ヌクレオチド多量体−アルキルアミン複合体の単分子膜が形成される。次に、アルキルアミンと基板との相互作用を利用して、一本鎖ヌクレオチド多量体を単分子膜として機械的および電気的に安定に基板に固定化する。
The present inventors apply the above-mentioned method [Non-Patent Document 8] in which a chain polymer is stretched and fixed on a substrate via a long-chain alkyl molecule, and an alkyl is added to the phosphate site of the single-stranded nucleotide multimer. We developed a method for fixing the monomolecular film to the substrate by producing a monomolecular film by performing the reaction for bonding the amine at the interface between water and an organic solvent. By observing the monolayer of the nucleotide multimer-alkylamine complex produced by this method with a high impedance STM of 1 teraohm or more, the spatial resolution observation that enables base discrimination without destroying the produced monomolecular film is achieved. did.
That is, in the present invention, in order to stably bond a single-stranded nucleotide multimer to a substrate in an extended state, an alkylamine is attached to the phosphate site of the single-stranded nucleotide multimer using a chemical reaction at the liquid interface. Combine to form a single stranded nucleotide multimer-alkylamine complex. Since the single-stranded nucleotide multimer-alkylamine complex is formed along the liquid interface, a monomolecular film of the single-stranded nucleotide multimer-alkylamine complex is formed. Next, utilizing the interaction between the alkylamine and the substrate, the single-stranded nucleotide multimer is immobilized as a monomolecular film on the substrate mechanically and electrically stably.

本発明の方法によれば、一本鎖ヌクレオチド多量体を単分子膜として固体表面に安定して固定化することができるので、超高真空を用いる従来の方法と異なり、大気圧下で1分子のヌクレオチド多量体(DNAまたはRNA)のシークエンシングが可能となる。
さらに、本発明により、従来は困難であったDNAや分子ワイヤーの分子内構造の計測の安定性および再現性が向上し、単分子デバイスの実現において鍵となる技術のひとつになると考えられる。
According to the method of the present invention, a single-stranded nucleotide multimer can be stably immobilized on a solid surface as a monomolecular film. Therefore, unlike the conventional method using ultra-high vacuum, one molecule under atmospheric pressure. Nucleotide multimers (DNA or RNA) can be sequenced.
Furthermore, the present invention improves the stability and reproducibility of the measurement of the intramolecular structure of DNA and molecular wires, which has been difficult in the past, and is considered to be one of the key technologies for realizing a single molecule device.

本発明は、1個の一本鎖のヌクレオチド多量体と複数のアルキルアミンとの複合体の単分子膜が固定化された導電性基板の製造方法であって、
(1)一本鎖ヌクレオチド多量体の水溶液の水滴を導電性基板上で静置する工程;
(2)前記水滴を完全に覆うように、水と非相溶の第1の有機溶媒中のアルキルアミンの溶液を滴下してアルキルアミンの溶液の液膜を形成する工程;
(3)一本鎖ヌクレオチド多量体の水溶液とアルキルアミンの溶液との液体界面にて、一本鎖ヌクレオチド多量体の複数のリン酸基部位に前記複数のアルキルアミンが結合して、1個の一本鎖のヌクレオチド多量体と複数のアルキルアミンとの複合体の単分子膜が形成するのに十分な時間静置する工程;および
(4)前記導電性基板を加熱しつつ、一本鎖ヌクレオチド多量体の水溶液の水滴およびアルキルアミンの溶液の液膜を、水と非相溶の第2の有機溶媒で洗い流すことによって、1個の一本鎖のヌクレオチド多量体と複数のアルキルアミンとの複合体の単分子膜を導電性基板上に固定する工程を含むことを特徴とする製造方法を提供する。
The present invention is a method for producing a conductive substrate on which a monomolecular film of a complex of one single-stranded nucleotide multimer and a plurality of alkylamines is immobilized,
(1) A step of allowing a water droplet of an aqueous solution of a single-stranded nucleotide multimer to stand on a conductive substrate;
(2) dropping an alkylamine solution in a first organic solvent incompatible with water so as to completely cover the water droplets to form a liquid film of the alkylamine solution;
(3) At the liquid interface between the aqueous solution of the single-stranded nucleotide multimer and the alkylamine solution, the plurality of alkylamines bind to the plurality of phosphate group sites of the single-stranded nucleotide multimer, And (4) a single-stranded nucleotide while heating the conductive substrate, and a step of allowing the single-stranded nucleotide multimer and a plurality of alkylamines to form a monomolecular film. Combining one single-stranded nucleotide multimer with a plurality of alkylamines by rinsing water droplets of the aqueous solution of the polymer and the liquid film of the alkylamine solution with a second organic solvent incompatible with water. There is provided a manufacturing method comprising a step of fixing a monomolecular film of a body on a conductive substrate.

ヌクレオチドとは、塩基と糖が結合したヌクレオシドにさらにリン酸基が結合した物質である。糖成分がリボースのヌクレオチドをリボヌクレオチドといい、リボヌクレオチドの多量体がリボ核酸(RNA)である。糖成分がデオキシリボースのヌクレオチドをデオキシリボヌクレオチドといい、デオキシリボヌクレオチドの多量体がデオキシリボ核酸(DNA)である。
本発明において、ヌクレオチドの多量体とは、ヌクレオチドが5’−3’ホスホジエステル結合によって結び付けられた鎖状高分子であり、オリゴヌクレオチドおよびポリヌクレオチドを含む概念である。
A nucleotide is a substance in which a phosphate group is further bound to a nucleoside bound to a base and a sugar. A nucleotide whose sugar component is ribose is called a ribonucleotide, and a multimer of ribonucleotides is a ribonucleic acid (RNA). A nucleotide having a sugar component of deoxyribose is called deoxyribonucleotide, and a multimer of deoxyribonucleotide is deoxyribonucleic acid (DNA).
In the present invention, a nucleotide multimer is a chain polymer in which nucleotides are linked by a 5′-3 ′ phosphodiester bond, and is a concept including oligonucleotides and polynucleotides.

DNAは、通常、相補的な二本鎖が塩基対間の水素結合により二重らせん構造を形成している。一方、RNAは、一般に、一本鎖として存在するが、例外もある。
本発明は、核酸の塩基配列をSTM等の手法により、そのままの状態で観察解析を行うことに鑑み、二重らせん構造により塩基が内部に埋め込まれた二本鎖ではなく、一本鎖のヌクレオチド多量体を対象とする。
In DNA, complementary double strands usually form a double helix structure by hydrogen bonding between base pairs. On the other hand, RNA generally exists as a single strand, but there are exceptions.
In view of performing observation analysis of a nucleic acid base sequence as it is by a technique such as STM, the present invention is not a double strand in which a base is embedded in a double helix structure but a single-stranded nucleotide. For multimers.

本発明の対象である一本鎖ヌクレオチド多量体の1例を図1(a)に示す。このヌクレオチド多量体は、六量体DNA(AAATTT;A=アデニン、T=チミン)である。
本発明で用いるヌクレオチド多量体は水溶性であるが、水と非相溶の有機溶媒には実質的に溶解しない。本発明において、対象とするヌクレオチド多量体の塩基数は5個以上が好ましく、より好ましくは、5〜5000個である。塩基数が5000個を超えると、別の研究から、伸張した状態でヌクレオチド多量体の単分子膜を得ることは困難であった[非特許文献7]。
An example of a single-stranded nucleotide multimer that is the subject of the present invention is shown in FIG. This nucleotide multimer is hexameric DNA (AAATTT; A = adenine, T = thymine).
The nucleotide multimer used in the present invention is water-soluble, but does not substantially dissolve in an organic solvent incompatible with water. In the present invention, the number of bases of the target nucleotide multimer is preferably 5 or more, more preferably 5 to 5000. When the number of bases exceeds 5000, it was difficult to obtain a monolayer of nucleotide multimers in an extended state from another study [Non-patent Document 7].

本発明において用いることができるアルキルアミンは、1個のアルキル基で置換された1級アミンであることが好ましく、より好ましくは、5〜20個の炭素数を有する1個のアルキル基で置換された1級アミンである
1級アミンであれば、ポリヌクレオチド多量体を基板に直接接した状態で安定に固定化することができるが、より高級アミンの場合、ポリヌクレオチド多量体が基板から離れた状態で固定されるため、ポリヌクレオチド多量体を安定に固定させることができなかった。ここで、「ポリヌクレオチド多量体を安定に固定させる」とは、STM解析において探針の走査によって、ポリヌクレオチド多量体が移動して、その配列状態が乱されないように固定することを意味する。
The alkylamine that can be used in the present invention is preferably a primary amine substituted with one alkyl group, and more preferably substituted with one alkyl group having 5 to 20 carbon atoms. If the primary amine is a primary amine, the polynucleotide multimer can be stably immobilized in direct contact with the substrate, but in the case of a higher amine, the polynucleotide multimer is separated from the substrate. The polynucleotide multimer could not be stably immobilized because it was immobilized in a state. Here, “to stably fix the polynucleotide multimer” means to fix the polynucleotide multimer so that the sequence state is not disturbed by the scanning of the probe in the STM analysis.

本発明で用いるアルキルアミンは、水には実質的に溶解しないが、水と非相溶の有機溶媒に溶解する。
本発明において用いることができるアルキルアミンの一例を図1(b)に示す。このアルキルアミンは、炭素数8のアルキル基が置換した一級アミン(オクチルアミン;CH(CHNH)である。
The alkylamine used in the present invention does not substantially dissolve in water but dissolves in an organic solvent incompatible with water.
An example of an alkylamine that can be used in the present invention is shown in FIG. This alkylamine is a primary amine substituted with an alkyl group having 8 carbon atoms (octylamine; CH 3 (CH 2 ) 7 NH 2 ).

本発明によれば、一分子のヌクレオチド多量体に含まれる複数のリン酸基の各々にアルキルアミンが配位したヌクレオチド多量体とアルキルアミンの複合体が形成される。本発明によるヌクレオチド多量体とアルキルアミンの複合体の一例を図2に示す。   According to the present invention, a complex of a nucleotide multimer and an alkylamine in which an alkylamine is coordinated to each of a plurality of phosphate groups contained in one molecule of the nucleotide multimer is formed. An example of the complex of nucleotide multimer and alkylamine according to the present invention is shown in FIG.

本発明は、この複合体を伸張した状態で単分子膜として導電性基板上に固定化することを特徴とする。
これにより、STMを用いた高い空間分解能観察を可能とし、ヌクレオチド多量体の塩基配列を決定するための試料を調製することができる。
本発明で用いる導電性基板は、STM観察に用いることができる基板であればよく、例えば、グラファイト基板、Auなどの金属製基板などが挙げられる。
特に、高配向焼結グラファイト(Highly Oriented Pyrolytic Graphite; HOPG)が好ましい。アルキル鎖の炭化水素繰り返し単位の間隔と、HOPGの格子定数がほぼ一致するため、アルキル鎖がHOPG基板上で配列され、その結果、ポリヌクレオチド多量体を伸張した状態で基板に固定化することができる。
The present invention is characterized in that this complex is immobilized on a conductive substrate as a monomolecular film in a stretched state.
Thereby, high spatial resolution observation using STM is enabled, and the sample for determining the base sequence of a nucleotide multimer can be prepared.
The conductive substrate used in the present invention may be any substrate that can be used for STM observation, and examples thereof include a graphite substrate and a metal substrate such as Au.
In particular, highly oriented sintered graphite (HOPG) is preferable. Since the interval between the hydrocarbon repeating units of the alkyl chain and the lattice constant of HOPG are almost the same, the alkyl chain is arranged on the HOPG substrate, and as a result, the polynucleotide multimer can be immobilized on the substrate in a stretched state. it can.

次に、図3および4を参照して、本発明の製造方法を説明する。
本発明の製造方法の工程(1)において、一本鎖ヌクレオチド多量体の水溶液を導電性基板上に滴下して、得られた水滴を導電性基板上で静置する。
この工程の目的は2つある。1番目の目的は、溶液中で会合したポリヌクレオチド多量体を単一分子に分離させることにある。2番目の目的は、凝集し、絡み合ったポリヌクレオチド多量体を沈殿させることにある。この目的のため、好ましい静置時間は1〜60分間である。
本発明の製造方法において、ヌクレオチド多量体の水溶液濃度は、好ましくは、10pM/μl〜10nM/μlである。水溶液濃度が、10pM/μl未満であると、ヌクレオチド多量体が離散的に基板上に固定化され、STM観察による解析が不十分となり、10nM/μlを超えると、ヌクレオチド多量体が凝集した状態で基板に固定化されるおそれがあるからである。
本発明の製造方法において、ヌクレオチド多量体の水溶液の滴下量は、好ましくは、0.1〜1μlである。水溶液の滴下量が、0.1μl未満であると、ヌクレオチドの絶対量が不足して、STM観察による解析が不十分となるからである。また、水溶液の滴下量の上限は、STM観察に用いる基板の面積に依存し、基板からあふれ出さない量であればよく、通常のSTM観察には、10mm角の基板を用いることから、滴下量は1μlを超えないことが好ましい。
すなわち、本発明の方法によれば、極少量のヌクレオチド多量体が存在すれば、そのままの状態で塩基配列を観察解析することができる。
Next, the manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIGS.
In step (1) of the production method of the present invention, an aqueous solution of a single-stranded nucleotide multimer is dropped on a conductive substrate, and the obtained water droplet is allowed to stand on the conductive substrate.
This process has two purposes. The first purpose is to separate polynucleotide multimers associated in solution into single molecules. The second purpose is to precipitate aggregated and entangled polynucleotide multimers. For this purpose, the preferred standing time is 1 to 60 minutes.
In the production method of the present invention, the aqueous solution concentration of the nucleotide multimer is preferably 10 pM / μl to 10 nM / μl. When the aqueous solution concentration is less than 10 pM / μl, nucleotide multimers are discretely immobilized on the substrate, and analysis by STM observation becomes insufficient. When the concentration exceeds 10 nM / μl, nucleotide multimers are aggregated. This is because it may be fixed to the substrate.
In the production method of the present invention, the dropping amount of the aqueous solution of nucleotide multimer is preferably 0.1 to 1 μl. This is because when the amount of the aqueous solution dropped is less than 0.1 μl, the absolute amount of nucleotides is insufficient, and analysis by STM observation becomes insufficient. Further, the upper limit of the dropping amount of the aqueous solution depends on the area of the substrate used for STM observation, and may be an amount that does not overflow from the substrate. A normal STM observation uses a 10 mm square substrate. Preferably does not exceed 1 μl.
That is, according to the method of the present invention, if a very small amount of nucleotide multimers are present, the base sequence can be observed and analyzed as it is.

本発明の製造方法の工程(2)において、前記水滴を完全に覆うように、水と非相溶の第1の有機溶媒中のアルキルアミンの溶液を滴下してアルキルアミンの溶液の液膜を形成する。
水と非相溶の第1の有機溶媒中のアルキルアミンの溶液濃度は、好ましくは、1nM〜10mMである。
図4に示すように、この工程において、導電性基板上には、ヌクレオチド多量体の水溶液およびアルキルアミンの溶液の二層構造が形成され、2つの溶液の間に液体界面が存在する。
In step (2) of the production method of the present invention, a solution of the alkylamine in the first organic solvent incompatible with water is dropped to completely cover the water droplets, thereby forming a liquid film of the alkylamine solution. Form.
The solution concentration of the alkylamine in the first organic solvent incompatible with water is preferably 1 nM to 10 mM.
As shown in FIG. 4, in this step, a two-layer structure of an aqueous solution of nucleotide multimers and an alkylamine solution is formed on the conductive substrate, and a liquid interface exists between the two solutions.

本発明の製造方法の工程(3)において、アルキルアミンは、そのアミン末端側を液体界面に向けて配列していると考えられる。したがって、ヌクレオチド多量体のリン酸基とアルキルアミンのアミン末端とは、二次元的に限定された液体界面でのみ反応して複合体を形成するため、複合体の単分子膜が液体界面に沿って形成される。複合体の単分子膜を形成するのに好ましい静置時間は、30〜180分である。   In step (3) of the production method of the present invention, the alkylamine is considered to be arranged with the amine terminal side facing the liquid interface. Therefore, the phosphate group of the nucleotide multimer and the amine terminal of the alkylamine react only at a two-dimensionally limited liquid interface to form a complex, so that the monolayer of the complex follows the liquid interface. Formed. A preferable standing time for forming a monomolecular film of the complex is 30 to 180 minutes.

本発明の製造方法の工程(4)において、前記導電性基板を加熱しつつ、一本鎖ヌクレオチド多量体の水溶液の水滴およびアルキルアミンの溶液の液膜を、水と非相溶の第2の有機溶媒で洗い流すことによって、液体界面に沿って形成された複合体の単分子膜を導電性基板上に固定する。
この工程を室温(約25℃)で行った場合、基板上に単分子膜は形成されず、複合体は三次元的に堆積した。工程温度を上昇させたところ、35℃以上であれば、基板上に単分子膜を形成することができた。ヌクレオチド多量体に与える影響を考慮して、この工程は80℃以下で行うことが好ましい。
In the step (4) of the production method of the present invention, while heating the conductive substrate, a water droplet of an aqueous solution of a single-stranded nucleotide multimer and a liquid film of an alkylamine solution are converted into a second incompatible solution with water. By washing away with an organic solvent, the monomolecular film of the complex formed along the liquid interface is fixed on the conductive substrate.
When this step was performed at room temperature (about 25 ° C.), a monomolecular film was not formed on the substrate, and the composite was deposited three-dimensionally. When the process temperature was raised, a monomolecular film could be formed on the substrate at 35 ° C. or higher. In consideration of the influence on the nucleotide multimer, this step is preferably performed at 80 ° C. or lower.

工程(2)で用いる第1の有機溶媒および工程(4)で用いる第2の有機溶媒は、水と非相溶であり、本発明の対象であるヌクレオチド多量体を溶解することができ、さらに、揮発性が低いものが望ましい。より具体的には、上記の有機溶媒は、同一または異なって、フェニルオクタン、トルエン、ヘキサン、オクタン、クロロホルム等から選択される。   The first organic solvent used in step (2) and the second organic solvent used in step (4) are incompatible with water and can dissolve the nucleotide multimer that is the subject of the present invention. Those with low volatility are desirable. More specifically, the above organic solvents are the same or different and are selected from phenyloctane, toluene, hexane, octane, chloroform and the like.

本発明は、さらに、1個の一本鎖のヌクレオチド多量体と複数のアルキルアミンとの複合体であって、前記1個の一本鎖のヌクレオチド多量体の複数のリン酸基部位に前記複数のアルキルアミンが結合した、一本鎖のヌクレオチド多量体とアルキルアミンとの複合体およびそのような複合体が固定化された導電性基板も提供する。   The present invention further relates to a complex of one single-stranded nucleotide multimer and a plurality of alkylamines, wherein the plurality of phosphate groups at the plurality of phosphate groups of the one single-stranded nucleotide multimer are provided. The present invention also provides a complex of a single-stranded nucleotide multimer and an alkylamine, to which the alkylamine is bound, and a conductive substrate on which such a complex is immobilized.

実施例1
劈開したグラファイト基板1の表面に、100pM/μlの六量体DNA(AAATTT, A=アデニン, T=チミン)の水溶液2を0.1μl滴下して10分間静置した。1級アミンであるオクチルアミン[CH(CHNH]のフェニルオクタン溶液3をこの水溶液上に静かに滴下して、両液体界面4での反応によりDNA―アルキルアミン複合体の単分子膜を生成した。そして基板を60℃に加熱しながら基板にフェニルオクタンを滴下してリンスすることにより、生成した単分子膜をグラファイト基板1に固定した。
Example 1
0.1 μl of 100 pM / μl hexamer DNA (AAATTT, A = adenine, T = thymine) aqueous solution 2 was dropped on the surface of the cleaved graphite substrate 1 and allowed to stand for 10 minutes. A phenyloctane solution 3 of octylamine [CH 3 (CH 2 ) 7 NH 2 ], which is a primary amine, is gently dropped onto this aqueous solution, and a DNA-alkylamine complex is simply reacted by reaction at the liquid interface 4. A molecular film was produced. Then, while the substrate was heated to 60 ° C., phenyloctane was dropped onto the substrate and rinsed, whereby the generated monomolecular film was fixed to the graphite substrate 1.

作製した基板のSTM観察は、RHK Technology社のBesocke型STMヘッド(ATM300)を専用コントローラ(SPM1000)で制御して行った。探針には汎用の白金イリジウム線の他に、電解研磨で作製した白金イリジウム探針や、タングステン探針を白金またはチタンで被覆した探針や、さらにこれらの探針表面をフッ素樹脂被覆した探針なども用いた。   STM observation of the produced substrate was performed by controlling a Besocke type STM head (ATM300) manufactured by RHK Technology with a dedicated controller (SPM1000). In addition to general-purpose platinum iridium wires, the probe includes a platinum iridium probe fabricated by electropolishing, a probe in which a tungsten probe is coated with platinum or titanium, and a probe in which the surface of these probes is coated with a fluororesin. Needles were also used.

作製した基板をSTMで観察して得られた像を図5に示す。STM観察の際、バイアス電圧を−1.0Vとし、トンネル電流を0.2pAとした。
グラファイト基板は双晶であり、<18 1 0>と<18 -1 0>の2つの結晶方位を有し、前記2つの方位の交差角は5.4゜である。
STM像を解析すると、DNA―オクチルアミン複合体が配列して複数の方向に向かってストライプを形成し、これらのストライプの配列方向およびストライプの交差角から、DNA―オクチルアミン複合体がグラファイト基板表面の<18 1 0>と<18 -1 0>の方位にエピタキシャル配向していることが確認された。
FIG. 5 shows an image obtained by observing the produced substrate with STM. During STM observation, the bias voltage was set to -1.0 V and the tunnel current was set to 0.2 pA.
The graphite substrate is twinned and has two crystal orientations <18 1 0> and <18 −1 0>, and the crossing angle between the two orientations is 5.4 °.
When the STM image is analyzed, the DNA-octylamine complex is arranged to form stripes in a plurality of directions, and the DNA-octylamine complex is formed on the surface of the graphite substrate from the arrangement direction of these stripes and the crossing angle of the stripes. It was confirmed that the films were epitaxially oriented in the <18 1 0> and <18 -10> orientations.

さらにこの像を詳細に解析した結果、ストライプの間隔は4.6nmであり、図6に示すように、グラファイトの結晶方位と重ね合わせて検討すると、DNA―オクチルアミン複合体はダイマーを形成した上でグラファイト表面において
をとっていることがわかった。この周期構造解析結果から、DNAはオクチルアミンと結合することで伸張した状態になってグラファイト表面に配列していると考えられる。
As a result of further detailed analysis of this image, the stripe interval was 4.6 nm. As shown in FIG. 6, when the crystal-crystal orientation was superposed and the DNA-octylamine complex formed dimers, At the graphite surface
I understood that I was taking From the results of this periodic structure analysis, it is considered that DNA is stretched by binding to octylamine and arranged on the graphite surface.

実施例2
オクチルアミンを1級アミンであるドデシルアミン[CH(CH11NH]に変更した以外は、実施例1と同様に単分子膜をグラファイト基板1に固定した。
図示しないが、STMの観察により、ストライプの間隔は5.6nmであり、炭素数8のオクチル基を炭素数12のドデシル基に変更したときのアルキル鎖長を反映して増加していた。
オクチルアミンを用いた場合と同様に、DNAはドデシルアミンと結合することで伸張した状態になってグラファイト表面に配列していると考えられる。
Example 2
The monomolecular film was fixed to the graphite substrate 1 in the same manner as in Example 1 except that octylamine was changed to primary amine dodecylamine [CH 3 (CH 2 ) 11 NH 2 ].
Although not shown, according to STM observation, the stripe interval was 5.6 nm, which increased reflecting the alkyl chain length when the octyl group having 8 carbon atoms was changed to a dodecyl group having 12 carbon atoms.
As in the case of using octylamine, DNA is considered to be stretched by binding to dodecylamine and arranged on the graphite surface.

比較例1
オクチルアミンを4級アミンであるジメチルジミリスチルアンモニウムブロミドに変更した以外は、実施例1と同様に単分子膜のグラファイト基板1への固定化を試みた。
しかしながら、伸張した状態でグラファイト表面に配列させることはできなかった。
アミンに複数のアルキル基が結合することにより、全てのアルキル基が基板上に結合せず、DNAが浮き上がった状態になっているものと考えられる。
実施例1、2および比較例1の結果から、本発明に用いることができるアルキルアミンは1級アミンであることが分かった。
Comparative Example 1
An attempt was made to immobilize the monomolecular film on the graphite substrate 1 in the same manner as in Example 1 except that octylamine was changed to dimethyldimyristylammonium bromide, which is a quaternary amine.
However, it could not be arranged on the graphite surface in the stretched state.
By binding a plurality of alkyl groups to the amine, it is considered that not all the alkyl groups are bonded on the substrate, and the DNA is in a floating state.
From the results of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, it was found that the alkylamine that can be used in the present invention is a primary amine.

比較例2
オクチルアミンのフェニルオクタン溶液3の滴下により、DNA―アルキルアミン複合体を形成しない以外は、実施例1と同様に単分子膜のグラファイト1基板1への固定化を試みた。
STM観察により、図7に示すように、DNAは屈曲した状態で、ランダムに基板上に吸着していた。
実施例1、2および比較例2の結果から、DNAにアルキルアミンを結合させることが、DNAを基板上に安定に固定するために必要であることが確認された。
Comparative Example 2
An attempt was made to immobilize the monomolecular film on the graphite 1 substrate 1 in the same manner as in Example 1 except that the DNA-alkylamine complex was not formed by dropping the phenyloctane solution 3 of octylamine.
By STM observation, as shown in FIG. 7, the DNA was randomly adsorbed on the substrate in a bent state.
From the results of Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, it was confirmed that binding of alkylamine to DNA was necessary to stably fix the DNA on the substrate.

比較例3
特許文献1の方法に準じて、濃度100pM/μlの六量体DNA(AAATTT, A=アデニン, T=チミン)の水溶液2を40℃に加温し、劈開したグラファイト基板1の表面に滴下し、1時間放置した後、DNA水溶液を空気で吹き飛ばすことにより、DNAを基板上に固定した。
AFM観察により、DNAは基板上に伸張した状態で固定されていることが分かったが、STM観察を行ったところ、STMの探針の走査により、基板上に固定されたDNAが移動してしまい、良好なSTM像を得ることはできなかった。
実施例1、2および比較例3の結果から、DNAにアルキルアミンを結合させることが、DNAを基板上に安定に固定するために必要であることが確認された。
Comparative Example 3
According to the method of Patent Document 1, an aqueous solution 2 of hexamer DNA (AAATTT, A = adenine, T = thymine) having a concentration of 100 pM / μl is heated to 40 ° C. and dropped onto the cleaved graphite substrate 1 surface. After standing for 1 hour, DNA was fixed on the substrate by blowing off the aqueous DNA solution with air.
AFM observation revealed that DNA was fixed in a stretched state on the substrate. However, when STM observation was performed, the DNA fixed on the substrate moved due to the scanning of the STM probe. A good STM image could not be obtained.
From the results of Examples 1 and 2 and Comparative Example 3, it was confirmed that binding of alkylamine to DNA is necessary for stably fixing the DNA on the substrate.

本発明に用いるヌクレオチド多量体の一具体例(a)およびアルキルアミンの一具体例(b)。A specific example (a) of a nucleotide multimer used in the present invention and a specific example (b) of an alkylamine. 本発明によるヌクレオチド多量体とアルキルアミンとの複合体の一具体例。1 is a specific example of a complex of a nucleotide multimer and an alkylamine according to the present invention. 本発明によるヌクレオチド多量体とアルキルアミンとの複合体の単分子膜が固定化された導電性基板の製造方法を説明する概略図。Schematic explaining the manufacturing method of the electroconductive board | substrate with which the monomolecular film of the composite_body | complex of the nucleotide multimer and alkylamine by this invention was fix | immobilized. 液体界面におけるヌクレオチド多量体とアルキルアミンとの反応。Reaction of nucleotide multimers with alkylamines at the liquid interface. 本発明によるヌクレオチド多量体とアルキルアミンとの複合体の単分子膜が固定化された導電性基板のSTM像。The STM image of the electroconductive board | substrate with which the monomolecular film of the composite_body | complex of the nucleotide multimer and alkylamine by this invention was fix | immobilized. 図5のSTM像の解析結果。The analysis result of the STM image of FIG. 比較例のヌクレオチド多量体の導電性基板上での態様を示すSTM像。The STM image which shows the aspect on the electroconductive board | substrate of the nucleotide multimer of a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・導電性基板、
2・・・ヌクレオチド多量体の水溶液、
3・・・アルキルアミンの溶液、
4・・・液体界面。
1 ... conductive substrate,
2 ... aqueous solution of nucleotide multimer,
3 ... alkylamine solution,
4 ... Liquid interface.

Claims (5)

1個の一本鎖のヌクレオチド多量体と複数のアルキルアミンとの複合体の単分子膜が固定化された導電性基板の製造方法であって、
(1)一本鎖ヌクレオチド多量体の水溶液の水滴を導電性基板上で静置する工程;
(2)前記水滴を完全に覆うように、水と非相溶の第1の有機溶媒中のアルキルアミンの溶液を滴下してアルキルアミンの溶液の液膜を形成する工程;
(3)一本鎖ヌクレオチド多量体の水溶液とアルキルアミンの溶液との液体界面にて、一本鎖ヌクレオチド多量体の複数のリン酸基部位に前記複数のアルキルアミンが結合して、1個の一本鎖のヌクレオチド多量体と複数のアルキルアミンとの複合体の単分子膜が形成するのに十分な時間静置する工程;および
(4)前記導電性基板を加熱しつつ、一本鎖ヌクレオチド多量体の水溶液の水滴およびアルキルアミンの溶液の液膜を、水と非相溶の第2の有機溶媒で洗い流すことによって、1個の一本鎖のヌクレオチド多量体と複数のアルキルアミンとの複合体の単分子膜を導電性基板上に固定する工程を含むことを特徴とする製造方法。
A method for producing a conductive substrate in which a monomolecular film of a complex of one single-stranded nucleotide multimer and a plurality of alkylamines is immobilized,
(1) A step of allowing a water droplet of an aqueous solution of a single-stranded nucleotide multimer to stand on a conductive substrate;
(2) dropping an alkylamine solution in a first organic solvent incompatible with water so as to completely cover the water droplets to form a liquid film of the alkylamine solution;
(3) At the liquid interface between the aqueous solution of the single-stranded nucleotide multimer and the alkylamine solution, the plurality of alkylamines bind to the plurality of phosphate group sites of the single-stranded nucleotide multimer, And (4) a single-stranded nucleotide while heating the conductive substrate, and a step of allowing the single-stranded nucleotide multimer and a plurality of alkylamines to form a monomolecular film. Combining one single-stranded nucleotide multimer with a plurality of alkylamines by rinsing water droplets of the aqueous solution of the polymer and the liquid film of the alkylamine solution with a second organic solvent incompatible with water. The manufacturing method characterized by including the process of fixing the monomolecular film of a body on a conductive substrate.
1個の一本鎖のヌクレオチド多量体と複数のアルキルアミンとの複合体であって、前記1個の一本鎖のヌクレオチド多量体の複数のリン酸基部位に前記複数のアルキルアミンが結合した、一本鎖のヌクレオチド多量体とアルキルアミンとの複合体。   A complex of one single-stranded nucleotide multimer and a plurality of alkylamines, wherein the plurality of alkylamines are bound to a plurality of phosphate groups of the one single-stranded nucleotide multimer. A complex of a single-stranded nucleotide multimer and an alkylamine. 前記一本鎖のヌクレオチド多量体が、5個以上の塩基を有する、請求項2記載の複合体。   The complex according to claim 2, wherein the single-stranded nucleotide multimer has 5 or more bases. 前記アルキルアミンが、5から20個の炭素数を有する1個のアルキル基で置換された1級アミンである、請求項2記載の複合体。   The composite according to claim 2, wherein the alkylamine is a primary amine substituted with one alkyl group having 5 to 20 carbon atoms. 請求項2〜4いずれかに記載の一本鎖のヌクレオチド多量体とアルキルアミンとの複合体の単分子膜が固定化された導電性基板。   A conductive substrate on which a monomolecular film of a complex of a single-stranded nucleotide multimer according to claim 2 and an alkylamine is immobilized.
JP2007196620A 2007-07-27 2007-07-27 Single-stranded nucleotide multimer extension immobilization substrate and method for producing the same Expired - Fee Related JP5100236B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007196620A JP5100236B2 (en) 2007-07-27 2007-07-27 Single-stranded nucleotide multimer extension immobilization substrate and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007196620A JP5100236B2 (en) 2007-07-27 2007-07-27 Single-stranded nucleotide multimer extension immobilization substrate and method for producing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009031164A JP2009031164A (en) 2009-02-12
JP5100236B2 true JP5100236B2 (en) 2012-12-19

Family

ID=40401820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007196620A Expired - Fee Related JP5100236B2 (en) 2007-07-27 2007-07-27 Single-stranded nucleotide multimer extension immobilization substrate and method for producing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5100236B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009031164A (en) 2009-02-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7109785B2 (en) Molecular sensors and related methods
EP3548636B1 (en) Methods and systems for characterizing analytes using nanopores
CN106687574B (en) Compositions, systems and methods for detecting events using tethers anchored to or near nanoparticles
US11920193B2 (en) Method of characterizing a polynucleotide
US20040126820A1 (en) Controlled alignment of nano-barcodes encoding specific information for scanning probe microscopy (SPM) reading
US20090170725A1 (en) Methods of producing carbon nanotubes using peptide or nucleic acid micropatterning
JP2009509175A (en) Method and CMOS-type device for analyzing molecules and nanomaterials by electrically reading selective binding events on functional electrodes
US20150171326A1 (en) Systems and methods for integrating a single dna molecule into a molecular electronic device
US20090121133A1 (en) Identification of nucleic acids using inelastic/elastic electron tunneling spectroscopy
Mereuta et al. Nanopore-assisted, sequence-specific detection, and single-molecule hybridization analysis of short, single-stranded DNAs
Patole et al. STM study of DNA films synthesized on Si (111) surfaces
JP4520857B2 (en) Controlled alignment of nano-barcode encoding specific information for scanning probe microscopy (SPM) reading
Niedzwiecki et al. Devices for Nanoscale Guiding of DNA through a 2D Nanopore
Mittal et al. Amplifying Quantum Tunneling Current Sensitivity through Labeling Nucleotides Using Graphene Nanogap Electrodes
US20070082352A1 (en) Microscopy tip
JP5100236B2 (en) Single-stranded nucleotide multimer extension immobilization substrate and method for producing the same
US20150328616A1 (en) Surface mediated synthesis of polynucleotides, polypeptides and polysaccharides and related materials, methods and systems
Muzyka et al. DNA at conductive interfaces: What can atomic force microscopy offer?
Lunn Exploiting DNA surfaces for sensing and nanomaterial applications
JP2022537851A (en) Binding of polymerase to conducting channels
Akeson et al. Genome Technology Program Bibliography
JP2002360300A (en) Analysis of double-stranded nucleic acid by scanning probe microscope
Lin The proof of concept for a novel approach to DNA sequencing
GB2447679A (en) Scanning probe microscopy-based polynucleotide sequencing and detection
Bonyár et al. Electrochemical characterization of DNA covered gold thin film electrodes for biosensoric applications

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100714

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20100714

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20100714

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20110927

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120918

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120925

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151005

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees