JP5886293B2 - 標的分子の特徴を評価するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、ナノバイオテクノロジーの分野に関する。より具体的には、本発明は、本発明者によって近年導入された、表面ベースの分子ダイナミクス測定概念に関する。

ナノバイオテクノロジーの分野において、臨床診断および医薬品開発などの領域で、核酸およびタンパク質検査を単純化するための有効な手段として、ＤＮＡチップおよびプロテインチップなど、バイオチップに特段の注目が集まっている。しばしばマイクロアレイとも称されるバイオチップは、ＤＮＡおよびタンパク質などの生体分子からなる複数の異なるプローブが、高密度領域の中に点として配置される、ガラス、シリコン、プラスチック、金属などから形成される基質である。標的分子とプローブ分子との結合は、元来、標的分子と関連付けられる蛍光標識などの手段によって検出される。

本発明者は、近年、表面ベースの分子ダイナミクス測定によって、生体分子の無標識検出のためのチップ互換方式を導入し、それを発明者は、下記で明らかになる理由によって、「ｓｗｉｔｃｈＳＥＮＳＥ法」と名付けた。本方法では、プローブ分子は、基質に付着する第１の部分を有する、荷電分子、特に、荷電ポリマーまたは荷電ナノワイヤーである。プローブ分子は、例えば、基質からプローブ分子の遠位端である第２の部分の距離を示している、信号を生成することを可能にするマーカーを有する。プローブ分子はさらに、検出されるべき、ある標的分子と結合することができる捕捉部を有する。

ｓｗｉｔｃｈＳＥＮＳＥ法では、プローブ分子は外部ＡＣ場にさらされる。プローブ分子が電荷を持っているため、外部場の現行極性に応じて、基質に直接は付着していないプローブ分子の第２の部分は、基質に接近するか、または基質から離れるであろう。構成の変化は、第２の部分が基質から最大限除去される「立位」構成と、第２の部分が基質に最も近づく「臥位」構成との間のスイッチングであると考えることができる。しかしながら、プローブ分子は、いかなる特定の形状にも限定されないため、この用語はむしろ隠喩的であり、使用されるプローブ分子のタイプまたは形状に、いかなる制限を課すとも理解されるべきではない。

立位構成と臥位構成との間のスイッチング挙動を分析することによって、プローブ分子に結合する標的分子の存在を検出することが可能である。重要なのは、この検出には、標的分子自体がある程度標識化されることが、必要ではなく、それがｓｗｉｔｃｈＳＥＮＳＥ法を「無標識検出法」と称する理由である。

ｓｗｉｔｃｈＳＥＮＳＥ法のより良い図解のため、図１〜３を参照するが、それらは、本発明者のうちの数人が共同執筆した、Ulrich Rant et. al., "Detection and Size Analysis of Proteins with Switchable DNA Layers", Nano Letters 2009, Vol. 9, Nr. 4, 1290 - 1295（先行技術文献１）からの抜粋であり、参照することにより本開示に含まれる。この研究の参照は、関連する従来の技術を説明することを意味するのみであり、何らかの形で本発明を限定することを意図しないことは理解されるべきである。

先行技術文献１では、（負の電荷を持つ）ＤＮＡ分子がプローブ分子として使用された。特に、合成の７２塩基長オリゴヌクレオチドは、この従来の技術では金表面であった基質に、共有結合的に鎖を繋留するように、チオール（ＨＳ）で修飾された。ＤＮＡ分子の遠位端は、蛍光マーカー（シアニン色素、Ｃｙ３）で標識化された。一本鎖（ｓｓ）ＨＳ‐ｓｓ ＤＮＡ-Ｃｙ３配列は、二本鎖捕捉プローブが形成されるように、タンパク質結合タグ（ＰＢＴ）で修飾された相補鎖とハイブリッド形成された。

それゆえ、形成されたＤＮＡ層は、外部電場によって活性化された。交流電位が作用電極として働く金表面と対電極との間で、塩水溶液中に印加された。印加されたバイアスは電極界面を極性化し、溶液側でのＧｏｕｙ−Ｃｈａｐｍａｎ−Ｓｔｅｍスクリーニング層の形成を促す。その結果生じる電場は電極の近接に限局され、延長はわずか数ナノメートルであったが、１Ｖより小さい低バイアス電位に対してでさえ、最大１００ｋＶ／ｃｍの場強度を伴い、非常に激烈であった。ＤＮＡが、その除タンパクされたリン酸骨格に沿って、本質的に負の電荷を持つため、分子は電場の中で整列し、ＤＮＡの配座は、印加されたバイアスの極性に応じて、上述の「立位」および「臥位」状態の間をスイッチすることができる。

スイッチング作用は、ＤＮＡの上端に付着したＣｙ３蛍光標識からの蛍光を観察することによって、モニタリングすることができる。蛍光マーカー、すなわち、上部ＤＮＡ端が表面に接近する時、金電極の中で光学的に励起された色素から表面プラズモンへ無放射エネルギーが伝達されることで、放射された蛍光強度を消光する。したがって、蛍光マーカーは、基質、すなわち、金表面からプローブ分子の第２の部分（すなわち、本例では遠位端）の距離を示している、信号を生成することを可能にするマーカーの例である。

図１Ｃでは、先行技術文献１の中で使用されたプローブ分子１０が、概略的に示されている。上で述べた通り、プローブ分子１０は、その遠位端に付着する、蛍光マーカー（色素）１２およびタンパク質結合タグ１４を有する、二本鎖ＤＮＡである。さらに、金基質１６と、金表面１６にバイアスをかけるための電圧源１８とが、概略的に示されている。負電圧が金表面または作用電極１６に印加される場合、プローブ分子１０は忌避され、図１Ｃに概略的に示す立位構成に押し出される。反対に、正電圧が金基質１６に印加される場合、プローブ分子１０の遠位端が金基質１６に接近し、すなわち、プローブ分子１０は臥位構成を獲得する。図１Ｃに概略的に表示する通り、分子の強度のため、立位構成と臥位構成との間のスイッチングは、その固定端の周囲におけるＤＮＡの回転であると考えられる。

図１Ｂを参照すると、立位構成と臥位構成との間のスイッチングは、マーカー１２により放射される蛍光を観察することによって、検出することができる。プローブ分子１２が立位構成にある場合、蛍光マーカー１２と金電極１６との間の距離が最大となり、蛍光放射は消光されない。したがって、この立位構成では、検出される蛍光が最大となる。反対に、プローブ分子１０の遠位端と、それゆえに蛍光マーカー１２とが、金電極１６に接近する場合、金電極１６の中で光学的に励起された蛍光マーカー１２から表面プラズモンへ前述の無放射エネルギーが伝達されることで、放射された蛍光強度を消光し、それゆえ、蛍光強度の減少につながる（図１Ｂ参照）。図中、立位構成と臥位構成との間の蛍光強度の差を、「△Ｆ」と称す。

上で参照した先行技術文献１の中で実証する通り、標的分子（特定の例におけるタンパク質）がプローブ分子１０に結合することにより、プローブ分子層の達成可能なスイッチング振幅を改変するが、それは、隣接する分子間の立体相互作用を誘発することによって、最も引き起こされやすい。この現象は、図１Ｂの中で観察することができ、時間６００ｓで、非標識ストレプトアビジン（ＳＡ）が流体環境に追加され、タンパク質結合タグ１４に結合する。約１２００ｓでプラトーに到達するまで、ますます多くのＳＡがプローブ分子１０と結合するにつれ、△Ｆは減少する。したがって、△Ｆの調節は、標的分子（この場合はＳＡ）が、プローブ分子１０のタンパク質結合タグ１４に結合したという、指標としての機能を果たす。さらに、△Ｆの動的な挙動を観察することによって、また、結合反応速度、特に、標的分子とプローブ分子との間の結合または解離速度、親和性定数および解離定数も、判定することができる。

先行技術文献１の中でさらに実証する通り、△Ｆを介してプローブ分子へ結合する標的分子のこの無標識検出は極度に敏感で、検出限界は１００ｆｍｏｌ／ｌより下である。

さらに、本発明の発明者は、先行技術文献１から抜粋した図２も参照して説明する通り、スイッチングダイナミクスの周波数応答を分析することによって、標的分子のサイズに関する情報を区別することが可能になることを示した。図２Ａには、上の曲線の初期プローブＤＮＡ、およびヒツジの免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ）抗体の結合後（下の曲線）に対して、バイアス電圧の周波数の関数としての正規化スイッチング振幅△Ｆが示されている。スイッチング場として、正弦波ＡＣバイアス電圧が、周波数の異なる作用電極に印加される。図２Ａでは、その結果生じる周波数スペクトルが示され、各々が以下の３つの明瞭な定型的事象を含んでなる。
（ｉ）低周波数（＜１ｋＨｚ）に対して、ＤＮＡ分子は、最大効率での電気励起に追随し、プローブ分子１０の最大発振と、それゆえに△Ｆの最大値とにつながる。
（ｉｉ）中間の定型的事象では、スイッチング振幅△Ｆは減衰する。
（ｉｉｉ）高周波数での定型的事象（＞１００ｋＨｚ）では、印加されたＡＣ電位によって、プローブ分子１０をそれ以上駆り立てることはできず、したがって△Ｆは消滅する。

周波数帯域（ｉｉ）は、スイッチングプロセスの有限の時定数を反映するので、特に興味深い。異なる試料のスイッチングダイナミクスを比較するため、振幅△Ｆがその初期値の５０％まで減少した周波数が評価される。前記周波数は、以下で「カットオフ周波数ｆ_ｃ」と呼ばれる。図２から分かる通り、初期のＤＮＡ層に対して、カットオフ周波数ｆ_ｃ，１＝１８ｋＨｚであると見出される。ＩｇＧ（ヒツジ）がＤＮＡ層に結合した後、カットオフ周波数の明白な減少、すなわちｆ_ｃ，２＝１１，５ｋＨｚが観察される。したがって、標的分子がプローブ分子に結合することにより、下へのスイッチングプロセスのダイナミクスを減速することが分かる。

スイッチングプロセスの減速は、付着した標的分子が原因で増加した流体力学的抵抗によって引き起こされると考えられる。さらに、ＤＮＡの運動が極度に過減衰し、そのため慣性効果を無視することができるので、分子量の増大は、重要な役割を果たさないと考えられる。本発明の発明者によって示されてきた通り、標的分子により誘発される周波数偏移は、標的分子のサイズ、特に、それらの有効なストークス半径を判定するように使用することができる。図２の例に関して、発明者は、種々の抗体および抗体断片に対する周波数偏移を測定した。図３のパネルＡおよびＢは、種々のサイズのタンパク質に対するカットオフ周波数測定値を要約している。パネルＡには、通常の分子量に対する正規化カットオフ周波数がプロットされている（ヒツジＦａｂ（５０ｋＤａ）、ストレプトアビジン（７５ｋＤａ）、Ｆａｂ２、ヤギ（１００ｋＤａ）、ヒツジＩｇＧ（１５０ｋＤａ）、およびヤギＩｇＧ（１６０ｋＤａ））。それぞれの流体力学直径Ｄｈに対するカットオフ周波数をパネルＢに示す。パネルＣは、Ｄ_ｈ分布が動的光散乱によって測定されることを示しており、さらなる詳細は、先行技術文献１を参照のこと。

図３から分かる通り、結合したタンパク質のサイズの増加に対して、正規化カットオフ周波数の単調な減少が見出される。特に、ＦａｂおよびＦａｂ２断片は、未切断抗体から明らかに識別することができる。したがって、蛍光振幅の周波数応答を測定すると、標的分子のサイズを卓越した精度で評価することができる。

上記から明らかである通り、ｓｗｉｔｃｈＳＥＮＳＥ法を使用すると、標的分子の結合と、また標的分子のサイズとの両方を、非標識標的に対して評価することができる。特に、周波数応答の分析による標的分子サイズの評価は、限定的な実験的成果のみ必要とされる非常に強力なツールであると証明され、非常に強固であるとも証明された。周波数応答分析はまた、本発明者のうちの何人かが共同執筆した、さらなる刊行物および特許出願の主題でもあり、特に、U. Rant et. al, "Switchable DNA Interfaces for the Highly Sensitive Detection of Label-free DNA Targets", PNAS (270), Vol. 104, Nr. 44, p. 17364 - 17369、欧州特許第２１９２４０１Ａ１号、および米国特許第２００５／００６９９３２Ａ１号を参照のこと。

上記の従来の技術に従い、標的分子の検出およびサイズ評価を組み合わせることは、非常に効果的と証明されている一方で、標的分子の特徴に関する評価の精度および信頼性を増したいという継続的な要望もある。
本発明のさらなる目的は、市販の装置において実装するのに特に好適であろう、標的分子の特徴を評価するための方法を提供することであり、それゆえ、科学概念から、学術研究においてのみでなく、医薬品産業およびバイオテクノロジー産業のほか、臨床診断学用の実験室および病院でも、日常的に使用することができる実用的ツールへと、ｓｗｉｔｃｈＳＥＮＳＥ技術を引き上げることである。本発明の根底にあるさらなる課題は、優れた精度でプローブ分子に結合する標的分子の特徴を評価し、分析結果を疑問視するとは予想され得ないが、代わりにそれらの結果を信頼する必要がある日常的な使用者に、信頼性が高くかつ信頼に値する結果を生じることを可能にするであろう装置を提供することである。

上記の目的は、請求項１に係る標的分子の１つ以上の特徴を評価するための装置および請求項８に係る方法によって満たされる。さらなる有利な発展が、従属請求項において定義される。

本発明の第１の態様に従い、標的分子の１つ以上の特徴を評価するための装置を提供する。本発明の装置は、バイオチップを受容するための手段を含んでなり、バイオチップは、プローブ分子がその第１の部分を伴い付着する、基質を含んでなる。プローブ分子は電荷を持ち、基質からプローブ分子の第２の部分の距離を示している信号を生成することを可能にするためのマーカーを有する。本明細書において、基質は作用電極であってもよく、マーカーは、上に記載した従来の技術における通り、蛍光マーカーであり得るが、本発明はこれに限定されない。

さらに、本発明の装置は、マーカーで生成される信号を検出するための手段と、バイオチップが受容手段において受容される時、プローブ分子が曝露される外部電場を生成するための手段とを含んでなる。また、本発明の装置は、
（Ａ）バイオチップが受容手段において受容される時、プローブ分子の第２の部分を基質に接近させる、外部電場を印加し、
（Ｂ）プローブ分子の第２の部分を基質から離れさせる、外部電場を印加するよう、
電場生成手段を制御するように構成される、制御手段を含んでなる。

本明細書では、制御手段はさらに、工程（Ａ）および／または工程（Ｂ）の間、時間の関数として、基質から第２の部分の距離を示している信号を記録するよう、信号検出手段を制御するように構成される。制御手段はさらに、所定の回数の間、工程（Ａ）および（Ｂ）を繰り返すようになど、電場生成手段および検出手段を制御するように構成され、基質に接近する、および／または基質から離れる、プローブ分子の第２の一部のプロセスを示している、平均化された時間分解信号を生成するようになど、記録された信号を組み合わせるように構成される。

最後に、装置は、標的分子の前記１つ以上の特徴を判定するようになど、前記組み合わされた信号を分析および／または処理するための分析モジュールと、好ましくは、前記標的分子の少なくとも１つ以上の特徴を出力するための出力デバイスとを含んでなる。代替的に、装置は、表示部などの出力デバイスと装置を直接または間接的に連結することを可能にする、インターフェースを含んでなってもよい。

前出の従来技術とは異なり、本発明の装置では、スイッチング振幅△Ｆの周波数応答によって、標的分子のサイズまたは有効なストークス半径を判定するという上記の概念が省かれる。代わりに、本発明の装置は、スイッチングプロセスそれ自体、すなわち、立位構成と臥位構成との間、およびその逆の遷移の時間分解測定を実行する。

周波数応答を介する性質決定の疑う余地のない成功にもかかわらず、発明者は、時間分解測定により、概念的にはスペクトル法である周波数応答測定を置き換えることによって、標的特徴の評価の信頼性を向上することができることを発見した。実際、発明者は、標的分子のサイズの評価に関して言えば、いくつかのシナリオにおける周波数応答測定は非常に鋭敏である一方、他のシナリオでは、異なるサイズの標的分子を見分け損なうであろうが、しかしながら、スイッチングプロセスそれ自体の時間分解測定に基づく、本発明の装置および方法で見分けることができることを発見した。周波数応答法を自ら開発し探究した発明者の見解によると、これは驚くべきかつ予測不可能な結果である。

発明者のうちの一人が、より早期の刊行物の中で、金表面に繋留される一本および二本鎖ＤＮＡの時間分解蛍光測定値を発表していたことには留意すべきである（U. Rant et al., "Dissimilar Kinetic Behaviour of Electrically Manipulated Single- and Double-Stranded DNA Tethered to a Gold Surface", Biophysical Journal, Vol. 90 (2006), p. 3666 - 3671を参照のこと）。しかしながら、この時間分解測定はＤＮＡのみに関係し、そのため、プローブ分子として機能するＤＮＡ、特に、標的分子が結合した、または結合し得たであろうプローブ分子には関係なかった。言い換えると、この従来の研究は、標的分子の性質決定とは無関係であった。

その上、発明者がこの従来の研究で得た経験は、プローブ分子に結合する標的分子の特徴を評価するための、スイッチングプロセスの時間依存測定を採用するように全く示唆していなかったであろう。すなわち、この従来の研究でボックスカー測定法を使用すると、１つのスイッチング周期の単一の時間分解測定を記録するのに数日かかったが、それは、結果がすぐに必要とされ、標的が限られた時間中にプローブ分子に結合するのみであろう、標的分析におけるいかなる用途に対しても、もちろん禁止されている。しかしながら、驚くべきことに、発明者は、それにもかかわらず、上に記載した周波数応答法と同程度の速度および頑強さで、スイッチングプロセスの時間分解測定を実行できることを確認することができた。

工程（Ａ）および（Ｂ）両方の間に信号を記録する時、最良の分析結果を得ることができる一方、それにもかかわらず、工程のうちの１つの信号のみに基づいて分析することが可能である。発明者による実験によって、結合した標的分子に関する価値ある情報が、プローブ分子の上昇プロセスの時間分解分析から区別することができると確認されたことから、これは工程（Ｂ）に特に当てはまる。

本発明の第１の態様に従い、装置はさらに、標的分子の１つ以上の特徴を判定するようになど、組み合わされた信号を自動的に分析および／または処理するための分析モジュールを含んでなる。このような分析モジュールを装置と統合することによって、実験データそれ自体よりも、装置の使用者にとって興味深い情報が提供することができ、この情報または分析結果は、好ましくは、出力デバイスによってユーザに提示することができる。

好ましい実施形態では、分析モジュールは、
１、工程（Ａ）および（Ｂ）の間での外部場のスイッチングと、
２、所定の閾値に到達する時間依存信号と、
の間の時間遅延を判定するようになど、組み合わされた信号を分析および／または処理するように構成される。

本明細書では、所定の閾値は、例えば、組み合わされる値の最大値の所定の割合に対応してもよい。それゆえ、本実施形態では、分析により、プローブ分子に結合する標的分子のサイズおよび有効なストークス半径と相関し得る、２つの数値のみが生じる。

単純な本実施形態においてさえ、本発明の装置は、立位から臥位（下への遷移）および臥位から立位（上への遷移）の両方の遷移ダイナミクスを反映する、単一数値、すなわち、カットオフ周波数を生じるのみの、上に記載した通りの周波数応答法より、多くの情報を生じることに留意されたい。

一見したところでは、この追加情報によって、それほど多くの見通しを得ることはできないと想定するであろう。やはり、標的分子の静水圧抵抗が、上下遷移中に類似の効果を有し、それゆえ、同様に両方のプロセスを遅らせるであろうと推定するであろう。これはいくつかの状況に当てはまり、周波数応答法が多くの場合において非常に効果的と証明された理由でもある。しかしながら、発明者は、標的分子が異なる形で、上下遷移に影響を与えるシナリオがあることも観察していた。特に、もちろん静水圧抵抗は、常にスイッチングダイナミクスにおいて役割を果たすであろう一方、いくつかの場合には、唯一の役割を果たさず、決定的役割さえも果たさないだろう。代わりに、発明者は、特に下への遷移に対して、ダイナミクスはまた確率的成分も有し、それによって、Ｇｏｎｙ‐Ｃｈａｐｍａｎ‐Ｓｔｅｒｎスクリーニング層が原因で電極の近接に限局されている電場を、おそらく処置しなくてはならないことを観察した。外部電場が、実際に下への遷移を開始し得る前に、プローブ分子は「開始構成」へのブラウン運動が原因で、変動する必要があると考えられる。したがって、流体力学的抵抗と無関係、または少なくとも直接には関係しない、下への遷移に対する時間成分がある。周波数応答法で判定されるカットオフ周波数は、いつも上下遷移の時定数の組み合わせを反映するため、有効なストークス半径のより小さな差が、観察されないままであってもよい程度まで、下への遷移の時定数が結果を支配する場合がある。これは、下で実例を参照して実証する。

加えてまたは代替的に、分析モジュールは、その時間導関数を判定するようになど、組み合わされた信号を分析および／または処理するように構成されてもよい。特に、組み合わされた信号の最大時間導関数のみを判定することが可能であり、それも、上下遷移それぞれに対して、単一の数字を与えるのみであろう。しかしながら、この数字は、例えば、周波数応答測定のカットオフ周波数より、有効なストークス半径と密接にかつ直接的に相関すると考えられる。特に、最大信号導関数は、有効なストークス半径によっておそらく統制される、遷移の最大速度を反映するので、ブラウン運動による遷移の確率的遅延に、大体は無関係であると考えられる。

加えてまたは代替的に、分析モジュールは、分析モデルまたはシミュレーションから取得される経験的データまたはモデルデータと、組み合わされた信号を比較するように構成されてもよい。発明者の実験は、時間分解信号が、単一の数字で要約することができない、追加情報を持つと示していた。代わりに、異なる標的に対する信号対時間のグラフが、例えば、標的分子形状または配座柔軟性に関して、より正確に標的を特定するように採用することができる、特有の形状および特徴的な特性を有するようである。例えば、いくつかの標的に対する信号対時間のグラフは、いくつかの特徴的なねじれを見せる一方、他の標的に対しては、全体的に円滑であることが観察された。この挙動が、まだ全体的には理解されていなくとも、この観察は既に、経験的に知られている標的と記録された信号を比較し、一致を検出するように使用することができる。この比較は自動化し、分析モジュールに統合することができる。

さらに、発明者はまた、標的分子に対して予想される信号を予測する、分析モデルについても詳述していた。Andreas Langer, Wolfgang Kaiser and Ulrich Rantによる記事「Analytical Model Describing the Molecular Dynamics of DNA-Protein Conjugates Tethered to Electrified Surfaces」は、本出願の提出後すぐに、刊行物として提出されるであろう。この研究では、短い二本鎖ＤＮＡ分子のスイッチング挙動を記載する分析モデルについて詳述し、モデルパラメータを実験データと区別する。このようなモデルが確立された後、いかなる所与の標的サイズに対しても予想される時間分解信号を計算することができ、この計算の結果は、装置で取得される組み合わされる信号と比較することができる。このように、例えば、それと区別される実験データおよび有効なストークス半径が、モデルと一致するかどうかを確認することができる。したがって、分析モジュールは、標的分子の出力された特徴と共に、信頼度数値を出力してもよい。

発明者は、プローブ分子のスイッチングの工程は、外部電場が原因のドリフトと、ブラウン運動型の効果によって統制される、確率的工程であると述べている。具体的に言うと、スイッチングダイナミクスは、プローブ分子が、時間依存外部場において、非常に現実的に、時間ｔに

を獲得する確率を定義する、

に基づき、記載することができると見出した。このモデルでは、標的分子のストークス半径またはサイズは、

に関する確率のドリフトおよび／または拡散で説明される。本明細書では、

は、プローブ分子の構成をパラメータ化することができる、いかなる１次元以上の座標でもあり得る。発明者は、二本鎖ＤＮＡなどの好適な強度であるプローブ分子に対して、構成は、基質に対するプローブ分子の角度αによって、十分にパラメータ化することができることを見出した。

好ましい実施形態では、装置の分析モジュールは、組み合わされた時間分解信号を、ドリフトおよび／または拡散係数を含有する、フォッカープランク方程式の

に対する解に適合することによって、拡散係数またはドリフト係数を判定するように構成し、判定されたドリフトおよび／または拡散係数から、標的分子のサイズおよび／またはストークス半径を導出するように構成することができる。本開示を通して、「組み合わされた時間分解信号」は、上記の工程（Ａ）および（Ｂ）で参照した通り、多数の連続スイッチングから生成される、平均時間分解信号を指すことに留意されたい。

このむしろ単純なモデルは、スイッチングステップの背後で、既に必須の物理特性を捕捉することを可能とし、優れた制度で実験データから標的分子のサイズおよび／またはストークス半径を判定するように使用することができることが分かっている。これは下で特定の例を参照して、さらに実証される。

好ましい実施形態では、分析モジュールは、標的分子の有効なストークス半径、サイズ、および／または分子量を評価するように構成される。上記に加えてまたは代替的に、分析モジュールはまた、標的分子の形状、特に、折り畳み状態および／または球状構造からの逸脱を評価するように構成されてもよい。球状構造からの逸脱は、例えば、球状標的分子に基づく分析モデルまたはシミュレーションデータの予測からの信号の逸脱によって、検出することができる。

さらに、分析モジュールは、標的分子へのさらなる分子の追加を評価または検出するように構成されてもよい。

時間分解スイッチングダイナミクスが、プローブ分子の流体環境の温度および化学環境に依存するであろうため、組み合わされた信号はまた、環境のこれらの特徴の変化を判定するように採用することもできる。反対に、標的分子の特性への、温度またはｐＨなどの環境の影響、例えば、タンパク質の温度によって誘発された変性もまた、判定することができる。

好ましい実施形態では、装置の電場生成手段は、第１の極性と第２の極性との間をスイッチする方形波信号を生成するように構成される、波形発生器を含んでなる。本明細書では、第１および／または第２の極性の期間は、プローブ分子が、それぞれ第２の部分と基質との間の最大および最小距離のそれぞれの状態を獲得することができるように、十分長く選択される。これは、プローブ分子がもはや外部ＡＣ場に追随し得ない周波数での挙動によって、標的分子の特徴が明らかにされる、従来の技術の周波数応答法の正反対であることに留意されたい。また、周波数応答法では、正弦波領域がむしろ方形波より使用される。図１の設定において、遅い方形波電位が、作用電極１６に印加される一方で、この場合、２つの極性化状態の中の振幅のみが測定されるが、もちろん、これらの状態の間の上下遷移の時間分解測定は行われないことには留意されるべきである。

好ましくは、方形波信号の第１および／または第２の極性の期間は、少なくとも１μｓ、好ましくは、少なくとも１０μｓである。

好ましくは、制御手段を、記録された信号が組み合わされる前に、工程（Ａ）および（Ｂ）を少なくとも１０回、好ましくは、１０^３から１０^７回繰り返すように適応する。したがって、好ましい実施形態では、約１分のみの間に、１００万の上下遷移の時間分解測定値を記録を可能とし、それゆえ、短時間で品質の優れた平均化データを取得することを可能にし、装置および方法を、研究または産業の実験室における日常的用途に対して特に魅力的にすることを可能とする。

好ましい実施形態では、装置の検出手段は、蛍光マーカーから放射される単一光子を検出するための検出器、ならびに工程（Ａ）および（Ｂ）の間の外部電場のスイッチングと、検出された光子との間の時間遅延または間隔を判定するための手段を含んでなる。本明細書において、制御手段はさらに、ヒストグラムの中に各時間間隔を記録するように構成される。

この実施形態は、かなり速いスイッチング時間を考慮して、上または下への遷移ごとに、１つより多いまたは数個の光子を登録する確率はあまり高くないという観察に基づき、それゆえ、単一光子に基づく時間分解測定を可能にする。１つの遷移中に１つより多い光子があるとしても、光子は、単一のトリガーの後、複数の光子事象を測定することを可能にする、好適な回路で個々に検出することができる。この点における唯一の制限は、いわゆる回路の不感時間、すなわち、光子事象が検出された後の、回路の不活性の期間である。何千またはさらに何百万の上下遷移を測定することができるため、その結果生じるヒストグラムはなおも、時間分解遷移ダイナミクスを確実に反映するのに十分な事象を記録するであろう。

好ましい実施形態では、検出手段は、ランプ波発生器に電圧の増大を開始させる第１のトリガー信号として、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の電場のスイッチングを受信するようになど、電場生成手段と作動的に連結する、ランプ波発生器を含んでなってもよい。ランプ波発生器はまた、電圧の増大を停止する第２のトリガーとして、光子の検出を受信するようになど、検出器と動作可能に連結され、増大した電圧は、２つのトリガー間の時間差と少なくともほぼ比例する。

このような設定は、概して、蛍光測定において適用される、いわゆる時間相関単一光子計数法（ＴＣＳＰＣ）で知られ、第１のトリガーは、励起レーザーパルスであろうし、第２のトリガーは、典型的には、蛍光光子の受信であろうし、励起と蛍光との間の時間遅延は、およそ数ｎｓのみであろうことに留意されたい。しかしながら、発明者は、ＴＣＳＰＣ概念はまた、本発明の表面ベースの分子ダイナミクス測定において、非常に有利に適用することができることも確認した。特に、ＤＮＡのみに対する、すなわち、捕捉プローブなし、または標的分子の結合なしでの、発明者のより早期の時間分解測定は、このような時間分解測定値が、日常の迅速な測定に対して実現可能であろうと示唆していなかった一方で、実際には、このＴＣＳＰＣ技術を採用することで、非常に強固で信頼性の高い実装、および短い分析時間を可能にする。

代替の実施形態では、検出手段は、基質からプローブ分子の第２の部分の距離を示している、アナログ信号を増幅するための増幅器を含んでなってもよい。信号が蛍光マーカーの蛍光信号である場合、増幅器は、フォトセンサの信号を増幅する増幅器であり得る。さらに、装置は、増幅された時間依存信号を記録および記憶するための手段、特に、デジタル記憶オシロスコープ（ＤＳＯ）型デバイスを含んでなってもよい。記録および記憶手段は、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の外部場のスイッチングによって、時間依存信号を記録するようトリガーされるように、電場生成手段と作動的に連結し、記録および記憶手段は平均時間分解信号を生成するよう、時間依存信号を組み合わせるように構成される。

発明者は、ＴＣＳＰＣ法の代替として、デジタル記憶オシロスコープ（ＤＳＯ）型デバイスを使用して、時間分解信号を一連のアナログ測定値において測定することができることを確認した。用語「ＤＳＯ型デバイス」は、もちろん、ＤＳＯの表示機能を必要としないにせよ、原則として普通のＤＳＯを使用し得ることを意味する。代わりに、トリガーされて時間依存信号を記録するＤＳＯの能力、およびその記録が、必要とされる全てである。

その後、記録される個々の信号は、組み合わされた平均信号を与えるように合計される。その上、何千または何百万の信号を重ねることによって、意味ある分析のための十分な品質の組み合わされた信号を取得することができる。アナログ検出法はまた、頑強な設定および短い検出時間も可能にする。

前に述べた通り、第２の態様に従い、プローブ分子に結合する標的分子の１つ以上の特徴を評価するための方法が提供される。上記の代替としてまたは上記に加えて、本発明の装置は、同封した方法クレームのいずれかに係る方法を実行するための手段を含んでもよい。

上に記載した装置および方法は、具体的には、分子スイッチングダイナミクスのような時間分解測定のために考案される一方、以下のパラメータ、すなわち、標的分子とプローブ分子との間の結合速度および／または解離速度、親和性定数および解離定数のうちの１つ以上を、異なる時間に、および／または異なる濃度の標的分子で、取得される複数の組み合わされた信号から判定することも可能である。これらの測定値において、スイッチングダイナミクスを示しているパラメータは、短時間間隔（例えば、１秒）で継続的にサンプリングされ、経時的にモニタリングされてもよい。このような「スイッチングダイナミクス」パラメータに対する例は、時間分解曲線下の統合エリア（図８および９参照）、または時間分解曲線からの「起立」プロセスの時間導関数の実時間計算である。経時的なこれらのスイッチングダイナミクスパラメータの変化は、実時間におけるプローブ層の標的分子の結合／非結合を示している。データは、二分子系の結合反応速度を記載する、標準モデルで分析することができる。会合／解離速度定数および親和性定数は、このような分析から推測することができる。

本発明のさらなる態様に従い、標的分子の電荷は、静的外部場上の基質からプローブ分子の第２の部分の距離を示している、信号の依存度の測定および分析に基づき判定することができる。静的外部場上の信号の依存度は、本明細書では「電圧応答」と称す。下で実証する通り、電圧応答は、プローブ分子に結合する標的分子の電荷を判定する、非常に鋭敏なツールである。「電圧応答」法の提案は、上に記載するプロセスの確率的性質のより良い理解に影響を受けている。特に、標的分子の電荷に応じて、電圧応答曲線は、遊離プローブ分子のみの電圧応答曲線から、特徴的な形で逸脱するであろう。したがって、標的分子が遊離プローブ分子のみの電圧応答曲線から結合される時の、電圧応答曲線の逸脱を観察することによって、標的の電荷の極性およびサイズまでも判定することができる。

言うまでもなく、「電圧応答法」という手段を用いた標的の電荷の独立評価は、上に記載する時間分解データを経験に基づいた分析をする助けとなるであろう、非常に重要な追加情報を生じる。本発明のこの態様は、時間分解測定値に依存せず、したがって、上に記載する通り、スイッチングダイナミクスの時間分解測定から独立して、採用することができることに留意されたい。したがって、この態様はまた、上記の図２を参照して説明してきた通り、スイッチングダイナミクスの周波数応答の分析に基づく方式を含む、先行技術のｓｗｉｔｃｈＳＥＮＳＥ方式と組み合わせることもできる。

その結果として、本発明のさらなる態様に従い、標的分子の電荷を判定することを可能にする装置が提供され、装置は、バイオチップを受容する手段であって、バイオチップは、プローブ分子が、その第１の部分を伴い付着する基質を含んでなり、プローブ分子は電荷を持ち、基質からプローブ分子の第２の部分の距離を示している、信号を生成することを可能にするためのマーカーを有し、プローブ分子は、標的分子を結合するように適応する手段と、マーカーで生成される信号を検出するための手段と、バイオチップが受容手段において受容される時、プローブ分子が曝露される、外部電場を生成するための手段と、異なる場強度で一連の静的外部場を印加するよう、電場生成手段を制御するように構成される制御手段であって、外部場の強度、または言い換えると電圧応答曲線の関数として、基質からの距離を示している信号を記録するよう、信号検出手段を制御するようにさらに構成される、制御手段と、記録された信号を分析し、それに基づき標的分子の電荷を判定する分析モジュールとを含んでなる。本明細書では、前に述べた通り、分析は、測定された電圧応答曲線を、遊離プローブ分子、すなわち、そこに結合する標的分子なしの電圧応答曲線と比較する工程を含んでなってもよい。このさらなる態様はまた、電圧応答曲線に基づき標的分子の電荷を判定する、対応する方法に関する。

しかしながら、時間分解測定を実行するために適応する、上記装置は、概して、電圧応答曲線を記録するのに欠かせない全ての必要条件を有する。したがって、好ましい実施形態では、電圧応答曲線は、スイッチングダイナミクスの時間分解測定に加えて記録され、電圧応答曲線の結果、すなわち、標的分子の電荷に関する情報は、組み合わされた時間分解スイッチング信号の分析において説明することができる。

上記の機能性に基づき、本発明の装置および方法は、非常に強力な分析手段を提供する。特に、装置および方法は、以下のうちの１つ以上を判定することを可能にする。
― 試料の中のある標的分子の存在、
― 試料の中の標的分子の濃度、
― 所与の標的分子によって占有される、プローブ分子の画分、または
― 同じプローブ分子の捕獲部に結合することができる、異なる標的分子の化学量論比、もしくは異なる構成における同じ標的分子の化学量論比

本明細書では、用語「標的分子」（単数）は、標的分子の種を指す。常に同種の複数の標的分子が検出されるであろうことは理解されるものとする。

例えば、１つの目的の標的分子のみが、試料の中に存在する場合、組み合わされた信号は、少なくとも標的の電荷およびストークス半径を示している、特徴的な形状を有するであろう。組み合わされた信号を、目的の標的に対する所定の信号と比較することによって、試料の中のある標的分子の存在を特定することができる。

いくつかの例では、特に、低濃度の標的分子に対して、プローブ分子の画分のみが、所与の標的分子によって占有されるであろう。この場合、遊離プローブ分子および占有されたプローブ分子の両方が、組み合わされた信号を増すであろう。信号への寄与は直線的に増えるため、全体の信号は、遊離プローブ分子の信号、および占有されたプローブ分子の信号の重ね合わせであろうし、重ね合わせ係数（the coefficients of the superposition）は、標的分子によって占有された、プローブ分子の画分に依存するであろう。例えば、占有されたプローブ分子の画分が７０％であった場合、重ね合わせ部において、占有されたプローブ分子に対する信号の係数は０．７であろうし、遊離プローブ分子に対する信号の係数は０．３であろう。実際は、ある組み合わされた信号が測定される時、対応する重ね合わせ係数は、重合測定された組み合わされた信号と最も一致するような、適合工程によって判定することができる。このように、占有されたプローブ分子の画分を判定することができる。占有されたプローブ分子の画分は、標的分子の濃度に関係するため、それぞれの標的分子の濃度の尺度として使用することができる。

また、同じ原理および思考の道筋は、同じプローブ分子の捕捉部に結合することができる、異なる標的分子の化学量論比、または異なる構成における同じ標的分子の化学量論比を判定するために適用することもできる。本明細書では、例えば、異なる構成は、下でより詳細に説明する通り、異なるストークス半径、したがって、異なるスイッチングダイナミクスにつながるであろう、タンパク質の異なる折り畳み状態であり得る。

異なる標的分子が、プローブ分子の同じ受容体または捕捉部に結合するため、別の方法で、化学量論比を区別し得る、親和選択性がないことには留意されたい。しかしながら、異なる標的分子に対する、または同じ標的分子の異なる構成に対する時間分解信号が既知である場合はさらに、測定された組み合わされた信号に適合する、対応する信号の重ね合わせ係数を判定することができる。本明細書では、「重ね合わせ係数」は、直接的に化学量論比を反映する。

図１は、先行技術文献１からの抜粋であり、ｓｗｉｔｃｈＳＥＮＳＥ法によって、標的分子の存在を検出する概念を示す。 図２は、先行技術文献１からの抜粋であり、初期のＤＮＡ、およびそれに結合するＩｇＧ（ヒツジ）を伴うＤＮＡのスイッチングダイナミクスの周波数応答を示す。 図３は、先行技術文献１からの抜粋であり、それに結合する異なるサイズのタンパク質を伴うＤＮＡに対する、正規化カットオフ周波数を示す。 図４は、単一光子計数に基づいた、本発明の実施形態に係る装置の概略図である。 図５は、アナログ信号の測定に基づいた、本発明の実施形態、に係る装置の概略図である。 図６は、初期のＤＮＡ層の時間分解蛍光測定の結果を示す。 図７は、標的分子濃度の関数として、正規化立ち上がり時間の変化を示す図である。 図８は、完全なＩｇＧ抗体またはＦａｂ２抗体断片が、ビオチンタンパク質受容体に結合された、初期のＤＮＡおよびＤＮＡに対する、正規化時間分解蛍光信号を示す。 図９は、５０ｋＤａのタンパク質を結合した後、およびタンパク質にＩｇＧ抗体を結合した後の、ＤＮＡのタンパク質受容体で修飾されたＤＮＡの正規化時間分解蛍光信号を示す。 図１０は、従来の技術、および本発明に係る時間分解測定値に係る周波数応答測定値から取得された結果の比較を示す。 図１１は、二本鎖ＤＮＡプローブ分子をモデル化するための、モデルの略図を示す。 図１２は、分析モデルによって計算された通りの、および実験において測定された通りの、遊離ＤＮＡの電圧応答曲線の比較を示す。 図１３は、遊離ＤＮＡプローブ分子と、そこに結合するストレプトアビジン標的を伴うＤＮＡとの、測定された電圧応答曲線の比較を示す。 図１４は、遊離ＤＮＡプローブ分子と、そこに結合するアビジン標的を伴うＤＮＡとの、測定された電圧応答曲線の比較を示す。 図１５は、遊離ＤＮＡプローブ分子と、そこに付着されたＤＨＦＲ標的を伴うＤＮＡとの、時間分解蛍光の測定を示す。 図１６は、ＤＮＡと、回転拡散係数が、実験データに適合することによって取得された分析モデルに基づき計算された、図１５のＤＨＦＲを加えたＤＮＡとに対する、時間分解蛍光を示す。 図１７（ａ）は、異なる濃度の標的分子に対して取得された、時間分解蛍光曲線を示す。 図１７（ｂ）は、異なる標的分子の化学量論比が、個々の標的に対して既知の時間依存蛍光信号の重ね合わせを判定することによって、どのように判定することができるかを示すグラフである。 図１８（ａ）は、１００％ＩｇＧ占有、１００％Ｆａｂ占有、および５０％ＩｇＧ‐５０％Ｆａｂ占有のＤＮＡプローブ分子に対する、時間分解蛍光信号を示す。 図１８（ｂ）は、個々のＩｇＧおよびＦａｂ時間依存蛍光信号の、測定された時間依存蛍光信号への重ね合わせの最良適合を示す。 図１９は、折り畳まれたおよび折り畳まれていないＦａｂそれぞれによって占有された、ＤＮＡプローブ分子の正規化時間分解蛍光信号を示す。 図２０は、ＤＮＡのみ、そこに結合するストレプトアビジンを伴うＤＮＡ、およびそこに結合するアビジンを伴うＤＮＡの正規化蛍光信号の時間導関数を示す。 図２１は、異なるタンパク質に対する結合反応速度の、順方向および逆方向速度を明らかにする測定値を示す。

本発明の原理への理解を促進すべく、今から図表に示す好ましい実施形態を参照し、それについて記載するために特定の言語を使用する。それでもなお、それらによる本発明の範囲の限定は意図せず、図中に示すような、図示する装置および方法における変更およびさらなる修正、ならびに本発明の原理のさらなる用途が、本発明が関係する当業者に対して、現在または将来に通常起こるであろうと予期されることは理解されるであろう。

図４には、標的分子の１つ以上の特徴を評価するための装置２０の第１の実施形態を概略的に示す。

図４に示す通り、装置２０は、液体の中に浸漬されるバイオチップ２４を受容するように改造した、電気化学電池２２を含んでなる。例えば、液体は、ｐＨ緩衝の電解質溶液などの水溶液、または血清、細胞可溶化物などの生理学的複合培地であり得る。バイオチップ２４は、図１のパネルＣと類似の形で、プローブ分子がその第１の部分を伴い付着する、金作用電極１６を含んでなる。示す実施形態では、プローブ分子は、図１のパネルＣに示す通り、蛍光マーカー１２などの蛍光マーカーを有し、明細書の導入部の中に記載した通り、蛍光消光のため金電極１６からの蛍光マーカーの距離を示している信号を生成することを可能にする。加えて、白金から作られる対電極２６が、電気化学電池の中に備え付けられる。

装置２０はさらに、波形発生器２８、および作用電極１６と対電極２６との間に時間依存バイアスを印加するための、スイッチマトリクス２９を含んでなる。

図４にさらに示す通り、顕微鏡３０が、蛍光マーカーから蛍光を受信するために備え付けられる。また、レーザー３２が、蛍光マーカー１２を励起するために備え付けられる。

図４にさらに示す通り、光電子増倍管（ＰＭＴ）３４が、顕微鏡３０と連結される。ＰＭＴ３４は、単一光子を検出し、単一光子の検出に応答して、信号線３６を介して信号を出力することができる。ＰＭＴの代わりに、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）など、他の光子計数検出器を採用することができることは理解されるべきである。

ＰＭＴ３４は、信号線３６を介して、トリガーデバイス３８と連結される。波形発生器２８と作動的に連結される、さらなるトリガーデバイス４０が備え付けられる。トリガーデバイス３８、４０の両方は、時間電圧変換器（ＴＡＣ）４２と接続される。ＴＡＣ４２は、トリガーデバイス４０からの信号によって開始し、トリガーデバイス３８からの信号によって停止し、その結果、２つの信号間の時間差に比例する電圧を出力する、高線形性のランプ波発生器である。

ＴＡＣ４２の出力は、ヒストグラム作成デバイス（histogramming device）４４と連結される。ヒストグラム作成デバイス４４は、順に、プロセッサ４８、ならびに経験的データ用の記憶手段５０およびモデリングソフトウェア用の記憶手段５２を含んでなる、分析モジュール４６と連結される。最後に、分析モジュール４６の出力が、表示部などの出力デバイス５４と接続される。

次に、装置２０の動作について記載する。

波形発生器２８は、例えば、１００μｓの期間で方形波信号を生成し、５０μｓごとに正極性から負極性、またはその逆にスイッチする。この方形波電位は、作用電極１６と対電極２６との間に印加される。この信号に応答して、図１Ｃに示すプローブ分子１０などのプローブ分子が、立位構成と臥位構成との間を往復してスイッチするであろう。トリガーデバイス４０は、波形発生器２８と作動的に連結され、方形波信号がその極性をスイッチする度に、ＴＡＣ４２へトリガー信号を入力する。トリガーデバイス４０からのトリガー信号により、ＴＡＣ４２の電荷を厳密な線形速度で増大させる。

プローブ分子のスイッチング中、レーザー３２は、図１Ｃのマーカー１２などの蛍光マーカーを励起する。蛍光の単一光子は、ＰＭＴ３４で検出される。光子が検出される場合、トリガーデバイス３８は、ＴＡＣ４２の電荷増大を停止するであろう。したがって、ＴＡＣ４２において増大される電荷は、方形波信号の立ち上がり、すなわち、スイッチング遷移の開始と、光子検出との間の時間に対応するであろう。

方形波が、例えば、１００ｓの間印加される場合、百万回の上への遷移および百万回の下への遷移が起こり、これら遷移の各々の間、光子が検出されるであろう。各検出された光子に対して、対応する時間値はＴＡＣ４２によって取得され、各時間値は、ヒストグラム作成デバイス４４によって、ヒストグラムに記録される。特に、ヒストグラム作成デバイス４４は、ＴＡＣ４２からの時間値を受信する度、対応する時間域に対する数値を増加させる。結果として、ヒストグラムは、時間分解蛍光測定を表し、時間分解能は域の大きさによってのみ限定される。

このようなヒストグラムの例を図６に示し、そこに結合する標的分子が全くないものの、タンパク質受容体で修飾された、７２塩基対ＤＮＡ層に対する正規化蛍光強度を示す。

時間分解蛍光強度が、下により詳細に記載する形で、プローブ分子に結合する標的分子の特徴を評価するようになど、分析および処理される分析モジュール４６に入力される。その後、分析の結果が出力デバイス５４によって出力される。

図５では、本発明に係る装置の代替の実施形態５６を示す。装置５６の同様および類似の構成要素は、図４の装置２０におけるものと同一の引用符号により表され、その記載は省略される。装置５６では、ＰＭＴ３４の代わりに、蛍光の受信に応答して光電流を生成する、フォトセンサ５８が備え付けられる。光電流は、電流増幅器６０によって増幅され、デジタル記憶オシロスコープ（ＤＳＯ）であるオシロスコープ６２に送り込まれる。ＤＳＯ６２はまた、波形発生器２８と作動的に連結される。ＤＳＯ６２は、波形発生器２８の方形波信号の遷移または立ち上がりによって誘発される。この遷移から始まり、オシロスコープは、フォトセンサ５８および電流増幅器６０によって提供される、増幅された電流信号を記録および記憶する。言い換えると、本実施形態では、ＤＳＯ６２への入力は、時間、すなわち、波形の最後の遷移からの時間の関数として記録される、蛍光強度を示しているアナログ信号である。

その上、何千または何百万のスイッチング周期が実行され、これら周期の各々において、蛍光強度は時間の関数として記録される。信号は、図６に示すものと類似の、平均時間分解蛍光信号を表す、組み合わされた信号を生成するようになど、ＤＳＯ６２によって合計される。

ＤＳＯ６２は、図５の設定において採用されるものの、時間依存信号を記録および記憶するＤＳＯの能力のみが採用されるため、オシロスコープ６２の表示機能は必要ではないことは言うまでもない。

その後、組み合わされた時間分解蛍光信号は、図４の実施形態の分析モジュール４６と同一である、分析モジュール４６に入力される。

発明者は、図４の装置２０および図５の装置５６両方を組み立てて検査し、このような設定で、上下遷移工程の時間分解測定が、およそ１分の短時間で、かつ時間分解スイッチングダイナミクスの意味ある分析を可能にするであろう、何千または何百万のスイッチング遷移に基づく組み合わされた信号品質で、測定することができると見出した。

次に、図４の装置２０で取得された実験結果について論ずる。図７には、抗ビオチンＩｇＧのＦａｂ２断片の濃度に対する、立ち上がり時間の変化の図を示す。Ｆａｂ２がＤＮＡプローブ分子に結合する際、臥位構成から立位構成へのプローブ分子の立ち上がり時間は、３μｓから８μｓに増加する（下記図８参照）。異なる濃度での立ち上がり時間の変化を観察することによって、解離定数Ｋ_Ｄを判定することができる。高い標的濃度では、標的分子の濃度をさらに増加させる時、一定のままである、飽和した立ち上がり時間値（８μｓ）が観察される。この値は、標的でのプローブ分子の被覆率１００％（飽和）を表す。裸のプローブ層の初期の、すなわち、短い立ち上がり時間は、標的被覆率０％を表す。異なる標的濃度に対する中間の被覆率の値は、０％および１００％の被覆率それぞれの立ち上がり時間値から計算することができ、図７に示す通り、いわゆる滴定曲線を生じる。質量作用の法則（ラングミュア等温式）を滴定曲線に適合することによって、Ｋ_Ｄ値を取得する。

図８では、上への遷移に対する正規化時間分解蛍光を、最上部に付着したタンパク質受容体（ビオチン）を伴うＤＮＡ（上の曲線）、分子量１００ｋＤａのＦａｂ２抗体断片が、ビオチンタンパク質受容体に結合する時のＤＮＡ（中間の曲線）、および分子量１５０ｋＤａを伴う完全ＩｇＧ抗体が、ビオチンタンパク質受容体に結合する場合（下の曲線）について示す。また、図８に示すのは、時間関数としての作用電極の電荷であり、電荷が正確に階段関数に対応せず、いくつかの有限時定数からの影響を被ることを示す。

図８から分かる通り、プローブ分子に結合するような種々の標的分子は、互いに明らかに見分けることができ、タンパク質が全く結合していない状態とも見分けることができる。本発明の好ましい実施形態に従い、時間分解測定値は、プローブ分子に結合する標的分子の特徴を判定するようになど、分析モジュール４６によって自動的に分析される。例えば、分析モジュール４６は、外部場の極性のスイッチングと、正規化蛍光信号が所定の閾値、例えば、その５０％に到達する時間との間の時間遅延を判定し得、臥位構成から立位構成へのプローブ分子の立ち上がり時間を表すように使用されてもよい。このような立ち上がり時間値は、標的分子のサイズまたは有効なストークス半径と相関する。したがって、分析モジュール４６は、立ち上がり時間から有効な推定ストークス半径を判定し、出力デバイス５４を介してそれを出力し得る。

立ち上がり時間を判定するよりむしろ、本発明の概要に挙げられる理由のため、プローブ分子の立ち上がり速度を示し、有効なストークス半径のより良い指標になると予想される、正規化蛍光の導関数を判定することが好ましい場合もある。特に、好ましい実施形態では、正規化蛍光の時間導関数の最大値を判定することができ、それは、上への遷移の際にプローブ分子が獲得する最大速度を示している。流体力学的抵抗が最大速度を限定すると考えられるため、最大速度は、立ち上がり時間より、流体力学的抵抗または有効なストークス半径のより直接的な尺度となるであろうし、確率的事象を含む、他の現象からも影響を受ける場合がある。

しかしながら、より一層多くの情報が、実際に全体の時間分解性の動的挙動を反映するため、時間分解蛍光の中に含有されることもまた、図８から明らかである。したがって、分析モジュール４６は、上で述べた来たる刊行物の中に記載する通り、電動プローブ／標的運動の確率的性質を考慮に入れ、より洗練されたタイプの分析のために構成されてもよい。

一実施形態では、既知の標的に対する経験的データは、記憶部５０の中に記憶され、分析モジュール４６は、時間分解蛍光信号を既知の標的の経験的な信号と自動的に比較することができ、それによって、より大きな確信をもって標的分子を特定することを可能にする。このような場合に、分析モジュールは、有効なストークス半径などの標的分子の特徴を出力してもよいだけでなく、標的分子それ自体を特定さえするか、または測定された標的分子が実際に、想定される標的分子と一致するという信頼値を出力することもできる。

加えてまたは代替的に、分析モジュール４６はまた、本発明の概要で説明してきた通り、上または下への遷移の測定された時間依存蛍光を、モデル計算から取得されたデータと比較してもよい。その上、モデル計算との比較により、標的分子を特定するか、または分析モジュール４６によって提示されるような、ある標的分子の特定もしくは標的分子の特徴が正しいという、信頼値を少なくとも与えるのを助けてもよい。

一実施形態に従い、プローブ分子は、図１１に概略的に示す通り、電荷が円筒軸に沿って連続的に分配される、電荷を持つ強固な円筒としてモデル化される二本鎖ＤＮＡである。したがって、プローブ分子１０の構成は、基質１６のみに対する角度αによってパラメータ化することができる。方位角は、本明細書で観察するプロセスにおいて、いかなる役割も果たさないので、無視することができることは留意されたい。モデルに従い、かつ図１１をさらに参照すると、ＤＮＡの長さが一塩基の長さｂの倍数ｎで測定され、ｂ＝０，３４ｎｍである。円筒の直径は２Ｒで、Ｒ＝１ｎｍである。ＤＮＡの電荷ｑは塩基の数に依存し、すなわち、ｑ＝−２ｎｅであり、式中、ｅは素電荷である。

電位が基質１６に印加されるため、ＤＮＡは、指数関数的に減衰する、電場Φ（γ，α）を経験する。

式中、Φ_ｅｆｆは、遮蔽因子ｙ＜１で乗じられる、印加された電位Φに対応する、有効な電位であり、すなわち、Φ_ｅｆｆ＝γ・Φである。

発明者は、プローブ分子のダイナミクスが、大体において確率的性質であることを発見した。したがって、プローブ分子の運動は、印加された電場が原因の、追加ドリフトを持つブラウン運動に非常に正確に基づき記載することができる。プローブ分子の動的挙動をさらに理解するため、いかなる所与の配座、すなわち、いかなる所与の角度αに対する、エネルギーＵ（α，Φ）、エントロピーＳ（α）、およびギブズ自由エネルギーＧ［α，Φ］は、以下の通り計算される。

これより、以下のボルツマン確率分布を導出することができる：正規化条件

を伴い、

確率分布より、その後、蛍光信号は、以下の通り計算することができる。

式中、ｆ［α］は、Journal of the American Chemical Society, 132, 7935 (2010)の中に記載される通り、高度依存性の色素蛍光の分析的近似である。

電場が定常なままであったため、これまで時間依存性が考慮されていなかったことに留意されたい。しかしながら、上記の式で、印加された静的電位Φの異なる値に対する蛍光信号を計算することは可能である。対応する曲線を、以下において「電圧応答曲線」と称する。

図１２は、上記のモデルに従い計算された際、および実験によって取得された際の、電圧応答曲線の比較を示す。計算では、遮蔽因子ｙ＝０．０１８が想定された。上記のモデルに従い計算された電圧応答と、測定されたデータとの間の一致は素晴らしく、それは、上記のモデルが必須の物理特性を正しく捕捉するという強力な兆候である。遮蔽因子γは、計算された電圧応答曲線を測定された曲線に適合することによって、判定することができることに留意されたい。

さらに、これまでモデルは、いかなる標的分子でもなく、遊離プローブ分子、すなわち、二本鎖ＤＮＡの説明をするのみであったことに留意されたい。定常状態が関係する限り、すなわち、時間依存電場なしの場合、標的分子は主に、その可能な電荷が原因で結果に影響を与えるであろう。実際、プローブ分子の確率的挙動に関する上記の理解に基づき、発明者は、電圧応答曲線から標的分子の電荷を、定性的および定量的に判定することは可能であるはずだと推量した。これは実際、図１３および１４に示す通り、実験において確認された。

図１３は、ＤＮＡのみ（白のひし形）、および負の電荷を持つタンパク質、すなわち、ストレプトアビジンが結合した同じＤＮＡ（色付きの四角）の両方に対して、基質１６に印加された静的電位の関数としての正規化蛍光信号を示す。図１３から分かる通り、負の電荷を持つストレプトアビジンは、明らかに、蛍光信号が、ＤＮＡのみの場合より増加した基質電位を伴い速く下降するという電圧応答曲線に顕著な影響を及ぼす。標的分子の負の電荷は、負の電荷を持つＤＮＡの効果を増す、すなわち、正の電位がそこに印加される時、プローブ分子１０を基質１６に接近させるであろうため、この挙動は直感的に理解可能である。

正の電荷を持つタンパク質（アビジン）が、プローブＤＮＡに結合する、反対の場合を図１４に示す。対応する電圧応答曲線を、色付きの円で示す一方、遊離ＤＮＡの電圧応答曲線は、再び白のひし形で示す。アビジンの存在する電圧応答曲線はまた、ＤＮＡのみの曲線と顕著に異なることがわかる。この場合、正の電荷を持つ標的分子が、正の電荷を持つ基質１６から忌避され、それによって電圧応答曲線を、正の電位に対する遊離ＤＮＡの曲線の上方に位置させるため、定性的挙動は再び直感的に理解可能である。

したがって、電圧応答曲線は、標的分子の電荷を判定する、非常に鋭敏なツールであることが分かる。電圧応答曲線は、簡単かつ迅速に記録することができるため、これは、標的分子分析の中で日常的に実行することができる、標的分子の電荷を判定する好ましい方法である。

標的分子の電荷Ｑは、以下の追加する電気的相互作用項をギブズエネルギー関数に導入することによって、上記のモデルに容易に導入することができることに留意されたい。

これまで、モデルは定常電場のみの説明をしてきた。一度電場Φが時間に依存すると、確率分布も時間に依存性するであろう。すなわち、

その上、プローブ分子の動的挙動が本来は確率的であると想定すると、確率分布ｐ（α，ｔ）の時間依存度は、フォッカープランク方程式によって記載することができる。

式中、項

は、回転拡散係数Ｄ_ｒによって統制される、ブラウン運動様の挙動を特徴付ける拡散項である。第２項は、角度および時間依存性の自由エネルギーによる、ドリフト項である。上記のフォッカープランク方程式は、電場Φ（t）のいかなる所与の時間依存性に対しても、数値的に解くことができる。

ＤＮＡスイッチングをシミュレートするために、開始の確率分布を計算し、その後、上記のであるフォッカープランク方程式を介して、確率分布の時間発展を計算する。解は、回転拡散係数Ｄ_ｒにのみ依存する。したがって、Ｄ_ｒは、モデル計算を実験データに適合することによって、判定することができる。このように、遊離ＤＮＡと、その端部に結合する標的分子を伴うＤＮＡとの推定される回転拡散係数を判定することができる。これにより、順に、ストークスの法則を使用して、付着する標的分子の流体力学半径を計算することができる。

その上、このモデルに基づき、ストークス半径は、優れた精度で時間分解信号から判定することができることが分かる。図１５は、裸の二本鎖ＤＮＡ、およびその端部に結合するジヒドロ葉酸レダクターゼ酵素（ＤＨＦＲ）を伴う同じＤＮＡに対する、時間分解上昇曲線を示す。図１５から明らかに分かる通り、追加のＤＨＦＲを伴うＤＮＡの立ち上がり時間は、それによって引き起こされる摩擦が原因で遅延する。

図１６は、回転拡散半径０．１２μｓ^−１および０．１６^−１μｓ^−１それぞれに対して発見された、上記のフォッカープランク方程式の解の２つの最良適合を示す。これより、ストークスの法則は、ＤＨＦＲに対して１．６ｎｍの流体力学半径を生じ、それは１．５ｎｍという文献の値にほぼ正確に合致する。

したがって、分析モデルは、スイッチングの挙動を理解するのを助けるだけでなく、実際にかなりの高精度で、時間分解データから未知の標的分子のストークス半径を判定するように使用することができることが分かる。

分析モデルまたはシミュレーションを参照して、測定されたデータを分析する代わりに、前に述べた通り、実験データはまた、既知の標的の記憶されたデータセットと比較することもできる。したがって、既知の時間分解データセットとの比較によって、未知の標的を特徴付けるか、またはさらに認識することができる。

図９は、図４の装置２０で取得される通りの、正規化時間分解蛍光のもう一つの例を示す。図９では、上部グラフは再び、タンパク質受容体で修飾されているが、それに結合するいかなる標的分子もない、ＤＮＡの時間分解の上方へのスイッチングの蛍光を示す。中間の曲線は、それに５０ｋＤａのタンパク質を結合した後の時間分解蛍光を示す。最も下の曲線は、ＩｇＧ抗体（１５０ｋＤａ）が５０ｋＤａのタンパク質に結合した後の時間分解蛍光を示す。その上、図９は、複数の標的の結合は、本発明の時間分解蛍光測定で、明らかに見分けることができることを明らかに示している。

最後に、図１０を参照すると、従来の技術の周波数応答法、および本発明の時間分解測定で取得可能な結果の比較を示している。図１０ａには、標準的な緩衝液（黒丸）の中の、およびそれに結合するＩｇＧ抗体を伴う（白丸）、初期プローブ分子の周波数応答曲線を示す。２つの曲線は、明らかに見分けることができ、特にＩｇＧ抗体の有効なストークス半径は、カットオフ周波数の偏移によって評価することができる。

しかしながら、５０％のグリセロールを流体環境に追加することによって、溶液の粘度が増加する場合、抗ビオチンＩｇＧを伴っても伴わなくても、プローブ分子の周波数応答は同一となる。したがって、この状況では、プローブ分子への抗ビオチン結合は全く見分けることができない。

図１０ｂおよび１０ｃは、上への遷移（図１０ｂ）および下への遷移（図１０ｃ）に対する、同じプローブおよび標的の時間分解蛍光測定値を示す。

図１０ｂより見ることができる通り、５０％のグリセロールを溶液に追加してさえ、上への遷移において、抗ビオチン有りおよび無しのプローブ分子は、それぞれ８．０μｓおよび５．５μｓの異なる立ち上がり時間を生じ、明らかに見分けることができる。しかしながら、両方の緩衝液に関して、下への遷移において、抗ビオチン有りおよび無しの時間分解曲線は、実質的には見分けることができないことが分かる。

図１０ｂおよび図１０ｃの時間分解測定から、明らかに、抗ビオチンの流体力学的抵抗は上への遷移のダイナミクスを統制するが、下への遷移のダイナミクスは統制しないことが分かる。これは、従来の技術に従う周波数応答分析と区別することができなかった結果である。

その上、カットオフ周波数はいつも、上下遷移の時定数の両方によって統制されるであろう。実際、２つの時定数のうちのより長い方が、カットオフ周波数を支配するであろう。この効果は、図１０ａに見ることができる。すなわち、下への遷移に対する時定数は、プローブ分子に結合する抗ビオチンを伴っても伴わなくてもほぼ同一であるが、上への遷移の時定数（τ_ｒｉｓｅ）における差は、２つの場合を見分け、さらにその有効なストークス半径に対する抗ビオチンを特徴付けることさえ可能にする、カットオフ周波数の偏移を生じさせるに十分である。しかしながら、緩衝液の粘度が、グリセロールを追加することによって増加する時、抗ビオチン有りおよび無しの立ち上がり時間はなおも異なるものの、カットオフ周波数は、周波数応答スペクトルを全く見分けることができない程度まで、相当に増加した下への遷移の時定数τ_ｆａｌｌによって支配される。

そのため、要約すれば、図１０は、周波数応答分析と比較すると、本発明の時間分解測定によって提供される、驚くべき予測不可能な改良を実証している。図４および５の装置２０および５６の機器費用は、周波数応答分析を実行するための装置と比較してほとんど増加しない一方、時間分解測定は、非常に頑強で信頼性の高い方法で、分析のための時間を有意に増加することなしに、実践することができるというのは、さらなる驚くべき結果である。分析モジュール４６による洗練された分析のためのより信頼性の高い結果および可能性が与えられた本発明の時間分解測定方式は、ユーザが根底にある原理を理解する必要も、自身で測定結果を解釈する必要もなく、詳細で信頼性の高い分析結果が提供されるべき、実験室での日常的使用のための装置には、実際特に好ましい。

本発明の方法および装置はまた、試料の中のある標的分子の濃度、または試料の中の２つ以上の標的分子の化学量論比を判定することも可能にする。これは、図１７および１８を参照して説明する。

図１７（ａ）は、試料の中の異なる濃度の標的分子に対する、時間分解蛍光信号を示す。図１７（ａ）の中で一番高い曲線は０ｐＭの濃度に対応し、すなわち、試料の中に標的分子はない。したがって、この曲線はプローブ分子１０のみのスイッチング挙動に対応する。

曲線のうち最も下の曲線は、実際には、それぞれ３ｎＭおよび１０ｎＭの標的濃度にほぼ一致し対応する、２つの曲線である。これら２つの曲線が一致するため、バイオセンサが飽和している、すなわち、標的分子がプローブ分子１０の各々に結合していると想定することができる。中間の２つの曲線は、６０ｐＭおよび３００ｐＭの中間濃度に対応し、この場合明らかに、プローブ分子１０の一部が、標的分子によって占有されている一方、他は占有されていない。蛍光信号は、そこに結合する標的分子を伴うプローブ分子１０、および伴わないプローブ分子１０に対応する個々の信号の線形結合であるため、測定された中間の曲線は、標的なし曲線と、完全に標的を結合する曲線との重ね合わせに対応すると予想される。その後、重ね合わせのそれぞれの係数は、そこに結合する標的を伴う、および伴わないプローブ分子の割合に対応するであろう。例えば、プローブ分子１０の８０％が標的分子によって占有される場合、その結果生じる蛍光信号曲線は、図１７（ａ）の中の最も下（すなわち、１００％結合）の曲線および最も上（すなわち、０％結合）の曲線の重ね合わせであると予想され、重ね合わせにおける最も下の曲線の係数は０．８、最も上の曲線の係数は０．２であろう。

この推量は実際に、発明者の実験によって確認されている。発明者は、図１７（ｂ）に概略的に示す通り、受容体の密度、すなわち、捕捉部分の密度が異なった、複数のプローブ分子１０でバイオチップを調製した。例えば、受容体の密度が５０％であった場合、実際には、生体分子１０の半分のみが、標的分子を捕捉するための受容体を有した。高濃度の標的分子を伴う試料を使用して、その後、全ての利用可能な受容体が、実際に対応する標的分子によって占有されたことを保証することができた。したがって、受容体密度を事前に算定することによって、効果的に、付着した標的分子を伴うプローブ分子の画分を制御することができた。

図１７（ｂ）では、横軸は、受容体密度、すなわち、受容体を有するプローブ分子１０の割合に対応する。これら受容体密度の各々に対して、図１７（ａ）に示す通りの時間依存蛍光信号が記録された。その後、測定された曲線に最もよく適合した、遊離プローブ分子および１００％の標的プローブ分子に対する、既知または予想される信号の重ね合わせが判定された。図１７（ｂ）の図の縦軸は、それぞれの重ね合わせにおける、遊離プローブ分子曲線の係数に対応する。したがって、上記の仮説が正しい場合、全データ点は、図１７（ｂ）の図中の点（０，０）および（１，１）をつなぐ破線上にあるはずである。図１７（ｂ）から分かる通り、これは実際のところ事実であり、仮説が正しいという強力なサポートが与えられる。

そのため、要約すれば、０％（すなわち、遊離プローブ分子）、および１００％の被覆率（すなわち、完全な標的プローブ分子）曲線を知り、０％および１００％の標的被覆率曲線の重ね合わせ係数を判定することによって、実験から取得されるいかなる曲線の標的被覆率も優れた精度で判定することができる。さらに、被覆率が、プローブ溶液の中の標的分子の濃度に、どのように関係するのかが既知の場合、これは濃度の直接的尺度となる。

もちろん、同じ原理は、試料溶液の中で、受容体の被覆率を判定するようにだけでなく、同じ受容体に結合する異なる標的分子の比率を見分けるようにも適用することができる。

例えば、同じプローブ分子受容体に結合することができる、異なる標的分子の化学量論比を判定することができる。従来の技術の方法に従うと、両方の標的分子が同じ受容体に結合する場合、親和性選択がないのでこれはほとんど不可能である。しかしながら、本発明に従い、２つの異なる標的分子が、それ自体は既知である、異なる時間分解蛍光曲線を導く場合、測定された曲線の場合には（上に記載したのと同じように）、実験の時間分解信号と適合する、標的に特異的な曲線の好適な重ね合わせを判定することができ、対応する係数は化学量論比を反映する。この例は図１８（ａ）に示す。図１８（ａ）では、最も下の曲線が、抗ビオチンＩｇＧの時間依存蛍光を表す。ＩｇＧは、Ｆａｂ断片がＩｇＧから分離するように、断片化することができる。Ｆａｂ断片はもちろん、全体のＩｇＧと同じ受容体（アンチジーン）に結合することができる。しかしながら、Ｆａｂ断片のストークス半径が、ＩｇＧのストークス半径よりも小さいため、時間分解蛍光曲線は、電場の中でより速く上昇するであろう。したがって、ＩｇＧおよびＦａｂ断片の化学量論比は、既知のＩｇＧ曲線と、実験データと最も良く適合する、既知のＦａｂ曲線との重ね合わせ係数によって判定することができる。

したがって、図１８（ａ）の中の最も上の曲線は、被覆率１００％の抗ジゴキシゲニンＦａｂに対して取得された信号に対応する。

５０％のビオチンおよび５０％のジゴキシゲニン受容体を伴うバイオチップを使用して、図１８（ａ）における中間の曲線が測定された。実際には、図１８（ａ）における中間の曲線のような曲線を測定し、その後、ＦａｂおよびＩｇＧの化学量論比を知りたかったのであろう。上記の教示に従い、測定されたデータに最も適合する、既知のＦａｂ曲線およびＩｇＧ曲線の重ね合わせを探すことにした。この結果を図１８（ｂ）に示す。図１８（ｂ）における太い曲線は、実際の蛍光測定、すなわち、図１８（ａ）における中間の曲線を表す。図１８（ｂ）における細い線は、中間の曲線に対する図１８（ａ）における上および下の曲線の重ね合わせの最良適合であり、本事例では、５５％のＩｇＧおよび４５％のＦａｂ、すなわち、０．５５および０．４５の重ね合わせ係数を生じ、それぞれ５０％のＩｇＧおよび５０％のＦａｂにかなり近い。したがって、化学量論比は、かなり正確な位置を伴い判定することができることが分かる。実際の適用では、親和性選択がないであろうため、すなわち、異なる分子が、同じ受容体に結合するであろうため、これは卓越した結果であり、したがって、化学量論比を判定する他の実践的方法はない。

本発明のこの実施形態は、多くの実際的適用を有するであろう。例えば、上記のＩｇＧのような抗体が、酵素を追加することによって断片化されるべき場合には、断片化の割合を判定することができる。また、目的の分子が、単量体または二量体を形成することができ、単量体および二量体それぞれに対する時間依存蛍光曲線が既知である場合、試料における単量体および二量体の化学量論比は、容易に判定することができる。

実際、本発明のこの実施形態を使って、異なる構成が異なる時間依存蛍光曲線を導く場合、異なる標的分子の化学量論比（Ｆａｂ／ＩｇＧまたは単量体／二量体のような）だけでなく、同じ分子の異なる構成の化学量論比も判定することができる。これに対する例を図１９に示す。図１９は再び、正規化時間分解蛍光の測定値を示す。最も上の曲線は、この場合、再び二本鎖ＤＮＡであるプローブ分子１０のみに対応する。最も下の曲線は、Ｆａｂ断片が結合するプローブ分子（ＤＮＡ）に対応する。常態では、Ｆａｂ断片は、遊離ＤＮＡと比較して、蛍光信号の緩やかな上昇の要因である、あるストークス半径を生じさせる「折り畳み状態」となる。

図１９における中間の曲線は、同じ試料に対応するが、しかしながら、洗剤（ＳＤＳ）が追加される。図１９に概略的に示す通り、ＳＤＳはＦａｂ断片をほどかせる。折り畳まれていない構成では、有効なストークス半径は減少し、それによって、折り畳まれたＦａｂによって占有されるＤＮＡの曲線と、ＤＮＡのみの曲線との間の立ち上がり時間が導かれる。したがって、配座の変化、すなわち、折り畳み状態対折り畳まれていない状態は、時間依存蛍光信号によって直接観察することができる。溶液のＳＤＳを消耗した後、Ｆａｂ断片が折り畳み構成を再び獲得することが分かった。すなわち、図１９における最も下の曲線の蛍光信号が再び観察された。また、折り畳みおよび折り畳まれていないＦａｂの化学量論比は、上に記載したのと同じ形で、重ね合わせにおける係数を判定することによって、判定することができる。

上で説明してきた通り、多くの場合、標的分子を特徴付けるためには、蛍光信号の時間導関数に良く注目すべきである。図２０では、時間の関数としての蛍光信号の時間導関数を、プローブ分子（ＤＮＡ）のみ（点線）、ストレプトアビジン標的を伴うプローブ分子（破線）、およびそこに結合するアビジン標的を伴うプローブ分子（実線）に対して示す。アビジンおよびストレプトアビジンは、実質的に同一のサイズおよびストーク半径を有するが、なおも蛍光信号の時間導関数は著しく異なる。この差は、標的分子の電荷が原因である。負の電荷を持つストレプトアビジンは、直立プロセスの少なくとも後半において、（正の電荷を持つ）アビジンより高い水準にとどまる、速度をもたらすであろう。負のストレプトアビジンは、直立運動において負のＤＮＡを援助する一方、正の電荷を持つアビジンは、この運動に反作用するであろうため、これは直観的に理解可能である。その上、これにより、本発明に係る方法が、時間分解蛍光信号から標的分子の電荷を見分けさえするほど、十分鋭敏であることが実証される。

最後に、受容体への標的分子の結合反応速度は、非常に優れた精度で測定することができることが分かる。図７には、抗ビオチンＩｇＧのＦａｂ２断片の濃度による立ち上がり時間の変化を示した。これより、解離速度Ｋ_Ｄまたはその逆性である親和速度Ｋ_Ａを判定することができる。良く知られている通り、解離速度Ｋ_Ｄは、逆方向速度（ｋ_ｏｆｆ）および順方向速度（ｋ_ｏｎ）の比率、すなわち、Ｋ_Ａ＝１／Ｋ_Ｄ＝ｋ_ｏｎ／ｋ_ｏｆｆに対応する。しかしながら、本発明の枠組みの中では、ｋ_ｏｎおよびｋ_ｏｆｆを直接測定することも可能である。このため、図２１には、プローブ分子が標的に曝露された後（パネルＡ、Ｃ、およびＥ）、または標的分子への曝露が終結した後（パネルＢ、Ｄ、およびＦ）の、「Ｖ_ｍａｘ」と称される、正規化蛍光信号の導関数の最大値を示す。

Ｖ_ｍａｘは、標的分子がプローブ分子に結合しているかどうかを分析するための、非常に敏感な指標であることが分かっている。プローブ分子が標的分子に曝露されると、標的分子は、順方向速度ｋ_ｏｎでプローブ分子に結合し、それによって、スイッチングダイナミクスの速度が落ち、Ｖ_ｍａｘが減少するであろう。パネルＡ、Ｃ、およびＥに見られる通り、プローブ分子が、ｋ_ｏｎと似た速度で、標的分子によって占有されるため、Ｖ_ｍａｘは指数関数的に減衰する。

反対に、標的分子への曝露が終結した後、Ｖ_ｍａｘは再び、

に従い増加する。

図２１は、タンパク質Ａ、Ｇ、Ｌ、ＩＮＦα、ＭＯＧ、およびＦａｂに対する結合反応速度を示し、対応する順方向および逆方向速度ｋ_ｏｎ、ｋ_ｏｆｆは、表の中に要約されている。その上、本発明に係る装置および方法は、解離または親和性速度Ｋ_Ｄ、Ｋ_Ａそれぞれだけでなく、優れた精度で根底にある順方向および逆方向速度ｋ_ｏｎ、ｋ_ｏｆｆをも判定することを可能にすることが分かっている。

好ましい例示的実施形態を、図表および先行する明細書の中で、詳細に示し規定するが、これらは、純粋に例示と見なされるべきであり、本発明を限定するものと見なされるべきではない。この点において、好ましい例示的実施形態のみを示しかつ規定し、現在または将来、添付の請求項の範囲内である、すべての変形および修正が保護されるべきであることは留意されるものとする。

１０ プローブ分子
１２ マーカー
１４ タンパク質結合タグ
１６ 作用電極
１８ バイアスをかける手段
２０ 標的分子の特徴を評価するための装置
２２ 受容手段
２４ バイオチップ
２６ 対電極
２８ 波形発生器
２９ スイッチマトリクス
３０ 顕微鏡
３２ レーザー
３４ 光電子増倍管
３６ 信号線
３８ トリガーデバイス
４０ トリガーデバイス
４２ 時間電圧変換器
４４ ヒストグラム作成デバイス
４６ 分析モジュール
４８ プロセッサ
５０ 経験的データ用記憶部
５２ モデリングソフトウェア用記憶部
５４ 出力デバイス
５６ 標的分子の特徴を評価するための装置
５８ フォトセンサ
６０ 電流増幅器
６２ オシロスコープ

Claims (27)

1. 標的分子の１つ以上の特徴を評価するための装置（２０、５６）であって、
   前記装置が
   ― バイオチップを受容するための手段（２２）であって、
   前記バイオチップは、プローブ分子（１０）が、その第１の部分を伴い付着する基質（１６）を含んでなり、前記プローブ分子（１０）は電荷を持ち、前記基質（１６）からの前記プローブ分子（１０）の第２の部分の距離を示している、信号を生成することを可能にするためのマーカー（１２）を有し、前記プローブ分子（１０）は、前記標的分子を拘束するように適合する、手段（２２）と、
   ― 前記マーカーで生成される前記信号を検出するための手段（３４、３８〜４４、５８〜６２）と、
   ― 前記バイオチップが前記受容手段（２２）において受容される時、前記プローブ分子（１０）が曝露される、外部電場を生成するための手段（２８）と、
   ― 制御手段であって、
   前記制御手段は、
   （Ａ）前記バイオチップが前記受容手段（２２）において受容される時、前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）に接近させる、外部電場を印加し、および
   （Ｂ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）から離れさせる、外部電場を印加するよう、
   前記外部電場を生成するための手段（２８）を制御するように構成され、
   前記制御手段は、工程（Ａ）および／または工程（Ｂ）の間の時間の関数として、前記基質（１６）からの前記距離を示している前記信号を記録するよう、前記信号を検出するための手段（３４、３８〜４４、５８〜６２）を制御するようにさらに構成され、
   前記制御手段は、所定の回数の間、工程（Ａ）および（Ｂ）を繰り返すように、前記外部電場を生成するための手段（２８）および前記信号を検出するための手段（３４、３８〜４４、５８〜６２）を制御するように構成され、前記基質（１６）に接近する、および／または前記基質（１６）から離れる、前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分のプロセスを示している、平均化された時間分解信号を生成するように、前記記録された信号を組み合わせるように構成される、制御手段と、
   ― 前記標的分子の前記１つ以上の特徴を判定するように、前記組み合わされた信号を分析および／または処理するための、分析モジュール（４６）と、
   ― 前記標的分子の前記少なくとも１つ以上の特徴を出力するための、出力デバイスを直接または間接的に連結するための、出力デバイス（５４）またはインターフェースと、を含んでなる、装置（２０、５６）。
2. 前記分析モジュール（４６）は、
   ― 工程（Ａ）および（Ｂ）の間での前記外部電場のスイッチングと、時間依存性の組み合わされた信号の所定の閾値への到達との間の時間遅延を判定し、および／もしくは
   ― 前記組み合わされた信号の時間導関数を判定し、ならびに／または
   ― 前記組み合わされた信号を、分析モデルまたはシミュレーションから取得される、経験的データまたはモデルデータと比較するように、前記組み合わされた信号を分析および／または処理するように構成される、請求項１に記載の装置（２０、５６）。
3. 前記分析モジュール（４６）は、以下の標的分子の特徴、
   ― 有効なストークス半径、サイズ、分子量、
   ― 前記標的分子の形状、
   ― 前記標的分子へのさらなる分子の追加、
   ― 前記標的分子の電荷、
   のうちの１つ以上を評価するように構成され、
   ならびに／または前記分析モジュールは、前記プローブ分子（１０）の流体環境の温度変化もしくは化学環境の変化を判定し、および／もしくは前記標的分子上の温度変化もしくは前記化学環境の変化の効果を判定するように構成される、請求項１または２に記載の装置（２０、５６）。
4. 前記外部電場を生成するための手段（２８）は、第１の極性と第２の極性との間をスイッチする方形波信号を生成するように構成される、波形発生器を含んでなり、
   第１および／または第２の極性の期間は、前記プローブ分子（１０）が、それぞれ前記第２の部分と前記基質（１６）との間の最大および最小距離のそれぞれの状態を獲得することができるように、十分長く選択され、および／または
   前記制御手段は、組み合わされた信号に対して、工程（Ａ）および（Ｂ）を少なくとも１０回繰り返すように適応する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置（２０、５６）。
5. 前記信号を検出するための手段（３４、３８〜４４、５８〜６２）は、蛍光マーカー（１２）から放射される単一光子を検出するための検出器（３４）と、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の前記外部電場のスイッチングと、前記検出された光子との間の時間間隔を判定するための手段（３８〜４２）とを含んでなり、
   前記制御手段は、ヒストグラムの中に各時間間隔を記録するように構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（２０）。
6. 前記信号を検出するための手段（３４、３８〜４４、５８〜６２）は、ランプ波発生器（４２）に電圧の増大を開始させる第１のトリガー信号として、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の前記電場のスイッチングを受信するように、前記外部電場を生成するための手段（２８）と作動的に連結し、前記電圧の増大を停止する第２のトリガーとして、光子の前記検出を受信するように、前記単一の光子検出器（３４）と作動的に連結する、前記ランプ波発生器（４２）を含んでなり、
   前記増大した電圧は、前記２つのトリガー間の時間遅延と、少なくとも略比例する、請求項５に記載の装置（２０）。
7. 前記信号を検出するための手段（３４、３８〜４４、５８〜６２）は、前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の第２の部分の距離を示している、前記信号を増幅するための増幅器（６０）と、 増幅された時間依存信号を記録および記憶するための手段（６２）と、を含んでなり、 前記記録および記憶手段（６２）は、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の前記外部電場のスイッチングによって、前記時間依存信号を記録するようトリガーされるように、前記外部電場を生成するための手段（２８）と作動的に連結し、
   前記記録および記憶手段（６２）は、平均時間分解信号を生成するよう、前記時間依存信号を組み合わせるように構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（５６）。
8. 前記装置（２０）は、前記プローブ分子（１０）が前記標的分子に曝露された後、または前記プローブ分子（１０）の標的分子への前記曝露が終結した後それぞれに、組み合わされた信号の時間導関数の最大値が、やがてどのように時間変動するかを観察することによって、前記プローブ分子（１０）に結合する前記標的分子の順方向速度（ｋ_ｏｎ）、および／または前記プローブ分子（１０）を離れる前記標的分子の逆方向速度（ｋ_ｏｆｆ）を判定するようにさらに構成されている、請求項２〜６のいずれか一項に記載の装置（２０）。
9. 前記装置（２０）は、静的外部電場上の前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分の前記距離を示している、前記信号の依存度の測定および分析に基づき、前記標的分子の電荷を判定するようにさらに構成される、請求項１〜６および８のいずれか一項に記載の装置（２０）。
10. 前記モデルは、前記プローブ分子（１０）が、時間依存外部電場において時間ｔに
    

    

    を獲得する確率を定義する、
    

    

    を生じ、標的分子のサイズおよび／またはストークス半径は、
    

    

    に関する前記確率のドリフトおよび／または拡散によって、前記モデルにおいて説明される、請求項２に記載の装置（２０）。
11. 前記分析モジュール（４６）は、前記組み合わされた時間分解信号を、ドリフトおよび／または拡散係数を含有する、フォッカープランク方程式の
    

    

    に対する解に適合することによって、前記拡散係数またはドリフト係数を判定するように構成され、前記判定されたドリフトおよび／または拡散係数から、前記標的分子の前記サイズおよび／またはストークス半径を導出するように構成されている、請求項１０に記載の装置（２０）。
12. 前記
    

    

    は、前記基質（１６）に対する前記プローブ分子（１０）の角度αによってパラメータ化され、前記拡散係数は、回転拡散係数である、請求項１０または１１に記載の装置（２０）。
13. 以下の判定、すなわち、
    ― 試料の中のある標的分子の存在、
    ― 試料の中の標的分子の濃度、
    ― 所与の標的分子によって占有される、プローブ分子（１０）の画分、または
    ・同じプローブ分子捕獲部（１４）に結合することができる、異なる標的分子、または
    ・異なる構成の中の同じ標的分子、の化学量論比、のうちの１つ以上を判定するようにさらに適応し、以下の工程、すなわち、
    （ａ）前記試料をバイオチップに曝露する工程であって、前記バイオチップは、プローブ分子（１０）が、その第１の部分を伴い付着する基質（１６）を含んでなり、前記プローブ分子（１０）は電荷を持ち、前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の第２の部分の前記距離を示している、信号を生成することを可能にするためのマーカー（１２）を有し、前記プローブ分子（１０）は、前記標的分子、または前記標的分子のグループのうちの前記標的分子の各々を結合することができる、捕獲部（１４）を含んでなる、工程と、
    （ｂ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）に接近させる、外部電場を印加する工程と、
    （ｃ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）から離れさせる、外部電場を印加する工程であって、
    工程（ａ）および／または工程（ｂ）の間、前記基質（１６）から前記第２の部分の前記距離を示している前記信号は、時間の関数として記録される、工程と、
    （ｄ）所定の回数の間、工程（ａ）および（ｂ）を繰り返し、かつ前記基質（１６）に接近する、および／または前記基質（１６）から離れる、前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分のプロセスを示している、平均化された時間分解信号を生成するように、前記記録された信号を組み合わせる、工程と、
    （ｅ）以下の工程のうちの一つ、
    ― 前記組み合わされた信号を、前記標的に対する所定の信号と比較することによって、ある標的分子の前記存在を特定する工程、または
    ― 前記標的なしのプローブ分子（１０）、または前記組み合わされた信号に適合する、それに結合されたそれぞれの標的分子を伴う前記プローブ分子（１０）に対応する、所定の信号の重ね合わせの係数を判定する工程、
    を実行する工程と、
    を実行する、請求項１〜６および８〜１２のいずれか一項に記載の装置（２０）。
14. プローブ分子（１０）に結合する標的分子の１つ以上の特徴を評価するための方法であって、
    前記プローブ分子（１０）は、第１の極性で電荷を持ち、
    前記プローブ分子（１０）は、基質（１６）に付着する第１の部分を有し、 前記プローブ分子（１０）は、前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の第２の部分の距離を示している信号を生成することを可能にするための、マーカー（１２）を有し、
    前記方法が、以下の工程、
    （Ａ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）に接近させる、外部電場を印加する工程と、
    （Ｂ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）から離れさせる、外部電場を印加する工程であって、
    工程（Ａ）および／または工程（Ｂ）の間、前記基質（１６）から前記第２の部分の前記距離を示している前記信号は、時間の関数として記録される、工程と、
    （Ｃ）所定の回数の間、工程（Ａ）および（Ｂ）を繰り返し、かつ前記基質（１６）に接近する、および／または前記基質（１６）から離れる、前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分のプロセスを示している、平均化された時間分解信号を生成するように、前記記録された信号を組み合わせる、工程と、
    （Ｄ）前記標的分子の前記１つ以上の特徴を判定するように、前記組み合わされた信号を分析する工程と、を含んでなる、方法。
15. 前記組み合わされた信号を分析する前記工程（Ｄ）は、以下の
    ― 工程（Ａ）および（Ｂ）の間での前記外部電場のスイッチングと、前記組み合わされた時間依存信号の所定の閾値への到達との間の時間遅延を判定する工程と、
    ― 前記組み合わされた信号の時間導関数を判定する工程と、
    ― 前記組み合わされた信号を、分析モデルもしくはシミュレーションから取得される、経験的データまたはモデルデータと比較する工程と、のうちの１つ以上を含んでなる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記組み合わされた信号を分析する前記工程（Ｄ）は、
    以下の標的分子の特徴、
    ― 有効なストークス半径、サイズ、分子量、
    ― 前記標的分子の形状、
    ― 前記標的分子へのさらなる分子の追加、
    ― 前記標的分子の電荷、
    のうちの１つ以上を評価する工程と、
    ならびに／または前記プローブ分子（１０）の流体環境の温度変化または化学環境の変化を判定し、および／もしくは前記標的分子上の温度変化または前記化学環境の変化の効果を判定する工程と、を含んでなる、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 前記外部電場は、第１および第２の極性の間をスイッチする方形波信号であり、第１および／または第２の極性の期間は、前記プローブ分子（１０）が、それぞれ前記第２の部分と前記基質（１６）との間の最大および最小距離のそれぞれの状態を獲得することができるように、十分長く選択され、および／または
    前記工程（Ａ）および（Ｂ）は、少なくとも１０回繰り返される、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記マーカー（１２）は、蛍光マーカーであり、前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分の前記距離を示している前記信号は、前記マーカー（１２）が前記基質（１６）に接近するにつれ、消光される前記蛍光マーカーから放射される光の強度である、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 工程（Ｃ）は、
    ― 前記蛍光マーカーから放射される単一光子を検出し、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の前記外部電場のスイッチングと、前記検出された光子との間の時間間隔を判定する工程と、
    ― ヒストグラムの中に各検出された時間間隔を記録する工程と、を含んでなる、請求項１８に記載の方法。
20. 工程（Ｃ）は、
    ― 前記信号を増幅し、増幅された時間依存信号を記録する工程であって、前記記録する工程は、工程（Ａ）および（Ｂ）の間で前記外部電場をスイッチすることによってトリガーされる、工程と、
    ― 平均時間分解信号を生成するように、前記時間依存信号を組み合わせる工程と、を含んでなる、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記基質（１６）は、作用電極によって形成され、前記外部電場を印加する工程は、工程（Ａ）の間、前記第１の極性とは異なる第２の極性の電位を、前記作用電極に印加する工程と、工程（Ｂ）の間、前記第１の極性の電位を前記作用電極に印加する工程と、を含んでなり、および／もしくは
    前記プローブ分子（１０）は荷電ポリマー、電荷を持った棒状ナノ物体またはナノワイヤーであり、ならびに／または
    前記方法は、異なる時間におよび／または異なる標的分子濃度に対して取得される、複数の組み合わされた信号から、以下のパラメータ、
    ― 前記標的分子と前記プローブ分子（１０）との間の結合速度、
    ― 前記標的分子と前記プローブ分子（１０）との間の解離速度、
    ― 親和性定数、
    ― 解離定数、のうちの１つ以上を判定する工程をさらに含んでなる、請求項１４ないし２０のいずれか一項に記載の方法。
22. プローブ分子捕獲部（１４）に結合する前記標的分子の順方向速度（ｋ_ｏｎ）、および／または前記プローブ分子捕獲部（１４）を離れる前記標的分子の逆方向速度（ｋ_ｏｆｆ）は、前記プローブ分子（１０）が前記標的分子に曝露された後、または前記プローブ分子（１０）の標的分子への前記曝露が終結した後それぞれに、前記組み合わされた信号の時間導関数の最大値が、やがてどのように時間変動するかを観察することによって判定される、請求項１５〜２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 静的外部電場上の前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分の前記距離を示している、前記信号の依存度の測定および分析に基づき、前記標的分子の電荷を判定する工程をさらに含んでなる、請求項１４〜２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記モデルは、前記プローブ分子（１０）が、時間依存外部電場において時間ｔに
    

    

    を獲得する確率を定義する、
    

    

    を生じ、標的分子のサイズおよび／またはストークス半径は、
    

    

    に関する前記確率のドリフトおよび／または拡散によって、前記モデルにおいて説明される、請求項１５に記載の方法。
25. 拡散係数またはドリフト係数は、前記組み合わされた時間分解信号を、前記ドリフトおよび／または拡散係数を含有する、フォッカープランク方程式の
    

    

    に対する解に適合することによって判定され、前記標的分子の前記サイズおよび／またはストークス半径は、前記ドリフトおよび／または拡散係数から導出される、請求項２４に記載の方法。
26. 前記
    

    

    は、前記基質（１６）に対する前記プローブ分子（１０）の角度αによってパラメータ化され、前記拡散係数は、回転拡散係数である、請求項２５に記載の方法。
27. 以下の判定、すなわち、
    ― 試料の中のある標的分子の存在、
    ― 試料の中の標的分子の濃度、
    ― 所与の標的分子によって占有される、プローブ分子（１０）の画分、または
    ・同じプローブ分子捕獲部（１４）に結合することができる、異なる標的分子、もしくは
    ・異なる構成の中の同じ標的分子、
    ― の化学量論比、のうちの１つ以上を判定する方法であって、以下の、
    （Ａ）前記試料をバイオチップに曝露する工程であって、前記バイオチップは、プローブ分子（１０）が、その第１の部分を伴い付着する基質（１６）を含んでなり、前記プローブ分子（１０）は電荷を持ち、前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の第２の部分の距離を示している、信号を生成することを可能にするためのマーカー（１２）を有し、前記プローブ分子（１０）は、前記標的分子、または前記標的分子のグループのうちの前記標的分子の各々を結合することができる、捕獲部（１４）を含んでなる、工程と、
    （Ｂ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）に接近させる、外部電場を印加する工程と、
    （Ｃ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）から離れさせる、外部電場を印加する工程であって、
    工程（Ａ）および／または工程（Ｂ）の間、前記基質（１６）から前記第２の部分の距離を示している前記信号は、時間の関数として記録される、工程と、
    （Ｄ）所定の回数の間、工程（Ａ）および（Ｂ）を繰り返し、かつ前記基質（１６）に接近する、および／または前記基質（１６）から離れる、前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分のプロセスを示している、平均化された時間分解信号を生成するように、前記記録された信号を組み合わせる、工程と、
    （Ｅ）以下の、工程のうち一つ、
    ―前記組み合わされた信号を、前記標的に対する所定の信号と比較することによって、ある標的分子の前記存在を特定する工程、
    ―前記標的なしのプローブ分子（１０）、または前記組み合わされた信号に適合する、それに結合されたそれぞれの標的分子を伴う前記プローブ分子（１０）に対応する、所定の信号の重ね合わせの係数を判定する工程、を実行する工程と、を含んでなる、方法。

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