JPH10182693A - Control of orientation of molecules - Google Patents

Control of orientation of molecules

Info

Publication number
JPH10182693A
JPH10182693A JP30263397A JP30263397A JPH10182693A JP H10182693 A JPH10182693 A JP H10182693A JP 30263397 A JP30263397 A JP 30263397A JP 30263397 A JP30263397 A JP 30263397A JP H10182693 A JPH10182693 A JP H10182693A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
functional
molecule
substrate
group
protein
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.)
Pending
Application number
JP30263397A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Harada
義則 原田
Kenji Yasuda
賢二 安田
Yuji Sasaki
裕次 佐々木
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.)
SEIBUTSU BUNSHI KOGAKU KENKYUS
SEIBUTSU BUNSHI KOGAKU KENKYUSHO KK
Hitachi Ltd
Original Assignee
SEIBUTSU BUNSHI KOGAKU KENKYUS
SEIBUTSU BUNSHI KOGAKU KENKYUSHO KK
Hitachi Ltd
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 SEIBUTSU BUNSHI KOGAKU KENKYUS, SEIBUTSU BUNSHI KOGAKU KENKYUSHO KK, Hitachi Ltd filed Critical SEIBUTSU BUNSHI KOGAKU KENKYUS
Priority to JP30263397A priority Critical patent/JPH10182693A/en
Publication of JPH10182693A publication Critical patent/JPH10182693A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Peptides Or Proteins (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control orientation of functional molecules of a protein, etc., useful as a probe, etc., for chemical sensors and scanning microscopes by selectively reacting a specific functional group on functional molecular surface with a functional group previously produced on a substrate. SOLUTION: When functional molecules comprising protein molecules such as film protein molecules or antibody molecules are bonded in a state oriented to a substrate, a functional group previously produced on the substrate is selectively reacted with a specific functional group such as an N-ended amino group, a C-ended carboxyl group or a specific thiol group on the functional molecule surface by using a proper crosslinking and condensing agent to provide the objective functional film suitable for making a chemical sensor highly functinal, a filter, a separated and purified carrier, a probe for scanning probe microscope, biochemical element and controlled in orientation of the functional molecule to the substrate. Furthermore, a same kind or different kind of functional molecule is selectively bonded through a specific functional group to the functional molecule fixed on a substrate by the resultant controlled orientation to build a multifilm layer structure.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は化学センサー、フィ
ルター、分離精製坦体、走査型プローブ顕微鏡のプロー
ブ、生物化学素子等に用いられる、基板およびそれに付
着した機能性分子からなる機能性材料の多機能化または
高機能化に関するものである。具体的には、本発明は基
板上に付着させる機能性分子の配向度を高め、機能性材
料の定量性および選択性を高める簡便な方法を提供する
ものである。また本発明方法により、基板上に複数種の
機能性分子の多層化が容易に実現できるため、機能性材
料表面におけるエネルギー・情報変換および情報増幅が
効率的に行え、従って機能性材料の高感度化も可能とな
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multifunctional material comprising a substrate and functional molecules attached thereto, which is used for a chemical sensor, a filter, a separation / purification carrier, a probe of a scanning probe microscope, a biochemical element and the like. It relates to functionalization or high functionality. Specifically, the present invention provides a simple method for increasing the degree of orientation of functional molecules to be attached onto a substrate, and improving the quantitativeness and selectivity of a functional material. Further, according to the method of the present invention, it is possible to easily realize multilayering of a plurality of types of functional molecules on a substrate, so that energy / information conversion and information amplification on the surface of the functional material can be efficiently performed, and therefore, high sensitivity of the functional material can be achieved. It becomes possible.

【0002】[0002]

【従来の技術】バイオテクノロジー分野、医療分野、或
いは臨床検査分野においては、生体分子或いはその誘導
体の検出、定量、定性分析において、例えば抗原抗体反
応、或いは酵素による基質の選択的分解等の分子間の特
異的相互作用を利用する場合が多い。しかし、従来の技
術では、検出される側の分子、ないしは検出する側の分
子を基板上にランダムに付着させるか、或いは溶液状態
のままで反応に付していた。一方、技術の進歩に伴い生
きた細胞表面に局在している受容体分子の分布、或いは
活性状態等を計測することが原理的に可能になって来
た。実際、遺伝子組み換え技術により、蛋白質分子の表
面に露出している特定の残基を反応性の高いシステイン
に置換することで蛍光を発する標識残基等の導入が可能
となっており、これを蛍光顕微鏡で観察することにより
生きた細胞表面に局在している受容体分子の分布、或い
は活性状態等の計測が為されている。受容体分子の分
布、或いは活性状態等の計測を実現するための他の手段
として分子間の特異的相互作用を応用し、センサー、走
査型プローブ顕微鏡のプローブ基板の高機能化を図るこ
とで対応しようとする動きがある(E.-L. フローリン
他、SCIENCE, Vol. 264, pp.415-417 (1994))。これま
でも蛋白質分子内で架橋反応を起こしたり、蛋白質分子
同士、或いは蛋白質と核酸、ないしは他の高分子化合物
とを架橋して蛋白質コンジュゲートを作ることが行われ
て来た(Protein Tailoring for Food and Medical Use
s, ed. by R. E. Feeney et al. Marcel Dekker, Inc.,
New York (1986))が、これらは分子内の残基の相対的
位置関係、或いは分子間の相対的トポロジー関係を解析
したり、更には蛋白質の安定化、新機能の付加等を目指
したものであり分子の配向制御を目的としたものでは無
かった。
2. Description of the Related Art In the field of biotechnology, medical science, or clinical examination, in the detection, quantification, and qualitative analysis of biomolecules or derivatives thereof, intermolecular interactions such as antigen-antibody reactions or selective decomposition of substrates by enzymes are used. In many cases, the specific interaction of is used. However, in the prior art, molecules to be detected or molecules to be detected are randomly attached to a substrate or subjected to a reaction in a solution state. On the other hand, with the advance of technology, it has become possible in principle to measure the distribution of receptor molecules localized on the surface of living cells, or the state of activity, and the like. In fact, genetic recombination technology has made it possible to introduce labeled residues that emit fluorescence by replacing specific residues exposed on the surface of protein molecules with highly reactive cysteine. By observing with a microscope, the distribution of the receptor molecule localized on the surface of a living cell, or the state of activity or the like is measured. Applying specific interaction between molecules as another means to measure the distribution of receptor molecules or the active state, etc., by increasing the functionality of sensors and probe substrates of scanning probe microscopes There is a movement to try (E.-L. Florin et al., SCIENCE, Vol. 264, pp. 415-417 (1994)). Until now, protein conjugates have been produced by causing a cross-linking reaction within protein molecules or by cross-linking between protein molecules or between proteins and nucleic acids or other high molecular compounds (Protein Tailoring for Food). and Medical Use
s, ed. by RE Feeney et al. Marcel Dekker, Inc.,
New York (1986)), which analyzes the relative positions of residues in molecules or the relative topological relationships between molecules, and aims at stabilizing proteins and adding new functions. And was not aimed at controlling the orientation of molecules.

【0003】[0003]

【解決しようとする課題】遺伝子組み換え技術により、
蛋白質分子の表面に露出している特定の残基をシステイ
ンに置換するなどして新たに生じたチオール基を用いて
標識のための特殊残基等の導入が可能となって来た。し
かし、そのための遺伝子構築から遺伝子組み換えによる
大量生産、さらには精製などの数多くの工程を経なけれ
ばならない。これらの技術は原理的には極めて強力な手
段ではあるがそれぞれ固有の困難さを有しており、多く
の場合実現が必ずしも容易ではない。
[Problem to be solved]
It has become possible to introduce a special residue or the like for labeling using a newly generated thiol group by substituting a specific residue exposed on the surface of a protein molecule with cysteine. However, many steps such as gene construction, mass production by genetic recombination, and purification are required. Although these techniques are extremely powerful in principle, they each have inherent difficulties, and are often not always easy to implement.

【0004】一方、センサー、或いはプローブ表面の選
択性と検出値の定量性の向上に関し、従来の方法(E.-
L. フローリン他、SCIENCE, Vol. 264, pp.415-417 (19
94))ではプローブ表面に検出側分子を非特異的に付着
させているに過ぎず、分子の配向はランダムであった。
そのため被検出分子の分布、相互作用の強さ等に関し定
量性が乏しかった。
On the other hand, in order to improve the selectivity of the sensor or probe surface and the quantitativeness of the detected value, a conventional method (E.
L. Florin et al., SCIENCE, Vol. 264, pp. 415-417 (19
In 94)), only the detection-side molecule was non-specifically attached to the probe surface, and the orientation of the molecule was random.
Therefore, the quantification was poor with respect to the distribution of the molecules to be detected, the strength of the interaction, and the like.

【0005】これらの課題に対し、本発明はまず、特定
の機能性分子に特殊残基を導入する簡便な方法を提供
し、この方法を利用して、機能性分子の基板に対する配
向を制御する方法を提供するものである。以下、機能性
分子として蛋白質を例にとって本発明を詳細に説明す
る。
To solve these problems, the present invention first provides a simple method for introducing a special residue into a specific functional molecule, and controls the orientation of the functional molecule with respect to the substrate by using this method. It provides a method. Hereinafter, the present invention will be described in detail using a protein as an example of a functional molecule.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】蛋白質分子に唯一のアミ
ノ基を分子の表面に露出させようとする場合、先ず蛋白
質分子の表面の全アミノ基をアセチル化等の反応で保護
し、さらに全カルボキシル基はカルバミル化等の反応で
保護する。ついでこの修飾蛋白質にアシルアミノ酸遊離
酵素を作用させると酵素の働きによりN末端アシル化ア
ミノ酸のみが除去され修飾蛋白質中の唯一の遊離アミノ
基のとして新たなN末端が露出する。
In order to expose the only amino group on the protein molecule to the surface of the molecule, first, all amino groups on the surface of the protein molecule are protected by a reaction such as acetylation, and then all carboxyl groups are protected. The groups are protected by reactions such as carbamylation. Then, when an acyl amino acid releasing enzyme is allowed to act on the modified protein, only the N-terminal acylated amino acid is removed by the action of the enzyme, and a new N-terminal is exposed as the only free amino group in the modified protein.

【0007】一方、蛋白質分子に唯一のカルボキシル基
を分子の表面に露出させようとする場合も類似の手法が
適用できる。即ち、上記工程と同様にして前もって蛋白
質分子表面の全アミノ基と全カルボキシル基を保護す
る。ついでエキソペプチダーゼであるカルボキシペプチ
ダーゼYを作用させる。一般にカルボキシペプチダーゼ
はC末端のLアミノ酸を順次遊離させるが、特にカルボキ
シペプチダーゼYは他のカルボキシペプチダーゼと異な
り遊離のα-カルボキシル基を必要とせず、修飾された
カルボキシル基を有するアミノ酸をも基質とすることが
できる(生化学実験講座1、タンパク質の化学II、p.20
5(1984)東京化学同人)。その結果、修飾蛋白質のC末
端側よりいくつかのアミノ酸が連続的に遊離し、修飾蛋
白質中の唯一の遊離カルボキシル基としてC末端が露出
する。カルボキシペプチダーゼYには基質特異性((生
化学実験講座1、タンパク質の化学II、p.205(1984)
東京化学同人))があると共に立体障害による反応進行
の制約を受けるので、機能性分子としての蛋白質のポリ
ペプチド鎖が膜に埋め込まれた状態の膜蛋白質である場
合、反応はC末端からペプチド鎖が膜に潜り込む残基ま
でで反応は停止するし、又、該蛋白質がS-S結合を有す
る場合にはS-S結合の直前で反応は停止するので、無制
限に該蛋白質を消化することはない。
[0007] On the other hand, a similar technique can be applied to a case where only a carboxyl group is exposed on the surface of a protein molecule. That is, all amino groups and all carboxyl groups on the surface of the protein molecule are protected in advance in the same manner as in the above step. Then, carboxypeptidase Y, which is an exopeptidase, is allowed to act. In general, carboxypeptidase releases C-terminal L amino acids sequentially, but in particular, carboxypeptidase Y does not require a free α-carboxyl group unlike other carboxypeptidases, and also uses an amino acid having a modified carboxyl group as a substrate (Biochemistry Experiment Course 1, Protein Chemistry II, p.20
5 (1984) Tokyo Kagaku Doujin). As a result, some amino acids are continuously released from the C-terminal side of the modified protein, and the C-terminal is exposed as the only free carboxyl group in the modified protein. Carboxypeptidase Y has substrate specificity ((Biochemistry Laboratory Course 1, Protein Chemistry II, p.205 (1984)
(Tokyo Kagaku Dojin)) and the reaction progress is restricted by steric hindrance. Therefore, when a protein polypeptide chain as a functional molecule is a membrane protein embedded in a membrane, the reaction starts from the C-terminal to the peptide chain. When the protein has an SS bond, the reaction is stopped immediately before the SS bond, so that the protein is not digested indefinitely because the reaction stops immediately before the SS bond.

【0008】カルボキシペプチダーゼYのS-S等の立体障
害による反応の停止はまた新たな特殊残基の創製を可能
とする。即ち、カルボキシペプチダーゼYによりS-S結合
の直前までの残基を除去した蛋白質を穏和な条件で還元
することにより1対のチオール基を生成できる。
The termination of the reaction of carboxypeptidase Y due to steric hindrance such as SS also enables the creation of new special residues. That is, a pair of thiol groups can be generated by reducing, under mild conditions, a protein from which residues immediately before SS binding have been removed by carboxypeptidase Y.

【0009】以上の様な工程により全蛋白質分子表面上
に唯一のアミノ基、カルボキシル基、またはチオール基
を生成できるので、予め活性基を導入しておいた基板上
の活性基との間で適当な架橋縮合剤(日本生化学会編、
新生化学実験講座1、蛋白質IV、構造機能相関、211-21
4ページ、東京化学同人(1991))を用いて連結するこ
とにより基板上に配向の揃った分子を整列させることが
出来る。また、上記の工程を組合せて唯一のアミノ基と
カルボキシル基、或いはチオール基を持つような蛋白質
同士を組合せることで分子内の非特異的架橋を形成させ
ることなく基板上に同種または異種蛋白質の多重層膜を
構築できる。
[0009] Since only amino groups, carboxyl groups, or thiol groups can be generated on the surface of all protein molecules by the above-described steps, the amino groups, carboxyl groups, or thiol groups can be appropriately formed between the active groups on the substrate to which the active groups have been previously introduced. Cross-linking condensing agent (edited by the Biochemical Society of Japan,
New Chemistry Experiment Course 1, Protein IV, Structure-function relationship, 211-21
By linking using 4 pages, Tokyo Chemical Dojin (1991)), aligned molecules can be aligned on the substrate. In addition, by combining the above processes with proteins having only one amino group and carboxyl group or thiol group, the same or different proteins can be formed on the substrate without forming non-specific crosslinks in the molecule. A multilayer film can be constructed.

【0010】蛋白質分子表面のアミノ基及び、カルボキ
シル基、或いはチオール基の保護基に関しては基板-蛋
白質、或いは蛋白質-蛋白質複合体を形成した後、脱保
護し、天然型のアミノ基、カルボキシル基、またはチオ
ール基に戻すことも可能である。即ち、アミノ基の保護
に関してはマレイル化、トリフルオロアセチル化、ニト
ロトロポニル化、アセトアセチル化等による可逆的修飾
が可能であり(生化学実験講座1、タンパク質の化学I
V、pp.10-34(1977)東京化学同人)、カルボキシル基
に関してはメタノール-塩酸を用いたメチルエステル化
による可逆的修飾が可能であり(生化学実験講座1、タ
ンパク質の化学IV、p.46(1977)東京化学同人)、ま
た、チオール基に関してはテトラチオン酸塩による可逆
的修飾が可能である(新生化学実験講座1、タンパク質
IV、pp.110-111(1991)東京化学同人)。また修飾蛋白
質のC末端側に遊離カルボキシル基を露出させるために
用いたカルボキシペプチダーゼYはペプチド結合の他、
アミノ酸エステル、アミド、アニリド等をも加水分解で
きるので、カルボキシル基がこれらで保護された蛋白質
に関しては、カルボキシペプチダーゼYを作用させるこ
とで脱保護が可能である。
The protecting groups for amino, carboxyl, or thiol groups on the surface of the protein molecule are deprotected after forming a substrate-protein or protein-protein complex, and naturally-occurring amino, carboxyl, Alternatively, it is also possible to return to a thiol group. That is, the protection of the amino group can be reversibly modified by maleylation, trifluoroacetylation, nitrotroponylation, acetoacetylation, or the like (Biochemical Experiment Course 1, Protein Chemistry I).
V, pp. 10-34 (1977), Tokyo Kagaku Dojin), and the carboxyl group can be reversibly modified by methyl esterification using methanol-hydrochloric acid (Biochemical Experiment Course 1, Protein Chemistry IV, p. 46 (1977), Tokyo Chemical Dojin), and the thiol group can be reversibly modified with tetrathionate (New Chemistry Laboratory Course 1, Protein
IV, pp. 110-111 (1991) Tokyo Chemical Doujin). In addition, carboxypeptidase Y used to expose a free carboxyl group on the C-terminal side of the modified protein is a peptide bond,
Since amino acids esters, amides, anilides and the like can be hydrolyzed, proteins having a carboxyl group protected by these can be deprotected by the action of carboxypeptidase Y.

【0011】アシルアミノ酸遊離酵素に代えて他の各種
ペプチド鎖切断酵素、例えばトリペプチドアミノペプチ
ダーゼ等のα-アミノアシルペプチド加水分解酵素の
他、ジペプチド加水分解酵素、ジペプチジルペプチド加
水分解酵素、ペプチジルジペプチド加水分解酵素等(酵
素ハンドブック、朝倉書店、pp.531-540, pp.811-812
(1982))を用いることも出来る。
In place of the acylamino acid releasing enzyme, other various peptide chain-cleaving enzymes, for example, α-aminoacylpeptide hydrolases such as tripeptide aminopeptidase, dipeptide hydrolase, dipeptidyl peptide hydrolase, peptidyl dipeptide hydrolase Degrading enzymes, etc. (Enzyme Handbook, Asakura Shoten, pp.531-540, pp.811-812
(1982)).

【0012】一方、カルボキシペプチダーゼYに代え
て、他の各種ペプチド鎖切断酵素等、例えばセリンカル
ボキシペプチダーゼ、金属カルボキシペプチダーゼ、シ
ステインカルボキシペプチダーゼ等(酵素ハンドブッ
ク、朝倉書店、pp.541-570, pp.812-813(1982))を用
いることもできる。
On the other hand, in place of carboxypeptidase Y, other various peptide chain-cleaving enzymes such as serine carboxypeptidase, metal carboxypeptidase, cysteine carboxypeptidase and the like (enzyme handbook, Asakura Shoten, pp. 541-570, pp. 812) -813 (1982)).

【0013】さらに機能性蛋白質によってはパパイン、
トリプシン等のセリンプロテイナーゼによる切断により
小ペプチドを遊離し、蛋白質表面上に限定された数のア
ミノ基、及びカルボキシル基を露出させることも可能で
ある。
Further, depending on the functional protein, papain,
It is also possible to release a small peptide by cleavage with a serine proteinase such as trypsin, thereby exposing a limited number of amino groups and carboxyl groups on the protein surface.

【0014】以上述べた方法により得られた、唯一の特
殊残基を持った機能性分子を、基板上の反応性残基と結
合させることにより、基板に対する配向を制御された分
子層を構築することができる。基板上の反応性残基は、
連結に用いるリンカーの種類により各種官能基が適用可
能である。特に水溶性カルボジイミドの様なゼロ鎖長リ
ンカーを用いる場合には、機能性分子の特殊残基がアミ
ノ基である場合はカルボキシル基であり、特殊残基がカ
ルボキシル基である場合はアミノ基が好ましい。特殊残
基がチオール基である場合は例えばスクシンイミジル4
−マレイミドブチレートなどの各種二価性架橋試薬(新
生化学実験講座1、蛋白質IV、東京化学同人、pp.211-2
14(1991))を用いて、基板上のアミノ基、或いはチオ
ール基等に連結することができる。
A functional layer having only one specific residue obtained by the above-described method is bonded to a reactive residue on a substrate, thereby constructing a molecular layer whose orientation with respect to the substrate is controlled. be able to. Reactive residues on the substrate
Various functional groups can be applied depending on the type of the linker used for linking. Particularly when a zero-chain-length linker such as a water-soluble carbodiimide is used, a carboxyl group is used when the special residue of the functional molecule is an amino group, and an amino group is preferable when the special residue is a carboxyl group. . When the special residue is a thiol group, for example, succinimidyl 4
-Various bivalent cross-linking reagents such as maleimidobutyrate (Shinsei Kagaku Experimental Course 1, Protein IV, Tokyo Chemical Dojin, pp.211-2
14 (1991)), it can be linked to an amino group or a thiol group on the substrate.

【0015】基板としては、雲母、金等の無機材料基
板、Langmuir-Blodgett膜(以下、LB膜という)基
板、天然細胞膜中で安定な2次元結晶を形成している膜
蛋白質(例えば高度好塩菌の細胞膜を形成する紫膜)等
が利用可能である。
As the substrate, an inorganic material substrate such as mica or gold, a Langmuir-Blodgett film (hereinafter, referred to as an LB film) substrate, a membrane protein forming a stable two-dimensional crystal in a natural cell membrane (for example, a highly halophilic substrate) Purple membranes that form bacterial cell membranes) can be used.

【0016】基板への反応性官能基の導入方法として
は、雲母の場合、新たに劈開して生じた面をLS-1420
(信越化学)等のシランカップリング剤で処理すること
により、基板表面にアミノ基を導入する方法がある。こ
のようにして生じたアミノ基にサクシンイミド基とマレ
イミド基を有するスクシンイミジル4−マレイドプチレ
ート等の二価性架橋試薬とチオール基とカルボキシル基
とを有するω−チオールウンデカン酸(HS-(CH2)10-COO
H)等を作用させ、最表面にカルボキシル基を露出させる
ことが出来る。又、二価性架橋試薬とジチオスレイトー
ルの様に2つ以上のチオール基を有する試薬を反応させ
ることで基板の最表面にチオール基を露出させることが
出来る。基板として金を用いる場合には、清浄な金がチ
オール基を吸着しやすい性質を利用して基板をシステア
ミン(HS-(CH2)2-NH2)の様にチオール基とアミノ基を有
する試薬等、或いはチオール基とカルボキシル基とを有
するω−チオールウンデカン酸(HS-(CH2)10-COOH)等の
試薬、又はジチオスレイトールの様に2つ以上のチオー
ル基を有する試薬に曝すことにより基板の最表面にそれ
ぞれアミノ基、カルボキシル基、或いはチオール基を露
出させることが出来る。基板としてLB膜を用いる場合
にはLB膜作製時に脂質として用いる20−メルカプト
エイコサン−1−オール(HS-(CH2)20-OH)に分子の両端
にチオール基とアミノ基、或いはカルボキシル基とを有
する長鎖化合物、例えばチオールエイコサン酸(HS-(C
H2)20-COOH)、ないしは2つ以上のチオール基を有する
長鎖化合物を少量添加することで、基板表面にアミノ
基、カルボキシル基、或いはチオール基を生成できる。
さらに基板として蛋白質を用いる場合には主鎖、或いは
側鎖のアミノ基およびカルボキシル基を、又側鎖のチオ
ール基を反応性官能基として用いることが出来る。
As a method for introducing a reactive functional group into a substrate, in the case of mica, a newly cleaved surface is formed by LS-1420.
There is a method of introducing an amino group to the substrate surface by treating with a silane coupling agent such as (Shin-Etsu Chemical). A divalent crosslinking reagent such as succinimidyl 4-maleidobutylate having a succinimide group and a maleimide group in the amino group thus formed and an ω-thiolundecanoic acid having a thiol group and a carboxyl group (HS- (CH 2 ) 10 -COO
H) and the like can act to expose the carboxyl groups on the outermost surface. The thiol group can be exposed on the outermost surface of the substrate by reacting a divalent crosslinking reagent with a reagent having two or more thiol groups such as dithiothreitol. When gold is used as a substrate, a substrate having a thiol group and an amino group, such as cysteamine (HS- (CH 2 ) 2 -NH 2 ), utilizing the property that clean gold easily adsorbs thiol groups. Or exposure to a reagent such as ω-thiolundecanoic acid having a thiol group and a carboxyl group (HS- (CH 2 ) 10 -COOH), or a reagent having two or more thiol groups such as dithiothreitol Thereby, an amino group, a carboxyl group, or a thiol group can be exposed on the outermost surface of the substrate. When an LB film is used as the substrate, a thiol group, an amino group, or a carboxyl group is added to both ends of the molecule of 20 -mercaptoeicosan-1-ol (HS- (CH 2 ) 20 -OH) used as a lipid when preparing the LB film. Long-chain compounds having, for example, thiol eicosanoic acid (HS- (C
By adding a small amount of H 2 ) 20 -COOH) or a long-chain compound having two or more thiol groups, an amino group, a carboxyl group, or a thiol group can be generated on the substrate surface.
When a protein is used as the substrate, an amino group and a carboxyl group in the main chain or side chain, and a thiol group in the side chain can be used as a reactive functional group.

【0017】以上、機能性分子として蛋白質を例にとっ
て本発明を説明したが、機能性分子は蛋白質に限定され
るものではなく、蛋白質を構成要素とする各種複合体の
他、蛋白質分解酵素の基質となりうる各種オリゴペプチ
ド、アミノ基、カルボキシル基、或いはチオール基のい
ずれか、ないしはそれらのうちいくつかを有する有機化
合物すべてに適用できる。
As described above, the present invention has been described by taking a protein as an example of a functional molecule. However, the functional molecule is not limited to a protein. The present invention can be applied to all kinds of oligopeptides, amino groups, carboxyl groups, or thiol groups, or to all organic compounds having some of them.

【0018】[0018]

【実施例】以下、本発明の一実施態様を図1を用いて説
明する。実施例1 抗ウマ腎臓フェリチン・ヤギ抗体(1)1mg(約70ナ
ノモル)を半飽和の酢酸ナトリウム溶液1mlに溶かし、
氷上で撹拌しながら無水酢酸を大過剰となるように1μl
ずつ10分おきに10回加え(計約100マイクロモル)、
分子内部の官能基は修飾すること無しに分子表面上の反
応しやすいアミノ基のみをアセチル化する。2時間反応
させた後、限外ろ過膜、或いはゲルろ過によりアセチル
化抗ウマ腎臓フェリチン・ヤギ抗体(2)を脱塩、精製
した。ついで凍結乾燥し、水分を除いた蛋白質を1mlの1
0mM酢酸ナトリウム溶液(pH4.8)に溶かし、これに200μl
の400mM水溶性縮合剤(N-エチル-N'-(3-ジメチルアミノ
プロピル)カルボジイミド塩酸塩)(以下EDCと略記)と2
00μlの100mMのN-ヒドロキシスクシンイミド)(以下NHS
と略記)を添加した後、さらに蛋白質のカルボキシル基
に対して大過剰となるアミノメタンスルホン酸14mg(約
125マイクロモル)を添加し、撹拌しながら室温で2
時間反応させ、カルボキシル基をカルバミル化した。生
成物はアセチル化反応後と同様に限外ろ過膜、或いはゲ
ルろ過により脱塩、精製し、ついで凍結乾燥して水分を
除いた。この様な蛋白質の非変性条件下で反応を行った
結果、分子表面上のアミノ基とカルボキシル基のみが保
護された抗ウマ腎臓フェリチン・ヤギ抗体(3)が得ら
れた。次いでこれの半量を500μlの50mMのリン酸緩衝液
(pH7.2)に溶解し、さらに0.05ユニットのアシルアミノ
酸遊離酵素(宝酒造(株))を添加し、37℃で2時間反
応させた。その結果、分子表面上ではN末端のみに遊離
のアミノ基を有する分子種(4)が生じた。一方、分子
種(3)の残りの半量を50mMのリン酸緩衝液(pH6.5)1ml
に溶解し、ポリペプチド鎖のC末端側よりアミノを一つ
ずつ遊離するエンドペプチダーゼであるカルボキシペプ
チダーゼY(オリエンタル酵母工業(株))2.5μgを添
加し、37℃で2時間反応させると分子種(5)が生じ
た。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. Example 1 1 mg (about 70 nmol) of anti-horse kidney ferritin goat antibody (1) was dissolved in 1 ml of half-saturated sodium acetate solution,
While stirring on ice, add 1 μl of acetic anhydride in large excess.
Add 10 times every 10 minutes (total about 100 micromol)
Functional groups inside the molecule acetylate only reactive amino groups on the surface of the molecule without modification. After reacting for 2 hours, the acetylated anti-horse kidney ferritin goat antibody (2) was desalted and purified by ultrafiltration membrane or gel filtration. Then freeze-dry and remove protein
Dissolve in 0 mM sodium acetate solution (pH 4.8), add 200 μl
Of 400 mM water-soluble condensing agent (N-ethyl-N '-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride) (hereinafter abbreviated as EDC) and 2
00 μl of 100 mM N-hydroxysuccinimide) (hereinafter NHS
), 14 mg (approximately 125 micromol) of aminomethanesulfonic acid, which is in a large excess with respect to the carboxyl group of the protein, is added.
The reaction was allowed to proceed for hours, and the carboxyl group was carbamylated. The product was desalted and purified by ultrafiltration membrane or gel filtration in the same manner as after the acetylation reaction, and then lyophilized to remove water. As a result of carrying out the reaction under the non-denaturing condition of such a protein, an anti- equine kidney ferritin goat antibody (3) in which only the amino group and the carboxyl group on the molecular surface were protected was obtained. Then, half of this was added to 500 μl of 50 mM phosphate buffer.
(pH 7.2), and 0.05 units of an acyl amino acid releasing enzyme (Takara Shuzo) was added thereto, followed by reaction at 37 ° C. for 2 hours. As a result, a molecular species (4) having a free amino group only at the N-terminus was generated on the molecular surface. On the other hand, the remaining half of the molecular species (3) was added to 1 ml of 50 mM phosphate buffer (pH 6.5).
And 2.5 µg of carboxypeptidase Y (Oriental Yeast Co., Ltd.), an endopeptidase that releases amino acids one by one from the C-terminal side of the polypeptide chain, and reacted at 37 ° C for 2 hours to obtain molecular species (5) occurred.

【0019】カルボキシペプチダーゼYは一般的にポリ
ペプチド鎖の中にグリシンの連続した配列があると消化
はそれ以上進行しない。又、S-S結合が存在する場合は
その直前で反応は強制的に終了する。より一般的にはカ
ルボキシペプチダーゼYの濃度と作用させる時間を制御
することで削るポリペプチドの長さを制御することがで
きる。このようにして生成された分子種(4)、(5)
は前工程と同様に精製の後、それぞれ100μgを50mMのリ
ン酸緩衝液(pH6.5)1mlに共に溶解し、上述の200μlの40
0mM EDCと200μlの100mM NHSで縮合させると分子種
(6)が生じた。本実施例では同種の分子(4)、
(5)をカップリングさせたが異種の蛋白質分子同士を
カップリングさせることも全く同様の工程を用いて実現
出来る。蛋白質分子表面のアミノ基及び、カルボキシル
基、或いはチオール基の保護基に関しては基板-蛋白
質、或いは蛋白質-蛋白質複合体を形成した後、脱保護
し、天然型のアミノ基、或いはカルボキシル基、或いは
チオール基に戻すことも可能である。即ち、アミノ基の
保護に関してはマレイル化、トリフルオロアセチル化、
ニトロトロポニル化、アセトアセチル化等による可逆的
修飾が可能であり(生化学実験講座1、タンパク質の化
学IV、pp.10-34(1977)東京化学同人)、カルボキシル
基に関してはメタノール-塩酸を用いたメチルエステル
化による可逆的修飾が可能であり(生化学実験講座1、
タンパク質の化学IV、p.46(1977)東京化学同人)、ま
た、チオール基に関してはテトラチオン酸塩による可逆
的修飾が可能である(新生化学実験講座1、タンパク質
IV、pp.110-111(1991)東京化学同人)。以上述べた工
程において反応の対象とされる物質は蛋白質に限定され
ることはない。また唯一のアミノ基を生成させる方法と
してはアシルアミノ酸遊離酵素による切断に限定される
ものではなく他の各種ペプチド鎖切断酵素等をもちいて
類似の効果を得ることも出来る。さらに対象分子中に唯
一のカルボキシル基を生成させる方法についてもカルボ
キシペプチダーゼに限定されるものではなく、他の各種
ペプチド鎖切断酵素等をもちいて類似の効果を得ること
も出来る。本実施例ではアミノ基の保護にアセチル化を
用いたがその他、ホルミル化、スクシニル化、マレイル
化等のアシル化の他、各種保護基による修飾も可能であ
る。カルボキシペプチダーゼYの作用は対象蛋白質の機
能を損なわなければ良いのであって例えば抗体分子の場
合、選択的抗原結合能を保持させるためにはFv領域にま
で消化が及ばなければよい。実際、大量の酵素でいかに
反応を長時間行っても抗体分子のヒンジ領域近傍にある
S-S結合直前で消化は停止する。そこで抗体分子を前も
って蛋白質切断酵素パパインで消化し、分子全体をFab
とFcとに分解しておき、Fabに対しカルボキシペプチダ
ーゼ処理を行い、さらに還元によりチオール基を遊離さ
せることも出来るのでこれを連結反応に用いることも出
来る。
Carboxypeptidase Y generally does not proceed further if there is a continuous sequence of glycine in the polypeptide chain. When an SS bond exists, the reaction is forcibly terminated immediately before the SS bond exists. More generally, by controlling the concentration of carboxypeptidase Y and the duration of the action, the length of the polypeptide to be removed can be controlled. Molecular species (4), (5) thus produced
After purification in the same manner as in the previous step, 100 μg of each was dissolved together in 1 ml of 50 mM phosphate buffer (pH 6.5), and the above 200 μl of 40 μl was dissolved.
Condensation with 0 mM EDC and 200 μl of 100 mM NHS gave molecular species (6). In this example, the same kind of molecule (4),
Although (5) is coupled, coupling of different types of protein molecules can be realized using exactly the same steps. The amino-, carboxyl-, or thiol-protecting groups on the surface of the protein molecule are deprotected after forming a substrate-protein or protein-protein complex, and are naturally-occurring amino, carboxyl, or thiol groups. It is also possible to return to the original. That is, regarding the protection of the amino group, maleylation, trifluoroacetylation,
Reversible modification by nitrotroponylation, acetoacetylation, etc. is possible (Biochemistry Experiment Course 1, Protein Chemistry IV, pp.10-34 (1977) Tokyo Chemical Dojin), and methanol-hydrochloric acid was used for the carboxyl group. Reversible modification by methyl esterification is possible (Biochemical Experiment Course 1,
Protein Chemistry IV, p.46 (1977), Tokyo Kagaku Dojin), and the thiol group can be reversibly modified with tetrathionate (New Chemistry Laboratory Course 1, Protein
IV, pp. 110-111 (1991) Tokyo Chemical Doujin). The substances to be reacted in the above-described steps are not limited to proteins. In addition, the method for generating only one amino group is not limited to cleavage by acylamino acid releasing enzyme, and similar effects can be obtained by using other various peptide chain cleavage enzymes. Further, the method for generating only one carboxyl group in the target molecule is not limited to carboxypeptidase, and similar effects can be obtained using other various peptide chain-cleaving enzymes. In this example, acetylation was used to protect the amino group, but in addition to the acylation such as formylation, succinylation, and maleylation, modification with various protecting groups is also possible. The action of carboxypeptidase Y may be such that the function of the target protein is not impaired. For example, in the case of an antibody molecule, digestion does not need to reach the Fv region in order to maintain selective antigen binding ability. In fact, no matter how long the reaction is performed with a large amount of enzyme, it is near the hinge region of the antibody molecule
Digestion stops shortly before SS binding. Therefore, the antibody molecule is digested in advance with the papain protease, and the whole molecule is Fab
And Fc, which is then treated with carboxypeptidase, and the thiol group can be released by reduction. This can be used for the ligation reaction.

【0020】本実施例では二量体の作製工程を述べたが
同様の工程を繰り返すことで異種蛋白質の多量体を構築
できる。また、分子と分子の間の架橋法に関してはアミ
ノ基、カルボキシル基の他に多価架橋試薬を用いること
でチオール基、イミダゾール基、グアノジノ基等の利用
も可能である。
In the present embodiment, the steps of preparing a dimer are described, but by repeating the same steps, a multimer of a heterologous protein can be constructed. Regarding the crosslinking method between molecules, a thiol group, an imidazole group, a guanidino group, or the like can be used by using a polyvalent crosslinking reagent in addition to an amino group and a carboxyl group.

【0021】本発明の他の実施態様を図2を用いて説明
する。実施例2 高度好塩菌Halobacterium salinariumの細胞膜を構成す
る248アミノ酸からなる膜蛋白質であるバクテリオロド
プシン(以下bRと略称、分子量26kD)は(7)に示す様に
脂質2重膜に埋め込まれた構造をとっている(N. Grigo
rieff et al.,J. Mol. Biol., Vol.259, pp.393-421 (1
996))。Halobacterium salinariumを培養して得たbR膜
画分を実施例1と同様に修飾してアミノ基はアセチル化
し、カルボキシル基はカルバミル化した分子種(9)を
得た。即ち、半飽和の酢酸ナトリウム溶液1mlに50nmol
のbR膜画分を懸濁し、氷上で撹拌しながら無水酢酸を1
μlずつ10分おきに10回加え、膜に埋め込まれている部
分のアミノ基は修飾することなしに分子表面上の反応し
やすいアミノ基のみをアセチル化する。2時間反応させ
た後、12,000Gで30分遠心分離することによりアセチル
化bR膜画分(8)を沈殿として回収の後、1mlの10mM酢酸
ナトリウム溶液(pH4.8)で沈殿を洗浄した。ついでこれ
を1mlの10mM酢酸ナトリウム溶液(pH4.8)に懸濁し、これ
に200μlの400mMのEDCと200mlの100mMのNHSを添加した
後、さらにアミノメタンスルホン酸を14mg添加し、撹拌
しながら室温で2時間反応させ、カルボキシル基をカル
バミル化し修飾bR(9)を40nmol得た。本生成物を二等
分し、同上の遠心分離操作で膜画分を回収の後、一方は
1mlの50mMのリン酸緩衝液(pH7.2)で洗浄し、次いで1ml
の50mMのリン酸緩衝液(pH7.2)に再懸濁した。もう一方
の沈殿は1mlの50mMのリン酸緩衝液(pH6.5)で洗浄した
後、1mlの50mMのリン酸緩衝液(pH6.5)に再懸濁した。前
者には次いで0.05ユニットのアシルアミノ酸遊離酵素
(宝酒造)を添加し、37℃で2時間反応させた。その結
果、N末端のみに分子外部から攻撃可能なアミノ基を有
する分子種(10)が生じた。一方、後者にはカルボキ
シペプチダーゼY(オリエンタル酵母)2.5μgを添加
し、37℃で2時間反応させ分子種(11)を生成した。
カルボキシペプチダーゼYによる反応においては脂質膜
に埋め込まれたポリペプチド鎖までは消化作用が及ばな
いため、生成するポリペプチド鎖の長さは天然のbRに比
べ約20アミノ酸分短くなった。次いでこのように調製し
た分子種(10)10nmolと(11)10nmolとを上述の遠
心操作による精製の後、1mlの純水に懸濁し、上記カル
バミル化反応時と同様に200μlの400mM EDCと200μlの1
00mMのNHSを添加し、撹拌しながら室温で2時間反応さ
せ、二量体bR(12)を得た。図6に縮合反応生成物の
電気泳動結果を示す。修飾bRの場合、約50%の割合で二
量体が生成した。一方非修飾bRの場合は、三量体が主成
分となった。また単量体同士の分子量を比較することに
より、修飾bRでは非修飾bRに比べ一定鎖長分、短くなっ
ていることが分かる。bRの場合、分子種(10)のN末
端は細胞膜表面より約10アミノ酸突出しているので結
合する相手のC末端が分子の奥まった所に存在する場合
でも縮合は可能であるが、より縮合の効率を上げるため
にEDCより長いリンカーである各種二価性架橋試薬(日
本生化学会編、新生化学実験講座1、蛋白質IV、構造機
能相関、pp.211-214、東京化学同人(1991))を使用す
ることも可能である。また、分子と分子の間の架橋法に
関してはアミノ基、カルボキシル基の他に多価架橋試薬
を用いることでチオール基、イミダゾール基、グアノジ
ノ基等の利用も可能である。
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Example 2 Bacteriorhodopsin (hereinafter abbreviated as bR, molecular weight 26 kD), which is a membrane protein consisting of 248 amino acids, constituting the cell membrane of the extremely halophilic bacterium Halobacterium salinarium is embedded in a lipid double membrane as shown in (7). (N. Grigo
rieff et al., J. Mol. Biol., Vol. 259, pp. 393-421 (1
996)). The bR membrane fraction obtained by culturing Halobacterium salinarium was modified in the same manner as in Example 1 to obtain a molecular species (9) in which the amino group was acetylated and the carboxyl group was carbamylated. That is, 50 nmol in 1 ml of half-saturated sodium acetate solution
The bR membrane fraction was suspended in acetic anhydride while stirring on ice.
Add 10 μl each 10 minutes, and acetylate only the reactive amino groups on the molecule surface without modifying the amino groups embedded in the membrane. After reacting for 2 hours, the acetylated bR membrane fraction (8) was collected as a precipitate by centrifugation at 12,000 G for 30 minutes, and the precipitate was washed with 1 ml of a 10 mM sodium acetate solution (pH 4.8). Then, this was suspended in 1 ml of 10 mM sodium acetate solution (pH 4.8), and 200 μl of 400 mM EDC and 200 ml of 100 mM NHS were added thereto, and further 14 mg of aminomethanesulfonic acid was added, and the mixture was stirred at room temperature. For 2 hours to carbamyl the carboxyl group to obtain 40 nmol of modified bR (9). After the product is bisected and the membrane fraction collected by centrifugation as above,
Wash with 1 ml of 50 mM phosphate buffer (pH 7.2), then 1 ml
In 50 mM phosphate buffer (pH 7.2). The other precipitate was washed with 1 ml of 50 mM phosphate buffer (pH 6.5) and then resuspended in 1 ml of 50 mM phosphate buffer (pH 6.5). Next, 0.05 units of acylamino acid releasing enzyme (Takara Shuzo) was added to the former, and reacted at 37 ° C. for 2 hours. As a result, a molecular species (10) having an amino group capable of attacking from the outside of the molecule only at the N-terminus was generated. On the other hand, 2.5 μg of carboxypeptidase Y (Oriental yeast) was added to the latter, and reacted at 37 ° C. for 2 hours to produce a molecular species (11).
In the reaction with carboxypeptidase Y, since the digestive action did not reach the polypeptide chain embedded in the lipid membrane, the length of the generated polypeptide chain was shortened by about 20 amino acids as compared with the natural bR. Then, 10 nmol of the molecular species (10) and 10 nmol of (11) prepared in this way were purified by the above-mentioned centrifugation operation, suspended in 1 ml of pure water, and 200 μl of 400 mM EDC and 200 μl were suspended in the same manner as in the carbamylation reaction. Of 1
To the mixture was added 00 mM NHS, and the mixture was reacted at room temperature for 2 hours with stirring to obtain a dimer bR (12). FIG. 6 shows the results of electrophoresis of the condensation reaction product. In the case of the modified bR, about 50% of the dimer was formed. On the other hand, in the case of unmodified bR, the trimer was the main component. Further, by comparing the molecular weights of the monomers, it can be seen that the modified bR is shorter than the unmodified bR by a certain length. In the case of bR, the N-terminus of molecular species (10) protrudes from the cell membrane surface by about 10 amino acids, so that condensation is possible even when the C-terminus of the binding partner is located deep in the molecule. In order to increase the efficiency, various bivalent cross-linking reagents that are longer linkers than EDC (edited by the Biochemical Society of Japan, Lectures on Experimental Chemistry 1, Protein IV, Structure-Function Relationship, pp.211-214, Tokyo Chemical Dojin (1991)) It is also possible to use. Regarding the crosslinking method between molecules, a thiol group, an imidazole group, a guanidino group, or the like can be used by using a polyvalent crosslinking reagent in addition to an amino group and a carboxyl group.

【0022】さらに他の実施態様を図1、図3を用いて
説明する。実施例3 表面にアミノ基を露出する有機材料、或いはアミノ基が
表面に露出するように修飾された無機材料(13)に、
特定の部位のみにカルボキシル基が遊離した蛋白質分子
(5)或いは蛋白質複合体をカップリングさせると、基
板上に蛋白質分子或いは蛋白質複合体を一定の配向をも
って整列させることが出来る(14)。即ち、実施例1
で述べたのと同様にカルボキシル基が遊離した抗ウマ腎
臓フェリチンやぎ抗体のFab断片(3)を調製した後、
これと劈開した雲母に水蒸気プラズマを照射し表面を活
性化した後、アミノプロピルトリエトキシシラン(H2N(C
H2)3Si(OC2H5)3)を蒸気で反応させ、雲母表面上にアミ
ノ基を露出させた基板にEDCを用いて連結した。雲母基
板上にアミノ基を露出させる方法については別法として
新たに劈開して生じた表面を他のシランカップリング剤
LS-1420(H2N(CH2)3Si(OCH3)3、信越化学)で室温で10
時間反応させた後、100℃で10分処理し、次いで水中で1
時間超音波を照射することでも得られる。こうして調製
した抗体修飾基板をウマ腎臓フェリチン溶液に浸しFab
に結合させた後、蛍光X線干渉法(Y. C.Sasaki et al.,
SCIENCE, Vol. 263, pp.62-64 (1994))により基板か
らフェリチン分子の中心、即ち鉄原子コアまでの距離を
測定した。図7にX線干渉の原理図(a)と観測パターン
(b)を示す。ここでθtはX線の取り出し角、θcは検出
されるX線の全反射臨界角である。基板と蛍光X線の発光
原子との距離Zと、直接光と反射光との光路差Δとの関
係は、Δ=2Z・sin(θt)なので検出スクリーン上で観
測される干渉縞より2光路差間の位相差、即ち基板と蛍
光X線の発光点の距離Zを決定できる。本実施例では標
識発光原子である鉄の励起法として1次X線励起法、即
ち銅対陰極に電子線を照射することで生ずる白色X線を
上記作製試料照射する方法を用いて干渉パターンを測定
した結果、基板から鉄原子までの距離は約13nmであるこ
とが判明した。この値はX線結晶構造解析(R. J. Polja
k etal., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 70(12), Pa
rt I, pp.3305-3310(1973))、電子線構造解析(G. Pre
cigoux et al., Acta Cryst. D50, pp.739-743(1994))
の結果より求められているFab分子、およびフェリチン
分子のサイズ、それぞれ8nm×5nm×4nmと10nm×10nm×1
0nmから予測されるFab分子のC末端からフェリチン分子
中心の鉄原子コアまでの距離13nm(=8nm+10nm/2)と良い
一致を示した。その結果、抗ウマ腎臓フェリチンやぎ抗
体のFab断片が、基板に対しほぼ垂直に整列しているこ
とが判明した。本方法は基板上に結合させる分子の表面
に露出させる官能基の種類と各種二価性架橋試薬(日本
生化学会編、新生化学実験講座1、蛋白質IV、構造機能
相関、pp.211-214、東京化学同人(1991))との組合せ
を変えることで基板の上に生成する官能基の種類をアミ
ノ基以外のチオール基、カルボキシル基とすることも可
能である。
Still another embodiment will be described with reference to FIGS. Example 3 An organic material that exposes an amino group on the surface or an inorganic material (13) modified so that the amino group is exposed on the surface,
By coupling a protein molecule (5) or a protein complex having a carboxyl group released only to a specific site, the protein molecule or protein complex can be aligned on the substrate with a certain orientation (14). That is, the first embodiment
After preparing the Fab fragment (3) of the anti-equine kidney ferritin goat antibody in which the carboxyl group was released in the same manner as described in
After irradiating this and the cleaved mica with water vapor plasma to activate the surface, aminopropyltriethoxysilane (H 2 N (C
H 2 ) 3 Si (OC 2 H 5 ) 3 ) was reacted with steam and connected to a substrate having an amino group exposed on the mica surface using EDC. The method of exposing the amino group on the mica substrate is an alternative method.
LS-1420 (H 2 N (CH 2 ) 3 Si (OCH 3 ) 3 , Shin-Etsu Chemical) at room temperature
After reacting for an hour, treat at 100 ° C for 10 minutes and then in water for 1 minute.
It can also be obtained by irradiating with time ultrasonic waves. The antibody-modified substrate thus prepared is immersed in a horse kidney ferritin solution and Fab
After binding to X-ray fluorescence X-ray interferometry (YCSasaki et al.,
The distance from the substrate to the center of the ferritin molecule, that is, the iron atom core, was measured by SCIENCE, Vol. 263, pp. 62-64 (1994). FIG. 7 shows a principle diagram (a) of X-ray interference and an observation pattern (b). Here, θt is an extraction angle of the X-ray, and θc is a critical angle of total reflection of the detected X-ray. The relationship between the distance Z between the substrate and the light-emitting atom of the fluorescent X-ray and the optical path difference Δ between the direct light and the reflected light is Δ = 2Z · sin (θt), so that two optical paths are obtained from the interference fringes observed on the detection screen. The phase difference between the differences, that is, the distance Z between the substrate and the emission point of the fluorescent X-ray can be determined. In the present embodiment, an interference pattern was obtained by using a primary X-ray excitation method, ie, a method of irradiating a white X-ray generated by irradiating an electron beam on a copper counter-cathode with the above-mentioned sample, as an excitation method of iron as a labeled luminescent atom. As a result of the measurement, it was found that the distance from the substrate to the iron atom was about 13 nm. This value is based on X-ray crystallography (RJ Polja
Natl. Acad. Sci. USA, 70 (12), Pa.
rt I, pp.3305-3310 (1973)), electron beam structure analysis (G. Pre
cigoux et al., Acta Cryst. D50, pp.739-743 (1994))
The size of the Fab molecule and ferritin molecule obtained from the results of 8 nm × 5 nm × 4 nm and 10 nm × 10 nm × 1 respectively
The distance from the C-terminus of the Fab molecule predicted from 0 nm to the iron atom core at the center of the ferritin molecule was 13 nm (= 8 nm + 10 nm / 2). As a result, it was found that the Fab fragments of the anti-equine kidney ferritin goat antibody were aligned almost perpendicularly to the substrate. This method is based on the type of functional group exposed on the surface of the molecule to be bound on the substrate and various divalent cross-linking reagents (edited by The Biochemical Society of Japan, Lecture 1 on New Chemistry, Protein IV, Structure-Function Relationship, pp.211-214, By changing the combination with that of Tokyo Chemical Dojin (1991), the type of functional group generated on the substrate can be a thiol group other than an amino group or a carboxyl group.

【0023】本発明の更なる実施態様を図1、図3、図
4を用いて説明する。実施例4 実施例3で示したように基板上に分子表面上の特定の部
位の官能基を手がかりとして整列させることは分子複合
体に対しても適用できる。即ち、図1に示した工程によ
り作製された複合体分子(6)に対し、図1(3)から
(5)を生成する際に用いたのと同様の反応により分子
複合体表面上に唯一のカルボキシル基を露出させ、分子
種(15)を得る。次いで図3に示したように基板表面
上の官能基と縮合させて分子種(16)を得る。実際に
は実施例3にて示した、抗ウマ腎臓フェリチンやぎ抗体
のFab断片で二量体を作製し、これと雲母基板上に蒸着
した金の表面に露出させたアミノ基とをEDCを用いて連
結した試料を実施例3にて用いたのと同様な蛍光X線干
渉法により解析したところ基板からフェリチン分子の中
心までの距離が1nm以下の範囲で一定であることが確認
できた。本実施例では二量体分子についての実施例を示
したが三量体以上の多量体に関しても同様の工程を繰り
返すことで多層分子による基板の表面修飾が可能であ
る。本方法は基板上に結合させる分子の表面に露出させ
る官能基の種類と各種二価性架橋試薬とのを組合せを変
えることで基板の上に生成する官能基の種類をアミノ基
以外のチオール基、カルボキシル基とすることも可能で
ある。
A further embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 3 and 4. Example 4 As shown in Example 3, alignment of a functional group at a specific site on a molecular surface on a substrate as a clue can be applied to a molecular complex. That is, the complex molecule (6) produced by the process shown in FIG. 1 is left on the surface of the molecular complex only by the same reaction as that used to generate FIGS. 1 (3) to (5). Is exposed to obtain a molecular species (15). Then, as shown in FIG. 3, the molecular species (16) is obtained by condensation with a functional group on the substrate surface. Actually, a dimer was prepared from the Fab fragment of the anti-horse kidney ferritin goat antibody shown in Example 3, and this was combined with the amino group exposed on the surface of the gold deposited on the mica substrate using EDC. When the sample thus connected was analyzed by X-ray fluorescence interferometry similar to that used in Example 3, it was confirmed that the distance from the substrate to the center of the ferritin molecule was constant within a range of 1 nm or less. In this embodiment, an example of a dimer molecule has been described. However, the same process can be repeated for a multimer of a trimer or more to modify the surface of a substrate with a multilayer molecule. This method changes the type of functional group exposed on the surface of the molecule to be bonded to the substrate and the various types of bivalent crosslinking reagents to change the type of functional group generated on the substrate to a thiol group other than an amino group. And a carboxyl group.

【0024】本発明の他の実施態様を図5を用いて説明
する。実施例5 基板上に機能性分子の多層膜を構成する工程には実施例
4で述べた様に多層化すべき機能性分子を多量体化した
後に基板に固定化する工程のほかに図5に示すように既
に基板上に固定化された機能性分子(14)の特定の部
位の官能基のみを活性化し(17)、これにやはり特定
の部位の官能基を活性化した異種の機能性分子(5)を
連結することで機能性分子の多層膜構造(16)を構築
できる。実際には実施例3にて示した、抗ウマ腎臓フェ
リチンやぎ抗体のFab断片と雲母基板上に蒸着した金の
表面に露出させたアミノ基とをEDCを用いて連結した後
(14)、基板に固定化された修飾Fab断片をアシルア
ミノ酸遊離酵素で処理してN末端にアミノ基を遊離させ
た後、別途調製したC末端のみにカルボキシル基を有す
修飾Fab断片(5)を連結して基板上に蛋白質による多
重膜を構築できる。尚、一層の蛋白質が吸着した基板は
LB法に依っても構築できる。こうして構築された蛋白質
多層膜上にフェリチン分子を吸着させ、実施例3、4で
述べた蛍光X線干渉法により基板からフェリチン分子の
中心までの距離が1nm以下の範囲で一定であることが確
認できた。第一層蛋白質としてGTP結合蛋白質、第二層
蛋白質として7回膜貫通型受容体蛋白質を組合せること
で基板上でリガンド結合情報の増幅が出来る高感度のセ
ンサーを構築できる。本実施例では蛋白質の二層構造構
築についての実施例を示したが同様の工程を多種類の材
料に対し繰り返すことで三層構造以上の多層体による基
板の表面修飾が可能である。また、分子と分子の間の架
橋法に関してはアミノ基、カルボキシル基の他に多価架
橋試薬を用いることでチオール基、イミダゾール基、グ
アノジノ基等の利用も可能である。
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Example 5 In the step of forming a multilayer film of functional molecules on a substrate, as shown in Example 4, in addition to the step of immobilizing the functional molecules to be multilayered on the substrate after multimerizing the functional molecules, FIG. As shown in the figure, only the functional group at the specific site of the functional molecule (14) already immobilized on the substrate is activated (17), and the functional molecule of the heterogeneous functional molecule also activated at the specific site. By linking (5), a multilayer film structure (16) of functional molecules can be constructed. Actually, the Fab fragment of the anti-equine kidney ferritin goat antibody shown in Example 3 was connected to the amino group exposed on the surface of the gold deposited on the mica substrate using EDC (14). After treating the modified Fab fragment immobilized in the above with an amino acid releasing enzyme to release an amino group at the N-terminus, a separately prepared modified Fab fragment (5) having a carboxyl group only at the C-terminus is ligated. Multiple layers of proteins can be constructed on a substrate. The substrate on which one layer of protein was adsorbed
It can also be constructed according to the LB method. Ferritin molecules were adsorbed on the protein multilayer film thus constructed, and the distance from the substrate to the center of the ferritin molecule was confirmed to be constant within 1 nm or less by the fluorescent X-ray interference method described in Examples 3 and 4. did it. By combining a GTP-binding protein as the first layer protein and a seven-transmembrane receptor protein as the second layer protein, a highly sensitive sensor capable of amplifying ligand binding information on a substrate can be constructed. In the present embodiment, an embodiment regarding the construction of a two-layer structure of a protein is shown. However, by repeating the same steps for various kinds of materials, it is possible to modify the surface of a substrate with a multilayer body having a three-layer structure or more. Regarding the crosslinking method between molecules, a thiol group, an imidazole group, a guanidino group, or the like can be used by using a polyvalent crosslinking reagent in addition to an amino group and a carboxyl group.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明によれば配向制御された機能性分
子、或いは機能性分子複合体を構築できると共にそれを
基板上に固定化することが出来るので化学センサー、フ
ィルター、分離精製坦体、走査型プローブ顕微鏡のプロ
ーブ、生物化学素子等の高機能化に好適な機能性膜を構
築できる。
According to the present invention, a functional molecule or a functional molecule complex whose orientation is controlled can be constructed and immobilized on a substrate, so that a chemical sensor, a filter, a separation and purification carrier, A functional film suitable for enhancing the functions of a probe of a scanning probe microscope, a biochemical element, or the like can be constructed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 水溶性機能性分子の表面上に生成した唯一の
アミノ基、或いはカルボキシル基を連結することで二量
体を構築する工程図。
FIG. 1 is a process diagram of constructing a dimer by linking only amino groups or carboxyl groups generated on the surface of a water-soluble functional molecule.

【図2】 膜内在性蛋白質の分子表面上に唯一のアミノ
基を有す分子と表面上に唯一のカルボキシル基を有す分
子同士の二量体構築を示す工程図。
FIG. 2 is a process diagram showing the construction of a dimer between a molecule having a unique amino group on the molecular surface of a protein having an integral membrane and a molecule having a unique carboxyl group on the surface.

【図3】 基板上の官能基をアンカーとして唯一のカル
ボキシル基を有す分子を配向させる工程図。
FIG. 3 is a process chart for orienting a molecule having only one carboxyl group using a functional group on a substrate as an anchor.

【図4】 基板上の官能基をアンカーとして唯一のカル
ボキシル基を有す複合体分子を配向させる工程図。
FIG. 4 is a process chart for orienting a complex molecule having only one carboxyl group using a functional group on a substrate as an anchor.

【図5】 基板上の官能基をアンカーとして分子の単層
膜を構築した後、多層膜を構築する工程図。
FIG. 5 is a process chart for constructing a multilayer film after constructing a monolayer film of a molecule using a functional group on a substrate as an anchor.

【図6】 膜内在性蛋白質の二量体化反応結果を示す電
気泳動像の模式図。
FIG. 6 is a schematic diagram of an electrophoresis image showing a result of a dimerization reaction of an integral membrane protein.

【図7】 蛍光X線干渉法の原理図と雲母基板上に整列
した蛋白質分子の解析例を示すグラフ。
FIG. 7 is a graph showing the principle of X-ray fluorescence interferometry and an analysis example of protein molecules arranged on a mica substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(1)分子表面上にアミノ基、カルボキシル基を露出す
る蛋白質分子の模式図。 (2)分子表面上に露出したアミノ基のみが修飾された
蛋白質分子の模式図。 (3)分子表面上に露出したアミノ基、及びカルボキシ
ル基が修飾された蛋白質分子の模式図。 (4)分子表面上で唯一のアミノ基としてN末端残基が
露出した蛋白質分子の模式図。 (5)分子表面上で唯一のカルボキシル基としてC末端
残基が露出した蛋白質分子の模式図。 (6)特異的部位で結合した蛋白質二量体の模式図。 (7)分子表面上にアミノ基、カルボキシル基を露出す
る膜内在性蛋白質分子の模式図。 (8)分子表面上に露出したアミノ基のみが修飾された
膜内在性蛋白質分子の模式図。 (9)分子表面上に露出したアミノ基、及びカルボキシ
ル基が修飾された膜内在性蛋白質分子の模式図。 (10)分子表面上で唯一のアミノ基としてN末端残基
が露出した膜内在性蛋白質分子の模式図。 (11)分子表面上で唯一のカルボキシル基としてC末
端残基が露出した膜内在性蛋白質分子の模式図。 (12)特異的部位で結合した膜内在性蛋白質二量体の
模式図。 (13)表面にアミノ基を露出した基板の模式図。 (14)基板上のアミノ基と蛋白質のC末端カルボキシ
ル基とが連結することで構築される蛋白質単層膜構造の
模式図。 (15)分子表面上で唯一のカルボキシル基としてC末
端残基が露出した蛋白質多量体分子の模式図。 (16)基板上のアミノ基と蛋白質多量体分子のC末端
カルボキシル基とが連結することで構築される蛋白質多
重積層膜構造の模式図。 (17)分子表面上で唯一のアミノ基としてN末端残基
が露出した蛋白質分子の単層膜構造の模式図。
(1) Schematic diagram of a protein molecule exposing an amino group and a carboxyl group on the molecular surface. (2) Schematic diagram of a protein molecule in which only the amino group exposed on the molecule surface is modified. (3) Schematic diagram of a protein molecule in which an amino group and a carboxyl group exposed on the molecular surface are modified. (4) Schematic diagram of a protein molecule in which the N-terminal residue is exposed as the only amino group on the molecular surface. (5) Schematic diagram of a protein molecule in which the C-terminal residue is exposed as the only carboxyl group on the molecular surface. (6) Schematic diagram of a protein dimer bound at a specific site. (7) Schematic diagram of an integral membrane protein molecule exposing an amino group and a carboxyl group on the molecular surface. (8) Schematic diagram of an integral membrane protein molecule in which only the amino group exposed on the molecular surface is modified. (9) Schematic diagram of an integral membrane protein molecule in which an amino group and a carboxyl group exposed on the molecular surface are modified. (10) Schematic diagram of an integral membrane protein molecule in which the N-terminal residue is exposed as the only amino group on the molecular surface. (11) Schematic diagram of an integral membrane protein molecule in which the C-terminal residue is exposed as the only carboxyl group on the molecular surface. (12) Schematic diagram of an integral membrane protein dimer bound at a specific site. (13) A schematic view of a substrate having an amino group exposed on the surface. (14) Schematic diagram of a protein monolayer structure constructed by linking an amino group on a substrate and a C-terminal carboxyl group of a protein. (15) Schematic diagram of a protein multimer molecule in which the C-terminal residue is exposed as the only carboxyl group on the molecular surface. (16) Schematic diagram of a protein multi-layer structure constructed by linking an amino group on a substrate with a C-terminal carboxyl group of a protein multimeric molecule. (17) Schematic diagram of the monolayer structure of a protein molecule in which the N-terminal residue is exposed as the only amino group on the molecular surface.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G01N 37/00 G01N 37/00 A // G01N 33/48 33/48 Z ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI G01N 37/00 G01N 37/00 A // G01N 33/48 33/48 Z

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 機能性分子を基板に配向して結合する工
程において基板上に予め生成しておいた官能基と機能性
分子表面上の特異的官能基とを選択的に反応させること
で機能性分子の基板に対する配向を制御する方法。
In the step of orienting and bonding a functional molecule to a substrate, the functional group is formed by selectively reacting a functional group previously generated on the substrate with a specific functional group on the surface of the functional molecule. A method for controlling the orientation of a hydrophilic molecule with respect to a substrate.
【請求項2】 機能性分子が蛋白質分子であり、該機能
性分子表面上の特異的官能基がN末端アミノ基、C末端カ
ルボキシル基、または特定のチオール基である請求項1
に記載の方法。
2. The functional molecule is a protein molecule, and the specific functional group on the surface of the functional molecule is an N-terminal amino group, a C-terminal carboxyl group, or a specific thiol group.
The method described in.
【請求項3】 蛋白質分子が膜蛋白質分子である請求項
2に記載の方法。
3. The method according to claim 2, wherein the protein molecule is a membrane protein molecule.
【請求項4】 蛋白質分子が抗体分子である請求項2に
記載の方法。
4. The method according to claim 2, wherein the protein molecule is an antibody molecule.
【請求項5】 請求項1の方法により得られた、制御さ
れた配向で基板上に固定化された機能性分子に対し、さ
らにそれが有する特異的官能基を介して同種または異種
の機能性分子を選択的に結合させることにより機能性分
子の多層膜構造を構築する方法。
5. A functional molecule immobilized on a substrate in a controlled orientation obtained by the method of claim 1 and a functional molecule of the same or different type via a specific functional group of the functional molecule. A method for constructing a multilayer structure of functional molecules by selectively binding molecules.
JP30263397A 1996-11-05 1997-11-05 Control of orientation of molecules Pending JPH10182693A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP30263397A JPH10182693A (en) 1996-11-05 1997-11-05 Control of orientation of molecules

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP29277296 1996-11-05
JP8-292772 1996-11-05
JP30263397A JPH10182693A (en) 1996-11-05 1997-11-05 Control of orientation of molecules

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10182693A true JPH10182693A (en) 1998-07-07

Family

ID=26559126

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP30263397A Pending JPH10182693A (en) 1996-11-05 1997-11-05 Control of orientation of molecules

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH10182693A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005507319A (en) * 2001-03-02 2005-03-17 ウィリアム・マーシュ・ライス・ユニバーシティ Voltage-assisted assembly of molecular devices
JP2005274141A (en) * 2004-03-22 2005-10-06 Sanyo Electric Co Ltd Membrane protein fixing substrate and membrane protein fixing method
JP2008266219A (en) * 2007-04-20 2008-11-06 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Protein not containing lysine and cysteine residues
JP2008275481A (en) * 2007-04-27 2008-11-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Device and method for analyzing biomolecule function structure
JP2014221047A (en) * 2006-10-10 2014-11-27 ロス アラモス ナショナル セキュリティー,エルエルシーLos Alamos National Security,Llc Advanced drug development and manufacturing

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005507319A (en) * 2001-03-02 2005-03-17 ウィリアム・マーシュ・ライス・ユニバーシティ Voltage-assisted assembly of molecular devices
JP2005274141A (en) * 2004-03-22 2005-10-06 Sanyo Electric Co Ltd Membrane protein fixing substrate and membrane protein fixing method
JP2014221047A (en) * 2006-10-10 2014-11-27 ロス アラモス ナショナル セキュリティー,エルエルシーLos Alamos National Security,Llc Advanced drug development and manufacturing
JP2008266219A (en) * 2007-04-20 2008-11-06 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Protein not containing lysine and cysteine residues
JP2008275481A (en) * 2007-04-27 2008-11-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Device and method for analyzing biomolecule function structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Min et al. Peptide arrays: towards routine implementation
Dawson et al. Modulation of reactivity in native chemical ligation through the use of thiol additives
Melnyk et al. Peptide arrays for highly sensitive and specific antibody-binding fluorescence assays
Falsey et al. Peptide and small molecule microarray for high throughput cell adhesion and functional assays
JP2005535872A (en) Microarray on mirror substrate for proteomic analysis
KR100927886B1 (en) Protein shock-oligonucleotide conjugates
JP2005535873A (en) Protein microarray on mirror-finished surface for performing proteomic analysis
Birkert et al. A streptavidin surface on planar glass substrates for the detection of biomolecular interaction
EP2205641B1 (en) Method for preparing antibody monolayers which have controlled orientation using peptide hybrid
Piervincenzi et al. Genetic engineering of a single-chain antibody fragment for surface immobilization in an optical biosensor
JP2003522961A (en) Segment synthesis
WO2009136676A1 (en) Method for specific covalent coupling of antibody using a photoactivable protein g variant
Palomo et al. 3, 4-dihydroxyphenylalanine peptides as nonperturbative quantum dot sensors of aminopeptidase
JP4006523B2 (en) Protein array and production method thereof
WO2005075996A1 (en) Baseboard for constructing surface plasmon resonane antibody array sensor and method of constructing the same
JP3740529B2 (en) Method for immobilizing protein with controlled orientation and method for aligning and immobilizing protein using the same
JPH10182693A (en) Control of orientation of molecules
US20010049111A1 (en) Methods, procedures, and formats for using microelectronic array devices to perform multiplex immunoassay analyses
US20120329986A1 (en) Heteropeptides useful for reducing nonspecific adsorption
US7700334B2 (en) Photoswitchable method for the ordered attachment of proteins to surfaces
WO2004087865A2 (en) The preparation and application of ligand-biopolymer conjugates
JP4258271B2 (en) Polyamino acid carrier
JP2009085831A (en) Capture member and biosensor element
AU2001287451A1 (en) Biosensor assay device and method
Woo et al. Interfacing

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060725

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20061205