KR100591626B1 - Methods and Materials For Optimization Of Electronic Hybridization Reactions - Google Patents

Methods and Materials For Optimization Of Electronic Hybridization Reactions Download PDF

Info

Publication number
KR100591626B1
KR100591626B1 KR1019997001868A KR19997001868A KR100591626B1 KR 100591626 B1 KR100591626 B1 KR 100591626B1 KR 1019997001868 A KR1019997001868 A KR 1019997001868A KR 19997001868 A KR19997001868 A KR 19997001868A KR 100591626 B1 KR100591626 B1 KR 100591626B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
buffer
nucleic acid
hybridization
dna
low conductivity
Prior art date
Application number
KR1019997001868A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20010029477A (en
Inventor
로날드 조지 소스노브스키
윌리암 프랭크 버틀러
유진 투
마이클 어빙 네렌버그
마이클 제임스 헬러
Original Assignee
나노겐 인코포레이티드
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 나노겐 인코포레이티드 filed Critical 나노겐 인코포레이티드
Publication of KR20010029477A publication Critical patent/KR20010029477A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100591626B1 publication Critical patent/KR100591626B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/6656Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET using multiple spacer layers, e.g. multiple sidewall spacers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6832Enhancement of hybridisation reaction

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

본 발명은 초소형 전자 칩과 장치에서 DNA 수송 속도, DNA 혼성화 반응의 효율, 및 전체 혼성화 특이성을 향상시키거나 최적화하는 다양한 매개변수, 전해질 (완충제), 및 다른 조건과 관련한 발견에 관한 것이다. 특히 본 발명은 전도도가 낮은 쯔비터이온 완충제, 특히 농도가 약 50 mM이고 pH가 pI 또는 pI 부근 (등전점의 pH=약 7.47)이 되도록 제조된 히스티딘 아미노산을 함유하는 완충제가 전기영동에 의한 DNA 수송을 신속하게 하는 동시에 혼성화 반응을 효율적으로 만드는 최적 조건을 제공한다는 발견에 관한 것이다. 두번째로 가장 잘 알려진 완충제인 시스테인에 비해 10배 이상의 혼성화 효율이 얻어진다. 시스테인과 비교하여 혼성화 효율이 약 50000배 증가하였음이 시험 데이타로 증명되었다.The present invention relates to findings relating to various parameters, electrolytes (buffers), and other conditions that enhance or optimize DNA transport rates, efficiency of DNA hybridization reactions, and overall hybridization specificity in microelectronic chips and devices. In particular, the present invention relates to a low-conductivity zwitterion buffer, in particular a buffer containing histidine amino acids prepared so that the concentration is about 50 mM and the pH is near pI or pI (pH of the isoelectric point = pH 7.47) by electrophoresis. It is about the discovery that it provides the optimum conditions for making the hybridization reaction efficient while speeding up the process. At least 10-fold hybridization efficiencies are obtained compared to the second best known buffer, cysteine. Test data demonstrated that the hybridization efficiency increased approximately 50000 times compared to cysteine.

히스티딘 완충제, 전기영동, DNA 수송, 혼성화Histidine buffer, electrophoresis, DNA transport, hybridization

Description

전자 혼성화 반응의 최적화 방법 및 재료{Methods and Materials For Optimization Of Electronic Hybridization Reactions}Methods and Materials For Optimization Of Electronic Hybridization Reactions

본 발명은 의료 진단 용도, 생물학적 용도 및 다른 용도에 적합한 전자 장치에 사용되는 완충제 및 전해질에 관한 것이다. 더 구체적으로는 본 발명은 의료 진단용 초소형 전자 장치에서 수행되는 DNA 혼성화 분석에 유익하게 사용되는 완충제 및 전해질에 관한 것이다.The present invention relates to buffers and electrolytes for use in electronic devices suitable for medical diagnostic, biological and other applications. More specifically, the present invention relates to buffers and electrolytes that are advantageously used for DNA hybridization assays performed in microelectronic devices for medical diagnostics.

최근에 초소형 전자 기술과 분자생물학 기술을 병용하는 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 시스템 중 하나는 인용을 통해 본 명세서에 포함되는, 1993년 11월 1일에 출원된 미국 특허 출원 제08/146,504호 (현재 미국 특허 제5,605,662호)의 "ACTIVE PROGRAMMABLE ELECTRONIC DEVICES FOR MOLECULAR BIOLOGICAL ANALYSIS AND DIAGNOSTICS"에 공개되어 있다. 상기 문헌에 공개된 시스템을 APEX 시스템이라 칭할 것이다. APEX 시스템은 핵산 혼성화, 항체/항원 반응, 임상 진단학, 및 생중합체 합성 등의 분자 생물학적 반응에 유익하게 사용되는 광범위한 기능을 수행할 수 있다.Recently, there has been a growing interest in devices that use both microelectronic and molecular biology technologies. One such system is "ACTIVE PROGRAMMABLE ELECTRONIC DEVICES FOR MOLECULAR BIOLOGICAL ANALYSIS AND" of US patent application Ser. No. 08 / 146,504 (currently US Pat. No. 5,605,662), filed November 1, 1993, which is incorporated herein by reference. "DIAGNOSTICS". The system disclosed in this document will be referred to as APEX system. The APEX system can perform a wide range of functions that are beneficial for molecular biological responses such as nucleic acid hybridization, antibody / antigen reactions, clinical diagnostics, and biopolymer synthesis.

APEX형 장치는 작동을 위해 완충제 및 전해질을 사용한다. 완충제는 산 또는 알칼리의 첨가시 pH 변화가 잘 일어나지 않는 화학적 용액으로 정의되어 있다. 예를 들어 [Dictionary of Biotechnology, 제2판, 제임스 쿰스 (James Coombs), Stockton Press사] 참조. 이 문헌에 기술되어 있는 바와 같이 "전통적으로 무기염 (인산염, 탄산염) 및 유기산염 (아세트산염, 시트르산염, 숙신산염, 글리신, 말레산염, 바르비투르산염 등) 기재의 완충제가 생물학적 실험에 사용되었다".APEX-type devices use buffers and electrolytes for operation. Buffers are defined as chemical solutions that do not change well with the addition of acids or alkalis. See, eg, Dictionary of Biotechnology, 2nd edition, James Coombs, Stockton Press. As described in this document, buffers based on " traditional mineral salts (phosphates, carbonates) and organic acid salts (acetates, citrates, succinates, glycine, maleates, barbiturates, etc.) have been used in biological experiments. ".

본 발명의 목적은 혼성화, 반응, 진단 또는 합성을 수행하는 분자생물학적 전자 장치에 유익하게 사용되는 완충제 및 전해질을 찾아내는 것이다.It is an object of the present invention to find buffers and electrolytes which are advantageously used in molecular biological electronic devices for carrying out hybridization, reaction, diagnosis or synthesis.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 본 발명자들의 APEX 초소형 전자 칩과 장치에서 DNA 수송 속도, DNA 혼성화 반응의 효율, 및 전체 혼성화 특이성을 향상시키거나 최적화하는 다양한 매개변수, 전해질 (완충제), 및 다른 조건과 관련한 본 발명자들의 발견에 관한 것이다. 특히 본 발명은 전도도가 낮은 쯔비터이온 완충제, 특히 농도가 10 내지 100 mM, 바람직하게는 약 50 mM이고 pH가 pI 또는 pI 부근 (등전점의 pH=약 7.47)이 되도록 제조된 히스티딘 아미노산을 함유하는 완충제가 DNA 수송을 신속하게 하는 동시에 혼성화 반응을 효율적으로 만드는 최적 조건을 제공한다는 발견에 관한 것이다. 본 발명에서의 혼성화 효율은 두번째로 가장 잘 알려진 시스테인 (Cystein) 완충제와 비교하여 10배 이상 더 높았다. 시스테인과 비교하여 혼성화 효율이 약 50000배 증가하였음이 시험 데이타로 증명된다.
본 발명에서 사용되는 완충제의 전도도는 바람직하게는 실질적으로 1 mS 미만, 더 바람직하게는 실질적으로 500 μS 미만, 더욱 바람직하게는 실질적으로 250 μS 미만, 더욱더 바람직하게는 실질적으로 100 μS 미만이며, 완충제의 본래의 pI는 실질적으로 7.4 이상인 것이 바람직하다.
The present invention relates to various parameters, electrolytes (buffers), and other conditions that enhance or optimize the DNA transport rate, efficiency of DNA hybridization reactions, and overall hybridization specificity in our APEX microelectronic chips and devices. It's about discovery. In particular, the present invention comprises a low conductivity zwitterion buffer, particularly histidine amino acids prepared such that the concentration is between 10 and 100 mM, preferably about 50 mM and the pH is near pi or pi (pH of the isoelectric point = about 7.47). The discovery is that buffers provide optimum conditions for rapid DNA transport and efficient hybridization reactions. Hybridization efficiency in the present invention was at least 10 times higher compared to the second best known Cysteine buffer. Test data demonstrate that the hybridization efficiency increased about 50000 times compared to cysteine.
The conductivity of the buffer used in the present invention is preferably substantially less than 1 mS, more preferably substantially less than 500 μS, more preferably substantially less than 250 μS, even more preferably substantially less than 100 μS, It is preferable that the original pI of is substantially 7.4 or more.

도 1은 히스티딘 완충제를 사용하는 체커보드 (checkerboard) 장치의 평면도이다.1 is a plan view of a checkerboard device using histidine buffer.

다양한 유형의 전해질/완충제에서 DNA 및 다른 대전된 분석물의 전기영동에 의한 수송에는 다양한 물리학적 매개 변수가 관련된다. 특정 장치, 예를 들어 상기에 인용한 미국 특허 제5,605,662호에 기술된 본 발명자의 APEX 장치는 기본적으로 장치의 표면에서 전기장을 발생시키는 DC (직류) 전기 장치이다. 다시 이 전기장에 의해 장치 표면 상에서 반대전하로 (+/-) 편향된 미시적 위치 사이에서 전기영동에 의한 대전된 분자의 수송이 이루어진다. 이와 대조적으로, 소위 제노센서 (Genosensor, 임피던스 센서, 예를 들어 홀리스 (Hollis) 등의 국제 특허 출원 공개 제WO93/22678호의 "Optical and Electrical Methods and Apparatus for Molecular Detection" 참조) 및 유전영동 (dielectrophoresis) 장치 (예를 들어 와시즈 (Washizu)의 문헌 [25 Journal of Electrostatics, 109-123, 1990] 참조)에서는 AC 전기장을 사용한다. 상기 장치들과 관련된 중요한 특징은 상기 AC 전기장을 가하면 상기 시스템 중 어느 것에서도 본질적으로 순 전류 흐름이 없다는 것이다 (즉 대전된 분자의 수송을 위한 전기영동에 의한 추진력이 없음). APEX형 장치에서는 전압을 가할 경우 상당한 순 직류 (DC) 흐름이 발생하는데, 이것은 "전기영동의 징후"로서 인식된다. 전기영동에서 이온 또는 대전된 입자는 전기장 구배의 방향을 따라 전기 에너지에 의해 이동하며 전류와 전압의 관계가 이 기술에 중요하다. 전기영동에 의한 이동은 거시적으로는 가해진 전압의 영향 하에서 일어나는 용액의 전류 전도로서 나타나며 옴의 법칙The transport of DNA and other charged analytes by electrophoresis in various types of electrolytes / buffers involves various physical parameters. The particular device, for example the APEX device of the inventors described in US Pat. No. 5,605,662, cited above, is basically a DC (direct current) electric device that generates an electric field at the surface of the device. This electric field, in turn, results in the transport of charged molecules by electrophoresis between the microscopically biased (+/-) locations on the device surface. In contrast, so-called xenosensors (see eg "Optical and Electrical Methods and Apparatus for Molecular Detection" of WO 93/22678, eg, Genosensor, impedance sensors, Hollis et al.) And dielectrophoresis The apparatus (see, for example, Wasashizu, 25 Journal of Electrostatics, 109-123, 1990) uses an AC electric field. An important feature associated with the devices is that upon application of the AC electric field there is essentially no net current flow in any of the systems (ie no driving force by electrophoresis for the transport of charged molecules). In APEX-type devices, a significant net direct current (DC) flow occurs when voltage is applied, which is recognized as a "sign of electrophoresis." In electrophoresis, ions or charged particles move by electrical energy along the direction of the electric field gradient, and the relationship between current and voltage is important for this technique. The electrophoretic shift appears as the current conduction of the solution, which occurs macroscopically under the influence of the applied voltage and Ohm's law

V=RxIV = RxI

(여기서, V는 전위이고, R은 전해질의 전기저항이고 [VxA-1=R(Ω)], I는 전류임[A])을 따른다.Where V is the potential, R is the electrical resistance of the electrolyte and [VxA -1 = R (Ω)] and I is the current [A].

용액의 전기 저항은 전기 전도계로 측정할 수 있는 전도도의 역수이다. 전도도는 주로 완충제/전해질의 이온 종류 및 농도에 따라 달라지고, 따라서 상기 매개 변수들은 전기장이 관련된 분자생물학 기술에 매우 중요하다. 생성된 전기장이 실제 미시적 환경 상태로 존재한다 해도 기본적인 전류/전압 관계는 다른 전기영동 시스템과 APEX 기술에 있어서 본질적으로 동일하다.The electrical resistance of a solution is the inverse of the conductivity that can be measured with an electrical conductivity meter. Conductivity mainly depends on the type and concentration of ions in the buffer / electrolyte, so these parameters are of great importance for molecular biology techniques involving electric fields. Even though the generated electric field exists in the actual microenvironmental state, the basic current / voltage relationship is essentially the same for other electrophoretic systems and APEX technology.

APEX 시스템에는 전류 및 전압을 공급하는 다양한 방식, 그리고 전류와 전압 시나리오가 어떻게 상기 시스템의 성능을 향상시키는 것으로 밝혀졌는지와 관련해 독특한 특징이 있다. 특히 다양한 DC 펄싱 방법 (선형 구배 및 로그 단위 구배)이 혼성화의 엄격성을 향상시키는 것으로 여겨진다.APEX systems have unique features in terms of the various ways of supplying current and voltage, and how current and voltage scenarios have been found to improve the performance of the system. In particular, various DC pulsing methods (linear gradient and log unit gradient) are believed to improve the stringency of hybridization.

전기영동 수송 대 이온 강도Electrophoretic Transport vs Ionic Strength

전기영동 분야에서는 대전된 분석물류 (단백질, DNA 등)의 이동성이 전해질 용액의 이온 강도의 제곱근에 반비례하여 로그 단위로 감소한다는 것이 잘 알려져 있다 (쿤 (R. Kuhn) 및 호프스테터 (S. Hoffstetter)의 문헌 [Capillary Electrophoresis: Principles and Practice, Springer-Verlag사, 1993년], 83페이지 도 3.16 참조). 주어진 일정 세기의 전기장에서, 전해질 농도가 분석물류 (단백질, DNA 등)의 농도에 비해 감소하면 분석물은 더 빠른 속도로 수송될 것이다. 단실화 아미노산에 대한 상기 효과를 증명하는 유사한 결과가 이삭 (J.J. Issaq) 등의 문헌 [Chromatographia 제32권, #3/4, 1991년 8월, 155 내지 161페이지 (특히 157페이지의 도 3 참조)]에 제시되어 있다. 여러가지 전해질 용액 중의 DNA에 대한 상기 효과를 증명하는 결과는 로스 (P.D. Ross) 및 스크룩스 (R.L. Scruggs)의 문헌 [Biopolymers 제2권, 231 내지 236페이지, 1964년 (특히 232페이지의 도 1을 참조)]에 제시되어 있다.It is well known in the field of electrophoresis that the mobility of charged analytes (proteins, DNA, etc.) decreases in logarithmic units in inverse proportion to the square root of the ionic strength of the electrolyte solution (R. Kuhn and S. Hoffstetter). See Capillary Electrophoresis: Principles and Practice, Springer-Verlag, 1993, Figure 3.16 on page 83). For a given constant electric field, the analyte will be transported at a faster rate if the electrolyte concentration is reduced compared to the concentration of the analyte (protein, DNA, etc.). Similar results demonstrating the effect on single-stranded amino acids are described in JJ Issaq et al., Chromatographia, Vol. 32, # 3/4, August 1991, pages 155-161 (especially see FIG. ]. Results demonstrating the effect on DNA in various electrolyte solutions are described in PD Ross and RL Scruggs, Biopolymers, Vol. 2, pages 231-236, 1964 (especially FIG. 1 on page 232). )].

이온 강도/전도도 관계Ionic Strength / Conductivity Relationship

용액 중에 완전히 해리된 음이온 및 양이온종 (Na+ <--->Cl-, K+<--->Cl- 등)를 포함하는, 완충 작용이 없는 전해질 (염화나트륨, 염화칼륨 등)에 있어서 이온 강도 및 전도도는 동일하다 (즉 전도도는 통상 이온 강도에 비례할 것임). 해리 상태 (예를 들어 2Na+<--->PO4 --2)의 완충 전해질 (인산염, 아세트산염, 시트르산염, 숙신산염 등)에 있어서 이온 강도 및 통상 전도도는 동일할 것이다 (즉, 전도도는 이온 강도에 비례함). 쯔비터이온종 (pI에서 순 전하가 없음)를 포함할 수 있는 완충 전해질 ["우수 완충제" (MOPS, HEPES, TAPS, 트리신, 바이신), 아미노산 완충제, 양쪽성 전해질 등]의 경우, 전도도는 등전점 (pI)과 pKa 사이의 pH 단위차마다 약 10배 감소할 것이다. 예를 들어 쯔비터이온 상태 (-OOC-CH(R)-NH3 +)의 아미노산의 전도도 값은 "아미노산 잔기"가 완전히 순 양전하 (HOOC-CH(R)-NH2 +<--->X-)를 가지거나 완전히 음전하 (Y+<--->-OOC-CH(R)-NH2)를 가질 경우보다 약 1000배 더 낮을 것이다. 따라서 아미노산 잔기가 pI로부터 멀어짐에 따라 형식적인 음전하 또는 양전하가 아미노산에 나타나고 전도도와 이온 강도가 서로 상관성을 가지기 시작할 것이다. 그러나 pI 또는 pI 부근에서는 주어진 이온 강도 또는 농도에서 기대되는 값보다 전도도가 훨씬 낮을 것이다. pI 또는 pI 부근에서 사용될 경우 전기영동 문헌들에는 "우수 완충제" 및 아미노산 완충제가 "고이온 강도 또는 고이온 농도에서 낮은 전도도를 갖는" 것으로 언급되어 있다 (쿤 및 호프스테터의 문헌 [Capillary Electrophoresis: Principles and Practice, 88페이지, 1993년, Springer-Verlag사] 참조). 통상 사용되는 전기영동 완충제 "트리스 (Tris)-보레이트"의 실제 전도도는 그의 이온 강도 또는 이온 농도로부터 기대되는 것보다 현저하게 더 낮다. 이것은 용액 중에서 비교적 안정한 쯔비터이온 복합체를 형성하는 "트리스 양이온"과 "보레이트 음이온" 때문일 수 있다. 100 mM 트리스-보레이트 용액의 전도도는 694 μS/cm으로 측정되었는데, 이것은 상기 용액의 이온 강도로부터 기대되는 것보다 약 20배 더 낮은 수치이고 5 mM 인산나트륨 또는 염화나트륨 용액의 전도도 값과 대충 동일하다. 표 1은 다수의 수송 완충제의 전도도 측정치를 나타낸다.The ionic strength in the free, buffer action containing an electrolyte (sodium chloride, potassium chloride, etc.) completely dissociated anion and cation species in solution (such as Na + <---> Cl - - , K + <---> Cl) And conductivity are the same (ie conductivity will usually be proportional to ionic strength). In buffered electrolytes (phosphate, acetate, citrate, succinate, etc.) in the dissociated state (e.g. 2Na + <---> PO 4 -2 ), the ionic strength and the normal conductivity will be the same (ie conductivity Is proportional to ionic strength). For buffered electrolytes (“excellent buffers” (MOPS, HEPES, TAPS, tricine, bisine), amino acid buffers, amphoteric electrolytes, etc.) that may include zwitterionic species (no net charge at pi), conductivity Will decrease about 10-fold per pH unit difference between isoelectric point (pI) and pKa. For example zwitterionic state-conductivity of the amino acid of (OOC-CH (R) -NH 3 +) is completely net positive charge (HOOC-CH (R "amino acid residue") -NH 2 + <---> It would be about 1000 times lower than if it had X ) or completely negative charge (Y + <---> - OOC-CH (R) -NH 2 ). Thus, as the amino acid residues move away from pi, formal negative or positive charges will appear on the amino acids and the conductivity and ionic strength will begin to correlate. However, near pI or pI, the conductivity will be much lower than expected at a given ionic strength or concentration. Electrophoretic literature mentions that "excellent buffer" and amino acid buffer have "low conductivity at high ionic strength or high ion concentration" when used in the vicinity of pI or pI (Capillary Electrophoresis: Principles and Practice, page 88, Springer-Verlag, 1993). The actual conductivity of the commonly used electrophoretic buffer "Tris-borate" is significantly lower than expected from its ionic strength or ion concentration. This may be due to the "tris cations" and "borate anions" forming a relatively stable zwitterion complex in solution. The conductivity of the 100 mM tris-borate solution was measured at 694 μS / cm, which is about 20 times lower than expected from the ionic strength of the solution and is roughly equivalent to the conductivity value of 5 mM sodium phosphate or sodium chloride solution. Table 1 shows the conductivity measurements of a number of transport buffers.

용액/완충제Solution / Buffer 측정치 1Measure 1 측정치 2Measure 2 측정치 3Metric 3 평균/표준 편차Mean / standard deviation 10 mM10 mM 1.95 mS/cm1.95 mS / cm 2.02 mS/cm2.02 mS / cm 2.13 mS/cm2.13 mS / cm 2.03+/-0.09 mS/cm2.03 +/- 0.09 mS / cm 1 mM MgCl2 1 mM MgCl 2 174 μS/cm174 μS / cm 208 μS/cm208 μS / cm 177 μS/cm177 μS / cm 186+/-18.8 μS/cm186 +/- 18.8 μS / cm 0.1 mM MgCl2 0.1 mM MgCl 2 16.9 μS/cm16.9 μS / cm 16.7 μS/cm16.7 μS / cm 18.3 μS/cm18.3 μS / cm 17.3+/-0.87 μS/cm17.3 +/- 0.87 μS / cm 10 mM NaCl10 mM NaCl 1.07 mS/cm1.07 mS / cm 1.10 mS/cm1.10 mS / cm 1.18 mS/cm1.18 mS / cm 1.12+/-0.057 mS/cm1.12 +/- 0.057 mS / cm 1 mM NaCl1 mM NaCl 112 μS/cm112 μS / cm 115 μS/cm115 μS / cm 111 μS/cm111 μS / cm 112.7+/-2.08 μS/cm112.7 +/- 2.08 μS / cm 0.1 mM NaCl0.1 mM NaCl 8.80 μS/cm8.80 μS / cm 8.98 μS/cm8.98 μS / cm 10.5 μS/cm10.5 μS / cm 9.43+/-0.93 μS/cm9.43 +/- 0.93 μS / cm 20 mM NaPO4 20 mM NaPO 4 2.90 mS/cm2.90 mS / cm 2.79 mS/cm2.79 mS / cm 3.00 mS/cm3.00 mS / cm 2.90+/-0.11 mS/cm2.90 +/- 0.11 mS / cm 10 mM NaPO4 10 mM NaPO 4 1.40 mS/cm1.40 mS / cm 1.44 mS/cm1.44 mS / cm 1.48 mS/cm1.48 mS / cm 1.44+/-0.04 mS/cm1.44 +/- 0.04 mS / cm 1 mM NaPO4 1 mM NaPO 4 122 μS/cm122 μS / cm 128 μS/cm128 μS / cm 136 μS/cm136 μS / cm 128.7+/-7.0 μS/cm128.7 +/- 7.0 μS / cm 50 mM 트리스50 mM Tris 3.50 mS/cm3.50 mS / cm 3.14 mS/cm3.14 mS / cm 3.40 mS/cm3.40 mS / cm 3.35+/-0.19 mS/cm3.35 +/- 0.19 mS / cm 10 mM 트리스10 mM Tris 572 μS/cm572 μS / cm 562 μS/cm562 μS / cm 583 μS/cm583 μS / cm 572+/-10.5 μS/cm572 +/- 10.5 μS / cm 250 mM HEPES250 mM HEPES 141 μS/cm141 μS / cm 144 μS/cm144 μS / cm 158 μS/cm158 μS / cm 147.6+/-9.07 μS/cm147.6 +/- 9.07 μS / cm 25 mM HEPES25 mM HEPES 9.16 μS/cm9.16 μS / cm 9.44 μS/cm9.44 μS / cm 10.5 μS/cm10.5 μS / cm 9.7+/-0.71 μS/cm9.7 +/- 0.71 μS / cm 3.3 mM 시트르산 나트륨3.3 mM sodium citrate 964 μS/cm964 μS / cm 964 μS/cm964 μS / cm 1.03 mS/cm1.03 mS / cm 986+/-38.1 μS/cm986 +/- 38.1 μS / cm 5 mM 숙신산 나트륨5 mM Sodium Succinate 1.05 mS/cm1.05 mS / cm 960 μS/cm960 μS / cm 1.01 mS/cm1.01 mS / cm 1.01+/-0.045 mS/cm1.01 +/- 0.045 mS / cm 5 mM 옥살산 나트륨5 mM Sodium Oxalate 1.02 mS/cm1.02 mS / cm 1.03 mS/cm1.03 mS / cm 1.12 mS/cm1.12 mS / cm 1.06+/-0.055 mS/cm1.06 +/- 0.055 mS / cm 10 mM 아세트산 나트륨10 mM sodium acetate 901 μS/cm901 μS / cm 917 μS/cm917 μS / cm 983 μS/cm983 μS / cm 934+/-43.5 μS/cm934 +/- 43.5 μS / cm 250 mM 시스테인250 mM cysteine 27.4 μS/cm27.4 μS / cm 17.3 μS/cm17.3 μS / cm 23.5 μS/cm23.5 μS / cm 22.7+/-5.09 μS/cm22.7 +/- 5.09 μS / cm Milli-Q 물Milli-Q Water <0.5 μS/cm<0.5 μS / cm 0.1 셀의 검출 한계보다 지나치게 낮음Too low for detection limit of 0.1 cell

쯔비터이온 완충제/전도도/수송 속도Zwitterion Buffer / Conductivity / Transport Speed

쯔비터이온 완충제 (우수 완충제, 아미노산 완충제) 또는 트리스-보레이트 완충제를 pI 또는 pI 부근에서 사용할 경우 전기영동에 의한 DNA의 수송 속도 또는 속력 면에서 몇몇 잇점이 있다. 잇점은 1) 이들 완충제를 비교적 고농도로 사용하여 완충능을 증가시킬 수 있고, 2) 이들 완충제의 전도도는 동일 농도에서 다른 형태의 완충제보다 훨씬 낮으며, 3) 원하는 분석물 (DNA)에 대하여 전기영동에 의한 수송 속도가 더 빨라진다는 것이다.The use of zwitterion buffers (excellent buffers, amino acid buffers) or tris-borate buffers in the vicinity of pi or pi has several advantages in terms of the rate or speed of transport of DNA by electrophoresis. The advantage is that 1) these buffers can be used in relatively high concentrations to increase their buffering capacity, 2) the conductivity of these buffers is much lower than other forms of buffers at the same concentration, and 3) electrophoretic for the desired analyte (DNA). The speed of transport due to the movement is faster.

등전점 (pI)에서의 쯔비터이온 완충제의 완충능Buffer capacity of zwitterion buffer at isoelectric point (pI)

아미노산 완충제는 그의 pI에서도 완충제 특성을 갖는다. 주어진 아미노산은 그의 pI에서 "최고의 완충능"을 보일 수도, 그러하지 않을 수도 있지만 약간의 완충능을 가질 것이다. 완충능은 pI와 pKa 사이의 매 pH 단위차마다 10배씩 감소하며, 3개의 이온화가능한 기를 갖는 아미노산 (히스티딘, 시스테인, 라이신, 글루탐산, 아스파르트산 등)은 일반적으로 2개의 해리기만을 갖는 아미노산 (글리신, 알라닌, 류신 등)보다 pI에서의 완충능이 더 크다. 예를 들어 pI=7.47인 히스티딘, pI=9.74인 라이신, 및 pI=3.22인 글루탐산 모두는 pI에서 비교적 낮은 완충능을 갖는 알라닌 또는 글리신에 비하여 비교적 우수한 완충능을 갖는다 (레닌저 (A.L. Lehninger)의 문헌 [Biochemistry, 제2판, 특히 79페이지의 도 4 내지 8과 80페이지의 도 4 내지 9), 1975년, 미국 뉴욕주 소재의 Worth Publishers사] 참조). 히스티딘은 겔 전기영동에 사용하기 위한 완충제로서 제안되었지만 (예를 들어 미국 특허 제4,936,963호 참조) 상기 시스템에서 혼성화는 수행되지 않았다. 시스테인은 완충능 면에서 더 중간자적인 위치에 있다. 시스테인의 pI는 5.02이고 α 카르복실기의 pKa는 1.71이며, 설프히드릴기의 pKa는 8.33이고, α 아미노기의 pKa는 10.78이다. 250 mM 시스테인의 산/염기 적정 곡선에서는 시스테인이 약 pH 5에서 20 mM 인산나트륨보다 "완충능"이 더 우수하다는 것이 나타난다. pH 4 내지 6 범위에서는 시스테인의 완충능이 20 mM 인산나트륨보다 현저하게 우수한데, 특히 더 높은 pH에서 그러하다. 그러나 상기 pH 범위에서 250 mM 시스테인 용액의 전도도는 20 mM 인산나트륨의 전도도 값인 약 2.9 mS/cm과 비교하여 100배 더 작은 수치인 약 23 μS/cm으로서 매우 낮다. 도 1은 다양한 수송 완충제의 전도도 측정치를 나타낸다.Amino acid buffers also have buffer properties in their pi. A given amino acid may or may not show "best buffering capacity" in its pi but will have some buffering capacity. The buffering capacity decreases tenfold for every pH unit difference between pI and pKa, and amino acids with three ionizable groups (histidine, cysteine, lysine, glutamic acid, aspartic acid, etc.) generally have two dissociating amino acids (glycine) , Alanine, leucine, and the like) have a higher buffering capacity at pi. For example, histidine with pI = 7.47, lysine with pI = 9.74, and glutamic acid with pI = 3.22 all have relatively good buffering capacity compared to alanine or glycine, which have a relatively low buffering capacity at pI (of AL Lehninger). See Biochemistry, 2nd edition, in particular FIGS. 4-8 on page 79 and FIGS. 4-9 on page 80, Worth Publishers, New York, USA, 1975). Histidine has been proposed as a buffer for use in gel electrophoresis (see, eg, US Pat. No. 4,936,963), but no hybridization was performed in this system. Cysteine is in an intermediate position in terms of buffering capacity. The pI of cysteine is 5.02, the pKa of the alpha carboxyl group is 1.71, the pKa of the sulfhydryl group is 8.33, and the pKa of the alpha amino group is 10.78. An acid / base titration curve of 250 mM cysteine shows that the cysteine is "buffered" better than 20 mM sodium phosphate at about pH 5. In the pH range 4 to 6 the cysteine's buffering capacity is significantly better than 20 mM sodium phosphate, especially at higher pH. However, the conductivity of the 250 mM cysteine solution in the pH range is very low, about 23 μS / cm, which is 100 times smaller compared to the conductivity value of 20 mM sodium phosphate, about 2.9 mS / cm. 1 shows the conductivity measurements of various transport buffers.

20년 전부터 개발된 여러 전기영동 기술은 "그들의 pI 상태"인 쯔비터이온 완충제 중에서 단백질을 분리할 수 있는 능력에 기초하고 있다. 상기 기술은 등전영동법, 등속영동법, 및 등전점 분획 전기 이동법으로 불리워진다 (헤임즈 (B.D. Hames)와 릭우드 (D. Rickwood) 편찬의 문헌 [Gel Electrophoresis of Proteins: A Practical Approach의 제3과 및 4과, 1981년, IRL Press사] 참조). 다양한 아미노산 완충제 및 "우수 완충제" 모두를 그들의 pI에서 상기 방법에 사용하였다 (상기 참고 문헌의 168페이지 표 2 참조).Several electrophoretic techniques, developed over 20 years ago, are based on the ability to separate proteins from zwitterion buffers, "their pI state." This technique is called isophoresis, isophoresis, and isoelectric fractional electrophoresis (BD Hames and D. Rickwood, edited by Gel Electrophoresis of Proteins: A Practical Approach, lessons 3 and 4). And IRL Press, 1981). Both various amino acid buffers and “good buffers” were used in the method at their pi (see Table 2 on page 168 above).

이온 강도 및 전도도가 낮은 완충제에서의 DNA 수송DNA transport in buffers with low ionic strength and conductivity

2.5% 아가로스가 코팅된 5580 칩과 ByTr-RCA5 형광성 프로브를 사용하여 일련의 형광성 체커보드 실험을 수행하였다. 본 발명자들은 (1) 250 mM HEPES (전도도가 낮음), (2) 10 μM 숙신산나트륨, (3) 10 μM 시트르산나트륨, 및 (4) 증류수 시스템 모두에 대하여 신속한 (6초) 체커보드 어드레싱을 획득할 수 있었다. 시트르산나트륨에 대한 결과를 도 1에 나타내었다. 전도도 또는 이온 강도가 낮은 몇몇 종류의 용액의 특성이 다소 더 우수하다 해도 상기 시스템 모두를 사용하여 체커보드 어드레싱 및 신속한 DNA 수송 (80 μm 패드 상에서 DNA 축적에 6 내지 12초가 걸림)이 성취되었다. 추가로 증류수에서의 DNA 어드레싱 APEX 칩이 가능한데 이는 DNA (그 자체가 다가음이온)가 벌크 용액에 존재하는, 전도도를 제공하는 전해질이기 때문이다. 도 1은 히스티딘을 사용하는 APEX 칩의 평면도를 나타낸다.A series of fluorescent checkerboard experiments were performed using a 5580 chip coated with 2.5% agarose and a ByTr-RCA5 fluorescent probe. We obtained rapid (6 sec) checkerboard addressing for both (1) 250 mM HEPES (low conductivity), (2) 10 μM sodium succinate, (3) 10 μM sodium citrate, and (4) distilled water systems. Could. The results for sodium citrate are shown in FIG. 1. Even though the properties of some types of solutions with low conductivity or ionic strength are somewhat better, checkerboard addressing and rapid DNA transport (6-12 seconds of DNA accumulation on 80 μm pads) were achieved using all of the above systems. In addition, DNA addressing APEX chips in distilled water are possible because the DNA (which itself is polyanion) is an electrolyte that provides conductivity, which is present in the bulk solution. 1 shows a plan view of an APEX chip using histidine.

전기영동 수송 속도와 양이온/음이온류와의 관계Relationship between electrophoretic transport rate and cation / anion flow

대전된 분석물류 (DNA, 단백질 등)의 이동성은 전해질 용액의 이온 강도와 관련된다는 사실 외에도, 전해질 용액 중의 양이온과 음이온류의 성질에 의해서도 크게 영향을 받을 수 있다 (참고 문헌 "Capillary Electrophoresis: Principles and Practice"의 89페이지 참조). DNA 수송에 있어서 이러한 특별한 점은 상기 참고 문헌 [Biopolymers, 제2권, 231 내지 236페이지, 1964년]에서 증명되었다. 이 참고 문헌의 232페이지의 도 1에는 동일한 이온 강도의 상이한 1가 음이온을 포함하는 전해질을 사용할 경우 DNA 이동성이 변화한다는 것이 나타나 있다 (Li+>Na+>K+>TMA+). 기본적으로 상이한 양이온은 DNA 포스페이트기에 대하여 상이한 결합 상수를 가질 수 있고(있거나) DNA 분자 주위의 수화 영역을 변화시킬 수 있어 수송 속도를 변화시키게 된다.In addition to the fact that the mobility of charged analytes (DNA, proteins, etc.) is related to the ionic strength of the electrolyte solution, it can be greatly influenced by the nature of the cations and anions in the electrolyte solution (see "Capillary Electrophoresis: Principles and See page 89 in "Practice". This particular point in DNA transport has been demonstrated in the above-mentioned Biopolymers, Vol. 2, pp. 231-236, 1964. 1 on page 232 of this reference shows that DNA mobility changes when using electrolytes containing different monovalent anions of the same ionic strength (Li + > Na + > K + > TMA + ). Basically different cations can have different binding constants for DNA phosphate groups and / or change the hydration region around the DNA molecule, thus changing the rate of transport.

본 발명은 분자 생물학적 전기장 장치, 특히 APEX 초소형 전자 칩과 장치에서 DNA 수송 속도, DNA 혼성화 반응의 효율, 및 전체 혼성화 특이성을 향상시키거나 최적화하는 다양한 매개 변수, 전해질 (완충제), 및 다른 조건에 관한 본 발명자들의 발견에 관한 것이다. 특히 본 발명은 10 내지 100 mM의 농도로 제조된 히스티딘 아미노산을 함유하는, 전도도가 낮은 쯔비터이온 완충제가 pI (등전점=약 7.47) 또는 pI 부근에서 전기영동에 의한 신속한 DNA 수송 및 효율적인 혼성화 반응 모두에 대한 최적의 조건을 제공한다는 본 발명자들의 발견에 관한 것이다. 히스티딘 완충제의 이러한 잇점은 APEX 칩 형의 장치에 있어서 특히 중요하다. 상기 특수 장치 (초소형 기계형 장치와 반대인 것으로서)는 인가할 수 있는 전류의 양 및 전압 면에 있어서 한계가 있다. 이러한 한계 때문에 한 가지 완충제 시스템을 사용하여 신속한 수송과 효율적인 혼성화를 모두 성취하는 것은 어렵다. 이 경우 DNA 수송은 한정된 전류/전압에서도 DNA 수송이 여전히 신속하게 이루어지는, 전도도가 낮은 완충제 (시스테인 또는 알라닌) 중에서 수행되었다. 상기 조건 하에서는 DNA가 시험 부위에 축적되었지만 효율적으로 혼성화되지는 않았다. 전도도가 낮은 상기 완충제에서의 수송 후 용액을 염 농도가 높은 완충제 (>100 mM 염화나트륨 또는 인산나트륨)로 교체하였더니 시험 부위에서 DNA가 효율적으로 혼성화하였다.The present invention relates to various parameters, electrolytes (buffers), and other conditions that enhance or optimize DNA transport rates, efficiency of DNA hybridization reactions, and overall hybridization specificity in molecular biological electric field devices, particularly APEX microelectronic chips and devices. It is related to the findings of the inventors. In particular, the present invention is directed to low-conductivity zwitterion buffers containing histidine amino acids prepared at concentrations of 10 to 100 mM for both rapid DNA transport and efficient hybridization by electrophoresis at or near pI (isoelectric point = about 7.47) or pi. The present invention relates to the findings of the present inventors to provide an optimum condition for the This advantage of histidine buffer is particularly important for APEX chip type devices. Such special devices (as opposed to micromechanical devices) have limitations in terms of the amount of current and voltage they can apply. Because of this limitation, it is difficult to achieve both rapid transport and efficient hybridization using one buffer system. In this case DNA transport was performed in a low conductivity buffer (cysteine or alanine), where DNA transport is still rapid even with limited current / voltage. Under these conditions DNA accumulated at the test site but did not hybridize efficiently. After transport in the low conductivity buffer, the solution was replaced with a high salt concentration buffer (> 100 mM sodium chloride or sodium phosphate) to efficiently hybridize DNA at the test site.

표 2는 APEX 칩 장치를 사용하여 완충능, pH, 및 전도도 등의 매개 변수를, DNA 축적 및 혼성화 감도 (효율)와 상관시키는 일련의 실험 결과를 나타낸다.Table 2 shows the results of a series of experiments that correlate parameters such as buffer capacity, pH, and conductivity with DNA accumulation and hybridization sensitivity (efficiency) using the APEX chip device.

용액solution 완충제 용량 pH 4-10Buffer dose pH 4-10 pI에서의 pHpH at pI 전도도 (μS)Conductivity (μS) DNA 수송의 상대적인 속도Relative speed of DNA transport SA-바이오틴 T12 감도SA-Biotin T12 Sensitivity DNA의 혼성화 감도Hybridization Sensitivity of DNA β-알라닌β-alanine pK1-3.6 pK2-10.2pK 1 -3.6 pK 2 -10.2 ++ 7.37.3 10.010.0 +++++ (가장 빠름)+++++ (fastest) 3 x 106 3 x 10 6 타우린Taurine pK1-1.5 pK2-8.7pK 1 -1.5 pK 2 -8.7 +/-+/- 4.64.6 4.54.5 ++++++++ >7.5 x 1010 > 7.5 x 10 10 시스테인Cysteine pK1-1.7 pK2-8.3 pK3-10.8pK 1 -1.7 pK 2 -8.3 pK 3 -10.8 +/-+/- 5.25.2 25.025.0 ++++++++ 3 x 107 3 x 10 7 7.5 x 1010 7.5 x 10 10 히스티딘Histidine pK1-1.8 pK2-6.0 pK3-9.0pK 1 -1.8 pK 2 -6.0 pK 3 -9.0 ++++++ 7.67.6 212.0(순도가 높을 경우 172.0)212.0 (172.0 if high purity) ++++++ 3 x 106 3 x 10 6 3 x 106 3 x 10 6 라이신Lysine pK1-2.2 pK2-8.9 pK3-10.3pK 1 -2.2 pK 2 -8.9 pK 3 -10.3 ++++ 9.69.6 477.0477.0 ++++ >7.5 x 1010 > 7.5 x 10 10 NaPO4 NaPO 4 복합체Complex ++ 7.4 1 / 7.4 1 / 1,400.01,400.0 +(가장 느림)+ (Slowest)

1/는 pH 7.4로 맞춰진 20 mM NaPO4
특히 표 2는 시험 부위에 있는 특정 포획 DNA에 대한 수송된 표적 DNA의 혼성화능력에 대한 다양한 쯔비터이온성 아미노산 완충제 [β-알라닌, 타우린, 시스테인, 히스티딘, 라이신, 및 인산 나트륨 (쯔비터이온 완충제가 아님)]의 효과를 나타낸다. 수송 면에 있어서, 동일한 전기장 조건 하에서는 전도도가 수송과 대체로 관련이 있다. β-알라닌, 타우린 및 시스테인은 탁월한 수송력을 나타내고 히스티딘은 우수한 수송력을 나타내며, 라이신과 NaPO4는 보통의 수송력을 나타낸다. DNA 혼성화 감도는 음으로 대전된 다가음이온 포스페이트 골격을 갖는 "정상 DNA"에 대한 것이다. 표 2는 혼성화 감도 외에도 스트렙타비딘/바이오틴 DNA 프로브 포획 친화성의 감도도 보고한다.
1 / is 20 mM NaPO 4 set to pH 7.4
In particular, Table 2 shows the various zwitterionic amino acid buffers [β-alanine, taurine, cysteine, histidine, lysine, and sodium phosphate (Zwitterionic buffer) Not)). In terms of transport, conductivity is largely related to transport under the same electric field conditions. β-alanine, taurine and cysteine show excellent transport, histidine shows good transport, and lysine and NaPO 4 show normal transport. DNA hybridization sensitivity is for “normal DNA” having a negatively charged polyanionic phosphate backbone. Table 2 also reports the sensitivity of streptavidin / biotin DNA probe capture affinity in addition to hybridization sensitivity.

표 2는 DNA 수송 (축적)과 낮은 전도도 (β-알라닌, 타우린, 시스테인, 히스티딘)와의 상관관계를 명확하게 나타낸다. 표 2는 β-알라닌, 시스테인, 및 히스티딘을 사용할 경우 스트렙타비딘/바이오틴 프로브 친화 반응에 대하여 감도가 우수하다는 것을 나타낸다. 표 2의 감도 데이타에 반영되어 있듯이 히스티딘의 혼성화 효율은 시스테인 또는 다른 완충제, 예를 들어 20 mM NaPO4보다 104 이상 더 우수하다. 시스테인과 비교해 보면 혼성화 효율은 10배 이상, 더 특별하게는 102 이상, 가장 특별하게는 104 이상 향상되었다. 가장 중요하게는 표 2는 히스티딘 완충제의 DNA 혼성화 감도 (효율)가 매우 우수하다는 것을 나타낸다. 따라서 현재 시험된 모든 쯔비터이온성 아미노산 완충제 중에서 히스티딘만이 수송률이 우수한 동시에 DNA/DNA 혼성화 효율이 우수하다.Table 2 clearly shows the correlation between DNA transport (accumulation) and low conductivity (β-alanine, taurine, cysteine, histidine). Table 2 shows that the sensitivity is excellent for streptavidin / biotin probe affinity when using β-alanine, cysteine, and histidine. As reflected in the sensitivity data in Table 2, the hybridization efficiency of histidine is at least 10 4 better than cysteine or other buffers such as 20 mM NaPO 4 . Compared to cysteine, the hybridization efficiency was improved by at least 10 times, more specifically at least 10 2 and most particularly at least 10 4 . Most importantly, Table 2 shows that the DNA hybridization sensitivity (efficiency) of histidine buffer is very good. Therefore, of all the zwitterionic amino acid buffers currently tested, only histidine has good transport rate and good DNA / DNA hybridization efficiency.

히스티딘 완충제 시스템은 전도도가 낮기 때문에 DNA 수송 (축적)이 신속하게 일어난다고 여겨진다. 히스티딘 완충제에서 DNA/DNA 혼성화가 비교적 효율적인 이유에 대하여 여러가지로 설명할 수 있다. 히스티딘의 우수한 완충능이 한 잇점일 수 있다. 히스티딘은 7.47의 pI에서 산성 또는 염기성 조건 하에서 우수하게 완충작용을 할 것이다 (레닌저의 문헌 [Biochemistry, 제2판, 80페이지의 도 4 내지 9, 1975년, 미국 뉴욕주 소재의 Worth Publishers사] 참조). APEX 칩은 혼성화를 위하여 DNA가 축적되는 양극에서 산을 발생시키며 히스티딘은 상기 조건에 대하여 효과적으로 완충작용을 할 수 있다. 더 중요하게는 상기 산성 조건 (pH<5) 하에서 히스티딘의 이미다졸기의 양성자첨가에 의해 히스티딘 분자가 2가 양이온종으로 전환되기 시작한다. 양으로 대전된 α-아미노기와 양으로 대전된 이미다졸기를 갖는 상기 2가 양이온류가 APEX 칩의 양극에서 혼성화를 촉진하고 형성된 DNA/DNA 하이브리드를 안정화시키는데 도움이 될 수 있다. 양이온, 2가 양이온, 및 다가 양이온은 이중가닥 DNA 구조물의 음으로 대전된 포스페이트 골격의 반발작용을 감소시킴으로써 DNA/DNA 하이브리드를 안정화하는 것에 도움을 주는 것으로 알려져 있다. 또한 DNA/DNA/히스티딘도 양극에서 생성되는 다른 전기화학적 생성물 (과산화수소 등)로부터의 몇몇 형태의 안정화 부가물을 형성할 수도 있다.Histidine buffer systems are believed to have a rapid DNA transport (accumulation) because of their low conductivity. Various explanations may be made as to why DNA / DNA hybridization is relatively efficient in histidine buffer. The good buffering capacity of histidine may be an advantage. Histidine will buffer well under acidic or basic conditions at a pI of 7.47 (see Lenninger Biochemistry, 2nd edition, pages 4-9, 1975, Worth Publishers, NY, 1975). ). APEX chips generate acid at the anode where DNA accumulates for hybridization, and histidine can effectively buffer these conditions. More importantly, under the acidic conditions (pH <5), the histidine molecule begins to be converted to a divalent cationic species by protonation of the imidazole group of histidine. The divalent cations having a positively charged α-amino group and a positively charged imidazole group may assist in promoting hybridization at the anode of the APEX chip and stabilizing the formed DNA / DNA hybrid. Cations, divalent cations, and polyvalent cations are known to help stabilize DNA / DNA hybrids by reducing the repulsion of the negatively charged phosphate backbone of double stranded DNA constructs. DNA / DNA / histidine may also form some form of stabilizing adduct from other electrochemical products (such as hydrogen peroxide) produced at the anode.

본 실시 형태에서는 천연 히스티딘이 사용되지만 본 발명에서는 완충능이 우수하고 전도도가 낮으며 (또는 쯔비터이온 특성을 가짐) 전하 안정화 또는 부가물 형성에 의해 DNA 혼성화가 안정화되도록 하는 특성을 갖는 다른 천연 또는 합성 화합물도 사용할 수 있다.In the present embodiment, natural histidine is used, but in the present invention, other natural or synthetic compounds having excellent buffering ability and low conductivity (or having zwitterion characteristics) and stabilizing DNA hybridization by charge stabilization or adduct formation. Compounds can also be used.

상기 본 명세서에서 본 발명을 명확하게 하고 이해를 돕기 위하여 예시와 실시예로 상세하게 기술하였지만, 당 업계의 숙련자는 본 발명의 교시에 비추어 보아 본 발명이 첨부된 청구항의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 변화 및 변경될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.Although the present invention has been described in detail with examples and examples for clarity and understanding of the present invention, those skilled in the art, in view of the teachings of the present invention, may change the present invention without departing from the spirit or scope of the appended claims. And can be changed.

Claims (55)

(1) (a) 전도도가 낮을 것,(1) (a) low conductivity, (b) 본래의 등전점 (pI)이 3.5보다 높을 것,(b) the original isoelectric point (pI) is higher than 3.5, (c) 실질적으로 pH 4와 pH 10 사이에서 효과적인 완충능을 가질 것(c) have an effective buffering capacity substantially between pH 4 and pH 10 이라는 기준에 따라 선택되는 완충제를 장치에 넣는 단계,Adding a buffer, selected according to the criteria, into the device, (2) (a) 초소형 전자 장치의 시험 부위가 DNA 분석물에 대하여 양으로 편향되도록 상기 시험 부위에 전기장을 생성시키기에 충분하고(2) (a) is sufficient to generate an electric field at the test site such that the test site of the microelectronic device is positively biased relative to the DNA analyte; (b) 전기장의 영향 하에서 완충제 분자에 순 양전하를 제공하여 양으로 대전된 완충제 분자가 DNA 분석물과 시험 부위에 고정된 단일가닥 포획 DNA 사이의 DNA 혼성화를 안정화시키는 작용을 하기에 충분한(b) provide a net positive charge to the buffer molecule under the influence of the electric field so that the positively charged buffer molecule is sufficient to act to stabilize the DNA hybridization between the DNA analyte and the single stranded capture DNA immobilized at the test site. 양으로 전류를 상기 초소형 전자 장치의 시험 부위에 인가하는 단계 Applying a positive current to the test site of the microelectronic device 를 포함하는, 초소형 전자 장치의 양으로 편향된 시험 부위에서 전기장의 영향 하에 시험 부위에 고정된 단일가닥 포획 DNA에 대한 DNA 분석물의 혼성화를 전자적으로 증강시키는 방법.A method of electronically enhancing hybridization of a DNA analyte to a single stranded capture DNA immobilized at a test site under the influence of an electric field at a test site biased in the amount of microelectronic device. 제1항에 있어서, 전도도가 낮은 완충제가 쯔비터이온 완충제인 방법.The method of claim 1, wherein the low conductivity buffer is a zwitterion buffer. 제2항에 있어서, 쯔비터이온 완충제가 히스티딘을 함유하는 것인 방법.The method of claim 2, wherein the zwitterion buffer contains histidine. 제3항에 있어서, 히스티딘이 약 10 내지 100 mM 농도로 제조된 것인 방법.The method of claim 3, wherein the histidine is prepared at a concentration of about 10-100 mM. 제3항에 있어서, 히스티딘의 pH가 등전점 또는 등전점 부근으로 제조된 것인 방법.The method of claim 3 wherein the pH of the histidine is prepared at or near isoelectric point. 제1항에 있어서, 등전점의 pH가 약 7.47인 방법.The method of claim 1 wherein the pH of the isoelectric point is about 7.47. 제1항에 있어서, 완충제가 표적 핵산과 포획 핵산 사이의 혼성화를 안정화시키는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the buffer stabilizes hybridization between the target nucleic acid and the capture nucleic acid. 제7항에 있어서, 완충제가 전도도가 낮은 천연 화합물인 방법.8. The method of claim 7, wherein the buffer is a natural compound with low conductivity. 제7항에 있어서, 완충제가 쯔비터이온성의 천연 화합물인 방법.8. The method of claim 7, wherein the buffer is a zwitterionic natural compound. 제7항에 있어서, 완충제가 전도도가 낮은 합성 화합물인 방법.8. The method of claim 7, wherein the buffer is a synthetic compound with low conductivity. 제7항에 있어서, 완충제가 쯔비터이온성의 합성 화합물인 방법.8. The method of claim 7, wherein the buffer is a zwitterionic synthetic compound. 제1항에 있어서, 혼성화 효율이 동일한 조건 하 시스테인의 경우보다 100배 이상 더 큰 방법.The method of claim 1 wherein the hybridization efficiency is at least 100 times greater than for cysteine under the same conditions. 제1항에 있어서, 혼성화 효율이 동일한 조건 하 시스테인의 경우보다 1000배 이상 더 큰 방법.The method of claim 1 wherein the hybridization efficiency is at least 1000 times greater than for cysteine under the same conditions. 제1항에 있어서, 혼성화 효율이 동일한 조건 하 시스테인의 경우보다 약 50000배 이상 더 큰 방법.The method of claim 1 wherein the hybridization efficiency is at least about 50000 times greater than for cysteine under the same conditions. 제1항에 있어서, 완충제가 포획 핵산과 표적 핵산 사이의 반발 작용을 감소시키는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the buffer reduces the repulsive action between the capture nucleic acid and the target nucleic acid. 제1항에 있어서, 완충제가 포획 핵산과 표적 핵산 사이의 부가물 형성을 감소시키는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the buffer reduces adduct formation between the capture nucleic acid and the target nucleic acid. 포획 핵산을 보유한 미세구획 시험 부위를 포함하며 이 미세구획이 적어도 전기장이 발생되지 않는 제1 상태와 미세구획에서 표적 핵산을 끌어당기는 전기장이 발생되는 제2상태로 될 수 있는 초소형 전자 혼성화 장치에서의 표적 핵산의 혼성화 효율의 증강 방법으로서,In a microelectron hybridization device comprising a microcompartment test site having a capture nucleic acid, the microcompart can be at least in a first state in which no electric field is generated and in a second state in which an electric field is attracted to the target nucleic acid in the microcompartment. As a method of enhancing the hybridization efficiency of a target nucleic acid, 완충제를 장치에 넣는 단계,Putting the buffer into the device, 표적 핵산을 장치에 제공하는 단계,Providing a target nucleic acid to the device, 장치에 전력을 인가하여 미세구획이 상기 제2 상태로 되게 함으로써 장치의 미세구획 시험 부위에 표적 핵산이 축적되게 하는 단계, 및Applying power to the device to bring the microcompartments into the second state such that target nucleic acids accumulate at the microcompartment test site of the device, and 상기 제1 상태보다 상기 제2 상태일 때 더 큰 효율로 표적 핵산과 포획 핵산을 혼성화하는 단계Hybridizing target nucleic acid and capture nucleic acid with greater efficiency when in the second state than in the first state 를 포함하는 방법. How to include. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제17항에 있어서, 혼성화 효율이 동일한 조건 하 시스테인의 경우보다 1000배 이상 더 큰 방법.18. The method of claim 17, wherein the hybridization efficiency is at least 1000 times greater than for cysteine under the same conditions. 제17항에 있어서, 혼성화 효율이 동일한 조건 하 시스테인의 경우보다 약 50000배 이상 더 큰 방법.18. The method of claim 17, wherein the hybridization efficiency is at least about 50000 times greater than for cysteine under the same conditions. 제17항에 있어서, 완충제가 상기 제2 상태에서 포획 핵산과 표적 핵산 사이의 반발 작용을 감소시키는 것인 방법.The method of claim 17, wherein the buffer reduces the repulsive action between the capture nucleic acid and the target nucleic acid in the second state. 제17항에 있어서, 완충제가 포획 핵산과 표적 핵산 사이의 부가물 형성을 감소시키는 것인 방법.The method of claim 17, wherein the buffer reduces adduct formation between the capture nucleic acid and the target nucleic acid. 제1항에 있어서, 낮은 전도도가 실질적으로 1 mS 미만인 방법.The method of claim 1 wherein the low conductivity is substantially less than 1 mS. 제1항에 있어서, 낮은 전도도가 실질적으로 500 μs 미만인 방법.The method of claim 1 wherein the low conductivity is substantially less than 500 μs. 제1항에 있어서, 낮은 전도도가 실질적으로 250 μs 미만인 방법.The method of claim 1 wherein the low conductivity is substantially less than 250 μs. 제1항에 있어서, 낮은 전도도가 실질적으로 100 μs 미만인 방법.The method of claim 1 wherein the low conductivity is substantially less than 100 μs. 제1항에 있어서, 완충제의 본래의 pI가 실질적으로 7.4 이상인 방법.The method of claim 1, wherein the original pi of the buffer is substantially 7.4 or greater. 제1항에 있어서, 완충제 분자가 시험 부위 주위의 용액에 완충 작용을 제공함으로써 양으로 편향된 시험 부위에서 발생한 수소로부터 분석물을 보호하는 방법.The method of claim 1, wherein the buffer molecule protects the analyte from hydrogen generated at the positively biased test site by providing a buffering effect to the solution around the test site. 제1항에 있어서, 순 양전하를 갖는 완충제 분자가 양이온인 방법.The method of claim 1 wherein the buffer molecule with a net positive charge is a cation. 제1항에 있어서, 순 양전하를 갖는 완충제 분자가 2가 양이온인 방법.The method of claim 1 wherein the buffer molecule with a net positive charge is a divalent cation. 제1항에 있어서, 순 양전하를 갖는 완충제 분자가 다가 양이온인 방법.The method of claim 1 wherein the buffer molecule with a net positive charge is a polyvalent cation. 제1항에 있어서, 완충제가 전기장이 없을 경우 실질적으로 DNA를 차폐하지 못하여 DNA 혼성화에 도움을 줄 수 없도록 선택되는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the buffer is selected such that, in the absence of an electric field, the DNA fails to shield substantially the DNA to aid in DNA hybridization. 제17항에 있어서, 완충제가 전도도가 낮은 것인 방법.The method of claim 17, wherein the buffer is low in conductivity. 삭제delete 제43항에 있어서, 전도도가 낮은 완충제가 쯔비터이온 완충제인 방법.The method of claim 43, wherein the low conductivity buffer is a zwitterion buffer. 제45항에 있어서, 쯔비터이온 완충제가 히스티딘을 함유하는 것인 방법.46. The method of claim 45, wherein the zwitterion buffer contains histidine. 제46항에 있어서, 히스티딘이 약 10 내지 100 mM 농도로 제조된 것인 방법.The method of claim 46, wherein the histidine is prepared at a concentration of about 10-100 mM. 제46항에 있어서, 히스티딘의 pH가 등전점 또는 등전점 부근으로 제조된 것인 방법.47. The method of claim 46, wherein the histidine pH is prepared at or near isoelectric point. 제43항에 있어서, 등전점의 pH가 약 7.47인 방법.The method of claim 43, wherein the pH of the isoelectric point is about 7.47. 제43항에 있어서, 완충제가 상기 제2 상태에서 표적 핵산과 포획 핵산 사이의 혼성화를 안정화시키는 것인 방법.The method of claim 43, wherein the buffer stabilizes hybridization between the target nucleic acid and the capture nucleic acid in the second state. 제50항에 있어서, 완충제가 전도도가 낮은 천연 화합물인 방법.51. The method of claim 50, wherein the buffer is a natural compound with low conductivity. 제50항에 있어서, 완충제가 쯔비터이온성의 천연 화합물인 방법.51. The method of claim 50, wherein the buffer is a zwitterionic natural compound. 제50항에 있어서, 완충제가 전도도가 낮은 합성 화합물인 방법.51. The method of claim 50, wherein the buffer is a synthetic compound with low conductivity. 제50항에 있어서, 완충제가 쯔비터이온성의 합성 화합물인 방법.51. The method of claim 50, wherein the buffer is a zwitterionic synthetic compound. 제43항에 있어서, 혼성화 효율이 동일한 조건 하 시스테인의 경우보다 100배 이상 더 큰 방법.44. The method of claim 43, wherein the hybridization efficiency is at least 100 times greater than for cysteine under the same conditions.
KR1019997001868A 1996-09-06 1997-08-18 Methods and Materials For Optimization Of Electronic Hybridization Reactions KR100591626B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US70826296A 1996-09-06 1996-09-06
US08/708,262 1996-09-06

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20010029477A KR20010029477A (en) 2001-04-06
KR100591626B1 true KR100591626B1 (en) 2006-06-20

Family

ID=24845074

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019997001868A KR100591626B1 (en) 1996-09-06 1997-08-18 Methods and Materials For Optimization Of Electronic Hybridization Reactions

Country Status (9)

Country Link
EP (1) EP1019711A4 (en)
JP (1) JP4213216B2 (en)
KR (1) KR100591626B1 (en)
CN (1) CN1180248C (en)
AU (1) AU723564B2 (en)
BR (1) BR9712800A (en)
CA (1) CA2264780C (en)
NZ (1) NZ334314A (en)
WO (1) WO1998010273A1 (en)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6051380A (en) * 1993-11-01 2000-04-18 Nanogen, Inc. Methods and procedures for molecular biological analysis and diagnostics
US6468742B2 (en) 1993-11-01 2002-10-22 Nanogen, Inc. Methods for determination of single nucleic acid polymorphisms using bioelectronic microchip
US6379897B1 (en) 2000-11-09 2002-04-30 Nanogen, Inc. Methods for gene expression monitoring on electronic microarrays
US5964995A (en) 1997-04-04 1999-10-12 Caliper Technologies Corp. Methods and systems for enhanced fluid transport
US6238909B1 (en) * 1999-05-04 2001-05-29 Motorola, Inc. Method and apparatus for obtaining electric field-enhanced bioconjugation
AU783169B2 (en) * 1999-09-27 2005-09-29 Monsanto Technology Llc Methods for determining oils in seeds
US7309581B2 (en) * 2000-11-01 2007-12-18 Sysmex Corporation Method of staining, detection and counting bacteria, and a diluent for bacterial stain
GB0205455D0 (en) 2002-03-07 2002-04-24 Molecular Sensing Plc Nucleic acid probes, their synthesis and use
US7153687B2 (en) 2002-08-13 2006-12-26 Hong Kong Dna Chips Limited Apparatus and methods for detecting DNA in biological samples
JP4464664B2 (en) * 2003-06-13 2010-05-19 独立行政法人理化学研究所 Biomolecule microarray substrate, biomolecule microarray, device and method for promoting interaction, and method for detecting interaction
US7314542B2 (en) * 2004-09-23 2008-01-01 Nanogen, Inc. Methods and materials for optimization of electronic transportation and hybridization reactions
KR100785011B1 (en) * 2006-04-07 2007-12-11 삼성전자주식회사 Method for increasing the specificity of nucleic acid hybridization using zwitterionic compounds

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4936963A (en) * 1987-05-27 1990-06-26 Abbott Laboratories Polycationic buffers and method for gel electrophoresis of nucleic acids
US5188963A (en) * 1989-11-17 1993-02-23 Gene Tec Corporation Device for processing biological specimens for analysis of nucleic acids
US6017696A (en) * 1993-11-01 2000-01-25 Nanogen, Inc. Methods for electronic stringency control for molecular biological analysis and diagnostics
ATE277450T1 (en) * 1994-11-10 2004-10-15 Orchid Biosciences Inc LIQUID DISTRIBUTION SYSTEM
US5585069A (en) * 1994-11-10 1996-12-17 David Sarnoff Research Center, Inc. Partitioned microelectronic and fluidic device array for clinical diagnostics and chemical synthesis

Also Published As

Publication number Publication date
BR9712800A (en) 1999-11-23
CN1230255A (en) 1999-09-29
AU4071997A (en) 1998-03-26
AU723564B2 (en) 2000-08-31
CA2264780C (en) 2006-08-01
JP2001501301A (en) 2001-01-30
NZ334314A (en) 2000-09-29
EP1019711A1 (en) 2000-07-19
WO1998010273A1 (en) 1998-03-12
KR20010029477A (en) 2001-04-06
EP1019711A4 (en) 2001-06-13
CN1180248C (en) 2004-12-15
JP4213216B2 (en) 2009-01-21
CA2264780A1 (en) 1998-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100591626B1 (en) Methods and Materials For Optimization Of Electronic Hybridization Reactions
Rabilloud Use of thiourea to increase the solubility of membrane proteins in two‐dimensional electrophoresis
Hjertén et al. Theoretical and experimental study of high-performance electrophoretic mobilization of isoelectrically focused protein zones
Chiesa et al. Capillary zone electrophoresis of oligosaccharides derivatized with various aminonaphthalene sulfonic acids
JP2005538379A (en) System and method for electrophoretic separation of proteins on protein binding membranes
Zhang et al. Recent advances in enhancing the sensitivity and resolution of capillary electrophoresis
WO1998010273A9 (en) Methods and materials for optimization of electronic hybridization reactions
Cifuentes et al. Separation of basic proteins by capillary electrophoresis using cross-linked polyacrylamide-coated capillaries and cationic buffer additives
US5176805A (en) Reverse-polarity gel electrophoresis
JP4956823B2 (en) Methods and materials for optimization of electron transport and hybridization reactions
Gong et al. Effect of zwitterionic surfactants on the separation of proteins by capillary electrophoresis
JP4274301B2 (en) Sample buffer and method for high resolution gel electrophoresis of denatured nucleic acids
Thorne et al. The nature of the attachment of a regularly arranged surface protein to the outer membrane of an Acinetobacter sp
KR20140026400A (en) Method for electrophoresing nucleic acids, method for concentrating and purifying nucleic acids, cartridge for nucleic acid electrophoresis, and method for producing cartridge for nucleic acid electrophoresis
WO2010017109A1 (en) Systems and methods for quantitative analyte transfer
Gianazza et al. Which electrodic solutions for immobilized pH gradients?
DeSilva et al. Chiral separation of naphthalene‐2, 3‐dialdehyde labelled peptides by cyclodextrin‐modified electrokinetic chromatography
JP2004155687A (en) Method for eluting protein by isoelectric focusing method
JP3486981B2 (en) Liquid sample concentration method and liquid sample concentration device
Bhavsar et al. A method to increase efficiency and minimize anomalous electrophoretic transfer in protein blotting
JP4180229B2 (en) Fractionation and concentration of edible peptides
EP1520628A1 (en) Detecting interaction between substances
Altschul et al. [17] Zone electrophoresis with polyacrylamide gel
JP2004191161A (en) Hybridization method and device for the same
Cooper et al. Electronic gel protein transfer and identification using matrix‐assisted laser desorption/ionization‐mass spectrometry

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee