Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP5371302B2 - Single probe molecular device and single probe molecule fixed metal fine particle - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP5371302B2 - Single probe molecular device and single probe molecule fixed metal fine particle - Google Patents

Single probe molecular device and single probe molecule fixed metal fine particle Download PDF

Info

Publication number
JP5371302B2
JP5371302B2 JP2008183588A JP2008183588A JP5371302B2 JP 5371302 B2 JP5371302 B2 JP 5371302B2 JP 2008183588 A JP2008183588 A JP 2008183588A JP 2008183588 A JP2008183588 A JP 2008183588A JP 5371302 B2 JP5371302 B2 JP 5371302B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
molecule
dendron
probe
dna
metal fine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2008183588A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010025568A (en
Inventor
修 小木
千絵 南場
敏典 陳岡
洋一 高原
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.)
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
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 Hitachi High Technologies Corp filed Critical Hitachi High Technologies Corp
Priority to JP2008183588A priority Critical patent/JP5371302B2/en
Publication of JP2010025568A publication Critical patent/JP2010025568A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5371302B2 publication Critical patent/JP5371302B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a biomolecule detection element capable of detecting biomolecules on a single molecule level with high accuracy and high reproducibility. <P>SOLUTION: Metal particles having a single probe molecule immobilized on each surface are manufactured, and a single probe molecule element formed by immobilizing metal particles on the carrier substrate surface is manufactured. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、生体分子を検出するための単一プローブ分子素子及びこれを用いた生体分子検出方法に関するものである。   The present invention relates to a single probe molecular element for detecting a biomolecule and a biomolecule detection method using the same.

近年、核酸やタンパク質などの生体分子を特異的かつ網羅的に解析するための方法として、様々な生体分子検出素子の研究開発が進んでいる。こうした生体分子検出素子の重要な例として、ナノメートルからマイクロメートルサイズの微粒子の表面に生体分子を検出するためのプローブ分子を固定したプローブ分子固定微粒子がある。これまでに、プローブ分子固定微粒子を用いた様々な生体分子検出方法が報告されている。特に、ナノメートルサイズの金属微粒子の表面に核酸、タンパク質、糖鎖などのプローブ分子を固定したプローブ分子固定金属微粒子は、比較的容易に調製及び検出が可能であることから、非常に多くの活用例が報告されている。   In recent years, various biomolecule detection elements have been researched and developed as methods for specifically and comprehensively analyzing biomolecules such as nucleic acids and proteins. An important example of such a biomolecule detection element is a probe molecule-fixed fine particle in which a probe molecule for detecting a biomolecule is fixed on the surface of a nanometer to micrometer-size fine particle. So far, various biomolecule detection methods using probe molecule fixed fine particles have been reported. In particular, probe molecule-immobilized metal microparticles, in which probe molecules such as nucleic acids, proteins, and sugar chains are immobilized on the surface of nanometer-sized metal microparticles, can be prepared and detected relatively easily. Examples have been reported.

一方、高機能性材料の開発を指向したナノテクノロジーの研究が進展し、特徴的な幾何学構造を有するナノメートルサイズの分子が数多く開発されてきている。例えば、人工的に形状やサイズを制御することのできるナノメートルサイズの分子であるデンドリマー(Dendrimer)が報告されている。デンドリマーは単分散性の球状高分子であり、そのサイズは数ナノメートルから十数ナノメートル程度である。デンドリマーは、分子の中心部分にあるコアから外側に向かって枝分かれ構造を有している。コアから外側に向かってモノマー分子を繰り返し結合することにより、分岐数及び分子サイズが指数的に増大する。モノマー分子の結合の繰り返し回数を世代(Generation)と呼ぶ。図1に、代表的なデンドリマーであるポリアミドアミンデンドリマー(Poly(amidoamine) Dendrimer、略称PAMAMデンドリマー)の構造を示す。図1に示すPAMAMデンドリマーは、コアに相当するエチレンジアミン(Ethylenediamine)部分に対しモノマーであるメチルアクリレート(Methylacrylate)を2回結合させており、第2世代(Generation 2、略称G2)と呼ばれており、最表面に16個の末端アミノ基を有する。また、デンドロンなどの球状高分子の分子サイズを表す物理量として、回転半径(Radius of gyration、略記号RG)が使用される。球状高分子の回転半径は、光散乱法(Light scattering method)、小角中性子散乱法(Small-angle neutron scattering)及び小角X線散乱法(Small-angle X-ray scattering)により測定することが可能である。また、球状高分子の回転半径は、分子動力学シミュレーション(Molecular dynamics simulation)により見積もることも可能である。図2にPAMAMデンドリマーの世代と末端アミノ基数、及び回転半径の関係を示す。なお、図2に示したPAMAMデンドリマーの回転半径はLeeらにより報告された、中性pH溶液中での値である(Lee, I. et. al., Macromolecules, Vol.35, p.4510 (2000))。 On the other hand, research on nanotechnology aimed at the development of highly functional materials has progressed, and many nanometer-sized molecules having a characteristic geometric structure have been developed. For example, dendrimer, a nanometer-sized molecule that can be artificially controlled in shape and size, has been reported. Dendrimer is a monodisperse spherical polymer, and its size is about several nanometers to several tens of nanometers. The dendrimer has a branched structure from the core in the center of the molecule toward the outside. By repeatedly bonding monomer molecules outward from the core, the number of branches and the molecular size increase exponentially. The number of repetitions of monomer molecule bonding is called generation. FIG. 1 shows the structure of a polyamidoamine dendrimer (abbreviated as PAMAM dendrimer), which is a typical dendrimer. The PAMAM dendrimer shown in Fig. 1 is a second generation (Generation 2, abbreviated as G2) in which the monomer methyl acrylate is bonded twice to the ethylenediamine (Ethylenediamine) portion corresponding to the core. And 16 terminal amino groups on the outermost surface. In addition, a radius of gyration (abbreviation symbol R G ) is used as a physical quantity representing the molecular size of a spherical polymer such as dendron. The turning radius of a spherical polymer can be measured by the light scattering method, small-angle neutron scattering method, and small-angle X-ray scattering method. is there. In addition, the radius of rotation of the spherical polymer can be estimated by molecular dynamics simulation. FIG. 2 shows the relationship between the generation of PAMAM dendrimer, the number of terminal amino groups, and the radius of rotation. Note that the radius of rotation of the PAMAM dendrimer shown in FIG. 2 is a value in a neutral pH solution reported by Lee et al. (Lee, I. et. Al., Macromolecules, Vol. 35, p. 4510 ( 2000)).

特許文献1及び非特許文献1では、ジスルフィド結合を有するシスタミン(Cystamine)をコアとするPAMAMデンドリマーを出発物質とし、該PAMAMデンドリマーを二等分した半球状の構造を持つ分子であるデンドロン(Dendron)を合成する方法が開示されている。また、該デンドロンとDNA(Deoxylibonucleotide、デオキシリボ核酸)を反応させ、デンドロンとDNAが1:1で結合した結合体を合成する方法が開示されている。   In Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, Dendron, which is a molecule having a hemispherical structure in which a PAMAM dendrimer having a cystamine having a disulfide bond as a core is used as a starting material and the PAMAM dendrimer is divided into two equal parts. A method of synthesizing is disclosed. In addition, a method is disclosed in which the dendron and DNA (Deoxylibonucleotide, deoxyribonucleic acid) are reacted to synthesize a conjugate in which dendron and DNA are bound at a ratio of 1: 1.

米国特許第6,020,457号明細書U.S. Patent No. 6,020,457 Nano Letters Vol.4, No.5, p.771 (2004)Nano Letters Vol.4, No.5, p.771 (2004)

プローブ分子固定金属微粒子を用いて生体分子の定量的な検出を行うためには、金属微粒子表面に固定するプローブ分子の個数を制御することが非常に重要である。特に、生体分子の単一分子レベルでの定量的な検出を実現するためには、表面に単一プローブ分子を固定した金属微粒子の利用が必要不可欠である。従来の様々な公知例において使用されているプローブ分子固定金属微粒子は、金属微粒子及び金属微粒子と強く結合する末端官能基を持つプローブ分子を所定の混合比にて混合し反応させることにより製造されていることが多い。従って、この方法により製造されるプローブ分子固定金属微粒子は、表面に固定されたプローブ分子の個数に分布を持つ金属微粒子の混合物となってしまう。   In order to quantitatively detect biomolecules using the probe molecule-fixed metal fine particles, it is very important to control the number of probe molecules immobilized on the surface of the metal fine particles. In particular, in order to realize quantitative detection of a biomolecule at a single molecule level, it is indispensable to use metal fine particles having a single probe molecule immobilized on the surface. Probe molecule-fixed metal fine particles used in various conventional examples are manufactured by mixing and reacting metal fine particles and probe molecules having terminal functional groups that strongly bond to the metal fine particles at a predetermined mixing ratio. There are many. Accordingly, the probe molecule-fixed metal fine particles produced by this method become a mixture of metal fine particles having a distribution in the number of probe molecules immobilized on the surface.

本発明の目的は、生体分子を単一分子レベルで検出する生体分子検出素子において、表面に単一プローブ分子を固定した金属微粒子を利用することにより、生体分子の検出精度及び検出再現性を飛躍的に向上することである。この目的を達成するための課題は、表面に単一プローブ分子を固定した金属微粒子を高収率で製作すること、及び該金属微粒子を利用し、生体分子検出素子の表面に、解析対象である生体分子を1分子ずつ、高回収率で捕捉することである。   An object of the present invention is to dramatically improve the detection accuracy and reproducibility of biomolecules by utilizing metal microparticles with a single probe molecule fixed on the surface in a biomolecule detection element that detects biomolecules at a single molecule level. Is to improve. The problem to achieve this object is to produce metal fine particles with a single probe molecule fixed on the surface in high yield, and to use the metal fine particles on the surface of the biomolecule detection element to be analyzed. Capturing biomolecules one by one with high recovery.

本発明では、生体分子検出に用いるプローブ分子と金属微粒子を1:1で固定するため、以下の(1)〜(3)に示す特徴を有するリンカー分子を使用し、プローブ分子:リンカー分子:金属微粒子=1:1:1である単一プローブ分子固定金属微粒子を高収率で製作することにより課題を解決する。該リンカー分子が有するべき特徴は以下の(1)〜(3)である。   In the present invention, in order to fix the probe molecule and the metal fine particle used for biomolecule detection 1: 1, a linker molecule having the characteristics shown in the following (1) to (3) is used, and the probe molecule: linker molecule: metal The problem is solved by producing single probe molecule-fixed metal fine particles with fine particles = 1: 1: 1 in high yield. The characteristics that the linker molecule should have are the following (1) to (3).

(1)プローブ分子が持つ官能基と結合し得る官能基を1個だけ持つ
(2)金属微粒子の表面と結合し得る官能基を2個以上持つ
(3)リンカー分子の形状を球形近似したときの回転半径がR1であり、プローブ分子を固定する金属微粒子の回転半径R2との関係が、0.1 ≦ (R1/R2) ≦ 1.5を満たす
(1) Have only one functional group that can bind to the functional group of the probe molecule
(2) Having two or more functional groups that can bind to the surface of the metal fine particles
(3) When the shape of the linker molecule is approximated by a sphere, the radius of rotation is R 1 and the relationship with the radius of rotation R 2 of the metal fine particles fixing the probe molecule is 0.1 ≦ (R 1 / R 2 ) ≦ 1.5. Fulfill

上記(3)に示す特徴について説明する。本発明におけるリンカー分子の回転半径R1が金属微粒子の回転半径R2に対して非常に小さい場合、1個の金属微粒子の表面に、化学結合を介して2個以上のリンカー分子が結合する確率が高くなり、本発明の目的が達成できない。従って、リンカー分子の回転半径R1は金属微粒子の回転半径R2に対して小さすぎないことが必要であり、具体的には関係式0.1 ≦ (R1/R2)を満たすことが望ましい。一方、リンカー分子の回転半径R1が金属微粒子の回転半径R2に対して非常に大きい場合、1個のリンカー分子の末端官能基に対して、化学結合を介して2個以上の金属微粒子が固定する確率が高くなり、本発明の目的が達成できない。従って、リンカー分子の回転半径R1は、金属微粒子の回転半径R2に対して大きすぎないことが必要であり、具体的には関係式(R1/R2) ≦ 1.5を満たすことが望ましい。以上の条件を整理すると、本発明の目的を達成するためには、リンカー分子の回転半径R1は金属微粒子の粒子半径R2に対して関係式0.1 ≦ (R1/R2) ≦ 1.5を満たすことが望ましい。 The feature shown in (3) above will be described. When the rotation radius R 1 of the linker molecule in the present invention is very small relative to the rotation radius R 2 of the metal fine particle, the probability that two or more linker molecules are bonded to the surface of one metal fine particle via a chemical bond. And the object of the present invention cannot be achieved. Therefore, it is necessary that the rotation radius R 1 of the linker molecule is not too small with respect to the rotation radius R 2 of the metal fine particles, and specifically, it is desirable that the relational expression 0.1 ≦ (R 1 / R 2 ) is satisfied. On the other hand, when the rotation radius R 1 of the linker molecule is very large relative to the rotation radius R 2 of the metal fine particle, two or more metal fine particles are bonded to the terminal functional group of one linker molecule through a chemical bond. The probability of fixing becomes high and the object of the present invention cannot be achieved. Therefore, it is necessary that the rotation radius R 1 of the linker molecule is not too large with respect to the rotation radius R 2 of the metal fine particle, and specifically, it is desirable that the relational expression (R 1 / R 2 ) ≦ 1.5 is satisfied. . Summarizing the above conditions, in order to achieve the object of the present invention, the rotation radius R 1 of the linker molecule satisfies the relational expression 0.1 ≦ (R 1 / R 2 ) ≦ 1.5 with respect to the particle radius R 2 of the metal fine particles. It is desirable to satisfy.

以上の条件(1)〜(3)を満たすリンカー分子を使用することにより、プローブ分子:リンカー分子:金属微粒子=1:1:1である結合体、すなわち単一プローブ分子固定金属微粒子を高収率で製作することが可能となる。   By using a linker molecule that satisfies the above conditions (1) to (3), a probe molecule: linker molecule: metal fine particle = 1: 1: 1 conjugate, that is, a single probe molecule-fixed metal fine particle is obtained with high yield. It becomes possible to produce at a rate.

本発明による単一プローブ分子素子は、基板と、基板の表面に固定された複数の金属微粒子と、金属微粒子1個の表面に1個ずつ、化学結合を介して固定されたリンカー分子と、リンカー分子に1個ずつ、化学結合を介して結合されたプローブ分子とを有する。   A single probe molecular device according to the present invention includes a substrate, a plurality of metal fine particles fixed on the surface of the substrate, a linker molecule fixed on the surface of one metal fine particle, each via a chemical bond, and a linker. One probe molecule bonded to each molecule via a chemical bond.

また、本発明による単一プローブ分子固定金属微粒子は、金属微粒子と、金属微粒子の表面に化学結合を介して固定された1個のリンカー分子と、リンカー分子に化学結合を介して結合された1個のプローブ分子とを有する。   The single probe molecule-fixed metal fine particle according to the present invention includes a metal fine particle, one linker molecule fixed to the surface of the metal fine particle via a chemical bond, and 1 bonded to the linker molecule via a chemical bond. Probe molecules.

リンカー分子は、プローブ分子を化学結合し得る第一の末端官能基を1個だけ有し、金属微粒子に固定し得る2個以上の第二の末端官能基を有するものであり、デンドロン型分子が好ましい。   The linker molecule has only one first terminal functional group that can chemically bond the probe molecule, and two or more second terminal functional groups that can be fixed to the metal fine particle. preferable.

本発明によれば、生体分子を単一分子レベルで高精度及び高再現性にて検出するための単一プローブ分子固定金属微粒子、及びこれを利用した単一プローブ分子素子を提供することができる。この単一プローブ分子素子では、担体基板表面に単一プローブ分子固定金属微粒子が固定されているため、該単一プローブ分子を利用して、解析対象である生体分子を担体基板表面に1分子ずつ、高回収率で捕捉することが可能である。   According to the present invention, it is possible to provide a single probe molecule-fixed metal fine particle for detecting a biomolecule at a single molecule level with high accuracy and high reproducibility, and a single probe molecule element using the same. . In this single probe molecule element, single probe molecule-fixed metal fine particles are fixed on the surface of the carrier substrate. Therefore, by using the single probe molecule, the biomolecules to be analyzed are placed on the carrier substrate surface one molecule at a time. It is possible to capture at a high recovery rate.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図3(a)に、本発明による単一プローブ分子固定金属微粒子の一例を示す。解析対象となる生体分子を1分子だけ捕捉するための単一プローブ分子301が、末端官能基Zを介してリンカー分子303の末端官能基Xに結合する。すなわち、プローブ分子とリンカー分子は1:1で結合している。単一プローブ分子301を結合したリンカー分子303を、複数の末端官能基Yを介して金属微粒子306の表面に固定する。図3(a)では単一プローブ分子301が結合したリンカー分子303が、8個の末端官能基Yにより金属微粒子306の表面に固定されている。また、金属微粒子306の表面のうち、リンカー分子303により被覆されていない部分には、様々な分子の非特異的な吸着を阻害するための吸着阻害分子Wを結合する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 3A shows an example of single probe molecule-fixed metal fine particles according to the present invention. A single probe molecule 301 for capturing only one biomolecule to be analyzed binds to the terminal functional group X of the linker molecule 303 via the terminal functional group Z. That is, the probe molecule and the linker molecule are bound at 1: 1. The linker molecule 303 to which the single probe molecule 301 is bonded is fixed to the surface of the metal fine particle 306 via a plurality of terminal functional groups Y. In FIG. 3A, a linker molecule 303 to which a single probe molecule 301 is bonded is fixed to the surface of the metal fine particle 306 by eight terminal functional groups Y. Further, an adsorption inhibiting molecule W for inhibiting nonspecific adsorption of various molecules is bound to a portion of the surface of the metal fine particle 306 that is not covered with the linker molecule 303.

なお、図3(a)では金属微粒子として球形の微粒子を示したが、金属微粒子306の形状は円柱、円錐、角柱、角錐などでもよい。また、金属微粒子の材料としては、貴金属類である金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのいずれか、あるいはそれらの合金を用いることができる。あるいは、これらの貴金属類で作られた微粒子の上に他の貴金属類がコーティングされたもの、例えば金微粒子上に銀がコーティングされた微粒子を用いてもよい。本発明における金属微粒子の寸法は、金属微粒子の基板への固定安定性を確保するため、10nm以上が好適である。また、金属微粒子の表面に単一プローブ分子を高効率で固定するため、金属微粒子の寸法は100nm以下が好適である。従って、本発明における金属微粒子の寸法は、10nm以上100nm以下が好適である。   3A shows spherical fine particles as the metal fine particles, the shape of the metal fine particles 306 may be a cylinder, a cone, a prism, a pyramid, or the like. As the material for the metal fine particles, any of noble metals such as gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, or an alloy thereof can be used. Alternatively, fine particles obtained by coating fine particles made of these noble metals with other noble metals, for example, fine particles obtained by coating silver on gold fine particles may be used. The size of the metal fine particles in the present invention is preferably 10 nm or more in order to ensure the stability of fixing the metal fine particles to the substrate. Further, in order to fix a single probe molecule on the surface of the metal fine particle with high efficiency, the size of the metal fine particle is preferably 100 nm or less. Accordingly, the size of the metal fine particles in the present invention is preferably from 10 nm to 100 nm.

図3(b)に示すように、単一プローブ分子とリンカー分子を結合する場合には、リンカー分子の末端官能基Xと結合する官能基A、及び単一プローブ分子の末端官能基Zと結合する官能基Bの両方を持つ二官能性化合物312を用いてもよい。さらに図3(c)に示すように、単一プローブ分子が結合したリンカー分子を金属微粒子の表面に固定する場合には、リンカー分子313の末端官能基Yと結合する官能基C、及び金属微粒子の表面と結合する官能基Dを持つ二官能性化合物317を用いてもよい。   As shown in FIG. 3 (b), when a single probe molecule and a linker molecule are bound, the functional group A that binds to the terminal functional group X of the linker molecule and the terminal functional group Z of the single probe molecule are bound. Alternatively, a bifunctional compound 312 having both functional groups B to be used may be used. Further, as shown in FIG. 3C, when the linker molecule to which the single probe molecule is bonded is fixed to the surface of the metal fine particle, the functional group C bonded to the terminal functional group Y of the linker molecule 313, and the metal fine particle Alternatively, a bifunctional compound 317 having a functional group D that binds to the surface may be used.

図4に、本発明による、単一プローブ分子固定金属微粒子を使用した単一プローブ分子素子の一例を示す。担体基板401の表面に、化学結合により単一プローブ分子固定金属微粒子402を固定する。担体基板としてはガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属コーティング基板などを使用することが可能である。   FIG. 4 shows an example of a single probe molecular device using single probe molecule-fixed metal fine particles according to the present invention. Single probe molecule-fixed metal fine particles 402 are fixed to the surface of the carrier substrate 401 by chemical bonding. As the carrier substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a plastic substrate, a metal coating substrate, or the like can be used.

本実施例では、シスタミン(Cystamine)をコアとするPAMAMデンドリマー(世代はG0、G1、G2、G3、G4、G5、G6のいずれか)を出発物質として合成したデンドロンをリンカー分子として使用した。また、プローブ分子として1本鎖DNAを選択し、プローブ分子とリンカー分子を1:1で結合することにより、リンカー結合型プローブ分子、すなわちデンドロン結合型プローブDNAを合成した。デンドロン結合型プローブDNAの合成プロセスは、以下のプロセスから成る。   In this example, a dendron synthesized using a PAMAM dendrimer (generation is any one of G0, G1, G2, G3, G4, G5, and G6) having cystamine as a core was used as a linker molecule. In addition, a single-stranded DNA was selected as a probe molecule, and the probe molecule and the linker molecule were combined at a ratio of 1: 1 to synthesize a linker-bound probe molecule, that is, a dendron-bound probe DNA. The process of synthesizing the dendron-bound probe DNA consists of the following processes.

(1)デンドリマーへのカルボキシル基の導入
(2)デンドリマーのジスルフィド結合の切断
(3)1本鎖DNAへのマレイミド基の導入
(4)デンドロンと1本鎖DNAの結合
(5)ゲル電気泳動によるデンドロン結合型プローブDNAの分離・精製
(6)核酸抽出用試薬によるデンドロン結合型プローブDNAの分離・精製
(7)デンドロン結合型プローブDNAへの末端アミノ基の導入
(8)紫外・可視吸収スペクトル測定によるデンドロン結合型プローブDNAの定量
(9)金属微粒子へのデンドロン結合型プローブDNAの固定
(10)金属微粒子への吸着阻害分子の結合
(1) Introduction of carboxyl group into dendrimer (2) Cleavage of disulfide bond of dendrimer (3) Introduction of maleimide group into single-stranded DNA (4) Binding of dendron and single-stranded DNA (5) By gel electrophoresis Separation and purification of dendron-bound probe DNA (6) Separation and purification of dendron-bound probe DNA using nucleic acid extraction reagents (7) Introduction of terminal amino groups into dendron-bound probe DNA (8) Measurement of ultraviolet and visible absorption spectra Of dendron-bound probe DNA by HPLC (9) Immobilization of dendron-bound probe DNA to metal particles (10) Binding of adsorption-inhibiting molecules to metal particles

以下、図5に示す、シスタミンをコアとするG2-PAMAMデンドリマーを出発物質として、デンドロン結合型プローブDNAの合成プロセスを説明する。図5に示すG2-PAMAMデンドリマーは、シスタミンコアにジスルフィド結合501を、また最表面に末端アミノ基502を16個有する。なお、図6、図8、図10、図11では、PAMAM構造を簡略化して示す。例えば図6では、シスタミンをコアとするG2-PAMAMデンドリマーを601のように簡略化して示す。以下、各プロセスの詳細を述べる。   Hereinafter, the process of synthesizing a dendron-bound probe DNA will be described using a G2-PAMAM dendrimer having cystamine as a core shown in FIG. 5 as a starting material. The G2-PAMAM dendrimer shown in FIG. 5 has a disulfide bond 501 in the cystamine core and 16 terminal amino groups 502 on the outermost surface. In FIGS. 6, 8, 10, and 11, the PAMAM structure is simplified. For example, in FIG. 6, a G2-PAMAM dendrimer having cystamine as a core is simplified as 601. Details of each process will be described below.

(1)デンドリマーへのカルボキシル基の導入(図6)
G2-PAMAMデンドリマー601(Sigma社)100nmolを1×PBS(Phoshphate buffered saline、pH 10.0)に溶解したのち、G2-PAMAMデンドリマー601が最表面に有するアミノ基602の数(G2-PAMAMデンドリマー601の1分子当たり16個)の10倍量に相当する16μmolの無水コハク酸603を添加した。この溶液を25℃で16時間振とうして反応した。反応終了後、反応溶液を分子量カットオフフィルタ(MWCOフィルタ、分子量10k用、Millipore社)で処理することにより、未反応の無水コハク酸603を除去した。この反応により、G2-PAMAMデンドリマーの最表面にカルボキシル基604を導入した。なお、本実施例ではデンドリマーの末端アミノ基をカルボキシル基に変換するための化合物として無水コハク酸を使用したが、その他にもアミノ基に結合できる官能基、及び末端カルボキシル基を有する分子を使用することが可能である。例えば、図7に示すSCN-Bzl-DTPA(正式名称2-(4-Isothiocyanatobenzyl)-diethylenetriaminepentaacetic acid)はアミノ基と反応するイソチオシアナート基701を1個、及び末端カルボキシル基702を5個持つ。従って、この分子を使用すると、デンドリマーの末端アミノ基1個につき5個の末端カルボキシル基を導入し、デンドリマーの回転半径ならびに末端官能基数を増大することが可能である。
(1) Introduction of carboxyl group into dendrimer (Fig. 6)
After dissolving 100 nmol of G2-PAMAM dendrimer 601 (Sigma) in 1 × PBS (Phoshphate buffered saline, pH 10.0), the number of amino groups 602 on the outermost surface of G2-PAMAM dendrimer 601 (1 of G2-PAMAM dendrimer 601) 16 μmol of succinic anhydride 603 corresponding to 10 times the amount of 16 molecules per molecule) was added. This solution was reacted by shaking at 25 ° C. for 16 hours. After completion of the reaction, the reaction solution was treated with a molecular weight cut-off filter (MWCO filter, molecular weight 10 k, Millipore) to remove unreacted succinic anhydride 603. By this reaction, a carboxyl group 604 was introduced on the outermost surface of the G2-PAMAM dendrimer. In this example, succinic anhydride was used as a compound for converting the terminal amino group of the dendrimer into a carboxyl group, but in addition, a functional group capable of binding to an amino group and a molecule having a terminal carboxyl group are used. It is possible. For example, SCN-Bzl-DTPA (official name 2- (4-Isothiocyanatobenzyl) -diethylenetriaminepentaacetic acid) shown in FIG. 7 has one isothiocyanate group 701 that reacts with an amino group and five terminal carboxyl groups 702. Therefore, when this molecule is used, it is possible to introduce 5 terminal carboxyl groups for each terminal amino group of the dendrimer to increase the radius of rotation of the dendrimer and the number of terminal functional groups.

(2)デンドリマーのジスルフィド結合の切断(図8)
上記(1)で製作したカルボキシル基型G2-PAMAMデンドリマー801(分量100nmol)を、脱気及び窒素バブリング済みの1×PBS(pH 7.0)に溶解したのち、カルボキシル基型G2-PAMAMデンドリマー801の10倍量に相当するジチオトレイトール(Dithiothlaytol、略称DTT)802(分量1μmol)を添加した。この反応液を37℃に保温したインキュベータ中に2時間静置して反応を行った。この反応により、カルボキシル基型G2-PAMAMデンドリマー801が有するジスルフィド結合803が切断され、末端にチオール基805を有するG2-PAMAMデンドロン804を調製した。この反応においてG2-PAMAMデンドロン804は、G2-PAMAMデンドリマー801のシスタミンコアが有するジスルフィド結合の部分で切断される。従って、G2-PAMAMデンドロン804の回転半径は、G2-PAMAMデンドリマー801の回転半径の半分になる。反応終了後、反応液を25℃にてゲルろ過精製カラム(NAP-5 Column、GE Healthcare社)にて精製し、反応液から未反応のジチオトレイトール802を除去した。
(2) Breaking the disulfide bond of dendrimers (Figure 8)
After dissolving the carboxyl group-type G2-PAMAM dendrimer 801 (amount of 100 nmol) prepared in (1) above in 1 × PBS (pH 7.0) that has been degassed and nitrogen bubbling, the carboxyl group-type G2-PAMAM dendrimer 801 10 Dithiothlaytol (abbreviated as DTT) 802 (amount of 1 μmol) corresponding to the double amount was added. The reaction was allowed to stand for 2 hours in an incubator kept at 37 ° C. By this reaction, the disulfide bond 803 of the carboxyl group-type G2-PAMAM dendrimer 801 was cleaved to prepare G2-PAMAM dendron 804 having a thiol group 805 at the terminal. In this reaction, G2-PAMAM dendron 804 is cleaved at the disulfide bond portion of the cystamine core of G2-PAMAM dendrimer 801. Therefore, the turning radius of the G2-PAMAM dendron 804 is half that of the G2-PAMAM dendrimer 801. After completion of the reaction, the reaction solution was purified with a gel filtration purification column (NAP-5 Column, GE Healthcare) at 25 ° C., and unreacted dithiothreitol 802 was removed from the reaction solution.

(3)1本鎖DNAへのマレイミド基の導入(図9)
3’末端にアミノ基902を有する1本鎖DNA 901(塩基数10〜100、シグマジェノシス社)7.5nmolを1×PBS(pH 7.0)に溶解した。図9では5’末端に蛍光色素Cy3が結合している1本鎖DNAを示したが、5’末端の蛍光色素はCy3に限らず、Cy5、Alexaなどを使用してもよい。また、末端に蛍光色素が結合していない1本鎖DNAを使用してもよい。1本鎖DNA 901が溶解した反応液に、該1本鎖DNAの100倍量に相当するSulfosuccinimidyl 4-[N-maleimidomethyl]cyclohexane-1-carboxylate(略称sulfo-SMCC、Pierce社、図9中では904で示す)750nmolを添加し、25℃で遮光・振とうしながら2時間反応させた。この反応により、1本鎖DNA 901の3’末端側にマレイミド基905が導入された。反応終了後、反応液をゲルろ過精製カラム(NAP-5 Column、GE Healthcare社)にて精製し、未反応のsulfo-SMCC(904)を除去した。
(3) Introduction of maleimide group into single-stranded DNA (Fig. 9)
7.5 nmol of single-stranded DNA 901 (base number 10 to 100, Sigma Genosys) having an amino group 902 at the 3 ′ end was dissolved in 1 × PBS (pH 7.0). Although FIG. 9 shows single-stranded DNA in which the fluorescent dye Cy3 is bound to the 5 ′ end, the fluorescent dye at the 5 ′ end is not limited to Cy3, and Cy5, Alexa, or the like may be used. Alternatively, single-stranded DNA having no fluorescent dye bonded to the end may be used. In a reaction solution in which single-stranded DNA 901 is dissolved, Sulfosuccinimidyl 4- [N-maleimidomethyl] cyclohexane-1-carboxylate (abbreviated as sulfo-SMCC, Pierce, FIG. 9) corresponding to 100 times the amount of the single-stranded DNA. 750 nmol (shown by 904) was added, and the mixture was reacted at 25 ° C. for 2 hours while being shielded from light and shaken. By this reaction, a maleimide group 905 was introduced on the 3 ′ end side of the single-stranded DNA 901. After completion of the reaction, the reaction solution was purified with a gel filtration purification column (NAP-5 Column, GE Healthcare) to remove unreacted sulfo-SMCC (904).

(4)デンドロンと1本鎖DNAの結合(図10)
上記(1)及び(2)で製作したG2-PAMAMデンドロン1001及び上記(3)で製作したマレイミド基修飾1本鎖DNA 1003の溶液を1×PBS(pH 7.0)中で混合した。このとき、反応液中での化合物のモル比を、G2-PAMAMデンドロン:1本鎖DNA=3:1となるように混合した。反応液を遮光・振とうし、25℃で16時間反応した。この反応により、G2-PAMAMデンドロン1001の末端チオール基1002と、マレイミド基修飾1本鎖DNA 1003の末端マレイミド基1004が反応し、G2デンドロン結合型プローブDNA 1005が生成した。
(4) Binding of dendron and single-stranded DNA (Figure 10)
A solution of the G2-PAMAM dendron 1001 prepared in (1) and (2) above and the maleimide group-modified single-stranded DNA 1003 prepared in (3) above was mixed in 1 × PBS (pH 7.0). At this time, the molar ratio of the compounds in the reaction solution was mixed so that G2-PAMAM dendron: single-stranded DNA = 3: 1. The reaction solution was shielded from light and shaken, and reacted at 25 ° C. for 16 hours. By this reaction, the terminal thiol group 1002 of G2-PAMAM dendron 1001 and the terminal maleimide group 1004 of maleimide group-modified single-stranded DNA 1003 reacted to generate G2 dendron-binding probe DNA 1005.

(5)ゲル電気泳動によるデンドロン結合型プローブDNAの分離・精製
上記(4)で生成したG2デンドロン結合型プローブDNA 1005を含む反応液を、分子量カットオフフィルタ(MWCOフィルタ、分子量10k用、Millipore社)を使用して濃縮し、G2デンドロン結合型プローブDNA 1005の濃度をおよそ100μMに調製した。この濃縮液にDNA染色色素であるメチレンブルー(Methylene blue)を添加したのち、10%ポリアクリルアミドゲルに注入し、ゲル電気泳動を行った(印加電圧100V、泳動時間1時間)。電気泳動終了後、G2デンドロン結合型プローブDNA 1005の泳動バンドの位置を目視確認した。
(5) Separation and purification of dendron-bound probe DNA by gel electrophoresis The reaction solution containing the G2 dendron-bound probe DNA 1005 generated in (4) above was subjected to molecular weight cut-off filter (MWCO filter, for molecular weight of 10k, Millipore) The concentration of G2 dendron-bound probe DNA 1005 was adjusted to approximately 100 μM. Methylene blue, which is a DNA staining dye, was added to this concentrated solution, and then it was injected into a 10% polyacrylamide gel and subjected to gel electrophoresis (applied voltage: 100 V, migration time: 1 hour). After completion of electrophoresis, the position of the electrophoresis band of G2 dendron-binding probe DNA 1005 was visually confirmed.

(6)核酸抽出用試薬によるデンドロン結合型プローブDNAの分離・精製
上記(5)で示した電気泳動終了後のポリアクリルアミドゲルから、所望のG2デンドロン結合型プローブDNAに相当する泳動バンド(数mm角のゲル小片)を切り出した。このゲル小片を細かく磨りつぶし、DNA抽出用試薬であるMermaid-Spin kit(Q-Bio Gene社)を用いて、G2デンドロン結合型プローブDNAを抽出した。
(6) Separation and purification of dendron-bound probe DNA using nucleic acid extraction reagent From the polyacrylamide gel after completion of electrophoresis shown in (5) above, a migration band (several mm) corresponding to the desired G2 dendron-bound probe DNA A corner gel piece) was cut out. The gel pieces were finely ground and G2 dendron-bound probe DNA was extracted using a Mermaid-Spin kit (Q-Bio Gene), which is a DNA extraction reagent.

(7)デンドロン結合型プローブDNAへの末端アミノ基の導入(図11)
上記(6)で抽出したG2デンドロン結合型プローブDNA 1101を0.2Mリン酸ナトリウムバッファ(pH 7.5)に溶解した。この反応液にエチレンジアミン(Ethylenediamine)1103の溶液、及び1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド ハイドロクロライド、1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride、略称EDC、濃度2mg/ml)を添加した。この反応液を25℃で遮光・振とうしながら2時間反応した。この反応により、G2デンドロン結合型プローブDNA 1101の末端カルボキシル基1102にエチレンジアミン1103が結合し末端アミノ基1105が導入され、末端アミノ基を有するG2デンドロン結合型プローブDNA 1104が生成した。反応終了後、反応液をゲルろ過精製カラム(NAP-5 Column、GE Healthcare社)にて精製し、未反応のエチレンジアミン1103を除去した。
(7) Introduction of terminal amino group into dendron-binding probe DNA (FIG. 11)
The G2 dendron-bound probe DNA 1101 extracted in (6) above was dissolved in 0.2 M sodium phosphate buffer (pH 7.5). To this reaction solution, a solution of Ethylenediamine 1103, 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride, 1-Ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride, abbreviation EDC, concentration 2 mg / ml) was added. This reaction solution was reacted at 25 ° C. for 2 hours while being shielded from light and shaken. By this reaction, ethylenediamine 1103 was bonded to the terminal carboxyl group 1102 of the G2 dendron-bound probe DNA 1101 to introduce a terminal amino group 1105, and a G2 dendron-bound probe DNA 1104 having a terminal amino group was generated. After completion of the reaction, the reaction solution was purified with a gel filtration purification column (NAP-5 Column, GE Healthcare) to remove unreacted ethylenediamine 1103.

なお、本実施例ではデンドロンの末端カルボキシル基に結合する分子として、両末端にアミノ基を持つエチレンジアミンを使用した。その他にも、デンドロンの末端カルボキシル基に結合する官能基、及び金属微粒子の表面に結合する官能基を併せ持つ分子を使用することが可能である。例えば、以下の(a)から(c)に挙げるような分子を使用することが可能である。   In this example, ethylenediamine having amino groups at both ends was used as a molecule that binds to the terminal carboxyl group of the dendron. In addition, it is possible to use a molecule having both a functional group bonded to the terminal carboxyl group of the dendron and a functional group bonded to the surface of the metal fine particle. For example, the following molecules (a) to (c) can be used.

(a)両末端にアミノ基を有する分子(図12)
・Ethylenediamine(図12(a)、分子量60)
・3,3’-Iminobispropylamine(図12(b)、分子量131)
・1,6-Diaminohexane(図12(c)、分子量116)
・Jeffamine EDR-148(図12(d)、分子量148)
(b)両末端にアミノ基を有する直鎖型のポリエチレングリコール(Polyethleneglycol、略称PEG)
・SUNBRIGHT DE-010PA(分子量1,000)
・SUNBRIGHT DE-020PA(分子量2,000)
・SUNBRIGHT DE-034PA(分子量3,400)
・SUNBRIGHT DE-100PA(分子量10,000)
・SUNBRIGHT DE-200PA(分子量20,000)
・SUNBRIGHT DE-300PA(分子量30,000)
これらの分子は日本油脂から販売されている。これらの分子の一般的な構造式を図13に示す。
(A) Molecules having amino groups at both ends (FIG. 12)
Ethylenediamine (Fig. 12 (a), molecular weight 60)
・ 3,3'-Iminobispropylamine (Fig. 12 (b), molecular weight 131)
1,6-Diaminohexane (FIG. 12 (c), molecular weight 116)
・ Jeffamine EDR-148 (Fig. 12 (d), molecular weight 148)
(B) Linear polyethylene glycol having amino groups at both ends (Polyethleneglycol, abbreviated PEG)
・ SUNBRIGHT DE-010PA (Molecular weight 1,000)
・ SUNBRIGHT DE-020PA (Molecular weight 2,000)
・ SUNBRIGHT DE-034PA (Molecular weight 3,400)
・ SUNBRIGHT DE-100PA (molecular weight 10,000)
・ SUNBRIGHT DE-200PA (molecular weight 20,000)
・ SUNBRIGHT DE-300PA (molecular weight 30,000)
These molecules are sold by Nippon Oil. A general structural formula of these molecules is shown in FIG.

(c)4つの末端アミノ基をもつ分岐型のポリエチレングリコール(Polyethleneglycol、略称PEG)
・SUNBRIGHT PTE-100PA(分子量10,000)
・SUNBRIGHT PTE-200PA(分子量20,000)
これらの分子は日本油脂から販売されている。これらの分子の一般的な構造式を図14に示す。
(C) Branched polyethylene glycol having four terminal amino groups (Polyethleneglycol, abbreviated PEG)
・ SUNBRIGHT PTE-100PA (Molecular weight 10,000)
・ SUNBRIGHT PTE-200PA (molecular weight 20,000)
These molecules are sold by Nippon Oil. The general structural formula of these molecules is shown in FIG.

また、上記(a)から(c)の分子を用いてデンドロンの末端にアミノ基を導入した後、以下の(d)に挙げる分子を使用することにより、デンドロンの末端に2−ピリジルジチオール基(2-pyridyldithiol group)を導入することも可能である。これらの分子では、NHS(N-hydroxysuccinimide)エステル基がデンドロン末端のアミノ基と反応する。また、2−ピリジルジチオール基は金属表面と反応するとピリジン−2−チオン(Pyridine-2-thione)を放出し、硫黄原子が金属表面に配位結合を形成する。従って、(d)に挙げる分子を使用することにより、末端にアミノ基を有するデンドロンの回転半径を増大するとともに、金属微粒子と強く結合する2−ピリジルジチオール基を導入することが可能である。   In addition, after introducing an amino group at the end of the dendron using the above molecules (a) to (c), by using the molecule listed in (d) below, a 2-pyridyldithiol group ( It is also possible to introduce a 2-pyridyldithiol group). In these molecules, the NHS (N-hydroxysuccinimide) ester group reacts with the amino group at the end of the dendron. Further, when the 2-pyridyldithiol group reacts with the metal surface, it releases pyridine-2-thione, and the sulfur atom forms a coordinate bond on the metal surface. Therefore, by using the molecule listed in (d), it is possible to increase the rotational radius of the dendron having an amino group at the terminal and introduce a 2-pyridyldithiol group that strongly binds to the metal fine particles.

(d)NHSエステル基及び2−ピリジルジチオール基を有する分子(図15)
・SPDP(N-Succinimidyl-3-(2-pyridyldithio)propionate(図15(a)、分子量312.4)
・LC-SPDP(図15(b)、分子量425.52)
・Sulfo-LC-SPDP(図15(c)、分子量527.56)
これらの分子はThermo Fisher社から販売されている。
(D) Molecule having NHS ester group and 2-pyridyldithiol group (FIG. 15)
SPDP (N-Succinimidyl-3- (2-pyridyldithio) propionate (Fig. 15 (a), molecular weight 312.4)
LC-SPDP (Fig. 15 (b), molecular weight 425.52)
・ Sulfo-LC-SPDP (FIG. 15 (c), molecular weight 527.56)
These molecules are sold by Thermo Fisher.

(8)紫外・可視吸収スペクトル測定によるデンドロン結合型プローブDNAの定量
上記(7)で製作した、末端アミノ基を有するG2デンドロン結合型プローブDNA 1104を含む反応液の紫外・可視吸収スペクトル測定を行い、核酸の吸収極大波長である260nmの吸光度から、末端アミノ基を有するG2デンドロン結合型プローブDNAの濃度を決定した。
(8) Quantification of dendron-bound probe DNA by ultraviolet / visible absorption spectrum measurement Measure UV / visible absorption spectrum of the reaction solution prepared in (7) above, containing G2 dendron-bound probe DNA 1104 having a terminal amino group. The concentration of the G2 dendron-bound probe DNA having a terminal amino group was determined from the absorbance at 260 nm, which is the maximum absorption wavelength of nucleic acid.

(9)金属微粒子へのデンドロン結合型プローブDNAの固定
上記の方法に従って製作された末端アミノ基を有するG2デンドロン結合型プローブDNAを、金属微粒子の表面に結合する。本実施例では金属微粒子として金ナノ粒子(粒子径5〜100nm)を使用した。金ナノ粒子のクエン酸溶液中にビス−(p−(スルホナトフェニル)フェニルホスフィン(Bis-(p-sulfonatophenyl)phenylphosphine、濃度1mg/ml)を添加し、25℃で遮光・振とうしながら4時間反応した。反応終了後、反応液中にG2デンドロン結合型プローブDNA、及び塩化ナトリウム(NaCl、濃度10mM)を添加した。このとき、反応液中の金ナノ粒子に対するデンドロン結合型プローブDNAのモル比を適宜調整した。この反応液を25℃で遮光・振とうしながら20時間反応した。この反応によりG2デンドロン結合型プローブDNAが、複数の末端アミノ基を介して金ナノ粒子の表面に結合した。
(9) Immobilization of dendron-bound probe DNA on metal microparticles G2 dendron-bound probe DNA having a terminal amino group prepared according to the above method is bound to the surface of metal microparticles. In this example, gold nanoparticles (particle diameter: 5 to 100 nm) were used as the metal fine particles. Add bis- (p- (sulfonatophenyl) phenylphosphine, concentration 1 mg / ml) to the citric acid solution of gold nanoparticles, and add 4 mg while shaking and shaking at 25 ° C. After completion of the reaction, G2 dendron-bound probe DNA and sodium chloride (NaCl, concentration 10 mM) were added to the reaction solution, and the molar amount of the dendron-bound probe DNA with respect to the gold nanoparticles in the reaction solution. The reaction mixture was reacted for 20 hours while being shielded from light and shaken at 25 ° C. This reaction allowed the G2 dendron-bound probe DNA to bind to the surface of the gold nanoparticle via multiple terminal amino groups. did.

(10)金属微粒子への吸着阻害分子の固定
金属微粒子表面のうち、G2デンドロン結合型プローブDNAの固定により被覆されていない部分に、吸着阻害分子を固定する。本実施例では吸着阻害分子として、金属表面と強い配位結合を形成するチオール基、及び親水性を有するヒドロキシル基を併せ持つ1−メルカプトヘキサノール(1-Mercaptohexanol)又は2−メルカプトヘキサノール(2-Mercaptohexanol)を使用した。上記(9)で調製した、表面にG2デンドロン結合型プローブDNAを固定した金ナノ粒子の溶液にメルカプトヘキサノールの水溶液を添加し、25℃で遮光・振とうしながら0.5〜10時間反応した。
(10) Immobilization of adsorption-inhibiting molecules on metal fine particles An adsorption-inhibiting molecule is immobilized on a portion of the surface of the metal fine particles that is not coated with the G2 dendron-bound probe DNA. In this example, 1-mercaptohexanol or 2-mercaptohexanol having both a thiol group that forms a strong coordination bond with a metal surface and a hydrophilic hydroxyl group as an adsorption-inhibiting molecule. It was used. An aqueous solution of mercaptohexanol was added to the solution of gold nanoparticles prepared in (9) above with G2 dendron-bound probe DNA immobilized on the surface, and reacted for 0.5 to 10 hours while being shielded from light and shaken at 25 ° C.

なお、本実施例では金属微粒子の表面にデンドロン結合型プローブDNAを固定した後に吸着阻害分子を結合したが、デンドロン結合型プローブDNAと吸着阻害分子を同時に固定しても良い。すなわち、デンドロン結合型プローブDNA及び吸着阻害分子をともに溶解した溶液を調製し、この溶液と金属微粒子を反応させてもよい。   In this example, the dendron-binding probe DNA was immobilized on the surface of the metal fine particles and then the adsorption-inhibiting molecule was bound. However, the dendron-binding probe DNA and the adsorption-inhibiting molecule may be immobilized simultaneously. That is, a solution in which both the dendron-bound probe DNA and the adsorption-inhibiting molecule are dissolved may be prepared, and this solution may be reacted with the metal fine particles.

本実施例では、実施例1で開示した方法により製作した末端アミノ基を有するデンドロン結合型プローブDNAを表面に結合した金属微粒子の評価方法を示す。   In this example, a method for evaluating metal fine particles in which a dendron-bound probe DNA having a terminal amino group produced by the method disclosed in Example 1 is bound to the surface is shown.

本実施例では金属微粒子として金ナノ粒子(粒子径15nm及び50nm)を使用した。また、実施例1に示した方法に従って、デンドロンの世代数がG3及びG6であるデンドロン結合型プローブDNAを製作した。なお、プローブDNAとして5’末端に蛍光色素Cy3を有する塩基数50の合成オリゴDNAを使用した。   In this example, gold nanoparticles (particle diameters of 15 nm and 50 nm) were used as the metal fine particles. In addition, according to the method shown in Example 1, dendron-coupled probe DNAs with dendron generation numbers G3 and G6 were prepared. As the probe DNA, a 50-base synthetic oligo DNA having a fluorescent dye Cy3 at the 5 'end was used.

ビス−(p−(スルホナトフェニル)フェニルホスフィンと反応済みの金ナノ粒子(粒子径15nm又は50nm)とG3又はG6デンドロン結合型プローブDNAを混合した。このとき、反応液中のモル比を、金ナノ粒子:デンドロン結合型プローブDNA=1:10となるように調製した。この反応液を25℃で遮光・振とうしながら20時間反応した。この反応により、以下の4種類の金ナノ粒子を調製した。   Bis- (p- (sulfonatophenyl) phenylphosphine) and reacted gold nanoparticles (particle diameter 15 nm or 50 nm) and G3 or G6 dendron-bound probe DNA were mixed, and the molar ratio in the reaction solution was Gold nanoparticles: Dendron-coupled probe DNA was prepared to have a ratio of 1:10, and this reaction solution was reacted for 20 hours while being shielded from light and shaken at 25 ° C. By this reaction, the following four types of gold nanoparticles were obtained. Was prepared.

(A1)表面にG3デンドロン結合型プローブDNAが結合した金ナノ粒子(粒子径15nm)
(A2)表面にG3デンドロン結合型プローブDNAが結合した金ナノ粒子(粒子径50nm)
(A3)表面にG6デンドロン結合型プローブDNAが結合した金ナノ粒子(粒子径15nm)
(A4)表面にG6デンドロン結合型プローブDNAが結合した金ナノ粒子(粒子径50nm)
(A1) Gold nanoparticles with a G3 dendron-binding probe DNA bound to the surface (particle size 15 nm)
(A2) Gold nanoparticles with a G3 dendron-binding probe DNA bound to the surface (particle diameter 50 nm)
(A3) Gold nanoparticles with a G6 dendron-binding probe DNA bound to the surface (particle size 15 nm)
(A4) Gold nanoparticles with a G6 dendron-binding probe DNA bound to the surface (particle diameter 50 nm)

一方、対照サンプルとして、ビス−(p−(スルホナトフェニル)フェニルホスフィンと反応済みの金ナノ粒子(粒子径15nm又は50nm)溶液と、3’末端にチオール基、及び5’末端に蛍光色素Cy3を有するチオール修飾型プローブDNA(塩基数50、塩基配列は上記のデンドロン結合型プローブDNAの合成に使用した、5’末端に蛍光色素Cy3を有するプローブDNAと同一)と反応させた。このとき、反応液中のモル比を金ナノ粒子:チオール修飾型プローブDNA=1:10に調製した。この反応液を25℃で遮光・振とうしながら20時間反応した。この反応により、以下の2種類の金ナノ粒子を調製した。   On the other hand, as a control sample, a solution of gold nanoparticles (particle size 15 nm or 50 nm) reacted with bis- (p- (sulfonatophenyl) phenylphosphine), a thiol group at the 3 ′ end, and a fluorescent dye Cy3 at the 5 ′ end (The number of bases is 50 and the base sequence is the same as the probe DNA having the fluorescent dye Cy3 at the 5 ′ end used for the synthesis of the above-mentioned dendron-bound probe DNA). The molar ratio in the reaction solution was adjusted to gold nanoparticle: thiol-modified probe DNA = 1: 10, and this reaction solution was reacted for 20 hours while being shielded and shaken at 25 ° C. By this reaction, the following two types were prepared. Of gold nanoparticles were prepared.

(A5)表面にチオール修飾型プローブDNAが結合した金ナノ粒子(粒子径15nm)
(A6)表面にチオール修飾型プローブDNAが結合した金ナノ粒子(粒子径50nm)
(A5) Gold nanoparticles (particle size 15 nm) with thiol-modified probe DNA bound to the surface
(A6) Gold nanoparticles with thiol-modified probe DNA bound to the surface (particle size 50 nm)

上記の(A1)から(A6)の6種類の金ナノ粒子の分散液をそれぞれ石英基板上に滴下したのちカバーガラスで封入し、図16に示す蛍光検出システムに設置した。このシステムでは、励起レーザー光1601を石英基板などの担体基板1602の裏面から石英プリズム1603を通して全反射条件で入射させる。全反射条件で入射した励起レーザー光のうち、本実施例の解析対象である金ナノ粒子1604が配置された面に染み出したエバネッセント光によって、デンドロン結合型プローブDNA又はチオール基修飾型プローブDNAを介して金ナノ粒子1604に固定した蛍光分子Cy3 1607を励起する。蛍光分子Cy3から発せられた蛍光1608を基板上面から高感度CCDカメラ1609によって測定する。本システムを用いて1個ずつの金ナノ粒子1604に励起レーザー光を照射し、このとき発生した蛍光を高感度CCDカメラで受光し、Cy3の蛍光強度の時間変化を追跡した。図中、1605は単一プローブDNA、1606はCy3結合型ヌクレオチドである。   Each of the six types of gold nanoparticle dispersions (A1) to (A6) was dropped onto a quartz substrate, sealed with a cover glass, and installed in the fluorescence detection system shown in FIG. In this system, excitation laser light 1601 is incident from a back surface of a carrier substrate 1602 such as a quartz substrate through a quartz prism 1603 under total reflection conditions. Among the excitation laser light incident under the total reflection condition, dendron-binding probe DNA or thiol group-modified probe DNA is obtained by evanescent light that has oozed out on the surface on which the gold nanoparticles 1604 to be analyzed in this example are arranged. The fluorescent molecule Cy3 1607 immobilized on the gold nanoparticle 1604 is excited through the via. The fluorescence 1608 emitted from the fluorescent molecule Cy3 is measured from the upper surface of the substrate by the high sensitivity CCD camera 1609. Using this system, each gold nanoparticle 1604 was irradiated with excitation laser light, and the fluorescence generated at this time was received by a high-sensitivity CCD camera, and the temporal change in the fluorescence intensity of Cy3 was tracked. In the figure, 1605 is a single probe DNA, and 1606 is a Cy3-linked nucleotide.

デンドロン結合型プローブDNA又はチオール基修飾型プローブDNAが結合した金ナノ粒子が発する蛍光強度の時間変化の例を図17に示す。図17(a)から図17(d)に示す4つのグラフは、いずれも縦軸が蛍光強度(任意単位)、横軸が時間(単位:秒)である。デンドロン結合型プローブDNA又はチオール基修飾型プローブDNAが固定した金ナノ粒子が発する蛍光強度は、時間とともに階段状に減少した。これは、プローブDNAの末端に結合した蛍光分子Cy3が光励起され蛍光を発した後に消光する過程に対応している。蛍光分子1分子の消光過程が、蛍光強度の階段状減少の1段分に相当する。蛍光強度の減少の階段が0、1,2,3,4,…,N段である金ナノ粒子の表面には、末端に蛍光分子Cy3が結合したプローブDNAが0,1,2,3,4,…,N個固定していると判定する。すなわち、図17(a)からは、金ナノ粒子の表面に1個のプローブDNAが固定されていると判定される。同様に、図17(b)(c)(d)からは金ナノ粒子の表面に、プローブDNAがそれぞれ2個、3個、4個固定されていると判定される。   FIG. 17 shows an example of temporal change in fluorescence intensity emitted by the gold nanoparticles to which the dendron-bound probe DNA or thiol group-modified probe DNA is bound. In each of the four graphs shown in FIGS. 17A to 17D, the vertical axis represents fluorescence intensity (arbitrary unit) and the horizontal axis represents time (unit: second). The fluorescence intensity emitted by the gold nanoparticles to which the dendron-bound probe DNA or thiol group-modified probe DNA was immobilized decreased stepwise with time. This corresponds to the process of quenching after the fluorescent molecule Cy3 bound to the end of the probe DNA is photoexcited and emits fluorescence. The quenching process of one fluorescent molecule corresponds to one step of the stepwise decrease in fluorescence intensity. On the surface of the gold nanoparticle where the steps of decrease in the fluorescence intensity are 0, 1, 2, 3, 4,..., N, the probe DNA having the fluorescent molecule Cy3 bound to the end is 0, 1, 2, 3, 4, ..., N is determined to be fixed. That is, from FIG. 17A, it is determined that one probe DNA is immobilized on the surface of the gold nanoparticle. Similarly, from FIGS. 17B, 17C, and 17D, it is determined that two, three, and four probe DNAs are immobilized on the surface of the gold nanoparticle, respectively.

上記で調製した(A1)から(A6)の6種類の金ナノ粒子について、それぞれ金ナノ粒子1,000個の蛍光強度の時間変化を測定し、蛍光強度が1段で消光する金ナノ粒子、及び2段以上で消光する金ナノ粒子の割合を求めると、図18のようになった。   With respect to the six types of gold nanoparticles (A1) to (A6) prepared above, the gold nanoparticles whose fluorescence intensity is quenched in one step are measured by measuring the time change of the fluorescence intensity of 1,000 gold nanoparticles. FIG. 18 shows the ratio of gold nanoparticles that are quenched at the step or higher.

例えば、粒子径15nmの金ナノ粒子では、チオール基修飾型プローブDNAと反応した場合、1段消光を示す金ナノ粒子の割合が5%となった。従って、1個の蛍光分子Cy3、すなわち1個のチオール基修飾型プローブDNAが表面に固定した金ナノ粒子が5%存在することを示している。一方、G6デンドロン結合型プローブDNAと反応した場合、1段消光を示す金ナノ粒子の割合が95%となった。従って、1個の蛍光分子Cy3、すなわち1個のG6デンドロン結合型プローブDNAが固定した金ナノ粒子が95%存在することを示している。従って、図18に示した結果は、金ナノ粒子の粒子径、及びデンドロン結合型プローブDNAのサイズ、すなわちデンドロン部分の回転半径を適切に組み合わせることにより、単一プローブDNAを表面に固定した金ナノ粒子を高収率で製作できることを示している。   For example, in the case of a gold nanoparticle having a particle diameter of 15 nm, when reacted with a thiol group-modified probe DNA, the ratio of the gold nanoparticle exhibiting one-step quenching was 5%. Accordingly, it is shown that 5% of gold nanoparticles having one fluorescent molecule Cy3, that is, one thiol group-modified probe DNA immobilized on the surface are present. On the other hand, when reacted with G6 dendron-bound probe DNA, the percentage of gold nanoparticles showing one-step quenching was 95%. Therefore, it is shown that 95% of gold nanoparticles to which one fluorescent molecule Cy3, that is, one G6 dendron-binding probe DNA is immobilized, are present. Therefore, the results shown in FIG. 18 indicate that the gold nanoparticle having a single probe DNA immobilized on its surface can be obtained by appropriately combining the particle diameter of the gold nanoparticle and the size of the dendron-bound probe DNA, that is, the radius of rotation of the dendron portion. It shows that the particles can be produced in high yield.

なお、本実施例では溶液中での金ナノ粒子とデンドロン結合型プローブDNAのモル比を、金ナノ粒子:デンドロン結合型プローブDNA=1:10にて反応したが、このモル比を適宜調整することにより、単一プローブDNAを表面に固定した金ナノ粒子の収率をさらに高めることが可能である。   In this example, the molar ratio of the gold nanoparticles to the dendron-bound probe DNA in the solution was reacted at gold nanoparticles: dendron-bound probe DNA = 1: 10, but this molar ratio is adjusted appropriately. As a result, the yield of gold nanoparticles having a single probe DNA immobilized on the surface can be further increased.

本実施例では、実施例2で製作したデンドロン結合型プローブDNA固定金ナノ粒子を担体基板表面に固定した単一プローブ分子素子(その一例を図19に示す)の製造プロセスを説明する。デンドロン結合型プローブDNA固定金ナノ粒子を担体基板表面に固定した単一プローブ分子素子の製造プロセスは下記のプロセスから成る。   In this example, a manufacturing process of a single probe molecular element (an example of which is shown in FIG. 19) in which the dendron-bound probe DNA-immobilized gold nanoparticles produced in Example 2 are immobilized on the surface of a carrier substrate will be described. The manufacturing process of a single probe molecular device in which dendron-bound probe DNA-immobilized gold nanoparticles are immobilized on the surface of a carrier substrate includes the following processes.

(1)担体基板表面の金ナノ粒子固定用リンカー分子層の形成
(2)担体基板表面へのデンドロン結合型プローブDNA固定金ナノ粒子の固定
(3)担体基板表面の吸着阻害分子層の形成
以下、プローブDNAとしてチミン(Thymine、略記号T)が連続して20個結合したポリT20(PolyT20)を用いて、各プロセスについて説明する。
(1) Formation of a linker molecular layer for immobilizing gold nanoparticles on the surface of a carrier substrate (2) Immobilization of dendron-binding probe DNA-immobilized gold nanoparticles on the surface of a carrier substrate (3) Formation of an adsorption-inhibiting molecular layer on the surface of a carrier substrate Each process will be described using poly T20 (PolyT20) in which 20 thymines (abbreviated symbol T) are bound in succession as probe DNA.

(1)担体基板表面の金ナノ粒子固定用リンカー分子層の形成
洗浄した石英基板をシランカップリング剤である3−アミノプロピルトリメトキシシラン(3-Aminoprooyltrimethoxysilane)のメタノール溶液に5分間浸漬した。続いて基板をメタノールで洗浄したのち、80℃で2時間アニールを行った。このプロセスにより、石英基板表面に金ナノ粒子固定用のアミノ基が導入された。
(1) Formation of linker molecule layer for fixing gold nanoparticles on carrier substrate surface The washed quartz substrate was immersed in a methanol solution of 3-aminopropyltrimethoxysilane (3-Aminoprooyltrimethoxysilane) as a silane coupling agent for 5 minutes. Subsequently, the substrate was washed with methanol and then annealed at 80 ° C. for 2 hours. By this process, amino groups for fixing gold nanoparticles were introduced on the surface of the quartz substrate.

(2)担体基板表面へのデンドロン結合型プローブDNA固定金ナノ粒子の固定
アミノ基を導入した石英基板表面に、デンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子の溶液を滴下し、25℃にて16時間反応した。基板に滴下するデンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子溶液の濃度を0.01〜100nMに調製することにより、石英基板表面に固定されるデンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子の密度を調整した。
(2) Immobilization of dendron-bound probe DNA-immobilized gold nanoparticles on the surface of a carrier substrate A solution of dendron-bound polyT20-immobilized gold nanoparticles is dropped on the quartz substrate surface into which amino groups have been introduced, and reacted at 25 ° C for 16 hours. did. The density of the dendron-bonded PolyT20-fixed gold nanoparticles fixed on the quartz substrate surface was adjusted by adjusting the concentration of the dendron-bonded PolyT20-fixed gold nanoparticle solution dropped onto the substrate to 0.01 to 100 nM.

(3)担体基板表面の吸着阻害分子層の形成
担体基板上でデンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子が固定されなかった領域に、吸着阻害分子であるNHS(N-Hydroxysuccinimide)エステルを末端に有するポリエチレングリコール(以下、NHS-PEGと略記する)を結合した。具体的にはトリエタノールアミン(pH 8.0)で4mMに調製したNHS-PEG溶液に担体基板を浸漬し、25℃で1時間反応した。反応終了後、担体基板を純水で十分に洗浄した。
(3) Formation of adsorption-inhibiting molecular layer on the surface of carrier substrate Polyethylene having NHS (N-Hydroxysuccinimide) ester as an adsorption-inhibiting molecule in the region where dendron-bound PolyT20-immobilized gold nanoparticles are not immobilized on the carrier substrate Glycol (hereinafter abbreviated as NHS-PEG) was conjugated. Specifically, the support substrate was immersed in NHS-PEG solution prepared to 4 mM with triethanolamine (pH 8.0), and reacted at 25 ° C. for 1 hour. After completion of the reaction, the carrier substrate was sufficiently washed with pure water.

なお、本実施例では単一プローブ分子素子を製作する際に、金属微粒子にデンドロン結合型プローブDNAを固定した後に、この金属微粒子を基板表面に固定し、その後に金属微粒子が固定された部分以外の基板表面に吸着阻害分子を固定する方法を用いた。一方、金属微粒子を基板に固定した後に、金属微粒子が固定された部分以外の基板表面に吸着阻害分子を固定し、その後に金属微粒子の表面にデンドロン結合型プローブDNAを固定する方法を用いても良い。   In this example, when a single probe molecular element is manufactured, after fixing the dendron-binding probe DNA to the metal fine particles, the metal fine particles are fixed to the substrate surface, and then the portion other than the portion where the metal fine particles are fixed. The method of immobilizing adsorption-inhibiting molecules on the surface of the substrate was used. On the other hand, after fixing the metal fine particles to the substrate, it is possible to use a method in which the adsorption-inhibiting molecules are fixed to the surface of the substrate other than the portion where the metal fine particles are fixed, and then the dendron-binding probe DNA is fixed to the surface of the metal fine particles. good.

本実施例では、実施例3で製作した単一プローブ分子素子を用いてDNAシーケンシングを行った例を図19、図20、図21、図22により説明する。図19は、実施例3で製作した単一プローブ分子素子の一例を示す。石英基板1901に固定された金ナノ粒子1902の表面に固定された単一のデンドロン結合型PolyT20(1903)に対し、シーケンシング対象の単一DNA 1904をハイブリダイズさせた。すなわち、DNAのハイブリダイゼーション溶液である5×SSC(クエン酸バッファ、Standard saline citrate)、0.5%SDS(ドデシル硫酸ナトリウム、Sodium dodecyl sulfate)にてシーケンシンング対象DNAの溶液(濃度1nM〜1μM)を調製した。この溶液を単一プローブ分子素子表面の金ナノ粒子固定部分に滴下し、25℃にてハイブリダイゼーションを行った。なお、本実施例ではシーケンシング対象の単一DNAとして5’末端からアデニン(Adenine、略記号A)配列を連続して持つDNAをハイブリダイズさせた。この単一DNA分子1904の塩基配列を5’末端から3’末端の方向に示す。   In this example, an example in which DNA sequencing is performed using the single probe molecular element produced in Example 3 will be described with reference to FIGS. 19, 20, 21, and 22. FIG. FIG. 19 shows an example of a single probe molecular device fabricated in Example 3. Single DNA 1904 to be sequenced was hybridized to a single dendron-bound PolyT20 (1903) immobilized on the surface of gold nanoparticles 1902 immobilized on a quartz substrate 1901. That is, the DNA solution for DNA sequencing (concentration 1 nM to 1 μM) with 5 × SSC (citrate buffer, standard saline citrate) and 0.5% SDS (sodium dodecyl sulfate). Prepared. This solution was dropped on the gold nanoparticle fixed part on the surface of the single probe molecular element, and hybridization was performed at 25 ° C. In this example, DNA having adenine (abbreviated symbol A) sequence continuously from the 5 'end was hybridized as a single DNA to be sequenced. The base sequence of this single DNA molecule 1904 is shown from the 5 'end to the 3' end.

AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAGTCGAGCGGTAGCACAGAGAGCTTGCTCTCGGGTGACGAGCGGCGGACG(塩基数70)(配列番号1)   AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAGTCGAGCGGTAGCACAGAGAGCTTGCTCTCGGGTGACGAGCGGCGGACG (70 bases) (SEQ ID NO: 1)

次に、プローブDNAであるデンドロン結合型PolyT20(1903)をプライマーとして、単一DNA(1904)のシーケンシングを行った。シーケンシング対象のDNAをハイブリダイズさせた単一プローブ分子素子と、ヌクレオチド3リン酸のリン酸基末端に蛍光分子Cy3を有する4種類のヌクレオチドであるアデニン(Adenine、略記号A)、チミン(Thymine、略記号T)、グアニン(Guanine、略記号G)、シトシン(Cytosine、略記号C)をポリメラーゼ反応により反応させた。ここで用いた反応溶液は10mM トリス−塩酸(Tris-HCl)、5mM 塩化マグネシウム(MgCl2)溶液にて調製し、Cy3結合型の4種類のヌクレオチド、及びDNAポリメラーゼを溶解した。ポリメラーゼ反応によってシーケンシング対象の単一DNA(1904)の塩基配列と相補的な塩基を持つCy3結合型ヌクレオチドがプローブDNAであるデンドロン結合型PolyT20(1903)の5’末端に結合する。本実施例ではCy3結合型ヌクレオチドC(1905)の溶液を単一プローブ分子素子と反応させた場合、デンドロン結合型PolyT20(1903)の5’末端にCy3結合型ヌクレオチドCが結合する。これは、シーケンシング対象の単一DNA 1904において、5’末端のPolyA配列に隣接するヌクレオチドGに対して相補的なヌクレオチドCが結合するからである。 Next, single DNA (1904) was sequenced using probe DNA, dendron-bound PolyT20 (1903) as a primer. Single probe molecule element hybridized with DNA to be sequenced, adenine (Adenine, abbreviation A), and thymine (Thymine), which are four nucleotides having a fluorescent molecule Cy3 at the phosphate group end of nucleotide 3-phosphate Abbreviated symbol T), guanine (abbreviated symbol G), and cytosine (abbreviated symbol C) were reacted by polymerase reaction. The reaction solution used here was prepared with a solution of 10 mM Tris-HCl (Tris-HCl) and 5 mM magnesium chloride (MgCl 2 ), and four kinds of Cy3-linked nucleotides and DNA polymerase were dissolved. A Cy3-binding nucleotide having a base complementary to the base sequence of a single DNA to be sequenced (1904) is bound to the 5 ′ end of the dendron-binding PolyT20 (1903) as a probe DNA by the polymerase reaction. In this example, when a solution of Cy3-linked nucleotide C (1905) is reacted with a single probe molecular element, Cy3-linked nucleotide C is bound to the 5 ′ end of dendron-bound PolyT20 (1903). This is because in the single DNA 1904 to be sequenced, nucleotide C complementary to nucleotide G adjacent to the PolyA sequence at the 5 ′ end binds.

図20に示した蛍光検出システムを用いて、ポリメラーゼ反応中の蛍光画像を取得する。蛍光強度は石英基板上面から高感度CCDカメラ2011で測定した。励起光を全反射条件で照射することにより、蛍光分子Cy3(2009)が結合したヌクレオチドCが結合した金ナノ粒子2004からの蛍光が検出される。蛍光を検出した後、デンドロン結合型PolyT20(2005)に結合したヌクレオチドCのリン酸基が切断される。これにより、リン酸基の末端に結合していた蛍光分子Cy3(2009)がデンドロン結合型PolyT20(2005)から除去される。次に、単一プローブ分子素子をCy3結合型ヌクレオチドAの溶液と反応させると、シーケンシング対象の単一DNA(1904)のヌクレオチドGに隣接するTに、Cy3結合型ヌクレオチドAが結合する。このとき、金ナノ粒子からCy3の蛍光が検出される。以上のプロセスを繰り返すことにより、単一プローブ分子素子の表面に固定されたそれぞれの金ナノ粒子において、シーケンシング対象の単一DNAの塩基配列を読み取ることが可能であった。   A fluorescence image during the polymerase reaction is acquired using the fluorescence detection system shown in FIG. The fluorescence intensity was measured with a high sensitivity CCD camera 2011 from the upper surface of the quartz substrate. By irradiating the excitation light under total reflection conditions, fluorescence from the gold nanoparticle 2004 to which the nucleotide C to which the fluorescent molecule Cy3 (2009) is bound is bound is detected. After detecting fluorescence, the phosphate group of nucleotide C bound to dendron-bound PolyT20 (2005) is cleaved. As a result, the fluorescent molecule Cy3 (2009) bound to the end of the phosphate group is removed from the dendron-bound PolyT20 (2005). Next, when the single probe molecular element is reacted with a solution of Cy3 binding type nucleotide A, Cy3 binding type nucleotide A binds to T adjacent to nucleotide G of single DNA (1904) to be sequenced. At this time, fluorescence of Cy3 is detected from the gold nanoparticles. By repeating the above process, it was possible to read the base sequence of a single DNA to be sequenced in each gold nanoparticle fixed on the surface of a single probe molecular element.

デンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子を利用して製作した単一プローブ分子素子と比較するため、表面にPolyT20を直接結合した石英基板を製作した。本実施例で製作した、石英基板2102にデンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子2101を利用して製作した単一プローブ分子素子の概念図を図21(a)に、また表面にPolyT20(2103)を直接固定した石英基板2104の概念図を図21(b)に示した。これらの基板を用いて、単一DNAのシーケンシングを行うために、シーケンシング対象のDNAに含まれるある1塩基の伸長反応を行った。このときに得られた各基板上の蛍光輝点の蛍光強度のヒストグラムを図22に示した。デンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子を利用して製作した単一プローブ分子素子(図21(a))、ならびに表面にPolyT20を直接結合した石英基板(図21(b))のそれぞれについて、約3,000μm2の面積に含まれる蛍光輝点の強度を数値化した。その結果、表面にPolyT20を直接結合した石英基板では蛍光輝点の総数は約1,200個であった(図22中の「金ナノ粒子なし」で示すデータ)のに対し、デンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子を利用して製作した単一プローブ分子素子では約3,000個の蛍光輝点が検出された(図22中の「金ナノ粒子あり」で示すデータ)。 For comparison with a single probe molecular device fabricated using dendron-bonded PolyT20-fixed gold nanoparticles, a quartz substrate with PolyT20 bonded directly to the surface was fabricated. FIG. 21 (a) shows a conceptual diagram of a single probe molecular device manufactured in this example using a dendron-coupled PolyT20 fixed gold nanoparticle 2101 on a quartz substrate 2102, and PolyT20 (2103) on the surface. A conceptual diagram of the quartz substrate 2104 directly fixed is shown in FIG. In order to perform single DNA sequencing using these substrates, an extension reaction of one base contained in the DNA to be sequenced was performed. A histogram of the fluorescence intensity of the fluorescent bright spots on each substrate obtained at this time is shown in FIG. About 3,000 for each of the single-probe molecular device (FIG. 21 (a)) fabricated using the dendron-bonded PolyT20 fixed gold nanoparticles and the quartz substrate (FIG. 21 (b)) directly bonded to the surface of PolyT20. The intensity of the fluorescent bright spot included in the area of μm 2 was quantified. As a result, the total number of fluorescent bright spots in the quartz substrate with PolyT20 directly bonded to the surface was about 1,200 (data shown as “no gold nanoparticles” in FIG. 22), whereas dendron-coupled PolyT20 fixed gold. About 3,000 fluorescent bright spots were detected in the single probe molecular device fabricated using nanoparticles (data indicated by “with gold nanoparticles” in FIG. 22).

また、表面にPolyT20を直接結合した石英基板と比較して、デンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子を利用して製作した単一プローブ分子素子では蛍光強度の平均値が約3倍であるとともに、蛍光強度の標準偏差も半減した。表面にPolyT20を直接固定した石英基板では、PolyT20は基板表面にランダムに固定しており、隣接するPolyT20間の距離も一定ではなく、蛍光強度のばらつきが大きくなった。一方、デンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子を利用して製作した単一プローブ分子素子では、金ナノ粒子の表面に固定されたデンドロン結合型PolyT20が基板表面に1個ずつ、かつ距離が十分に離れて固定されており、より均質な反応条件下に置かれていることから、蛍光強度のバラツキが小さくなった。さらに、金ナノ粒子による蛍光増強効果により蛍光強度が増大することも確認された。従って、本実施例においてデンドロン結合型DNA固定金ナノ粒子を利用した単一プローブ分子素子では、DNAシーケンシングを高精度かつ高再現性にて実施できることが示された。   Compared to a quartz substrate with PolyT20 bonded directly to the surface, the single probe molecular device fabricated using dendron-bonded PolyT20 fixed gold nanoparticles has an average fluorescence intensity approximately three times higher than fluorescence. The standard deviation of intensity was also halved. In the quartz substrate with PolyT20 directly fixed on the surface, PolyT20 was randomly fixed on the substrate surface, the distance between adjacent PolyT20 was not constant, and the variation in fluorescence intensity was large. On the other hand, in a single probe molecular device fabricated using dendron-bonded PolyT20 fixed gold nanoparticles, one dendron-bonded PolyT20 fixed on the surface of the gold nanoparticle is placed on the substrate surface, and the distance is sufficiently large. The variation in the fluorescence intensity was reduced because it was placed under more homogeneous reaction conditions. Furthermore, it was also confirmed that the fluorescence intensity increased due to the fluorescence enhancement effect by the gold nanoparticles. Therefore, it was shown that DNA sequencing can be performed with high accuracy and high reproducibility in the single probe molecular device using the dendron-binding DNA-immobilized gold nanoparticles in this example.

本発明の単一プローブ分子素子は、核酸の網羅的定量解析を行うDNAマイクロアレイや核酸の塩基配列を解読するDNAシーケンサにおいて、単一分子レベルで精度及び再現性の高い検出を行うための生体分子検出素子として適用できる。また、該単一プローブ分子素子は、タンパク質や糖鎖などの生体分子、及び様々な化学物質を高精度及び高再現性にて検出するための検出素子として利用することが可能である。   The single probe molecular element of the present invention is a biomolecule for performing highly accurate and reproducible detection at the single molecule level in DNA microarrays for comprehensive quantitative analysis of nucleic acids and DNA sequencers for decoding nucleic acid base sequences. It can be applied as a detection element. The single probe molecular element can be used as a detection element for detecting biomolecules such as proteins and sugar chains and various chemical substances with high accuracy and high reproducibility.

エチレンジアミンのコアを有する第2世代のポリアミドアミンデンドリマー(G2-PAMAMデンドリマー)の構造を示す図。The figure which shows the structure of the 2nd generation polyamidoamine dendrimer (G2-PAMAM dendrimer) which has a core of ethylenediamine. エチレンジアミンのコアを有するPAMAMデンドリマーの世代と末端アミノ基数、及び回転半径の関係を示す図。The figure which shows the relationship of the generation of the PAMAM dendrimer which has a core of ethylenediamine, the number of terminal amino groups, and a turning radius. (a)単一プローブ分子固定金属微粒子を示す模式図、(b)単一プローブ分子とリンカー分子を結合する構造の変形例を示す図、(c)リンカー分子を金属微粒子の表面に固定する構造の変形例を示す図。(A) Schematic diagram showing a single probe molecule-fixed metal fine particle, (b) a diagram showing a modified example of a structure for binding a single probe molecule and a linker molecule, (c) a structure for fixing the linker molecule on the surface of the metal fine particle FIG. 単一プローブ分子固定金属微粒子を使用した単一プローブ分子素子を示す模式図。The schematic diagram which shows the single probe molecular element using a single probe molecule fixed metal microparticle. シスタミンのコアを有するG2-PAMAMデンドリマーの構造を示す図。The figure which shows the structure of G2-PAMAM dendrimer which has a cystamine core. デンドリマーへのカルボキシル基の導入プロセスを示す模式図。The schematic diagram which shows the introduction process of the carboxyl group to a dendrimer. SCN-Bzl-DTPAの構造を示す図。The figure which shows the structure of SCN-Bzl-DTPA. デンドリマーのジスルフィド結合の切断プロセスを示す模式図。The schematic diagram which shows the cutting process of the disulfide bond of a dendrimer. 1本鎖プローブDNAへのマレイミド基の導入プロセス示す模式図。The schematic diagram which shows the introduction | transduction process of the maleimide group to single stranded probe DNA. デンドロンと1本鎖プローブDNAの結合プロセスを示す模式図。Schematic diagram showing the binding process between dendron and single-stranded probe DNA. デンドロン結合型プローブDNAへのアミノ基の導入プロセスを示す模式図。The schematic diagram which shows the introduction process of the amino group to a dendron bond type probe DNA. 両末端にアミノ基を有する分子の構造を示す図。The figure which shows the structure of the molecule | numerator which has an amino group in both ends. 両末端にアミノ基を有する直鎖型のポリエチレングリコール分子の構造を示す図。The figure which shows the structure of the linear polyethyleneglycol molecule | numerator which has an amino group at both ends. 4つの末端アミノ基を有する分岐型のポリエチレングリコール分子の構造を示す図。The figure which shows the structure of the branched polyethylene glycol molecule | numerator which has four terminal amino groups. NHSエステル基及び2−ピリジルジチオール基を有する分子の構造を示す図。The figure which shows the structure of the molecule | numerator which has NHS ester group and 2-pyridyl dithiol group. 蛍光検出システムを示す模式図。The schematic diagram which shows a fluorescence detection system. プローブDNA結合型金ナノ粒子が発する蛍光強度の時間変化の例を示す図。The figure which shows the example of the time change of the fluorescence intensity which a probe DNA binding type gold nanoparticle emits. プローブDNA結合型金ナノ粒子の蛍光強度が1段で消光する割合、及び多段で消光する割合を示す図。The figure which shows the ratio which the fluorescence intensity of a probe DNA binding type gold nanoparticle quenches in one step, and the ratio which quenches in multiple steps. 単一プローブ分子素子を示す模式図。The schematic diagram which shows a single probe molecular element. 蛍光検出システムを示す模式図。The schematic diagram which shows a fluorescence detection system. (a)デンドロン結合型プローブDNA固定金ナノ粒子を利用して製作した単一プローブ分子素子、及び(b)表面にプローブDNAを直接固定した石英基板を示す模式図。(A) Schematic diagram showing a single probe molecular device fabricated using dendron-bonded probe DNA-immobilized gold nanoparticles, and (b) a quartz substrate on which probe DNA is directly immobilized on the surface. DNAシーケンシングの一塩基伸張反応中に検出した、基板上の蛍光輝点の蛍光強度のヒストグラム。Histogram of fluorescence intensity of fluorescent spots on the substrate detected during single-base extension reaction of DNA sequencing.

符号の説明Explanation of symbols

301:単一プローブ分子、303:リンカー分子、306:金属微粒子、312:二官能性化合物、313:リンカー分子、317:二官能性化合物、401:担体基板、402:単一プローブ分子固定金属微粒子、501:ジスルフィド結合、502:末端アミノ基、601:G2-PAMAMデンドリマー、602:アミノ基、603:無水コハク酸、604:カルボキシル基、701:イソチオシアナート基、702:末端カルボキシル基、801:G2-PAMAMデンドリマー、802:ジチオトレイトール、803:ジスルフィド結合、804:末端にチオール基を有するG2-PAMAMデンドロン、805:チオール基、901:1本鎖DNA、902:アミノ基、904:sulfo-SMCC、905:マレイミド基、1001:G2-PAMAMデンドロン、1002:末端チオール基、1003:マレイミド基修飾1本鎖DNA、1004:末端マレイミド基、1005:G2デンドロン結合型プローブDNA、1101:G2デンドロン結合型プローブDNA、1102:末端カルボキシル基、1103:エチレンジアミン、1104:末端アミノ基を有するG2デンドロン結合型プローブDNA、1105:末端アミノ基、1601:励起レーザー光、1602:担体基板、1603:石英プリズム、1604:金ナノ粒子、1605:単一プローブDNA、1606:Cy3結合型ヌクレオチド、1607:蛍光分子Cy3、1608:蛍光分子Cy3から発せられた蛍光、1609:高感度CCDカメラ、1901:石英基板、1902:金ナノ粒子、1903:デンドロン結合型PolyT20、1904:シーケンシング対象の単一DNA、1905:Cy3結合型ヌクレオチドC、2001:励起レーザー光、2002:石英基板、2003:石英プリズム、2004:金ナノ粒子、2005:デンドロン結合型PolyT20、2006:シーケンシング対象の単一DNA、2007:DNAポリメラーゼ、2008:ヌクレオチド、2009:蛍光分子Cy3、2010:蛍光分子Cy3から発せられた蛍光、2011:高感度CCDカメラ、2101:デンドロン結合型PolyT20固定金ナノ粒子、2102:石英基板、2103:PolyT20、2104:石英基板。 301: Single probe molecule, 303: Linker molecule, 306: Metal fine particle, 312: Bifunctional compound, 313: Linker molecule, 317: Bifunctional compound, 401: Support substrate, 402: Single probe molecule fixed metal fine particle 501: disulfide bond, 502: terminal amino group, 601: G2-PAMAM dendrimer, 602: amino group, 603: succinic anhydride, 604: carboxyl group, 701: isothiocyanate group, 702: terminal carboxyl group, 801: G2-PAMAM dendrimer, 802: dithiothreitol, 803: disulfide bond, 804: G2-PAMAM dendron having a thiol group at the terminal, 805: thiol group, 901: 1 single-stranded DNA, 902: amino group, 904: sulfo- SMCC, 905: maleimide group, 1001: G2-PAMAM dendron, 1002: terminal thiol Group: 1003: maleimide group-modified single-stranded DNA, 1004: terminal maleimide group, 1005: G2 dendron-binding probe DNA, 1101: G2 dendron-binding probe DNA, 1102: terminal carboxyl group, 1103: ethylenediamine, 1104: terminal amino Group-containing G2 dendron-binding probe DNA, 1105: terminal amino group, 1601: excitation laser beam, 1602: carrier substrate, 1603: quartz prism, 1604: gold nanoparticle, 1605: single probe DNA, 1606: Cy3 binding type Nucleotides, 1607: Fluorescent molecule Cy3, 1608: Fluorescence emitted from fluorescent molecule Cy3, 1609: High-sensitivity CCD camera, 1901: Quartz substrate, 1902: Gold nanoparticles, 1903: Dendron-binding PolyT20, 1904: Sequencing target Single DNA, 1905: Cy3-linked nucleotide C: 2001: Excitation laser light, 2002: Quartz substrate, 2003: Quartz prism, 2004: Gold nanoparticle, 2005: Dendron-binding PolyT20, 2006: Single DNA to be sequenced, 2007: DNA polymerase, 2008: Nucleotide 2009: fluorescent molecule Cy3, 2010: fluorescence emitted from fluorescent molecule Cy3, 2011: high sensitivity CCD camera, 2101: dendron-coupled PolyT20 fixed gold nanoparticles, 2102: quartz substrate, 2103: PolyT20, 2104: quartz substrate.

Claims (4)

基板と、
前記基板の表面に固定された複数の金属微粒子と、
前記金属微粒子1個の表面に1個ずつ、化学結合を介して固定されたリンカー分子と、
前記リンカー分子に1個ずつ、化学結合を介して結合されたプローブ分子とを有し、
前記リンカー分子はデンドロン型分子であることを特徴とする単一プローブ分子素子。
A substrate,
A plurality of fine metal particles fixed to the surface of the substrate;
A linker molecule fixed on the surface of each of the metal fine particles, one by one through a chemical bond;
A probe molecule bonded to the linker molecule one by one through a chemical bond,
A single probe molecular device, wherein the linker molecule is a dendron type molecule.
請求項に記載の単一プローブ分子素子において、前記デンドロン型分子は、ポリアミドアミン構造を有するデンドロン型分子であることを特徴とする、単一プローブ分子素子。 2. The single probe molecular device according to claim 1 , wherein the dendron type molecule is a dendron type molecule having a polyamidoamine structure. 金属微粒子と、
前記金属微粒子の表面に化学結合を介して固定された1個のリンカー分子と、
前記リンカー分子に化学結合を介して結合された1個のプローブ分子とを有し、
前記リンカー分子はデンドロン型分子であることを特徴とする単一プローブ分子固定金属微粒子。
Metal fine particles,
One linker molecule fixed to the surface of the metal fine particle through a chemical bond;
A probe molecule bonded to the linker molecule via a chemical bond,
The linker molecule is a dendron type molecule, and the single probe molecule-fixed metal fine particle.
請求項に記載の単一プローブ分子固定金属微粒子において、前記デンドロン型分子は、ポリアミドアミン構造を有するデンドロン型分子であることを特徴とする、単一プローブ分子固定金属微粒子。
4. The single probe molecule-fixed metal fine particle according to claim 3 , wherein the dendron type molecule is a dendron type molecule having a polyamidoamine structure.
JP2008183588A 2008-07-15 2008-07-15 Single probe molecular device and single probe molecule fixed metal fine particle Expired - Fee Related JP5371302B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008183588A JP5371302B2 (en) 2008-07-15 2008-07-15 Single probe molecular device and single probe molecule fixed metal fine particle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008183588A JP5371302B2 (en) 2008-07-15 2008-07-15 Single probe molecular device and single probe molecule fixed metal fine particle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010025568A JP2010025568A (en) 2010-02-04
JP5371302B2 true JP5371302B2 (en) 2013-12-18

Family

ID=41731560

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008183588A Expired - Fee Related JP5371302B2 (en) 2008-07-15 2008-07-15 Single probe molecular device and single probe molecule fixed metal fine particle

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5371302B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8586371B2 (en) * 2010-02-24 2013-11-19 Exelis Inc. Optical sensors including surface modified phase-change materials for detection of chemical, biological and explosive compounds
JP5309092B2 (en) * 2010-07-20 2013-10-09 株式会社日立ハイテクノロジーズ Nucleic acid analysis device, nucleic acid analysis device, and method of manufacturing nucleic acid analysis device
JP5762225B2 (en) * 2011-09-08 2015-08-12 新留 康郎 Analysis method using silver shell gold nanorods
CN113788951A (en) * 2021-10-08 2021-12-14 天津力博生物科技有限公司 Polyamino acid for mRNA vaccine targeted delivery and preparation method and application thereof
CN117186873A (en) * 2023-08-01 2023-12-08 浙江工业大学 Ratio type fluorescent probe for detecting thiocyanate ions and preparation method and application thereof

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7507530B2 (en) * 2002-08-27 2009-03-24 E. I. Du Pont De Nemours And Company Nanoparticle complexes having a defined number of ligands
JP2006030155A (en) * 2004-07-20 2006-02-02 Yukio Nagasaki Plate assay using spectroscopy
JP2007171158A (en) * 2005-11-25 2007-07-05 Hitachi Ltd Biomolecule detection element, manufacturing method thereof, and biomolecule detection method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010025568A (en) 2010-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Single functionalized pRNA/gold nanoparticle for ultrasensitive microRNA detection using electrochemical surface‐enhanced Raman spectroscopy
KR101467667B1 (en) Nanoparticles in the shape of nanosnowman with a head part and a body part, a preparation method thereof and a detection method using the same
Le Berre et al. Dendrimeric coating of glass slides for sensitive DNA microarrays analysis
JP4754213B2 (en) SERRS active particles
Ki et al. Sensitive plasmonic detection of miR-10b in biological samples using enzyme-assisted target recycling and developed LSPR probe
CN109562142A (en) DNA sequencing by synthesis using nucleotide analogs and Raman detection
US20040023248A1 (en) Methods and reagents for improving nucleic acid detection
JP2002508191A (en) Diagnostic nucleic acid ligand biochip
JP5371302B2 (en) Single probe molecular device and single probe molecule fixed metal fine particle
JP4444502B2 (en) Nucleic acid sequence identification
JP2013513796A (en) Dimeric core-shell nanoparticles in which the Raman-active molecule is located at the junction of the nanoparticle dimer, its use, and its production method
Schultz et al. Dual-color nanoscale assemblies of structurally stable, few-atom silver clusters, as reported by fluorescence resonance energy transfer
JP4853972B2 (en) Method for detecting target molecules in samples using molecularly imprinted fine particles
EP2774978B1 (en) Nucleic acid amplification method
JP2007524347A (en) Label-free gene expression profiling using universal nanoparticle probes in microarray format assays
JP5214941B2 (en) Single probe molecular device and method for producing single probe molecular device
Yang et al. Well-ordered Au@ Ag NBPs/SiO2 nanoarray for sensitive detection of chloramphenicol via DNAzyme-assisted SERS sensing
KR20100122366A (en) Magnetic nanoparticles for nucleic acid sequencing and the method using the same
JP4959327B2 (en) Rotaxane compound, solid substrate to which rotaxane compound is bonded, and biochip using the same
JP5822929B2 (en) Nucleic acid analyzer
EP3598107B1 (en) Detection method of target analyte using gold nanoprobe through overgrowth of copper crystal
US20060275756A1 (en) Displacement assay for detecting ligate-ligand association events
JP4137898B2 (en) Method for immobilizing biomolecules non-covalently on a solid substrate and microarray produced thereby
JP4635707B2 (en) Detection surface, method for producing the detection surface, and method for controlling the fixed density of the probe substance
JP2003075402A (en) Nucleic-acid-fragment fixed electrode and its use

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110225

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130228

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130305

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130314

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

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130827

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130917

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees