(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
0006010236.tif 000047
【請求項２】
0006010236.tif 000048
【請求項３】
0006010236.tif 000049
【請求項４】
前記化学修飾が、ミニＰＥＧコンジュゲートセリン由来γ−ＰＮＡで核酸断片の糖リン酸ジエステル主鎖を置き換えることを含む、請求項３に記載の組成物。
【請求項５】
前記化学修飾が、核酸断片中の少なくとも１つのヌクレオシドの窒素塩基の代わりに三環シトシン類似体を置換することを含む、請求項３に記載の組成物。
【請求項６】
前記化学修飾が、ヌクレオチド中の糖部分の２’−位にヘテロ原子を導入することを含む、請求項３に記載の組成物。
【請求項７】
0006010236.tif 000050
【請求項８】
各断片が、５塩基〜５０塩基長である、請求項１に記載の組成物。
【請求項９】
一本鎖である各断片が、５塩基〜３０塩基長である、請求項１に記載の組成物。
【請求項１０】
薬学的に許容できる担体を更に含む、請求項１に記載の組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１３年１月１８日に出願された米国特許仮出願第６１／７５４，３３９号に対して米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、及び２０１３年３月１３日に出願の米国特許出願第１３／８０１，７６２号に対して米国特許法第１２０条の下で利益を主張するものであり、それぞれの内容をその全体において参照により本明細書に組み込む。
【背景技術】
【０００２】
一部において、分子によるナノスケールコンピュータは、特定の計算問題を解決するのに好適な場合があるので、そのようなコンピュータを作製することは多くの可能性をもたらす。特に、生体分子を利用するコンピュータは、生物学的環境に適合しており、複雑な疾患の診断又は更に治療に使用できる可能性がある。
【０００３】
１つの核酸配列を別の配列に変換する能力により、原理的には、核酸による論理ゲート及びネットワークを作ることが可能になる。これらのゲート並びにネットワークは、ハイブリダイゼーション及び鎖置換といった２つの事象によって駆動され、一般にその両方が熱力学的に有利であり、即ちそれらは高エネルギー状態から低エネルギー状態への移行に関わる。したがって、両事象は、系内で自発的に起こり得る。
【０００４】
ハイブリダイゼーションは、核酸の遊離した、一本鎖の領域を含む。したがって、核酸ネットワークは、これらの遊離した鎖の利用能によって調節できる。
【０００５】
「捕捉事象」により、特定の配列は、条件つきで残りのネットワークに利用できるようになる。そのような事象は、トランスレータの構築に権限を与え、トランスレータは１つの一本鎖核酸配列を異なる一本鎖核酸配列に変換する。これらのトランスレータは、核酸を用いてＡＮＤ、ＮＯＴ、ＯＲ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＸＯＲ及びＸＮＯＲなどの基本的な論理演算子を作ることができる基礎になる。これらの及び他の論理成分から、増幅器などの成分を含むより大きいネットワークを構築することができる。したがって、これらの変換事象は、核酸及び分子コンピューティングによる情報処理に重要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
0006010236.tif 000002
【０００７】
0006010236.tif 000003
【０００８】
0006010236.tif 000004
【０００９】
本技術を実施するのに適切な化学修飾は、ミニＰＥＧコンジュゲートセリン由来γ−ＰＮＡで核酸断片の糖リン酸ジエステル主鎖を置き換えることを含むが、これに限定されない。いくつかの態様において、化学修飾は、核酸断片中の少なくとも１つのヌクレオシドの窒素塩基の代わりに三環シトシン類似体を置換することを含む。一態様において、化学修飾は、ヌクレオチド中の糖部分の２’−位にヘテロ原子を導入することを含む。
【００１０】
複合体及びその関係についての図解を図６Ａに見ることができ、トランスレータ１０２は第１複合体に対応し、トランスレータ１０３は第２複合体に対応し、トランスレータ１０４は第３複合体に対応する。同様に、図１０〜１３、１４Ａ〜Ｄ並びに１５〜１６も、個々のトランスレータ及びその組み合わせであるトランスレータ１セット（又は組成物の形態）を含めた、本開示の範囲内にあるトランスレータ（核酸複合体）を例示する。
【００１１】
一態様において、各断片は、約５塩基〜約５０塩基長である。別の態様において、一本鎖である各断片は、約５塩基〜約３０塩基長である。
【００１２】
各組成物が薬学的に許容できる担体を任意選択で更に含むことができることも本開示の範囲内である。本開示のいくつかの実施形態は、本開示の組成物又は複合体を含む細胞を更に提供する。
【００１３】
開示されている技術の特定の態様をシミュレーションし、設計し、記録し、報告し又は分析するのに適当なコンピュータ実装方法及びコンピュータ読み込み可能な固定式の媒体もここで提供される。
【００１４】
この開示の実施形態として提供されるものは、説明のためだけに例示されるものであり、制限するものでない図面である：
【図面の簡単な説明】
【００１５】
0006010236.tif 000005
0006010236.tif 000006
【００１６】
図のいくつか又は全ては、説明のための略図であり、それ故、それらは、示されたエレメントの実際の相対的サイズ又は位置を必ずしも表すわけではない。図は、明確な理解と共に１つ以上の実施形態を例示する目的で表され、以下に続く請求の範囲又は意味を制限するために使用されるものではない。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
固相捕捉、トーホールド捕捉並びにトーホールド交換は、核酸配列を変換して論理演算子及びネットワークを作るために使用できる様々な手法の一つである。以下でより詳細に記載されている通り、これら３つの特定の手法は、三者間の、トーホールドに媒介される分岐点移動反応を利用する幾何学的形状によって例証される。更なる機序としては、四者間分岐点移動、四者間加速移動、及び複数鎖複合体移動を含むがこれに限定されない分岐点移動反応が考え得る。
【００１８】
したがって、例示目的で三者間分岐点移動を利用する実施形態を以下に記載するが、本発明は、他の分岐点移動経路を利用するために作られるＤＮＡ論理ゲート及びネットワークについて考察する。これとは逆に、本発明の実施形態は、任意の分岐点移動反応に適用することができる。
【００１９】
0006010236.tif 000007
【００２０】
用語「オリゴヌクレオチド」、「ポリヌクレオチド」及び「核酸」は、核酸分子の全ての形態を包含するためにここで使用される。それだけには限らないが、この部類は、それぞれ修飾を持つ及び持たない、リボ核酸（ＲＮＡ）、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、ペプチド核酸（ＰＮＡ）並びにその誘導体を含む。
【００２１】
固相捕捉
固相捕捉とは、ビーズ、ナノ粒子又は表面を用いる、適当な配列／鎖の空間的な物理的分離を伴う。この手法は部位分離の原理を利用しており、有機化学において大量に使用されてきた。固相捕捉された幾何学的形状におけるこれらの置換事象の時期は、必要な鎖が系の溶液相にあるか又は固相にあるかを調節することによって制御することができる。
【００２２】
図１Ａは、系が１つの核酸配列を別の配列と置換することを可能にする成分である、トランスレータの基本的な固相捕捉構成を示す。鎖Ａ’−Ｘ’の場合、Ａ並びにＸのそれぞれは、任意の長さ及び配列のオリゴヌクレオチドの領域を表し、Ｘ’並びにＡ’は、それぞれの逆相補を表す。固体支持体に結合されている鎖Ａ’−Ｘ’は、Ｙ−Ｂ−Ｘに最初にハイブリダイズされ、不完全に塩基対合した二本鎖形態の核酸構造を形成し、この構造はトランスレータとして機能することができる。この配置において、鎖Ｙ−Ｂ−Ｘは固相捕捉されており、それ故、系の残りと相互作用することはできない。更に、「ポリヌクレオチド置換分子」と呼ばれる鎖Ｘ−Ａの存在下で、鎖Ｙ−Ｂ−Ｘを固体支持体から外し、系の溶液相に露出させることができ、その一方で鎖Ｘ−Ａが支持体に結合される。この動作は、２つのステップを含み；第１は、相補配列ＡとＡ’とのハイブリダイゼーションである（「トーホールド結合」としばしば称される）。第２ステップにおいて、鎖Ｘ−ＡのＸ領域は、Ａ’−Ｘ’のＸ’領域に結合し、Ｙ−Ｂ−ＸのＸ領域を外し、溶液中にこの鎖を放出し、一方でＸ−Ａは固体支持体に結合したまま残る（このステップは、「分岐点移動反応」としばしば称される）。この２ステップ過程により、遊離Ｘ−Ａ鎖の遊離Ｙ−Ｂ−Ｘ鎖への変換が、効果的に可能になる。
【００２３】
図１Ｂは、不完全に塩基対合した二本鎖である「トランスレータ１」と相互作用する入力鎖Ｘ−Ａを有する系を示す。出力は、「不用な」産物と考えられる完全に塩基対合した二本鎖、Ａ’−Ｘ’／Ｘ−Ａ、及び「出力１」と称され、別の反応において「入力２」として使用することができる出力鎖Ｙ−Ｂ−Ｘを含む。「入力２」は、「トランスレータ２」と相互作用し、「出力２」及び別の不用な産物を生じる。この図において、鎖Ｙ−Ｂ−ＸのＢ領域は、このネットワークにおける配列の捕捉を例示する。開始時に、Ｙ−Ｂ−Ｘはトランスレータ２のＢ’領域とハイブリダイズすることができない、何故なら両者は別々の固体支持体上で分離されているからである。入力１がトランスレータ１に結合し、溶液中にＹ−Ｂ−Ｘを放出したら、その後Ｙ−Ｂ−Ｘはトランスレータ２と相互作用することができる。したがって、Ｙ−Ｂ−Ｘとトランスレータ２が相互作用する能力は、入力１の存在を条件とする。
【００２４】
１つの固体表面に結合している鎖は、立体効果のため別の固体表面にある鎖と非常にゆっくりとしか相互作用しない。結果的に、溶液相中にある鎖が、固相演算子と相互作用することができる唯一の成分である。
【００２５】
トーホールド捕捉
トーホールド捕捉は、固相トランスレータと同じ動作を果たすが、二本鎖中に結合している配列領域を保つことによって機能する。まさに固相トランスレータの場合のように、置換事象は、対象の配列を遊離させることができる。鎖の全ては、溶液中に一緒に存在することができ、その結果、置換事象は、トーホールドの利用能によって調節される。ここで用語「トーホールド」とは、置換事象のための出発点を提供する一本鎖核酸配列の短い領域のことを指す。
【００２６】
図２Ａは、図１Ａのそれと類似しているが固相捕捉ではなくトーホールドに基づく、トーホールド捕捉されたトランスレータを示す。この例において、トランスレータのＡ’領域は、入力鎖を結合するトーホールドであり、鎖置換反応を進行可能にする。
【００２７】
図２Ｂは、不完全に塩基対合した二本鎖である「トランスレータ１」と相互作用する入力鎖Ａ−Ｘ−Ｂを有するトーホールド型の系を示す。出力は、不用な産物、即ち完全に塩基対合した二本鎖であるＢ’−Ｘ’−Ａ’／Ａ−Ｘ−Ｂ、及び別の反応において「入力２」として使用することができる「出力１」鎖Ｘ−Ｂ−Ｙ−Ｃを含む。「入力２」は、「トランスレータ２」と相互作用し、「出力２」及び別の不用な産物を生じる。この図において、Ｘ−Ｂ−Ｙ−ＣのＢ領域は相補的Ｂ’領域にハイブリダイズされることによってトランスレータ１に捕捉され、したがって、トランスレータ２のＢ’領域と相互作用することができない。トランスレータ２と相互作用するＸ−Ｂ−Ｙ−Ｃの能力は、系中の入力１（Ａ−Ｘ−Ｂ）の存在を条件とする。
【００２８】
トーホールド幾何学的形状の適用は潜在的に非常に有用であるが、現在まで、そのようなトーホールド幾何学的形状を含有する系が情報を伝搬できる速度によって限定されてきた。従来のトーホールド捕捉手法における固有の制限は、得られる伝搬を生物学的に有用な時間規模以下にしばしば減速することがある。より具体的には、トーホールド捕捉トランスレータは、衝突相互作用の結果として狭いダイナミックレンジの濃度においてのみ合理的な速度で働く。トーホールドの長さを調整することにより、より低い濃度で衝突相互作用を可逆的にすることができる。しかしながら、濃度が増大するにつれて、衝突が支配するようになり、系はゆっくりと停止することになる。他方では、濃度が減少する場合、トーホールドに媒介される置換はまた、ゆっくりと停止することになる。この状況において、生物学的状況では濃度は広範に変化することがあり；それ故、そのようなトランスレータは、実際の生物学的状況における使用に十分に適さないことに留意されたい。動力学的障害は、トーホールドが、置換反応を生じることができない相補配列又は「衝突鎖」を有する分子に結合される場合に起こる「トーホールド衝突」とここで称される非生産的な反応の結果であると考えられている。
【００２９】
例えば、図３Ａは、図２Ａにおけるそれと酷似する３つのトーホールド捕捉核酸トランスレータの系を示す。しかしながら、３つ全ての鎖が溶液中に一緒に存在する場合、他の結合事象が起こり得る。図３Ｂは、起こり得る非生産的な結合事象又は衝突のいくつかを例示している。「ポリヌクレオチド衝突分子」を含むことにより、衝突鎖の発生が、置換反応を生じ得る結合から鎖を遮断するので、これらの事象は置換反応を導かないが、系を減速し得る。系内の核酸トランスレータの濃度が増大するとき、そのような衝突事象はより優位になり得る。
【００３０】
この手法の別の制限は、トランスレータの大きい一本鎖領域の露出に起因する潜在的な毒性である。例えば、一本鎖領域が、細胞中の内在性ＤＮＡ又はＲＮＡに結合する場合、その結合は、ＤＮＡ又はＲＮＡ分子の転写、翻訳若しくは他の機能を改変する可能性がある。そのような「オフターゲット」事象は、細胞に望ましくない結果をもたらす可能性がある。
【００３１】
更にもう１つの制限は、露出したトーホールドの非存在下におけるトランスレータのバックグラウンド反応による潜在的なシグナル漏出であり、その漏出も望ましくない結果をもたらす可能性がある。例えば、図４ａは、トランスレータとトーホールドの間の反応性が、トーホールドの濃度の増加とともに上昇することを示す。しかしながら、トーホールドの非存在下で、バックグラウンド反応性も、観察された（図４ｂ）。
【００３２】
提唱された解決案の１つは、トーホールドを短く保って、系における衝突の効果を緩和することである：トーホールドが短いほど、相補配列のオン／オフ動作速度を速くすることができる。したがって、５又は６ヌクレオチド長で、非生産的な結合事象が起こる場合、二本鎖の「衝突した」状態に費やされる時間は短いので、これらの長さのトーホールドが一般的である。
【００３３】
しかしながら、生産的結合事象は同じ熱力学的パラメータによって限定されるので、この手法は上述した動力学的障害を引き起こし；それ故、次に来る鎖が、同様にこれらのトーホールドに強く結合しない。結果的に、次に来る正しい鎖は、置換反応を開始するのに十分長く結合状態にあることが必要なので、鎖が結合するときに所望の置換が起こるとは限らない。したがって、短いトーホールドの使用は、所与の動作を起こし、出力を生じるのに必要な時間を増大させる。言い換えれば、衝突鎖と所望の鎖の両方により、多くの結合事象の出現前に置換反応は起こり得ない。この非効率性は、延長され過ぎて使い物にならない時間規模へと情報の伝搬を減速することにより、系の実用性を制限している。
【００３４】
トランスレータ上のより短い一本鎖領域に加えて、より短いトーホールドも、毒性を減少させるのに役立つ可能性がある。しかしながら、より短いトーホールドは、シグナル漏出の問題を解決しない。
【００３５】
トーホールド交換
「トーホールド交換」は、トーホールド捕捉と類似の対合相互作用を使用するが、異なる幾何学による。トーホールド交換により、トーホールド捕捉手法によってもたらされたトーホールド衝突問題を解決しようと試みた。図５を参照すると、初期トーホールドＡ−Ｂは、二本鎖中のトーホールドのすぐ下の一本鎖領域と部分的にしか相補的でない
0006010236.tif 000008
。同様に、Ｂ−Ｃ−Ｄトーホールドが、Ａ−Ｂトーホールドとの交換反応よって生成されるとき、Ｂ−Ｃ−Ｄトーホールドも、その下の二本鎖の一本鎖の領域と部分的にしか相補的でない。したがって、トーホールド衝突は起こらない。
【００３６】
しかしながら、トーホールド交換手法にも、固有の制限が有る。第１に、トーホールド捕捉と同様に、トランスレータの長い一本鎖領域は、細胞内の内在性核酸へのオフターゲット結合により、望ましくない毒性作用を引き起こす可能性がある。
【００３７】
別の問題は、トーホールド衝突において直面する問題と同じではないが、類似している変換のダイナミックレンジに関する。しかし、この問題は収率よりも変換速度に一層影響を与えるので、トーホールド交換ほど重要でない。この場合、トーホールドの長さが自発的な解離の速度を決定し、より短いトーホールドでより速くなる。他方で、それらは前向きの置換速度も決定するが、より長いトーホールドは前向きの置換をより速める。したがって、これらの制約間には、濃度依存的な方法でのバランスがある。
【００３８】
トーホールド交換手法の重要な制限は、低収率であり、全ての反応が双方向なので、例えば、全体の変換が最後に不可逆的な反応と接続されない限り、好ましくない最終産物が得られる。
【００３９】
交替式捕捉トランスレータ
本開示は、上で詳述した手法によってもたらされた問題を解決する一連のトランスレータを提供する。これらのトランスレータにより、毒性のあるオフターゲット効果及びバックグラウンド反応性が最小化され、トーホールド衝突を防止することができ、全体の収率は完全に近く、変換速度は更に有意に改善される。
【００４０】
0006010236.tif 000009
【００４１】
0006010236.tif 000010
【００４２】
突き出した一本鎖領域における配列相補性により、第１複合体（１０１）は、第２複合体（１０２）に結合できるように適切な配列相補性を有し、それらは６本の鎖が関与する鎖置換反応を開始する。鎖置換反応の出力は、完全にアニールした２つの二本鎖（１０５及び１０６）並びに中央に二本鎖領域及び４つの別々の一本鎖領域を有する新たな二重トーホールド（１０７）を含む（図６Ｂ）。
【００４３】
0006010236.tif 000011
【００４４】
0006010236.tif 000012
【００４５】
上で説明した通り、反応のそれぞれが、入力核酸分子よりも非常に低いエネルギー状態の出力産物を生成するので、この手法における鎖置換反応は高い歩留りを実現する。更に表１に例示するように、実験データは、そのような二重トーホールドに媒介される反応も非常に速くなり得ることを示している。「二重トーホールド」の列を「３’トーホールド」又は「５’トーホールド」と識別されるそれと比較する。
【００４６】
【表１】
0006010236.tif 000013
【００４７】
これらの知見により、本開示は、ときには「アダプター」と称されるいくつかのトランスレータ及びトランスレータセットを提供する。トランスレータ又はトランスレータセットは、核酸分子（例えば、一本鎖核酸、完全に若しくは部分的に二本鎖の核酸、又はより複雑な核酸構造若しくはトランスレータ）を入力として取り込み、１回以上の鎖置換反応を実行して、１つ以上の核酸分子を出力として生じる。これらの入力又は出力のそれぞれは、系内の他のトランスレータ若しくはトランスレータセットに対する出力又は入力として機能し得る。したがって、これらのトランスレータ及びトランスレータセットのそれぞれは、論理演算子として機能し、組み合わせて所望の計算並びに情報運搬を実行する。
【００４８】
例えば、図６Ｂにおいて、トランスレータ１０２は、部分的な二本鎖であるトーホールド１０１を入力として取り込み、一連の鎖置換反応を受け、３つの異なる核酸分子である二本鎖１０５及び１０６並びに新たなトーホールド１０７の放出をもたらす。ここでは、新たなトーホールド１０７（即ち、トランスレータ１０２の遠位／右側半分）は、他のトランスレータに対する入力として機能することができる。複合体二本鎖１０５及び１０６の生産は、その高い安定性のため、置換反応を所望の方向へ完了させるのに役立つ。
【００４９】
0006010236.tif 000014
【００５０】
0006010236.tif 000015
【００５１】
0006010236.tif 000016
【００５２】
0006010236.tif 000017
【００５３】
0006010236.tif 000018
【００５４】
0006010236.tif 000019
【００５５】
そのような一方法において、変換過程の間に一本鎖として潜在的に露出し得る各核酸断片は、潜在的に化学修飾の対象である。それの天然の状態（状態Ｎ、添え字として、例えば、ＣＮと注釈をつける）に加えて、以下の表２に示すように、そのような修飾が特定の状態の相補鎖間の結合を可能にする（又は増進する）及び禁止する（又は阻害する）限り、そのような断片のそれぞれを修飾して、２つの状態、状態Ｒ（例えば、右側）及びＬ（左側）をそれぞれ形成することができる。
【００５６】
【表２】
0006010236.tif 000020
【００５７】
0006010236.tif 000021
【００５８】
本明細書では、用語「安定して結合しない」とは、２本の核酸鎖が、たとえ配列相補性を共有していても、安定な二本鎖構造を形成しないことを示す。「安定な」二本鎖構造とは、いくつかの態様において、反応溶液中で各個別の鎖の合計濃度の０．１％、又は１％、又は５％、又は１０％より高い濃度で非一過性の様式で存在できる二本鎖のことを指す。
【００５９】
更に以下に記載するように、表２に定義した結合目的を実現できる化学修飾は公知である。この文脈において「化学修飾」とは、作製された後の核酸分子を化学的に修飾することに制限されておらず；むしろ、本熟語は、核酸分子を作製する間に、化学修飾したヌクレオチドを組み込むことも包含する。
【００６０】
天然のＤＮＡ又はＲＮＡに結合する熱力学的特性を変調させるために使用できる、良く特徴づけられた核酸修飾が多数ある。これらは、オリゴヌクレオチドの主鎖、糖又は核酸塩基に対する変化を含む。修飾は、別々に又は互いに組み合わせて利用することもでき；即ち、修飾された主鎖の使用は、同じ鎖における修飾された核酸塩基の使用を排除しない。
【００６１】
核酸主鎖類似体を使用して、置換反応を生じることが可能な鎖の結合を改善することができる。使用可能ないくつかの異なる類似体があり、その全ては、天然の核酸よりもＤＮＡ及びＲＮＡに対して強い結合親和性を提供する。これらの類似体は、それだけには限らないが、非電荷主鎖（ペプチド核酸又はホスホロジアミデート）、正荷電を持つ主鎖（グアニジウムペプチド核酸）、及び前組織化を可能にする水素結合基（γペプチド核酸）を持つものを含む。一態様において、図７ｆ〜ｇに例示するように、主鎖はミニＰＥＧコンジュゲートセリン由来γ−ＰＮＡを含む。
【００６２】
特定の類似体の一般構造を、図７に示す。これらの類似体は全て、核酸ハイブリダイゼーション反応の熱力学を改善し、より強いトーホールド結合、したがってより速い置換を可能にする。論理ネットワークの特定の場所にこれらの類似体を使用することにより、衝突相互作用と比較して、所望の置換反応が強く有利に働き、したがって、望ましい鎖置換反応の速度を加速することができる。
【００６３】
修飾された糖環の使用も、オリゴヌクレオチドのＤＮＡ又はＲＮＡに対する結合の熱力学を改変することができる。最も広く使用されている類似体は、モルホリノ、ロックト核酸（ＬＮＡ）及びＬＮＡ誘導体である。結合熱力学を改変するという点で類似の結果を生じる可能性もある他の修飾された糖が、文献に記録されている。これらの例示は、１’、２’、３’又は４’位に修飾を持つ糖及びリボースシクロペンタン環内の酸素を異なる原子に置換した糖である。これらの類似体を、図８に例示する。
【００６４】
核酸塩基の修飾を使用して、主鎖及び糖類似体と同じ効果を実現する、即ち、特定のハイブリダイゼーション反応の熱力学を改変することもできる。これらの塩基には、メチルシトシン、ジアミノプリン、Ｇ−クランプ及びフェノキサジンがあり（図９）、その全ては、逆相補に対する鎖の結合親和性を改善する。核酸塩基修飾が存在する別の可能性は、偽相補（ｐｓｅｕｄｏｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）塩基を含む。この部類の塩基類似体は、互いに弱い塩基対を形成するが、標準的な塩基とは強い塩基対を形成する。そのような塩基の対の１つは、２−アミノアデニン（ｎＡ）と２−チオチミン（ｓＴ）である。これらの塩基を使用して、一方の鎖の結合を有利にし、他方を不利にすることができ、生産的な結合事象の可能性を増大させ、一方で同時に衝突の可能性を減少させる例である。
【００６５】
結合相互作用の熱力学を改変するために使用できる別の化学修飾は、キトサンの様な荷電したポリマーの組み込みであり、この修飾は、置換反応の速度を加速すると文献に示されている。しかしながら、これらのポリマーは、反応を非特異的に加速するので、望ましい結合事象と望ましくないそれとを区別できるように、上述の他の修飾の１つと共同して使用しなければならなくなる。
【００６６】
異なる手法を使用して、上述の化学修飾を持つ分子を合成することができる。例えば、主鎖化学は、修飾分子の設計を考慮に入れることができる。主鎖化学とは、それを使用して、個々のモノマーをより長い鎖に組み立てることである。核酸塩基又は糖を含むがＤＮＡ／ＲＮＡの天然のリン酸ジエステル主鎖を保つ修飾は、天然のモノマーに対して利用されるように、標準的なホスホラミダイト化学によって合成することができる。これらの方法の図解は、例えば、Ｂｅａｕｃａｇｅ，Ｓ．  ａｎｄ  Ｒ．Ｉｙｅｒ、Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ  ４８：２２２３頁（１９９２）、Ｂｒｏｗｎ，Ｄ．Ｍ．Ａ、「Ｂｒｉｅｆ  ｈｉｓｔｏｒｙ  ｏｆ  ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」、２０  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｉｏｌｏｇｙ（Ｐｒｏｔｏｃｏｌ  ｆｏｒ  Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ  ａｎｄ  Ａｎａｌｏｇｓ）、１〜１７頁（１９９３）、Ｒｅｅｓｅ，Ｃｏｌｉｎ  Ｂ．、Ｏｒｇａｎｉｃ  ＆  Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ３：３８５１頁（２００５）、並びにＩｙｅｒ，Ｒ．Ｐ．；  ａｎｄ  Ｓ．Ｌ．Ｂｅａｕｃａｇｅ、「７．０５．Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」７、Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（ＤＮＡ  ａｎｄ  Ａｓｐｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｉｏｌｏｇｙ）、１０５〜５２頁（１９９９）に見られる。前述の刊行物のそれぞれの内容を、ここでその全体を参照により本明細書に組み込む。
【００６７】
主鎖が特別な修飾に変化される場合、異なる化学が利用されることになる。そのような修飾化学は、科学文献に記載されている。したがって、ペプチド核酸（ＰＮＡ）及びその誘導体は、アミド結合を利用して個々のモノマーを連結する。したがって、ホスホラミダイト化学を使用する代わりに、これらのモノマー鎖は、アミド結合形成条件で、ＨＢＴＵの様なカップリング試薬を用いて作製される。ＰＮＡ又はＰＮＡ様のオリゴヌクレオチドを作るために使用される方法の研究は、例えば、Ｆ．Ｂｅｃｋ、「Ｓｏｌｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ＰＮＡ  Ｏｌｉｇｏｍｅｒｓ」、Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｉｏｌｏｇｙ  Ｓｅｒｉｅｓ（Ｐｅｐｔｉｄｅ  Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄｓ）、Ｈｕｍａｎａ  Ｐｒｅｓｓ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｐｒｉｎｇｅｒｌｉｎｋ．ｃｏｍ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ｍｒ５７１７３８ｘ７ｔ６５０６７／に見ることができる。
【００６８】
これらの化学修飾は、ＤＮＡ又はＰＮＡ断片への掌性の導入を含む。ＤＮＡ、特にＰＮＡの掌性はよく特徴づけられた特性であり、掌性を生成するための方法論も公知である。例えば、Ｃｏｒｒａｄｉｎｉ  ｅｔ  ａｌ．「Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｈｅｌｉｃａｌ  ｈａｎｄｅｄｎｅｓｓ  ｉｎ  ＤＮＡ  ａｎｄ  ＰＮＡ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ｍｏｌ  Ｂｉｏｌ．、７４９：７９〜９２頁（２０１１）を参照のこと。左旋のＤＮＡ又はＰＮＡは、右旋のＤＮＡ又はＰＮＡへの結合を妨げるが、両方が、その天然の対応物に結合できる。
【００６９】
別の主鎖修飾手法は、キメラオリゴヌクレオチドを含む。これらは、同じ分子内に異なる主鎖化学を含有するオリゴヌクレオチド鎖である。例えば、半分ＰＮＡ主鎖及び半分ＤＮＡ主鎖である鎖が必要な場合、これら異なる２つの主鎖化学を接続する方法が必要となる。これらのキメラ鎖を作製することも、通常、当技術分野において公知である。ＰＮＡ／ＤＮＡキメラの上記の例において、化学の差異は、修飾ＤＮＡ又はＰＮＡモノマーを使用することによって橋渡しすることができる。ＤＮＡの場合、５’−ジメトキシトリチル（ＤＭＴ）保護されたヒドロキシルは、脱保護後にＰＮＡのカルボン酸と反応できるモノメトキシトリチル（ＭＭＴ）保護されたアミンで置き換えられる。ＰＮＡの場合、保護されたＮ末端窒素は、脱保護後にＤＮＡ上のホスホラミダイト基と反応できるＤＭＴ保護されたヒドロキシルで置き換えられる。これらの手法は、例えば、Ｅ．Ｕｈｌｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．（Ｉｎｔ’ｌ編）３７：２７９６〜８２３頁（１９９８）に更に記載されている。
【００７０】
これら修飾の全ては、個別に又は互いに組み合わせて使用するかにかかわらず、配列内容を改変することなく所望の鎖又は複合体の結合が衝突相互作用より有利になるように、任意の核酸ネットワーク内の特定の相互作用の熱力学的条件に影響を及ぼすことができる。相互作用が、固相捕捉、トーホールド捕捉若しくはトーホールド交換などの３方向分岐点移動であるか、又は他の機序によって起こる分岐点移動、例えば４方向分岐点移動、４方向加速分岐点移動若しくは複数鎖複合体移動であるかにかかわらず、これら相互作用の全ては分岐に媒介される移動反応のいずれにも適用することができる。
【００７１】
アダプター及びトランスレータセット
この開示に提供されるトランスレータを使用して、医学的に有用になり得る核酸コンピュータを作ることができる。例えば、トランスレータは、ウイルス核酸の存在を「検知する」ことができ、次いで、一連の変換事象を実行することにより、宿主細胞の抗ウイルス反応又はアポトーシスを開始してウイルスを除去するために使用できる調節ＲＮＡ（例えば、ｓｉＲＮＡ、アンチセンスＲＮＡ）の「放出」をもたらすことができる。
【００７２】
Ｉ．ｍＲＮＡアダプター
「検知」は、１つ以上の鎖置換反応の開始として実施することができ、核酸（例えば、ウイルスＤＮＡ／ＲＮＡ、腫瘍ＤＮＡ／ＲＮＡ）を入力として取り込み、１つ以上のトーホールドを出力として放出する。そのような１つ以上の鎖置換反応を実行するトランスレータは、「アダプター」と称される。腫瘍ｍＲＮＡを検知する場合に、例えば、そのようなアダプターは、「ｍＲＮＡアダプター」と呼ぶことができる。
【００７３】
0006010236.tif 000022
【００７４】
0006010236.tif 000023
【００７５】
0006010236.tif 000024
【００７６】
そのような「ｍＲＮＡアダプター」は、ｍＲＮＡ分子を検知するだけではない。それは、それだけには限らないが、ウイルスＤＮＡ及び変異した腫瘍ＤＮＡを含めた任意の一本鎖核酸を検知することができる。
【００７７】
0006010236.tif 000025
【００７８】
0006010236.tif 000026
【００７９】
図１０に例示するように、一本鎖として露出できる核酸断片に対する化学修飾を考察してトーホールド衝突を減少又は防止する。
【００８０】
0006010236.tif 000027
【００８１】
一態様において、第１複合体の第１鎖（Ｓ−Ｑ−Ｐ−Ｒ）は、病原性核酸の核酸断片に対して適切な配列相補性を有し、それによりハイブリダイズ条件下でそれらの間で結合が可能である。
【００８２】
一態様において、病原性核酸は、ウイルスＤＮＡ、ウイルスＲＮＡ、細菌ＤＮＡ、細菌ＲＮＡ、変異体腫瘍ＤＮＡ又は腫瘍ＲＮＡである。
【００８３】
ＩＩ．ＲＮＡｉアダプター
核酸を入力として及びＲＮＡｉ（例えば、ｓｉＲＮＡ）分子を出力として取り込むアダプターが更に提供され、それによりｓｉＲＮＡは、放出により、目的とする生物学的機能を実行することができる。そのようなアダプターが、図１１に例示され、複合体３０３及び３０４を含む。
【００８４】
図１１において、複合体３０１は、上流のトランスレータによって生成できる二重トーホールドを表しており、鎖置換反応のために複合体３０２を標的することができ、複合体の遠位半分の２本の核酸鎖を含む新たな二重トーホールドの放出をもたらす。
【００８５】
0006010236.tif 000028
【００８６】
0006010236.tif 000029
【００８７】
0006010236.tif 000030
【００８８】
0006010236.tif 000031
【００８９】
0006010236.tif 000032
【００９０】
0006010236.tif 000033
【００９１】
0006010236.tif 000034
【００９２】
0006010236.tif 000035
【００９３】
したがって、本方法において、例えば、３０ｎｔ、３５ｎｔ、４０ｎｔ、４５ｎｔ、５０ｎｔ、５５ｎｔ、６０ｎｔ、６５ｎｔ、７０ｎｔ、８０ｎｔ、９０又は１００ｎｔより長いアンチセンス核酸を、生体系に適切に導入することができる。
【００９４】
0006010236.tif 000036
【００９５】
0006010236.tif 000037
【００９６】
ＩＶ．ファンイン
「ファンイン」トランスレータセットも、提供される。ファンイントランスレータセットは、入力シグナルとして２つ以上の異なる核酸から入力を取り込むことができ、同じ出力を生じることができる。換言すれば、ファンイントランスレータセットは、ＯＲ演算を実行することができる。ファンインセットを、図１３に例示する。
【００９７】
0006010236.tif 000038
【００９８】
したがって、入力が、トーホールド５０１か５０４かにかかわらず、トランスレータ５０７における鎖置換反応が誘発されることになる。
【００９９】
0006010236.tif 000039
0006010236.tif 000040
【０１００】
Ｖ．ファンアウト
ファンイントランスレータセットと反対に、「ファンアウト」トランスレータセットは、単一入力を取り込み、複数の出力核酸を生じる。一態様において、複数の出力核酸は差異配列を有し、それにより異なる機能又は下流反応を実行することができる。別の態様において、複数の出力核酸は同一であり、したがってファンアウトトランスレータセットは増幅器として機能する。
【０１０１】
図１４Ａは、１つのトーホールドを入力として取り込み、同一の新たなトーホールドを２つ生じるファンアウトトランスレータセットを例示する。同様に、図１４Ｂにおいてファンアウトセットは、同一の新たなトーホールドを４つ生じる。他方で、図１４Ｃ〜Ｄは、異なる新たなトーホールドを２つ以上生成するファンアウトトランスレータセットを表す。
【０１０２】
図１４Ａにおいて、本明細書に記載の通り、核酸６０１は典型的な二重トーホールドである。複合体６０２は、遠位末端にある一本鎖領域がより長いという点で図６Ａのトランスレータ１０２及び１０３と異なっており、連続する断片を１つではなく２つ含有する。複合体６０３において明らかなように、連続する断片（Ａ−Ｂ）の各セットは、そのような放出により、２つの別々の鎖上に２つの別々の一本鎖領域Ａ及びＢを有する新たなトーホールドを放出することができる。したがって、これらの新たなトーホールドのいずれも、トランスレータ６０４と新たな鎖置換反応を開始することができる。
【０１０３】
図１４Ｂのトランスレータは、トランスレータ６０６の一本鎖領域が、トランスレータ６０７と反応するときに、新たなトーホールドを２つ放出可能な４連続の断片をそれぞれ有すること以外、図１４Ａのそれと類似している（トーホールド６０５はトーホールド６０１と類似し、トランスレータ６０８はトランスレータ６０４と類似する）。
【０１０４】
図１４Ｃのトランスレータセットは、図１４Ａ〜Ｂのそれ（６０１及び６０５）と同じトーホールド入力（６０９）を取り込むことができるが、トランスレータ６１０は、入力との接触により、図１４Ａ〜Ｂと異なるトーホールドを放出する。トランスレータ６１１中の対応する鎖に反映されるように、そのような差異は、より明らかである。即ち、トランスレータ６１０から放出されたトーホールドとの接触及び鎖置換反応により、トランスレータ６１１は２つの異なるトーホールドを放出する。これら２つのトーホールドのうち一方はトランスレータ６１２と、他方はトランスレータ６１３と、新たな鎖置換反応を開始することが可能である。したがって、図１４Ｂのトランスレータセットは、１つのトーホールド（６０９）の入力から、２つの異なる新たなトーホールド出力、トランスレータ６１２及び６１３をそれぞれ生成することが可能である。
【０１０５】
図１４Ｃのトランスレータセットと類似して、トランスレータ６１５及び６１６を含む図１４Ｄのトランスレータセットも、１つのトーホールド（６１４）を入力として取り込み、それぞれトランスレータ６１７〜６２０から放出される４つの異なる新たなトーホールドを出力として生じることができる。
【０１０６】
0006010236.tif 000041
【０１０７】
同様に、２つ以上の異なるトーホールドをファンアウトする核酸複合体も提供される。
【０１０８】
ＶＩ．複合条件
「複合条件」トランスレータセットは、ＡＮＤ演算を実行する。複合条件セットは、出力核酸を活性化し、放出するために２つの別々の入力信号を必要とする。
【０１０９】
図１５は、少なくとも３つのトランスレータ核酸複合体７０３、７０４及び７０５を含む、複合条件トランスレータセットを例示する。トランスレータ７０３は、トーホールド７０１を入力として取り込み、７０３の遠位半分を含有する第１の新たなトーホールドを生じる。同様に、トランスレータ７０４は、トーホールド７０２を入力として取り込み、７０４の遠位半分を含有する第２の新たなトーホールドを生じる。
【０１１０】
0006010236.tif 000042
【０１１１】
その後、トランスレータ７０４によって生じる第２の新たなトーホールドとの接触により、別の鎖置換反応が起こり、７０５の第３の二本鎖対が第３の新たなトーホールドとして放出される。次いで、この第３の新たなトーホールドは、例えば、トランスレータ７０６による更なる反応を任意選択で誘発することができる。
【０１１２】
0006010236.tif 000043
【０１１３】
ＶＩＩ．インバータ
「インバータ」は、入力シグナルとの接触により、系内の異なる入力シグナルによる開始によって別の場所で起こる鎖置換反応を遮断する核酸（「ストッパー」）を生じる１つ以上のトランスレータを構成する。
【０１１４】
0006010236.tif 000044
【０１１５】
核酸複合体８０３は、トーホールド８０１を入力として取り込み、新たなトーホールドになる複合体の遠位半分を出力として生じるトランスレータである。トランスレータ８０５と接触した場合、この新たなトーホールドは、トランスレータ８０６と潜在的部分配列反応による次の鎖置換反応を実行することができる。
【０１１６】
0006010236.tif 000045
【０１１７】
0006010236.tif 000046
【０１１８】
上記のトランスレータ及びトランスレータセットのいずれかについて、化学修飾を使用して、トーホールド衝突、即ちトーホールドと細胞などの系内にある任意のトランスレータの一本鎖領域との意図しない結合を減少又は除去できると考えられる。そのような修飾は、本開示において提供される情報を用いて容易に設計することができる。更に、各トランスレータセットについて、添え字Ｎ、Ｒ及びＬにより注釈を付けた通り、対応する例示的な図は、典型的な修飾を提供する。そのような修飾の所望の特性は、表２に提供される。
【０１１９】
いくつかの態様において、核酸断片は、二本鎖領域の一部と特別に指定されない場合、一本鎖であることを意味することに留意されたい。一本鎖性（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄｎｅｓｓ）の表示は、添付の図においても明らかである。
【０１２０】
各核酸鎖又は断片の長さは、コンピュータ的に又は実験的に決定することができる。表１は、そのような長さの、特にトーホールドに対する影響を例示する。一態様において、断片のそれぞれは、約３塩基〜約５０塩基長である。別法として、断片は、少なくとも約３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２塩基長である。別の態様において、断片は約５０、４５、４０、３５、３０、２９、２８、２７、２６、２５、２４、２３、２２、２１、２０、１９、２８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６又は５塩基を超えない。また、トーホールドなど一本鎖形態で存在する断片は、約３、４、５、６、７、８、９、１０塩基〜約３０、２９、２８、２７、２６、２５、２４、２３、２２、２１、２０、１９、２８、１７、１６又は１５塩基など比較的短くすることができる。一態様において、トーホールド断片は、少なくとも約３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２塩基長である。別の態様において、トーホールド断片は、約２０、１９、２８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６又は５塩基を超えない。対照的に、トランスレータ内で二本鎖領域を形成する断片は、比較的長くすることができる。
【０１２１】
方法及びコンピュータモデリング
本開示は、本開示のトランスレータを使用して計算を実行し、特に、生物学的環境において情報を伝搬する方法を更に提供する。例えば、ｍＲＮＡアダプターを使用して病原性又は新生物核酸の存在を検出し、例えば、トーホールドの形態で出力シグナルを生じることができる。必要に応じて、複数の核酸に対して特異性を有する複数のｍＲＮＡアダプターを使用して、信頼性が高い検出を確実にすることができる。
【０１２２】
次いで、ファンイン、ファンアウト並びにインバータトランスレータなど、系内にある他のトランスレータを使用してｍＲＮＡアダプターによって生成されるシグナルを処理し、対応するＲＮＡｉ及びアンチセンスアダプターにより、調節核酸、例えば、ＲＮＡｉ及びアンチセンスＲＮＡの生産を最終的にもたらすことができる。慎重に仕立てられた処理により、これらの調節ＲＮＡの厳密な配列及び量を正確に制御することができる。したがって、これらの調節ＲＮＡによってアポトーシス及び免疫反応などの生物学的反応を誘発し、治療的又は診断的効果をもたらすことができる。
【０１２３】
ここで記載されるトランスレータ、組成物及び系は、生物学的材料を含むことができるが、コンピュータにより数学的にモデル化することもできることは容易に理解されよう。したがって、本開示は、そのようなモデリングを実行するためのコンピュータ方法、システム及びプログラムコード組込み媒体も提供する。
【０１２４】
したがって、本開示における各トランスレータ、組成物又は系に対応して、コンピュータがそれらの配列、構造、合成及び鎖置換反応を表すように構成されている、コンピュータ実装方法が提供される。
【０１２５】
ここで記述される方法論は、コンピュータシステム又はネットワーク上で実施することができる。適切なコンピュータシステムは、少なくとも１つのプロセッサ及びメモリ；任意選択で、プロセッサによる実行のためのコンピュータコードを格納するコンピュータ読み込み可能な媒体を含むことができる。一旦コードが実行されたら、コンピュータシステムは記述されている方法論を実行する。
【０１２６】
この点において、「プロセッサ」とは、コンピュータプログラムを実行することができる電子回路である。適切なプロセッサは、それだけには限らないが、中央演算処理装置、マイクロプロセッサ、グラフィックス処理装置、物理処理装置、デジタル信号処理装置、ネットワークプロセッサ、フロントエンドプロセッサ、コプロセッサ、データ処理装置及び音声プロセッサによって実証される。用語「メモリ」は、検索用のデータを格納する電気装置を内包する。したがって、一態様において、適切なメモリは、データを保存し、計算を支援するコンピュータ装置である。より一般に、必要なネットワークデータ伝送を提供するための適切な方法及び装置は、公知である。
【０１２７】
記述されている方法論を実行するための実行コードを含む固定式のコンピュータ読み込み可能な媒体も考えられる。特定の実施形態において、媒体は、そのような方法論に必要なデータ又はデータベースを更に含有する。
【実施例】
【０１２８】
本開示は、図２及び図３を参照して「トーホールド捕捉」という表題の項で上述したトーホールド捕捉トランスレータ（ＴＨＳＴ）ネットワークの動力学的シミュレーションと並べて比較して、本開示の交替式捕捉トランスレータ（ＲＳＴ）ネットワークの経時的挙動の動力学的シミュレーションの結果を表すこの例を参照することにより更に例示される。
【０１２９】
「段階数」と呼ばれる一連のＮ変換を含む機序が生成され、その機序は、Ｆｒｅｚｚａ，Ｂ．Ｍ．、Ｏｒｃｈｅｓｔｒａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｈｉｇｈｅｒ  Ｏｒｄｅｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ：Ａ  Ｔｈｅｓｉｓ  Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ、Ｔｈｅ  Ｓｃｒｉｐｐｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、Ｌａ  Ｊｏｌｌａ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ（２０１０）、第３章からその前向き速度定数を得る。機序は、同じくＦｒｅｚｚａ（２０１０）当たりの速度定数による、トランスレータのバックグラウンド「漏出」、及び「衝突」相互作用を同様に含む。これらの後者は、ハイブリダイゼーションに対する標準的なフォワード速度定数（１モル当たり１秒間あたり１０５）及び詳細平衡を使用して、結合の最近傍自由エネルギーから速度定数を得、後方速度定数を得る、Ａｌｌａｗｉ  ａｎｄ  ＳａｎｔａＬｕｃｉａ、Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ３６：１０５８１〜９４頁（１９９７）を参照のこと。
【０１３０】
各シミュレーションについて、フォアグラウンドシグナル及びバックグラウンドシグナルシミュレーションを、ＲＳＴとＴＨＳＴの両方のネットワークに対して行った。「フォアグラウンドシグナル」とは、シミュレーションにおいて、初期入力配列を他のトランスレータと等濃度で与えた際に生成される最終出力配列の濃度のことを指す。「バックグラウンドシグナル」とは、初期入力配列を与えない場合に生成される最終出力配列の濃度を意味する。
【０１３１】
これらのシミュレーションは、各ネットワーク設計により様々なトーホールド長、トランスレータ濃度、及びネットワークサイズ（段階数）の条件下で得られるべき理想的な反応を実証する。
【０１３２】
図１７Ａ〜Ｍは、３〜１５ヌクレオチド（ｎｔ）の異なるサイズのトーホールドに対するフォアグラウンドシグナルとバックグラウンドシグナル両方に関するＲＳＴ及びＴＨＳＴのシミュレーション結果を表す。全てのシミュレーションは、１００ｎＭトランスレータで３段階行った。図１７は、非常に短いトーホールドにおいて、ＲＳＴが非常に顕著なバックグラウンドシグナルを実際に生じたことを示す。しかしながら、トーホールドの長さを増加させるにつれて、このバックグラウンドは、ほぼゼロ（８ｎｔ以上；例えば、図１７Ｆを参照のこと）に低下し、一方全ての場合において、ＴＨＳＴＳは極めて安定し、比較的高い、「漏出」とも称されるバックグラウンド変換速度を持つ。更に、トーホールド長を、１１ｎｔを越えて増加させるにつれて、ＴＨＳＴでは衝突相互作用が系を支配し、フォアグラウンド活性を劇的に減速し始めるが、ＲＳＴはより長いトーホールド速度で名目上作動する（例えば図１７Ｉ〜Ｍを参照のこと）。
【０１３３】
別の一連のシミュレーションにおいて、１００ｎＭトランスレータ濃度で８ｎｔトーホールドは、ＲＳＴとＴＨＳＴの両方に対して同程度のフォアグラウンドシグナルを生じた。段階数、即ちトランスレータ数の観点で、ネットワークの深度を増加させながら系を調べた。図１８Ａ〜Ｄに示すように、段階数を増加させるにつれて、ＲＳＴとＴＨＳＴ両方のバックグラウンドシグナルは著しく増加した。しかしながら、この増加の程度は、ＴＨＳＴの場合に、劇的に悪かった。
【０１３４】
更にもう一つの一連のシミュレーションでは、長（１３ｎｔ）短（８ｎｔ）両方のトーホールドで、中規模ネットワーク（５段階）について調べ、トランスレータ濃度の変動によりそれらの挙動がどのように変化したかを示した。結果を、図１９Ａ〜Ｎに表示する。高濃度の変換（１０μＭ）は非常に速く進み、非常に低濃度の変換（１００ｐＭ）は非常にゆっくり進んだ。この挙動は、ＲＳＴとＴＨＳＴ系の両方が二次反応速度論を利用し、それ故、平衡に達する時間が系の総濃度によって決まるという事実と一致する。
【０１３５】
長いトーホールドの場合、ＲＳＴでは、反応時間尺度ははるかに低い濃度に対しても生物学的関連があり続け、１００ｐＭに低下させても穏やかな反応性をなお示したが、一方でＴＨＳＴはどんな意味ある活性を得るにもかなり高い濃度（１０μＭ）を必要とした（図１９Ａ〜Ｇ）。短いトーホールドの場合、明らかに高いバックグラウンドシグナルを伴うが、ＲＳＴは同様に予備成形された（図１９Ｈ〜Ｎ）。これらのより短いトーホールドを持つＴＨＳＴを扱って、低濃度で意味がある反応性を得たが、高濃度では、ＴＨＳＴのバックグラウンドシグナルの原因となる漏出は壊滅的に高まった。
【０１３６】
これらのデータを合わせると、ＲＳＴは、ＴＨＳＴが直面するような極度の抑制よって反応性を失うことなく、より長いトーホールドでバックグラウンド（漏出）活性をほとんど検出不可能なレベルに減少させ得る設計の可能性を提示することが実証される。更に、それは、ＲＳＴが、非常に大きなダイナミックレンジの濃度で理想的なフォアグラウンド対バックグラウンド反応性で機能することができ、生物学的環境下での使用に理想的に適していることを示している。
【０１３７】
主題の発明の具体的な実施形態について論じられたが、それらは単なる例示であり、本発明を制限するものではない。この明細書の総説により、本発明の多くの変形が本発明分野の当業者に明らかになろう。本発明の完全な範囲は、あらゆる等価物加えた下記の請求とそのような変形を含む明細書との両方を参照することによって決定されるべきである。
【図１Ａ】
0006010236.tif 000051
【図１Ｂ】
0006010236.tif 000052
【図２Ａ】
0006010236.tif 000053
【図２Ｂ】
0006010236.tif 000054
【図３Ａ】
0006010236.tif 000055
【図３Ｂ】
0006010236.tif 000056
【図４】
0006010236.tif 000057
【図５】
0006010236.tif 000058
【図６Ａ】
0006010236.tif 000059
【図６Ｂ】
0006010236.tif 000060
【図７】
0006010236.tif 000061
【図８】
0006010236.tif 000062
【図９】
0006010236.tif 000063
【図１０】
0006010236.tif 000064
【図１１】
0006010236.tif 000065
【図１２】
0006010236.tif 000066
【図１３】
0006010236.tif 000067
【図１４Ａ】
0006010236.tif 000068
【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７−１】
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【図１７−２】
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【図１７−３】
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【図１７−４】
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【図１７−５】
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【図１８−１】
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【図１８−２】
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【図１９−１】
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【図１９−２】
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【図１９−３】
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【図１９−４】
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【図１９−５】
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