(57)【要約】【課題】ナノポア解析技術を向上させること【解決手段】ポリマーを解析するためのナノステッパー／センサーシステム(10a)は、ナノポアシステム(30a)及び第１のナノステッパーシステム(20)を含む。ナノポアシステムはナノポアアパーチャ(34)を有する構造体(32)を含む。第１のナノステッパーシステム(20)は、ｘ／ｙ方向可動構造体(22)と、前記構造体(32)に隣接して配置された第１のナノステッパーアーム(24)とを含む。第１のナノステッパーアーム(24)はターゲットポリマー(38)と相互作用するように適合され、ｘ／ｙ方向可動構造体(22)は、ターゲットポリマー(38)が配置された第１のナノステッパーアーム(24)をナノポアアパーチャ(34)と実質的に一列になるように位置決めし、ナノポアアパーチャ(34)を介してターゲットポリマー(38)を制御可能に移動させるように動作する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のｘ／ｙ方向可動構造体(22)を用いて、制御可能で反復可能で可逆的な態様で、ナノポアアパーチャ(34)を通してターゲットポリマー(38)を移動させ、前記第１のｘ／ｙ方向可動構造体(22)が、ナノポアアパーチャ(34)と実質的に一列になるように前記ターゲットポリマー(38)を位置決めするように動作し、前記第１のｘ／ｙ方向可動構造体(22)が、ｘ及びｙ方向に独立して移動するように動作し、ｘ方向は、前記ナノポアアパーチャ(34)が形成される構造体を貫く軸として規定されており、及び
前記第１のｘ／ｙ方向可動構造体(22)の移動の関数として、前記ナノポアアパーチャ(34)に対する前記ターゲットポリマー(38)の移動に対応する信号をモニターすることを含む、ポリマーを解析するための方法。
【請求項２】
前記ナノポアアパーチャ(34)を有する前記構造体を含むナノポアシステム(30a)を準備し、
前記第１のｘ／ｙ方向可動構造体(22)及び第１のナノステッパーアーム(24)を有する第１のナノステッパーシステム(20)を準備し、前記第１のｘ／ｙ方向可動構造体(22)が、前記第１のナノステッパーアーム(24)をｘ及びｙ方向に独立して移動させるように動作し、ｙ方向が、前記ナノポアアパーチャ(34)に対して垂直な平面内にあり、前記ナノポアアパーチャ(34)の左右に前記第１のナノステッパーアーム(24)を移動させる方向であり、
前記第１のナノステッパーアーム(24)上に前記ターゲットポリマー(38)を固定し、前記第１のナノステッパーアーム(24)が前記ナノポアアパーチャ(34)と実質的に一列になるように、ターゲットポリマー(38)が前記ナノポアアパーチャ(34)に隣接して配置されることができ、
前記ナノポアアパーチャ(34)に前記ターゲットポリマー(38)を通し、
前記第１のナノステッパーシステム(20)を用いて、制御可能で反復可能で可逆的な態様で、前記ナノポアアパーチャ(34)を通して前記ターゲットポリマー(38)を移動させ、及び
前記ナノポアアパーチャ(34)を介した前記ターゲットポリマー(38)の移動に対応する信号をモニターすることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ｘ／ｙ方向可動構造体(22)を移動させることを更に含み、その移動により、前記ターゲットポリマー(38)が前記ナノポアアパーチャ(34)を通して移動する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ナノポアアパーチャ(34)を有する構造体を含むナノポアシステム(30a)と、及び
ｘ／ｙ方向可動構造体(22)及び前記構造体(32)に隣接して配置された第１のナノステッパーアーム(24)を有する第１のナノステッパーシステム(20)であって、前記第１のナノステッパーアーム(24)がターゲットポリマー(38)と相互作用するように適合され、前記ｘ／ｙ方向可動構造体(22)は、前記ターゲットポリマー(38)が配置された前記第１のナノステッパーアーム(24)を、前記ナノポアアパーチャ(34)と実質的に一列になるように位置決めするように動作し、前記ｘ／ｙ方向可動構造体(22)が前記ナノポアアパーチャ(34)を通して前記ターゲットポリマー(38)を制御可能に移動するように動作する、前記第１のナノステッパーシステム(20)とを含む、システム。
【請求項５】
前記第１のナノステッパーシステム(20)が、前記ｘ／ｙ方向可動構造体(22)を用いて、前記ナノポアアパーチャ(34)を通して前記ターゲットポリマー(38)を反復可能で制御可能な態様で移動することができる、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
ナノステッパーシステム(20)を用いて、制御可能で反復可能で可逆的な態様で、センサーに隣接したターゲットポリマー(38)を移動させ、前記ナノステッパーシステム(20)が、前記ターゲットポリマー(38)を前記センサーの実質的に近くに配置するように動作し、前記ナノステッパーシステム(20)が、ｘ及びｙ方向に独立して移動するように動作し、ｘ方向が、前記センサーと同一平面内にあり、ｙ方向が、前記センサーの左右に前記ターゲットポリマー(38)を移動させる方向であり、及び
前記ナノステッパーシステム(20)の移動の関数として、前記センサーに対する前記ターゲットポリマー(38)の移動に対応する信号をモニターすることを含む、ポリマーを解析するための方法。
【請求項７】
センサーを含むセンサーシステム(30)と、及び
ｘ／ｙ方向可動構造体(22)及び前記センサーに隣接して配置されたナノステッパーアーム(24)を有するナノステッパーシステム(20)であって、前記ナノステッパーアーム(24)がターゲットポリマー(38)と相互作用するように適合され、前記ｘ／ｙ方向可動構造体(22)は、前記ターゲットポリマー(38)が配置された前記ナノステッパーアーム(24)を、前記センサーに実質的に隣接するように配置するように動作し、前記ｘ／ｙ方向可動構造体(22)は、前記センサーが前記ターゲットポリマー(38)を検知するように、制御可能で可逆的に前記ターゲットポリマー(38)を前記センサー付近で移動させるように動作する、ナノステッパーシステム(20)とを含む、システム。
【請求項８】
前記ナノステッパーシステム(20)は、ｘ方向に±６０μｍ移動するように動作し、かつｙ方向に±６０μｍ移動するように動作する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記ナノステッパーシステム(20)が、１秒あたり約１〜１，０００，０００ステップのステッピング速度で、約０．１ｎｍ〜４００ｎｍ（１〜４０００オングストローム）のステップサイズで移動するように動作する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ナノステッパーシステム(20)が、約１ナノニュートン〜５００μニュートンの力で前記ターゲットポリマー(38)を伸ばすように動作する、請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリマーを解析するためのナノステッパー／センサーシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
迅速な態様でＤＮＡ及びＲＮＡのヌクレオチド配列を決定することは、バイオテクノロジーにおける研究者の、特に生物の全ゲノム配列を得るために探索を行うプロジェクトにとって、主要な目標である。更に、核酸分子配列を迅速に決定することは、個体における遺伝変種および多型、ならびに個体数を特定するために重要である。
【０００３】
ナノポアシークエンシングは、核酸分子の配列を迅速に決定する１つの方法である。ナノポアシークエンシングは、ポリヌクレオチドがナノポアアパーチャを通過する際に、個々のポリヌクレオチド（例えば、ＤＮＡ及びＲＮＡ）内の個々のヌクレオチド（又はヌクレオチドの環境における物理的変化（即ち、電流））を物理的に検知する特性に基づいている。原理的には、ポリヌクレオチドの配列は単一分子から決定され得る。しかしながら、実際には、同一分子の複数の通過、又は同一のポリヌクレオチド配列を有する複数分子の通過から得られるデータの統計的平均からポリヌクレオチド配列を決定することが好ましい。脂質２分子膜における直径２．６ナノメートルのナノポアアパーチャ（即ち、イオンチャネル）に１本鎖ＲＮＡ及びＤＮＡ分子を通過させるために電界を用いることにより、分子が小さなイオンチャネルを通過する際にポリヌクレオチドの特性を決定するために膜チャネルを用いることが、Kasianowicz他により研究されている（非特許文献１を参照、この文献は参照により本明細書に組み込まれる）。ナノポアアパーチャの直径は、常にポリヌクレオチドの１本鎖だけがナノポアアパーチャを通過することを可能にする。ポリヌクレオチドがナノポアアパーチャを通過する際、ポリヌクレオチドはナノポアアパーチャを部分的にブロックし、結果として一時的なイオン電流の減少をもたらす。電流減少の長さは、直接的にポリヌクレオチドの長さに比例するので、Kasianowicz他は、イオン電流の変化を測定することにより、ポリヌクレオチドの長さを実験的に決定することができた。
【０００４】
Baldarelli他（特許文献１）及びChurch他（特許文献２）は、モノマーの原則により、モノマーにおけるＤＮＡ及びＲＮＡ分子を含むポリヌクレオチドの特性を決定するためにナノポアを使用することを説明している。特に、Baldarelli他は、ナノポアアパーチャにポリヌクレオチドを通過させることにより、ポリヌクレオチドの特性を決定して、配列を決定した。ナノポアアパーチャは構造体またはインターフェースに組み込まれて、２つの媒体を分離する。ポリヌクレオチドがナノポアアパーチャを通過する際、ポリヌクレオチドは、ナノポアアパーチャをブロッキングすることにより、イオン電流を変化させる。個々のヌクレオチドがナノポアアパーチャを通過する際、ナノポアアパーチャを一時的にブロッキングするヌクレオチドの特定を可能にする態様で各塩基／ヌクレオチドがイオン電流を変化させ、それによりポリヌクレオチドのヌクレオチド組成の特性を決定し、恐らくポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定することが可能になる。
【０００５】
従来のナノポア解析技術に関する１つの欠点は、ターゲットポリヌクレオチドを解析する速度の制御である。Kasianowicz他（非特許文献１）により説明されるように、ナノポア解析はポリヌクレオチドの長さ決定を実行するための有用な方法である。しかしながら、移動（translocation：転位、転移、転座）の速度はヌクレオチド組成に依存し、Kasianowicz他により概説された測定条件下で、１秒あたり１０５〜１０７ヌクレオチドの範囲を有することができる。従って、ある任意のポリヌクレオチドの長さと、その移動時間との相関関係は単純ではない。また、移動速度が速度および規則性において実質的により良く制御される場合には、ポリヌクレオチド内の組成およびヌクレオチドの構成単位間の空間的関係に関して、より高い解像度を得ることができることも期待されている。従来のナノポア解析技術に関する別の欠点は、個々のポリマーの各々が一般に、検出領域を一度だけ通過するということである。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，０１５，７１４号
【特許文献２】米国特許第５，７９５，７８２号
【特許文献３】米国特許第５，９８６，３８１号
【特許文献４】米国特許第６，６５７，３５９号
【特許文献５】米国特許第６，６９５，２９７号
【特許文献６】米国特許第６，５４１，８９２号
【特許文献７】米国特許第６，２１０，８９６号
【特許文献８】米国特許出願第２００２０１１０８１８号
【特許文献９】米国特許出願第２００２００３９７３７号
【特許文献１０】国際公開第００／７９２５７号パンフレット
【非特許文献１】Kasianowicz他著、「Proc．Natl．Acad．Sci．」、ＵＳＡ．９３：１３７７０−３、1996年
【非特許文献２】Storrs Hoen、Qing Bai、Jonah A．Harley他著、「A High-Performance Dipole Surface Drive for Large Travel and Force」、Transducers 2003 12th International Conference on Solid State Sensors，Actuators，and Microsystems，Boston，2003年６月８日〜12日
【非特許文献３】Storrs Hoen，Paul Merchant，Gladys Koke，Judy  Williams，Hewlett Packard Laboratories著、「Electrostatic Surface Drives：theoretical considerations and fabrication」、Transducers 1997、1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，Chicago，1997年６月16日〜19日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の課題は、上述した技術的な問題を克服、又は少なくとも緩和することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ポリマーを解析するためのナノステッパー／センサーシステム及び方法が提供される。係るシステムの一つは、とりわけ、ナノポアシステム及び第１のナノステッパーシステムを含む。ナノポアシステムは、ナノポアアパーチャを有する構造体を含む。第１のナノステッパーシステムは、ｘ／ｙ方向可動構造体と、前記構造体に隣接して配置された第１のナノステッパーアームとを含む。第１のナノステッパーアームはターゲットポリマーと相互作用するように適合され、ｘ／ｙ方向可動構造体は、ターゲットポリマーが配置された第１のナノステッパーアームを、ナノポアアパーチャと実質的に一列になるように位置決めするように動作する。ｘ／ｙ方向可動構造体は、ナノポアアパーチャを介してターゲットポリマーを制御可能に移動させるように動作する。
【０００９】
別のシステムは、とりわけ、センサーシステム及びナノステッパーシステムを含む。センサーシステムはセンサーを含む。ナノステッパーシステムは、ｘ／ｙ方向可動構造体と、前記センサーに隣接して配置されたナノステッパーアームとを含む。ナノステッパーアームはターゲットポリマーと相互作用するように適合され、ｘ／ｙ方向可動構造体は、ターゲットポリマーが配置されたナノステッパーアームを、センサーに実質的に隣接して配置するように動作する。ｘ／ｙ方向可動構造体は、センサーがターゲットポリマーを検知するように、センサーの近くにターゲットポリマーを制御可能で可逆的に移動させるように動作する。
【００１０】
ポリマーを解析するための代表的な方法は、とりわけ、第１のｘ／ｙ方向可動構造体を用いて、制御可能で反復可能で可逆的な態様で、ナノポアアパーチャを通してターゲットポリマーを移動させ、前記ｘ／ｙ方向可動構造体が、ターゲットポリマーをナノポアアパーチャと実質的に一列になるように配置するように動作し、前記ｘ／ｙ方向可動構造体が、ｘ及びｙ方向に独立して移動するように動作し、ｘ方向は、ナノポアアパーチャが形成される構造体を貫く軸として規定され、及び前記第１のｘ／ｙ方向可動構造体の移動の関数として、ナノポアアパーチャに対するターゲットポリマーの移動に対応する信号をモニターすることを含む。
【００１１】
別の代表的な方法は、とりわけ、ナノステッパーシステムを用いて、制御可能で反復可能で可逆的な態様で、センサーに隣接するターゲットポリマーを移動させ、前記ナノステッパーシステムが、センサーの実質的に近くにターゲットポリマーを配置するように動作し、前記ナノステッパーシステムは、ｘ及びｙ方向に独立して移動するように動作し、ｘ方向が前記センサーと同一平面内にあり、ｙ方向が前記センサーの左右にターゲットポリマーを移動させる方向であり、及び前記ナノステッパーシステムの移動の関数として、センサーに対するターゲットポリマーの移動に対応する信号をモニターすることを含む。
【００１２】
他のシステム、方法、特徴および／または利点は、以下の図面および詳細な説明を検討することにより当業者には明らかになるであろう。さらなる係るシステム、方法、特徴および／または利点の全ては、本明細書内に含まれ、添付の特許請求の範囲により保護されることが意図されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、センサーがターゲットポリマーを検知するように、ターゲットポリマーを制御可能で可逆的にセンサーに隣接して移動させるように動作するナノステッパーシステムを有するナノステッパー／センサーシステムが提供される。係るナノステッパー／センサーシステムは、センサーに対するターゲットポリマーの物理的配置およびアラインメントに対する頑強な方法を提供する。更に、ナノステッパー／センサーシステムは、ターゲットポリマーがセンサーを通過する際にターゲットポリマーの移動速度を制御するように動作することができる。このためナノステッパー／センサーシステムは、ターゲットポリマーの移動を逆転させることができ、これにより、ターゲットポリマーがセンサーによって複数回検知（解析）されることが可能になる。更に、ナノステッパー／センサーシステムは、コイル状または非直線状の構造から実質的に直線状になるようにターゲットポリマーを「伸ばす」ように、ターゲットポリマーに力を作用させるように動作することもできる。更に、本発明のナノステッパー／センサーシステムを使用することにより、ターゲットポリマーの逆方向への移動の確率を実質的に低減することができ、かくしてターゲットポリマーの規定された方向の解析を確実にすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下では、図面を参照する。図面中の構成要素は、必ずしも一定の縮尺ではないことに留意されたい。
【００１５】
本明細書においてより詳細に説明されるように、ナノステッパー／センサーシステム及びその使用方法が提供される。用語「ナノステッパー」は、マイクロマシン化された静電アクチュエータを意味し、これについては特許文献３でより詳細に説明されており、特許文献３は参照により本明細書に組み込まれる。ナノステッパーは、約５０μｍ移動する間に、最大数百マイクロニュートンの力を示す静電作動型ダイポール表面駆動を使用する。ダイポールステッピングモーターの設計により、この装置が２つの方向に沿って長い距離を移動する間に、大きな力を提供することを可能にする。アクティブフィードバックを用いて、ナノステッパーは、約１．５ナノメートル、及び約０．１ｎｍ（１オングストローム）までの精度で、反復可能に配置され得る。
【００１６】
一例として、いくつかの実施形態は、センサーがターゲットポリマーを検知（例えば、ターゲットポリマーの１つ又は複数の特性を検出）するように、ターゲットポリマー（例えば、ポリペプチド及びポリヌクレオチド）を、制御可能で可逆的にセンサーに隣接（例えば、非常に接近）して移動させるように動作するナノステッパーシステムを有するナノステッパー／センサーシステムを提供する。ナノステッパー／センサーシステムの実施形態は、センサーに対するターゲットポリマーの物理的配置およびアラインメントに対する頑強な方法を提供する。更に、ナノステッパー／センサーシステムは、ターゲットポリマーがセンサーを通過する際にターゲットポリマーの移動速度を制御するように動作する。この点に関して、ナノステッパー／センサーシステムは、ターゲットポリマーの移動を逆転させることができ、これにより、ターゲットポリマーがセンサーによって複数回検知（解析）されることが可能になる。更に、ナノステッパー／センサーシステムは、コイル状または非直線状の構造から実質的に直線状になるようにターゲットポリマーを「伸ばす」ように、ターゲットポリマーに力を作用させるように動作する。ナノステッパー／センサーシステムを使用することに関するさらなる利点は、ターゲットポリマーの逆方向への移動の確率を実質的に低減し、かくして、ターゲットポリマーの規定された方向の解析を確実にすることである。
【００１７】
図１は、ターゲットポリマーを制御可能および可逆的に解析するために使用され得るナノステッパー／センサーシステム１０の代表的な実施形態を示す。ターゲットポリマーは、以下に限定されないが、バイオポリマー、ポリペプチド（例えば、タンパク質およびその一部）、ポリヌクレオチド（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、及びその一部）、合成ポリマー（例えば、コポリマー及びブロックポリマー）などを含むことができる。ナノステッパー／センサーシステム１０は、以下に限定されないが、ナノステッパーシステム２０及びセンサーシステム３０を含む。ナノステッパーシステム２０及びセンサーシステム３０は、ターゲット分子の１つ又は複数の特性を測定するために、センサーシステム３０におけるセンサーに対してターゲットポリマーを配置するように動作する。ターゲットポリマーの位置およびその移動（例えば、速度およびステップサイズ）は、ナノステッパーシステム２０により制御される。移動は、ターゲットポリマーに対して前方向または後方向に行うことができる。更に、センサーに対するターゲットポリマーの位置決めは、再現および反復されることができ、それにより、同一分子に関して正確かつ精密な測定が実施されることを可能にする。
【００１８】
図２は、ナノステッパー／センサーシステム１０を使用するための代表的なプロセス１２を示す流れ図である。図２に示されるように、機能（又は方法）はブロック１４から開始するように構成され、ブロック１４においてターゲットポリマー、ナノステッパーシステム２０、及びセンサーシステム３０が準備される。ブロック１６において、ターゲットポリマーが、ナノステッパーアームに（例えば、共有結合的、イオン的、生化学的、機械的、電子的、磁気的等により）付けられる。ブロック１８において、ナノステッパーシステム２０は、センサーに対してターゲットポリマーを制御される態様で移動させる。結果として、センサーシステム３０は、ターゲットポリマーの１つ又は複数の特性を測定するように動作する。
【００１９】
一般に、ナノステッパーシステムは、１つ又は複数のナノステッパーアームが取り付けられたｘ／ｙ方向可動構造体を含む。ｘ／ｙ方向可動構造体は、制御可能および再生可能な態様で、ｘ及びｙ方向に独立して動くように動作する。また、ナノステッパーシステムは、制御可能および再生可能な態様でｚ方向に動くように動作し、かつｘ／ｙ方向可動構造体から独立して動くことができるｚ方向可動構造体も含むことができる。ｘ／ｙ方向可動構造体および／またはｚ方向可動構造体を使用して、ナノステッパーシステムは、センサーに対してターゲットポリマーを移動させるための機械的な力を生じさせることができる。言い換えれば、ナノステッパーシステムは、ターゲットポリマーを３次元で移動させることができる。別の実施形態において、ナノステッパーシステムは、センサーに対してターゲットポリマーを移動させるための機械的な力と連係して、電気的および／または磁気的な力を使用することができる。
【００２０】
ナノステッパーアームの一部は、ターゲットポリマーと相互作用する１つ又は複数の化学物質、生化学物質、磁気構造体、導電性構造体、及びそれらの組み合わせを含むことができる。ナノステッパーアームとターゲットポリマーとの間の相互作用は、センサーに対してターゲットポリマーを移動させる間に加えられる力に耐えるほど十分に頑強であるべきである。一実施形態において、ナノステッパーアームとターゲットポリマーとの間の相互作用の強さは、ターゲットポリマーの骨格（例えば、ポリヌクレオチド及びポリペプチドの糖骨格）中の結合と少なくとも同程度に強いべきである。ターゲットポリマーは、以下に限定されないが、共有結合、バイオ共役（bio-conjugation）結合（例えば、ビオチン−ストレプトアビジン相互作用）、ターゲットポリマーの一部とのハイブリダイゼーション相互作用（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、及びＰＮＡを使用）、磁気的相互作用（例えば、ターゲットポリマーが磁気構造体を含む）、ジンクフィンガータンパク質、及びこれらの組み合わせなどの１つ又は複数の相互作用を用いて、ナノステッパーアーム上に配置され得る。
【００２１】
ナノステッパーは、センサーがターゲットポリマー分子の１つ又は複数の特性を測定することができるように、ターゲットポリマーを配置し、ターゲットポリマーをセンサーに対して制御可能、反復可能、かつ可逆的な態様で（例えば、隣接させて、又は十分に接近させて）通過移動する（例えば、引っ張る）ように動作する。
【００２２】
一般に、ｘ方向は、センサーシステム３０の、ナノポアが形成される構造体を貫く軸として定義される。センサーシステム３０の面に平行な方向をｙ方向と呼ぶこととする。ｘ及びｙ方向の双方に対して直交する方向をｚ方向と呼ぶこととする。一実施形態において、ｘ方向は、ナノポアを実質的に貫通する軸であるが、別の実施形態においては、ｘ方向は、センサーシステム３０の軸に対する垂線と約６０〜７５度の角度の範囲内にある軸である。
【００２３】
図３に示されるように、ｘ方向は、センサーと同じ平面内にあり、そのため、ｘ方向の移動は、センサーを前方向および後方向に通過するようにターゲットポリマーを移動させる。また、ｙ方向もセンサーと同じ平面内にあるが、ｙ方向の移動はターゲットポリマーをセンサーの左右方向に移動させる。別の実施形態において、ナノステッパーはｚ方向に移動させるように動作し、ｚ方向はセンサーに平行な平面内にある。ｚ方向の移動は、ターゲットポリマーをセンサーの上方および下方に移動させる。
【００２４】
ナノステッパーシステムの可動域は、特定の用途に使用されるナノステッパーのタイプの設計仕様に依存する。典型的な実施形態において、ナノステッパーの可動域は、少なくとも約±０．５μｍ（例えば、少なくとも約±１μｍ、又は少なくとも約±２．５μｍ、又は少なくとも約±５μｍ）である。典型的な実施形態において、ナノステッパーシステムの可動域は、最大約±６０μｍ（例えば、約±５０μｍ、約±４０μｍ、約±３０μｍ、約±２０μｍ、又は約±１０μｍ）である。他の実施形態においては、ナノステッパーシステムは、上記したものよりも小さいか又は大きい可動域を有することができる。本段落において記載された可動域は、ナノステッパーシステムの中心位置から測定されており、「±」の所与の値として与えられる。従って、全可動域は所与の値の２倍（例えば、±３５μｍは、７０μｍの全可動域を提供する）となることを理解されたい。
【００２５】
更に、ナノステッパーは、１秒あたり約１〜１，０００，０００ステップのステッピング速度で、約０．１〜４００ｎｍ（１〜４０００オングストローム）のステップサイズで移動することができる。ターゲットポリマーが２箇所で固定されている場合（１箇所はナノステッパーアームである）、ナノステッパーは、ターゲットポリマーに対して約１ナノニュートン〜５００μニュートンの力を作用させることができ、それにより、ターゲットポリマーを実質的に直線状の形態へと伸ばすことができる。
【００２６】
ナノステッパーシステムに関するさらなる詳細については、非特許文献２、非特許文献３、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、及び特許文献９に記載されており、これらの各文献は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２７】
一般に、センサーシステムは、ターゲットポリマーがセンサーに対して動かされる際にターゲットポリマーの特性を検知するように動作する。例えば、センサーシステムは、センサーの近傍で通過する各分子を検知することによりターゲットポリマーの配列を決定することができる（例えば、ポリヌクレオチドのヌクレオチド配列の決定）。センサーシステムは、以下に限定されないが、種々の検知技術を使用したナノポアシステム等のシステムを含むことができる。センサーの種類およびタイプは、使用されるセンサーシステムのタイプ及び実施される測定によって決まる。センサーの例示的な例は、ターゲットポリマーの分子の電気的特性を検出するように動作するシステムを含む。例えば、ターゲットポリマー分子に対応する個々のコンダクタンス又は電子トンネル電流の変化の振幅および／または持続時間は、ターゲットポリマーがアパーチャを通過して移動する際に検知されることができ、アパーチャはターゲットポリマーと相互作用する適切な電子検知システムを有する。
【００２８】
一実施形態において、センサーシステム３０は、以下に限定されないが、ポリヌクレオチド、ポリペプチド、それらの組み合わせ、及びそれらの特定領域などのターゲットポリマーの特性を検出／解析／モニターするためのナノポアシステムである。例えば、ポリヌクレオチド及び／又はポリペプチド（ただし、分かりやすくするために、以降ポリヌクレオチドと称す）のナノポアシークエンシングが記載されている（Church他に対する特許文献２、Baldarelli他に対する特許文献１、これらの教示はともに参照により本明細書に組み込まれる）。
【００２９】
一般に、ナノポアシークエンシングは、媒体の２つの独立したプール、及びプール間の接触面（インターフェース）を使用することを含む。プール間の接触面は、プールのうちの１つに存在するポリヌクレオチドの個々のモノマー残基と連続的に相互作用することができる。ナノステッパーシステムは、接触面のいずれの側に配置されてもよく、いくつかの実施形態においては、ナノステッパーシステムは、接触面の両側に配置され得る。
【００３０】
ポリヌクレオチドのモノマーに依存する特性を推測するのに適切なデータを生成しながら、ポリヌクレオチドの個々のモノマー残基が連続的に接触面と相互作用する間に、接触面に依存する測定がある期間にわたって継続される。ナノポアシークエンシングにより達成されるモノマーに依存する特性決定は、以下に限定されないが、個々のポリヌクレオチドを配列順に構成するモノマーの数および組成などの物理的特性を特定することを含むことができる。
【００３１】
この実施形態において、用語「シークエンシング」は、ポリヌクレオチド分子におけるヌクレオチドの配列順序を決定することを意味する。本明細書において使用される場合のシークエンシングは、その定義の範囲内において、配列が予め分かっていないポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を新規な態様で決定することを含む。また、本明細書において使用される場合のシークエンシングは、その定義の範囲内において、配列が予め分かっているポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定することも含む。配列が予め分かっているポリヌクレオチドのシークエンシングは、ポリヌクレオチドを特定し、ポリヌクレオチドを確認し、又は多型および遺伝変種を探索するために使用され得る。
【００３２】
図３は、ナノステッパー／センサーシステム１０ａの代表的な実施形態を示す。ナノステッパー／センサーシステム１０ａは、以下に限定されないが、ナノステッパーシステム２０、及びナノポアアパーチャ３４を含むナノポアシステム３０ａを含む。ナノステッパーシステム２０は、以下に限定されないが、ｘ／ｙ方向可動構造体２２、及びこれに取り付けられたナノステッパーアーム２４を含む。上述したように、ｘ／ｙ方向可動構造体２２は、ｘ方向の移動によりセンサーを通過するようにターゲットポリマー３８が前後に移動するように、センサー（図示されないが、ナノポアアパーチャ３４に隣接している）及びナノポアアパーチャ３４と同一平面内にあるｘ方向に動くことができる。また、ｙ方向もセンサーと同一平面内にあるが、ｙ方向の移動はターゲットポリマー３８をセンサーの左右に移動させる。ナノステッパーシステム２０に関する更なる詳細は上述された。
【００３３】
ナノポアシステム３０ａは、以下に限定されないが、媒体の２つの独立した隣接するプールを分離する構造体３２を含むことができる。２つの隣接するプールは、構造体３２のシス側およびトランス側に配置される。構造体３２は、以下に限定されないが、一度に１つのポリペプチドのみを一方のプールから他方へ連続的なモノマーごとの移動（即ち、通過）を行うことを可能にするように寸法決めされた少なくとも１つのナノポアアパーチャ３４、及びターゲットポリヌクレオチド３８の測定を実行するために使用され得る検出コンポーネントを含む。
【００３４】
ナノポアシステム３０ａのための例示的な検出コンポーネントは、特許文献１０に記載されており、以下に限定されないが、ナノポアアパーチャ３４に、又はその近くで構造体３２に直接的に結合された電極、並びにシス及びトランスのプール内に配置された電極を含むことができる。電極は、以下に限定されないが、２つのプールを横切るイオン電流の差、又はナノポアアパーチャの両端の電子トンネル電流を検出することができる。
【００３５】
一般に、検知（センシング）は、ターゲットポリヌクレオチド３８がナノポアアパーチャ３４の中を通って移動し、又はナノポアアパーチャ３４に十分に接近して通過する際に行われる。測定（例えば、イオン流遮断の持続時間または振幅を測定することを含むイオン流測定）は、ナノポア検出システムにより、ターゲットポリヌクレオチド３８のヌクレオチドモノマーの各々が、ナノポアアパーチャ３４の中を通って、又はナノポアアパーチャ３４に十分に接近して通過する際に行われ得る。測定はターゲットポリヌクレオチド３８の配列および／または長さを特定するために使用され得る。
【００３６】
構造体３２は、以下に限定されないが、窒化ケイ素、酸化ケイ素、雲母、ポリイミド、シリコン、及びそれらの組み合わせなどの材料から作成され得る。構造体３２は、以下に限定されないが、検出電極および検出集積回路を含むことができる。構造体３２は、１つ又は複数のナノポアアパーチャ３４を含むことができる。ナノポアアパーチャ３４は、１本鎖ポリヌクレオチドだけが一度にナノポアアパーチャ３４の中を通って移動できるように、又は２本鎖または１本鎖ポリヌクレオチドがナノポアアパーチャ３４の中を通って移動できるように寸法決めされ得る。ナノポアアパーチャ３４は、約３〜５ナノメートルの直径（１本鎖または２本鎖ポリヌクレオチドの解析用）を有することができ、及び約２〜４ナノメートルの直径（１本鎖ポリヌクレオチドの解析用）を有することができる。使用される検出方法に依存して、ナノポアアパーチャ３４のサイズは、ポリヌクレオチドの半径寸法よりも著しく大きくなる場合がある。別の実施形態において、ナノポアアパーチャは、ポリペプチドがナノポアアパーチャを通過できるように寸法決めされ得る。
【００３７】
ナノポア検出システムは、以下に限定されないが、ナノポアアパーチャと相互作用するようなポリヌクレオチドの特性を測定できる電子機器；特性の測定を制御して、対応するデータを格納することができるコンピューターシステム；ナノポアシステムの状態を制御することができる制御機器；及び後述されるような、測定を実施するために使用されるナノポアシステムに含まれるコンポーネントを含む。
【００３８】
ナノポア検出システムは、以下に限定されないが、個々のコンダクタンスの振幅または持続時間、又はナノポアアパーチャ３４の両端における電子トンネル電流の変化などの特性を測定することができる。このような変化は、配列におけるモノマーを特定することができる。なぜなら、各モノマーは特有のコンダクタンスの変化シグネチャを有するからである。例えば、体積、形状、又は各モノマーの変化は、特有の態様でコンダクタンスに影響を及ぼすことができる。代案として、ターゲットポリヌクレオチド３８のヌクレオチドの数（また、サイズの測定値）は、ナノポアアパーチャ３４を通過する任意の核酸についてのヌクレオチドに依存するコンダクタンス変化の数の関数として推定され得る。ヌクレオチドの数はコンダクタンス変化の数と正確には一致しない。なぜなら、核酸の各ヌクレオチドがナノポアアパーチャ３４を連続的に通過する際に、２つ以上のコンダクタンスのレベル変化が生じる場合があるからである。しかしながら、既知の配列を有するポリヌクレオチドを用いて標準品を準備することにより決定可能な２つの値の間には、比例関係が存在する。
【００３９】
構造体３２のいずれかの側のプール内に配置された媒体は、構造体３２の相互作用について、適切なポリヌクレオチドの可動性を可能にする任意の流体とすることができる。一般に、媒体は液体であり、通常はポリヌクレオチドが分散され得る水溶液または他の液体または溶液である。導電性の媒体を使用する場合、それは電流を伝えることができる任意の媒体とすることができる。このような溶液は一般に、導電物質（例えば、ナトリウム、カリウム、塩化物、カルシウム、セシウム、バリウム、硫酸塩、又はリン酸塩）のようなイオンを含む。ナノポアアパーチャ３４の両端のコンダクタンスは、導電媒体を介してナノポアアパーチャ３４の両端に流れる電流を測定することにより求められ得る。電圧差は、適切な電子装置を用いて、プール間のバリヤの両端に加えられ得る。代案として、媒体の２つのプールのイオン組成における差異、即ち各プールにおいて異なるイオンを有するか、又はプールの溶液又は媒体中に異なる濃度の少なくとも１つのイオンが存在するかにより、電気化学的な勾配が確立され得る。コンダクタンスの変化は、ナノポア検出システムにより測定され、モノマーに依存する特性を示す。
【００４０】
ナノステッパーは、ナノポアアパーチャ３４に関してターゲットポリヌクレオチド３８を移動させ、それにより個々のヌクレオチドが連続的にナノポアアパーチャ３４と相互作用し、ナノポアアパーチャ３４のコンダクタンスに変化を生じさせる。
【００４１】
図４は、ナノステッパー／センサーシステム１０ａを使用するための代表的なプロセス４０を示す流れ図である。図４に示されるように、機能（又は方法）はブロック４２から開始するように構成され、ブロック４２においてターゲットポリマー３８、ナノステッパーシステム２０、及びナノポアシステム３０ａが準備される。ブロック４４において、ターゲットポリマー３８が、ナノステッパーシステム２０のナノステッパーアーム２４に対して（例えば、共有結合的、イオン的、生化学的、機械的、電子的、磁気的等により）配置される。ブロック４６において、ターゲットポリマー３８はナノポアアパーチャ３４に通される。ターゲットポリマー３８は、以下に限定されないが、電子的、電気泳動的、磁気的、及びそれらの組み合わせなどの力（例えば、場）を用いて、ナノポアアパーチャ３４に通され得る。例えば、ターゲットポリマー３８は、ナノポアに印加された電圧を用いてナノポアアパーチャ３４に引き寄せられ得る。ブロック４８において、ナノステッパーシステム２０は、センサーに関して、ターゲットポリマー３８を制御された態様で移動させる。結果として、センサーシステム３０は、ターゲットポリマー３８の１つ又は複数の特性を測定するように動作する。
【００４２】
図５Ａ〜図５Ｄは、ナノステッパー／センサーシステムを使用するための代表的なプロセスを示す。図５Ａは、上述したようなナノステッパーシステム２０、上述したようなナノポアシステム３０ａ、及びターゲットポリマー３８を示す。図５Ｂにおいて、ターゲットポリマー３８（例えば、ポリヌクレオチド）は、上述した１つ又は複数の相互作用を用いてナノステッパーアーム２４上に配置される。
【００４３】
図５Ｃは、ターゲットポリヌクレオチドをナノポアに通す方法を示す。ナノステッパーアームとナノポア構造体３２のシス側との間に、第１の電圧が印加される。これにより、ターゲットポリマー３８の非付着の端部をナノポアアパーチャ３４のシス側の方へ引き寄せて、ナノポアアパーチャ３４に非常に接近させる電気力が生じる。
【００４４】
図５Ｄにおいて、ターゲットポリマー３８がナノポアアパーチャ３４の中を通って、ナノポアアパーチャ３４のトランス側へと移動するように、ナノポア構造体３２の両端に第２の電圧が印加される。ひとたびターゲットポリマー３８がナノポアアパーチャ３４に通されると、電圧勾配がオフされ得る。この実施形態において、ターゲットポリマー３８の位置決め及び移動は、機械的であり、ナノステッパーにより駆動される。別の実施形態において、電圧勾配はオンのままにされてもよい。ターゲットポリマーをナノポアに通すために使用される引力は、ターゲットポリマー３８に張力を与えて、それをまっすぐにするために使用され得る。別の実施形態において、第１の電圧および第２の電圧は、同時に使用され得る。
【００４５】
別の実施形態において、ナノステッパーアームの取付部とは反対側の端部においてターゲットポリマー３８上に、磁性構造体が配置され得る。次いで、ナノステッパー／センサーシステム１０ａに磁界を加えることにより、ｘ／ｙ方向可動構造体２２が該磁界とは逆の方向に移動する際に、ターゲットポリマー３８がまっすぐにされる。更に他の実施形態において、ナノステッパーアーム２４の取付部とは反対側の端部にあるターゲットポリマー３８は、図６及び図７に示されるような別の構造体に取り付けられ得る。
【００４６】
図５Ｅ及び図５Ｆは、ナノステッパーシステム２０により、ターゲットポリマー３８をナノポアアパーチャ３４の内外へ移動することを示す。ナノポアアパーチャ３４を通過するターゲットポリマー３８の移動に対応する信号が、ナノポア検出システムによりモニターされる。解析完了後に、ターゲットポリマー３８をナノステッパーアーム２４から開放することができる（例えば、電気斥力、ｐＨ変化、塩濃度変化等により）。
【００４７】
図６は、ナノステッパー／センサーシステム１０ｂの代表的な実施形態を示す。ナノステッパー／センサーシステム１０ｂは、以下に限定されないが、ナノステッパーシステム２０、ナノポアシステム３０ａ、及び第２のナノステッパーシステム５０を含む。ナノステッパーシステム２０、及び第２のナノステッパーシステム５０は、ナノポアシステム３０ａのシス側およびトランス側にそれぞれ配置される。第２のナノステッパーシステム５０は、第２のナノステッパーアーム５４が配置されたｘ／ｙ方向可動構造体５２を含む。ターゲットポリマー３８の両端部は、各ナノステッパーアーム２４及び５４上に配置される。ターゲットポリマー３８は、ナノポアアパーチャ３４に通された後に第２のナノステッパーアーム５４上に配置され（上述したような態様で）、逆もまた同様である。２つのナノステッパーシステム２０及び５０は、ナノポアアパーチャ３４を介してターゲットポリマー３８を前後に移動させるために使用され得る。更に、ナノステッパーシステム２０及び５０は、ターゲットポリマー３８を実質的にまっすぐにするために使用され得る。２つのナノステッパーシステムは、ターゲットポリマーの位置と張力を正確に制御するために連係して働くように動作され得る。
【００４８】
図７は、ナノステッパー／センサーシステム１０ｃの代表的な実施形態を示す。ナノステッパー／センサーシステム１０ｃは、以下に限定されないが、ナノステッパーシステム２０、ナノポアシステム３０ａ、及び撓み（flexure）システム６０を含む。ナノステッパーシステム２０及び撓みシステム６０は、ナノポアシステム３０ａのシス側およびトランス側にそれぞれ配置される。撓みシステム６０は、以下に限定されないが、撓みベース６２に取り付けられた可撓性部材６４を含む。可撓性部材６４は機械的にフレキシブルであり、ｘ／ｙ方向可動構造体５２に反対力を提供することができ、これはターゲットポリマー３８をまっすぐにするために使用され得る。上述したような相互作用を通じて、可撓性部材６４上にターゲットポリマー３８を配置することができ、該相互作用は、共有結合的、イオン的、生化学的、機械的、電気的、及び磁気的な相互作用を含む。
【００４９】
ターゲットポリマー３８の１つの端部はナノステッパーアーム２４上に配置され、ターゲットポリマー３８の反対側の端部は可撓性部材６４上に配置される。ターゲットポリマー３８は、ナノポアアパーチャ３４に通された後に可撓性部材６４上に配置され、逆もまた同様である。ナノステッパーシステム２０及び可撓性部材６４は、ナノポアアパーチャ３４を介してターゲットポリマー３８を前後に移動させるために使用され得る。更に、ナノステッパーシステム２０及び可撓性部材６４は、ターゲットポリマー３８を実質的にまっすぐにするために使用され得る。
【００５０】
図８は、ナノステッパー／センサーシステム１０ｄの代表的な実施形態を示す。ナノステッパー／センサーシステム１０ｄは、以下に限定されないが、ナノステッパーシステム２０、切り欠きシステム７０、及び第２のナノステッパーシステム５０を含む。切り欠きシステム７０は、構造体７２の上部に配置された切り欠き（スリット）７４を有する構造体７２を含む。また、用語「切り欠き」は、同様の結果を達成する構造体７２におけるスリット及び他の窪みも含むことができる。上述したコンポーネントに加えて、ナノステッパーシステム２０は、ｘ／ｙ方向可動構造体から独立して制御可能および再生可能な態様でｚ方向に移動させるように動作するｚ方向可動構造体２６を含む。切り欠き７４を使用したシステムにおいては、単一の流体のみが存在する。切り欠き７４は、先端部が約１ナノメートルのサイズまで狭くなる形状を有することができる。例えば、切り欠き７４は三角形の形状になることができる。ナノポア検出システムは、切り欠き７４に隣接して配置され、ナノポアシステムと同様の態様でターゲットポリマー３８を操作して検知する。ナノステッパーシステム２０及び第２のナノステッパーシステム５０は、切り欠きシステム７０のシス側およびトランス側にそれぞれ配置される。
【００５１】
ターゲットポリマー３８の両端部は、各ナノステッパーアーム２４及び５４上に配置される。ターゲットポリマー３８は、切り欠き７４に通される前に、各ナノステッパーアーム２４及び５４上に配置され得る。次いで、ターゲットポリマー３８は、ｘ／ｙ方向可動構造体２２及び５２、並びにｚ方向可動構造体２６の組み合わせを用いて、切り欠き７４中へ移動することができる。言い換えれば、ターゲットポリマー３８を十分に切り欠き７４内に配置するように、ｚ方向可動構造体２６によりナノステッパーシステム２０が上下に移動することができる。その後、２つのｘ／ｙ方向可動構造体２２及び５２を用いて、切り欠きアパーチャ（切り欠き）７４を介してターゲットポリマー３８を前後に移動させることができる。更に、ナノステッパーシステム２０及び５０を用いて、ターゲットポリマー３８を実質的にまっすぐにすることができる。
【００５２】
図９Ａ及び図９Ｂは、ナノステッパー／センサーシステム１０ｅの代表的な実施形態を示す。ナノステッパー／センサーシステム１０ｅは、以下に限定されないが、ナノステッパーシステム２０及びナノポア／アレイシステム８０を含む。上述したコンポーネントに加えて、ナノステッパーシステム２０は、制御可能および再生可能な態様でｚ方向に移動させるように動作し、かつｘ／ｙ方向可動構造体から独立して移動させることができるｚ方向可動構造体２６を含む。ナノポア／アレイシステム８０は、以下に限定されないが、ナノポアアパーチャ３４を有する構造体３２（ナノポアシステム３０ａに類似）、及び上面に複数の別個の領域（スポット）８４を有するアレイ８２を含む。アレイ８２は、以下に限定されないが、当業者により知られたようなアレイ及びマイクロアレイを含むことができる。別個の領域は、１つ又は複数のターゲットポリマーと相互作用するように形成され得る。ナノステッパーシステム２０がアレイ８２とナノポアシステムとの間を移動することができるように、アレイ８２は、ナノポアシステムに隣接して、又はナノポアシステムから離れて配置され得る。ナノステッパーシステム２０は、アレイ領域８２からターゲットポリマーを拾い上げ、ナノポアアパーチャ３４の付近にそれらを戻し、次いで圧電アクチュエーターの使用とは異なる検出プロセス中に、数オングストロームのスケールで正確かつ反復可能な運動を行うために、数マイクロメートルを超える（例えば、約１００μｍ）長距離移動ができる。
【００５３】
最初に、ナノステッパーシステム２０は、それ自体を、ターゲットポリマー８８が配置された別個の領域と実質的に一列になるように位置決めする。ターゲットポリマー８８は、アレイ８２と反対側の端部においてナノステッパーアーム２４と相互作用する。次いで、ターゲットポリマー８８はアレイ８２から開放される。その後、ナノステッパーシステム２０が、ナノポアアパーチャと実質的に一列になるようにナノステッパーアーム２４を移動させる。その後、ターゲットポリマー８８は、ナノステッパーシステム２０を使用して、本明細書で説明されたような態様で、ナノアパーチャの中を通って移動され得る。
【００５４】
上述した実施形態に対して、多くの変形および修正を行うことができることは強調されるべきである。このような全ての修正および変形は、本発明の範囲内に含まれ、かつ添付の特許請求の範囲により保護されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】ナノステッパー／センサーシステムの実施形態の概略図である。
【図２】図１に示されたナノステッパー／センサーシステムを使用するための代表的なプロセスの流れ図である。
【図３】代表的なナノステッパー／センサーシステムの図である。
【図４】図３に示されたナノステッパー／センサーシステムを使用するための代表的なプロセスの流れ図である。
【図５Ａ】図３に示されたナノステッパー／センサーシステムを使用した代表的なプロセスの図である。
【図５Ｂ】図３に示されたナノステッパー／センサーシステムを使用した代表的なプロセスの図である。
【図５Ｃ】図３に示されたナノステッパー／センサーシステムを使用した代表的なプロセスの図である。
【図５Ｄ】図３に示されたナノステッパー／センサーシステムを使用した代表的なプロセスの図である。
【図５Ｅ】図３に示されたナノステッパー／センサーシステムを使用した代表的なプロセスの図である。
【図５Ｆ】図３に示されたナノステッパー／センサーシステムを使用した代表的なプロセスの図である。
【図６】一対のナノステッパーを組み込んだ代表的なナノステッパー／センサーシステムの図である。
【図７】撓みシステムを組み込んだ代表的なナノステッパー／センサーシステムの図である。
【図８】２つのナノステッパー及び切り欠きシステムを組み込んだ代表的なナノステッパー／センサーシステムの図である。
【図９Ａ】アレイシステムを組み込んだ代表的なナノステッパー／センサーシステムの図である。
【図９Ｂ】アレイシステムを組み込んだ代表的なナノステッパー／センサーシステムの図である。
【符号の説明】
【００５６】
20  ナノステッパーシステム
22  ｘ／ｙ方向可動構造体
24  ナノステッパーアーム
30  センサーシステム
30a  ナノポアシステム
32  構造体
34  ナノポアアパーチャ
38  ターゲットポリマー
【図１】
2006078491.tif 000003
【図２】
2006078491.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2006078491.tif 000008
【図５Ｃ】
2006078491.tif 000009
【図５Ｄ】
2006078491.tif 000010
【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６】
2006078491.tif 000013
【図７】
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【図８】
2006078491.tif 000015
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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