(57)【要約】【課題】標的核酸断片との結合力を向上させることのできるプローブ、プローブ設計装置、プローブ設計プログラムを提供すること。【解決手段】ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）では、グラフィック表示機能を利用して設計された任意プローブと標的核酸分子との二重鎖構造に作用する力を古典分子力場計算に従って算出する（Ｓ５９）。そして、算出された力が所定の閾値以下となるまで各原子位置を調整して安定な二重鎖構造とし、その任意プローブの結合エネルギーを結合エネルギー解析処理（Ｓ６２）によって算出する。算出された任意プローブの結合エネルギーと、判定値メモリに記憶されている標準プローブの結合エネルギーとは、識別情報と共にＬＣＤに出力される。故に、ユーザは、設計したプローブのハイブリダイズ能力を端的に把握することができ、結合力を向上させたプローブを設計できる。【選択図】図５
2011004621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核酸塩基と、その核酸塩基が結合される糖を含むバックボーン構造とを有し、標的核酸分子と少なくとも部分的に二重鎖を形成してハイブリダイズするプローブにおいて、
前記バックボーン構造は、天然核酸のバックボーン構造において糖を連結する燐酸基が下記式（１），（２），（３），（４）から選ばれる少なくとも１種の基によって置き換えられた構造を備えたものであることを特徴とするプローブ。
【化１】
2011004621.tif 000006
【請求項２】
データが出力される出力装置に接続可能な接続手段と、
任意の構造を有するプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データを記憶する第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段と、
その第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段に記憶されるハイブリダイズ構造データに基づき、該プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力を算出する作用力算出手段と、
その作用力算出手段により算出された力が予め設定した閾値を超えていた場合、その力が減少する方向に構成原子の位置を調整して、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下となるまでハイブリダイズ構造を変更する構造最適化手段と、
その構造最適化手段にて変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データを用いて、標的核酸分子とプローブとの結合エネルギーを算出する結合エネルギー算出手段と、
その結合エネルギー算出手段により算出された結合エネルギーに対応するデータを前記接続手段を介して前記出力装置に出力する第１出力手段とを備え、
その第１出力手段にて出力されるデータにて、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ能力の指標を示すことを特徴とするプローブ設計装置。
【請求項３】
分子構造を構築するための構造データを記憶する構造データ記憶手段と、
その構造データ記憶手段に記憶される構造データの内から、操作者の操作に応じて指定された構造データに基づいて任意のプローブを構築する指定構築手段とを備えており、
前記第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段は、前記指定構築手段にて構築された任意のプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データを記憶するものであることを特徴とする請求項２に記載のプローブ設計装置。
【請求項４】
前記指定構築手段にて構築されたプローブが、電気的に中性であるかを判断する判断手段と、
その判断手段による判断結果を前記接続手段を介して前記出力装置に出力する判断結果出力手段とを備えていることを特徴とする請求項３に記載のプローブ設計装置。
【請求項５】
予め指定された核酸構造で形成された標準プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データであって、当該ハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるデータを用い、前記結合エネルギー算出手段と同様の手段を用いて算出された標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを記憶する標準結合エネルギー記憶手段を備えており、
前記第１出力手段は、前記標準結合エネルギー記憶手段に記憶される結合エネルギーと、前記結合エネルギー算出手段により算出された結合エネルギーとを比較可能な態様で、前記接続手段を介して前記出力装置に出力することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のプローブ設計装置。
【請求項６】
標的核酸分子は天然核酸の４種の塩基を各１ずつ備えた４塩基配列のもので設定されており、
前記結合エネルギー算出手段は、該標的核酸分子と、該標的核酸分子の４塩基に相補的に結合する４塩基を備えた４塩基配列のプローブとの結合エネルギーを算出するものであることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のプローブ設計装置。
【請求項７】
前記第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段に記憶されるハイブリダイズ構造データまたは構造最適化手段によって変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データであって、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるハイブリダイズ構造のデータを記憶する第２ハイブリダイズ構造データ記憶手段と、
その第２ハイブリダイズ構造データ記憶手段に記憶されるハイブリダイズ構造データに基づき、分子軌道計算に従って電子状態密度を算出する電子状態密度算出手段と、
その電子状態密度算出手段によって算出された電子状態密度に基づき、プローブと所定距離離れた位置においてプローブを挟んで配置された一対の電極間の電荷の伝播確率を量子輸送理論に従って算出する伝播確率算出手段と、
その伝播確率算出手段により算出された電荷の伝播確率を表す関数をエネルギーで積分して電流電圧特性値を算出する電流電圧特性算出手段と、
その電流電圧特性算出手段によって算出された電流電圧特性値を前記出力装置に出力する第２出力手段とを備え、
その第２出力手段によって出力される電流電圧特性値にてプローブの電気伝導度特性を示すことを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載のプローブ設計装置。
【請求項８】
前記電子状態密度算出手段にて用いられる分子軌道計算は、ＤＦＴ法を用いるものであることを特徴とする請求項７に記載のプローブ設計装置。
【請求項９】
データが出力される出力装置に接続可能な接続手段を備えたコンピュータで実行されるプローブ設計プログラムにおいて、
任意の構造を有するプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データを前記コンピュータの内部に記憶する第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップと、
その第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップにて記憶されたハイブリダイズ構造データに基づき、該プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力を算出する作用力算出ステップと、
その作用力算出ステップにより算出された力が予め設定した閾値を超えていた場合、その力が減少する方向に構成原子の位置を調整して、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下となるまでハイブリダイズ構造を変更する構造最適化ステップと、
その構造最適化ステップにて変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データを用いて、標的核酸分子とプローブとの結合エネルギーを算出する結合エネルギー算出ステップと、
その結合エネルギー算出ステップにより算出された結合エネルギーに対応するデータを前記接続手段を介して出力装置に出力する第１出力ステップとを前記コンピュータに実行させ、
前記第１出力ステップにて出力されるデータにて、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ能力の指標を示すことを特徴とするプローブ設計プログラム。
【請求項１０】
前記コンピュータは、分子構造を構築するための構造データを記憶する構造データ記憶手段を備えており、
その構造データ記憶手段に記憶される構造データの内から、操作者の操作に応じて指定された構造データに基づいて任意のプローブを構築する指定構築ステップを前記コンピュータに実行させるものであり、
前記第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップは、前記指定構築ステップにて構築された任意のプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データをコンピュータ内部に記憶するものであることを特徴とする請求項９に記載のプローブ設計プログラム。
【請求項１１】
前記指定構築ステップにて構築されたプローブが、電気的に中性であるかを判断する判断ステップと、
その判断ステップによる判断結果を前記接続手段を介して前記出力装置に出力する判断結果出力ステップとを前記コンピュータに実行させるものであることを特徴とする請求項１０に記載のプローブ設計プログラム。
【請求項１２】
予め指定された核酸構造で形成された標準プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データであって、当該ハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるデータを用い、前記結合エネルギー算出ステップと同様のステップを用いて算出された標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを前記コンピュータの内部に記憶する標準結合エネルギー記憶ステップを前記コンピュータに実行させるものであり、
前記第１出力ステップは、前記標準結合エネルギー記憶ステップに記憶される結合エネルギーと、前記結合エネルギー算出ステップにより算出された結合エネルギーとを比較可能な態様で、前記接続手段を介して前記出力装置に出力することを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載のプローブ設計プログラム。
【請求項１３】
標的核酸分子は天然核酸の４種の塩基を各１ずつ備えた４塩基配列のもので設定されており、
前記結合エネルギー算出ステップは、該標的核酸分子と、該標的核酸分子の４塩基に相補的に結合する４塩基を備えた４塩基配列のプローブとの結合エネルギーを算出するものであることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載のプローブ設計プログラム。
【請求項１４】
前記第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップに記憶されるハイブリダイズ構造データまたは構造最適化ステップによって変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データであって、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるハイブリダイズ構造のデータを前記コンピュータの内部に記憶する第２ハイブリダイズ構造データ記憶ステップと、
その第２ハイブリダイズ構造データ記憶ステップに記憶されるハイブリダイズ構造データに基づき、分子軌道計算に従って電子状態密度を算出する電子状態密度算出ステップと、
その電子状態密度算出ステップによって算出された電子状態密度に基づき、プローブと所定距離離れた位置においてプローブを挟んで配置された一対の電極間の電荷の伝播確率を量子輸送理論に従って算出する伝播確率算出ステップと、
その伝播確率算出ステップにより算出された電荷の伝播確率を表す関数をエネルギーで積分して電流電圧特性値を算出する電流電圧特性算出ステップと、
その電流電圧特性算出ステップによって算出された電流電圧特性値を前記出力装置に出力する第２出力ステップとを前記コンピュータに実行させるものであり、
前記第２出力ステップによって出力される電流電圧特性値にてプローブの電気伝導度特性を示すことを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載のプローブ設計プログラム。
【請求項１５】
前記電子状態密度算出ステップにて用いられる分子軌道計算は、ＤＦＴ法を用いるものであることを特徴とする請求項１４に記載のプローブ設計プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は核酸断片とハイブリダイゼーション反応させて遺伝子解析を行うためのプローブ、およびそのプローブを設計するためのプローブ設計装置、プローブ設計プログラムに関し、特に、標的核酸断片との結合力を向上させることのできるプローブ、プローブ設計装置、プローブ設計プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡ、ＲＮＡ等の核酸の識別検出においては、標的となる核酸断片（標的核酸分子）が、特定のプローブと相補的に二重鎖を形成（ハイブリダイゼーション）する性質を利用したＤＮＡチップによる検出が行われている。ＤＮＡチップは、様々な塩基配列を持つＤＮＡ一本鎖の断片、即ち、プローブを、基板上に高密度に配置、固定したデバイスであり、解析対象のＤＮＡ一本鎖（標的核酸分子）とハイブリダイゼーションさせることで、塩基配列を特定するものである。
【０００３】
具体的には、例えば、細胞中で発現している遺伝子の産物（ｍＲＮＡ）に蛍光物質が結合したヌクレオチドを取り込んだ後、逆転写酵素を用い、蛍光標識されたｃＤＮＡ（標的核酸分子）を生成する。この蛍光標識されたｃＤＮＡをＤＮＡチップ上に導入して、固定されたプローブに対してハイブリダイゼーションさせた後、ハイブリッド形成しなかった成分を洗浄によって洗い流してから、ＤＮＡチップにレーザーを照射する。すると、プローブとハイブリダイズした標的核酸分子に起因するスポット状の蛍光シグナルが得られる。このシグナルの強弱とＤＮＡチップ上に配列されたプローブの塩基配列とから、標的核酸分子の塩基配列を特定する。これにより、検体細胞中で発現している遺伝子とその発現量とを知ることができるのである。
【０００４】
この方法は、現在広く用いられているが、予め標的核酸分子を蛍光色素で標識しておく手間が必要である。また、ＤＮＡチップの表面を蛍光測定するには、大型の装置が必要であり、測定にも時間がかかるという点で、必ずしも簡便な方法ではない。このため、近年では、ＤＮＡ中の電荷移動を利用する電流検出型ＤＮＡチップが提案されている。この電流検出型ＤＮＡチップは、２本鎖核酸断片（二重鎖核酸断片）に特異的に結合し、かつ電気化学的に活性な２本鎖核酸断片認識体を用い、電気化学的測定によりＤＮＡチップ上のプローブと標的核酸分子とのハイブリダイゼーションを検出する方法である。
【０００５】
電流検出型ＤＮＡチップは、予め標的核酸分子を標識しておく必要がない点、また電気化学的測定が、小型の装置で短時間に行える点で簡便性に優れた方法であり、臨床検査の現場での利用等を可能にする新しい手段を提供するものとして期待されている。
【０００６】
これらの手法において、検出精度の向上のため、例えば、特許第４２６２４２６号公報には、電極上にプローブ核酸断片を安定にかつ量をコントロールして固定する技術が記載されている（特許文献１）。また、特許第４２５０５５４号公報には、標的核酸分子に特異的に結合する塩基配列を設計するためのコンピュータを利用した情報処理方法が記載されている（特許文献２）。
【０００７】
一方、人工核酸の一種であるペプチド核酸（Peptide nucleic acid、以下ＰＮＡと略す）が開発され、注目されている（非特許文献１，２）。例えば、ＰＮＡとＤＮＡ或いはＲＮＡとの複合体の熱に対する安定性は、ＤＮＡ二重鎖やＤＮＡ−ＲＮＡ二重鎖よりも極めて高いことが証明されている。このため、ＰＮＡを用いた場合、ハイブリダイゼーション温度を従来に比べて高くすることが可能であり、目的の核酸分子以外の他の核酸分子とＰＮＡとの非特異的結合をより抑えることができると推測されている。また、ＤＮＡプローブにて標的核酸分子のＤＮＡを捕捉する場合は、リン酸基のもつ負電荷をできるだけ抑えるために塩濃度を一定値以上に設定する必要があるが、ＰＮＡ自体が負電荷をもたない中性高分子であるので塩濃度の影響をほとんど受けない。従って、ハイブリダイゼーションの条件を酸性、塩基性、低イオン強度下に設定し得、作業上の手間を軽減可能であると期待されている。ＰＮＡは従来の核酸と比較して、（１）高い二重鎖形成能、（２）高い塩基配列認識能を持ち、（３）生体内ヌクレアーゼ・プロテアーゼに対し非常に安定で分解されないので、ＤＮＡに代わる分子生物学や遺伝子工学に利用価値の高いツールとして非常に注目を集めるようになった。
【０００８】
そして、特開２００８−１４２００９号公報には、ＰＮＡプローブを利用して検体中の標的核酸分子であるＤＮＡまたはＲＮＡを検出できる検出方法及び検出用キットが提案されている（特許文献３）。
【０００９】
更には、人工核酸の一種として、Locked核酸（Locked Nucleic Acid、以下ＬＮＡと略す）が開発されている。ＬＮＡは、ＲＮＡとの親和性を重視して開発された人工核酸であり、バックボーン構造がＲＮＡの糖（リボース）部位をメチレン（ＣＨ２）架橋でロックしているように見えることからLocked核酸と呼ばれる。このＬＮＡもＰＮＡと同様、ＤＮＡやＲＮＡと相補的な二重鎖を形成し、さらに、ＤＮＡとＲＮＡのいずれよりも安定なハイブリダイゼーションが可能であると報告されている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４２６２４２６号公報
【特許文献２】特許第４２５０５５４号公報
【特許文献３】特開２００８−１４２００９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Perry-O'Keefe, H. et al., J. Microbiol. Method., Vol.47, pp. 281-292 （2000）.
【非特許文献２】M. Egholm,O. Buchardt, L. Christensen, C. Behrens, S. M. Freier, D. A. Driver, R. H. Berg, S. K. Kim, B. Norden, P. E. Nielsen, Nature, 365, 566 （1993）
【非特許文献３】M. Petersen, J. Wengel,Trends Biotechnol., 21, 74 （2003）.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、プローブとして用いる天然核酸断片や人工核酸断片は、遺伝子特異的な塩基配列を有することが条件となるので、遺伝子の長い塩基配列の中から特異的な塩基配列が探索される。ここで、プローブとし得る適当な塩基配列が複数あった場合には、いずれが妥当であるかは人為的な判断に拠っており、経験や熟練などを含む高度な知識や技量が要求されるという問題点があった。
【００１３】
また、標的核酸分子の塩基配列とプローブの塩基配列とが相補的である割合が高いほど、両者の結合力は大きくなり、プローブの標的核酸分子にハイブリダイズする能力も高くなるが、相補的配列以外の要因によっても標的核酸分子とプローブとの結合力は変化する。しかし、これら他の要因を加味して、総合的にプローブの性能を的確に評価する手法がないという問題点があった。
【００１４】
言い換えれば、信頼度の高い判断基準に基づいて、プローブに適した構造を簡便に設計することができないという問題点があった。
【００１５】
更には、電流検出型ＤＮＡチップに適用するプローブについても同様に、いずれの構造が適しているかを評価する手法がなく、実験的な試行錯誤を繰り返しながら構造を選択せざるを得ず、多大な労力と時間とが必要になるという問題点があった。
【００１６】
加えて、標的核酸分子の検出精度を向上させるためには、チップ上でのハイブリダイゼーションの強化が重要であり、標的核酸分子とより強力に結合するプローブの開発が望まれているのが現状である。
【００１７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、標的核酸分子との結合力を向上させることのできるプローブ、プローブ設計装置、プローブ設計プログラムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項１記載のプローブは、核酸塩基と、その核酸塩基が結合される糖を含むバックボーン構造とを有し、標的核酸分子と少なくとも部分的に二重鎖を形成してハイブリダイズするものであり、前記バックボーン構造は、天然核酸のバックボーン構造において糖を連結する燐酸基が下記式（１），（２），（３），（４）から選ばれる少なくとも１種の基によって置き換えられた構造を備えたものである。
【００１９】
【化１】
2011004621.tif 000003
【００２０】
尚、ここで天然核酸とはＤＮＡおよびＲＮＡであり、天然核酸のバックボーン構造とは、五炭糖（ＤＮＡであればβ−Ｄ−デオキシリボース、ＲＮＡであればβ−Ｄ−リボース）が５’および３’の炭素間を燐酸基（ホスホジエステル結合）によって結合された構造を意味している。
【００２１】
請求項２記載のプローブ設計装置は、データが出力される出力装置に接続可能な接続手段と、任意の構造を有するプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データを記憶する第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段と、その第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段に記憶されるハイブリダイズ構造データに基づき、該プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力を算出する作用力算出手段と、その作用力算出手段により算出された力が予め設定した閾値を超えていた場合、その力が減少する方向に構成原子の位置を調整して、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下となるまでハイブリダイズ構造を変更する構造最適化手段と、その構造最適化手段にて変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データを用いて、標的核酸分子とプローブとの結合エネルギーを算出する結合エネルギー算出手段と、その結合エネルギー算出手段により算出された結合エネルギーに対応するデータを前記接続手段を介して前記出力装置に出力する第１出力手段とを備え、その第１出力手段にて出力されるデータにて、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ能力の指標を示すものである。
【００２２】
請求項３記載のプローブ設計装置は、請求項２に記載のプローブ設計装置において、分子構造を構築するための構造データを記憶する構造データ記憶手段と、その構造データ記憶手段に記憶される構造データの内から、操作者の操作に応じて指定された構造データに基づいて任意のプローブを構築する指定構築手段とを備えており、前記第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段は、前記指定構築手段にて構築された任意のプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データを記憶するものである。
【００２３】
請求項４記載のプローブ設計装置は、請求項３に記載のプローブ設計装置において、前記指定構築手段にて構築されたプローブが、電気的に中性であるかを判断する判断手段と、その判断手段による判断結果を前記接続手段を介して前記出力装置に出力する判断結果出力手段とを備えている。
【００２４】
請求項５記載のプローブ設計装置は、請求項２から４のいずれかに記載のプローブ設計装置において、予め指定された核酸構造で形成された標準プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データであって、当該ハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるデータを用い、前記結合エネルギー算出手段と同様の手段を用いて算出された標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを記憶する標準結合エネルギー記憶手段を備えており、前記第１出力手段は、前記標準結合エネルギー記憶手段に記憶される結合エネルギーと、前記結合エネルギー算出手段により算出された結合エネルギーとを比較可能な態様で、前記接続手段を介して前記出力装置に出力するものである。
【００２５】
請求項６記載のプローブ設計装置は、請求項２から５のいずれかに記載のプローブ設計装置において、標的核酸分子は天然核酸の４種の塩基を各１ずつ備えた４塩基配列のもので設定されており、前記結合エネルギー算出手段は、該標的核酸分子と、該標的核酸分子の４塩基に相補的に結合する４塩基を備えた４塩基配列のプローブとの結合エネルギーを算出するものである。
【００２６】
尚、天然核酸の４種の塩基は、標的核酸分子がＤＮＡであれば、アデニン、グアニン、シトシン、チミンであり、標的核酸分子がＲＮＡであればアデニン、グアニン、シトシン、ウラシルである。
【００２７】
請求項７記載のプローブ設計装置は、請求項２から６のいずれかに記載のプローブ設計装置において、前記第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段に記憶されるハイブリダイズ構造データまたは構造最適化手段によって変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データであって、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるハイブリダイズ構造のデータを記憶する第２ハイブリダイズ構造データ記憶手段と、その第２ハイブリダイズ構造データ記憶手段に記憶されるハイブリダイズ構造データに基づき、分子軌道計算に従って電子状態密度を算出する電子状態密度算出手段と、その電子状態密度算出手段によって算出された電子状態密度に基づき、プローブと所定距離離れた位置においてプローブを挟んで配置された一対の電極間の電荷の伝播確率を量子輸送理論に従って算出する伝播確率算出手段と、その伝播確率算出手段により算出された電荷の伝播確率を表す関数をエネルギーで積分して電流電圧特性値を算出する電流電圧特性算出手段と、その電流電圧特性算出手段によって算出された電流電圧特性値を前記出力装置に出力する第２出力手段とを備え、その第２出力手段によって出力される電流電圧特性値にてプローブの電気伝導度特性を示すものである。
【００２８】
請求項８記載のプローブ設計装置は、請求項７に記載のプローブ設計装置において、前記電子状態密度算出手段にて用いられる分子軌道計算に、ＤＦＴ法を用いるものである。
【００２９】
請求項９記載のプローブ設計プログラムは、データが出力される出力装置に接続可能な接続手段を備えたコンピュータで実行されるものであって、任意の構造を有するプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データを前記コンピュータの内部に記憶する第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップと、その第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップにて記憶されたハイブリダイズ構造データに基づき、該プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力を算出する作用力算出ステップと、その作用力算出ステップにより算出された力が予め設定した閾値を超えていた場合、その力が減少する方向に構成原子の位置を調整して、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下となるまでハイブリダイズ構造を変更する構造最適化ステップと、その構造最適化ステップにて変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データを用いて、標的核酸分子とプローブとの結合エネルギーを算出する結合エネルギー算出ステップと、その結合エネルギー算出ステップにより算出された結合エネルギーに対応するデータを前記接続手段を介して出力装置に出力する第１出力ステップとを前記コンピュータに実行させ、前記第１出力ステップにて出力されるデータにて、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ能力の指標を示すものである。
【００３０】
請求項１０記載のプローブ設計プログラムは、請求項９に記載のプローブ設計プログラムにおいて、前記コンピュータは、分子構造を構築するための構造データを記憶する構造データ記憶手段を備えており、その構造データ記憶手段に記憶される構造データの内から、操作者の操作に応じて指定された構造データに基づいて任意のプローブを構築する指定構築ステップを前記コンピュータに実行させるものであり、前記第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップは、前記指定構築ステップにて構築された任意のプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データをコンピュータ内部に記憶するものである。
【００３１】
請求項１１記載のプローブ設計プログラムは、請求項１０に記載のプローブ設計プログラムにおいて、前記指定構築ステップにて構築されたプローブが、電気的に中性であるかを判断する判断ステップと、その判断ステップによる判断結果を前記接続手段を介して前記出力装置に出力する判断結果出力ステップとを前記コンピュータに実行させるものである。
【００３２】
請求項１２記載のプローブ設計プログラムは、請求項９から１１のいずれかに記載のプローブ設計プログラムにおいて、予め指定された核酸構造で形成された標準プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データであって、当該ハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるデータを用い、前記結合エネルギー算出ステップと同様のステップを用いて算出された標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを前記コンピュータの内部に記憶する標準結合エネルギー記憶ステップを前記コンピュータに実行させるものであり、前記第１出力ステップは、前記標準結合エネルギー記憶ステップに記憶される結合エネルギーと、前記結合エネルギー算出ステップにより算出された結合エネルギーとを比較可能な態様で、前記接続手段を介して前記出力装置に出力するものである。
【００３３】
請求項１３記載のプローブ設計プログラムは、請求項９から１２のいずれかに記載のプローブ設計プログラムにおいて、標的核酸分子は天然核酸の４種の塩基を各１ずつ備えた４塩基配列のもので設定されており、前記結合エネルギー算出ステップは、該標的核酸分子と、該標的核酸分子の４塩基に相補的に結合する４塩基を備えた４塩基配列のプローブとの結合エネルギーを算出するものである。
【００３４】
請求項１４記載のプローブ設計プログラムは、請求項９から１３のいずれかに記載のプローブ設計プログラムにおいて、前記第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップに記憶されるハイブリダイズ構造データまたは構造最適化ステップによって変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データであって、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるハイブリダイズ構造のデータを前記コンピュータの内部に記憶する第２ハイブリダイズ構造データ記憶ステップと、その第２ハイブリダイズ構造データ記憶ステップに記憶されるハイブリダイズ構造データに基づき、分子軌道計算に従って電子状態密度を算出する電子状態密度算出ステップと、その電子状態密度算出ステップによって算出された電子状態密度に基づき、プローブと所定距離離れた位置においてプローブを挟んで配置された一対の電極間の電荷の伝播確率を量子輸送理論に従って算出する伝播確率算出ステップと、その伝播確率算出ステップにより算出された電荷の伝播確率を表す関数をエネルギーで積分して電流電圧特性値を算出する電流電圧特性算出ステップと、その電流電圧特性算出ステップによって算出された電流電圧特性値を前記出力装置に出力する第２出力ステップとを前記コンピュータに実行させるものであり、前記第２出力ステップによって出力される電流電圧特性値にてプローブの電気伝導度特性を示すものである。
【００３５】
請求項１５記載のプローブ設計プログラムは、請求項１４に記載のプローブ設計プログラムにおいて、前記電子状態密度算出ステップにて用いられる分子軌道計算に、ＤＦＴ法を用いるものである。
【発明の効果】
【００３６】
請求項１記載のプローブによれば、そのバックボーン構造が、天然核酸のバックボーン構造において糖を連結する燐酸基が式（１），（２），（３），（４）から選ばれる少なくとも１種の基によって置き換えられた構造を有するものであるので、置き換えられた燐酸基分、バックボーンの電荷を小さくすることができる。つまり、糖が燐酸基にて連結されている天然核酸に比べ、電気的に中性に近づけることができ、標的核酸分子との結合力を、天然核酸のプローブよりも向上させることができるという効果がある。
【００３７】
請求項２記載のプローブ設計装置によれば、第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段に記憶される任意の構造を有するプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データに基づき、該プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が、作用力算出手段にて算出される。ここで、算出された力が予め設定した閾値を超えていた場合、構造最適化手段によって、その力が減少する方向に構成原子の位置が調整され、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下となるまでハイブリダイズ構造が変更される。そして、変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データを用いて、標的核酸分子とプローブとの結合エネルギーが、結合エネルギー算出手段にて算出され、算出された結合エネルギーに対応するデータは、第１出力手段によって接続手段を介して出力装置に出力される。この出力されるデータは、標的核酸分子とプローブとの結合エネルギーに対応するものであるので、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ能力の指標を示すことができる。よって、ユーザは、その指標に基づいて、結合力の向上したプローブを選定することができるという効果がある。
【００３８】
算出される結合力は、物理量であって、プローブと標的核酸とがハイブリダイズする能力に相関する直接的な因子である。結合力が大きければハイブリダイゼーションを形成するハイブリダイゼーション能力は高く、結合力が小さければハイブリダイゼーション能力は低いこととなるからである。このため、プローブの構造から人的な思考によってハイブリダイゼーション能力を類推する場合に比べて、ユーザは、明確な判断基準を持って、対象とするプローブのハイブリダイゼーション能力を判断することができるという効果がある。また、ここで、作成された分子構造データが現実にとりえる構造から大きくかけ離れたものであると、得られるエネルギー状態も現実のものとかけ離れてしまう。しかし、本装置では、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下となるまでハイブリダイズ構造を変更して、安定な構造、即ち、現実の構造に近似させたハイブリダイズ構造を生成し、そのハイブリダイズ構造から結合エネルギーを算出する。このため、得られる結合エネルギーの値を信頼性の高いものとすることができるという効果がある。その結果、ユーザは、出力手段にて出力されるデータを、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ能力を示す的確な指標とすることができるという効果がある。
【００３９】
請求項３記載のプローブ設計装置によれば、請求項２に記載のプローブ設計装置の奏する効果に加え、指定構築手段によって、構造データ記憶手段に記憶される構造データの内から操作者の操作に応じて指定された構造データに基づいてプローブが構築されると、そのプローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造データが第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段に記憶される。ここで、結合エネルギーは、第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段に記憶されるハイブリダイズ構造データに基づいて算出されるので、本装置にて構築した任意の構造を有するプローブと標的核酸分子との結合力を求めることができる。つまり、本装置においてプローブの設計から標的核酸分子との結合力の算出までを一貫して行うことができ、ユーザが行う作業を簡便にすることができるという効果がある。
【００４０】
また、本装置とは無関係に他のコンピュータによって予め構築されたプローブや標的核酸分子、あるいは、プローブと標的核酸とのハイブリダイズ構造の構造データを外部から入力して、本装置でそれらの結合エネルギーを算出する場合、入力された構造データに用いられている原子データやパラメータ等が、本装置のものと互換性がないといった事態が生じかねない。その結果、本装置の内部データを用いて構築されたプローブと外部データを用いて構築されたプローブとの間で結合エネルギーにばらつきが発生しかねない。つまり、外部データを用いてプローブの設計を行うと、同じ分子構造のハイブリダイズ構造データであるにも関わらず、結合エネルギーが一義的とならず、その信頼性が損なわれたり、或いは結合エネルギーの算出が不能になるといった不具合が生じかねない。しかし、内部記憶されている構造データに基づいてプローブを構築し、そのプローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造を取得して結合エネルギーを算出するので、かかる不具合の発生を回避することができる。
【００４１】
請求項４記載のプローブ設計装置によれば、請求項３に記載のプローブ設計装置の奏する効果に加え、指定構築手段にて構築されたプローブが、電気的に中性であるかを判断し、その判断結果を出力装置に出力することができるので、この出力装置に出力された判断結果を通じて、構築されたプローブの電気的性質をユーザに報知することができるという効果がある。一般に、電気的に中性であるプローブは、標的核酸分子との結合力が向上するとされており、従って、プローブが電気的に中性であるか否かは、プローブを設計する上で重要な指標の１つとなる。電気的に中性であるかの判断結果が報知されることによって、ユーザは、構築されたプローブの電気的性質を端的に知ることができ、かかる電気的性質をプローブ選択の判断基準としてユーザが容易に利用することができるという効果がある。
【００４２】
請求項５記載のプローブ設計装置によれば、請求項２から４のいずれかに記載のプローブ設計装置の奏する効果に加え、標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーと、任意の構造を有するプローブと標的核酸分子との結合エネルギーとを比較可能な態様で、出力装置に出力することができるので、ユーザが評価対象とする任意の構造を有するプローブが、標準プローブに対してどの程度のレベルにあるかを、ユーザに的確に把握させることができるという効果がある。
【００４３】
ここで、例えば任意の構造のプローブが、新規な人工核酸の構造である場合においては、その人工核酸をプローブに適用可能であるかを実験的評価を通じて判断するには困難を伴うことも多い。しかし、本装置を用いれば、ユーザは、標準プローブ、即ち既存のプローブと、人工核酸プローブとを容易に比較でき、その新規な人工核酸の標的核酸分子に対する結合力に基づいてプローブとしての適正を判断することができる。言い換えれば、実験的評価が困難であるプローブについても、ユーザは、プローブのハイブリダイズ能力についての知見を得ることができるという効果がある。
【００４４】
請求項６記載のプローブ設計装置によれば、請求項２から５のいずれかに記載のプローブ設計装置の奏する効果に加え、標的核酸分子は天然核酸の４種の塩基を各１ずつ備えた４塩基配列のもので設定されており、該標的核酸分子と、該標的核酸分子の４塩基に相補的に結合する４塩基を備えた４塩基配列のプローブとの結合エネルギーが算出される。
【００４５】
バックボーンの構造を変更した人工核酸のプローブを設計する場合、塩基配列を固定配列とすることで、その影響を一定にできるので、バックボーンの構造を変更した各種のプローブについて適切な評価を行うことができる。塩基配列の選択、組合せは多種多様であるが、本装置は、プローブおよび標的核酸分子を、天然に存在する異なる４つの塩基が各１ずつ相補となる構造として、二重鎖の結合力が導出されるように構成されているので、算出される結合力が、４種の塩基全ての影響が加味されたものとすることができる。
【００４６】
故に、算出された結合力を代表値として、ユーザは、設計した人工核酸のハイブリダイズ能力に対して適切な評価を行うことができるという効果がある。その上、例えば、結合力の算出に分子軌道法を用いる場合には、膨大な処理を行わねばならないが、計算対象のプローブおよび標的核酸分子は、各塩基を１ずつ備えた最小単位である４塩基配列とされているので、結合エネルギーの算出にかかる処理を、各塩基を備えた構造において最も短い処理時間で効率的に実行することができるという効果がある。
【００４７】
請求項７記載のプローブ設計装置によれば、請求項２から６のいずれかに記載のプローブ設計装置の奏する効果に加え、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるハイブリダイズ構造データ、即ち、安定な構造のハイブリダイズ構造データに基づき、電子状態密度算出手段により、分子軌道計算に従って電子状態密度が算出される。そして、算出された電子状態密度に基づき、プローブと所定距離離れた位置においてプローブを挟んで配置された一対の電極間の電荷の伝播確率が、伝播確率算出手段にて、量子輸送理論に従って算出される。算出された電荷の伝播確率は、電流電圧特性算出手段にて積分されて、電流電圧特性値が算出される。算出された電流電圧特性値は、第２出力手段にて出力装置に出力される。この出力される電流電圧特性値にてプローブの電気伝導度特性を示すことができる。
【００４８】
よって、ユーザは、出力された電気伝導度特性を指標として、プローブとして設計（想定）した構造や、既存のプローブが、電流検出型ＤＮＡチップに適したものであるかを的確に判断することができるという効果がある。
【００４９】
請求項８記載のプローブ設計装置によれば、請求項７に記載のプローブ設計装置の奏する効果に加え、電子状態密度算出手段にて用いられる分子軌道計算は、ＤＦＴ法を用いるものであるので、的確な伝播確率を算出することができるという効果がある。分子軌道計算には複数の手法があるが、例えば、これまで電気伝導計算の分野で広く普及してきた拡張ヒュッケル法では、ＤＮＡの４種の塩基のイオン化ポテンシャルに関して実験と定性的に合う結果を得ることができないため、算出される二重鎖中の電気伝導特性の精度が低くなる。そこで、より高精度なＤＦＴ法を適用することで、算出される二重鎖中の電気伝導特性を既知の実験結果と整合性を有する信頼性の高いものとすることができるという効果がある。
【００５０】
請求項９記載のプローブ設計プログラムによれば、コンピュータ内部に記憶される任意の構造を有するプローブと標的核酸分子とをハイブリダイズさせたハイブリダイズ構造データに基づき、該プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が、作用力算出ステップにて算出される。ここで、算出された力が予め設定した閾値を超えていた場合、構造最適化ステップによって、その力が減少する方向に構成原子の位置が調整され、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下となるまでハイブリダイズ構造が変更される。そして、変更されたハイブリダイズ構造に対応するハイブリダイズ構造データを用いて、標的核酸分子とプローブとの結合エネルギーが、結合エネルギー算出ステップにて算出され、算出された結合エネルギーに対応するデータは、第１出力ステップによって接続手段を介して出力装置に出力される。この出力されるデータは、標的核酸分子とプローブとの結合エネルギーに対応するものであるので、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ能力の指標を示すことができる。よって、ユーザは、その指標に基づいて、結合力の向上したプローブを選定することができるという効果がある。
【００５１】
算出される結合力は、物理量であって、プローブと標的核酸とがハイブリダイズする能力に相関する直接的な因子である。結合力が大きければハイブリダイゼーションを形成するハイブリダイゼーション能力は高く、結合力が小さければハイブリダイゼーション能力は低いこととなるからである。このため、プローブの構造から人的な思考によってハイブリダイゼーション能力を類推する場合に比べて、ユーザは、明確な判断基準を持って、対象とするプローブのハイブリダイゼーション能力を判断することができるという効果がある。また、ここで、作成された分子構造データが現実にとりえる構造から大きくかけ離れたものであると、得られるエネルギー状態も現実のものとかけ離れてしまう。しかし、本装置では、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下となるまでハイブリダイズ構造を変更して、安定な構造、即ち、現実の構造に近似させたハイブリダイズ構造を生成し、そのハイブリダイズ構造から結合エネルギーを算出する。このため、得られる結合エネルギーの値を信頼性の高いものとすることができるという効果がある。その結果、ユーザは、出力手段にて出力されるデータを、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ能力を示す的確な指標とすることができるという効果がある。
【００５２】
請求項１０記載のプローブ設計プログラムによれば、請求項９に記載のプローブ設計プログラムの奏する効果に加え、指定構築ステップにより、構造データ記憶手段に記憶される構造データの内から操作者の操作に応じて指定された構造データに基づいてプローブが構築されると、そのプローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造データが、第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップにてコンピュータ内部に記憶される。ここで、結合エネルギーは、第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップにて記憶されたハイブリダイズ構造データに基づいて算出されるので、本プログラムによって構築した任意の構造を有するプローブと標的核酸分子との結合力を求めることができる。つまり、本プログラムにおいてプローブの設計から標的核酸分子との結合力の算出までを一貫して行うことができ、ユーザが行う作業を簡便にすることができるという効果がある。
【００５３】
また、本プログラムとは無関係に他のコンピュータによって予め構築されたプローブや標的核酸分子、あるいは、プローブと標的核酸とのハイブリダイズ構造の構造データを、本プログラムが実行されるコンピュータに入力し、その入力された構造データを用いて結合エネルギーを算出する場合、用いられている原子データやパラメータ等が、本プログラムのものと互換性がないといった事態が生じかねない。その結果、本プログラムで構築されたプローブと外部データを用いて構築されたプローブとの間で結合エネルギーにばらつきが発生しかねない。つまり、外部データを用いてプローブの設計を行うと、同じ分子構造のハイブリダイズ構造データであるにも関わらず、結合エネルギーが一義的とならず、その信頼性が損なわれたり、或いは結合エネルギーの算出が不能になるといった不具合が生じかねない。しかし、本プログラムが実行されるコンピュータに内部記憶されている構造データに基づいてプローブを構築し、そのプローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造を取得して結合エネルギーを算出するので、かかる不具合の発生を回避することができる。
【００５４】
請求項１１記載のプローブ設計プログラムによれば、請求項１０に記載のプローブ設計プログラムの奏する効果に加え、指定構築ステップにて構築されたプローブが、電気的に中性であるかを判断し、その判断結果を出力装置に出力することができるので、この出力装置に出力された判断結果を通じて、構築されたプローブの電気的性質をユーザに報知することができるという効果がある。一般に、電気的に中性であるプローブは、標的核酸分子との結合力が向上するとされており、従って、プローブが電気的に中性であるか否かは、プローブを設計する上で重要な指標の１つとなる。電気的に中性であるかの判断結果が報知されることによって、ユーザは、構築されたプローブの電気的性質を端的に知ることができ、かかる電気的性質をプローブ選択の判断基準としてユーザが容易に利用することができるという効果がある。
【００５５】
請求項１２記載のプローブ設計プログラムによれば、請求項９から１１のいずれかに記載のプローブ設計プログラムの奏する効果に加え、標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーと、任意の構造を有するプローブと標的核酸分子との結合エネルギーとを比較可能な態様で、出力装置に出力することができるので、ユーザが評価対象とする任意の構造を有するプローブが、標準プローブに対してどの程度のレベルにあるかを、ユーザに的確に把握させることができるという効果がある。
【００５６】
ここで、例えば任意の構造のプローブが、新規な人工核酸の構造である場合においては、その人工核酸をプローブに適用可能であるかを実験的評価を通じて判断するには困難を伴うことも多い。しかし、本プログラムを用いれば、ユーザは、標準プローブ、即ち既存のプローブと、人工核酸プローブとを容易に比較でき、その新規な人工核酸の標的核酸分子に対する結合力に基づいてプローブとしての適正を判断することができる。言い換えれば、実験的評価が困難であるプローブについても、ユーザは、プローブのハイブリダイズ能力についての知見を得ることができるという効果がある。
【００５７】
請求項１３記載のプローブ設計プログラムによれば、請求項９から１２のいずれかに記載のプローブ設計プログラムの奏する効果に加え、標的核酸分子は天然核酸の４種の塩基を各１ずつ備えた４塩基配列のもので設定されており、該標的核酸分子と、該標的核酸分子の４塩基に相補的に結合する４塩基を備えた４塩基配列のプローブとの結合エネルギーが算出される。
【００５８】
バックボーンの構造を変更した人工核酸のプローブを設計する場合、塩基配列を固定配列とすることで、その影響を一定にできるので、バックボーンの構造を変更した各種のプローブについて適切な評価を行うことができる。塩基配列の選択、組合せは多種多様であるが、本プログラムは、天然に存在する異なる４つの塩基が各１ずつ相補となる構造に規定したプローブおよび標的核酸分子について、二重鎖の結合力が導出されるように構成されているので、算出される結合力が、４種の塩基全ての影響が加味されたものとすることができる。
【００５９】
故に、算出された結合力を代表値として、ユーザは、設計した人工核酸のハイブリダイズ能力に対して適切な評価を行うことができるという効果がある。その上、例えば、結合力の算出に分子軌道法を用いる場合には、膨大な処理を行わねばならないが、計算対象のプローブおよび標的核酸分子は、各塩基を１ずつ備えた最小単位である４塩基配列とされているので、結合エネルギーの算出にかかる処理を、各塩基を備えた構造において最も短い処理時間で効率的に実行することができるという効果がある。
【００６０】
請求項１４記載のプローブ設計プログラムによれば、請求項９から１３のいずれかに記載のプローブ設計プログラムの奏する効果に加え、プローブと標的核酸分子とのハイブリダイズ構造に作用する力が予め設定した閾値以下であるハイブリダイズ構造データ、即ち、安定な構造のハイブリダイズ構造データに基づき、電子状態密度算出ステップにより、分子軌道計算に従って電子状態密度が算出される。そして、算出された電子状態密度に基づき、プローブと所定距離離れた位置に設定された電極との間の電荷の伝播確率が、伝播確率算出ステップにて、量子輸送理論に従って算出される。算出された電荷の伝播確率は、電流電圧特性算出手段にて積分されて、電流電圧特性値が算出される。算出された電流電圧特性値は、第２出力ステップにて出力装置に出力される。この出力される電流電圧特性値にてプローブの電気伝導度特性を示すことができる。
【００６１】
よって、ユーザは、出力された電気伝導度特性を指標として、プローブとして設計（想定）した構造や、既存のプローブが、電流検出型ＤＮＡチップに適したものであるかを的確に判断することができるという効果がある。
【００６２】
請求項１５記載のプローブ設計プログラムによれば、請求項１４に記載のプローブ設計プログラムの奏する効果に加え、電子状態密度算出ステップにて用いられる分子軌道計算は、ＤＦＴ法を用いるものであるので、的確な伝播確率を算出することができるという効果がある。分子軌道計算には複数の手法があるが、例えば、ＤＮＡでは、拡張ヒュッケル法において、ＤＮＡの４種の塩基のイオン化ポテンシャルに関して実験と定性的に合う結果を得ることができないため、算出される二重鎖中の電気伝導特性の精度が低くなる。そこで、より高精度なＤＦＴ法を適用することで、算出される二重鎖中の電気伝導特性を既知の実験結果と整合性を有する信頼性の高いものとすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の１実施形態であるプローブ設計プログラムを搭載したパーソナルコンピュータの電気的な構成を示したブロック図である。
【図２】判定値メモリに記憶される内容を模式的に示した図である。
【図３】ＰＣで実行されるメイン処理のプログラムを示したフローチャートである。
【図４】図３のメイン処理の中で実行される判定値設定処理のフローチャートである。
【図５】図３のメイン処理の中で実行されるＤＮＡプローブ設計処理のフローチャートである。
【図６】図４の判定値設定処理または図５のＤＮＡプローブ設計処理の中で実行される結合エネルギー解析処理のフローチャートである。
【図７】図５のＤＮＡプローブ設計処理の中で実行される比較プローブ設計処理のフローチャートである。
【図８】図３のメイン処理の中で実行される電気伝導度算出処理のフローチャートである。
【図９】図９（ａ）は、結合エネルギー解析処理による任意プローブの結合エネルギー算出結果を示し、図９（ｂ）は、算出された任意プローブの結合エネルギーを表示画面に出力する際の表示態様を示した図である。
【図１０】図８に示した電気伝導度算出処理において算出された電流電圧特性を示した図であり、図１０（ａ）は、人工核酸の任意プローブについて算出した電流電圧特性のグラフであり、図１０（ｂ）は、比較のために同様の手法で算出したＤＮＡの標準プローブの電流電圧特性のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の１実施形態であるプローブ設計プログラムを搭載したパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」と称す）１の電気的な構成を示したブロック図である。
【００６５】
ＰＣ１は、その内部に記憶される原子および分子の構造データから、プローブと標的核酸分子との二重鎖構造（ハイブリダイズ構造）の三次元モデルを生成すると共に、生成した三次元モデルデータ（二重鎖構造データ）に基づき、二重鎖の結合エネルギーの算出と、電流電圧特性の算出とを行うことができるように構成されており、かかる算出結果については接続される出力装置へ出力されるようになっている。
【００６６】
尚、本実施形態においては、バックボーンの構造に新規な構造を有する人工核酸のプローブを設計する場合について説明する。
【００６７】
このＰＣ１は、図１に示すように、ＣＰＵ１１と、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、入出力ポート１５と、ハードディスク１６と、インターフェース１９とを備えている。図１に示すように、これら、ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３は、アドレスバス、データバスおよびコントロールバスなどにより構成されるバスライン１４を介して相互に接続されている。バスライン１４は、また、入出力ポート１５にも接続されており、この入出力ポート１５は、ハードディスク１６とインターフェース１９とに接続されている。ＰＣ１は、この入出力ポート１５を介して、入力装置であるキーボード１７、出力装置である液晶表示装置（以下、「ＬＣＤ」）１８に接続されており、更にインターフェース１９を介してプリンタ２０に接続されている。尚、入力装置としてマウス等のポインティングデバイスが接続されていても良い。また、ハードディスク１４は、直接バスライン１４に接続されていても良い。
【００６８】
ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２やハードディスク１６に記憶されているプログラムに従って、ＰＣ１の動作を制御する演算装置である。
【００６９】
ＲＯＭ１２は、ＣＰＵ１１により実行されるブートプログラムなどの基本プログラムや、それらの基本プログラムをＣＰＵ１１により実行する上で必要なデータなどを格納した書き換え不能なメモリである。ＲＡＭ１３は、ＣＰＵ１１により実行される各種処理に必要なデータやプログラムを一時的に記憶するための書換可能なメモリであり、判定値設定フラグ１３ａ、核酸メモリ１３ｂ、内部エネルギーメモリ１３ｃ、第１電流特性メモリ１３ｄ、第２電流特性メモリ１３ｅを備えている。
【００７０】
判定値設定フラグ１３ａは、算出される二重鎖の結合エネルギーが、判定値として後述の判定値メモリ１６ｅに書き込むデータであるか否かを示すためのフラグである。ユーザが設計したプローブ（任意プローブ）のハイブリダイズ能力が優れているか否かは、標的核酸分子に結合する任意プローブの結合力（結合エネルギー）を、同じ標的核酸分子に結合する他のプローブの結合力と比較することで判断できる。従って、任意プローブを評価するためには、比較対象となる他のプローブ（標準プローブ）が必要となる。
【００７１】
本実施形態においては、４種の核酸塩基を各１ずつ備えた４つのヌクレオチドで構成される一本鎖ＤＮＡ断片を標的核酸分子とし、これに相補的に結合する４塩基配列（４ヌクレオチド）のＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡおよびＬＮＡの全４種類の一本鎖ＤＮＡ断片が標準プローブとされている。そして、これら標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを判定値とし、任意プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを該判定値と比較することで任意プローブのハイブリダイズ能力を評価することができるようになっている。尚、説明を簡単にするために、以下、適宜、標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを標準プローブの結合エネルギー、任意プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを任意プローブの結合エネルギーと称す。
【００７２】
ここで、同じ分子構造であっても、異なるパラメータや異なる手法で算出されると、エネルギー状態は異なる値で示されることが多い。故に、本実施形態では、標準プローブの結合エネルギーと、任意プローブの結合エネルギーとは、いずれも後述する結合エネルギー解析処理（Ｓ２１）において同じアルゴリズムで算出されるように構成されており、算出された標準プローブの結合エネルギーが判定値メモリ１６ｅに記憶されるようになっている。これにより、判定値と比較して評価される任意プローブのハイブリダイズ能力についての信頼性を確保しているのである。
【００７３】
この判定値設定フラグ１３ａは、標準プローブについての結合エネルギーを算出するべく結合エネルギー解析処理（Ｓ２１）が実行される場合にオンされ、算出される結合エネルギーが標準プローブに対応したものであることが示される。オンされた判定値設定フラグ１３ａは、算出された結合エネルギーが判定値メモリ１６ｅに書き込まれたタイミングでオフされる。また、判定値設定フラグ１３ａは、結合エネルギー解析処理（Ｓ６２）において参照され、オフである場合には、算出された結合エネルギーは、任意プローブの結合エネルギーであると認識されて後述の結合力メモリ１６ｉに書き込まれる。
【００７４】
核酸メモリ１３ｂは、プローブと標的核酸分子とが結合した二重鎖構造に対応する二重鎖構造データを記憶するためのメモリである。本実施形態においては、ユーザの指定に応じ、後述する原子データベースエリア１６ｊに記憶される原子データ等を用いてＬＣＤ１８の画面上で、標的核酸分子とプローブとの二重鎖構造が作成される。そして、この作成された二重鎖構造に対応する二重鎖構造データがこの核酸メモリ１３ｂに記憶される。
【００７５】
尚、二重鎖構造データは、プローブと標的核酸分子とにより形成される二重鎖構造を示すものであり、二重鎖構造を形成する各原子の空間座標がその原子の種類に対応つけられた一群のデータである。
【００７６】
本実施形態では、プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを算出するためには、プローブと標的核酸分子との二重鎖構造が必要となる。このため、グラフィック表示機能等を利用してＬＣＤ１８の表示画面上でユーザにより二重鎖構造の生成操作が行われる。ユーザにより二重鎖構造が生成された段階では、ユーザの操作によって、各原子の位置（空間座標）が指定されているため、往々にして本来あるべき構造とは異なる構造、即ち無理のある構造となっている。ここで、作成された二重鎖構造が、本来あるべき自然な状態であることを、本実施形態では、当該二重鎖構造に作用する力が最小となる構造（安定な構造）として規定している。そして、二重鎖構造に作用する力を最小とするべく、所定の移動ピッチで各原子位置が調整されて、構造が変更される。即ち、構造が最適化されるのである。構造が変更されると、変更後の二重鎖構造に対応する二重鎖構造データで核酸メモリ１３ｂに書き込まれた先のデータが更新される。
【００７７】
尚、本実施形態では、任意プローブと標的核酸分子との結合エネルギーのみならず、上述したように、判定値を生成するために標的核酸分子と標準プローブとの結合エネルギーについても算出できるようになっている。ここで、任意プローブの結合エネルギーと、標準プローブの結合エネルギーとは、別のタイミングで算出されるようになっており、この核酸メモリ１３ｂには、標準プローブの結合エネルギーの算出が行われる場合には、標的核酸分子と標準プローブとの二重鎖構造データが記憶され、任意プローブの結合エネルギーの算出が行われる場合には、標的核酸分子と任意プローブとの二重鎖構造データが記憶される。
【００７８】
内部エネルギーメモリ１３ｃは、二重鎖構造データから算出される内部エネルギー（内部エネルギーＥ０）を記憶するメモリである。プローブの結合エネルギーは、二重鎖構造の内部エネルギーと、その二重鎖構造を形成する一本鎖のプローブおよび標的核酸分子の各内部エネルギーの和との差分によって規定される。結合エネルギー解析処理（Ｓ２１，Ｓ６２）で、二重鎖構造の内部エネルギーが算出されると、算出された二重鎖構造の内部エネルギーの値が、この内部エネルギーメモリ１３ｃに記憶される。そして、一本鎖のプローブ（任意プローブ又は標準プローブのいずれか）および標的核酸分子の各内部エネルギーがそれぞれ算出されると、内部エネルギーメモリ１３ｃが参照され、二重鎖構造の内部エネルギー、一本鎖のプローブの内部エネルギー、標的核酸分子の内部エネルギーに基づいてプローブの結合エネルギーが算出される
【００７９】
第１電流特性メモリ１３ｄ、第２電流特性メモリ１３ｅは、後述する電気伝導度算出処理（Ｓ６）において算出されるプローブの電流電圧特性を記憶するためのメモリである。電流電圧特性は、所定の電圧を印加した場合に流れる電流量であって、即ち、電気伝導度を表すデータである。電気伝導度算出処理（Ｓ６）では、実用性を鑑みて予め定めた電圧範囲において電流値（Ｉ）が求められる。そして、予め定めた電圧範囲において、所定間隔でサンプリングされた電圧値と対応する電流値（Ｉ）とが、対応するメモリ（第１電流特性メモリ１３ｄおよび第２電流特性メモリ１３ｅのいずれか）に書き込まれて記憶される。
【００８０】
プローブの電流電圧特性は、該プローブが電流検出型ＤＮＡチップに適したものか否かを判断する指標とし得るデータである。現在提案されている電流検出型ＤＮＡチップは、二重鎖が形成された場合に電流が流れることを検出原理としてハイブリダイズしたプローブを検出しているので、当然、電気伝導度の大きなものがプローブとして適している。また、塩基の違いに対して敏感であることもプローブとしては重要な要件である。従って、本実施形態では、バックボーン構造が同じで塩基配列の異なるプローブを２種設定し、それぞれの場合の電流電圧特性を導出することで、プローブの電気伝導度の大きさのみならず、塩基配列に対する感度についても評価できるようになっている。
【００８１】
尚、本実施形態においては、ＤＮＡプローブを対象とする場合、シトシン（以下「Ｃ」）、アデニン（以下「Ａ」）、チミン（以下「Ｔ」）、グアニン（以下「Ｇ」）の塩基配列（ＣＡＴＧの塩基配列）を備えたプローブと、ＣＧＣＧの塩基配列を備えたプローブとについて、電流電圧特性が算出されるようになっている。ＣＡＴＧの塩基配列は、ＤＮＡの４種の天然核酸塩基を全て備えているものであるので、プローブの電気伝導度を評価する総合的な指標として適切である。また、ＣＧＣＧの塩基配列は、一般に、電流が流れ易い構造として知られている。従って、プローブの塩基配列をＣＡＴＧとＣＧＣＧとに設定することにより、塩基配列の相違による感度を的確に評価できるのである。
【００８２】
ハードディスク１６は、ＰＣ１のオペレーティングシステム（ＯＳ）や各種のアプリケーションプログラムなどの制御プログラム１６ａを備えた書き換え可能な大容量の不揮発性メモリである。図３〜図８のフローチャートに示すプログラムは、この制御プログラム１６ａの一部としてハードディスク１６に記憶されている。また、グラフィック表示機能のアプリケーションソフトも制御プログラム１６ａの一部として備えられている。
【００８３】
加えて、ハードディスク１６には、制御プログラム１６ａ以外に、ＤＮＡデータメモリ１６ｂ、塩基データメモリ１６ｃ、閾値メモリ１６ｄ、判定値メモリ１６ｅ、パラメータメモリ１６ｆ、第１生成核酸メモリ１６ｇ、第２生成核酸メモリ１６ｈ、結合力メモリ１６ｉ、原子データベースエリア１６ｊが設けられている。
【００８４】
ＤＮＡデータメモリ１６ｂは、標的核酸分子の構造を示す構造データを記憶するメモリであり、塩基配列がＣＡＴＧである４塩基配列の一本鎖のＤＮＡ断片と、塩基配列がＣＧＣＧである４塩基配列の一本鎖のＤＮＡ断片とについての構造データが、それぞれを示す識別情報と共に記憶されている。尚、かかるメモリ１６ｂに記憶される構造データは、ＤＮＡ断片を形成する各原子について、その種類と空間座標とがそれぞれ対応つけられた一群のデータである。
【００８５】
塩基データメモリ１６ｃは、天然の核酸塩基の分子構造を示す構造データを記憶するメモリであり、Ａ，Ｃ，Ｇ，Ｔおよびウラシル（以下「Ｕ」）の構造データが、それぞれを示す識別情報と共に記憶されている。尚、かかるメモリ１６ｃに記憶される各構造データは、各塩基について、その構成原子の種類と空間座標とが対応つけられた一群のデータで形成されている。
【００８６】
本実施形態においては、基本となる原子や分子の構造データが記憶された原子データベースエリア１６ｊが設けられており、かかる原子データベースエリア１６ｊに記憶されるデータをユーザが指定することで、当然、ＤＮＡ等の核酸や核酸塩基を設計構築することはできるようになっている。しかし、ＤＮＡや核酸塩基については、プローブ（ＤＮＡプローブ）および標的核酸分子を設計する上で必須の構造であり、使用頻度が高い。そこで、ユーザが、わざわざ、これらＤＮＡや核酸塩基を原子から作成する手間を省略できるように、ＤＮＡメモリ１６ｂ、塩基データメモリ１６ｃが設けられ、それぞれＤＮＡの構造データと、各核酸塩基の構造データとが記憶されているのである。
【００８７】
閾値メモリ１６ｄは、ユーザにより構築された二重鎖構造に作用する力が、最小であるかを判断するための閾値を記憶するメモリである。上記したように、本ＰＣ１にてユーザ操作に基づき構築されたプローブ（任意プローブおよび標準プローブ）と標的核酸分子との二重鎖構造は、安定な二重鎖構造へと変換されるが、安定な状態であるか否かは、その二重鎖構造に作用する力が最小であるかによって判断される。ここで、安定な二重鎖構造に作用する力は理想的には「０」である。つまり、二重鎖構造に作用する力の最小値は「０」である。しかし、二重鎖構造に作用する力を最小（「０」）にするべく構造を変更する処理を行うと、算出される力は、「０」に向かって次第に収束する過程を経るが、計算上、完全に「０」にならないことも多い。このため、現実的な処理においては、二重鎖構造に作用する力が「０」或いは最小になるまで処理を行うと、その処理時間が膨大になりかねず、場合によっては処理が終了しないという不具合が発生してしまう。そこで、本実施形態においては、予め、二重鎖構造に作用する力を最小であると判断する値が設定されており、その値が閾値としてこの閾値メモリ１６ｄに記憶されているのである。ＰＣ１は、判定値設定処理（Ｓ４）およびＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）において、この閾値メモリ１６ｄを参照し、二重鎖構造に作用する力が最小であるかを判断する。
【００８８】
判定値メモリ１６ｅは、標準プローブの結合エネルギーを記憶するメモリである。上記したように、本実施形態では、４種の核酸塩基を各１ずつ備えた４つのヌクレオチドで構成される一本鎖ＤＮＡ断片を標的核酸分子とし、これに相補的に結合する４塩基配列（４ヌクレオチド）のＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡおよびＬＮＡの全４種類の一本鎖ＤＮＡ断片が標準プローブとされている。そして、この判定値メモリ１６ｅには、かかる標準プローブの識別情報に対応つけて標的プローブの結合エネルギーが記憶されている。
【００８９】
図２は、この判定値メモリ１６ｅに記憶される内容を一覧表の形式で模式的に示した図である。ＤＮＡの標準プローブの識別情報は「ＤＮＡ−ＤＮＡ」とされ、ＲＮＡの標準プローブの識別情報は「ＲＮＡ−ＤＮＡ」とされ、ＰＮＡの標準プローブの識別情報は「ＰＮＡ−ＤＮＡ」とされ、ＬＮＡの標準プローブの識別情報は「ＬＮＡ−ＤＮＡ」とされており、図２に示すように、各標準プローブの識別情報に対応つけて、後述の判定値設定処理（Ｓ４）にて導出された対応する結合エネルギーがこの判定値メモリ１６ｅに記憶されている。
【００９０】
図２に示す一覧表には、判定値設定処理（Ｓ４）を実行することにより算出された各結合エネルギーが示されているが、ＤＮＡ，ＲＮＡよりもＰＮＡ，ＬＮＡの方が結合エネルギーが高い値となっている。これは、実験的に実証されている結果と整合している。つまり、本ＰＣ１で結合エネルギーを算出した場合、その値は現実の系と相関するものとして取り扱うことができ、故に、ユーザは、かかる結合エネルギーをプローブのハイブリダイズ能力を評価する的確な指標とすることができる。
【００９１】
図１に戻って説明する。
【００９２】
パラメータメモリ１６ｆは、力場パラメータを記憶するためのメモリである。力場パラメータは、理想的な結合長ｒ０、理想的な結合角θ０、Ａｍｂｅｒ力場で用いられる二面角のポテンシャル関数における極小点の数ｎとオフセット角γ、原子の電荷ｑ、分子力場定数として、結合長に関する力場定数Ｋｓ、結合角に関する力場定数Ｋｂ、二面角に関する力場定数Ｖ、非結合相互作用に関する力場定数Ａ及びＢ、静電相互作用に関する力場定数Ｄ等、古典分子力場計算にて用いられるパラメータのセットである。パラメータの各値は、対応する原子に対応つけて本パラメータメモリ１６ｆに記憶されている。このパラメータメモリ１６ｆは、二重鎖構造に作用する力を算出するタイミングで参照され、必要なパラメータが読み出されて用いられる。
【００９３】
第１生成核酸メモリ１６ｇは、ＰＣ１において生成した核酸の二重鎖構造の構造データのうち、標準プローブと標的核酸分子との二重鎖構造データであって、安定な状態に変換された二重鎖構造に対応する二重鎖構造データを記憶するメモリである。
【００９４】
第２生成核酸メモリ１６ｈは、ＰＣ１において生成した核酸の二重鎖構造の構造データのうち、任意プローブと標的核酸分子との二重鎖構造データであって、安定な状態に変換された二重鎖構造に対応する二重鎖構造データを記憶するメモリである。
【００９５】
上記したように、ユーザの操作によって構築されたプローブは、往々にして本来あるべき構造とは異なった無理のある構造となっているため、本実施形態では、当該二重鎖構造に作用する力が最小となる（最小であるとＣＰＵ１１にて判断される）まで二重鎖構造を調整して、安定化された二重鎖構造へと変換している。第１生成核酸メモリ１６ｇおよび第２生成核酸メモリ１６ｈには、この安定化された二重鎖構造データが、識別情報と共に記憶される。
【００９６】
判定値設定処理（Ｓ４）、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）のいずれにおいても、結合エネルギーを算出するには、標的核酸分子とプローブとの二重鎖構造が必要になる。本実施形態では、第１生成核酸メモリ１６ｇまたは第２生成核酸メモリ１６ｈに記憶される安定化された二重鎖構造に対応する二重鎖構造データを用いて結合エネルギーを算出するようになっている。
【００９７】
安定化された二重鎖構造は、上記したように、閾値メモリ１６ｄに記憶される閾値を判断基準として、その構造に作用する力が最小になるように調整されたものである。構造に作用する力が最小であることは、その分子構造において内部エネルギー状態が安定となる構造であり、自然界に通常存在し得る構造（最も近似された構造）として取り扱うことができる。従って、かかる安定化された二重鎖構造に対応する二重鎖構造データを用いて結合エネルギーを算出することにより、コンピュータ内において仮想的に生成される分子構造に基づいて算出された結合エネルギーを、現実の系に対応する信頼性の高いものとすることができるのである。
【００９８】
結合力メモリ１６ｉは、構築した任意プローブについて算出された結合エネルギーを記憶するメモリである。ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）において、算出された標的核酸分子と任意プローブとの結合エネルギーは、その任意プローブを識別する識別情報と共にこの結合力メモリ１６ｉに記憶される。尚、本実施形態においては、まず、ＣＡＴＧの４塩基を有する任意プローブについての結合エネルギーが算出され、算出された結合エネルギーは全てこの結合力メモリ１６ｉに記憶される。一方、ＣＧＣＧの４塩基を有する任意プローブは、ＣＡＴＧの４塩基を有する任意プローブの結合エネルギーが判定値メモリ１６ｅに記憶されるＤＮＡの標準プローブよりも大きな結合エネルギーを有するものである場合に構築可能となっている。そして、ＣＧＣＧの４塩基を有する任意プローブが構築された場合には、かかるＣＧＣＧ塩基配列を備えた任意プローブについても結合エネルギーが算出され、識別情報が付されて、この結合力メモリ１６ｉに記憶される。
【００９９】
原子データベースエリア１６ｊは、ＰＣ１において、プローブを構築する際に用いられる原子データを記憶するメモリである。原子データは、各原子の構造データであって、その大きさ、電荷などの分子構造を作成する上で必要な各原子固有の情報である。各原子データは、その種類に対応つけてこの原子データベースエリア１６ｊに記憶されている。また、プローブを設計する際に使用頻度の高い分子構造である燐酸基や糖などは、その分子を形成する各原子について、それぞれ大きさ、電荷に空間座標を加えた一群のデータである分子データで記憶されている。
【０１００】
尚、上記した核酸メモリ１３ｂ、ＤＮＡデータメモリ１６ｂ、塩基データメモリ１６ｃ、第１生成核酸メモリ１６ｇ、第２生成核酸メモリ１６ｈには、構造データとして原子の種類とその空間座標とが記憶されているが、その構造データ（原子種類と空間座標）に基づいた三次元モデルの画像表示や、結合エネルギー算出のためのＰＣ１内部における処理においては、適宜、原子データベースエリア１６ｊが参照され、原子の大きさや電荷等の必要となる各原子固有の情報は、この原子データベースエリア１６ｊに記憶される値が用いられる。
【０１０１】
判定値設定処理（Ｓ４）、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）では、グラフィック表示機能を利用してプローブを設計するための画面がＬＣＤ１８に表示される。かかる画面には、ユーザ所望の原子あるいは分子を選択指定するための指定コマンドの入力ボタンが設けられており、指定コマンドによって指定された原子または分子の構造データがこの原子データベースエリア１６ｊから読み出される。読み出された原子または分子の構造データは、ＰＣ１に搭載されるグラフィック表示機能によって、対応する３次元モデルの画像に変換され、ＬＣＤ１８画面の表示エリアにおいて、ユーザの指定する位置に現出される。
【０１０２】
次に、図３から図８のフローチャートを参照して、ＰＣ１で実行される各処理について説明する。
【０１０３】
図３は、ＰＣ１で実行されるメイン処理のプログラムを示したフローチャートである。このメイン処理では、電源投入により、ＲＡＭ１３のクリアや、初期値の設定、ハードディスク１６に記憶されるプログラムのＲＡＭ１３のロードエリアへの書き込み等を行うと共に、各種コマンドを入力可能とする入力画面をＬＣＤ１８に表示する初期化処理を実行する（Ｓ１）。次いで、コマンドが入力されたかを確認し（Ｓ２）、コマンドの入力がなければ（Ｓ２：Ｎｏ）、コマンドが入力されるまで、以降の処理を待機する。
【０１０４】
一方、コマンドの入力があれば（Ｓ２：Ｙｅｓ）、入力されたコマンドが何かを確認する（Ｓ３）。確認の結果、入力されたコマンドが終了コマンド（Ｓ３：終了コマンド）であれば、非図示のステップにより終了処理を行って電源断としメイン処理を終了する。
【０１０５】
一方、Ｓ３の処理で確認した結果、入力されたコマンドが判定値設定コマンドであれば（Ｓ３：判定値設定コマンド）、判定値設定処理の実行要求であるので、標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを算出する判定値設定処理を実行した後（Ｓ４）、その処理をＳ２の処理へ移行する。また、Ｓ３の処理で確認した結果、入力されたコマンドがプローブ設計コマンドであれば（Ｓ３：プローブ設計コマンド）、ＤＮＡプローブ設計処理の実行要求であるので、ユーザの指定に基づいて任意プローブを構築すると共に、その任意プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを算出するＤＮＡプローブ設計処理を実行し（Ｓ５）、その処理をＳ２の処理に移行する。
【０１０６】
更に、Ｓ３の処理で確認した結果、入力されたコマンドが電気伝導度算出コマンドであれば（Ｓ３：電気伝導度算出コマンド）、電気伝導度算出処理の実行要求であるので、プローブの電気伝導度（電流電圧特性）を算出する電気伝導度算出処理を実行し（Ｓ６）、その処理をＳ２の処理を移行する。
【０１０７】
また、Ｓ３の処理で確認した結果、入力されたコマンドが終了コマンド、判定値設定コマンド、プローブ設計コマンド、電気伝導度算出コマンド以外のその他のコマンドであれば（Ｓ３：その他）、入力されたその他のコマンドに応じて各処理を実行した後（Ｓ７）、その処理をＳ２の処理に移行する。尚、請求項に記載のプローブ設計プログラムは、この図３に示すＳ４〜Ｓ６の処理が該当する。
【０１０８】
図４は、図３のメイン処理の中で実行される判定値設定処理（Ｓ４）のフローチャートである。この判定値設定処理（Ｓ４）は、上記したように、標準プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを算出する処理である。判定値設定処理（Ｓ４）にて算出される結合エネルギーは、ユーザが構築する任意プローブの結合力の判断基準となる判定値となる。
【０１０９】
この判定値設定処理（Ｓ４）では、まず、初期画面を表示する初期画面表示処理を実行する（Ｓ１２）。この初期画面表示処理（Ｓ１２）でＬＣＤ１８に表示される画面は、グラフィック表示機能を利用してプローブを設計するための画面であり、ユーザ所望の原子あるいは分子を選択指定するための指定コマンドの入力ボタン、ユーザ所望の分子構造の設計が終了したことを示す終了コマンドの入力ボタン、プローブと標的核酸分子とを３次元モデルで表示するための表示エリアを備えた画面である。
【０１１０】
該画面に設けられる各入力ボタンは、画面上でユーザによる指定操作が行われると、対応するコマンドの入力として認識されるように形成されたボタン態様の表示である。また、指定コマンドの入力ボタンは複数のボタンで形成されており、各１のボタンが原子データベースエリア１６ｊに記憶される１の原子データまたは１の分子データに対応している。かかる各ボタンは、対応する原子または分子を示す表示がなされており、ユーザによる指定操作により、そのボタンに対応する原子データまたは分子データが原子データベースエリア１６ｊから読み出され、その原子または分子の画像が表示される。
【０１１１】
尚、初期画面表示処理（Ｓ１２）において表示された表示画面では、ユーザ入力に応じて表示エリアの表示内容が更新されると共に、該表示画面は、判定値設定処理（Ｓ４）が終了するまで継続して表示される。
【０１１２】
その後、ＤＮＡデータメモリ１６ｂに記憶される構造データの内、塩基配列がＣＡＴＧである４塩基配列の一本鎖ＤＮＡ断片の構造データに基づいた一本鎖ＤＮＡ画像を、ＬＣＤ１８の表示画面上に出力する（Ｓ１３）。この一本鎖ＤＮＡ画像は、標的核酸分子であり、ＬＣＤ１８の表示画面上における表示エリアに表示される。次いで、塩基データメモリ１６ｃに記憶される塩基の構造データに基づき、表示されている一本鎖ＤＮＡ画像に相補的に塩基対を形成するように塩基画像をＬＣＤ１８の表示画面上に出力する（Ｓ１４）。Ｓ１４の処理にて表示される塩基は、標準プローブが備える塩基配列となる。
【０１１３】
その後、ユーザの指示に基づいて、バックボーン構造を形成する核酸生成処理を実行する（Ｓ１５）。この核酸生成処理（Ｓ１５）では、ＬＣＤ１８の画面上に設けられた指定コマンドの入力ボタンの入力操作に応じて、原子データベースエリア１６ｊに記憶される原子データの内、ユーザ所望のものが指定される。その指定された原子データは、原子データベースエリア１６ｊから読み出され、表示エリア内のユーザの指定する位置に画像で現出される。また、ユーザによるデリート操作によって、表示エリアに表示されている原子や分子（標的核酸分子およびプローブの塩基を除く）を表示中の分子構造から消去することができる。
【０１１４】
ユーザは所望の原子、分子の指定操作を繰り返し、所望のバックボーン構造を構築する。ここで、ユーザの指定操作が、バックボーンの構造を、ＤＮＡのものとするように行われればＤＮＡの標準プローブが構築され、ＲＮＡのものとするように行われればＲＮＡの標準プローブが構築され、ＬＮＡのものとするように行われればＬＮＡの標準プローブが構築され、ＰＮＡのものとするように行われればＰＮＡの標準プローブが構築される。
【０１１５】
そして、ユーザは、終了コマンドの入力ボタンを操作して終了コマンドを入力することで、所望のバックボーン構造の構築が完成したことをＰＣ１内部に報知する。この核酸生成処理（Ｓ１５）における終了コマンドの入力を、ＰＣ１は、核酸生成処理（Ｓ１５）の終了として認識する。尚、Ｓ１４の処理において、標的核酸分子の塩基に対し、プローブ側の塩基が相補的に塩基対を形成するように表示されているので、核酸生成処理（Ｓ１５）において、ユーザにてかかる塩基に結合するバックボーン構造が形成されると二重鎖構造が形成されることとなる。
【０１１６】
核酸生成処理（Ｓ１５）の終了後は、表示画面上（表示エリア）の各原子（各原子の種類）に対応つけてその空間座標、即ち二重鎖構造データを核酸メモリ１３ｂに記憶する（Ｓ１６）。尚、Ｓ１５の処理の後は、核酸メモリ１３ｂのメモリクリアを行ってから、Ｓ１６の処理において二重鎖構造データの書き込みを実行する。次いで、核酸メモリ１３ｂに記憶された二重鎖構造データと、パラメータメモリ１６ｆに記憶される力場パラメータとに基づき、古典分子力場計算に従い、核酸メモリ１３ｂに記憶した二重鎖構造に作用する力を算出する（Ｓ１７）。
【０１１７】
古典分子力場計算は、分子を構成する原子の挙動を調べるための計算であり、その基本原理は電子と原子核とを１体化して扱う近似に基づいている。古典分子力学法の基本的概念においては、いろいろな種類の化学結合はそれぞれ自然の長さと角度を持っており、分子内の全ての結合がそれぞれの自然値にできるだけ近い値をとるように自ら形を整えようとする。
【０１１８】
本実施形態では、分子力場にＡｍｂｅｒ力場を用いており、二重鎖構造に作用する力は、力Ｆとして以下の式で求められる。ここで、ｒｉｊは原子ｉと原子ｊ間の結合長、ｒ０は原子ｉと原子ｊ間の理想的な結合長を表し、Σｂｏｎｄによって二重鎖構造中のすべての結合の総和がとられる。θｉｊｋは原子ｉ、原子ｊと原子ｋが成す結合角、θ０ｉｊｋは原子ｉ、原子ｊと原子ｋが成す理想的な結合角を表し、Σａｎｇｌｅｓによって二重鎖構造中のすべての結合角の総和がとられる。ωｉｊｋｌは原子ｉ、原子ｊ、原子ｋと原子ｌが成す二面角、ｎｉｊｋｌ及びγｉｊｋｌはそれぞれ原子ｉ、原子ｊ、原子ｋと原子ｌが成す二面角のポテンシャル関数における極小点の数とオフセット角を表し、Σｔｏｒｉｓｏｎｓによって二重鎖構造中のすべての二面角の総和がとられる。Ｒｉｊは、原子ｉと原子ｊ間の距離を表し、Σｎｏｎ−ｂｏｎｄｅｄによって二重鎖構造中のすべて非結合相互作用の総和がとられる。ｑｉ及びｑｊはそれぞれ原子ｉ及び原子ｊの電荷を表し、Σｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃによって二重鎖構造中のすべて静電相互作用の総和がとられる。Ｋｓｉｊ、Ｋｂｉｊｋ、Ｖｉｊｋｌ、Ａｉｊ、Ｂｉｊ、Ｄｉｊは、定数でありＡｍｂｅｒ力場内で様式別にパラメータとして定義されている。これらのパラメータは、上述したパラメータメモリ１６ｆに記憶されているものである。
【０１１９】
【数１】
2011004621.tif 000004
【０１２０】
そして、算出された値（二重鎖結合に作用する力）が閾値メモリ１６ｄに記憶される値以下であるかを確認し（Ｓ１８）、閾値以下であれば（Ｓ１８：Ｙｅｓ）、表示画面上（表示エリア）の各原子（各原子の種類）に対応つけてその空間座標を（即ち核酸メモリ１３ｂに記憶される二重鎖構造データを）第１生成核酸メモリ１６ｇに記憶する（Ｓ１９）。そして、判定値設定フラグ１３ａをオンしてから（Ｓ２０）、標準プローブの結合エネルギーを算出するべく結合エネルギー解析処理を実行する（Ｓ２１）。その後、算出された結合エネルギーを、判定値メモリ１６ｅに書き込み（Ｓ２２）、判定値設定フラグ１３ａをオフしてから（Ｓ２３）、この判定値設定処理を終了する。
【０１２１】
一方、Ｓ１８の処理で確認した結果、算出された力が閾値メモリ１６ｄに記憶される値を超えていると（Ｓ１８：Ｎｏ）、所定のピッチで原子位置を調整し変更後の構造に対応する画像にてＬＣＤ１８の表示エリア内の画像を更新する変更処理を行ってから（Ｓ２４）、その処理をＳ１６の処理に移行する。これにより、ユーザにて構築された標準プローブと標的核酸分子との二重鎖構造が、安定な構造となるまで各原子位置が調整される。
【０１２２】
判定値設定処理（Ｓ４）においては、標準プローブの結合エネルギーを算出するアルゴリズムは、ＤＮＡプローブ設計処理において用いられるアルゴリズムと同様に構成されており、その結果、構築される任意プローブと同じ手法で標準プローブの結合エネルギーが算出されるようになっている。また、この判定値設定処理（Ｓ４）は、判定値設定コマンドがユーザの操作によって入力されることで開始されるので、ユーザは、任意のタイミングでこの判定値設定処理（Ｓ４）を実行することができる。つまり、ＤＮＡプローブを設計する毎に毎回、判定値を生成するのではなく、判定値を変更する必要が生じた場合など、必要に応じて生成することができる。尚、本実施形態においては、初期状態ではデフォルトの値が判定値メモリ１６ｅには記憶されている。このため、初回の作業時においては、判定値設定処理（Ｓ４）を行う必要があるので、その旨を初回の起動時にユーザに報知するように、本ＰＣ１を構成しても良い。
【０１２３】
また、判定値メモリ１６ｅおよび第１生成核酸メモリ１６ｇに記憶される識別情報は、各メモリに記憶される結合エネルギーおよび標準プローブの二重鎖構造データについて、それぞれ、その帰属、即ち、対応する標準プローブを特定できる情報であって、判定値メモリ１６ｅおよび第１核酸生成メモリ１６ｇへのデータの記憶に際しては、非図示のステップによって、識別情報の入力が要求される。そして、かかる要求に応じてユーザが入力する識別情報が、対応するデータと共に、それぞれの対応するメモリに記憶される。
【０１２４】
更には、本実施形態においては、上記したように標準プローブは４種類とされている。従って、この判定値設定処理（Ｓ４）は、４種の標準プローブのそれぞれについて実行する必要がある。このため、ユーザがいずれの標準プローブについて判定値設定処理（Ｓ４）を行ったかを認識することができるように、各標準プローブに対応するフラグを設け、そのフラグの状態に応じて、いずれの標準プローブについて判定値の算出が終了したかを報知するようなアルゴリズムを追加しても良い。また、４種の標準プローブのそれぞれについて本判定値設定処理（Ｓ４）で予め算出した判定値を、デフォルトで判定値メモリ１６ｅに記憶させるようにＰＣ１を構成しても良い。
【０１２５】
図５は、図３のメイン処理の中で実行されるＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）のフローチャートである。このＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）は、上記したように、任意プローブと標的核酸分子との結合エネルギーを算出する処理である。ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）にて算出される結合エネルギーを、標準プローブの結合エネルギーと比較することで、ユーザは、構築した任意プローブの結合力（ハイブリダイズ能力）を判断することができる。
【０１２６】
このＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）では、まず、初期画面を表示する初期画面表示処理を実行する（Ｓ５１）。この初期画面表示処理（Ｓ５１）でＬＣＤ１８に表示される画面は、グラフィック表示機能を利用してプローブを設計するための画面であり、判定値設定処理（Ｓ４）で表示される画面と同様に、コマンドの入力ボタンと表示エリアとを備えている。コマンド入力ボタンとしては、判定値設定処理（Ｓ４）で表示される画面と同様に、ユーザ所望の原子あるいは分子を選択指定するための指定コマンドの入力ボタン、所望の分子構造の設計が終了したことを示す終了コマンドの入力ボタンが設けられており、更に、結合エネルギー算出する二重鎖構造が確定したことを示す構造確定コマンドの入力ボタンと、構造変更を要求する変更コマンドの入力ボタンとが設けられている。尚、初期画面表示処理（Ｓ５１）において表示された表示画面は、ユーザ入力に応じて表示エリアの表示内容が更新されると共に、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）が終了するまで継続して表示される。
【０１２７】
その後、ＤＮＡデータメモリ１６ｂに記憶される構造データの内、塩基配列がＣＡＴＧである４塩基配列の一本鎖ＤＮＡ断片の構造データに基づいた一本鎖ＤＮＡ画像を、ＬＣＤ１８の表示画面上に出力する（Ｓ５２）。この一本鎖ＤＮＡ画像は、標的核酸分子であり、ＬＣＤ１８の表示画面上における表示エリアに表示される。次いで、塩基データメモリ１６ｃに記憶される塩基の構造データに基づき、表示されている一本鎖ＤＮＡ画像に相補的に塩基対を形成するように塩基画像をＬＣＤ１８の表示画面上に出力する（Ｓ５３）。ここで表示される塩基は、任意プローブが備える塩基配列であり、標準プローブのものと同じものである。
【０１２８】
その後、ユーザの指示に基づいて、バックボーン構造を形成する人工核酸生成処理を実行する（Ｓ５４）。この人工核酸生成処理（Ｓ５４）では、ＬＣＤ１８の画面上に設けられた指定コマンドの入力ボタンの入力操作に応じて、原子データベースエリア１６ｊに記憶される原子データの内、ユーザ所望のものが指定される。その指定された原子データは、原子データベースエリア１６ｊから読み出され、表示エリア内のユーザの指定する位置に画像で現出される。また、ユーザによるデリート操作によって、表示エリア内に表示されている原子や分子（標的核酸分子およびプローブの塩基を除く）を表示中の分子構造から消去することができる。ユーザは所望の原子、分子の指定操作やデリート操作を繰り返し、所望のバックボーン構造を備えた任意プローブを構築する。そして、ユーザは、終了コマンドの入力ボタンを操作して終了コマンドを入力することで、所望の任意プローブの構築が完成したことをＰＣ１内部に報知する。この人工核酸生成処理（Ｓ５４）における終了コマンドの入力を、ＰＣ１は、人工核酸生成処理（Ｓ５４）の終了として認識する。尚、Ｓ５３の処理において、標的核酸分子の塩基に対し、プローブ側の塩基が相補的に塩基対を形成するように表示されているので、人工核酸生成処理（Ｓ５４）において、ユーザにてかかる塩基に結合するバックボーン構造が形成されると二重鎖構造が形成されることとなる。
【０１２９】
人工核酸生成処理（Ｓ５４）の終了後は、人工核酸生成処理（Ｓ５４）で構築された任意プローブの人工核酸のバックボーンの電荷が中性であるかを判断し（Ｓ５５）、その結果、電荷が中性であった場合には（Ｓ５５：Ｙｅｓ）、バックボーンの電荷が中性であることを表示する（Ｓ５６）。一方、Ｓ５５の処理で判断した結果、構築された任意プローブの人工核酸のバックボーンの電荷が中性でなければ、Ｓ５６の処理をスキップして、その処理をＳ５７の処理に移行する。
【０１３０】
Ｓ５７の処理では、構造が確定か、即ち、ユーザによって、結合エネルギー算出する二重鎖構造が確定したことを示す構造確定コマンドが入力されたかを確認する（Ｓ５７）。ユーザが、Ｓ５６の処理によって、構築した任意プローブが電気的に中性でないと知った場合に、任意プローブの設計を変更することができるように、このＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）では、構築された任意プローブが電気的に中性であるか否かを報知した後に、再度、構造確定をユーザが判断できるようにしているのである。
【０１３１】
このＳ５７の処理で確認した結果、構造確定コマンドが入力されていた場合には（Ｓ５７：Ｙｅｓ）、表示画面上（表示エリア）の各原子（各原子の種類）に対応つけてその空間座標、即ち二重鎖構造データを核酸メモリ１３ｂに記憶する（Ｓ５８）。尚、Ｓ５７の処理に続いてＳ５８の処理が実行される場合には、Ｓ５８の処理の実行前に核酸メモリ１３ｂをクリアしてから、Ｓ５８の処理を実行して二重鎖構造データを核酸メモリ１３ｂに記憶する。
【０１３２】
次いで、判定値設定処理（Ｓ４）のＳ１７の処理と同様に、核酸メモリ１３ｂに記憶された二重鎖構造データと、パラメータメモリ１６ｆに記憶される力場パラメータとに基づき、古典分子力場計算に従い、核酸メモリ１３ｂに記憶した二重鎖構造に作用する力をＳ１７の処理で用いた式と同じ式を用いて算出する（Ｓ５９）。そして、算出された値（二重鎖結合に作用する力）が閾値メモリ１６ｄに記憶される値以下であるかを確認し（Ｓ６０）、閾値以下であれば（Ｓ６０：Ｙｅｓ）、表示画面上の表示エリア内に表示中の各原子（各原子の種類）に対応つけてその空間座標を（即ち核酸メモリ１３ｂに記憶される二重鎖構造データを）第２生成核酸メモリ１６ｈに記憶する（Ｓ６１）。
【０１３３】
そして、構築された任意プローブの結合エネルギーを算出するべく結合エネルギー解析処理を実行する（Ｓ６２）。その後、算出された結合エネルギーを、識別情報と共に結合力メモリ１６ｉに書き込み（Ｓ６３）、算出された任意プローブの結合エネルギーが、判定値メモリ１６ｅに判定値として記憶されるＤＮＡの標準プローブの結合エネルギーよりも大きいかを確認する（Ｓ６４）。確認の結果、算出された任意プローブの結合エネルギーが、比較した判定値よりも大きかった場合（Ｓ６４：Ｙｅｓ）、構築された任意プローブが電流検出型ＤＮＡチップとしての評価を行い得るように、比較プローブ設計処理を実行してから（Ｓ６５）、本ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）を終了するための各処理（Ｓ６６）を行った後、このＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）を終了する。
【０１３４】
一方、Ｓ５７の処理で確認した結果、構造確定コマンドの入力がなければ（Ｓ５７：Ｎｏ）、プローブの構造変更を行うことを示す変更コマンドが入力されたかを確認し（Ｓ６７）、変更コマンドの入力があれば（Ｓ６７：Ｙｅｓ）、その処理をＳ５４に移行する。また、変更コマンドの入力がなければ（Ｓ６７：Ｎｏ）、その処理をＳ５７の処理に移行し、構造確定コマンドまたは変更コマンドの入力を待機する。
【０１３５】
また、Ｓ６０の処理で確認した結果、算出された力が閾値メモリ１６ｄに記憶される値を超えていると（Ｓ６０：Ｎｏ）、所定のピッチで原子位置を調整し変更後の構造に対応する画像にてＬＣＤ１８の表示画像を更新する変更処理を行ってから（Ｓ６８）、その処理をＳ５８の処理に移行する。これにより、ユーザにて構築された任意プローブと標的核酸分子との二重鎖構造が、安定な構造となるまで各原子位置が調整される。よって、続いて行われる結合エネルギー解析処理（Ｓ６２）によって、安定な二重鎖構造の状態における任意プローブと標的核酸分子との結合エネルギーが算出されるのである。
【０１３６】
尚、結合力メモリ１６ｉおよび第２生成核酸メモリ１６ｈに記憶される識別情報は、メモリに書き込むデータの帰属、即ち、対応する任意プローブを特定できる情報であって、結合力メモリ１６ｉおよび第２生成核酸メモリ１６ｈへのデータの記憶に際しては、非図示のステップによって、識別情報の入力が要求される。そして、かかる要求に応じてユーザが入力する識別情報が、対応するデータと共に、それぞれの対応するメモリに記憶される。
【０１３７】
図６は、図４の判定値設定処理（Ｓ４）及び図５のＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）の中で実行される結合エネルギー解析処理（Ｓ２１，Ｓ６２）を示したフローチャートである。
【０１３８】
この結合エネルギー解析処理（Ｓ２１，Ｓ６２）は、標準プローブまたは任意プローブと、標的核酸分子との結合エネルギーを算出する処理であり、判定値設定フラグ１３ａの状態に応じて、標準プローブの結合エネルギーの算出と任意プローブの結合エネルギーの算出とを切り替えるように構成されている。
【０１３９】
この結合エネルギー解析処理（Ｓ２１，Ｓ６２）では、まず、判定値設定フラグ１３ａの状態を確認して判定値設定フラグ１３ａがオンであるかを判断し（Ｓ７１）、その結果、判定値設定フラグ１３ａがオンであれば（Ｓ７１：Ｙｅｓ）、ｎ＝１にセットして（Ｓ７２）、判定値とする標準プローブの結合エネルギーの算出であることを設定し、一方、判定値設定フラグ１３ａがオフであれば（Ｓ７１：Ｎｏ）、ｎ＝２にセットして（Ｓ７２）、任意プローブの結合エネルギーの算出であることを設定する。Ｓ７２またはＳ７３の処理の後は、第ｎ生成核酸メモリに記憶される二重鎖構造データに基づき、分子軌道法に従って、当該二重鎖構造の内部エネルギーＥ０を算出する（Ｓ７４）。
【０１４０】
ここで、ｎ＝１にセットされているとＳ７４以降の処理において、第１生成核酸メモリに記憶される二重鎖構造データに基づいて内部エネルギーが算出されることとなり、標準プローブの結合エネルギーが算出される。また、ｎ＝２にセットされているとＳ７４以降の処理において、第２生成核酸メモリに記憶される二重鎖構造データに基づいて内部エネルギーが算出されることとなり、任意プローブの結合エネルギーが算出される。
【０１４１】
次に、Ｓ７４の処理において算出した内部エネルギーＥ０を内部エネルギーメモリ１３ｃに記憶する（Ｓ７５）。続いて、第ｎ生成核酸メモリに記憶される二重鎖構造データから、プローブおよび標的核酸分子それぞれの構造データ（一本鎖ＤＮＡ態様）を取得し（Ｓ７６）、取得したプローブおよび標的核酸分子の構造データに基づき、分子軌道法に従って、プローブの内部エネルギーＥ１と標的核酸分子の内部エネルギーＥ２とをそれぞれを算出する（Ｓ７７）。
【０１４２】
尚、上記のＳ７４、Ｓ７７の処理で用いられる分子軌道法は、ＤＦＴ法である。
【０１４３】
ＤＦＴ法（密度汎関数法）は、多電子系の交換相関相互作用を原理的に正しく取り扱って、多電子系の基底状態の電子密度分布や全エネルギーをあたえる理論である。密度汎関数法は、波動関数ではなく電子密度分布に着目してシュレディンガー方程式を解くことで、多電子間の相互作用を原理的に正しく取り入れながらも、高精度分子軌道法であるＭＰ２法等の計算方法に比べて計算コストが少ない分子軌道法として、生体高分子などの大規模かつ交換相関相互作用が重要となる系で一般的に使用されている。
【０１４４】
その後、プローブの内部エネルギーＥ１と標的核酸分子の内部エネルギーＥ２との総和と、内部エネルギーメモリ１３ｃに記憶される二重鎖構造の内部エネルギーＥ０との差分を算出する（Ｓ７８）。このＳ７８の処理において算出された値が、プローブの結合エネルギーとなる。ここで、内部エネルギーは負の値であり、負の値に大きいほど、安定で結合エネルギーが大きいことを示す。このため、プローブの内部エネルギーＥ１と標的核酸分子の内部エネルギーＥ２との総和の絶対値を、二重鎖構造の内部エネルギーＥ０の絶対値から減算した値が大きいほど、結合エネルギーは大きいこととなる。
【０１４５】
続いて、ｎ＝１であるかを確認し（Ｓ７９）、ここで、ｎ＝１であれば（Ｓ７９：Ｙｅｓ）、実行されている処理は、判定値設定処理（Ｓ４）において実行されている結合エネルギー解析処理（Ｓ２１）として認識され、Ｓ８０の処理をスキップし、本処理（結合エネルギー解析処理（Ｓ２１））を終了する。かかる場合には、本処理の終了後は、判定値設定処理（Ｓ４）のＳ２２の以降の処理が実行される。
【０１４６】
これにより、図２に示した判定値メモリ１６ｅに記憶される標準プローブの結合エネルギーが算出されるのである。
【０１４７】
一方、Ｓ７９の処理で確認した結果、ｎ＝１でなければ（Ｓ７９：Ｎｏ）、ｎ＝２であって、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）の中で実行されている結合エネルギー解析処理（Ｓ６２）として認識される。従って、算出された任意プローブの結合エネルギーと、判定値メモリ１６ｅに記憶されている標準プローブの結合エネルギーとを、識別情報と共にＬＣＤ１８の表示画面に出力して（Ｓ８０）、本処理（結合エネルギー解析処理（Ｓ６２））を終了する。そして、かかる場合には、続いて、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）のＳ６３以降の処理が実行される。尚、結合エネルギーの表示は、先に表示されている二重鎖構造データの表示エリアに重ねて、別ウィンドウで行われ、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）が終了するまで継続して表示される。
【０１４８】
ここで図９を参照して、図６に示した結合エネルギー解析処理（Ｓ６２）による任意プローブの結合エネルギー算出結果と、その表示態様について説明する。
【０１４９】
図９（ａ）は、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）によって、構築された任意プローブについて、ＣＡＴＧの塩基配列を有する４塩基配列の標的核酸分子との結合エネルギーの算出結果を一覧表で示した図である。構築された任意プローブは、ＣＡＴＧの塩基配列を有する４塩基配列のプローブであって、天然ＤＮＡにおける燐酸基が図９（ａ）の一覧表に示した各置換基でそれぞれ置換されたバックボーン構造を有するものである。
【０１５０】
図９（ａ）において、一覧表の左側の欄には任意プローブの置換基の構造を示し、その右側の欄にそれぞれの構造の任意プローブについて算出された結合エネルギーを示している。図９（ａ）に示すように、かかる構造を備えた任意プローブは、ＤＮＡの標準プローブよりも高い結合力を有していることが示されている。また、図９（ａ）に示す各任意プローブは、既知の人工核酸において高い結合力を有するＰＮＡの標準プローブと比較しても高い結合エネルギーを備えていることが明確に示されている。従って、かかるバックボーン構造を備えたプローブは、既存のプローブよりもハイブリダイズ能力が高い、有意なものであると判断できる。
【０１５１】
図９（ｂ）は、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）によって算出された結合エネルギーを表示画面に出力する際の表示態様を示した図である。尚、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）および判定値設定処理（Ｓ４）のいずれにおいても、結合エネルギーが算出されるプローブはＣＡＴＧの４塩基配列のものとされているので、表示される結合エネルギーは、ＣＡＴＧの４塩基配列のプローブのものである。
【０１５２】
図９（ｂ）に示すように、本実施形態においては、算出された任意プローブの結合エネルギーと共に、標準プローブの結合エネルギーが表示されるようになっている。尚、図９（ｂ）においては、ＤＮＡの燐酸基を「−ＣＨ２−ＣＯ−ＣＨ２−」で置換した任意プローブの場合を例示している。
【０１５３】
具体的には、上下２段の表で、結合エネルギーが表示されるようになっており、上段の表に、実行されたＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）の算出結果である任意プローブの結合エネルギーが、その識別情報（図９（ｂ）においては、「−ＣＨ２−ＣＯ−ＣＨ２−」）に対応して表示される。また、下段の表には、一覧表の形式で、４つの標準プローブの結合エネルギーが、各標準プローブの識別情報に対応つけてそれぞれ表示されている。これにより、ユーザは、自己の設計した任意プローブの性能を、既存のプローブに対して比較することで、的確に把握することができる。
【０１５４】
図７は、図５のＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）の中で実行される比較プローブ設計処理（Ｓ６５）のフローチャートである。この比較プローブ設計処理（Ｓ６５）は、電気伝導度算出処理（Ｓ６）において用いられる２本目のプローブ（ＣＡＴＧの塩基配列を有する任意プローブと同じバックボーン構造でＣＧＣＧの塩基配列を有する任意プローブ）の二重鎖構造をユーザ操作に基づいて生成するための処理である。
【０１５５】
この比較プローブ設計処理（Ｓ６５）は、ユーザによって構築された１本目の任意プローブ（ＣＡＴＧの塩基配列を有する任意プローブ）の結合エネルギーが、ＤＮＡの標準プローブの結合エネルギーよりも大きいことを条件として実行される。
【０１５６】
本実施形態では、電流検出型ＤＮＡチップのプローブとしての感度を判断できるように、電気伝導度算出処理（Ｓ６）を、同じバックボーン構造で異なる塩基配列を備える２本の任意プローブについて算出するように構成している。ここで、電気伝導度算出処理（Ｓ６）では、プローブの電流電圧特性を算出するため、その二重鎖構造が必要である。このため、２本目のプローブについて二重鎖構造を取得するべく、この比較プローブ設計処理（Ｓ６５）が実行される。
【０１５７】
一方で、蛍光標識型または電流検出型のいずれの方式に用いるプローブであっても、検出精度向上のためには、標的核酸分子との結合力が強いことが重要な因子である。
【０１５８】
このため、ＤＮＡの標準プローブよりも任意プローブの結合エネルギーが小さい場合には、当該任意プローブを実用化する可能性は小さい上、任意プローブ全てについて電流電圧特性を算出するべく、同じバックボーン構造で異なる塩基配列を有する２の任意プローブを構築する処理を行うことは、良好なプローブを選択する工程をいたずらに冗長にしてしまう。
【０１５９】
そこで、本実施形態においては、ＤＮＡの標準プローブの結合エネルギーよりも大きいことを条件として比較プローブ設計処理（Ｓ６５）を実行する構成として、ユーザが効率的に電流検出型ＤＮＡチップに良好なプローブを効率的に選定できるようにしているのである。
【０１６０】
この比較プローブ設計処理（Ｓ６５）では、まず、非図示のステップにより、ＬＣＤ１８の表示画面の表示エリアに表示されている画像をクリアしてから、ＤＮＡデータメモリ１６ｂに記憶される構造データのうち、塩基配列がＣＧＣＧである４塩基配列の一本鎖ＤＮＡ断片の構造データに基づいた一本鎖ＤＮＡ画像を、ＬＣＤ１８の表示画面上（に出力する（Ｓ９２）。この一本鎖ＤＮＡ画像は、標的核酸分子であり、ＬＣＤ１８の表示画面上における表示エリアに表示される。
【０１６１】
その後、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）のＳ５３〜Ｓ６１の処理と同様のＳ９３〜Ｓ１０１の処理を実行して、ＣＡＴＧの塩基配列を有する任意プローブと同じバックボーン構造でＣＧＣＧの塩基配列を有する任意プローブをユーザ操作に基づいて生成し、作成されたその任意プローブの二重鎖構造データを識別情報と共に第２核酸生成メモリ１６ｈに記憶して、この比較プローブ設計処理（Ｓ６５）を終了する。尚、識別情報は、構築された任意プローブを特定できる情報であって、二重鎖構造データの記憶に際しては、非図示のステップによって、識別情報の入力が要求され、かかる要求に応じてユーザが入力する識別情報が、二重鎖構造データと共に第２核酸生成メモリ１６ｈに記憶される。
【０１６２】
また、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）のＳ５７の処理と同様のＳ９７の処理で確認した結果、構造確定コマンドの入力がなければ（Ｓ５７：Ｎｏ）、プローブの構造変更を行うことを示す変更コマンドが入力されたかを確認し（Ｓ１０２）、変更コマンドの入力があれば（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、その処理をＳ５４の処理と同様の人工核酸生成処理（Ｓ９４）に移行する。また、変更コマンドの入力がなければ（Ｓ１０２：Ｎｏ）、構造確定コマンドまたは変更コマンドの入力を待機する。
【０１６３】
更に、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）におけるＳ６０の処理と同様の、Ｓ１００の処理で確認した結果、算出された力が閾値メモリ１６ｄに記憶される値を超えていると（Ｓ１００：Ｎｏ）、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）における変更処理（Ｓ６８）と同様の変更処理（Ｓ１０３）を実行する。
【０１６４】
また、本実施形態では、この比較プローブ設計処理（Ｓ６５）は、バックボーン構造を最初から構築するように構成されているが、これに代えて、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）のＳ６１の処理で第２生成核酸メモリ１６ｈに書き込まれた任意プローブの二重鎖構造データのバックボーン構造を、比較プローブ設計処理（Ｓ６５）の開始に際し、表示エリアにデフォルトで表示するように構成しても良い。更には、先に構築されるＣＡＴＧ塩基配列のプローブによってバックボーンの構造は確定しているので、Ｓ９５〜Ｓ９７の処理とＳ１０２の処理とを省略しても良い。
【０１６５】
図８は、図３のメイン処理の中で実行される電気伝導度算出処理（Ｓ６）を示すフローチャートである。この電気伝導度算出処理（Ｓ６）は、任意プローブが電流検出型ＤＮＡチップに用いるプローブとして適したものであるか否かの指標となる、電流電圧特性を算出する処理であり、プローブの感度についてもユーザが判断できるように塩基配列の異なる２のプローブについて電流電圧特性を算出するように構成されている。
【０１６６】
この電気伝導度算出処理（Ｓ６）では、まず、非図示のステップにおいて、識別情報の入力を要求する画面が表示される。かかる画面は、例えば、第２生成核酸メモリ１６ｈに記憶される識別情報の一覧が表示されるとともにその識別情報がユーザにより指定可能に形成された画面などである。そして、識別情報が指定されたかを確認し（Ｓ１１１）、識別情報が指定されていなければ（Ｓ１１１：Ｎｏ）、識別情報が指定されるまで、Ｓ１１２以降の処理を待機する。
【０１６７】
一方、識別情報が指定されていると（Ｓ１１１：Ｙｅｓ）、ｎ＝１をセットしてから（Ｓ１１２）、指定された識別情報に対応する二重鎖構造データを第２生成核酸メモリ１６ｈから読み出し（Ｓ１１３）、読み出した二重鎖構造データに基づき、二重鎖の螺旋軸を算出する（Ｓ１１４）。尚、この螺旋軸の算出は、例えば、３´末端の原子と５´末端の原子とを結ぶベクトルを算出することで実行される。
【０１６８】
続いて、二重鎖構造の２つの３´末端側の塩基の６員環の中心を算出し（Ｓ１１５）、該中心から３．４Å外方に離れた位置に各１ずつ、Ａｕ電極を、Ｓ１１４の処理で算出した螺旋軸に沿ってそれぞれ配置する（Ｓ１１６）。その後、分子軌道計算（ＤＦＴ法）から得られる電子状態密度を算出してから（Ｓ１１７）、算出した電子状態密度に基づき、量子輸送理論のＧｒｅｅｎ関数法に従って２のＡｕ電極間の電荷の伝播確率を表す関数（Ｔ（Ｅ））を算出する（Ｓ１１８）。次に、算出された伝播確率を表す関数（Ｔ（Ｅ））を、次式に従いフェルミレベルＥＦを中心にエネルギーＥで積分し、電流電圧特性（電流値（Ｉ）を算出する（Ｓ１１９）。ここで、ｅは電気素量、ｈはプランク定数を表す。ｅＶはエネルギーの単位で、１Ｖの電圧がかかる際はＥＦ−ｅＶ／２からＥＦ＋ｅＶ／２の範囲で積分することを意味する。
【０１６９】
【数２】
2011004621.tif 000005
【０１７０】
そして、算出された電流値（Ｉ）を電圧に対応つけて第ｎ電流電圧特性メモリ（第１電流電圧特性メモリ１３ｄまたは第２電流電圧特性メモリ１３ｅのいずれか）に書き込んだ後（Ｓ１２０）、ｎ＝２であるかを確認し（Ｓ１２１）、その結果、ｎ＝２であれば（Ｓ１２１：Ｙｅｓ）、２の任意プローブについての電流電圧特性は算出済みであるので、第１および第２電流電圧特性メモリ１３ｄ，１３ｅに記憶される電流電圧特性をグラフでＬＣＤ１８の表示画面に出力して、表示画面の表示を更新してから各処理（Ｓ１２３）を行いこの電気伝導度算出処理（Ｓ６）を終了する。尚、各処理（Ｓ１２３）においては、グラフの表示を終了するコマンド入力が入力されるまでグラフの表示を継続し、グラフの表示を終了するコマンドが入力されたことを契機として終了処理をおこなって、この電気伝導度算出処理（Ｓ６）を終了する。
【０１７１】
また、Ｓ１２１の処理で確認した結果、ｎ＝２でなければ（Ｓ１２１：Ｎｏ）、１の任意プローブについての電流電圧特性が算出が終了した段階であるので、もう一本の任意プローブの電流電圧特性を算出するべく、ｎ＝ｎ＋１として（Ｓ１２４）、その処理をＳ１１１の処理に移行する。これにより、２本目の任意プローブの電流電圧特性の算出を実行し得る状態となる。
【０１７２】
図１０は、図８に示した電気伝導度算出処理（Ｓ６）において算出された電流電圧特性を示した図である。図１０（ａ）は、ＰＣ１において設計した人工核酸の任意プローブについて算出した電流電圧特性のグラフであり、図１０（ｂ）は、比較のために同様の手法で算出したＤＮＡの標準プローブの電流電圧特性のグラフである。図１０の各グラフは横軸に電圧値を示し、縦軸に電流値（Ｉ）を示している。電圧値の単位はボルトであり、電流値の単位はアンペアである。
【０１７３】
図１０（ａ）は、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）によって構築された任意プローブであって、ＤＮＡの標準プローブに比して、結合エネルギーが大きいものであった任意プローブの電流電圧特性を示したグラフである。表示された電気特性を有する任意プローブは、バックボーンの構造が天然のＤＮＡのものとは異なる人工核酸で構成されたものである。具体的には、ＤＮＡの燐酸基が「−ＣＨ２−ＣＯ−ＣＨ２−」に置き換わったバックボーン構造に、ＣＡＴＧの塩基配列またはＣＧＣＧの塩基配列がそれぞれ備えられた２の任意プローブである。グラフに示すデータが、ＣＡＴＧの塩基配列のものであるかＣＧＣＧの塩基配列のものであるかは、それぞれ図１０（ａ）内において、矢印にて示している。
【０１７４】
図１０（ａ）からもわかるように、塩基配列がＣＡＴＧのものとＣＧＣＧのものでは、電気的特性が異なることが示されており、ある電圧範囲（０．８Ｖ近傍から１．８Ｖ近傍）において、かかる２のプローブで大きく電流値（Ｉ）が異なることが示されている。つまり、塩基配列が相違することを電流値（Ｉ）の変化で検出し得る感度を備えていることが明確に示されている。即ち、当該人工核酸が図１０（ｂ）に示すＤＮＡの標準プローブに比べて広い範囲で高い電気伝導度を備える上、塩基配列の相違に対して高感度であって、電流検出型ＤＮＡチップに適正なプローブであることが示されている。
【０１７５】
このように、電気伝導度算出処理（Ｓ６）によって算出される電流電圧特性を指標として、電流検出型ＤＮＡチップに適正なプローブであるか否かを、ユーザは的確に判断することができるのである。
【０１７６】
ここで図１０（ｂ）に示すＤＮＡの標準プローブは、ＤＮＡプローブであって、ＣＡＴＧの塩基配列またはＣＧＣＧの塩基配列をそれぞれ備えた２種類のプローブの電流電圧特性を示している。グラフに示すデータが、ＣＡＴＧの塩基配列のものであるかＣＧＣＧの塩基配列のものであるかは、それぞれ図１０（ｂ）内において、矢印にて示している。
【０１７７】
図１０（ｂ）からもわかるように、塩基配列がＣＡＴＧのものよりもＣＧＣＧのものの方が、同じ電圧においては高い電流が流れる傾向（電気伝導度が高い）が示されており、公知の実験例（B. Xu, P. Zhang, X. Li, N.
Tao, Nano Lett
4, 1105 (2004).）と定性的に一致していることが示されている。即ち、本電気伝導度算出処理（Ｓ６）にて算出される電流電圧特性が妥当であることを示すものである。
【０１７８】
以上説明したように、ＰＣ１およびＰＣ１において実行されるプログラムによれば、ユーザは、新たに設計したプローブの構造が標的核酸分子を捕捉するために有意なものであるか否か、即ち、優れた結合力を備えるか否かを、プローブと標的核酸分子とが形成するハイブリダイズ構造から導出される結合エネルギーに基づいて的確に判断することができる。また、その判断結果に基づいて、結合力を向上させた現実に実装する新たな構造のプローブを創出し得る。
【０１７９】
以上実施形態に基づいて、本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態になんら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）は、塩基配列を固定し、バックボーンの構造を任意の構造とする任意プローブを構築するように構成されたが、任意の塩基を選択して任意プローブを構築するように構成してもよい。また、標的核酸分子をＤＮＡ断片から、ＲＮＡ断片に変更し、ＲＮＡに対する結合エネルギーの算出と、電気伝導度とを算出するように、上記の判定値設定処理（Ｓ４）、ＤＮＡプローブ設計処理（Ｓ５）、電気伝導度算出処理（Ｓ６）を構成しても良い。更には、上記実施形態では、標的核酸分子およびプローブは４塩基配列として、結合エネルギー及び電気伝導度が算出されるように構成されたが、５つ以上の塩基配列（５以上のヌクレオチド）を有するものであってもよい。
【０１８０】
更には、上記実施形態では、ユーザが設計する人工核酸のプローブについて、結合エネルギー及び電気伝導度が算出されるものとしたが、評価するプローブは、必ずしも人工核酸等、未知のものに限られるものではなく、既存のプローブの評価を行うために結合エネルギー及び電気伝導度が算出されても良い。
【０１８１】
加えて、上記実施形態では、Ｓ１３，Ｓ１４の処理において固定された塩基配列を出力することにより、標準プローブについても規定された構造とし得るものとしたが、かかる塩基配列についてもユーザが選択可能に指定することができるように構成し、ユーザが任意の標準プローブを設計できるようにしても良い。
【符号の説明】
【０１８２】
１        ＰＣ（プローブ設計装置、コンピュータ）
１３ｂ    核酸メモリ（第１ハイブリダイズ構造データ記憶手段）
１５      入出力ポート（接続手段）
１６ｂ    ＤＮＡデータメモリ（構造データ記憶手段の一部）
１６ｃ    塩基データメモリ（構造データ記憶手段の一部）
１６ｅ    標準結合エネルギー記憶手段
１６ｈ    第２ハイブリダイズ構造データ記憶手段
１６ｊ    原子データベースメモリ（構造データ記憶手段の一部）
１８      ＬＣＤ（出力装置）
１９      インターフェース（接続手段）
２０      プリンタ（出力装置）
Ｓ５４    指定構築手段、指定構築ステップ
Ｓ５５    判断手段、判断ステップ
Ｓ５６    判断結果出力手段、判断結果出力ステップ
Ｓ５８    第１ハイブリダイズ構造データ記憶ステップ
Ｓ５９    作用力算出手段、作用力算出ステップ
Ｓ６１    第２ハイブリダイズ構造データ記憶ステップ
Ｓ６８    構造最適化手段、構造最適化ステップ
Ｓ７４〜Ｓ７８  結合エネルギー算出手段、結合エネルギー算出ステップ
Ｓ８０    第１出力手段、第１出力ステップ
Ｓ１１７  電子状態密度算出手段、電子状態密度算出ステップ
Ｓ１１８  伝播確率算出手段、伝播確率算出ステップ
Ｓ１１９  電流電圧特性算出手段、電流電圧特性算出ステップ
Ｓ１２２  第２出力手段、第２出力ステップ
【図１】
2011004621.tif 000007
【図２】
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【図３】
2011004621.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011004621.tif 000013
【図８】
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【図９】
2011004621.tif 000015
【図１０】
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