(57)【要約】  本発明は、構造体の分子スケールアセンブリの方法と装置に関し、核酸塩基含有ポリマの高密度で、幾何学的にパターン化され、２次元および３次元のアドレス指定可能なアセンブリの生成、およびそれらと互換性のある形状の構築を含む。本発明は、規定された形状で構成される共有結合した生体高分子を含む生成物を生成する方法であって、相補的一本鎖ポリ核酸塩基を表す相補的マスタ形状から生成される方法を提供する。本発明は、生成品を生成する方法であって、感光性を与えられた固体基板基材に均一な凹形状構造を生成し、次いで自己集合した生体高分子パターンの結合を可能にする金属蒸着を行うステップを含む方法を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
規定された形状で構成される共有結合した生体高分子を含む生成物を生成する方法であって、相補的一本鎖ポリ核酸塩基を表す相補的マスタ形状から生成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記生体高分子がデオキシリボ核酸、リボ核酸、およびペプチド核酸から成る群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記生成物の生成が薄膜を形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記共有結合がチオール−金の相互作用、またはアミン−求電子体のアルキル化もしくは縮合反応の１またはそれ以上を含み、前記生体高分子骨格への直接結合または二官能基のリンカ分子を介した直接結合の少なくとも１つを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記求電子体がエポキシ、ハロゲン化アルキル、無水物類、または結合レセプタの１またはそれ以上を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
規定された配向のアドレス指定される生体高分子を含む生成物を生成する方法であって、相補的ポリ核酸塩基の予め編成されたパターンを含むテンプレート基盤を用いて前記生成物を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記テンプレート基盤が前記相補的ポリ核酸塩基の四角形のハッチングパターンを含み、前記生成物に破線パターンのアドレスを生成することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項５に記載の方法において、前記テンプレート基盤が前記相補的ポリ核酸塩基の六角形のパターンを含み、前記生成物にジグザグパターンのアドレスを生成することを特徴とする方法。
【請求項９】
生成品を生成する方法であって、感光性を与えられた固体基板基材に均一な凹形状構造を生成し、次いで自己集合した生体高分子パターンの結合を可能にする金属蒸着を行うステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記基板基材がシリコンを含み、当該シリコンが感光材料でコートされていることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、前記基板の提供が等方性手法と保護フォトマスクを用いて基板内に均一な円筒状の溝をエッチングするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法において、金属蒸着が５ｎｍのチタン層の堆積、１５ｎｍの金層の堆積、次いでフォトマスクの除去を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか１項に記載の方法を用いて電子回路を生成することを特徴とする方法。
【請求項１４】
酵素変換を模倣するアセンブリを生成する方法であって、請求項１乃至１２の何れか１項に記載の方法を含み、前記アセンブリが安定性、ｐＨ、温度、および触媒を促進する既知の添加剤の存在の少なくとも１つにおいて類似する天然酵素より優れた特性を提供することを特徴とする方法。
【請求項１５】
相補的マスタ形状から生成される共有結合した生体高分子を表すテンプレート形状を生成する方法であって、ワトソンクリックハイブリダイゼーション対合により規定されるように、前記テンプレート形状自体が相補的一本鎖ポリ核酸塩基を表すことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、適切な生体高分子がデオキシリボ核酸、リボ核酸、およびペプチド核酸を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法において、複製技術が薄膜で覆うステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法において、一本鎖生体高分子と基盤材料との間の適切な共有結合が、生体高分子骨格への直接結合またはさもなければ二官能基のリンカ分子の何れかを介した、チオール−金の相互作用、またはアミン−求電子体のアルキル化もしくは縮合反応を含み、前記求電子体は、限定されないが、エポキシ、ハロゲン化アルキル、無水物類、または結合レセプタを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
規定された配向のアドレスされる生体高分子を生成する方法であって、テンプレート基盤に結合される相補的ポリ核酸塩基の予め編成されたパターンに起因することを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、アドレスの破線パターンが、前記テンプレート基盤に結合される前記相補的ポリ核酸塩基の四角形のハッチングパターンから生じることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１９に記載の方法において、アドレスのジグザグパターンが、前記テンプレート基盤に結合される前記相補的ポリ核酸塩基の六角形のパターンから生じることを特徴とする方法。
【請求項２２】
感光性を与えられた固体基板基材の均一な凹形状構造の方法であって、次いで自己集合した生体高分子パターンの結合を可能にする金属蒸着を行うことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記基板がシリコンであり、当該シリコンが感光材料でコートされていることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載の方法において、等方性手法と保護フォトマスクを用いて基板に均一な円筒状の溝がエッチングされることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２２に記載の方法において、均一な金属蒸着が５ｎｍのチタン、次いで１５ｎｍの金として規定され、次いでフォトマスクの除去が続くことを特徴とする方法。
【請求項２６】
マイクロプロセッサ産業に向けた請求項２０または２１に記載の構成のアプリケーションであって、ポリ核酸塩基の三次元アドレス可能アセンブリが、フォトリソグラフィ技術による縮小製造に現在適用可能な現行形状サイズの１／１６となるよう計算されることを特徴とするアプリケーション。
【請求項２７】
触媒反応を必要とする産業に向けた請求項２０または２１に記載の構成のアプリケーションであって、既知の酵素変換を模倣するアセンブリが、ｐＨ、温度、および触媒反応を促進する既知の加剤の存在に対する安定性に関して類似した自然系より優れていることを特徴とするアプリケーション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体の分子スケールアセンブリの方法と装置に関し、核酸塩基含有ポリマの高密度で、幾何学的にパターン化され、二次元および三次元のアドレス可能アセンブリの生成、およびそれらと互換性のある形状の構築に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は以下の出願に関し、これらの各々が参照により本書に組み込まれる：２００７年３月１５日提出の米国仮出願第６０／９１８，１４４号；２００７年８月３０日提出の米国仮出願第６０／９６９，１５４号；２００７年１１月６日提出の米国仮出願第６０／９８５，９６１号；２００７年１１月６日提出の米国出願第１１／９３６，０４５号；２００８年２月２８日提出の米国仮出願第６１／０３２，１１８号；２００８年３月１４日提出のＰＣＴ／ＵＳ０８／５７０１３号；２００８年４月１０日提出の米国仮出願第６１／０４３，９８１号；２００８年４月２３日提出の米国仮出願第６１／０４７，２０１号；２００８年４月２９日提出の米国仮出願第６１／０４８，５９９号；２００８年６月１３日提出の米国仮出願第６１／０６１，５５５号、２００８年８月６日提出の米国仮出願第６１／０８６，６３３号。
【発明の概要】
【０００３】
一本鎖次元的構築に基づく（時に本書で「ＳＳＤＣ」といわれ、これは米国ニューメキシコ州アルバカーキのｌｎｃｉｔｏｒ  ＬＬＣの商標である）触媒の生成は、一本鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）、ペプチド核酸（ＰＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、またはポリ核酸塩基で見つけられる他のアドレス（従来、上記の何れか）の製造に依存することができ、それはナノスケールで幾何学的に正確で、複製可能で、有益な手法で組み立てられる。このアドレスは、三次元（３Ｄ）空間に配置するためにワトソンクリックハイブリダイゼーションにより相補的ポリ核酸塩基プローブを局在化し、物理化学基は、（ｉ）酵素のような変換生物触媒（ｔｒａｎｓｂｉｏｔｉｃ  ｃａｔａｌｙｓｉｓ）と、（ｉｉ）有益なナノスケールの要素と素子の２Ｄおよび３Ｄ構築と、（ｉｉｉ）超分子アセンブリと、（ｉｖ）ハイブリダイゼーションベースの局在化および集合に依存する他のアセンブリと、（ｖ）この素子の何れかおよび全ての組み合わせとの発見と開発を容易にする。
【０００４】
本書および本書で組み込まれる出願で記載されるように、ＳＳＤＣは、本方法で想定され、適用され、および実行される場合、大規模かつナノメートルで正確に複製可能なポリ核酸塩基の高密度の三次元アドレス可能アレイを生成することができる技術に依存する。この関連技術は、（１）光電子ビームリソグラフィと、（２）３Ｄパターンが液体またはコロイドから固体への相転移により複製されるソフトリソグラフィと、（３）リンカにより付着される物理化学基を有するポリ核酸塩基プローブと、（４）相補的および「鏡像（ｍｉｒｒｏｒ−ｉｍａｇｅ）」ポリ核酸塩基パターン複製と、および本書の目的である、（５）製造の各段階で３Ｄ高密度アドレスのパラメータを初期および最後に規定するポリ核酸塩基の自己集合および／または直接結合とを含むことができる。
【０００５】
本書および本書で組み込まれる出願に記載されるように、ＳＳＤＣはテンプレートの構築で始めることができ、この要素はポジティブおよび／またはネガティブに構築された固体材料の３Ｄ基盤と、基盤の輪郭に適合する自身にリトグラフされたポリ核酸塩基とを含む。この構築は多くの生成物のプラットホームの製造の基盤とすることができ、これは、縮小した量の複製を促進する材料を利用して、テンプレートの基盤形状とポリ核酸塩基配列の鏡像パターン複製により生成することができる。テンプレート生成の目標は、先のマスタと後のプラットホームとの双方に相補的な配列アドレスの骨格ベースのリソグラフィであるので、テンプレート製造の方法は、初期段階のマスタからのポリ核酸塩基パターン複製に基づくかもしれないし、基づかないかもしれない。
【０００６】
図１は、ポリ核酸塩基の配列ベースのパターン複製と幾何学形状ベースのパターン複製の２Ｄ描写である。マスタ基盤（パステル色）は、リソグラフィおよび／またはポリ核酸塩基鎖のアセンブリを支持する材料（深紅色）でコートされた凹みで輪郭を描く。左側：不変テンプレート（黄緑色；ポリ核酸塩基は赤で塗られている）は、相補的塩基のハイブリダイゼーションおよびリトグラフされたマスタパターンの複製により構成される。右側：基盤は、マスタからテンプレートのやり方と類似の手法で生成され、そこではポリ核酸塩基配列＆パターン形状と、３Ｄの輪郭および形状とが「鏡像（ｍｉｒｒｏｒ−ｉｍａｇｅ）」フォーマットで複製される。テンプレートはプラットホームの所望アドレスでハイブリダイズされ、後者は圧痕成形、薄膜化（図示されるように、紫色、灰色、緑色、ハッチングされた層のオーバーレイ）、および他の技術により製造される。
【０００７】
ＳＳＤＣによる基盤触媒は、一般に生成物のプラットホームである封入体内で触媒を促進する物理化学基の３Ｄ空間における正確な局在化に依存する場合がある。この基は一般に、プラットホームの相補的ポリ核酸塩基アドレスにハイブリダイズするポリ核酸塩基プローブの骨格に付着されるリンカの末端上にある。アドレスの幾何学的パターン（記載された生成物の手法に基づくテンプレートからのそれらの優れた複製に応じて）は、触媒基の３Ｄ配向と空間的位置を決定する。そのため、（ｉ）縮小触媒反応生成物の優れた生成、（ｉｉ）それらの活性の検定、（ｉｉｉ）信頼できる生成物と複製、（ｉｖ）要素分析およびベクトル分析による正確なモデル化、およびコンピュータプログラムにより一般になされる他の手段は全て、好ましくは重要な側面として反復する幾何学的パターンと共に−ポリ核酸塩基のパターンの初期段階の生成に依存することができる−このアセンブリは、オリジナルマスタまたは記載されるような生成物テンプレートへのリソグラフィに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、ポリ核酸塩基の配列ベースのパターン複製と幾何学形状ベースのパターン複製の２Ｄ描写である。
【図２】図２は、アセンブリ：四角形のハッチングパターンと破線のアドレスの概略図である。
【図３】図３は、アセンブリ：六角形のパターンとジグザグアドレスの概略図である。
【図４】図４は、完成したテンプレート：四角形のハッチングパターンから破線のアドレスの概略図である。
【図５】図５は、設計：四角形のハッチングパターンと破線のアドレスの概略図である。
【図６】図６は、レベル１のフォトマスクを示す図である。
【図７】図７は、レベル２のフォトマスクを示す図である。
【図８】図８は、レベル１のフォトマスクで露光した後のコートされた基板を示す図である。
【図１０】図１０は、残りの感光材料を除去した後の同じ基板を示す図である。
【図１１】図１１は、レベル２のフォトマスクを用いた処理後の同じ基板を示す図である。
【図１２】図１２は、別のコーティングを塗布した後の同じ基板を示し、例えば５ｎｍのＴｉと１５ｎｍのＡｕを含むコーティングの堆積を示す図である。
【図１３】図１３は、感光材料の除去後の同じ基板を示す図である。
【図１４】図１４は、上記処理後の基板の平面図である。
【図１５】図１５は、上記処理後の基板の三次元図である。
【図１６】図１６は、二次元の不均一触媒作用のＳＳＤＣ戦略の実施例である。
【図１７】図１７は、単純な分解酵素の触媒部位の形状近似物を示す図である。
【図１８】図１８は、触媒作用の一般的なＶ字溝への形状近似物の変化を示す図である。
【図１９】図１９は、一般的なＶ字溝の基盤のソフトリソグラフィのスタンプの設計を示す図である。
【図２０】図２０は、ソフトリソグラフィのスタンプ（テンプレートアレイ）の製造と準備を示す図である。
【図２１】図２１は、ソフトリソグラフィによるプラットホーム製造を示す図である。
【図２２】図２２は、２Ｄアドレス可能アレイのＤＮＡウィービングによる自己集合を示す図である。
【図２３】図２３は、３Ｄアドレス可能アレイのＤＮＡ形状による直接結合を示す図である。
【図２４】図２４は、ハイブリダイズされたポリ核酸塩基ライブラリから触媒機能の堆積構造を示す図である。
【図２５】図２５は、基盤材料へポリ核酸塩基を取り付けるための例示的な方法を示す図である。
【図２６】図２６は、アセンブリ製造方法に応じた境界層の流れを示す。
【図２７】図２７は、アセンブリレベルで境界層の流れを強化するよう設計された素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
一般に中位の長さのｓｓＤＮＡオリゴヌクレオチド（１００−１０００塩基；完全伸展で約５０−５００ｎｍの長さ）のライブラリは、ある条件下で、それらの自己集合の結果の態様として、アドレス可能位置、すなわちハイブリッドされていないポリ核酸塩基部位の反復する幾何学的パターンを有する安定したアセンブリを自発的に形成するよう設計することができる。以下で記載される独立した技術を利用すると、ポリ核酸塩基のナノメートルで正確な２Ｄおよび３Ｄパターンは−従来「アドレス可能アセンブリ（Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ  Ａｓｓｅｍｌｉｅｓ）」といわれ−以下のマスタおよびテンプレートのリソグラフィに関して高度の均一性、再現性および有用性で製造することができる：
１．相補的ポリ核酸塩基部分のワトソンクリックハイブリダイゼーション、
２．アセンブリの各ステップで最適化され、管理されたハイブリダイゼーションを容易にする大量の溶液条件、
３．この分野で標準のレセプタ−配位子による生化学技術、
４．自己集合および局在化をさらに促進する物理的条件および物理的成分、
５．アセンブリのリソグラフィを容易にする界面条件、静電気条件および溶媒化条件。
【００１０】
本発明は、以下のように十分記載される様々な現行技術と互換性をもつ：（ｉ）原子間力またはディップペンナノリソグラフィ（ＤＰＮ）、（ｉｉ）メニスカスまたは他の位相差によるポリ核酸塩基の拡大、延長または引き伸しの減少、（ｉｉｉ）ｉｉｉの達成のための電気、磁気、光学、慣性および他の場並びにエネルギの使用、この場がポリ核酸塩基鎖または固体物体−一般に鎖の末端に固着されたビーズに作用しているかどうか、およびこれが光感受性または磁化率を有するかどうか、（ｉｖ）所望の構造を容易にするリトグラフされたパターン内またはパターン上のポリ核酸塩基鎖の拡大、または（ｖ）上記依存しない技術の任意の組み合わせもしくは変形。
【００１１】
図２は、アセンブリ：四角形のハッチングパターンと破線のアドレスの概略図である。左側には、隣接鎖に規則的な相補性を有し、正反対に対向するポリ核酸塩基（灰色と青色、色は配列ではなく、配向を指す）が示されている。密接した重複領域は、ハイブリダイゼーションの部位を表わす。右側には、ハイブリダイゼーションのない部位（灰色のポリ核酸塩基対して緑色；青色に対して赤色）に相補的なオリゴベースの位置が示される。全ての相補的なオリゴベースは、同じ配向である。
【００１２】
図３は、アセンブリ：六角形のパターンとジグザグアドレスの概略図である。左側には、図２のものと異なる隣接鎖相補性を有する正反対に対向するポリ核酸塩基が示されている。前述のように、密接するオーバーラップはハイブリダイゼーションの部位を表わす。右側には、ハイブリダイゼーションのない部位（灰色に対して緑色；青色に対して赤色）に相補的オリゴベースの位置が示されている。近接したアドレスブロック（垂直方向）内の全ての相補的オリゴベースは同じ配向である。
【００１３】
一般に、大きな配列プール内では、たった１つのアドレスにハイブリダイズするプローブの設計は−例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）または部位直接突然変異生成、部位特異的ターゲティング、マイクロアレイなどの技術に基づく他のプライマについて−オリゴベースの長さの約２１−２７の塩基の配列を必要とする。２５量体のアドレスが適切である場合、上記例示的なアセンブリで得られるハイブリダイゼーションは、２５塩基対の長い未ハイブリダイズ部位の幾何学的に正確なグループ分けを示し、それは約１２．５ｎｍの長さであり、配列設計および意図したアドレスパターンに基づく類似距離または短距離だけ離れている。
【００１４】
これらの結果として得られるアドレス可能アセンブリ（さらに多くの２Ｄパターンおよび３Ｄ形状を生成することができる）は、この技術に関する現行技術の新規で潜在的に革命的な改善を提供する。本発明の幾つかの実施例のアプリケーションが後述される。
【００１５】
アプリケーションＡ：マイクロプロセッサ産業に関し、このアセンブリでリトグラフされたプラットホームは、フォトリソグラフィの最先端技術による縮小製造に現在適用可能な最も小さな形状の１／１６という差別化されたサイズ単位を含む。すなわち、遠紫外線または液浸リソグラフィにより製造された片側５０ｎｍの特徴は、カーボンナノチューブおよび１００分子以下で作成された電荷運搬素子または光素子などの構成要素のサイズの１６倍であり、それは２５量体（１２．５ｎｍ）のオリゴベースの線形骨格で官能化することができる。要するに、ポリ核酸塩基の３Ｄアドレス可能アセンブリを生成する能力は、現在可能なものより大規模な更なる構成要素を有するマイクロプロセッサを生成する能力を提供する。
【００１６】
アプリケーションＢ：超分子アセンブリおよび全縮小製造産業に関しては、プラットホームは今では長さのスケール（それらの短軸において、図２では水平、図３では垂直）に近づいており、化学反応がそれらの変化率を上昇する。アドレス可能アセンブリにより提供される正確さと巧妙さと共に反応的な化学官能基を設ける性能は、バルク相またはこの正確性がない中間層の反応を始める空間の非特異的側面を除去する。適用可能なプラットホーム基盤およびプローブに官能化された基と共に、このアドレスの近接度は、液相バルクのスケール合成とカップリングベースのアセンブリにさらに必要な直交保護のニーズをなくす。
【００１７】
アプリケーションＣ：界面合成およびテンプレート合成産業に関しては、現在「高密度アドレス可能アレイ（ｈｉｇｈ  ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ  ａｒｒａｙｓ）」が存在し、これが本書で記載される技術の正確性と規則性を示すことは知られていない。現在適用されるテンプレート合成ではこの組立作業書がなく、かつ安定した界面条件でそのアプリケーションがないことが、液相中の合成の必要性のため−製造することができる生成物の形態を著しく制限し、現行の技術が付加的な脱ハイブリダイゼーションと再プローブについてテンプレートの再利用性を維持する手法で反応基からポリ核酸塩基成分を隔離することができないため−保証することができる反応の範囲も著しく制限する。
【００１８】
アプリケーションＤ：触媒を必要とする産業に関しては、超高密度であり、幾何学的に正確なアドレス可能アセンブリの潜在的な利点は、以下および続く文書に含むされるだろう。
【００１９】
本発明の例示的な実施：アドレス可能アセンブリの目的、設計、製造およびリソグラフィは、本書で記載される。前述された依存技術：ハード（ビーム）リソグラフィとソフト（ポリマ）リソグラフィ、ハイブリダイゼーション溶液、レセプタ−リガンド生化学、物理学的（電磁気、慣性および液体ガス界面）処理および摩擦学的（ＩＥＳ：固体−液体界面、静電気的および溶媒化）処理は、例示として含まれる。アドレス可能アセンブリの設計を助け、最適化するコンピュータベースのプログラムおよびアルゴリズムなどの他の依存技術と、品質決定のための原子間力、走査型または透過型電子顕微鏡（ＡＦＭ、ＳＥＭおよびＴＥＭのそれぞれ）の必要性は、本記載では暗黙的である。
【００２０】
目的−不変テンプレートの生成：この実施例では、ポリ核酸塩基の配列とパターンによるプラットホームの縮小製造、および３Ｄ形状の複製に適切なテンプレートが生成されることが望まれる。テンプレートは、多くの（例えば数十億の）同一の凸面の延長部のアレイであり、その長軸に沿って切除された円筒の一般化された形状をそれぞれ有し、長さ約１５０ｎｍ、幅３０ｎｍおよび高さ１５ｎｍの寸法を持つ。各ユニット形状は、以下の方法でアドレス可能アセンブリの「水かき（ｗｅｂｂｉｎｇ）」で覆われることが望ましい：（１）テンプレートユニットの使用可能な表面積を最大化する、すなわち、半円筒の表面積の大部分に沿ってアドレス部位を最大化し、（２）表面官能基化、ポリ核酸塩基骨格修飾および溶媒化処理により−テンプレートユニットへアセンブリをリトグラフし、（３）相補的パターン複製を保証する機能を維持する、すなわち、アセンブリがリトグラフされて「骨格側を下げ（ｂａｃｋｂｏｎｅ  ｓｉｄｅ  ｄｏｗｎ）」かつ「塩基が上方へ向かう（ｂａｓｅｓ  ｐｏｉｎｔｉｎｇ  ｕｐｗａｒｄｓ）」。
【００２１】
テンプレートは十分弾力性があり、一定の縮尺に製造する優れたスタンピングベースのプラットホームに抵抗するのを保証するため、材料は１０ｎｍのチタンと５ｎｍの金を蒸着されたＳｉ（１００）とすることができ、−これは高さ方向の大部分を占めるであろう。テンプレートアレイは、双方の軸上５０ｎｍ毎に１５０×３０×１５ｎｍの円筒形状でリトグラフされて、生産性を最大化すべきである。次いで１００ｃｍ２のテンプレートアレイは、プラットホームスタンピングのバッチ当たり約１マイクロモルの生産能力を示さなければならない。
【００２２】
図４は、完成したテンプレート：四角形のハッチングパターンから破線のアドレスの概略図である。凸面テンプレートユニットの等高線図は、ハードキャストシリコンから製造され、チオアート骨格の２５量体オリゴＤＮＡ（赤および緑）を受け取るよう［Ｔｉ］サポート［Ａｕ］でコートされた。ｓｓＤＮＡは、マスタアセンブリによるハイブリダイゼーションによりテンプレートユニットについて配置された。
【００２３】
図２のように、四角形のハッチングパターンで製造されたアドレス可能アセンブリを用いる場合、約１２．５ｎｍの間隔を置いた１２．５ｎｍの長い２５量体アドレスが５０ｎｍにつき４アドレスを表し、１５０ｎｍの長い延長部または１つの軸上の封入体で１２アドレスを表す。３０ｎｍの直径の半円が約４アドレスを受け入れることができるようにその外周部付近をリトグラフされた。したがって簡単なテンプレートユニット上のアドレスの総数は、ハイブリダイゼーションを適用可能な約５０部位である。
【００２４】
プラットホーム製造に関しては、テンプレートにリトグラフされたホスホロチオエート骨格ｓｓＤＮＡｓに相補的なポリ核酸塩基は、ソフトキャストポリマに移され、圧痕と、凹形状を形成する簡略キャスティングと、テンプレートＤＮＡからプラットホームアドレスを切り離す加熱と、テンプレートアレイの除去と、プラットホームのハードキャスティングとによってインプリントされる。
【００２５】
設計−テンプレートのアドレス可能アセンブリ：安定した四角形のハッチングパターンのアセンブリは、半円筒周りに従うよう設計され、異なる溶媒化条件により静電気による位置決めと最終的な共有結合媒介リソグラフィのため固着点が局在化され、配向される。リトグラフされた生産物が概略的に後述される。
【００２６】
図５は、設計：四角形のハッチングパターンと破線のアドレスの概略図である。上部には、テンプレートユニット−凸面の半円筒上に設けられた例示的で、簡単なアセンブリ（短縮した）が示されている。予め作成されたアセンブリ、ハイブリダイズおよびハイブリダイズされてない領域の組み合わせは、テンプレートユニットの製造形状に３Ｄで一致するよう設計される。アセンブリの端部（図示せず）はオリゴマーで密閉され、形状の完全性の喪失を防止し、かつ構造に弾力性を加える。１つの中心束の５’終端（紺色）と、その相補の３’終端（水色）は、１０ｎｍのストレプトアビジンビーズ（からし色）を付着するためにビオチン化される。下部には、リトグラフされたアドレス部位（赤および緑）を有する完成したプラットホームの平面図が示されている。リトグラフされたビオチンまたは堆積されたビオチンの固着点の前の位置は、プラットホームユニットの輪郭に対する基準のために設けられる。各２５量体のアドレス可能部位の位置は、テンプレートまわりのアセンブリ上のハイブリダイズされてない部位に相補的である。
【００２７】
適切な形状の生成：図６乃至図１５は、ナノメートル＆ミクロンスケールで形状を生成する１つの方法を示しており、それはｓｓＤＮＡラインまたはｄｓＤＮＡウィーブで活性化することができ、様々な分子構造を作成する。図示される処理は結合基板として金を示しているが、ポリマまたは他の材料などの他の基板も可能である。この実施例は、構造形状でも材料でも限定されるよう意図されておらず、単に実施例として用いられる。当業者は、図示する処理の変形例を認識するであろう。
【００２８】
図６は、レベル１のフォトマスクを示す図である。フォトマスクは、実施例として、約３００ｎｍ離れた約１２０ｎｍの幅のラインを含むことができる。このラインはマスクの１寸法を覆うよう延在することができ、ライン／分離パターンがマスクの別の寸法を覆うよう繰り返される。
【００２９】
図７は、レベル２のフォトマスクを示す図である。フォトマスクは、実施例として、２００ｎｍの長さで約１４０ｎｍの幅の要素のグリッドを含むことができ、幅の寸法に沿って２８０ｎｍ離れ、長さの寸法に沿って２００ｎｍ離れている。パターンはマスクを埋めるよう繰り返すことができる。レベル２のフォトマスクは、レベル２のフォトマスクの要素がレベル１のフォトマスクのラインと実質的に整列するよう設計することができる。
【００３０】
図８は、レベル１のフォトマスクで露光した後のコートされた基板を示す図である。基板、例えばシリコン基板は感光材料で被覆することができ、次いでコートされた基板はレベル１のフォトマスクを通る光に晒される。露光領域の除去後、基板はレベル１のフォトマスクに実質的に対応するコーティングが残る。
【００３１】
図９は、等方性エッチングなどによるエッチング後の同じ基板を示す。レベル１のフォトマスクによりマスクされた領域は感光材料により保護され、他の領域は基板の生地より下までエッチングされている。
【００３２】
図１０は、残りの感光材料を除去した後の同じ基板を示す図である。基板は、当初の基板表面と実質的に同じであるレベル１のフォトマスクのラインに実質的に対応する領域を有する。基板は、当初の基板表面より下までエッチングされたレベル１のフォトマスクの分離スペースに実質的に対応する領域を有する。
【００３３】
図１１は、レベル２のフォトマスクを用いた処理後の同じ基材を示す図である。基板は感光材料で被覆することができ、次いでコートされた基板はレベル２のフォトマスクを通る光に晒される。露光領域の除去後、基板はレベル２のフォトマスクに実質的に対応するコーティングが残る。レベル１とレベル２のフォトマスクは対応する形状を有するので、当初の基板表面より下までエッチングされた領域はレベル２のフォトマスクで処理した後に露光されて残すことができる。
【００３４】
図１２は、別のコーティングを塗布した後の同じ基板を示し、例えば５ｎｍのＴｉと１５ｎｍのＡｕを含むコーティングの堆積を示す図である。コーティングは露光面に付着し、これは残りの感光材料、当初の基板表面より下までエッチングされた領域、およびレベル２のフォトマスクによって露光されて残った当初の基板表面の部分に対応する。
【００３５】
図１３は、感光材料の除去後の同じ基材を示す図である。感光材料により覆われた領域は金属コーティングを有しないが、そのように覆われなかった領域は金属コーティングを有している。
【００３６】
図１４は上記処理後の基板の平面図であり、図１５は三次元図である。基板は、図１２および図１３に関して論じられた処理後に被覆されて残ったその領域を除いて金属コーティングがない。従って金属を被覆された領域は、制御可能な要素間の間隔（この実施例では、一貫したサイズ間隔）で、制御可能なサイズの要素（この実施例では、一貫したサイズの要素）のグリッドを形成する。
【００３７】
記載されたようなフォトマスクは、この分野で既知の技術を用いて実現することができる。例えば、この技術は一般に半導体素子の製造に用いられている。感光材料はこの分野で既知であり、例えばフォトレジストは半導体素子の製造でパターン形成するのに日常的に用いられている。フォトマスクと感光材料を用いる基板処理およびコーティング処理は、半導体素子の製造で一般に用いられている。電子ビームパターニング、集束イオンビームリソグラフィ、Ｘ線リソグラフィおよび分子インプリンティング法などの他の加工技術もフォトリソグラフィの代わりに用いて所望の形状を生成することができる。
【００３８】
形成されたプラットホームに直接取り付けられる自己集合アドレス：本発明はさらに、触媒と他の有用なナノスケール生成物を構成するために、ポリマを含む核酸塩基の三次元アセンブリ（３Ｄアドレス可能なアセンブリまたは３ＤＡＡという）と、固体またはコロイド相基盤内へのそれらの組み込みの製造方法を含む。３ＤＡＡｓの設計、組み立ておよび製造の簡易化が特に強調されたく、一本鎖次元的構築（ＳＳＤＣ）に基づいた不均一触媒の構築のステップ数は、上記で参照された出願の幾つかに記載されているように、大幅に低下し技術的に簡易化されている。本書で強調される特定の改良は、３ＤＡＡの形状と構造を安定させる規定された方法であり、基盤または構造の骨組みとして働く固体相または安定キャスト相が、反応生成物の幾何学的な完全性と触媒活性に著しく寄与する。
【００３９】
この方法に従う製造の全般的な概要は、以下のステップにより一般化することができる：
Ｉ．一本鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）の前もってハイブリダイズされていないポリマと共重合体、ペプチド核酸（ＰＮＡ）または他のポリ核酸塩基は、コンピューター支援による配列設計と構造予測を用いて合成され、意図した三次元（３Ｄ）構造内に自己集合することができる。
ＩＩ．一般に固体相の凹面の凹みまたはＶ字溝は一定の縮尺で製造され、３ＤＡＡに受容的な位置の数は取り付けを意図した構造のものと一致する。実施例の製造技術は、業界標準のソフトリソグラフィプロセス、業界標準の半導体エッチング処理、およびＶ字溝の凹形状、一般に凸形状がテンプレートとして用いられるハードキャストスタンプによる他の技術を含む。
ＩＩＩ．自己集合したｓｓＤＮＡとＰＮＡは、現在基盤として働く前記ソフトキャストポリマの凹みのアレイと特異的に相互作用し、適合し、安定した静電気結合または共有結合を形成する位置と出くわし、発達することが可能となる。ポリマの３Ｄで得られるハイブリダイゼーションと、基盤形状の貢献的な共存性とがＳＳＤＣ触媒を規定する。
【００４０】
上記で参照された出願で言及されるように、３ＤＡＡの目的、設計、製造およびリソグラフィは幾つかの技術のアプリケーションに依存する場合がある。本発明は、依存の数と程度を減少することができるが、なおハード（ビーム）リソグラフィとソフト（ポリマ）リソグラフィ、バルク溶液条件、物理学的（電磁気、慣性および液体ガス界面）処理および摩擦学的（ＩＥＳ：固体−液体界面、静電気および溶媒化）処理を含む。アドレス可能アセンブリの設計を助け、最適化するコンピュータベースのプログラムおよびアルゴリズムなどの他の技術と、品質決定のための原子間力、走査型または透過型電子顕微鏡（ＡＦＭ、ＳＥＭおよびＴＥＭのそれぞれ）からの恩恵とは、前述したように暗黙的である。
【００４１】
本発明は、ｓｓＤＮＡ−ＰＮＡオリゴマーのハイブリダイゼーションベースの自己集合のアプリケーションを可能とし、それは生理学的条件で三次元的に安定し、幾何学的に正確なパターンを生成し、それはアセンブリ外周および焦点または中心へ内側に向かうほぼ半径方向に直交する骨格を官能化されたＰＮＡ部分を取り扱う。この３ＤＡＡは、以下の本書で記載される更なる開示により、当該分野のコンピュータソフトウェアの助けを借りて予想通りかつ正確に設計することができる：（ｉ）三次元の物理化学官能基の配向の改善した精度、（ｉｉ）上述したように配向された非螺旋状（「はしご」（ｌａｄｄｅｒ））構造で共重合したＰＮＡの組み込み、および（ｉｉｉ）目的のＶ字溝または凹みに３ＤＡＡ構造の配置を促進するＩＥＳ因子の組み込み。
【００４２】
ＳＳＤＣ触媒の製造は、以下の技法の並列かつ反復的な適用によってコスト的に効果的で、高速で、正確な方法で達成することができる。これらの技術は通常一時的に取り上げられるが、必ずしも完全に依存せず、整っていない。
【００４３】
構造的および動的な触媒のモデリング：第１に、関心の酵素または触媒経路は以下に基づいてモデル化される：（ｉ）触媒反応および他の重要なアミノ酸残基の位置と動特性に関する構造生物学と、（ｉｉ）遷移状態、電子輸送ベクタ、動的なレドックス状態、超安定媒介物、一時的および永久的な結合形成と分裂が優れている触媒プロファイル。次いでこの情報は、ＳＳＤＣについて開発された３Ｄポリ核酸塩基構成に変換され、活性化されたプローブハイブリダイゼーション、リンカの種類と配向、プローブ骨格および直交する物理化学官能基のアドレスのセットを規定する。
【００４４】
図１６は、不均一触媒作用のＳＳＤＣ戦略、二次元の実施例である。直交する化学官能基は、αキモトリプシン酵素の模倣（ｍｉｍｅｔｉｚａｔｉｏｎ）に必要である。ＳＥＲ（左上）とＨＩＳ（左下）は、ステロールベースのリンカを介してＰＮＡセグメントアドレスのアミド骨格に付着されている。触媒基がない残留物はさらにステロールリンカを有し−ヴァンデウォール相互作用により積み重ね構造をもたらし、触媒基の方向性の配列を改善する。暗に示す流体静力学層（黄色）とカチオン表面（紫色）は、燐酸ジエステル骨格アドレスのポリ核酸塩基（図示されるようにＤＮＡ）の静電気取り付け用の硬化したソフトキャストポリマ表面（緑色）のまわりに存在する。
【００４５】
触媒の封入の材料設計および製造：触媒に応じて決定される化学官能基（模倣を行う場合、アミノ酸の直交塩基）の３Ｄ空間の位置は、上記モデリングによって規定されるように、化学官能基の（ラジアル軸および縦軸上の）構造の一般に円錐形および楕円形の範囲を管理するアドレス特異的プローブとリンカ分子により座標位置を与えられる。次いで一般に凹形状は、高密度アドレス可能ポリ核酸塩基アレイを局在化するための基盤として規定され、触媒機能を成功裏に局在化し配向する。封入体はＤＮＡアセンブリのサイズと形状に近似しており、表面修飾、官能基化、リンカ分子および封入体のＶ字溝内に３ＤＡＡの固着、配置および取り付けを容易にする他の因子と適合する。
【００４６】
図１７は、単純な分解酵素の触媒部位の形状近似物を示している。Ａ．セルロリティカス・エンドグルカナーゼ１の結合部位、遷移部位、安定部位および解放部位の近似寸法の半円筒の凹み。半径設計は、ｓｓＤＮＡおよびＰＮＡのリソグラフィと、中心軸にほぼ向いた触媒基の指向性配向を組み込むことを意味し、位置決めする活性部位を模倣する。
【００４７】
アドレス可能で、幾何学的に規則的な、ポリ核酸塩基アセンブリの設計：設計の基礎としての形状と共に、流体力学的な力と、界面上の大量輸送と、触媒にさらに重要な触媒設計領域外の他の因子とを考慮して、実際のＳＳＤＣのＶ字溝を設計することができ、最終生成物のプラットホーム形状が物理化学官能基を取り扱う最小限の複雑さで触媒として動作するよう最適化される。幾何学的な反復パターンは以下の双方について利用することができる：（ｉ）３ＤＡＡ設計および製造、これはアドレス位置を予測可能なアプリケーションにより動的な触媒のコンピュータモデリングを明確にし、（ｉｉ）３ＤＡＡの向上した構造上の強靭性、これはアドレス位置と配向を保護し、固体相またはコロイド相の基盤に対するアセンブリの取り付けを促進する。
【００４８】
さらに、折り畳み、強化のため設計されるポリ核酸塩基のサブアセンブリと、アセンブリの他の２Ｄおよび３Ｄ立体構造の決定は、共有結合または非共有結合により合成し統合することができる。このサブアセンブリは、終端ユニットおよび介在ユニットを含むことができ、これは曲げ、折り畳み、補強し、さもなければ意図した触媒モデルと製造された封入体に適合する形状へ通常平らなアドレス可能アセンブリを適合する。
【００４９】
図１８は、触媒作用の一般的なＶ字溝の形状近似物の変化を示す。リンカおよびＰＮＡベースの物理化学官能基は、ほぼ円筒状のＶ字溝を決定する。傾斜した端部は、Ｖ字溝部位内へ可溶基材（例えば小さなペプチドと多糖類）の大量輸送を強化し、Ｖ字溝部位外へ最終生成物の大量輸送を強化する。半球端壁（傾斜した）と、中心に設けられ、取り外し可能な必須の半球補強材（平面に垂直、図示せず）は青である。亀甲模様（黄色）は正確な縮尺ではない。
【００５０】
ソフトリソグラフィに基づく大量生産のテンプレート設計：ハードキャストされ、金属で被覆された形状で、凸面であり、触媒反応のＶ字溝のものに陰性な基盤は、（実施例として）集束イオンビーム（ＦＩＢ）、フォト／電子ビームリソグラフィ、ハードキャストリソグラフィプロセスまたはレーザアブレーションによって製造することができる。これはテンプレート、金型またはスタンプとして用いることができ、受容的なソフトキャストポリマまたは他の物質上へ凹形状を反復生成し、それは最終的なハードキャスティングに際して、基盤または封入体を形成するであろう。
【００５１】
ソフトキャストポリマのスタンピング中およびその後のポリマ動力学を考慮して、ＩＥＳ因子、例えば潤滑性、摩擦性を強化するためにテンプレートに溝を彫ったり、織り込んだり、さもなければ表面修飾することができ、これは、封入体のソフトリソグラフィベースの生成を最適化する。封入体の有効でコスト的に効果的な製造は、高速で均一な生産を必要とし、損傷なく、または金型もしくは生成物の形状完全性を失わず一定の縮尺の繰り返しで意図した形状を生成する。
【００５２】
図１９は、一般的なＶ字溝基盤のソフトリソグラフィのスタンプ設計を示す。左側には、図１８に記載された触媒反応Ｖ字溝のネガで逆配向の画像が示されている。これは、テンプレート金型のユニット設計の開始点として役立つ。右側には、ソフトリソグラフィを介してＶ字溝を生成するためのテンプレートユニットの両端部の斜視図が示されている。開始材料は一般にシリコン誘導体（例えばＳｉ（１００））であり、（ｘ、ｙ）軸の双方に約１５０ｎｍ離れた「角のある端部のクォンセット（ａｎｇｌｅｄ  ｅｎｄ  ｑｕｏｎｓｅｔ  ｈｕｔ）」形状のアレイが、ＦＩＢ、フォトリソグラフィまたはより高度な方法により製造される。ラインは輪郭を示し、潤滑「溝（ｇｒｏｏｖｅｓ）」を示してもよく、これは摩擦管理を強化し、生成物の反復生成を容易にする。
【００５３】
大量生産用のテンプレートアレイの製造：複数のスタンプ、またはテンプレートアレイは、ソフトリソグラフィの複数のラウンドで準備することができる。これは、テンプレートユニットの配置や形状に悪影響を及ぼさず、所望の潤滑剤の選択に適合するスタンピング金属（例えばチタン）の薄いが弾力性のある物理的な蒸着層の適用に関係する場合がある。後者は封入体生成物として意図した高分子材料に依存する場合がある。前述したように、直流電流の影響を生成する支持用の金属裏打ち（例えばアルミニウム）は、導電性接着剤（例えば黒鉛炭素をドープしたポリアクリレート）を介して適用される。テンプレートアセンブリは、ローラ、スタンプおよびピール、薄膜化、多層アセンブリ、またはスピンコーターなどの製造工程に組み込みことができる。
【００５４】
図２０は、ソフトリソグラフィのスタンプ（テンプレートアレイ）製造と準備を示す。左側には、シリコン（ｆｕｓｃｉａ）上のリソグラフィで規定された触媒反応のＶ字溝の延在する凹形状が示されている。中央には、個々のユニット形状が示されている。導電性接着剤（オリーブ色）の層はテンプレートの底部に適用される。右側には、接着剤を介してテンプレートに取り付けられた［Ａｌ］板（水色）と、スタンピング表面上の約１０ｎｍの［Ｔｉ］のＰＶＤに晒されたアセンブリとが示されている。ＰＶＤからの残留物質である「金属化口縁（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｌｉｐ）」により、圧痕成形と圧力印加（図２１にさらに規定される）の限界を推測し規定する。
【００５５】
生産力のあるソフトリソグラフィの実行：低揮発性で、表面張力の強い溶媒の薄層をソフトキャストポリマまたはテンプレートおよびスタンピングによって形成された形状に適用することができる。溶媒は、（１）金属とポリマの相互作用の動的摩擦を制御する潤滑剤として、（２）（ｉ）スタンピングの力を受け取って送り、（ｉｉ）テンプレートとの直接接触からポリマを絶縁し、（ｉｉｉ）ポリマ内に沈むテンプレート全表面の誘発力を平衡に保つ、非圧縮性の薄膜層として機能する。これらの因子は、反復する正確な形状の複製に寄与し、テンプレートと生成物の双方に対する損傷を最小化する。ソフトリソグラフィと薄膜製造（例えばＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ、多層静電気、物理化学自己集合等）の現行分野の手法は、この目的のために実行されることを示唆されている。
【００５６】
図２１は、ソフトリソグラフィによるプラットホーム製造を示している。左側には、前に記載されたＩ．Ｌ．（圧痕限界）、Ａ．Ｄ．（適用距離）としてテンプレートとプラットホームのコンポーネントが示されている。中央には、最大圧縮点の潤滑層と動的ポリマの圧縮限界の形状が示されている（見やすいようにテンプレートが取り除かれているが、存在が暗に示されている）。流体静力学的熱圧縮の限界が示されている（桜色）。右側には、テンプレートにより規定された圧縮限界を越えるキャスティング後の弛緩作用（緑色の曲線）によるポリマ形状の収縮変化が示されている。
【００５７】
アドレス可能ポリ核酸塩基構造のハイブリダイゼーションベースのアセンブリ：前述されるように、触媒に寄与するプローブのアドレッシングのためのポリ核酸塩基部位は、幾何学的な方法で製造することができる。ＤＮＡウィービング、折り紙および自己集合した足場（Ｓｃａｆｆｏｌｄｓ）などの現行分野の方法は、３ＤＡＡを構成するのに用いることができ、当業者の知識がこれらの技術を記載する上記参照した出願と組み合わせられる。この技術の新規で優先的な改良はハイブリダイズされたポリ核酸塩基の一般に矩形の「シート（ｓｈｅｅｔｓ）」の設計と製造であり、それはＰＮＡと、集合したＤＮＡの構造に不可欠な他の修飾された部分とを組み込む。個々のオリゴヌクレオチド鎖の配列は、ＰＮＡと他の部分が得られるアセンブリの所望の部分および優先的に規則的に繰り返す部分でアドレスされるよう設計されている。
【００５８】
図２２は、２Ｄアドレス可能なアレイのＤＮＡウィービングベースの自己集合を示す。左側には、オリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーションから構成され、規則的な六角形アレイを生成する例示的な３ＤＡＡが示されている：１００アドレスブロックの各々は２Ｄ矩形シートに織り込まれる。中央には、ハイブリダイゼーションによりアドレスブロックに織り込まれた幾何学的に反復するＰＮＡ部位の例示的パターンが示されている（色なし）。右側には、はしご（非螺旋構造）の例示的なＰＮＡ配列を示すアドレスが示されており、ＳＥＲとＨＩＳの直交塩基が３Ｄ軸中心に半径方向に向いたステロールベースのリンカによりアドレスされる（図１６を参照）。
【００５９】
幾何学的形状に一致する３ＤＡＡ構造の改良：織り込まれたか、さもなければ自己集合したポリ核酸塩基のサブアセンブリを製造することができ、これは図１７および図１８の黄色の六角形シートによって示されるメインのアドレス可能アセンブリに不可欠であり、またはそれから切断可能である。（１）直交する物理化学官能基の半径方向のアドレッシングと、（２）封入体への取り付けとの双方に適用可能な形状に２Ｄシートを適合するための例示的な戦略は、以下を含む：（ｉ）終端部または介在する中央部分の「壁（ｗａｌｌｓ）」を形成する同一または類似する幾何学パターンと、（ｉｉ）アドレス可能構造に不可欠な１またはポリ核酸塩基「補強材（ｂｒａｃｅｓ）」と、（ｉｉｉ）例えば特異的アデノシル塩基とチミジン塩基との間の（シクロブタン−ピリミジン）ダイマのソラレン媒介生成による３ＤＡＡの部分の部位特異的な「補強（ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ）」とを含む。
【００６０】
図２３は、３Ｄアドレス可能アレイのＤＮＡ形状ベースのアセンブリを示している。左側には、２Ｄシートを所望の半円筒構造：十分に織り込まれた垂直の「壁（ｗａｌｌ）」（淡緑青色）および二本鎖「補強材（ｂｒａｃｅｓ）」（青色＋黄色）に「折り畳む（ｆｏｌｄｉｎｇ）」ための例示的な選択が示されている。右側には、３ＤＡＡの形状に依存し、封入体に取り付く触媒官能基の半径方向の配向が示されている。図面は、標的部位（赤い標的）へのアドレス（緑色）とその直交官能基（無色）の「完全な（ｐｅｒｆｅｃｔ）」配向を示唆している。示唆される配向考察と共に、他のアドレス（紫色とティール色）の「不完全な（ｉｍｐｅｒｆｅｃｔ）」配向が示されている。リンカに影響する再配向考察と他の設計が示唆されている。
【００６１】
３ＤＡＡ構造の触媒官能基の設計、官能基化およびアセンブリ：ＳＳＤＣ触媒の設計の一部は、前にモデル化されたメカニズムの触媒に寄与する物理化学官能基のアドレッシングである。３Ｄ構造を容易にするサブアセンブリによって恐らくアドレス可能アセンブリの優れた製造が与えられ、直交官能基の所望の構造、アドレッシングおよび配向を維持し容易にする製造された封入体への取り付けを今後設計することができる。
【００６２】
物理化学官能基を有する個々のアドレスとアドレスブロックがモデリングによって決定された後、例えば純ＤＮＡオリゴヌクレオチドとｓｓＤＮＡおよびＰＮＡの共重合体とからなるポリ核酸塩基鎖を合成することができる。塩基組成は、所望の幾何学的パターン（例示的に記載されるように、規則的な六角形）、充填距離、弾性率および折り畳み構造に先立つ初期２Ｄ「シート（ｓｈｅｅｔ）」の外形寸法によって決定することができる。直交官能基、例えば、アドレスを規定するアミド骨格官能基化ＰＮＡ部分は、構造化ｓｓＤＮＡ要素に共重合することができ、ここで鎖の後者の部分がＰＮＡベースのアドレスの方向と配置の足場として働く。
【００６３】
図２４は、ハイブリダイズされたポリ核酸塩基ライブラリからの触媒官能基の堆積構造を示している。上部には、図１６および図２２で記載されたαキモトリプシン触媒官能基の例示的なはしご（非螺旋）構造が示されている。ステロール／アルカロイド／多環ベースのリンカ要素は、特定の残留物でＳＥＲ（水酸基）とＨＩＳ（インドール／イミダゾリック）官能基を橋渡しし、官能基の可動域を制限する疎水的相互作用により方向的な完全性に寄付する。下部には、純粋構造的（黄色）および混合構造的かつ機能的＋足場要素（青色、青＋緑を塗られている）を含む例示的なポリ核酸塩基ライブラリが示されている。
【００６４】
取り付けるアセンブリと固体相基盤の設計および官能基化：燐酸ジエステルおよびアミノ骨格にそれぞれ重点を置く、ＤＮＡおよび他のポリ核酸塩基の修飾のための当該分野の標準的な方法論が多くあり、それは立体構造の受容的および保護的な封入体への３ＤＡＡのさらに有効な固着および取り付けを促進にする。同様に、様々な表面および／または封入体官能基化の選択肢は、「単純（ｐｌａｉｎ）」（燐酸ジエステル骨格）または修飾されたＤＮＡの固着および取り付け用の材料の物理的、化学的および生化学的な修飾について存在する。
【００６５】
米国特許出願第６１／０８６，６３３号は、リトグラフされたストレプトアビジン（ＳＡ）、例えば製造された封入体上に直接固着されるリンカにより選択的に、またはリトグラフされたビオチンと１０ナノメートルスケールのＳＡビーズにより間接的に、末端でビオチン官能基化される３ＤＡＡの能力を明記している。この方法論は、適切に他のレセプタ・リガンドシステムに拡張することができ、ジゴキシゲニとその抗体（抗ＤＩＧ）、他の抗体ベースのシステム、同様にポリ−Ｌ−リジンおよび陰イオンのリガンドなどのそれほど特殊でない静電気システムを含む。したがって、本記述は３ＤＡＡ形状保護、例えば固体相へのポリ核酸塩基骨格にさらに適合する取り付けオプションを強調する。後者の概要は十分に立証されているので、最先端技術を越える改良は、既存技術と手順の特定のアプリケーションを含んでおり、それは本書および今後に記載される依存する方法論を介してＳＳＤＣ触媒の一定の縮尺の設計、改良、活性化、認定、最適化および製造を構成する。
【００６６】
３ＤＡＡを修飾するための例示的な方法論と、アドレス可能アセンブリの一部の直接および間接固着およびその全体の取り付けのための材料は、以下で記載されるものを含む。
【００６７】
１．エポキシ系ポリマへのホスホロチオエート修飾ＤＮＡアセンブリの間接取り付け：高分子材料の準安定性エポキシ基は、アルキルジアミンに凝結することができる（表面末端に硬化する）。残りの遊離アミン終端は、アミンに共有結合するためのスクシンイミド基と、メルカプト基に共有結合するためのマレイミド基とを含む二官能基の架橋剤（例えば、第６０／９１８，１４４号で記載されるようなＳＳＭＣＣ）に付着される。後者は、ｄｓＤＮＡのホスホロチオエート部分に共有結合することができる。
【００６８】
２．エポキシ系ポリマへのホスホロチオエート修飾ＤＮＡアセンブリの直接取り付け：大量の（Ｐ）−アミダイトの溶媒化、およびポリマの界面の溶媒化はアミン媒介エポキシ還元を強化し促進するよう修飾することができ、ポリマへ直接的なアセンブリ骨格の共有結合が得られる。
【００６９】
３．エポキシ系ポリマへの（Ｐ）−チオエート修飾ＤＮＡまたはスルフヒドリル基ＰＮＡアセンブリの間接取り付け：高分子材料の準安定性エポキシ基は、水酸基残留物に安定することができ、ＳＮ１型反応により第１ハロゲン化物に変換することができる。後者はアルキルジアミンに凝結することができ、これは続いてＳＳＭＣＣにより官能化されて表面マレイミド基を示す。例えば、ＰＮＡ第三アミン残留物の結晶残留物への後者の共有結合が取り付けを達成することができる。
【００７０】
４．金へのホスホロチオエート修飾ＤＮＡアセンブリの間接取り付け：純金（＞９９．９９９９７％）表面は、金に共有結合するための水硫基、マレイミド基、または他の遊離低減チオール基、およびアミン基を含む二官能基のアルカン（例えば、第６０／９１８，１４４号に記載されるようなＭＵＡＭ）に官能化することができる。金表面の硫化後、遊離アミンは遊離マレイミド基を示すＳＳＭＣＣに共有結合することができる。例えば、ｄｓＤＮＡのホスホロチオエート部分への後者の共有結合が取り付けを達成することができる。
【００７１】
５．金への（Ｐ）−チオエート修飾ＤＮＡアセンブリの直接取り付け：大量の（Ｐ）−チオエートの溶媒化、およびポリマの界面の溶媒化は得られる共有結合で金へのＤＮＡの水硫基の酸化を強化し促進するよう修飾することができる。
【００７２】
図２５は、基盤材料へのポリ核酸塩基の取り付けの例示的な方法論を示している。鎖の図柄は、ＤＮＡ−ＰＮＡアセンブリの骨格修飾残留物と高分子材料との間の複数（間接／水平）および単一（直接／垂直）共有結合がソフトリソグラフィにより生成されることを示している。選択肢４および５は、金薄膜が封入体上へＰＶＤされることを示唆する。
【００７３】
触媒強化用の材料の流動様式の設計：多くの製造の選択肢が基盤封入体の成形に適しており、この最終的な形状は、直交する物理化学官能基の位置および配向だけでなく、封入体内および封入体外への溶質（基板、中間物および生成物）の大量輸送による触媒反応の速度を決定する。上述したように、傾斜した終端は、実際のアセンブリ足場の境界層の隣（ここでは純流速＝０）の流れを促進するのに用いることができる。あるいは、サブアセンブリは完全に（任意に、受け口へ３ＤＡＡの適切な固着および取り付け後の切断可能な端部または中央部として）分配することができ、層状領域の隣接境界層に近い流れを有する連続的な溝をもたらし、ここではレイノルズ数（Ｒｅ）が非常に小さい（通常１０未満）。
【００７４】
基盤封入体の選択肢はさらに領域制限を含み、ここでは層流が混合を促進するために意図的に分離される。後者は通常本質的な触媒の流速を増加するが、次のアセンブリへの流れを遅らせる可能性により全基盤変化率を引き下げる危険性がある。図１１の右側で示唆されるように、乱流は制限領域の触媒を増加したが、さらに次の封入体への下流の流れを複雑にし、ここでは、示した溝のように、層流が初めに必要である。
【００７５】
通常、増強された流量（ＶＦＲ）は、触媒アセンブリを含む封入体内の溶解された溶質として基板物質移動の速度を増加するため触媒反応速度を増加するよう変える。この増強は、既知の設計された触媒速度、特に触媒反応プロファイルが完成するのに必要とされる有限の滞留時間（解離定数Ｋｄで規定されるように）で調整しなければならず、さもなければ過度のＶＦＲは、直交する化学官能基および／または物理化学官能基が設計どおり実行しないため触媒反応速度を減少する。しかしながら、生物酵素の大抵のＫｄの時間スケールはナノセカンドのオーダであるため、混合を最大化することが最大触媒反応速度に望まれることは一般的である。
【００７６】
境界層に直接近い流れを増強するための暗黙のトレードオフが存在する。前述されるように、「壁」、「補強材」または他のサブアセンブリは、模倣されている酵素の活性部位に似ているソフトリトグラフされた封入体に適合する形状へ２Ｄアドレス可能アセンブリを適切に折り畳む、さもなければ平らにする必要がある。例えば、連続的な溝は利用できる流れを最大化するが、触媒反応アセンブリの折り畳みに実行可能な選択肢を提示しない。織り込まれた壁はアセンブリを適合するための選択肢を提示することができるが、触媒部位内および触媒部位外への流れを遅らせるであろう。限られた数の不可欠でハイブリダイズされた「囲い（ｆｅｎｃｅ）」状のサブアセンブリで構成される支柱は、境界層近くの流れに最小の影響を与えるアセンブリ形成の選択肢を提示することにより妥協案を形成することができる。
【００７７】
図２６は、アセンブリ製造方法に応じた境界層の流れを示している。左側には、各３Ｄアセンブリを支持する基盤の連続溝（水色）、傾斜および区画された溝（紫色）、および部分的に補強された溝（赤色）の上記隣接流量の動作が推測され一般化されている。全て中心に近い流動様式は、アセンブリ設計のため層流（Ｒｅ＜１０）のままである。テキストで示されるように、連続溝はほぼ一定のＲｅを維持するが、区画された溝または補強された溝は、異なる程度に流れを遅らせる。右側には、制限する溝型の封入体内および封入体外への境界層流が示され推測されている。３ＤＡＡ（暗色で表わされた直交官能基を有する）は、溝の終端の制限領域に優先的に取り付けられ、ここでは乱流（Ｒｅ＞２５）が促進され混合と触媒活性を増強する。
【００７８】
触媒増強用の３Ｄ大量流システムの設計：多くのマイクロ乃至メートルスケールの製造の選択肢は、前の章で記載されたナノスケールの流動様式の最適化により触媒と触媒反応の回転率を強化する製造工程に完成した３ＤＡＡベースのＳＳＤＣ触媒を含めるのに適している。これらの選択肢の多くはこの分野で標準的であり、したがって本書に限られた方法のみ記載され、容積測定のバルク流を制限する領域で一般的であり、ここでは境界層の層流がサブミクロンスケールで促進される。２つの要素がこの戦略で支配する。［１］純バルク流速は、混合と処理能率を強化するために最大化され理論的に最大Ｋｄまたはそれに近い値で触媒を行う。［２］低いＲｅの境界層を促進する制限されたバルク流は、本質的な触媒に適切なＴｒを提供するために隣接層に近い物質移動速度を低下させるよう設計される。この流動様式は、制限流の空間と幾何学的形状で誘発される高いせん断力により生物酵素に破壊的であるか、さもなければ不適当であることを理解されたい。
【００７９】
一旦ＫｄとＴｒが生物条件下で処理システムで最適化されれば、温度上昇、極度のｐＨとｐｌ、より速い流速およびさらに制限形状を含む生物条件を超えるパラメータと、タンパク質ベースの酵素（例えば、重金属、イオン性液体、水性液有機溶媒の多相システム処理と乳化処理）に潜在的に傷つける非生物補助因子の存在とが、−さらに他のシステムの触媒作用を最大化すると知られており−封入体に支持された触媒アセンブリに過度に損傷することなく予想どおりに実行することができることを理解されたい。
【００８０】
先行技術と異なり、本発明は、既存技術と手順の特定のアプリケーションを提供することができ、それは本書および今後に記載されるフロージオメトリおよび素子を介してＳＳＤＣ触媒の一定の縮尺の設計、改良、活性化、認定、最適化および製造を構成する。例示的な工学方法論は任意の素子またはバルクスケールの製造を含んでおり、それは、流速、Ｒｅおよびフロープロファイルを介して３ＤＡＡアレイの触媒反応速度を最大化し、それは処理が発生する条件下で理論的な最大値のＫｄに近似する。
【００８１】
一般的な層流様式による触媒の強化に加えて、ビーズ、充填カラム内へ封入されるアセンブリのアレイを含め、処理デバイスのフィンと壁を混合することによって、制限流の幾何学的形状、回転率も増加することができる。これらの選択肢は、基板が触媒と出会い、物質移動が生じるのに利用可能な表面積を最大化することにより触媒を強化することができる。これらの選択肢は、（ｉ）全製造工程の並列部分または連続部分として別々で直列の制限流システム、（ｉｉ）特定の態様もしくは触媒反応処理の一部、またはその変形を実行する別個のユニットとして反復的または（ｉｉｉ）連続的な制限流システムに組み込むことができる。
【００８２】
図２７は、アセンブリレベルで境界層流を増強するよう設計された素子を示している。左側には、下流に流体流を追い込み、コイルと壁（双方とも暗灰色）との間の短距離の点の幾何学的形状で制限流を連続的に促進するよう大量の溝を彫られた対称波状コイルが示されている。中央には、流体流を下方へ追い込むよう螺旋状に大量の溝を彫られた非対称スクリュが示されている。半径方向の非対称は、境界層と大量の液体の縦運動と同様にねじれを促進することにより混合を強化する。右側には、標準的な直列、連続タービン型混合素子が示されている。
【００８３】
本発明は一本鎖次元的構築の方法として記載された。上記記載は本発明の原理の応用の単なる例示であり、本発明の範囲は明細書に照らして観察される特許請求の範囲により決定されることが理解されるであろう。本発明のその他の変形および変更が当業者に明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年4月13日(2011.4.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
規定された形状で構成される共有結合した生体高分子を含む生成物を生成する方法であって、当該方法が相補的一本鎖ポリ核酸塩基を表す相補的マスタ形状から前記生成物を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記生体高分子がデオキシリボ核酸、リボ核酸、およびペプチド核酸から成る群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記生成物の生成が薄膜を形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記共有結合がチオール−金の相互作用、またはアミン−求電子体のアルキル化もしくは縮合反応の１またはそれ以上を含み、前記生体高分子骨格への直接結合または二官能基のリンカ分子を介した結合の少なくとも１つを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記求電子体がエポキシ、ハロゲン化アルキル、無水物類、または結合レセプタの１またはそれ以上を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
規定された配向のアドレス指定される生体高分子を含む生成物を生成する方法であって、当該方法が相補的ポリ核酸塩基の予め編成されたパターンを含むテンプレート基盤を用いて前記生成物を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記テンプレート基盤が前記相補的ポリ核酸塩基の四角形のハッチングパターンを含み、前記生成物に破線パターンのアドレスを生成することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項５に記載の方法において、前記テンプレート基盤が前記相補的ポリ核酸塩基の六角形のパターンを含み、前記生成物にジグザグパターンのアドレスを生成することを特徴とする方法。
【請求項９】
生成品を生成する方法であって、感光性を与えられた固体基板基材に均一な凹形状構造を生成し、次いで自己集合した生体高分子パターンの結合を促進する金属蒸着を行うステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記基板基材が感光材料でコートされているシリコンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、前記基板の提供が等方性手法と保護フォトマスクを用いて基板内に均一な円筒状の溝をエッチングするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法において、金属蒸着が略５ｎｍの厚さのチタン層の堆積、略１５ｎｍの厚さの金層の堆積、次いでフォトマスクの除去を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、前記生成物が電子回路であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法において、前記生成物が酵素変換を模倣するアセンブリであり、前記アセンブリが安定性、ｐＨ、温度、および触媒を促進する既知の添加剤の存在の少なくとも１つにおいて類似する天然酵素より優れた特性を提供することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法において、前記生成物が形状のテンプレートを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法において、前記規定された形状が実質的に均一な凹形状であり、前記生成物が感光性を与えられた固体基板基材を含み、さらに自己集合した生体高分子パターンの結合を促進する金属蒸着を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、前記基板が感光材料でコートされているシリコンであることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法が、等方性手法と保護フォトマスクを用いて前記基板に均一な円筒状の溝をエッチングするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法において、金属蒸着が略５ｎｍの厚さのチタン層の堆積、次いで略１５ｎｍの厚さの金層の堆積を含み、フォトマスクの除去が続くことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１に記載の方法において、前記生成物がマイクロプロセッサを含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の方法において、前記生成物が触媒を含むことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
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