(57)【要約】  本発明は、固定化と同時に行われる、単離され、空間的に分離された試料フラグメントの増幅への生化学的又は化学的反応、並びに後の誘導体化への上記試料フラグメント及び反応産物、増幅産物の１又は複数の好適な固相上への空間配置を行う方法に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料フラグメントの増幅方法であって、下記処理工程：
ａ．  固相に微小構造を供給する工程であって、前記微小構造が、少なくとも１つ、又はいくつかの区画が形成されるように前記固相を細分化し、捕捉分子が前記固相に付着している、工程と、
ｂ．  少なくとも１つの試料フラグメントを少なくとも１つの区画に導入する工程と、
ｃ．  少なくとも１つの区画に増幅用反応混合物を導入する工程と、
ｄ．  個々の区画を分離する及び／又は被覆する工程と、
ｅ．  増幅工程であって、各試料フラグメントを対応する密閉された区画において独立に増幅する工程と、
を含み、
ｆ．  前記増幅工程によって生成された増幅産物が前記捕捉分子上に固定化されている、
試料フラグメントの増幅方法。
【請求項２】
前記増幅産物を分析し、シーケンシングし、及び／又は誘導体化する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記捕捉分子がプライマー、又は前記増幅工程に使用されるプライマーである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記増幅産物が共有結合によって前記捕捉分子上に固定化されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記区画が空洞である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記試料フラグメントの導入、及び前記反応混合物の導入が１工程で、又は前記試料フラグメントと前記反応混合物とを導入前に混合することによって行われる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記反応混合物及び／又は前記試料フラグメントが、前記固相の表面への遠心沈降、吸引、噴霧、浸漬、ディップコーティング及び／又は塗布によって前記区画に添加される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記固相の表面が、半導電性材料、非晶性材料、結晶性材料及び／又は繊維状材料で作製されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記表面が親水性領域及び／又は疎水性領域を有し、及び／又は構造化された表面として１又は複数の層において構造化されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記区画の被覆及び／又は分離が、油、電気力、相転移、不活性領域及び／又はカバーを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記捕捉分子が、スペーサー分子を有し、及び／又は１若しくは複数の末端に化学カップリング基を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記捕捉分子が、１〜１０００の長さの個別の分子を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記捕捉分子が直接的又は間接的のいずれかで前記固相上に固定化されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記カバーが捕捉分子を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記捕捉分子が、試料フラグメント及び／又は増幅産物に対する少なくとも１つの結合部位を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記捕捉分子及び／又は増幅産物が、光活性化開裂基を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記捕捉分子が、ＲＮＡポリメラーゼ又は無細胞発現系に関するプロトン結合部位を有する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記試料フラグメントが、核酸、ＤＮＡ若しくはＲＮＡ、タンパク質、抗体、合成分子、有機分子及び／又は天然物であるか、又は前記区画中に導入された細胞若しくは天然物から放出されたものである、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記試料フラグメントが、組み込まれた標識によってＤＮＡ又はＲＮＡから直接的に又は間接的に増幅される、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記試料フラグメントが、１〜１０１０の長さの個別の分子を一本鎖形態又は二本鎖形態で有して存在する、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記試料フラグメントが、一方又は両方の末端にアダプターを有し、ここで前記アダプターが１〜１０００の長さの個別の分子を含む均一な配列を有し、及び／又は異なる機能単位を有する、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記増幅工程が、ＰＣＲ、ＲＰＡ、ＲＣＡ、ＳＤＡ、ＮＡＳＢＡ又はＬＡＭＰを含む群より選択される、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記反応混合物が、反応増強成分、ＢＳＡ、Ｔｗｅｅｎ及び／又はアガロースを含む、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記増幅工程がｅｍＰＣＲではない、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法を行うデバイスであって、
ｇ）少なくとも１つ、又はいくつかの区画を有する固相であって、捕捉分子が前記固相の表面、又は前記区画に結合している、固相と、
ｈ）仕切り及び／又はカバーと、
を含む、デバイス。
【請求項２６】
捕捉分子が前記仕切り及び／又は前記カバーに結合されている、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法によって製造されるマスターアレイであって、
ｉ）少なくとも１つ、又はいくつかの区画を有する固相であって、捕捉分子が前記固相の表面、又は前記区画に結合されている、固相を含み、
ｊ）増幅反応の増幅産物及び／又は誘導体が前記捕捉分子に結合されている、
マスターアレイ。
【請求項２８】
請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法によって製造されるマスターアレイであって、仕切り及び／又はカバーを含み、捕捉分子が前記仕切り及び／又はカバーに結合しており、かつ増幅反応の増幅産物及び／又は誘導体が前記捕捉分子に結合している、マスターアレイ。
【請求項２９】
ＤＮＡマイクロアレイ、ＲＮＡマイクロアレイ又はタンパク質マイクロアレイの製造及び／又はシーケンシング反応への、請求項２７又は２８に記載のマスターアレイの使用。
【請求項３０】
別々の区画における異なる試料フラグメントの同時増幅への、請求項２７〜２９のいずれか一項に記載のマスターアレイの使用。
【請求項３１】
試料フラグメントの増幅及び／又はアレイ製造用のキットであって、
ｋ）少なくとも１つ、又はいくつかの区画を有する固相であって、捕捉分子が前記固相の表面、又は前記区画に結合している、固相と、
ｌ）仕切り及び／又はカバーと、
ｍ）少なくとも１つの反応混合物と、
を含む、キット。
【請求項３２】
捕捉分子が前記仕切り及び／又は前記カバーに結合されている、請求項３１に記載のキット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定化と同時に行われる、単離され、空間的に分離された試料フラグメントの増幅への生化学的又は化学的反応、並びに後の誘導体化への上記試料及び反応産物、増幅産物の１又は複数の好適な固相上への空間配置を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
増幅反応は、規定の出発材料、例えば、精製され、多くは断片化された形態の様々な生物学的起源のＤＮＡ又はＲＮＡのクローナルなコピー（増幅産物）の合成を指すと理解されている。増幅産物は、したがって、増幅反応の反応産物を指すことがある。水溶液からなり、油で囲まれた微小区画（Microcompartments）は、従来技術において増幅を行うために作られることが多い。このいわゆる水中油型エマルジョンは、微小区画の空間的な化学反応性の高い分離を可能とする。微小区画は、捕捉分子で覆われたマイクロビーズ、増幅ミックス及び厳密に１つの試料フラグメントを含有する。試料フラグメントの１０７個までの同一ＤＮＡコピーを一連の増幅反応により作製し、マイクロビーズの表面に結合する。増幅ミックスがＰＣＲミックス（ＰＣＲ＝ポリメラーゼ連鎖反応）である場合、この処理は油エマルジョンＰＣＲ（ｅｍＰＣＲ）として知られている（非特許文献１）。
【０００３】
エマルジョン中で酵素増幅反応を行う基本概念は、１９９８年にGriffiths及びTawfikによって最初に説明された（非特許文献２）。この概念は２００３年及び２００４年に使用され、油エマルジョン中でのＰＣＲによるＤＮＡ試料フラグメントの増幅（非特許文献３）又はマイクロビーズ上へのＤＮＡ増幅産物の同時固定化を可能とした（非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６、非特許文献７）。ここで、マイクロビーズは、通常１０ｎｍ〜１００μｍのサイズ範囲の単分散（同一サイズ）のポリマービーズを指す。好ましくは捕捉分子のみならず、増幅産物も固定化され得るように、マイクロビーズの表面は活性化されてもよい。結合された捕捉分子及び増幅産物の両方の官能性は可能な限り制限されずに維持されなければならない。
【０００４】
ＰＣＲが実際に行われた最も小さい区画化は、リポソーム（Ｖ＝３．３ａＬ）（非特許文献８）及び油中水型エマルジョン（Ｖ＝１ａＬ）（非特許文献９、非特許文献１０、非特許文献１１、非特許文献１２）中であった。しかしながら、この方法による反応区画の規定された配置を達成することは不可能である。これは、マイクロビーズの配置によって早くても反応後に成し遂げられ得る。
【０００５】
別々の工程においてマイクロビーズ全体を表面／担体材料上の規則的な配置とし得ることは、従来技術により既知である。これは、例えばマルチウェルアレイ、例えばＧＳ  ＦＬＸ、ＧＳ  ＦＬＸ  Ｔｉｔａｎｉｕｍ、ＧＳ  Ｊｕｎｉｏｒ及びＰＧＭ（ｐｅｒｓｏｎａｌ  ｇｅｎｏｍｅ  ｍａｃｈｉｎｅ）のシステムへとマイクロビーズを導入することにより、又は商業的に入手可能なシステム、例えばＳＯＬｉＤ及びＧ．００７  Ｐｏｌｏｎａｔｏｒによって平滑表面上にマイクロビーズを固定化することにより成し遂げられ得る。後の誘導体化、例えばシーケンシング反応によって、或る特定の核酸配列をマイクロビーズの各位置に割り当てることができる。
【０００６】
増幅反応のための微小区画の空間的分離は、現在は主に２つのシステムによって実行される。マイクロビーズにおける、例えば油相により個々の反応相を分離するｅｍＰＣＲにおける区画化に加えて、微小空洞における分離もまた従来技術に記載されており、例えば、個々の増幅領域は固相によって互いに分離される。
【０００７】
過去２０年の間、１．３ｐＬまでの反応容量で対応する微小区画において、微小構造化された固相、微小流体チップ（オンチップマイクロリアクター）内でＰＣＲを検討したシステムが記載されている。（非特許文献１３、非特許文献１４、非特許文献１５、非特許文献１６、非特許文献１７、非特許文献１８）。これらの区画は、区画化及びＤＮＡの増幅を可能とするが、これらの区画は個別に充填されない。したがって、同時に、異なる試料を試験して対応する試料に対応する増幅産物を割り当てることは不可能である。かかるオンチップＰＣＲは、Mitterer et al.による開示において記載されており（非特許文献１９）、ここでは固相プライマーも使用され得る。しかしながら、ここでも個別のスポットに異なる試料を適用することは不可能である。このアレイは、試料フラグメントが個々のスポットに亘って分配されるように、１つの開口を通して充填される。したがって、増幅産物とオリジナルとの間で割当てを行うことは不可能である。どの増幅産物が産生されたかを検出することが可能であるに過ぎない。
【０００８】
個々の分子の実際の操作及び分析は、個々のＤＮＡフラグメントの検出との関連の中でデジタルＰＣＲと呼ばれることが多い（非特許文献２０、非特許文献２１、非特許文献２２）。デジタルＰＣＲは、正確に１又は少数の試料フラグメントを微小区画ごとに増幅する、具体的には正確に１又は小数の異なるＤＮＡ分子を増幅するオンチップマイクロリアクターにおける特殊なケースのＰＣＲと理解される。ＤＮＡ分子が存在する場合、特異的な増幅産物が形成される。この方法は、陽性増幅反応及び／又は対応する陽性微小区画のデジタル計測の形態で個々の同一ＤＮＡ分子を検出することを可能とする。これは、増幅反応がＰＣＲに基づくことから、デジタルＰＣＲ（ｄＰＣＲ）として知られている。微小区画のアレイとしての微小構造化されたチップにおける最初のｄＰＣＴは、Matsubaraet al.によって２００４年に説明された（非特許文献２３）。更なる刊行物にマイクロリアクターにおけるｄＰＣＲが記載されている（非特許文献２４、非特許文献２５）。ｄＰＣＲにより、試料溶液中のＤＮＡ分子の数を高精度で判定することができる（非特許文献２６、非特許文献２７）。また、これは、シーケンシングにおいてＤＮＡ濃度を判定するためにも使用できる（非特許文献２８、非特許文献２９）。さらに、高並行（highly parallel）遺伝子発現を検出するため、ｄＰＣＲを使用することができる（非特許文献３０、非特許文献３１）。オンチップマイクロリアクターにおけるＰＣＲでも行われるように、個々の試料フラグメントの増幅もまたデジタルＰＣＲで行われるが、増幅産物の固定化は存在しない。また、ｄＰＣＲは時間がかかり、高い費用と関連するという不利益がある。
【０００９】
例えば今日のシーケンシング法（次世代シーケンシングシステム）が核酸配列の検出に使用される場合、試料フラグメント、例えば核酸配列の増幅について本明細書で記載される可能性は上流の反応である。かかるシーケンシング法において、増幅反応において産生された増幅産物は誘導体化される。
【００１０】
特許文献１は、ＤＮＡ分子が表面結合ＤＮＡ捕捉分子の１つの末端に共有結合的に結合される、表面上での個々のＤＮＡ分子の増幅方法を記載している。その後、ＤＮＡ分子の２つ目の末端を隣接するＤＮＡ捕捉分子に付着する。したがって、これらの反応において、個々の試料フラグメントは、局所的に増幅され、空間的に固定化される（ブリッジ増幅とも呼ばれる）。しかしながら、区画への物理的な細分化は存在せず、そのため増幅領域が互いに混ざり合う可能性があり、２つ以上の領域が重複する場合がある。したがって、増幅産物を、十分な信頼性を伴って或る特定の試料フラグメントに割り当てることができない。他の不利益は、得られた鎖及びメイティング鎖（mating strand）のみが固定化され得ることである。１つの鎖のみを結合することは不可能である。
【００１１】
特許文献２は、未知のＤＮＡ試料フラグメントの熱量測定のためのＦＥＴアレイに基づいてＤＮＡをシーケンシングする方法及びデバイスを記載している。しかしながら、この方法では、試料は実際の反応の間、互いに分離されていない。さらに、固定化は、油エマルジョンの形態においてチップの外側で行われる。したがって、そこに記載されているシステムは非常に複雑であり、試料及び増幅産物の明確な割当てができない。
【００１２】
特許文献３は、ゲル状であるか、又は微小孔により浸透される固体状マトリクス中での同時固定化を伴う個々のＤＮＡ分子の増幅方法を開示している。試料フラグメントは、互いに空間的に分離されるようにランダムな分布で堆積され、その後増幅及び固定化される。しかしながら、ここでの不利益は、増幅領域が拡大して互いに融合するため、空間的な分離が反応の間保持されないことであり、そのため後の増幅産物の明確な割当てが不可能である。
【００１３】
さらに、特許文献４は、センサーアレイを活用したＤＮＡ分子の検出方法及びデバイスを記載している。このアレイは、別々の位置に固定化された捕捉分子（バイオセンサー）を有する構造化されたマルチウェルアレイである。しかしながら、増幅反応が存在しない。
【００１４】
特許文献５は、ＤＮＡシーケンシングの方法を開示している。シーケンシングが為される試料フラグメントは、後のシーケンシング反応による増幅シグナルを得るために交互にいくつかの直線的な列に整列される。しかしながら、増幅はアレイ外の上流工程において行われる。したがって、この方法は複雑であり、誤差が生じやすい。
【００１５】
特許文献６は、ＤＮＡのシーケンシング方法を開示している。試料フラグメントは、ｅｍＰＣＲによって増幅され、ここでは増幅産物は増幅されてマイクロビーズ上に固定化される。しかしながら、いくつかの個別の試料を並行して、及び互いに分離して増幅することはできない。その他の不利益は、後の分析を実施することができるアレイが何ら作製されていないことである。
【００１６】
従来技術に記載されるこの方法の１つの不利益は、主に、相互の関係において微小区画の空間的に規定された配置が存在しないことである。マイクロビーズを相互に関連して規定される配置にすることにより、別々の工程がこれに必要となる。或いは、微小区画の空間的に規定された配置が可能であるが、増幅産物の固定化は存在しない。市販のシステムは、例えばマスターアレイが製造され得るように修飾を許容しない。
【００１７】
特許文献７は、シーケンシング反応の要塞（redoubt：読み取り）に注目したＤＮＡをシーケンシングする方法であって、試料フラグメントが移動相に結合される、方法を記載している。異なる試料が適用され得る区画が何ら提供されていないことから、この従来技術は十分ではない。また、増幅は上流で実施されなければならず、より一層時間がかかり、高価なものとなっている。
【００１８】
特許文献８は、ＤＮＡシーケンシングのためのマイクロビーズ上への同時固定化を伴うＤＮＡクローンの合成用ｅｍＰＣＲのための方法を記載している。ここでも、複数の試料を並べて適用することが不可能である。
【００１９】
特許文献９は、核酸の存在下でプライマーを伸ばし、該プライマーが中間セクションを有する、異なる核酸の並列検出のための方法を記載している。この中間セクションは、その他のプライマー対によって増幅され、ハイブリダイゼーションによってプローブを用いて検出される。しかしながら、同時に増幅及び分析され得るＤＮＡフラグメントの数は制限される。特に、試料核酸及び得られた増幅産物間での明確な割当てを確立することは不可能である。或る特定の増幅産物が形成されたことを検出できるに過ぎない。
【００２０】
特許文献１０は、増幅産物の検出を可能とする増幅方法を記載している。増幅産物は捕捉分子に結合されるが、これは共有結合ではなく、そのため結合は或る特定の温度でのみ起こり、持続的に存続しない。したがって、或る特定の産物が形成されたことを検出できるに過ぎない。また、検出の後、増幅産物は溶液に戻されており、その後の分析に利用可能ではない。したがって、いかなるアレイも確立され得ない。さらに、いくつかの出発分子を使用する場合、産物及び出発分子間の明確な割当ては不可能である。
【００２１】
Mikhailovich et al.（非特許文献３２）による開示より、捕捉分子は、ゲル中に固定化され得ることが知られている。しかしながら、ここでも当初は増幅産物が溶液中に遊離しておらず、空間的に離れた捕捉分子へと拡散する可能性があることから、増幅産物及び対応する試料の明確な割当ては不可能である。
【００２２】
従来技術に記載される次世代のシーケンシングシステムは、数多くの不利益を有している。第１にこれらのシステムは、実際のシーケンシングプロセスの前に試料フラグメントの増幅を必要とし、第２にシーケンシング反応の分離したシグナルを得るため増幅産物の空間的固定を必要とする。個々の試料フラグメントの区画化及び増幅は、最初の分離工程においてｅｍＰＣＲによって達成される。表面上へのマイクロビーズの空間的固定によって、増幅産物の固相上での規則的な配置が２つ目の別個の工程において達成される。ｅｍＰＣＲプロセスは非常に複雑であり、試料フラグメントの喪失を伴う。これにより、特に各試料フラグメントの少数の同一コピーしか含有しない試料フラグメント混合物（重複性の低い試料）の分析は確実に制限される。具体的には、これは単一細胞分析に当てはまる。ＧＳ  ＦＬＸ、ＧＳ  ＦＬＸ  Ｔｉｔａｎｉｕｍ、ＧＳ  Ｊｕｎｉｏｒ、ＳＯＬｉＤ、ＰＧＭ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｇｅｎｏｍｅ  Ｍａｃｈｉｎｅ）及びＧ．００７  Ｐｏｌｏｎａｔｏｒ等の市販のシステムにおいて、試料フラグメントの増幅産物はｅｍＰＣＲによって合成され、このプロセスにおいて、ビーズ（マイクロビーズ）の表面上に固定化される（A. Griffiths and D. Tawfik、特許文献１１）。次に、表面上の規則的な配列における様々なメカニズムによるシーケンシングのため精製されたビーズを表面に固定する。ｅｍＰＣＲの実施には不利益が存在し、そのいくつかは何よりもＤＮＡビーズ（試料フラグメントの固定化用捕捉ビーズ）、磁性ビーズ（ｅｍＰＣＲ後の精製に必要な濃縮ビーズ）及び化学薬品（洗浄剤、緩衝液、エマルジョン油、ｅｍＰＣＲ試薬）の費用によるものである。第２に、上記ビーズを取り扱うために特殊な実験装置が必要である。かかる機器は、ｅｍＰＣＲ後に精製されたビーズを定量化するための粒子カウンター／カウンターシステムを含む。ｅｍＰＣＲプロセスを実施する時間は１１時間〜１３時間であり、これは既知のシステムの不利益である。ｅｍＰＣＲプロセスの１つの明白な不利益は、試料フラグメントの長さに依存する増幅及び固定化効率である。試料フラグメントが長ければ長いほど、ＰＣＲの個々の温度工程に対して設定される保持時間を長くしなければならない。結果として、個々の油滴の融合の可能性は、特に９５℃付近の高温において大きく増加する。しかしながら、液滴の融解は区画化を消失させ、それにより少なくとも２つの試料フラグメントが組み合わされることから、「純粋な」試料フラグメントの喪失をもたらす。結果的に非常に少数の純粋な増幅産物マイクロビーズが、上記プロセスの終了後に利用可能であるに過ぎない。したがって、およそ５００塩基対の長さが現在のＤＮＡの限界である。
【００２３】
ブリッジ増幅を使用するシーケンシングシステムにおいては、増幅が捕捉分子によって覆われた表面に対して直接的に行われるためｅｍＰＣＲを必要としない。このシステムの不利益は、個々の増幅産物領域が成長することができ、したがって互いに成長し得ることである。したがって、完全な区画化は保証されない。さらに、その他の不利益は、センス及びアンチセンスＤＮＡ鎖の両方が、ブリッジ増幅において表面上に固定化されることである。これにより、２つのＤＮＡ鎖の混合物を生じる。
【００２４】
デジタルＰＣＲ用のシステムにおいて、試料フラグメントの空間的な区画化は、微小流体システムによる増幅産物の増幅後にも達成される。一般的に、単一の試料フラグメントのみ、又はごくわずかな試料フラグメントが増幅産物の固定化を受け、その同時に行われる空間的に規定された配置はデジタルＰＣＲに関して記載されていない。
【００２５】
さらに、上記区画が互いに不十分に密閉されているに過ぎないため、従来技術に開示されている方法及びシステムにおいてはコンタミネーションを起こすことが多い。さらに、開示されているシステムを大規模な製造方法によって提供することができず、さらに、他の生体分子と適合しない。これらのシステムの使用は、もっぱらＤＮＡにのみ限定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
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【特許文献２】国際公開第２００９／０１２７５８９号
【特許文献３】米国特許第６，００１，５６８号
【特許文献４】米国特許第６，４８２，５９３号
【特許文献５】米国特許第７，２４４，５５９号
【特許文献６】米国特許第７，３２３，３０５号
【特許文献７】米国特許第７，３３５，７６２号
【特許文献８】米国特許第７，６３８，２７６号
【特許文献９】国際公開第２００４／０４４２４０号
【特許文献１０】国際公開第２００９／１５６９１５号
【特許文献１１】米国特許第７，６３８，２７６号
【非特許文献】
【００２７】
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【非特許文献３２】"Identificationof Rifampin-Resistant Mycobacterium Tuberculosis Strains by Hybridization, PCR,and Ligase Detection Reaction on Oligonucleotide Microchips" J. of Clinic.Microbiology, 2001, pp.2531-2540
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
したがって、本発明の目的は、従来技術の不利益及び欠点を有さない新たな増幅方法を作リ出すことである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記目的は、独立項によって達成される。有利な実施の形態は、従属項より得られる。
【００３０】
試料フラグメントの増幅方法であって、下記処理工程：
ａ．  固相に微小構造を供給する工程であって、上記微小構造が、少なくとも１つ、好ましくはいくつかの区画が形成されるように固相を細分化し、捕捉分子が上記固相に付着している、工程と、
ｂ．  少なくとも１つの試料フラグメントを少なくとも１つの区画に導入する工程と、
ｃ．  少なくとも１つの区画に増幅用反応混合物を導入する工程と、
ｄ．  個々の区画を分離する及び／又は被覆する工程と、
ｅ．  増幅工程であって、各試料フラグメントを対応する密閉された区画において独立に増幅する工程と、
を含み、
ｆ．  上記増幅工程によって生成された増幅産物が上記捕捉分子上に固定化されている、
試料フラグメントの増幅方法。
【００３１】
本発明による方法は、個々の試料フラグメントの増幅が増幅産物の固定化と同時に行われることから、従来技術と比べて有利である。これは、固相上の捕捉分子の規則的な配置を通して起こり、したがって、ｅｍＰＣＲを回避することを可能とし、例えば、試料フラグメントの空間的に分離した増幅及び配置を直接的に達成する。断片化された試料を微小構造化された固相へと導入する。本発明の意味において、微小構造化及び／又は微小構造は、具体的には、ナノメートル範囲又はマイクロメートル範囲での固相表面の構造化を指す。本発明の意味において、固相は、具体的には増幅反応がその中又はその上で行われる固体担体を指す。
【００３２】
好ましくは、固相は少なくとも１つの区画を有する。上記区画は、本発明の意味においてマイクロメートル範囲の区画である微小区画として設計されることが好ましい。好ましくは、固相は複数の微小区画を有し、複数の微小区画は各々、厳密に１種類の試料フラグメントを含有することが好ましい。換言すれば、試料のフラグメントは、固相、具体的には区画が多数の同一又は異なる試料のフラグメントを含有し得るように区画中に含有されることが好ましい。
【００３３】
捕捉分子は、固相の微小構造化された表面に結合される。上記表面は、更なる分子、具体的には増幅産物も結合していることが好ましい場合もある。捕捉分子は上記区画中の表面に結合されていることが特に好ましい。これによってできる限り多くの捕捉分子が増幅産物を結合することができ、したがって高密度の結合された増幅産物が確実に得られることから、この実施の形態により特に良好な結果が得られる。
【００３４】
本発明による方法は、具体的には、試料フラグメントが様々な区画間に分配されるように、各区画を別々に充填することができ、注入口が１つだけではないことを特徴とする。これにより、現在では多数の試料を並行して増幅及び分析することができることから、多くの可能性が提供される。
【００３５】
さらに、反応混合物、好ましくは増幅ミックスが試料フラグメントの前に導入されることが好ましい場合がある。当業者であれば、彼自身が進歩性を生み出すことなく、各々の試薬及び適用について最良の順序を理解するであろう。
【００３６】
さらに、本発明は、各試料フラグメントがその区画において別々に増幅され、反応中に増幅領域のいかなる混合又は重複も存在し得ないことを特徴とする。そのようにして反応の間であっても、少なくとも互いに空間的に分離された増幅産物に対して厳密な試料の空間的分離が保たれる。このような方法で提供される増幅産物は、本発明の意味において、増幅工程産物又は増幅反応産物とも呼ばれることもある。
【００３７】
本発明において、増幅産物は、具体的には、増幅反応によって調製された単一の試料フラグメントの全ての画像全体を指す。同一の又は明確に誘導可能な試料フラグメントの誘導体であることが好ましい。増幅産物又はそのサブセクションは、１若しくは複数のサブセクション又は１若しくは複数の試料フラグメント全体に由来し得る。例えば、ゲノムＤＮＡが増幅反応、好ましい方法において具体的にはＰＣＲに使用される場合、同一の配列を有する増幅産物が得られるが、これはゲノムＤＮＡのサブセクションであるに過ぎない。ここで具体的には修飾ｄＮＴＰが使用される場合、増幅産物は分子的に同一ではないが、代わりに本来のＤＮＡに対して配列が同一であるのみである。個々の遺伝子のサブセクションが「リンケージＰＣＲ」によって連結されている場合、増幅産物は、例えば複数の試料フラグメントに由来する。また、増幅産物は、有利には本来の分子とは異なる一群の分子に属し得る。これらすべての産物及び画像は、本発明の意味において、増幅産物である。
【００３８】
増幅産物は増幅され、そのようにして更なる増幅産物が作られることが好ましい。後の分析のため多数の結合された増幅産物が得られるように、捕捉分子の特に良好な飽和はこの方法により達成される。
【００３９】
本発明の意味において、ＰＣＲはポリメラーゼ連鎖反応を指し、これは好ましくは温度により制御される酵素反応であって、利用可能なＤＮＡ（試料フラグメント）の増幅産物を産生することが可能である。本発明による方法における増幅工程は、好ましくはＰＣＲである。
【００４０】
増幅産物は、反応後に増幅産物のいかなる混合も存在し得ないように、それらの区画中の捕捉分子上に固定化される。これにより、増幅産物及び対応する試料のその後の明確な割当てを可能とする。
【００４１】
したがって、本発明を通じて、各フラグメントを空間において別々に増幅することができ、分離が産物のレベル（＝増幅産物レベル）に関する限りは維持され得るように、多様な試料フラグメントの増幅が可能である。
【００４２】
上記区画は、空洞であることが特に好ましい。平滑表面と比べて試料を空洞に導入することによって有利な効果が達成され得ることは実に驚くべきことであった。したがって、適用における試料の損失が実質的に低下した。また、コンタミネーションも顕著に減少した。さらに、試料フラグメント又は得られた増幅産物の混合は、空洞によって完全に防止されるが、平滑表面の場合には、これは更なる誤差要因となる。空洞の使用により達成される改善された操作により、本方法をバルク法として使用することができる。
【００４３】
充填された固相、好ましくは充填されたマルチウェルアレイの空洞は、例えば様々な方法により区画化され、具体的には、互いに分離される。所望の反応を可能とし、望ましくない反応又は阻害を抑制するように、区画化の各方法が作り出される。
【００４４】
個々の区画において独立した生化学的及び／又は化学的反応を実施することがこの方法により可能であるということは、実に驚くべきことであった。これにより、ハイスループットな方法を容易かつ効率的に行うことが可能となるのみならず、コンタミネーションのリスクを顕著に最小化することができる。
【００４５】
増幅反応の間に各微小区画の表面に増幅産物を結合及び／又は固定化することにより、後の反応又は分析において増幅産物の大部分を互いに分離し続けることが可能となる。これは、特に微小区画が更なる分析を行うため、又は増幅産物の誘導体化のため（例えばシーケンシング）開かれている場合に重要である。さらに、有利には、増幅産物のどの領域を結合するか、例えば、ＤＮＡの場合であればセンス鎖若しくはアンチセンス鎖、又はその両方を選択することが可能である。産生費用及び消費費用は、例えばＤＮＡビーズ（捕捉ビーズ）、磁性ビーズ（ｅｍＰＣＲ後の精製に必要な濃縮ビーズ）及び化学薬品（洗浄剤、緩衝液、エマルジョン油、ｅｍＰＣＲ試薬）の費用の節減を可能とすることから、本方法により実質的に削減され得る。さらに、処理の管理が単純化されることは有利である。個々の処理工程は、訓練されていない人員によって行うことが可能であり、従来技術に記載される方法において増幅産物の増幅及び精製を実施するのに必要とされるような特殊な専門技術を学習する必要はない。本方法のその他の利点は、例えばインキュベーター、加熱及び冷却装置、遠心沈降機又は吸引支持体（vacuum support）並びにピペット等の標準的な実験用具を必要とすることである。コールターカウンター等の高価な又は維持費用の高い特殊な機器を必要としない。本方法は、非常に単純で効率的であり誤差の低いものとして説明され得る。
【００４６】
従来技術と比較してより速い処理時間がその他の利点として言及され得る。例えば、増幅を行うための時間がより短い。上記方法の好ましい実施の形態では、例えば、従来技術において開示される全ての方法が１１時間より多くの時間を必要とするのに対し、好ましくは５時間で、好ましくは反応混合物の調製、試料フラグメント及び増幅ミックスの導入、被覆、反応の実施及び反応後の洗浄等の全ての作業工程を含むシーケンシングチップを供給することが可能である。さらに、高効率でより長い増幅産物を達成することができる。したがって、上記方法の好ましい実施の形態では、微小構造化された固相上に１００００塩基対（核酸塩基）より多い非常に長い増幅産物を得ることができる。５００塩基対より長い試料フラグメントの増幅及び固定化が特に強調されるべきである。より長いサイクル時間のために液滴融合（droplet fusing）リスクが高められ、したがって処理を遅延及び／又は阻害することから、ｅｍＰＣＲ等の従来技術の方法は大幅に制限される。
【００４７】
本発明は、組合せ発明とみなされ得る。微小構造化された固相における既知の要素の組合せにより、試料フラグメントの増幅において驚くべき効果がもたらされる。したがって、例えば、多数の分子の増幅方法を使用することができ、このようにして普遍的に使用可能であることは、実に驚くべきことであった。さらに、上記方法を手作業で又は自動的のいずれかで迅速かつ容易に実施することが可能である。従来技術から既知ではない個々の処理工程の組合せのみが、結果的に分子の効率的な増幅及び固定化を生じる相乗的な利点をもたらす。
【００４８】
その他の好ましい実施の形態では、工程ｆ）に続いて増幅産物を分析し、シーケンシングし及び／又は誘導体化する。増幅産物の空間的分離及び対応する試料への明確な割当てにより、上記方法に続いて多数の分析を行い得る。ここで、シーケンシングは特に有利である。好ましい実施の形態は、誘導体、例えばタンパク質の産生を含む。
【００４９】
捕捉分子は短い核酸配列を含むことが好ましい。特に好ましい実施の形態では、捕捉分子はプライマーであり、最も好ましくは増幅工程で使用されるプライマーである。したがって、反応混合物中に存在する反応プライマーに加え、その他のプライマー基を捕捉分子として使用してもよい。少なくとも１つの反応プライマーを捕捉分子として使用することが特に有利である。これらのプライマーは、固定化されたプライマー（捕捉分子）に対して直接的に増幅反応が行われるよう、その後固相上に固定化される。換言すればこの実施の形態では、試料フラグメント及び増幅産物の両方が捕捉分子によって結合される。このようにして、とりわけ費用及び時間を節減することができる。さらに、結合密度も増加して後の分析を容易にする。
【００５０】
また、試料フラグメント及び／又は増幅産物が共有結合によって捕捉分子上に固定化される方法を使用することが好ましい。また、これにより、例えば増幅の伸長段階において結合が保存され、より高温において再び解放されないことを保証する。結合された増幅産物について、この実施の形態は、これらの産物をより安定的な形態で結合し、したがってその結合はより耐久性があり、後の分析又は反応を容易にすることも意味している。
【００５１】
その他の好ましい実施の形態では、本発明は、試料フラグメントの導入及び反応混合物の導入を１工程で、好ましくは試料フラグメントと反応混合物とを導入前に混合することによって行う方法に関する。固相の構造に応じて、この手法により追加の時間を節減できる場合がある。
【００５２】
本発明の意味において、反応混合物は特に試料フラグメントから増幅産物を産生することを可能とする全ての分子全体を指す。混合物の組成は、どの試料フラグメントがどの方法によって増幅されるかを明確に規定する。ＲＮＡ用の反応混合物は、例えばＲＮＡポリメラーゼを含有する混合物である。反応混合物は、好ましくは増幅ミックスである。
【００５３】
さらに、反応混合物及び／又は試料フラグメントは固相表面への遠心沈降、吸引、噴霧、浸漬、ディップコーティング及び／又は塗布により加えられることが好ましい。これらの方法は、充填が時間節約的な方式で行われ、高い精度が保証されることから特に好適である。
【００５４】
好ましい実施の形態では、微小構造化された固相は、少なくとも１つの個別の区画、好ましくは複数の異なる個々の区画を有する表面である。具体的に、固相はマルチウェルアレイであってもよい。本発明の意味において、マルチウェルアレイは、微小区画、具体的に好ましくは空洞の空間的配置を指す。反応混合物を空洞に入れることができ、独立した増幅反応を微小区画内で行うことができる。マルチウェルアレイの微小区画間で増幅産物及び／又は試料フラグメントの交換がないことが好ましい。
【００５５】
シーケンシングチップ用に増幅産物を供給するために使用される方法であって、ここで固相が、好ましくは具体的には片側に構造化されたガラス繊維の規則的な配置を含むマルチウェルアレイとして設計される方法が好ましい場合がある。さらに、空洞は、有利には多層複合材料又はトラックエッチドメンブレン（track-etched membranes）からなるものであってもよい。マルチウェルアレイは、好ましくは１ｆＬ〜１ｍＬの個別の容量を有する１〜１０００個の空洞を有している。マルチウェルアレイは、好ましくは基本単位として光ファイバーによるマルチファイバーアレイであってもよい。これらの光ファイバーは、例えば、有利には高処理量で好ましい方法を実施することを可能とする光ガラスファイバーバンドルである。
【００５６】
マルチウェルアレイは、具体的には微小構造化された固相、好ましくは密閉可能な凹部を含む表面を指す。また、マルチウェルアレイは、空洞を有するチップを含む。
【００５７】
マルチウェルアレイは、好ましくは六角形の空洞の規則的な配置を有する。六角形の空洞は特に処理の自動化に有利であり、したがって上記空洞がより迅速に充填されることが見出されている。
【００５８】
好ましい実施の形態では、空洞全体若しくは空洞の領域、又は空洞の壁のみを金属、金属酸化物又はプラスチックで覆う。
【００５９】
金属は、具体的には元素周期表の命名法に対応する化学元素（周期系における非金属と異なり、ベリリウム元素（第２族）からポロニウム元素（第１６族）までの対角分割線の左側に見出される化学元素、並びにそれらの合金及び特徴的な金属特性を有する金属間化合物）を与える。
【００６０】
代替的に又は追加的に、少なくとも１つの固相の少なくとも１つの表面が非金属材料で覆われてもよい。好ましい実施の形態では、非金属材料として高分子化合物を使用してもよい。ＩＵＰＡＣ（国際純正及び応用化学連合）の定義によれば、高分子化合物は、：重合度、分子量及び鎖長に関して異なる一群の化学的に均一な巨大分子（ポリマー分子）を含む物質である。いわゆる均一な高分子物質において、全ての巨大分子は同じ構造を有し、それらの鎖長（重合度）においてのみ異なる。かかる高分子化合物は、重合同族体として知られている。高分子化合物として、無機高分子化合物、完全又は部分的な芳香族高分子化合物、ホモポリマー、コポリマー、生体高分子化合物、化学修飾された高分子化合物及び／又は合成高分子化合物を含んでもよい。好ましい高分子化合物として、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレングリコール、デンドリマー又はシリコーンが挙げられる。高分子化合物は、無機高分子化合物、有機金属高分子化合物、完全又は部分的な芳香族高分子化合物、ホモポリマー、コポリマー、生体高分子化合物、化学修飾された高分子化合物及び／又は合成高分子化合物を含む群より選択され得、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレングリコール、デンドリマー、シリコーン、タンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、糖又はポリヒドロキシアルカノエートが挙げられる。
【００６１】
表面を炭素、具体的には炭素繊維又はグラファイト繊維で覆うことが好ましい場合がある。また、プラスチックのコーティングを使用することが好ましい場合もある。本発明の意味においてプラスチックは、具体的にはその必須の成分が、合成的に形成されるか天然産物の修飾によって形成されるかかる巨大分子の有機化合物からなる材料を指す。
【００６２】
好ましいコーティングとしては、修飾された天然物質、合成プラスチック（重縮合物、重合生成物（polymerisates）、付加重合体）、熱硬化プラスチック及び／又は不飽和ポリエステル樹脂の群に由来するプラスチックである。
【００６３】
空洞の壁をチタンで覆うことが好ましい場合がある。チタンコーティングによってより効率的な捕捉分子の結合が達成され得ることは実に驚くべきことであった。さらに、チタンの有利な表面特性により接着力がより低く、そのため表面及び反応成分間の非特異的相互作用がより少なく、洗浄工程もより迅速に行われ得る。さらに、チタンコーティングにより、シーケンシング反応、例えばRocheによるＧＳシステム（ここではヌクレオチドの組み込みに際して光子が放出され、その後光ファイバーを通して検出器に送られる）における光学的クロストークを抑制することができることが見出されている。
【００６４】
また、表面は構造体又は疎水性領域及び／又は親水性領域のコーティングを含む平滑表面であってもよい。本発明の意味において、親水性は具体的には「水を好むこと」を意味し、一方、疎水性は具体的には「水を避けること」を示す。表面は、一部の領域において親水性又は疎水性コーティングにより完全に構造化されてもよい。また、疎水性又は親水性物質が表面に塗布されてもよい。疎水性物質としては、好ましくは、例えば脂質、ワックス若しくは長いアルキルラジカルを有するアルコール、又はＴｅｆｌｏｎカーボンブラック等の特殊コーティングが挙げられる。親水性物質としては、具体的には塩若しくは極性化合物、又はＶＩＳＴＥＸ等の特殊コーティングが挙げられる。
【００６５】
その他の好ましい実施の形態では、表面は、区画（例えばその先端部で増幅が行われる小さなカラム）を形成するための好適な工程管理によって互いに分離され得る個々の領域を含む三次元の微小構造であってもよい。また、カバー又は例えばコーティング等のその他の閉鎖手段によって密閉されて区画が作られるように表面を平滑で構造化されないように設計することが有利な場合もある。
【００６６】
固相、具体的にはマルチウェルアレイは、種々の材料（半導電性、非晶性、結晶性、繊維性）で作製されていることが好ましい。空洞は、好ましくは、とりわけエッチング法、例えばドライエッチング／リアクティブ法（ＤＲＩＥ、ボッシュプロセス、ＩＣＰを含む）、湿式化学法（塩基、酸、ＨＦを含む）又は物理的方法（穿孔、スパッタリング、イオンエッチングを含む）により実施される。固相、好ましくは、マルチウェルアレイは、好ましくは、特に金属、金属酸化物又はプラスチックによる任意のコーティングを含有し得る。空洞は、好ましくは正方形、長方形、円、楕円、三角形、六角形、八角形、多角形又はこれらの組合せを含む群より選択される種々の形状を有する。さらに、空洞は、有利には、種々の深さ及び／又は外観比率（具体的には寸法）を有してもよい。空洞は、有利には、互いに異なる（規則的な又は不規則な）配列で配置される。
【００６７】
増幅システムに導入される試料フラグメントの数に応じて、好ましくは１〜１０００個のフラグメントが固相、好ましくはマルチウェルアレイに導入される。さらに、各空洞は、具体的には１〜１０個のフラグメントを含有し得る。
【００６８】
その他の好ましい実施の形態では、本発明は、区画の被覆及び／又は分離が油、電気力、相転移、不活性領域及び／又はカバーを含む方法に関する。固相の全ての空洞を被覆するために単一のカバーが使用されることが特に好ましい。この実施の形態は、操作が容易であり、したがって全ての空洞の迅速かつ効果的な被覆が達成されることから有利である。
【００６９】
カバーは、例えばガラス又は高分子化合物等の種々の材料、具体的にはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）又は環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）で作製され得る。カバーは、反応により又は反応混合物と共に充填された後にマルチウェルアレイに適用され得る。さらに、カバーを、マルチウェルアレイに対して垂直に押し付けるか、又はマルチウェルアレイ上で水平に引っ張ってもよい（スリッピング）。カバーは捕捉分子を含有することが好ましい。
【００７０】
充填された空洞の閉鎖に際し、増幅産物が増幅領域を残し得ないことを保証する必要がある。カバーを使用する場合、ウェルは純粋に機械的な方法によって密閉され、個々の空洞が流体的に互いに分離され、したがって増幅反応のために個別の区画が作られる。カバーの材料は反応に対して阻害効果を有さず、増幅反応と適合性である。
【００７１】
また、カバーは捕捉分子で覆われていてもよい。この実施の形態は、特に予想外の結果をもたらす。したがって、反応の終結後に固相からカバーを分離し、別々に調べることが可能である。したがって、増幅産物は、カバー上の対応する試料に明確に割り当てられ得る。
【００７２】
カバーは、同一又は修飾された捕捉分子を有し、これにより試料フラグメント、増幅産物又は増幅産物の誘導体を結合することが好ましい。カバーに固相とは異なる捕捉分子が備えられている場合、他の分子がカバー中に固定化されてもよく、増幅の分野に応じて有利な特性を伴う。
【００７３】
固相、好ましくは、マルチウェルアレイは、有利には異なる幾何学的な実施の形態を有し得る。空洞は閉鎖手段、閉鎖要素又はカバーによって密閉され、そのようにして空間的に互いに分離されることが好ましい。本発明の意味において、「閉鎖手段」、「閉鎖要素」及び「カバー」の用語は同意語として用いられる。しかしながら、液体、例えば油を閉鎖媒体として使用することが有利な場合もある。好ましくは洗浄剤が油に添加され得る。
【００７４】
捕捉分子は、固相に直接的又は間接的のいずれかで固定化され得る。捕捉分子、好ましくは、核酸は、１又は複数の末端に化学カップリング基又は配列を含み得る。カップリング基又は配列は、好ましくは５’末端に付着される。カップリング基又は配列は、例えば、ビオチン、ダブルビオチン、ＮＨ２、ＳＨ、Ａｃｒｙｄｉｔｅ及び／又はポリヌクレオチド配列であってもよい。
【００７５】
さらに、捕捉分子は少なくとも１つのスペーサー分子を有することが好ましい。このスペーサーは、好ましくはカップリング基と核酸配列の間に適合される。
【００７６】
捕捉分子の長さは、好ましくは限定されないが、好ましくは１〜１０００個の個別の分子又はＤＮＡの場合は１〜１０００塩基である。これらの長さは、結合安定性及び特異性に関して特に良好な結果を生じる。
【００７７】
その他の好ましい実施の形態では、本発明は、捕捉分子が試料フラグメント及び／又は増幅産物に対して少なくとも１つの結合部位を含む方法に関する。
【００７８】
また、捕捉分子及び／又は増幅産物は、光活性化開裂基（photoactivatable cleavage group）を有することが好ましい。光活性化基は、例えば、感光性ニトロフェニルエチル、２−ニトロベンジル誘導体、クマニリル誘導体、ｐ−ヒドロキシフェナシル誘導体、ベンゾイン誘導体、１−アシル−７−ニトロインドリン誘導体等のケージド化合物（caged compounds）であってもよい。捕捉分子は、光活性化基によって表面上に固定化されてもよい。捕捉分子によって固定化された増幅産物が、標的化された方式で表面から脱カップリングされて分析に利用可能となるように、光活性化基が光の影響下で開裂されるか、又は化学的に変更される。
【００７９】
捕捉分子はＲＮＡポリメラーゼ又は無細胞発現系に対するプロモーター結合部位を含むことが特に好ましい。
【００８０】
その他の好ましい実施の形態では、本発明は、捕捉分子がスペーサー分子を有し、１又は複数の末端に化学的カップリング基を含み、及び／又はそれにより微小構造化された固相に直接的若しくは間接的のいずれかで固定化される方法に関する。捕捉分子は、好ましくは短い核酸配列である。スペーサー分子は、有利には、カップリング基と核酸配列との間に存在する。カップリング基と核酸配列との間にスペーサーを導入することによって、表面と核酸との間に物理的距離が作られる。スペーサーは、とりわけ炭素鎖又はポリヌクレオチド配列（ポリＴ配列）からなり得る。
【００８１】
捕捉分子は、好ましくは表面に対して指向された結合のため化学カップリング基又はカップリング配列を核酸の５’末端、例えば１又は複数の末端に含む。この基は、ビオチン、ダブルビオチン、アミノ基（ＮＨ２）、チオール基（ＳＨ）、Ａｃｒｙｄｉｔｅ、ポリヌクレオチド配列、ストレプトアビジン、Ｈｉｓタグ（Ｈｉｓ＝ヒスチジン）、ニッケル−ＮＴＡ（ＮＴＡ＝ニトリロ三酢酸）、ｍｙｃタグ若しくはｆｌａｇタグ又はこれらの組合せを含む群より選択される。
【００８２】
捕捉分子は、好ましくは直接的又は間接的に固定化される。核酸の直接固定化法は、とりわけ（amongother things）ヒドロゲル、ＵＶ架橋、アクリルアミドゲル中での共重合、親和性結合（アビジン−ストレプトアビジン）、イオン結合、吸収（absorptive）結合及び非共有結合を含む。間接固定化法は、リンカー分子、好ましくはホモ二官能性又はヘテロ二官能性リンカー分子を使用して、好ましくは固相の空洞表面に捕捉分子を固定化する。固定化のための基体としては、例えば、Ｎ，Ｎ’−ジイソプロピルカルボジイミド（ＤＩＣ）、Ｎ−ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）、メラミド（melamido）、ＮＴＭＴＡ、Ｎ−（３−トリフルオロエタンスルホニルオキシプロピル）アントラキノン−２−カボキサミド（ＮＴＰＡＣ）、４−（Ｎ−マレイミドメチル）シクロヘキサン−ｌ−カルボン酸３−スルホ−ｎ−ヒドロキシスクシンイミドエステルスルホ−ｎ−ヒドロキシスクシンイミドエステル（スルホ−ＳＭＣＣ）、グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン（ＧＯＰＴＳ）、トリメトキシシリルプロピルメタクリレート（ＭＰＴＳ）、メタンチオスルホネート（ＭＴＳ）、１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド（ＥＤＣ）、グルタルアルデヒド、Ｎ，Ｎ’−ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）、Ａｃｒｙｄｉｔｅ、シラン化核酸、ホスホロチオエートが挙げられる。ホモ二官能性リンカーは、好ましくは１，４−フェニレンジイソチオシアネート（ＰＤＩＴＣ）であり、具体的には１０〜５００の長さの配列を有する捕捉分子で空洞の壁を覆うために使用され得る。固相への捕捉分子の結合は、好ましくは増幅反応及び可能性のある後の誘導体化に適合性である。換言すれば、捕捉分子の表面又は表面の領域への化学的、物理的又は生物学的結合は、続く反応に対して阻害効果を有さない。
【００８３】
捕捉分子は、試料フラグメント及び／又は増幅産物に対する少なくとも１つの結合部位を含むことが好ましく、１〜１０００の長さの個別の分子を有することが好ましい。本発明の意味において、捕捉分子は、具体的には固相に結合され、増幅された試料フラグメントの付加を可能とするか、又は増幅産物を結合する、分子単位を示す。増幅産物に特異的に結合してそれらを固定化する捕捉分子を利用可能とすることができたことは実に驚くべきことであった。増幅産物の精製は、増幅産物が捕捉分子に対する更なる反応に利用可能となるため、この方法で大いに簡易化される。
【００８４】
試料フラグメントは、少なくとも１つの末端に均一な配列を伴うアダプターを有することが好ましい。アダプターの好ましい長さは、１〜１０００個の個別の分子である。アダプターは、種々の機能単位を有してもよい。アダプターは、好ましくは均一で明確な配列の形態の試料フラグメントの開始部及び末端に存在する。それらは、増幅される試料フラグメントの領域を規定する。アダプターは、具体的にはＰＣＲに対するプライマーとして機能する。２つのアダプターのうち１つは、有利には全体的に又は一部が捕捉分子の配列と同一である。シーケンシング用のシステムの場合、シーケンシングが為されるＤＮＡは、通常システムの製造業者によって予め設定されている２つの規定されたアダプターを有する。全ての試料フラグメント全体、又はその全体の或る特定のサブユニットのみのいずれかを、アダプターによって増幅することができる。さらに、アダプターは、好ましくはいくつかの異なる機能単位（具体的にはＲＮＡポリメラーゼ又は自己再発現系に対する結合部位であってもよい）を交互に有してもよい。アダプター配列は、例えば従来のシーケンシングシステム（Applied Biosystems/Life Technologies、IonTorrent/Life Technology、Roche、Illumina、George Church/Dover Systemsによるものを含む）に由来してもよく、配列が同一であってもよく、又は更なる配列若しくは修飾を含んでもよい。したがって、アダプター配列は、シーケンシングが可能な表面を作ることができる。表面は、増幅された試料フラグメントが捕捉分子に結合した場合にシーケンシングが可能である。増幅産物は、その後更なる調査に利用可能である。
【００８５】
プロモーター結合部位は、その一方若しくは他方のいずれかの末端、又は捕捉分子上の任意の部位中及び／又はその上でアダプターを伸長する。捕捉分子の配列は、例えばApplied Biosystems/Life Technologies、IonTorrent/Life Technology、Roche、Illumina、George Church/Dover Systemsによるもの等を用いたシーケンシングシステムのものと同一又は部分的に同一であってもよい。捕捉分子の配列は、好ましくは試料フラグメントに対する結合部位であり、具体的には捕捉分子に対するアダプターの一つの親和性によって調節される。この配列は、好ましくは３’又は５’末端のアダプターを伸ばす。アダプターは、試料フラグメントが反応の間にこれらの空間的な配列によって伸ばされるように、１又は複数の追加の配列を片方又は両方の末端に含み得る。
【００８６】
好ましい実施形態では、上記試料フラグメントが、核酸、好ましくはＤＮＡ若しくはＲＮＡ、タンパク質、抗体、合成有機分子、合成分子、有機分子及び／又は天然物を含むか、又は上記区画中に導入された細胞若しくは天然物から放出されたものである。試料フラグメントは、好ましくは増幅されるべき分子である。細胞の場合、試料フラグメントは、例えば機械的、化学的又は熱溶解等の増幅前のメカニズム／反応によって放出される。全ての試料フラグメント全体が試料を形成する。試料フラグメントは、好ましくはゲノムＤＮＡのフラグメントであるが、ｃＤＮＡ又はＲＮＡであってもよい。フラグメントは、例えば次世代シーケンシングにおけるように、例えば、ゲノムＤＮＡの剪断によって作られてもよい。試料フラグメント全体は、好ましくは一本鎖及び／又は二本鎖核酸配列（１〜１０１０塩基対（ｂｐ））からなり、各試料フラグメントは好ましくは１又は複数のアダプター配列（１ｂｐ〜１０００ｂｐ）を各末端に含む。試料フラグメントは、好ましくは増幅されるか、又はＤＮＡ若しくはＲＮＡに由来する標識を組み込む方法によって直接的に若しくは間接的に誘導体化され得る。試料フラグメントは、一本鎖又は二本鎖形態において１〜１０１０、好ましくは１〜１０８の長さの個別の分子を有することが好ましい。また、試料フラグメントは、ウイルス、原核生物又は真核生物から得られてもよく、合成起源（synthetic nature）であってもよい。試料の長さは、好ましくは１〜１０１０の個別のモノマーである。かかる試料は、様々な方法によって個別のフラグメントへと細分化され得る。フラグメントは、一本鎖であっても二本鎖であってもよい。
【００８７】
好ましい（preferable）実施の形態では、増幅工程は、具体的にはＰＣＲ、ＲＰＡ、ＲＣＡ、ＳＤＡ、ＮＡＳＢＡ又はＬＡＭＰを含む群より選択される。これらの略称は、具体的には以下の意味を有する：ＰＣＲはポリメラーゼ連鎖反応を表し、ＲＰＡ５はリコンビナーゼポリメラーゼ増幅を表し、ＲＣＡはローリングサークル増幅を表し、ＳＤＡは鎖置換増幅を表し、ＮＡＳＢＡは核酸配列ベース増幅を表し、ＬＡＭＰはｌｏｏｐ−ｍｅｄｉａｔｅｄ  ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎを表す。しかしながら、本発明はこれらの増幅可能性に限定されない。
【００８８】
反応混合物は、好ましくは増幅産物、エネルギーシステム、合成システム及び１〜１０６の異なるアダプター配列の合成のための個別の構成単位を含む。また、反応混合物は、具体的には標準的な市販のＰＣＲ増幅ミックスであってもよい。増幅工程は、好ましくは等温増幅システムである。例えば、試料フラグメントは１又は複数の増幅システムによって増幅され、空洞中に固定化されることが好ましい場合がある。反応後、マルチウェルアレイを、例えば変性水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）で洗浄して結合していないあらゆる反応産物を除去し、コンタミネーションを防止する。反応混合物は、好ましくはＤＮＡポリメラーゼ、具体的にはＰｆｕポリメラーゼ若しくはＴａｑポリメラーゼ及びｄＮＴＰ又はｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ及びｄＵＴＰの混合物、並びに具体的にはＵＮＧ分解システムを含有する。さらに、好ましくは１０〜５００ヌクレオチド長の配列を有する１〜４個のアダプターも含まれる。
【００８９】
本発明の意味において、分子ｄＮＴＰ（デオキシリボヌクレオシド三リン酸）は、具体的には増幅システムによるＤＮＡ鎖の合成に必要とされる分子モノマーを表す。具体的にはｄＮＴＰ、ｄＡＴＰ（デオキシアデノシン三リン酸）、ｄＧＴＰ（デオキシグアノシン三リン酸）、ｄＴＴＰ（デオキシチミジン三リン酸）、ｄＣＴＰ（デオキシシチジン三リン酸）に代えて、ｄＡＴＰ（デオキシアデノシン三リン酸）、ｄＧＴＰ（デオキシグアノシン三リン酸）、ｄＵＴＰ（デオキシウリジン三リン酸）、ｄＣＴＰ（デオキシシチジン三リン酸）の分子を含むＲＮＡポリメラーゼが使用されるように、試料フラグメントＲＮＡが増幅に利用可能であることが好ましい場合がある。
【００９０】
好ましい方法によって増幅反応を実施することが可能であること、及び特にそれによって生成された増幅産物を同時に固定化することができることは、実に驚くべきことであった。増幅工程は１〜１０１０の増幅産物を生成することが好ましい。
【００９１】
好ましい実施の形態では、反応混合物は、反応を改善する成分を含有する。反応改善成分として、好ましくはウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、アガロース、ｔｗｅｅｎ、超音波処理核酸及び／又はＵＮＧ分解システムが挙げられる。
【００９２】
増幅は、好ましくはｅｍＰＣＲではない。増幅産物の生成は試料フラグメントに基づき、表面上への増幅産物の配置はｅｍＰＣＴを完全に無視することができるように、驚くほど互いに連結される。固相における分子の増幅が可能であり、生成された増幅産物が捕捉分子によって結合されることは実に驚くべきことであった。この方法は２つの工程、すなわち断片化された試料を微小区画の空間的に規定された形状へと導入する工程、並びに増幅反応の間に各微小区画の表面上に増幅産物を結合及び／又は固定化して続く反応又は分析において増幅産物を互いに分離し続ける工程を組み合わせる。これにより、時間及び費用の利点等の予想外の相乗効果が得られる。本発明は、ｅｍＰＣＲ等の時間のかかる増幅反応を代替し得るように、従来技術に開示されている方法と比べて数多くの利点を提供する。
【００９３】
さらに、上記方法は、局所分解を含む処理において試料フラグメントの増幅産物で微小構造化された表面を覆い、その後シーケンシングに加えて又はそれに代えて誘導体化又は他の増幅を行って、そのようにして従来の方法では入手することができなかったような新たな産物をも産生することを可能とする。
【００９４】
また、本発明は試料フラグメントの増幅方法を実施するためのデバイスに関する。反応を実施するためのデバイスは、具体的には例えばマルチウェルアレイを保持し得るカセットを含み、これを増幅の酵素反応を促進する状態とする。良好な入熱は、具体的には温度制御された増幅システムを使用する場合の方法とみなされる。デバイスは、好ましくは、良好な温度制御を可能とするプラスチック又は金属等の材料からなり、これも良好な温度制御を可能とするデバイスにおいて行われ得る。
【００９５】
下記の工程を含む本発明による方法を実施するためのデバイスが好ましい：
ｇ）少なくとも１つ、好ましくは複数の区画を有する固相であって、捕捉分子が上記固相の表面、好ましくは上記区画に結合している、固相、並びに、
ｈ）仕切り及び／又はカバー。
【００９６】
また、確実な空洞（例えばマルチウェルアレイ）の機械的密閉が達成されるようにカセット又はマルチウェルアレイに存在する空洞がカバーによって完全に被覆されることから、デバイスは捕捉分子及び試料フラグメントによるコンタミネーションを防止する。さらに、デバイスは個々の区画又は空洞の充填を容易にする充填デバイスを有する。反応デバイスは、ＰＣＲ温度プロトコルに供され得る。
【００９７】
このデバイスは、具体的にはシーケンシングシステム、例えばＧＳ  ＦＬＸ、ＧＳ  ＦＬＸ  Ｔｉｔａｎｉｕｍ、ＧＳ  Ｊｕｎｉｏｒ（Roche）及びＰＧＭ  ｓｙｓｔｅｍ  −  ｐｅｒｓｏｎａｌ  ｇｅｎｏｍｅ  ｍａｃｈｉｎｅ（Ion Torrent）に対するフロントエンド相補体（front-endcomplement）と呼ばれることがある。
【００９８】
捕捉分子が仕切り及び／カバーに結合されているデバイスが特に好ましい。かかるデバイスは、２つのアレイが１つの方法によって製造され得ることから有利である。
【００９９】
その他の好ましい実施の形態では、本発明は、具体的には本発明の方法によって製造されるマスターアレイに関する。
【０１００】
マスターアレイは、特に、
ｉ）少なくとも１つ、好ましくは複数の区画を有する固相であって、捕捉分子が上記固相の表面、好ましくは上記区画に結合している、固相を含み、
ｊ）増幅反応の増幅産物及び／又は誘導体が上記捕捉分子に結合されている。
【０１０１】
再利用可能なマスターアレイは、ＤＮＡ、ＲＮＡ及びタンパク質マイクロアレイを製造するための本発明による方法によって作製され得ることが有利である。タンパク質マイクロアレイが誘導体化ミックスとも呼ばれる場合、試料フラグメント及び反応混合物の選択によって、どのアレイを作製するかを自由に選択することができる。本明細書に記載される方法によって製造され、試料フラグメントに対して局所分解を有する固定化された増幅産物を含有するマルチウェルアレイは、更なるマスターアレイの製造を容易にするコピー反応のためのモデルとしての機能を果たし得る。
【０１０２】
また、仕切り及び／又はカバー（coverage）を含み、捕捉分子が上記仕切り及び／又はカバーに結合され、増幅産物及び／又は増幅産物の誘導体が捕捉分子に結合される、本発明による方法によって製造されたマスターアレイも好ましい。
【０１０３】
捕捉分子が構造化された固相において結合しているのみならず、反応の間アレイを密閉するカバー上にも存在する好ましい実施の形態では、空間的な分布を維持しつつ、増幅産物はカバー上及び固相上に固定化される。好ましくは以下の２つのマスターアレイがこの方法によって作製される：第１に、後にＤＮＡ、ＲＮＡ及びタンパク質マイクロアレイを製造するために使用される最初のシーケンシング反応を実施するためのマルチウェルアレイ、また第２に、それを用いて更なるＤＮＡマイクロアレイが作製され得る平滑ＤＮＡマスターアレイ。ここでハイブリダイゼーション反応により、フリーの３’末端を有するプライマーが表面に適合された増幅産物に結合され、その後、好ましくはＰｆｕポリメラーゼを含有する反応混合物によって伸ばされる。プライマーがその５’末端に反応性基を有することから、アレイを上記基と反応する固相又は液相に接触させることができる。反応後、並びに固化した液相及び／又は固相を変性条件下で除去した後に、最初のＤＮＡマスターアレイは一本鎖ＤＮＡをなおも含有するが、第２基体は増幅システムによって作られたメイティング鎖を含有する。この方法を使用することにより、従来技術に比べて非常に長いＤＮＡ配列（好ましくは２００ヌクレオチドより非常に大きい）を含有し得る高品質のＤＮＡマイクロアレイを製造することができ、これは校正機能を有するＰｆｕポリメラーゼが１０６ヌクレオチド当たりたった１つの誤ったヌクレオチドを組み込むに過ぎないことから非常に高品質である。
【０１０４】
マスターアレイは、好ましくはＤＮＡ、ＲＮＡ又はタンパク質マイクロアレイの製造及び／又はシーケンシング反応に使用され得る。試料フラグメントの増幅産物がいくつか又はそれ以上の空洞に存在するマルチウェルアレイは、種々の誘導体化、分析又は反応のため、例えばＤＮＡ、ＲＮＡ又はタンパク質マイクロアレイの製造のための再利用可能なマスターアレイとして利用可能な場合がある。
【０１０５】
さらに、マスターアレイはシーケンシング反応に役立つ場合がある。誘導体化は、具体的には増幅産物又は増幅産物に結合しているか若しくはそれらから分離した追加分子の分解、膨張又は変質、及び増幅産物の更なる増幅を含む。
【０１０６】
マスターアレイは、好ましくは別々の区画において異なる試料フラグメントの同時増幅に使用され得る。試料フラグメントは、好ましくはｅｍＰＣＲにより産生／調製される。そのため、分析／増幅される試料は好ましくは断片化され、それぞれ１つのアダプターが各試料フラグメントの末端に連結される。固相表面は捕捉分子で覆われ、好適なプロセス管理によって別々の封じ込められた複数の個々の構成要素へと表面が細分化されるような方法で構造化する。個々の区画を作製又は密閉する前に、試料フラグメント及び反応ミックスの両方を個々の区画に導入することが好ましい。これらの構成要素は、同時又は順次のいずれかで導入され得る。したがって、独立した試料フラグメントの増幅反応は、反応混合物及び増幅工程に応じて、各々個別の区画において行われ得る。増幅産物は、増幅の間又はその後に個々の区画領域の捕捉分子上に固定化されることが好ましい。これにより、試料フラグメントの本来の分布に対応する増幅産物の固定化された空間的な分布を作り出す。
【０１０７】
そのように作られる分布パターンは、本発明の意味において、具体的にはマスターアレイと呼ばれる。マスターアレイは、具体的には試料フラグメントのシーケンシングに使用され得る利用可能な後の誘導体化、分析又は反応を行う。
【０１０８】
別の好ましい実施形態では、本発明は、試料フラグメントの増幅及び／又はアレイ製造用のキットであって、
ｋ）少なくとも１つ、好ましくは複数の区画を有する固相であって、捕捉分子が上記固相の表面、好ましくは上記区画に結合している、固相と、
ｌ）仕切り及び／又はカバーと、
ｍ）少なくとも１つの反応混合物と、
を含む、キットに関する。
【０１０９】
さらに、捕捉分子が上記仕切り及び／又は上記カバーに結合されている、キットが好ましい。
【０１１０】
本発明による方法を実施することが可能なキットを製造することができたことは実に驚くべきことであった。捕捉分子による結合機能を何ら損なうことなく、結合された捕捉分子と共に長期に亘って固相が保存可能であることは予想されていなかった。これは、区画の導入により初めて可能となった。したがって、本発明によるキットは、長期間保存することができ、したがって本発明による方法の実施を更に容易にする。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】マルチウェルアレイの詳細
【図２】空洞の好ましい幾何学的な実施形態
【図３】空洞の更なる幾何学的な実施形態
【図４】好ましい捕捉分子及びそれらの配向
【図５】好ましいアダプター
【図６】好ましいデバイス
【図７】更なる好ましいデバイス
【図８】好ましい評価
【図９】固相ＰＣＲの例示的実験結果
【図１０】充填された空洞のシグナルによる例示的実験結果
【図１１】反応３０の後のマルチウェルアレイのカバー
【０１１２】
ここで、本発明を例示的な実施形態及び添付の図面に基づいて説明する。実施例及び図説は、本発明を限定することのない好ましい実施形態の変形形態である。また、説明される利点は、言及される他の実施形態の変形形態についても実証されており、具体的な実施例にのみ適用されるものではない。図面は以下を示す。
図１は、少数の空洞を有するマルチウェルアレイの概要の詳細を示す図である。全ての空洞は捕捉分子で覆われている。試料フラグメントを含む増幅ミックスを導入し（左）、空洞を閉じる。増幅後、各々の空洞は増幅産物で覆われている（右）。
図２は、後の増幅用の区画化を作るための異なる幾何学的な実施形態の１つの可能性のある略図を示す。どのように個別の領域が互いに遮蔽されているかと共に、充填された基本的な状態（filled basic state）を示す。主な説明は、カバーによって密閉されている（Ａ）である。しかしながら、空洞は、油（Ｂ）、場、具体的には電場若しくは温度（Ｃ）又は相転移材（Ｄ）によって互いから分離されてもよい。
図３は、図２のように、後の増幅用の区画化を作るための異なる幾何学的な設計形状の１つの可能性のある略図を示す。更なる説明は、捕捉分子によって更に覆われる、デジタルＰＣＲが可能な全ての構造を含む（Ｈ）。試料フラグメントは、逆転した設計において捕捉分子を有する平滑表面に最初にもたらされ（Ｉ）、その後、マルチウェルアレイで被覆される。これは、充填処理の逆転であるが、上記平滑表面上の高希釈試料フラグメントにより試料を濃縮することもできるという利点がある。したがって、過剰な希釈及び／又は試料フラグメントによって充填され得る空洞が少なすぎるために、直接的な充填を行うことができなかった。空洞は、閉鎖の際に形成される。また、Ｉバージョンは、ＤＮＡをマイクロアレイからマルチウェルアレイへとコピーするために使用してもよい。
図４は、捕捉分子及びそれらの配向について種々の可能性を示す図である。
図５は、アダプターの可能性のある実施形態を示す図である。
図６は、本発明による増幅及び／又はシーケンシングのための可能性のあるデバイス／カセットを示す図である。
図７は、好ましい反応用デバイスのカップホルダー（Ｂ）の凹部におけるマルチウェルアレイ（Ａ）、カバー（Ｃ）、３ｍｍ厚の弾性ラム（elastic ram）（Ｄ）、クランピングカバー（Ｅ）の分解略図を示す。遠心沈降によって上記アレイ中に増幅ミックスを導入するため、部品Ｃから部品Ｄを１５０μｍの高さの微小流体チャンバーに達する充填デバイスによって置き換える。
図８は、１９ピコリットルのウェル容量を有するマルチウェルアレイにおける反応の１つの可能性のある評価を示す図である。図（Ｂ）から（Ｅ）は、反応後の着色されたカバーのスキャンを示す。図（Ａ）は、マルチウェルアレイのマイクログラフを示す。図（Ｂ）は、特異性検査を示す。この場合、ＤＮＡフラグメントの配列に相補的でない捕捉分子は固定化されていたため、陽性シグナルは発生していない。図（Ｃ）は、ＤＮＡフラグメントなしの検査を示す。ここでもシグナルは発生していない。この結果は、ＤＮＡフラグメントが存在する場合にもシグナルが発生することを示している。図（Ｄ）は、反応を可視化するためにハイブリダイゼーションが使用されるカバーのシグナルを示す。この結果は、ＤＮＡフラグメントの正しい配列が、実際に、捕捉分子に結合していることも示している。図（Ｅ）において、表面に結合したＰＣＲ産物は、ストレプトアビジン−Ｃｙ５を反応の間に組み込まれたビオチン分子へとカップリングすることによって結合され、上記反応が可視化された。
図９は、１１００００個の１９ピコリットルウェルにおける反応の１つの可能性のある実施を示す図である。全てのウェルの９９．１８％（１０９１０１個のシグナル）において、ＰＣＲ産物を固相ＰＣＲのメカニズムによって捕捉分子に結合した。この結果は、このシステムにより、反応を１ｃｍ２より大きい面積であっても行うことができることを示している。
図１０は、例えば、１００ｂｐ、３４６ｂｐ及び１５１３ｂｐ（塩基対）の長さのＤＮＡフラグメントを使用し、反応後にストレプトアビジン−Ｃｙ５で染色した試験を示す図である。１ウェル当たりのＤＮＡフラグメントの数を算出した。グラフは、ＤＮＡフラグメントの長さの関数として、全ての充填された空洞の総計（合計１００００ウェル、面積１０ｍｍ２）により測定された陽性シグナルの数を示す。１００ｂｐ  ＤＮＡフラグメントについて９５．３±１．８％の陽性シグナルが計測され、３４６ｂｐ  ＤＮＡフラグメントについて９２．１±１．９％の陽性シグナルが計測され、１５１３ｂｐ  ＤＮＡフラグメントについて９０．９±３．５％の陽性シグナルが計測された。これは、このシステムにより、１０００ｂｐより非常に大きいＤＮＡフラグメントを増幅及び固定化することも可能であることを示しており、これはｅｍＰＣＲの限界と比べて興味深い特徴である。
図１１は、例えば、マルチウェルアレイ中の反応後のストレプトアビジン−Ｃｙ５で着色されたカバーを示す図である。増幅ミックスは、１ウェル当たり０．０２５個のＤＮＡフラグメントを含んだ。上記カバーは、ＤＮＡフラグメントが存在するウェルに由来する別々のシグナルパターンを示す。これは、単一のＤＮＡフラグメントに基づくＰＣＲ産物を生成することができ、空間的な分布を保持しつつ、固定化された捕捉分子に結合して可視化され得ることを示している。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【０１１３】
実施例１：
本発明による方法の必須の配列
第１工程において、規定量の試料フラグメントを含有する反応混合物を使用する。通常、試料フラグメントの濃度を１つの空洞の容量当たり１未満の試料フラグメントとなるように調整する。その後、上記混合物を、表面が捕捉分子によって覆われているマルチウェルアレイ中に導入する。微小空洞（microcavities）を閉じる（被覆する）ことによって、各空洞において独立した増幅反応を行うことができるように、これらは互いに分離される。増幅産物は、通常、アダプターによって表面に位置する捕捉分子に結合される。したがって、試料フラグメントが導入された各空洞内部は、対応する増幅産物で覆われる。結果は、空間的に明確に特定され、個別の試料フラグメント本来の分布に対応する相互に区切られた増幅産物の配置である。
【０１１４】
実施例２：
以下の手法に従い、捕捉分子をカバー、具体的にはガラス担体上の非常に薄い（およそ５μｍ）ＰＤＭＳの層からなり得るハイブリッドカバー上に適用する。好ましくは、最初に酸素プラズマによる処理（４０ｋＨｚ発生器、１００ワット力、１分間の処理持続時間）をして水酸基を生成する。次の工程において、アミノシランＡＰＴＥＳをこれに結合することができる（３−アミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）５％、脱イオン水５％、エタノール９０％、室温での終夜反応）。その後、好ましくは、ここでホモ二官能性リンカー、１，４−フェニレンジイソチオシアネート（ＰＤＩＴＣ）を表面のアミノ基に結合する（ＰＤＩＴＣ  ０．１５ｇ、ピリジン５ｍＬ、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）４５ｍＬ）。次に、具体的には修飾ｓｓＤＮＡ配列を捕捉分子として結合することができる（リン酸ナトリウム緩衝液１５０ｍＭ、ｐＨ８．３中、反応時間：室温にて終夜）。これは、具体的には５’末端にアミノリンカーに続く６部の（six-part）炭素鎖（Ｃ６）に続く１０のチアミンを含有する。その後、ＤＮＡ捕捉分子の実際のＤＮＡ配列が続く。増幅ミックスは好ましくは、ＨｏｔＳｔａｒ  Ｔａｑ  Ｐｌｕｓ  ３０Ｕ、１×反応緩衝液、ＭｇＣｌ２  １．５ｍＭ、ｄＡＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＣＴＰをそれぞれ３００μＭ、ｄＴＴＰ  ２２５μＭ、ビオチン−ｄＵＴＰ  ７５μＭ、ＢＳＡ０．５％、Ｔｗｅｅｎ  ８０  ０．０５％、フォワードプライマー５’−CTG AGC GGG CTG GCA−３’  ０．１２５μＭ、及びリバースプライマー５’−GCC TCC CTC GCG CCA TCA G−３’  １０００μＭ、並びに０〜２０コピーのＤＮＡフラグメント（ｐＴＹＢ１プラスミド）を含有する。
【０１１５】
上述の構成要素を高純度のＤＮＡｓｅ／ＲＮＡｓｅを含まない再蒸留水で合計１６μＬまで満たす（topped off）。マルチウェルアレイが充填されるまで、氷上で反応混合物を保存する。アレイ中に増幅ミックスをもたらすための充填デバイスは、図７によるものと一部同一である。好ましくは、マルチウェルアレイをＰｉｃｏ  Ｔｉｔｅｒ  Ｐｌａｔｅ（Roche Diagnostics）へ１３×１３ｍｍ２の切片に切り出す（図７Ａ）。
【０１１６】
その上に好ましくは５００μｍ厚の構造化されたゴムリップが置かれる、充填デバイスの凹部（図７Ｂ）にアレイを置く。次に、例えば、微小構造化充填カバーを２つのＭ３スクリューを使用してその上に取り付けることができ、各充填カバーはインレット及びアウトレットを有する。次に、増幅ミックス１６μＬをチャンバー中に導入することができる。充填デバイス全体を遠心沈降機（Ｍｕｌｔｉｆｕｇｅ  ３ＳＲ  Ｐｌｕｓ, Heraeus, VWR, Bruchsal, Germany）のオシレーティングローター上に置き、２２００ｒｐｍにて２分間遠心沈降する。
【０１１７】
遠心沈降の後、充填したアレイを捕捉分子で覆われたカバーで被覆する（図７Ｃ）。その後、ゴムスタンプを上に置き（図７Ｄ）、次にクランピングカバー（図７Ｅ）を２つのＭ３スクリューを使用して所定の位置に取り付ける。反応デバイスを、好ましくは、Ｓｌｉｄｅｃｙｃｌｅｒ（ｐｅｑＳｔａｒ  ｉｎ  ｓｉｔｕ, PEQLAB Biotechnologie）に上記混合物を移す前に室温にて保管する（１分≦ｔ≦１０分）。増幅反応、具体的にはＰＣＲの後、このデバイスを分解し、カバー以外の全ての部品を少なくとも１時間、好ましくはＤＮＡ  Ｅｘｉｔｕｓ  Ｐｌｕｓ（AppliChem）中で汚染物質を除去する。その後、表面結合産物、好ましくはＰＣＲ産物を、具体的にはストレプトアビジン−Ｃｙ５による反応（リン酸ナトリウム緩衝液（リン酸水素二ナトリウム二水和物及びリン酸二水素ナトリウム一水和物、ｐＨ＝７．２、Ｔｗｅｅｎ  ８０  ０．１％、室温にて５分間）１００ｍＭ中のストレプトアビジン−Ｃｙ５  ５μｇ・ｍＬ−１）又はハイブリダイゼーション反応（５×ＳＳＣ中ハイブリダイゼーションプローブ０．１μＭ、５０％ホルムアルデヒド０．１％、反応時間：４２℃にて１２時間≦５≦１６時間））によって検出することができる。
【０１１８】
例えば、洗浄したカバーをInnopsysによるＩｎｎｏＳｃａｎ  ７１０スキャナーにおいてスキャンすることができる。かかる反応の結果を例として図８〜図１１に示す。ＰＣＲ産物を、ここでカバー上の捕捉分子に結合し、その後、各々の方法によって可視化した。図１１以外の全ての反応において、１つのウェルにつき２０の分子をアレイ中に導入した。
【符号の説明】
【０１１９】
４  試料フラグメント
５  捕捉分子
６  疎水性表面
７  親水性表面
８  表面１
９  表面２
１０  水相
１１  油相
１２  カバー
１３  油
１４  力場
１５  相転移→固体
１９  バルブ回路
２０  捕捉分子
２１  追加の核酸配列
２２  アダプター１
２３  アダプター２
２４  配列１
２５  配列２
【図１】
2014533096.tif 000003
【図２】
2014533096.tif 000004
【図３】
2014533096.tif 000005
【図４】
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【図５】
2014533096.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014533096.tif 000009
【図８】
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【図９】
2014533096.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2014533096.tif 000013
【配列表】
2014533096000001.app
【国際調査報告】
2014533096.tif 000014
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