(57)【要約】【課題】高速にＤＮＡの塩基配列を検出する。【解決手段】ＤＮＡシーケンサ１０は、ｓｓＤＮＡ１が浮遊した溶液１３を保留する溶液保留部１２と、溶液保留空間１２内に形成された例えばシリコンナノワイヤ等からなる円筒部１５と、円筒部１５の開口部近傍に形成された一対のセンサ２１，２２と、溶液１３中に交流電界を印加する一対の電極２５，２６とを備えている。ＤＮＡシーケンサ１０では、交流電界を溶液１３中に印加して、ＤＮＡ１を伸張させるとともにＤＮＡ１を電気泳動によりシリコンナノワイヤ内に移動させる。そして、シリコンナノワイヤ内を通過しているときにセンサ２１，２２が電気的な変化を検出し、その変化に基づきＤＮＡ１の塩基配列を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象となるヌクレオチド鎖を貯蔵する貯蔵領域と、
上記貯蔵領域内に形成され、伸張した上記ヌクレオチド鎖が通過可能な微小領域と、
上記微小領域の電気的特性の変化を検出するセンサを有する検出手段と、
上記微小領域を通過する電気力線を発生する電界印加手段とを備え、
上記検出手段は、上記微小領域を上記ヌクレオチド鎖が通過しているときに、上記微小領域の電気的特性の変化に基づき上記ヌクレオチド鎖の塩基配列を検出すること
を特徴とする塩基配列検出装置。
【請求項２】
上記電界印加手段は、上記微小領域に交流電界を印加し、
上記ヌクレオチド鎖を電界伸張させるとともに、電気泳動により上記微小領域を移動させることを特徴とする請求項１に記載の塩基配列検出装置。
【請求項３】
上記電界印加手段は、上記貯蔵領域から上記微小領域へ上記電気力線を集中させるように、交流電界を印加することを特徴とする請求項１に記載の塩基配列検出装置。
【請求項４】
上記微小領域は、上記検出手段が上記電気的特性の変化を検出するための導電性の材質で覆われた、上記ヌクレオチド鎖が通過可能である領域であることを特徴とする請求項１に記載の塩基配列検出装置。
【請求項５】
上記微小領域は、中空の略円筒状の領域であることを特徴とする請求項４に記載の塩基配列検出装置。
【請求項６】
検出対象となるヌクレオチド鎖を貯蔵し、
電気力線を発生することにより、ヌクレオチド鎖が通過可能な程度の微小領域に移動させ、
上記微小領域を上記ヌクレオチド鎖が通過しているときに、上記微小領域の電気的特性の変化を検出し、検出した電気的特性の変化に基づき上記ヌクレオチド鎖の塩基配列を検出すること
を特徴とする塩基配列検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヌクレオチド鎖の塩基配列を検出する塩基配列検出装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＮＡの塩基配列を自動的に読み取る装置であるＤＮＡシーケンサの解析速度の高速化が図られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
しかしながら、現状ではまだ解析速度は非常に遅く、１つのＤＮＡシーケンサにより、約３０億塩基を有するヒトゲノムの解析を行おうとした場合、現状ではまだ数年以上費やしてしまう。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２７８２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、高速にヌクレオチド鎖の塩基配列を検出することができる塩基配列検出装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る塩基配列検出装置は、検出対象となるヌクレオチド鎖を貯蔵する貯蔵領域と、上記溶液保留空間内に形成され、伸張した上記ヌクレオチド鎖が通過可能な微小領域と、上記微小領域の電気的特性の変化を検出するセンサを有する検出手段と、上記微小領域を通過する電気力線を発生する電界印加手段とを備え、上記検出手段は、上記微小領域を上記ヌクレオチド鎖が通過しているときに、上記微小領域の電気的特性の変化に基づき上記ヌクレオチド鎖の塩基配列を検出することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る塩基配列検出方法は、検出対象となるヌクレオチド鎖を貯蔵し、電気力線を発生することにより、ヌクレオチド鎖が通過可能な程度の微小領域に移動させ、上記微小領域を上記ヌクレオチド鎖が通過しているときに、上記微小領域の電気的特性の変化を検出し、検出した電気的特性の変化に基づき上記ヌクレオチド鎖の塩基配列を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上の本発明に係る塩基配列検出装置及び方法では、検出対象となるヌクレオチド鎖を電気泳動させて伸張する。これとともに、伸張したヌクレオチド鎖の径と同程度の大きさの微小空間へ、伸張した上記ヌクレオチド鎖を一方の端部側から電気泳動によって移動させる。この微小空間には、電気的な特性を検出するセンサを設けておく。そして、ヌクレオチド鎖が電気泳動により上記微小空間を通過中に、上記微小空間の電気的な変化を検出し、その検出結果に基づき上記ヌクレオチド鎖の塩基配列を検出する。
【０００９】
以上のような本発明に係る塩基配列検出装置及び方法では、高速に塩基配列を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を実施するための最良の形態として、本発明が適用されたＤＮＡシーケンサについて以下説明をする。ＤＮＡシーケンサとは、ｓｓＤＮＡやオリゴヌクレオチド鎖等のヌクレオチド鎖の塩基配列を検出する装置である。以下、塩基配列の検出対象となるヌクレオチド鎖のことを単にターゲットＤＮＡと呼ぶものとする。
【００１１】
図１に、本発明が適用されたＤＮＡシーケンサ１０の模式図を示す。ＤＮＡシーケンサ１０は、ガラス等の絶縁部材からなる基体１１の表面に、バッファ溶液を保留又は貯蔵する穴状の空間を形成する溶液保留部１２が形成されている。溶液保留部１２の内部空間又は内部領域には、例えば水やＤＮＡのバッファ等の溶液１３が保留されている。溶液１３中には、ターゲットＤＮＡ１が滴下されている。ターゲットＤＮＡ１は、本ＤＮＡシーケンサ１０の検出動作時以外は、ランダムコイル状で溶液中に浮遊している。
【００１２】
溶液保留部１２は、その内部空間が基板１１の表面に対して例えば矩形状に開口している。開口部分の所定の方向（以下、この方向をＸ方向というものとする。）の一辺の長さｔが５０μｍ、深さ方向の長さｈが５μｍ程度の大きさとなっている。なお、溶液保留部１２のＸ方向の辺の長さｔは、ターゲットＤＮＡ１が伸張したときの長さよりも充分に長いものとする。
【００１３】
溶液保留部１２のＸ方向に直交する方向の一側面１４（以下第１の側面１４という。）には、微小な円筒状の部材である円筒部１５が設けられている。円筒部１５は、図２に示すように、筒の中心軸の方向の一方の端部が第１の側面１４に接続しており、筒の中心軸が側面１４から垂直方向（Ｘ方向）に伸びるように設けられている。このため、円筒部１５は、第１の側面１４に接続していない他方の端部側の開口部１６並びに円筒の内部空間１７が、溶液保留部１２の内部空間内に位置することとなる。つまり、開口部１６及び内部空間１７は、溶液１３内に浸水している。
【００１４】
円筒部１５には、図２に示すように、その開口部１６の近傍の側壁部分に、例えば金属材料からなる一対のセンサ２１,２２が設けられている。一対のセンサ２１,２２は、筒部１５の中心軸を挟んで向かい合うように設けられている。センサ２１,２２は、電気配線２１ａ,２２ａを介して、電圧検出部２３に接続されている。電圧検出部２３は、センサ２１，２２間の電圧変化（又は容量変化）を検出し、その検出結果に基づきターゲットＤＮＡ１の塩基配列を検出する。
【００１５】
ここで、円筒部１５の開口部１６の直径は、伸張したターゲットＤＮＡ１が外部から筒の開口部１６を通過して内部空間１７に挿入可能であり、且つ、伸張したターゲットＤＮＡ１が通過する際にセンサ２１，２２により塩基配列の変化による電圧（又は容量）の変化を検知できる程度の大きさである。なお、この開口部１６の直径並びにセンサ２１の大きさ等の詳細については後述する。また、円筒部１５の内部空間１７の長さ（深さ）Ｔは、伸張したターゲットＤＮＡ１の全長の少なくとも一部分が内部空間１７内に収まる程度の長さである。
【００１６】
溶液保留部１２には、Ｘ方向に直交する側面である第１の側面１４に電界印加電極２５が設けられており、並びに、第１の側面１４にＸ方向に向かい合う位置にあるＸ方向に直交するもう一方の側面２４（以下第２の側面２４という。）に、電界印加電極２６が設けられている。
【００１７】
電界印加電極２５及び２６は、電界印加電極２５と電界印加電極２６とは、Ｘ方向に相対する位置に設けられている。電界印加電極２５は、電源２７の一方の極性の電極（例えばプラス電極）と電気的に接続され、電界印加電極２６は、電源２７の他方の極性の電極（例えばマイナス電極）と接続されている。電源２７は、所定の周波数及びパワーの交流電力又はパルス電力を発生し、電界印加電極２５及び２６間に印加される。このため、電界印加電極２５及び２６は、溶液１３中にＸ方向の電界を印加することとなる。さらに、電界印加電極２５及び２６は、図３に示すように、発生する電気力線の一部が円筒部１５の開口部１６を通過するとともに、内部空間１７を通過するように設けられている。このように電気力線を構成するには、電界印加電極２５及び２６を、円筒部１５の中心軸の延直線上に設ければよい。また、詳細は後述するが、ターゲットＤＮＡ１が電気泳動により第２の側面２４側から第１の側面１４側に移動させる必要があるので、第２の側面２４から第１の側面１４側に近づくに従い電気力線の幅（Ｘ方向に直交する方向の長さ）が狭くなるように、第２の側面２４に設けられた電界印加電極２４の幅（Ｘ方向に直交する方向の長さ）を広く、第１の側面１４に設けられた電界印加電極１４の幅（Ｘ方向に直交する方向の長さ）を狭くするのが望ましい。
【００１８】
以上のようなＤＮＡシーケンサ１０によるターゲットＤＮＡ１の塩基配列の検出動作について説明をする。
【００１９】
まず、図４に示すように、溶液保留部１２内の内部空間に、溶液１３とともにターゲットＤＮＡ１を滴下する。滴下されたターゲットＤＮＡ１は、溶液１３中にランダムコイル状で浮遊する。
【００２０】
続いて、図５に示すように、電源２７をオンとし、電界印加電極２５，２６間に交流電力又はパルス電力を与えて、少なくとも円筒部１５の中心軸に対して垂直方向の電気力線Ｅを含んだ交流電界又はパルス電界（例えば１ＭＨｚ，１Ｖ/μｍ程度）を溶液１３中に印加する。このような交流電界又はパルス電界が印加されると、ターゲットＤＮＡ１は、電気力線の方向に沿って伸張し、それとともに電気力線の方向に沿って移動を行う。この結果、ターゲットＤＮＡ１は、溶液保留部１２のＸ方向に伸張するとともに、図５中白抜きの矢印で示すように第２の側面２４から第１の側面１４に向かう方向に移動していく。
【００２１】
続いて、図６に示すように、伸張したターゲットＤＮＡ１の端部が、円筒部１５の開口部１６から内部に挿入され、続いて、そのターゲットＤＮＡ１が順次内部空間１７内に挿入されていく。このとき、ターゲットＤＮＡ１は、センサ２１，２２間を通過することとなるので、センサ２１，２２間の電圧（又は容量）がその塩基配列に応じて変化をする。電圧検出部２３は、センサ２１，２２間をターゲットＤＮＡ１が電気泳動により通過している最中に、すなわち移動中にセンサ２１，２２間の電圧変化（又は容量変化）を検出する。そして、電圧検出部２３は、検出した電圧変化（又は容量変化）に基づきターゲットＤＮＡ１の塩基配列を検出する。
【００２２】
以上のようにＤＮＡシーケンサ１０では、ターゲットＤＮＡ１を電気泳動により微小空間を通過させ、その微小空間に設けたセンサによりそのターゲットＤＮＡ１の塩基配列を直接的に検出する。このことにより、非常に高速にターゲットＤＮＡ１の塩基配列を解析することが可能となる。
【００２３】
つぎに、ＤＮＡシーケンサ１０の円筒部１５の大きさ、ターゲットＤＮＡ１の電気泳動の速度等について検証する。
【００２４】
図７は、センサ２１，２２、及び、伸張したターゲットＤＮＡ１の関係を模式的に示している。
【００２５】
まず、センサ２１，２２によりターゲットＤＮＡ１の塩基配列を検出するためには、ターゲットＤＮＡ１の各塩基から発生している微小の電圧（又は容量）を検出できなければならない。そのためには、一対のセンサ２１，２２との間の距離をＷとし、伸張されたターゲットＤＮＡ１の直径をｒとした場合、Ｗとｒとの関係が、“Ｗ/ｒ＞＞１”では検出できず、“Ｗ/ｒ≒１”でなければ検出できない。すなわち、伸張されたヌクレオチド鎖の直径ｒが約２ｎｍ程度であるため、一対のセンサ２１，２２の間の距離Ｗは、ナノメートルオーダ又は十数ナノメートルオーダ（例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下程度）であることが望ましい。もっとも、Ｗは、伸張したヌクレオチド鎖がセンサ間を通過できなければならないので、ｒ以上（例えば２ｎｍ以上）である必要がある。
【００２６】
センサ２１，２２との間の距離Ｗをこのようにナノメートルオーダとするためには、例えばシリコンナノワイヤやカーボンナノチューブといったいわゆるナノ技術を利用して、円筒部１５を形成すればよい（例えば、Y. Huang, X. Duan, Q. Wei, C. M. Lieber, Science 291, 26,January, 630, 2001  参照。）。
【００２７】
例えば、シリコンナノワイヤ技術を用いて円筒部１５を形成するには、図８に示すように、第１の側面１４に２ｍｍ程度の金の微粒子３１を取り付け、図９に示すようにシランガスをＸ方向に流すことによって、円筒部１５を形成することが可能である。
【００２８】
そして、このような円筒部１５の先端部分に、例えば半導体技術を用いてセンサ２１，２２を形成すればよい。
【００２９】
また、センサ２１，２２によりターゲットＤＮＡ１の塩基配列を検出するためには、一対のセンサ２１，２２との幅をＬとし、伸張されたターゲットＤＮＡ１を構成する１つの塩基の長さをｄとした場合、Ｌとｄとの関係が“Ｌ/ｄ≒１”であることが望ましい。すなわち、ヌクレオチド鎖の１つの塩基の長さは、０．３５ｎｍ程度であるため、この程度のオーダのセンサ幅Ｌであることが望ましい。しかしながら、現状の半導体技術により形成することができるセンサ幅は、数十ナノメートルオーダであり、非常に難しい。
【００３０】
そこで、本発明者は、伸張したターゲットＤＮＡ１を交流電界又はパルス電界により伸張し、所定の速度でセンサ間を移動させながら、１塩基毎の電圧変化（容量変化）を検出することとした。つまり、伸張したターゲットＤＮＡ１が１つの塩基分だけ移動する期間内に、少なくとも１回以上の電圧（容量）のサンプリングが可能であれば、センサの幅Ｌが塩基の長さｄよりも長くても、その電圧変化量を検出することでターゲットＤＮＡ１の塩基配列を解析することができる。
【００３１】
具体的に、電気泳動によるターゲットＤＮＡ１の速度は、印加される電界が例えば５００（Ｖ/ｍ）であれば、Ｖｅ＝約１．４×１０−４（ｍ/秒）となる。従って、一塩基分の移動時間（ｄ／Ｖｅ）は、
ｄ／Ｖｅ＝０．３５（ｎｍ）／１．４×１０−４（ｍ/秒）
＝約２．５μ秒
となる。
【００３２】
現状のアナログ/デジタルサンプリング技術でも、約２．５μ秒の期間内であれば、数１０回〜数１００回程度の電圧サンプリングが可能であり、ＤＮＡシーケンサ１０によりターゲットＤＮＡ１の塩基配列を検出することが可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明が適用されたＤＮＡシーケンサの模式図である。
【図２】円筒部の模式図である。
【図３】電界印加電極により印加される電界を示す図である。
【図４】溶液中にターゲットＤＮＡが滴下された状態を示す図である。
【図５】溶液中に電界を印加したときの状態を示す図である。
【図６】ターゲットＤＮＡの塩基配列を検出している状態を示す図である。
【図７】センサと伸張されたターゲットＤＮＡとの関係を示す図である。
【図８】シリコンナノワイヤを生成するために、金粒子を取り付けた状態を示す図である。
【図９】シリコンナノワイヤを生成するためにシランガスを流した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ターゲットＤＮＡ、１０  ＤＮＡシーケンサ、１１  基体、１２  溶液保留部、１３  溶液、１４  第１の側面、１５  円筒部、１６  開口部、１７  内部空間、２１，２２  センサ、２３  電圧検出、２４  第２の側面、２５，２６  電界印加電極、２７  電源
【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】
2005117917.tif 000009
【図８】
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【図９】
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