(57)【要約】本発明は、データの収集および／または処理装置への利用に適した、高分子スイッチ５１を提供する。このスイッチは、イオン結合部位１４を有する高分子構造を含み、イオン結合部位１４における異なるイオン結合条件に対応する、個々に異なる複数の立体配置間をフリップすること可能である。高分子構造１０は、対応する外部入力信号に応答して、異なるイオン結合条件をイオン結合部位１４に適用する、少なくとも一つの電気化学的入力装置４３を備えている。また、本発明は、本発明の高分子構造スイッチを利用した、データの収集および／または処理方法を提供する。
2006525662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ収集および／または処理装置への利用に適した、高分子スイッチであって、
一つ以上のイオン結合部位を有する高分子構造を含み、
少なくとも、上記高分子構造へのその他の結合が存在しない場合においては、一つ以上のイオン結合部位における異なるイオン結合条件に対応する、個々に異なる複数の立体配置間をフリップすることが可能であり、
上記高分子構造は、対応する外部入力信号に応答して、異なるイオン結合条件をイオン結合部位に適用するよう形成され配置された、少なくとも一つの電気化学的入力装置を備えている、
高分子スイッチ。
【請求項２】
上記一つ以上の入力装置が、電気的外部入力信号の制御下において作動するよう形成され配置された、請求項１に記載のスイッチ。
【請求項３】
上記電気化学的入力装置が、イオンリザーバと、このイオンリザーバからのイオンの捕獲、およびイオンリザーバへのイオンの放出のうちの、少なくとも一つのために形成され配置されたイオンリザーバ制御装置とを含む、請求項１または２に記載のスイッチ。
【請求項４】
上記イオンリザーバ制御装置が、イオンリザーバからのイオンの捕獲、およびイオンリザーバへのイオンの放出のために形成され配置されたレドックスシステムを含む、請求項３に記載のスイッチ。
【請求項５】
上記少なくとも一つの電気化学的入力装置が、異なるイオン結合条件間の可逆的スイッチングのために形成され配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項６】
上記高分子構造が、予め定められた標的生体分子検体と結合するよう形成され配置された、少なくとも一つの生体分子検体結合部位を有している、請求項１〜５のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項７】
少なくとも二つの生体分子検体結合部位を備えた、請求項６に記載のスイッチ。
【請求項８】
上記少なくとも一つの生体分子検体結合部位が、そこに結合した競合生体分子を有しており、この競合生体分子は、スイッチの使用時に、競合的結合によって、標的生体分子検体に置換される、請求項６または７に記載のスイッチ。
【請求項９】
上記競合生体分子が、一つの立体配置から異なる立体配置への高分子構造のフリッピングをロックするよう、高分子構造と結合されている、請求項８に記載のスイッチ。
【請求項１０】
上記高分子スイッチが、高分子構造の立体配置状態、生体分子検体結合部位に結合した標的生体分子の存在のうち、少なくとも一つを読み出すために形成され配置された、出力信号伝達システムの出力装置コンポーネントを、少なくとも一つ備えている、請求項１〜９のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１１】
上記コンポーネントが、分離感知出力装置の部分を含む、請求項１０に記載のスイッチ。
【請求項１２】
上記出力信号が、蛍光標識を含む、請求項１０または１１に記載のスイッチ。
【請求項１３】
上記蛍光標識が、分離感知信号伝達システムにおける使用に適している、請求項１２に記載のスイッチ。
【請求項１４】
上記分離感知信号伝達システムが、ＦＲＥＴシステムである、請求項１３に記載のスイッチ。
【請求項１５】
上記高分子構造が、少なくとも一つの固体のデータ信号処理コンポーネントに連結されている、請求項１０〜１４のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１６】
上記少なくとも一つの固体のデータ信号処理コンポーネントが、光信号を電気信号に変換するコンポーネントを含む、請求項５に記載のスイッチ。
【請求項１７】
上記高分子構造が、該高分子構造へ実質的に直接データを伝達する、少なくとも一つの固体のデータ処理回路と連結されている、請求項１〜１６のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１８】
上記高分子構造が、上記少なくとも一つの入力装置の近くに係留されている、請求項１〜１７のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１９】
上記高分子構造が、固体基板にアンカーされている、請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２０】
上記高分子構造が、ホリデージャンクション４本アーム構造の少なくとも一部が、高分子構造立体配置スイッチングの作用および適用と矛盾することのない非ポリヌクレオチド物質で構成された、擬似ホリデージャンクション構造を含み、ただし、該擬似ホリデージャンクション構造は、そのホリデージャンクション分岐点において、少なくとも４つの相互作用するポリヌクレオシド二量体配列成分を有している、請求項１〜１９のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項２１】
上記ホリデージャンクション分岐点の少なくとも４つの相互作用するポリヌクレオシド二量体配列成分が、ＴＣ、ＧＴ、ＡＧおよびＣＡで構成されている、請求項２０に記載のスイッチ。
【請求項２２】
上記高分子構造が、少なくとも一つのポリヌクレオチドを含む、請求項１〜１９のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項２３】
上記高分子構造が、ホリデージャンクションである、請求項２２に記載のスイッチ。
【請求項２４】
上記高分子構造が、少なくとも一つのポリペプチドを含む、請求項１〜１９のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項２５】
外部入力信号を、時間的な間隔をおいて、スイッチの入力装置に印加するために形成され配置された入力信号装置を備えた、請求項１〜２４のいずれかに対応する多数のスイッチで構成される、スイッチアセンブリ。
【請求項２６】
多数のスイッチが、異なる生体分子検体結合部位を有し、実質的には直接といえるくらい互いに近接して配置され、これにより、隣接するスイッチと互いに相互作用し合うことが可能なようになっている、請求項１〜２４のいずれかに対応する多数のスイッチで構成される、スイッチアセンブリ。
【請求項２７】
隣接するスイッチ同士が、それぞれの生体分子検体結合部位との生体分子結合により連結されている、請求項２６に記載のスイッチ。
【請求項２８】
データキャリア信号の伝達を制御するためのバイオ−相互作用的「トランジスタ」装置であって、
ｉ）生物学的高分子構造を含み、
ｊ）上記高分子構造は、少なくとも、第１の立体配置、および第１の立体配置とは異なる第２の立体配置を有し、
ｋ）上記高分子構造は、インターフェース可能状態の流体内に固定された基板にアンカーされ、
ｌ）制御信号に応答して、第１および第２の立体配置間で変換することが可能であり、
ｍ）上記高分子構造は、第１および第２の部分を有し、これらの部分は、トランジスタ装置の分離感知データキャリア信号伝達部である相互作用する第１および第２の部分を、それぞれ担っており、
ｎ）上記高分子構造の第１および第２の部分は、第１および第２の立体配置において、異なる分離距離を有し、
ｏ）上記第１および第２の立体配置における信号伝達部分から、異なる出力信号を獲得することが可能であり、したがって、異なる制御信号を入力することにより、異なる信号伝達を提供できるようになっている、
バイオ−相互作用的「トランジスタ」装置。
【請求項２９】
データの収集および／または処理のための方法であって、：
一つ以上の生体分子検体結合部位と、一つ以上のイオン結合部位とを有し、少なくとも、上記生体分子検体結合部位に、何ら結合が存在しない場合は、上記一つ以上のイオン結合部位の異なるイオン結合条件に対応する、個々に異なる複数の立体配置間をフリップすることが可能であり、対応する外部入力信号に応答して、異なるイオン結合条件をイオン結合部位に適用するよう形成され配置された、少なくとも一つの電気化学的入力装置を備え、第１の立体配置にある、高分子構造を提供するステップと、
上記イオン結合部位におけるイオン結合条件を変化させて、上記高分子構造を、第１の立体配置から第２の立体配置へとフリップさせるために、上記少なくとも一つの入力装置に外部入力信号を印加るステップとを含む、
データの収集および／または処理方法。
【請求項３０】
イオンリザーバと、このイオンリザーバからのイオンの捕獲、およびイオンリザーバへのイオンの放出のうちの、少なくとも一つのために形成され配置されたイオンリザーバ制御装置とを含む入力装置を備えた高分子構造を提供し、ここにおいて、外部入力信号は、イオンリザーバからのイオンの捕獲、およびイオンリザーバへのイオンの放出のために印加される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
上記高分子構造を、生体分子検体を含有する試料と接触させるステップを含む、請求項２９または３０に記載の方法。
【請求項３２】
高分子構造の立体配置状態、生体分子検体結合部位に結合した標的生体分子の存在のうち、少なくとも一つを読み出すために形成され配置された出力信号伝達システムの出力装置コンポーネントを、少なくとも一つ備えた高分子スイッチを提供し、上記高分子構造の立体配置状態、生体分子検体結合部位に結合した標的生体分子の存在のうち、少なくとも一つを読み出す方法を含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
請求項２１に記載のスイッチアセンブリを提供し、時間的に間隔をおいて、外部入力信号をスイッチの入力装置に印加する、請求項２９〜３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
生体分子検体を検出するたのための方法であって、：
上記生体分子検体との結合のために形成され配置された、一つ以上の生体分子検体結合部位と、一つ以上のイオン結合部位とを有し、少なくとも、上記生体分子検体結合部位に、何ら結合が存在しない場合は、上記一つ以上のイオン結合部位の異なるイオン結合条件に対応する、個々に異なる複数の立体配置間をフリップすることが可能であり、対応する外部入力信号に応答して、異なるイオン結合条件をイオン結合部位に適用するよう形成され配置された、少なくとも一つの電気化学的入力装置を備えた、高分子構造を提供するステップと；
上記高分子構造を、生体分子を含有した試料と接触させるステップと；
上記高分子構造の生体分子検体結合部位に結合した生体分子検体の存在をプローブするステップ、
とを含む、標的生体分子検体の検出方法。
【請求項３５】
異なる高分子構造立体配置の使用時に、異なる出力信号を提供するために形成され配置された、分離感知出力装置の部分を構成する少なくとも一つの出力装置コンポーネントを備えた、高分子スイッチを提供し、分離感知出力装置を読み出すステップを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
イオン結合部位におけるイオン結合条件を変化させて、高分子構造を、一方の立体配置から他方の立体配置へとフリップさせるため、少なくとも一つの入力装置に、外部入力信号を印加するステップを含む、請求項３４または３５に記載の方法。
【請求項３７】
一方の立体配置においては、標的生体分子検体の結合が不能であり、他方の立体配置においては可能であるように、形成され配置された高分子構造を提供し、上記結合不能な立体配置から結合可能な立体配置へと、高分子構造をスイッチングするステップを含む、請求項３４〜３６のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体分子装置およびその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
標的生体分子をプローブすること、および標的生体分子の相互作用をプローブすることが可能なシステムが要望されている。このことは、標的生体分子の結合、および標的生体分子の相互作用が、高度の特異性をもって発生することを要求するだけでなく、これらが確実かつ効果的に検出され、処理されることを要求する。
【０００３】
一般的に、適切に標識された生体分子を、多かれ少なかれの親和性をもって標的生体分子と結合させることにより、標識結合物質を形成し、非結合物質を排除した後に、適切な技術を用いて存在する標識物質の量を測量するという、本質的に生化学的な技術が、数多くこの分野において知られている。このようなプロセスの限界の一つは、標識結合物質を確実に測定するために、すべての非結合標識物質を排除しなければならず、このためには、試料および検査物質を、かなり操作しなければならないということである。さらに重大な問題は、このような測定から得られたデータの収集および処理は、一般的に、一貫性が無く、厄介で困難だということである。従って、標的生体分子の結合およびその他の相互作用を合図するための、より確実で、感度の好い、多目的システムの開発が要望されている。
【０００４】
これまでも、上記のような改良システムの要望は広く認識されており、様々な提案がなされてはきたものの、数多くの欠点および不利益を払拭できずにきた。
【０００５】
ごく一般的な言い方をすれば、文献ＧＢ２２６６１８２は、二つ以上の比較可能な安定状態で存在し得る、広範囲の異なる生体分子に基づいた生体分子スイッチ概念を開示している。これは、極めて広範囲な種類の状態の相違（例えば、化学的または物理的特性の相違、量子力学的電子スピン状態の相違、生物活性の相違、三次元配置の相違）に基づいた概念である。しかしながら、このような概念が、どのようにして実際に実現可能であるかについては、ほとんど読者には示されておらず、この開示から導かれるのは、実行不能および／または未解決な数多くの異なる目的だけである。例えば、核酸に関して記述された唯一の状態変換は、二本鎖ＤＮＡを溶かして高分子構造を分解し、その後アニールするというものであるが、その結果として、特定ストランドの組み替えが行われ、独自個別の高分子構造が形成されるというのは、極めて可能性の低いことである。さらに、ここで唯一の具体例として提案されているのは、リボフラビン結合タンパク質（ＲＢＰｓ）配列の「変換」に関してであり、リボフラビン結合タンパク質がリボフラビン配位子と結合した一つの「状態」と、リボフラビン結合タンパク質がリボフラビン配位子と結合していないもう一つの「状態」間の変換が示されている。この変換は、ｐＨの変化によって生じる刺激の勾配パターンを通じた、配列内における個別高分子の相互結合により制御される。ところで、ここでは「状態」の変換として言及されているものの、実際のところ、これは、ＲＢＰ−リボフラビン複合体の完全な分解と、新たな個別の複合エンティティの形成という、異なる高分子エンティティ間の変換なのである。これは、同一の高分子構造における、明確に定義された複数の状態間の変換とは、全く異なるものである。
【０００６】
【特許文献１】ＧＢ２２６６１８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、従来技術における上記問題点または不利益の一つ以上を、回避または最小限にすることである。
【０００８】
本発明の重要な目的は、電子回路に組み込むのに適し、生体分子と相互作用する、高分子構造スイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、その一つの態様として、データ収集および／または処理装置への利用に適した、以下の高分子スイッチを提供する。すなわち：
一つ以上のイオン結合部位を有する高分子構造を含み、少なくとも、上記高分子構造へのその他の結合が存在しない場合は、上記一つ以上のイオン結合部位における異なるイオン結合条件に対応する、個々に異なる複数の立体配置間をフリップすることが可能（flippable）であり、上記高分子構造は、対応する外部入力信号に応答して、異なるイオン結合条件をイオン結合部位に適用するよう形成され配置された、少なくとも一つの電気化学的入力装置を備えた、高分子スイッチである。
【００１０】
本発明において使用される高分子構造は、ほぼ明確に定義された、個々に異なる立体配置または構造形態間におけるフリッピングが可能である、という点に注目することが重要である。この点において本発明は、従来技術におけるシステムと異なる。すなわち、従来技術におけるシステムは、異なる「状態」間のフリッピングが可能な高分子の使用を提案してはいるものの、これらの「状態」は、典型的に、高分子が他の何らかの部分と結合した一つの状態と、高分子が該部分と結合していないもう一つの状態に相当するものであり、および／または、ほとんど明確に定義されていない構造的状態を含んでいるのである。本発明に則したフリッピング可能な高分子構造を使用することにより、より明確かつ積極的なスイッチ状態の定義を伴った、より明確に定義され、量子化またはデジタル化されたスイッチング特性が提供され、ここから重要な利益がもたらされる。たとえば、より信頼性の高い、再現性のある作業が可能となる。
【００１１】
疑義をなくすため、本発明の様々な特徴に関して用いられる以下の用語は、他に特別の定めがない限り、次の意味を包含することを明記しておく。
【００１２】
「検出する（detecting）」という用語は、質的および／または量的検出を意味し、ここには、単に標的検体の存在または不在を検出すること、単に標的検体濃度の変化を検出することも含まれる。
【００１３】
「イオン結合条件（ion biding conditions）」という表現は、物理化学的条件（濃度、イオン強度、温度、電界強度等）と、イオン結合部位への結合に関与する特別なイオン種の特徴（性質、同一性、イオンの大きさ等）の両者を含む。
【００１４】
本発明は、もう一つの態様として、以下のステップを含むデータ収集および／または処理方法を提供する。すなわち：
一つ以上の生体分子検体結合部位と、一つ以上のイオン結合部位とを有し、少なくとも、上記生体分子検体結合部位に、何ら結合が存在しない場合は、上記一つ以上のイオン結合部位の異なるイオン結合条件に対応する、個々に異なる複数の立体配置間をフリップすることが可能であり、対応する外部入力信号に応答して、異なるイオン結合条件をイオン結合部位に適用するよう形成され配置された、少なくとも一つの電気化学的入力装置を備えた、第１の立体配置にある、高分子構造を提供するステップと、上記イオン結合部位におけるイオン結合条件を変化させて、上記高分子構造を、第１の立体配置から第２の立体配置へとフリップさせるために、上記少なくとも一つの入力装置に外部入力信号を与えるステップとを含む、データ収集および／または処理方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により提供される高分子スイッチは、データ処理回路における使用に適した単純なスイッチから、より複雑なデータ収集および／または処理への利用に至るまで、幅広い範囲における応用の可能性を開くものであり、使用に際して、高分子構造のスイッチングを必要とする場合もあれば、しない場合もある。このような複雑な応用例には、特異標的生体分子検体（更には、その他の高分子スイッチの一部を形成する生体分子検体）の検出が含まれるが、これは、高特異性生体分子検体結合部位への結合を検出することにより行われる。こうした結合は、適切に標識された標的検体を用いて、標識された物質の結合が存在するかどうかを調べるという、従来的な方法によっても検出され得る。しかしながら、本発明のスイッチをは、遙かに改善された検出システムの可能性を提供するのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、高分子構造の一部に直接設置された第１の出力装置コンポーネントと、標的生体分子検体上に位置する第２の出力装置コンポーネントとを有する、マルチココンポーネント分離感知出力装置が用いられる。この出力装置は、上記第１および第２の出力装置コンポーネントの両者が、高分子構造上に共に存在する場合、すなわち、第２の出力装置によって標識された標的生体分子が、生体分子検体結合部位に結合している場合に限り、出力信号を供給するように構成され、配置される。この出力装置は、標的生体分子検体が、生体分子検体結合部位と特異的に結合した場合にのみ、（能動的な）出力信号を提供し、生体分子検体が高分子構造以外の場所と非特異的に結合しても、出力信号を出さない。このため、この装置を使用すれば、より信頼性の高い検体検出を提供することが可能となる。
【００１７】
また、本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、標的生体分子検体標識を全く用いずに、生体分子検体検出を実行することも可能である。これにより、必要な処理が大幅に単純化され、応用可能範囲が拡大する。これは、競合生体分子を結合させた生体分子検体結合部位を有する高分子構造を使用することにより、可能となる。なお、競合的結合を用いることにより、スイッチの使用中、競合生体分子を標的生体分子検体で置換することができる。標的生体分子への置換は、様々な方法で検出され得る。たとえば、標識された競合生体分子を用いて、標識信号の損失を調べることにより、競合生体分子が置換されたことが検知できる。もう一つの可能性として、高分子構造が、一方の立体配置から異なるもう一方の立体配置へと変換することをロックするよう、高分子構造と結合させた競合生体分子を用いる方法がある。これには、たとえば、ホリデージャンクション（Holliday-Junction；これについては後述するが、以後本明細書においては、便宜上、「ＨＪ」と表記する）のような、高分子構造の二本アーム交差結合を用いる。生体分子結合部位からの競合生体分子の移動は、立体配置フリッピング信号（一般的には、イオン結合条件を変化させること）を適用して、その結果をモニターし、立体配置のフリップ可能性が回復したことを調べることにより検知できる。
【００１８】
二つの異なる競合生体分子を、ＨＪの異なるペアのアームと交差結合させて、フリッピングをロックすることにより、二つの異なる標的生体分子検体（二つの異なる生体分子検体結合部位の各々から、競合生体分子を移動させる）の双方が存在する場合にのみ、フリッピングが行われるＡＮＤゲート装置を提供することが可能となる。同様に、二つの異なる生体分子検体のそれぞれの部分と結合するための、二対の生体分子結合部位を伴ったＨＪ構造は、上記二つの異なる標的生体分子検体のいずれか、または双方が存在する場合に、「開」形態から「閉」形態へのフリッピングをロックされ、双方が全く存在しない場合にのみ、「開」形態から「閉」形態へとフリップされるＮＯＲゲートとして使用することができる。
【００１９】
また、ペアの生体分子検体結合部位を伴ったＨＪ構造を使用し、ペアのＨＪアームと競合生体分子を交差結合させて、フリッピングをロックすることにより、その他のメモリー装置エレメントを提供することもできる。このメモリー装置エレメントは、ＨＪと競合生体分子（「開」形態から「閉」形態へのフリッピングをロックする）との接触により、書き込みが可能となり、ＨＪと標的生体分子（上記ペアの生体分子検体結合部位の少なくとも一つから、競合生体分子を移動させる）との接触により、消去可能となる。
【００２０】
立体配置スイッチングと検体結合のコンビネーションは、極めて単純かつ便利な方法で、検体結合の一時的制御、および／または検体結合の読み出しの一時的制御を行うこと可能し、非常に有益である。生体分子検体結合部位への検体アクセスを、上記立体配置の一方において、選択的に制限するよう構成された高分子構造が提供されれば、生体分子検体結合は、もう一方の立体配置においてのみ起こることとなり、試料中の標的検体の存在を、どのタイミングで検査するかについて、かなり正確にコントロールできるようになる。これにより、たとえば、上記高分子構造を組み込んだ検査システムを、ある特定の望ましい時間に、試料と接触させ、その後、生体分子検体結合部位を、アクセス不能状態からアクセス可能状態へとフリッピングすることにより、検査システムを「スイッチオン」するというようなことも、可能となる。さらに、一連の同一高分子構造が、一連の異なる時間に、選択的に「スイッチオン」される検査システムを提供することにより、一時的な解析を実行したり、ある一定期間にわたる生体分子検体の変化をモニターすることが可能となる。
【００２１】
生体分子検体結合の一時的な読み出しコントロールは、次のような場合に実行可能である。すなわち、生体分子検体が、上記立体配置の一方においてのみ活性な分離感知出力信号システムの出力装置コンポーネントを組み込み、生体分子検体の結合を読み出すことが要望されるまでは、高分子構造はもう一方の立体配置に保持され、読み出しが要望されるや否や、高分子構造が「活性」の立体配置にフリップされる場合である。
【００２２】
複数の異なる生体分子検体結合部位を有する高分子構造がもたらすもう一つの利益は、より正確な量論的解析が、容易に実施可能となるということである。本発明の高分子構造スイッチの実用化には、程度の差こそあれ、一般的に相当数の高分子構造（典型的には、数百または数千）が必要となるため、ある一つの装置が含有する高分子構造の個体数が、もう一つの装置と正確に同数であるということを保証するのは、しばしば困難である。同じ高分子構造上に、異なる生体分子検体のための複数の結合部位を提供することにより、一つの装置において使用される高分子構造の数がどうであっても、異なる生体分子検体のための結合部位の比率は同一であり続けるということが、保証される。
【００２３】
複数の（異なる）生体分子検体結合部位を有する高分子構造がもたらすもう一つの利益は、複数の検体を検出するために必要とされる信号処理を減少させることにより、ある程度までデータ処理を一体化できるということである。たとえば、それぞれの出力装置コンポーネントを備えた、上述したような分離感知信号伝達システムを用い、各出力装置コンポーネントを、それぞれ異なる生体分子検体に配置することにより、双方の生体分子検体が存在し、かつ高分子構造に結合している場合にのみ、出力信号を獲得することが可能となる。これにより、二つの異なる生体分子検体の検出を、効果的に「並行処理」することが可能となり、したがって、異なる生体分子検体の検出に対応する、二つの別個の信号を処理する必要がなくなる。
【００２４】
生体分子検体結合部位の供給に関しては、ＨＪ高分子構造の場合、これらは好都合にも、幅広い生体分子タイプ（ヌクレオチド配列を含むだけでなく、ポリペプチド配列も含む）の特異的標的生体分子検体の受容体として機能する、「アプタマー」と呼ばれるポリペプチド配列の形をしており、このアプタマーは、周知のＳＥＬＥＸ（試験管内人工進化法）によるスクリーニング技術を用いることにより獲得可能である。なお、このスクリーニング技術によれば、特定の標的生体分子検体との結合のため、非常に多くの任意ポリヌクレオチド配列を、相互作用的にスクリーニングし、増産することができる。ポリペプチド高分子構造スイッチの場合は、ファージ提示法のような周知の試験管内スクリーニング技術を用いることにより、適切なポリペプチド類似体の生体分子結合アプタマーを獲得できる。
【００２５】
さらに、本発明のもう一つの好ましい実施形態においては、多−高分子構造スイッチアセンブリが提供される。ここにおいては、多数の高分子構造スイッチが、実質的には直接といえるくらい近接に、お互いの基板にアンカーされ、これにより、多数のスイッチが、何らかの方法で、互いに相互作用し合うことが可能となる。たとえば、隣接する二つの高分子構造上のそれぞれの生体分子検体結合部位に、競合生体分子の異なる部分が結合され、両者を「開」形態にロックするように、高分子構造を配置することができる。このようなケースでは、第１の高分子構造からの競合生体分子の移動は、対応する生体分子検体によって行われるが、これはまた、「閉」形態へのフリッピングに対する第２の高分子構造のロックを解除することにつながる。このような高分子構造スイッチアセンブリは、これらを適切なテンプレートに一時的に結合させ（たとえば、大きな高分子テンプレートのそれぞれの部分にハイブリダイズする（hybridizing））、高分子構造スイッチの所望されるアセンブリを得て、このアセンブリの高分子構造スイッチを基板に固定し、次にテンプレートを除去することにより、準備される。
【００２６】
本発明の高分子スイッチのいくつかの好ましい実施形態は、トランジスタがシリコン素子に提供するのと同様に、基本的ビルディングブロックを論理回路に提供するという点において、多かれ少なかれ、トランジスタに類似している。従って、ここでは、これを便宜上、バイオトランジスタと呼ぶことにする。しかしながら、だからといって、本発明の範囲が、トランジスタのような性質または特徴を有する装置に限定されるというわけではない。疑義をなくすため記しておくが、ここで用いられる「バイオトランジスタ」という用語は、バイオトランジスタ装置が、その他の生体分子（あるいは、高分子構造が全く生体分子ではない装置）との相互作用のために用いられるか否かに関わりなく、上記高分子構造が一つ以上の生体分子を実質的に含んでいるトランジスタ型装置を示す。しかしながら、いずれにしても多少なりともの特異性をもって、生体分子との相互作用が可能な装置でなければならない。疑義をなくすため付け加えれば、ここで用いられる「生体分子」という用語は、有機体に存在する分子のみならず、どのような方法で得られられるものであれ、有機体に存在する分子に実質的に類似する何らかの特徴を有する全ての分子をも含むものである。たとえば、生体分子は、生物学的プロセスによって生成されたポリペプチドだけでなく、純粋に有機化学的合成プロセスによって生成されたポリペプチドを含み、さらには、全く人工的な、すなわち、自然界には存在しないポリペプチドをも含むのである。また、疑義をなくすため、次のことにも注意する必要がある。すなわち、ここで「生体分子」および「高分子」と呼ばれるものには、分離した個別分子、および、多かれ少なかれ密接に結合した複数の個別分子の結合体、の双方が含まれるということである。実際たとえば、ＨＪ（別途に、より詳細に記載）は、４本の核酸ストランド（あるいは、エンティティのようなもの）の結合体であり、４本の核酸ストランドが結びついて、１つの四本アーム高分子エンティティとなったものである（それぞれのアームは、互いに結びついた２本のストランドの部分で構成されている）。また、後の記述から明らかになるであろうが、本発明のいくつかの装置は、性質および／または機能において、他の装置よりもトランジスタ的であるが、トランジスタという用語は、本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明の理解を助けることを意図して用いられている、ということに留意されたい。
【００２７】
本発明によるスイッチ装置から獲得可能な総出力信号は、それぞれの装置に使用される高分子構造の数により、決定される。従って、本発明の装置は、複数の高分子構造を有することが好ましい。望ましくは５以上、より望ましくは１０以上、さらに好ましくは１００以上、さらに有利には１０００以上、最も有益には１００００以上の高分子構造が、各装置に使用される。
【００２８】
１つ以上の電気化学的入力装置は、イオン結合条件を伝達することを可能とする何らかの好都合な仕方で、異なるイオン結合条件を、高分子構造のイオン結合部位へと適用するよう構成され、配置される。一般的に、このことは、高分子構造を、上記入力装置と接近させて、「流動体インターフェース可能条件」に保つということを意味する。ここで用いられる「流動体インターフェース可能条件」という表現は、高分子構造と流動媒体との間の相互作用を可能とする何らかの好都合な仕方で、上記構造を支持するということを意味する。高分子構造を、適切な仕方で、適切な形態を有する基板にアンカーすると、都合よい。そうすれば、高分子構造は、装置の使用時に装置と接触する流動媒体内に存在する成分と、相互作用することが可能となる。このように、一般的に、高分子構造は、固体の基板上に設置されるが、たとえばゲルのような、多かれ少なかれより柔軟な、多かれ少なかれ透過性の基板内に、高分子構造を埋め込むことも可能である。当然、このようなケースにおいては、流動媒体内の標的成分が、ゲルを通過して高分子構造と連絡できるよう、孔サイズの充分大きいゲルを選択する必要がある。また、高分子構造が、第１の立体配置と第２の立体配置との間を自由に移行できるよう、孔サイズの大きさを充分にすることも重要である。さらに、高分子構造を、上記入力装置を備えたセルまたは容器内の溶液に、単に懸濁することも原理的に可能である。さらに、このようなセルは、流動体不透過性の壁で形成してもよいし、あるいは、いくつかのケースでは、少なくとも部分的に、透析膜のような透過性の壁で形成してもよい。さらに、こうした薄膜の孔サイズを適切に選択することにより、標的生体分子検体を含むサンプル溶液を薄膜の外側と接触させたまま、高分子構造を、電気化学的入力装置と直接接触するゾーン内に取り込むことも可能である。
【００２９】
少なくともいくつかの高分子構造、とりわけ生体分子による高分子構造は、ある何らかの条件下（たとえば、高および／または低ｐＨ）において、多かれ少なかれ変性またはその他のダメージを受け易い。従って、媒体（これを通じて、高分子構造は支持され、および／または生体分子検体とインターフェースする）の特性に関しては、このことを考慮に入れる必要がある。代替的に、または付加的に、高分子構造を変化させて、変性または分解に対して、ある程度安定させることも可能である。たとえば、ソラーレンのような交差結合剤を用いて、ハイブリダイズされたポリヌクレオチド配列を、ＨＪの１本以上のアームと交差結合させることにより、安定させる。このような方法は、たとえば、ＨＪ構造を継続して使用することができるよう、ＨＪ構造を損なうことなく、ＨＪ上で生体分子検体結合部位と結合した生体分子を除去することが望まれるような場合に、有益である。また、より安定したＨＪ構造は、サイズを拡大した天然塩基の類似体の使用（たとえば、Science, Vol 302 Issue 5646, 868-871において、Liu et alが議論しているような、二環式プリン塩基の三環式類似体、および一環式ピリミジン塩基の二環式類似体の使用）をベースとした、合成のポリヌクレオチド類似体を用いることによっても、得ることができる。疑義をなくすために付け加えるが、他に特別の文脈がない限り、ＨＪという用語は、変形ＨＪを含む意味で用いられる。
【００３０】
電極表面への生体分子のアンカーに関しては、いくつかの事項を心に留めておくべきである。電極は、各種導体または半導体のいずれかから選択される。その範囲は、銀、金、プラチナ、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、ニッケル、銅などの金属、およびこれらの（または他の金属の）合金に始まり、チタニウム、ニッケル、鉄、スズ、インジウム、タンタル、ストロンチウム、タングステン、ニオブ、イリジウム、モリブデン、ハフニウム、亜鉛、ジルコニウムなどの金属およびこれらのドープ物の半導体または導体酸化物、窒化物または酸窒化物に至る。また、炭素、導体および半導体分子の有機的組織、無機および有機電荷移動塩（たとえば、テトラチアフルバレン−テトラシアノキノジメタン）のような物質、および、カリウムヒ素のような半導体物質、または、ポリピロール、ポリチオフェンまたはポリアリニンのような導体ポリマーから、電極を選択することも可能である。
【００３１】
本発明において、生体分子は、一般に、次の３つの主なやり方で、電極またはその他の基板にアンカーされる。すなわち、物理吸着、化学吸着、または共有結合である。
【００３２】
物理吸着は、手続き的に比較的単純であり、たとえば、相補的電化エリアまたは類似の疎水性エリアとの非特異的相互作用に基づく。物理吸着は、制御されたオリエンテーションを与えない傾向にあり、ｐＨ、イオン強度、または溶媒の疎水性を変化させるという条件下において、可逆的でありうる。
【００３３】
化学吸着は、より特異的なオリエンテーション形態である。なぜなら、化学吸着は、表面と分子上の特定部分との優遇的相互作用に基づくからである。たとえば、チオールと金の間の相互作用、ホスホン酸と金属酸化物の間の相互作用などである。
【００３４】
生体分子の共有結合は、電極表面を、生体分子上の特異的官能基に対して本質的に活性に変化させるか、あるいは、これらと結合するよう活性化可能に変化させることにより行う。このための適切な処置として、炭素電極を酸化させて、表面にカルボキシル基を形成し、アミン基と結合するよう活性化可能にするという方法がある。もう一つの例として、官能基を有するモノシラン化合物（たとえば、エポキシド基を末端に有するシラン）を用いて、自己組織化共有結合分子層を形成し、たとえば金属酸化物上に、ポリマーを共有結合させる方法がある。特に、アミノシランは、二酸化チタンのような金属酸化物上に重合可能であり、これにより、生体分子表面上のカルボニル機能と反応可能な活性アミノ基を有する表面が形成される。上記両ケースにおいて、インターフェースを横断する電子移動を妨げることのないよう、表面のコーティングを充分に薄くする必要がある。ＨＪ構造におけるアームIIIの５′−末端上のアミノ基は、それ自体で、基板との直接的共有結合に用いることができる。代替的に、ビオチン分子のような結合部分を、ＨＪ構造のアームIIIの５′−末端に結合させることも可能である。アンカー用には、ＨＪ構造のアームIIIの５′−末端の使用が、一般的により好都合ではあるが、要望されるのであれば、３′−末端を用いてアンカーすることも可能である。
【００３５】
さらに、こうした技術を組み合わせて、生体分子のアンカーに適切な表面を形成することも可能である。たとえば、ポリエルリジンのようなポリイオンを、電荷対合に基づいて、帯電した電極表面に物理吸着させることができる。ポリエルリジンは、アミノ側鎖を有するポリペプチドであるため、そのアミノ基を、生体分子上の活性化カルボニルと結合させることが可能であり、あるいは、生体分子と交差結合させて共有結合を得ることもできる。また、二官能性アルキルチロールの化学吸着により、金の表面を、生体分子結合に反応する表面へと変化させることが可能である。たとえば、メカプトプロビオン酸を金に化学吸着することにより、バルク溶液内に達するカルボキシル酸部を伴った、自己組織化単分子層を得ることができる。こうしたカルボキシル基は、カルボジイミド反応により、生体分子上のアミン基と反応するよう活性化され得る。
【００３６】
高分子構造は、物理的閉じ込めによっても、アンカーすることができる。これは、形成中に生体分子を取り込むことが可能なよう寸法調整された孔サイズを有する高分子網目、ソル・ゲルまたはヒドロゲル基板の形成、により行われる。これにより、生体分子に安定した環境を与えることができるが、周囲マトリックスにより、その他の生体分子との相互作用は、多かれ少なかれ制限される。また、閉じ込めは、共有結合性の固定化ではないため、多かれ少なかれ、浸出する傾向にある。従って、ゲル基板または他の高分子網目基板を使用する際は、高分子構造を基板内に効果的に維持することができるよう、適切な孔サイズ、適切な空洞サイズを有するようにすることが重要であり、同時に、高分子構造が第１および第２の立体配置間を自由に移動できるようにしなければならず、さらに、標的生体分子が、閉じ込められた高分子構造に自由にアクセスすることをも可能にするものでなくてはならない。適切なゲルには、たとえば、ポリアクリルアミドゲル、多糖類ヒドラゲル（たとえば、カルボキシメチルデキストラン）などがある。ゲルを使用する場合、高分子構造をゲルマトリックスと共有結合させて、長期にわたって流出を防止するようにすることも可能である。さらに、高分子構造を、比較的強い非共有結合（たとえば、ストレプトアビジンへのビオチン結合）によってアンカーすることも可能である。
【００３７】
高分子構造の立体配置状態および／または生体分子検体結合部位に結合した標的生体分子検体の存在を読み取るために、様々な手段が使用されうる。標的生体分子検体が標識されている場合は、非結合物質を除去した後、標識物質をモニターするといった通常の方法により、単純に結合検体を検出できる。放射線標識、蛍光プローブ標識（量子ドットを含む）、酸化還元標識をはじめとする多くの標識システム、および、ストレプトアビジンをコーティングした粒子によるビオチン混入の検出といった間接的標識システムを用いることができるが、これらはこの分野では周知である。
【００３８】
一般的に、本発明に用いられる高分子構造の、異なる立体配置状態は、高分子構造の特定部分（第１および第２）の分離距離の相違に対応する。従って、立体配置状態の変換は、分離感知信号伝達システムを用いることにより、都合よくモニターすることができる。こうしたシステムは、一般的に、高分子構造の上記第１および第２の特定部分上に、直接的または間接的に設置されたそれぞれの出力装置コンポーネントを含む。好ましくは、上記コンポーネントの少なくとも一つは、高分子構造の上記部分（第１）に直接的に設置される。第２の出力装置コンポーネントは、高分子構造のもう一つの部分上（たとえば、ＨＪ構造の場合、もう一本のアーム上）に設けてもよいし、代替的に、標的生体分子検体上設け、該生体分子検体が、生体分子検体結合部位と結合した場合にのみ、高分子構造に組み込まれるようにしてもよい。
【００３９】
分離感知信号伝達システムは、ある意味で、従来的トランジスタ装置のデータキャリア信号部に類似している。すなわち、連結回路の一部から受信した入力信号が印加される入力「接続」、および、信号処理回路のもう一つの部分へと出力信号を送る出力「接続」を有しており、これら出力および入力信号間の関係は、電気化学的制御信号入力に依存し、これにより、データキャリア信号部が、制御信号入力に関するデータを含んだ出力信号を提供するようになっているという点で、両者は類似する。このように、信号処理回路のそれぞれの部分から（へと）受信、送信され、分離感知信号伝達システムを通過する、上記入力および出力信号は、「トランジスタ」からデータを運び出すために使用される。
【００４０】
本発明においては、様々な分離感知信号伝達システムが使用可能である。本発明の好ましい実施形態の一つにおいては、第１の部分上に設置されたドナー蛍光プローブ、および第２の部分上に設置されたアクセプタ蛍光プローブにより構成される、ＦＲＥＴシステムが使用される。この場合は、光信号がドナーに「入力」されてドナーを励起し、次にドナーがエネルギーを（非放射的に）アクセプタに移動し、その後アクセプタが光出力信号を提供する。ドナーからアクセプタへのエネルギーの移動は、両者間の距離に応じて反応し、これにより出力信号の強度に作用する。非放射的エネルギー移動が起こるためには、ドナーおよびアクセプタ蛍光プローブが、比較的近く（一般的には１０ｎｍ以下、有益には０．２〜１０ｎｍ、好ましくは２〜８ｎｍの範囲）に存在している必要がある。ＦＲＥＴが起こった場合は、アクセプタ蛍光プローブからの出力信号（より長い波長を有するため、ドナー蛍光プローブの蛍光放射信号と区別できる）の存在により、これが示される。また、ドナー蛍光プローブの蛍光放射信号レベルが低くなることによっても、ＦＲＥＴが起こったことが分かる。本発明のもう一つの好ましい実施形態においては、単一種類の蛍光プローブだけを、消光剤と併用して使用する。この場合は、光信号がドナーに入力され、次にドナーが出力信号を提供する。この場合における出力信号の強度は、蛍光プローブと消光剤との距離に応ずる。
【００４１】
本発明における実施例の一つにおいて、分離感知信号伝達システムの入力および出力信号は、光信号である。この光信号は、装置の使用時に高分子構造が支持される水性媒体を通じて、容易に伝達され、また、適切な電子工学的、光電子工学的または光工学的な処理エレメントに、ある程度容易に、組み込むことが可能である。
【００４２】
本発明のスイッチ装置へのデータキャリア信号の入力は、上記信号処理回路の一部において、信号処理回路の形態および性質に応じた適切な方法で、行われる。実質的に電子的な回路の場合、発光ダイオードやレーザのような電子−光学的変換器が用いられ、分離感知信号伝達システムと共に使用するのに適した周波数の光放射を発生させる（これについては、後述する）。この光放射は、電子−光学的変換器から、実質的に直接、あるいは適切な導波路を介して、高分子構造の分離感知信号伝達システムの「入力接続」コンポーネントが支持された溶液へと伝達される。
【００４３】
本発明のスイッチ装置からの分離感知信号伝達システム信号の出力は、上記信号処理回路のもう一方の部分において、光学的データキャリア信号の出力を収集し、これらをその後の処理のため電子的信号に変換することが可能な、適切な形態の光学−電子的変換器を用いて、受信される。
【００４４】
さらに、立体配置状態の読み取りに、非分離感知システムを用いることも可能であり、たとえば、高分子構造の物理的変化（たとえば、一般的には、高分子構造全体の静電容量および／または抵抗および／またはインダクタンスに基づいた電気化学的インピーダンス）に基づいたシステムを使用することができる。さらには、たとえば、高分子構造層の厚さの変化のような物理的変化に基づいた、その他の物理的パラメータによるモニターシステムを使用することも可能である。
【００４５】
疑義をなくすため記しておくが、ここで信号処理回路と呼ばれるものには、あらゆる種類および程度の信号調整、増幅およびコンピュータ処理が含まれる。たとえば、とりわけ、以下の一つ以上の論理的コンビネーションが含まれる。すなわち、他の生体分子トランジスタ装置からの対応データキャリア信号の出力、増幅、デジタルおよびアナログ機能またはその他の電子的処理、グラフ表示出力への変換など、である。
【００４６】
生物学的高分子構造の、異なる立体構造間の変換またはフリッピングは、適切な異なるイオン結合条件を、高分子構造の一般的および／または特別な性質に応じて、高分子構造のイオン結合部位に適用することにより実行される。本発明の好ましい実施形態において、高分子構造は、「分岐点」から延びる二対のアームを有するホリデージャンクション（Holliday-Junction）構造（ここでは、便宜上、「ＨＪ」と呼ぶ）で構成される。いわゆる「開」形態において、各アームは充分に伸ばされ、すなわち、いわゆる「Ｘ構造」に広げられ、この状態から「閉」形態、すなわち、各ペア内の二本のアーム同士が、実質的に、他方のペアのアームよりも互いに近接して存在する「並び」構造へと、フリップされる。自然発生のＨＪにおいては、一般的に、ペア内のアームの異なる組み合わせによって、二つの「閉」形態が可能である。同様に、自然発生のＨＪの場合、一般的に、分岐点はＨＪ構造内を移動する。後述するように、ＨＪ分岐点内のポリヌクレオチド配列を適切に選択することにより、こうした移動を防止することが可能である。同様に、一方の「閉」形態を、ある程度まで優先的に発生させることも可能である。たとえば、添付図面の図１に示されるように分岐点の配列を組み合わせれば、二つの「閉」形態が、通常ほぼ９５：５の比率で存在するようにすることが可能である。実質的に一つの「閉」形態を有するＨＪを用いる方が、一般的には簡易であり便利であるが、同程度の個体数で二つの「閉」形態を有するＨＪを用いることも可能である。このようなケースでは、異なる二つの「閉」配座異性体のイオン結合条件は、互いに同一であり、当然ながら、「開」配座異性体のイオン結合条件とは、異なる。異なる立体配置の「閉」形態におけるペア内のアーム（もう一つの「閉」形態が用いられる場合も含めて）は、ＨＪ構造の他のいかなる立体配置におけるアームの組み合わせよりも、互いに近接している。
【００４７】
次に述べることにより、本発明を限定するつもりは全くないが、ＨＪにおける「開」および「閉」形態間のフリッピングは、分岐点地域におけるイオン結合部位のイオン結合条件により、少なくとも二つの異なる方法（糖リン酸基幹の負に帯電したリン酸部を、陽イオンにより分岐点内にシールドし、両者の反発作用を低減させる方法、および、分岐点付近で糖リン酸基幹に陽イオンを特異的に結合させる方法など）で、引き起こされると考えられている。さらに、次の効果を、追加することができる。すなわち、我々は、ナトリウムやカリウムのような１価のイオン、マグネシウムのような２価のイオンをはじめとする、分岐点に入り込むのに充分小さい様々な金属イオンを用いて、効果的にスイッチングを制御することが可能であり、かなり濃度が低い場合には、２価のイオンの方が１価のイオンよりも効果的であるということを、発見したのである。また、我々は、大き過ぎて分岐点内に入れない大イオン（たとえば、スペルミジンのような多かれ少なかれ有機的なイオン）も、スイッチングを制御するのに効果的である、ということを発見した。このケースでは、これらのイオンは、分岐点付近での糖リン酸幹部との特異的結合を通じて、効果を発揮する。（一方、たとえば、テトラメチルアンモニウムのような、いくつかの大イオンは、いずれにしても効果的ではないようである。しかしながら、試行錯誤によって、さらなる適切イオンを、容易に決定することがでるだろう。）さらに、一つのタイプのイオン（たとえば、スペルミジン）を、「開」から「閉」形態へのスイッチングに必要とされるレベル未満で用いることにより、その他のタイプのイオン（たとえば、マグネシウム）がスイッチングを実行するために必要な最低限の濃度レベルを、かなり引き下げることも、発見された。
【００４８】
特に便利で有益なのは、酸化還元電位の変化により、多かれ少なかれ容易に電荷を変化させることが可能な、有機金属配位錯体である。これにより、異なる電荷のイオン間の立体配置フリッピングに必要とされるイオン濃度に、充分な相違がある場合、イオン結合条件の制御を容易に行うことが可能となる。このようなイオンシステムの適切な例として、Ｆｅ（ｂｉｐｙ）32+＜−−＞Ｆｅ（ｂｉｐｙ）33+が挙げられる。
【００４９】
以上から、必要とされるイオンの総量は、使用される個々の高分子構造、および、ある程度の物理的条件（たとえば、温度）に左右されるだけでなく、存在する高分子構造の総量にも左右されるということが、理解されるであろう。各ケースにおける適切な量は、試行錯誤によって、容易に決定されるであろう。しかしながら、典型的には、適切なＨＪを１マイクロモル含んだ本発明の高分子構造スイッチの場合、１００マイクロモルのＭｇ2+必要である（Duckett et al ENBO Journal 9 (1990) 583-590）。
【００５０】
また、いくつかのケースにおいては、本発明の高分子構造スイッチを、通常の状態において、「開」または「閉」であるように構成することも可能である。たとえば、「閉」形態に対応する高濃度のイオン結合条件下に置かれてはいるものの、「開」形態にロックされ、「閉」形態へのフリッピングが阻止されているＨＪの場合、ロックが解除され次第、自動的に「閉」形態へとフリップする。このような状況において、ロック要素として、一つ以上の生体分子検体結合部位と結びつく競合生体分子の結合形式を使用すれば、標的生体分子検体で高分子構造スイッチに接触することにより、直ちに立体配置のフリッピングが実行される。
【００５１】
様々な異なるポリヌクレオチド配列を、本発明のＨＪに使用することができるが、いくつかの理由（たとえば、ＨＪ構造の寸法安定性、フリーラジカルなどによるダメージに対する耐性、データキャリア信号伝達システムの機能などの一つ以上）により、あるいくつかのタイプの配列が、より好ましい。データキャリア信号の伝達にＦＲＥＴシステムを使用する場合、局所的な蛍光プローブＤＮＡの消光相互作用を最低限に抑えるため、ドナーおよびアクセプタ部を５′−末端Ｔヌクレオチドに結合させる。さらに、分岐点とドナーおよびアクセプタ蛍光プローブ間のポリヌクレオチド配列の長さを、充分に長くして、ＨＪの開閉の立体障害となること回避し、ＨＪの「開」形態において、データキャリア信号伝達がスイッチオフされることを確実にする必要があるが、「閉」形態において、データキャリア信号の伝達を妨げてしまう程、長くしてはならない。ＦＲＥＴシステムが用いられる場合、ドナーおよびアクセプタ蛍光プローブは、分岐点から４〜１０の塩基、有益には分岐点から６〜８の塩基上に設置されるようにすることが好ましい。「開」状態からスイッチングされた際に、「閉」配座異性体の双方が、かなりの割合で存在するＨＪにおいて、各「閉」配座異性体へのフリッピングをモニターすることが所望される場合は、ＨＪアームを担ったドナー部分と、第２の「閉」配座異性体においてペアを作るＨＪアームの他の一つに、追加のアクセプタ部分を供給することにより、「閉」配座異性体の各々についてＦＲＥＴモニタリングを実行することが可能となる。さらに、異なる出力波長を有する２つのアクセプタ／ドナーシステムを用いることにより、２つの「閉」配座異性体の一方または他方へのスイッチングを区別することが可能となる。
【００５２】
アンカーされたＨＪアームは、その他のアームの支持をより安定したものとするために、少なくとも１つの完全な二重螺旋回転を提供することが好ましく、そのために充分な長さであることが望ましい。また、ＨＪの固定されたアームを、基板表面から実質的に直立状態で突き出るように支持する、いわゆる三脚架固定分子を用いて、寸法安定性を高めることもできる。これにより、標的分子との相互作用、立体配置スイッチングなど（Long B., Nikitin K., Fitzmaurice D., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 5152-5160の例を参照）の１つ以上に関連して所望されるＨＪ構造の作用への妨害を、低減することが可能となる。また、アームのポリヌクレオチドストランドを、適切な結合分子で一まとめに結合することによって、これらの分離に対して、ＨＪ構造の安定性を高めることができる。比較的ＧＣが豊富なエリアをＨＪ構造内に設けて、ＨＪ構造の要部をフリーラジカルによるダメージから保護することも、有益である。
【００５３】
上記に鑑み、使用するポリヌクレオチドの長さは、少なくとも１３塩基、有益には２１塩基以上、そして一般的にはおよそ５５塩基以下にすることが好ましい。しかしながら、標的分子と結合するためのポリヌクレオチド配列「延長部」とともにＨＪが使用される場合は、個々のポリヌクレオチド配列をもう少し長くしてもよい。このような延長部が使用される場合は、当然ながら、所望される結合特異性を提供するのに充分な長さが必要とされるが、典型的には１３塩基以上、都合よくは２１〜６５塩基である。
【００５４】
従来的なＨＪ（本質的にポリヌクレオチド配列によって構成される）と実質的に同じやり方でフリップ可能な、それぞれ異なる第１および第２の立体配置を有する擬似ＨＪ構造を、分子種によって構成することもできる。この場合、ＨＪの４本アーム構造部分は、多かれ少なかれ、非ポリヌクレオチド物質で構成され、また、高分子構造の作用および適用と矛盾しないその他の有機および／または無機物質で構成してもよい。ただし、少なくとも、擬似ＨＪ高分子構造の分岐点は、ＨＪ同様、相互作用する４つのポリヌクレオシド二量体配列成分を有していなければならない。（自然発生的なＨＪは、ポリヌクレオチドによって構成されるが、擬似ＨＪ高分子構造もまた、相当するポリヌクレオチドのポリヌクレオシド成分によって構成される。）上述したように、様々な比率で２つの「閉」配座異性体を有することが可能な、様々な異なるＨＪ高分子構造が知られている（Hays et al Biochemistry 42 2003 9586-97の例を参照）。特に適切なポリヌクレオチド二量体配列成分の組み合わせを一つ挙げるなら：ＴＣ，ＧＴ，ＡＧ，およびＣＡ（図１におけるＨＪに示される）である。従って、ここにおけるＨＪ構造についての記述は、文脈により明確にそうでないことが示されない限り、擬似ＨＪ構造をも含むものである。
【００５５】
本発明において使用される、分離感知データキャリア信号伝達システムのもう一つの形態において、入力および出力「接続」は、高分子構造の第１の部分に提供する蛍光プローブ部と、高分子構造の第２の部分に設けられた消光部とにより構成される。このケースにおいて、蛍光プローブが、励起波長放射源（入力信号に相当する）からエネルギーを受け取ると、もう一方の波長の放射（検出される出力信号に相当する）を送信しつつ蛍光を発する。獲得される出力信号の強度は、蛍光プローブの付近に存在する全ての消光剤に敏感に反応する。従って、高分子構造が、第１の立体配置から第２の立体配置へと変換されると、蛍光放射の消光が変化し、これにより出力信号が変化する。
【００５６】
消光調節は、従来的ＦＲＥＴシステム（ドナー蛍光プローブからアクセプタ蛍光プローブへのエネルギー移動に基づく）を用いても行うことができる。ここでは、アクセプタへのエネルギー移動は、ドナーとその他の物質（たとえば、ＤＮＡ）との密接な相互作用によって、消光される。このようなケースでは、標的分子をＨＪの部分にハイブリダイズすることにより、上記のような相互作用を低減することができ、これにより、消光効果が低減され、アクセプタからの出力信号が増加する。
【００５７】
ＨＪ構造の完全性を維持するため、すなわち、ポリヌクレオチド配列が互いに分離するのを防止するため、適切な予防措置を講じなければならない。たとえば、ＨＪ構造は、適合したイオン強度のＨＪ水媒体とインターフェースさせて維持される。一般的に、媒体は、少なくとも２０ｍＭの塩を含有する必要がある。特に便利な塩は、ＮａＣｌであるが、ＫＣｌのようなその他の塩も使用可能である。好ましいイオン強度は、５０〜７０ｍＭである。しかしながら、その他の方法によって、ＨＪの完全性を維持することもできる。たとえば、ポリヌクレオチドストランドを一緒に交差結合（後に詳述する）する方法があり、イオン強度があまり好ましくない場合や、その他のいくぶん不利な条件下でも、有効である。
【００５８】
このようなホリデージャンクション（Holliday-Junction）構造を用いれば、イオン結合条件を変えることにより、第１および第２の立体配置間における構造の変換を、様々な方法で行うことが可能になる。たとえば、イオン強度および／または水媒体の構成を変えるといった物理的および／または化学的摂動、水媒体に印加する電圧の変更（無電圧からの変更も含む）、水媒体の温度または圧力の変更、および、特異的相互作用（たとえば、多重水素結合）−イオン強度により引き起こされるような一般の物理的相互作用とは異なる−を有する水媒体内の、特定の有機または無機分子の濃度の変更などの方法がある。たとえば、マグネシウムイオンは、個別のＨＪ構造を、「開」形態から「閉」形態へとスイッチングする特異的効果を有しており、Ｎａ+やＫ+のような１価の陽イオンの場合よりも、遙かに低い濃度において効果を発揮する。ＨＪを「開」形態から「閉」形態へとスイッチするために必要とされるＭｇ2+の濃度は、一般的には、少なくとも１００μＭであり、都合よくは１０〜５０ｍＭである。その他の様々な２価および多価陽イオンも、同じように使用することができる。［Ｃｏ（ＮＨ3）6］3+のような種は、レドックス（redox）活性［Ｃｏ（ＮＨ3）6］3+＋ｅ- ＜＝＞［Ｃｏ（ＮＨ3）6］2+であり、異なる濃度においてＨＪのスイッチングを誘発するため、有益に使用することができ、この種を、１つのレドックス状態からもう１つのレドックス状態へと変換することにより、立体配置スイッチングを電気的に行うことが可能となる。
【００５９】
プラスに帯電した生体分子との、多かれ少なかれ特異的な相互作用を用いることにより、生物学的高分子構造を、第１および第２の立体配置間で変換させることも可能である。この場合、たとえば、スペルミジンのようなポリアミン種、および、わずか１００μｍ、都合よくはおよそ２〜５ｍＭのヘキサミンコバルトの存在下において、ＨＪ構造は、「開」配置から「閉」配置へと変換する。
【００６０】
ＤＮＡ、ＲＮＡ、ポリペプチド、タンパク質、およびこれらいずれか間の相互作用により形成される錯体などの高分子構造を、１つ以上を含むその他の生物学的高分子構造の場合は、さらに、たとえば、イオン強度およびイオン構成、溶媒組成、光励起、ｐＨ、分子結合、レドックススイッチングおよび電界など、その他の手段によっても、立体配置を変換することができる。適切な高分子構造の特異的例が、数多く知られている。たとえば、Rosengarth & Luecke (J Mol Biol 2003 Mar 7; 326(5): 1317-25)は、立体配置的にスイッチ可能なポリペプチドＡｎｎｅｘｉｎ  Ａｌに関するものであり、Backstrom et al (J Mol Biol 2002 Sep 13; 332(2): 259-72)は、立体配置的にスイッチ可能なポリペプチドＲＵＮＸｌ  Ｒｕｎｔに関するものである。その他様々な高分子構造が、標準的な反復スクリーニングと増幅により、多かれ少なかれ容易に、獲得可能である。たとえば、ポリヌクレオチド（ＤＮＡおよびＲＮＡを含む）に使用されるＳＥＬＥＸ（前記参照）や、ポリペプチド配列に使用されるファージ表示法を用いることにより、獲得できる（Methods Enzymol. 364 (2003) 118-142参照）。また、本発明による適切なポリペプチド高分子構造スイッチは、イオンと結合することによりフリップされる異なる立体配置を有する金属酵素を含む。本発明による高分子構造において、特に好ましい構造は、１つ以上のポリヌクレオチドを含むものであり、最も好ましい構造は、ホリデージャンクション（Holliday-Junction）を含むものである。
【００６１】
ここで述べられる高分子構造の、よく知られた形態の１つに、いわゆる「亜鉛フィンガー」があるが、これは立体配置的に変換可能な部分（概して直線的に伸長した形態から、ＤＮＡと結合するループ形態へとスイッチする）を有するポリペプチドにより構成される（Wolfe et al Biochemistry 42 (2003) 13401-9参照）。このケースにおいて、第１および第２の分離感知データキャリア信号伝達部分（たとえば、ＦＲＥＴシステムにおけるドナーおよびアクセプタ蛍光プローブ）は、亜鉛フィンガー構造の第１および第２の部分上の、上記立体配置的に変更可能な部分の対向する端部に設置され、亜鉛フィンガーが立体配置をスイッチするにつれ、互いに接近したり離れたりする。
【００６２】
いくつかの生物学的高分子構造において、上記第１および第２の立体配置は、いくぶん厳格に定義された安定状態に対応する。これにより、両配置間における変換は、本質的にバイナリーまたはデジタル方式で運行し、バイナリーまたはデジタル出力信号（０または１など）を発生する。高分子構造の立体配置のフリッピングにより、実質的に量子化された出力信号を提供できるということが本発明の際だった特徴ではあるが、一方、アナログ型の出力信号を得ることも可能である。たとえば、次のような状況下では、アナログ型の作用が獲得される。すなわち、標的分子の数が、高分子構造の数よりもかなり少なく、積極的な出力信号をいくつかの高分子構造からしか得ることができないため、出力信号の強度が、標的分子の濃度に左右されてしまうような場合である。
【００６３】
本発明の高分子構造スイッチは、原則として、従来的なトランジスタ装置と本質的に匹敵する単純な方法で使用される。たとえば、論理的処理またはその他の目的のためのスイッチとして使用されるが、これは、電子的制御信号を入力して、第１および第２の立体配置の一方から他方へと、高分子構造を変換させることにより行われる。しかしながら、ここに提供されるスイッチ装置は、生物的相互作用能力を有しており、これこそが、本発明の際だった特徴であり、利益である。このことは、数多くの異なった方法で、実現可能である。
【００６４】
本発明の好ましい実施形態の一つにおいては、高分子構造の立体配置を、一般的に生物学的制御信号の入力によって変換させることにより、スイッチ装置を使用する。信号入力手段は、少なくとも高分子構造の部分に対して、多少なりとも特異的な結合または複合親和力を有する生体分子の形をとり、たとえば、特別なイオン強度、電界、等々の条件の少なくともいくつかの下において、立体配置の変換を引き起こす。たとえば、上述したように、通常は「開」形態の高分子構造スイッチ、すなわち「競合」生体分子がＨＪの２本アームと交差結合した状態にある（したがって、不完全な相手との生体分子結合）高分子構造スイッチは、より相性のよい標的生体分子検体の競合的結合により、変換可能である。
【００６５】
一般的に、少なくともいくつかのケースにおいて、異なる立体配置間における変換またはフリッピングは、高分子構造の性質に応じて、イオン結合条件に作用する２つ以上の異なる制御信号、たとえば、電圧とイオン強度、を入力することにより獲得できる。したがって、様々な異なる入力制御信号の組み合わせが、使用可能であり、これらは、立体配置の変換に対し、足し算的および／または引き算的効果（さらには、多次元的効果）をもって作用する。何らかの制御信号の入力効果は、存在するその他の（第２の）制御信号入力に、多かれ少なかれ左右される。このことは、また、他の１つ以上の制御信号入力（および生体分子結合の強度）を適切に選択することによって、望まれる制御信号入力に対する立体配置装置の作用感度を、調整したり、切り替えたりすることを可能とする。一般に、高分子構造スイッチは、高分子構造のスイッチング直前のイオン結合条件が、スイッチングを実行するために使用される様々なイオン結合条件の閾値に近接であるように、構成されており、これにより、スイッチングのために必要とされるイオン結合条件の変更を、最小限に抑えている。本発明のもう１つの好ましい実施形態においては、立体配置「ロック」装置の制約に対抗して、スイッチされた立体配置の方に、高分子構造を予め偏向させてる。
【００６６】
また、制御信号入力を組み合わせて、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＡＮＤ、ＸＯＲなどのような論理ゲートエレメントを形成することも可能である。たとえば、ＡＮＤの論理機能は、以下の通りである。
【００６７】
（表１）
制御信号入力            データキャリア信号出力
（１）    （２）
−        −                    −
−        ＋                    −
＋        −                    −
＋        ＋                    ＋
【００６８】
本発明のもう一つの実施形態において、生物的相互作用能力は、少し異なったやり方で、すなわち、トランジスタ装置のデータキャリア信号伝達部の一部として、具現化される。より詳細には、高分子構造の上述した第１および第２の部分の少なくとも１つは、別個の高分子構造部分によって構成される。この部分は、錯体化または親和結合により、残りの高分子構造と結びついている。この実施形態においては、いかなる制御信号入力条件下にあっても、出力信号の獲得は、残りの高分子構造と結びついた、上記別個の部分に左右される。このように、多かれ少なかれの特異性をもって、残りの高分子構造と結合または錯体化する別個の高分子構造を使用することにより、残りの高分子構造が支持された溶液内において、上記別個の標的高分子構造部分の存在を検出することが可能となる。
【００６９】
典型的な実用化において、別個の高分子構造部分は、データキャリア信号伝達部の入力接続および出力接続（たとえば、ＦＲＥＴシステムにおけるドナーまたはアクセプタ部分）の各自で標識された、標的生体分子によって構成され、残りの高分子構造は、多かれ少なかれの特異性をもって、この標識生体分子の少なくとも一部と錯体化または結合する接続部を有する。このケースでは、標識された標的生体分子が、残りの高分子構造と結合または錯体化している場合にだけ、機能するスイッチ装置が存在する。
【００７０】
このような機能するスイッチ装置の存在は、次に、適切な制御信号入力を変化させて、高分子構造の立体配置を変換させる（高分子構造トランジスタ装置の分離感知信号伝達システムにおける作動不能条件および作動可能条件に対応する立体配置間で、高分子構造を変換させる）ことにより、選択的に読み出される。
【００７１】
さらなる態様として、本発明は、次のようなプロト−バイオトランジスタ装置を提供する。すなわち、高分子構造の第１および第２の部分の一方のみに、データキャリア信号伝達部の入力接続または出力接続を設け、プロト−バイオトランジスタ装置の使用時において、上記第１および第２の部分の他方の部分を有する標的生体分子と選択的に結びつく結合部分を備えた、プロト−バイオトランジスタ装置である。高分子構造の第１および第２の部分の他方で「標識された」生体分子が、プロト−バイオランジスタと結合すると、機能的プロト−バイオトランジスタへの変換が起こり、その作用により、こうした結合が発生したことが示され、これにより、標的生体分子の存在が示される。
【００７２】
本発明の高分子構造スイッチは、特定の結合相互作用の強度を測定するために、使用することもできる。これは、次のようにして行われる。上記バイオトランジスタ装置の第１および第２の部分の各々と連結した、高分子構造の第１および第２の各部分の上にそれぞれの結合相互作用相手を設置する。これらの相手同士が結合すると、通常起こり得る高分子構造の第１および第２の立体配置間の変換を、阻止し、制約し、または促進する。ある一定の制御信号入力において得られる変換の程度、および／または、ある一定程度の変換（および／または現行結合の断絶）を実行するために必要とされる制御信号入力レベルにおいて得られる変換の程度を、適切な制御バイオトランジスタ（いかなる結合相手とも結びついていない状態、および／または、周知の結合相互作用強度の結合相手を伴った状態）の場合と比較することにより、標的結合相互作用における結合強度についての指示を得ることが可能である。また、特定の標的ＤＮＡとハイブリダイズするように意図されたポリヌクレオチドが、該ＤＮＡの異型（１つまたは２つの塩基が、正確に適合しておらず、その結果、ハイブリダイゼーションの程度を低下させ、結合を弱める）とハイブリダイズした場合に生じる結合強度の差違を、検出することも可能である。このようなケースにおいて、異型は、なお積極的な出力信号を提供するため、通常の標的ＤＮＡと区別される異型の存在は、ＨＪ伸長部とそこに結合したＤＮＡ間の結合強度をプローブするこのによってのみ、検出可能である。このことは、一塩基異変多型やその類似物が存在する場合に、特に重要である。
【００７３】
ＨＪバイオトランジスタの場合、結合相手は、原則として、アームのどの組み合わせの上に設定してもよいが、特定のアームの組み合わせ上の特定の位置に結合相手を設定すると、他の場合よりも、立体配置の変換に対する阻止効果が高まる。したがって、実施においては、望まれる結合相互作用の強度や、標的結合相互作用に挑戦する（対抗する、または打ち克つ）ために入手可能な制御信号入力の強度などに照らして、結合相手の設定位置を選択する必要がある。
【００７４】
ＨＪのような高分子構造の場合、立体配置的に変換する高分子エンティティは、たとえば、単に特異的結合部分を設置するために用いられる高分子構造によって、多かれ少なかれ「伸長」されている。この特異的結合部分は、標的生体分子との結合、標的結合相互作用の結合相手の設置、基板の固定などの用途に使用するものであり、したがって、立体配置的に変換する高分子エンティティと、必ずしも同じ性質ものである必要はなく、また、少なくともいくつかのケースにおいては、性質的に生体分子である必要もない。
【００７５】
好ましくは、たとえば共焦点走査型顕微鏡、または適切な放射波長感度を有するフォトダイオード（Physics of Semiconductor Devices, Sze S. M., John Wiley(1981) 参照）のような信号読み取り装置を、信号伝達装置からの信号出力を読み取るために連結する。たとえば、フォトダイオードの光検出器のような装置エレメントは、集積回路マイクロ加工技術により、基板内に組み込むことができるため、特に便利である。
【００７６】
本発明の信号伝達バイオトランジスタには、様々な種類の信号伝達装置を用いることができる。信号伝達システムの特に便利な形態の１つは、蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）であり、ここにおいて、入力および出力接続は、ドナーおよびアクセプタ蛍光プローブで構成される。適切なドナー蛍光プローブには、すでに市販されているシアニン３（Ｃｙ３）およびフルオレイセンが含まれる。適切なアクセプタ蛍光プローブには、すでに市販されているシアニン５（Ｃｙ５）およびローダミン（テトラメチルローダミン）が含まれる。Ｃｙ３は、５３２ｎｍの励起波長を有し、Ｃｙ５は、５８０〜６００ｎｍの範囲の出力放射を提供する。一般に、このような信号伝達では、適切な光源を用いて、ドナー蛍光プローブに第１の波長の放射を供給し、ドナー蛍光プローブは、非放射的にエネルギーを放出する。アクセプタ蛍光プローブが、ドナー蛍光プローブから予め定められた範囲内（典型的に、１０〜１００オングストローム）に存在する場合、アクセプタ蛍光プローブは、ドナーから受け取ったエネルギーを、第２の波長の出力信号に変換することができ、これは適切な画像分光装置を用いて検出可能である。
【００７７】
第２の波長の出力信号が検出された場合、このことは、アクセプタとドナーが複合体で存在しており、高分子構造において、両蛍光プローブは、互いに充分接近し、エネルギー移動が可能な立体配置にある、ということを示す。さらに、ドナーとアクセプタ蛍光プローブの分離について、および／または、たとえば他の部分によるケンチング／消光（これにより、単一の蛍光プローブシステムの使用が可能となる）に起因する蛍光の減少について、詳細な追加情報が必要な場合は、周波数領域蛍光寿命画像顕微鏡検査（ＦＬＩＭ）（Lacowicz, Proncipeles of Fluorescence Spectroscopy,Princeton University Press）や、Total Internal Reflecion Fluorimetry（ＴＩＲＦ）のような、より精巧な出力信号画像解析技術を用いることにより、獲得できる。
【００７８】
その他にも、本発明には、様々な形態の信号伝達システムを用いることができる。その一つとして、電子化学的システムが挙げられるが、ここでは、たとえば、生体分子のアームの１本に繋がれた酵素の、レドックス活性部位の周囲環境を、生体分子の立体配置を変換することにより変更し、他方のアームに繋がれた酵素阻害物質の相対運動を誘発する。このことは、酵素の反応度に影響を与え、したがって、酵素反応によって起こる触媒電流に作用し、電子化学的信号出力を発生させる。また、この触媒システムは、信号出力の増幅を提供することもできる。
【００７９】
一般に、ＨＪ構造が第１および第２の立体配置間で変換すると、信号伝達装置を構成する蛍光プローブの分離に、比較的大きな変化をもたらす（たとえば、およそ１ｎｍの分離からおよそ１０ｎｍの分離へと変化する）。したがって、明確に区別される２つの信号出力を確実に得ることが可能であり、これにより、コンピュータ装置への使用に適した、バイナリー信号伝達能力が提供される。これに関連して、必要であれば、相互作用するコンポーネントの位置（高分子構造において、比較的移動可能な部分である）においてを、注意深く選択することにより、分離感知読み出しシステムの感度を、最大限に高めることが可能である。
【００８０】
上述したように、様々な種類の分離感知信号伝達システムが、本発明のバイオトランジスタ装置に使用できる。なお、使用される電源接続および出力信号接続は、信号伝達の性質により異なる。たとえば、ＦＲＥＴ信号伝達を用いる場合は、複合的構成要素と光学的に連結された光導波路の形態であることが好ましい。コンポーネントは、原理的には、たった１つの複合体のみを使用してもよいが、一般的には、ある程度多数の複合体を用いた方が実用的であり、信号レベルの操作が容易になり、エラーの疑いが減少し、したがって、より高い信頼性を提供できる。
【００８１】
液体媒質を介在した入力信号は、様々な異なる形態をとり得る。たとえば、酵素またはその他の生体媒体に基づいたデータキャリア信号伝達システムの場合、入力信号はメディエイタ（たとえば、ＮＡＤ+／ＮＡＤＨ、［Ｆｅ（ＣＮ）6］3-／4-またはＦｃ／Ｆｃ+、ここでＦｃは、フェロセンカルボン酸のような置換フェロセン）である。この場合、信号のイン／アウトは、ＨＪの両サイドに空間的に離れて設けられた２つの電極を介して行われる。一方の電極は、電子化学的にメディエイタを発生させ、他方の電極は、レドックス反応を経たメディエイタを検出または収集する（両電極は、同じ電位に維持される）。このようなシステムの一例では、酵素として、置換ＦｃおよびＧＯＤ（グルコースオキシターゼ）が用いられる。多量のグルコース基板を使用すれば、酵素活性率は、Ｆｃ+から発生するＦｃの量により、測定できる。すなわち、Ｆｃによる電流−−−−＞集電極におけるＦｃ+、となる。
【００８２】
本発明の装置は、通常は、水媒体内に支持された高分子構造とともに使用されるが、貯蔵および／または運送のためには、高分子構造を凍結乾燥した方が便利である。したがって、本発明は、そのような形態をも含むものとする。
【００８３】
もう１つの実施形態として、本発明は、以下の装置を提供する。すなわち、
ａ）データキャリア信号の伝達を制御するためのバイオ−相互作用的「トランジスタ」装置であって、ｂ）装置は、生物学的高分子構造を含み、ｃ）高分子構造は、少なくとも、第１の立体配置、および第１の立体配置とは異なる第２の立体配置を有し、ｄ）高分子構造は、インターフェース可能状態の流体内に固定された基板にアンカーされ、ｅ）制御信号に応答して、第１および第２の立体配置間で変換することが可能であり、ｆ）高分子構造は、第１および第２の部分を有し、これらの部分は、トランジスタ装置の分離感知データキャリア信号伝達部である、相互作用する第１および第２の部分を、それぞれ担っており、ｇ）高分子構造の第１および第２の部分は、第１および第２の立体配置において、異なる分離距離を有し、ｈ）第１および第２の立体配置における信号伝達部分から、異なる出力信号を獲得することが可能であり、したがって、異なる制御信号を入力することにより、異なる信号伝達を提供できるようになっている、バイオ−相互作用的「トランジスタ」装置を提供する。
【実施例】
【００８４】
本発明における、さらなる好ましい特徴および利益は、図面を参照に詳細に提供される、以下の実施例の説明により、明らかになる。
【００８５】
（実施例１）ＨＪ「トランジスタ」装置の準備
Holliday-Junction（ＨＪ）高分子構造の同一集団は、周知技術（"Nucleic Acids in Chemistry and Biology", 2nd Edition, Blackburn G.M. and Gait M.J.）を用いて準備される。図１に示されるように、ＨＪ構造１０は、４つのポリヌクレオチド１１によって構成されるが、これらの配列は、それぞれの端部が一つに結合して、分岐点１４から放射状に伸長する４本アームのＨＪ構造を作り出せるよう、適切に選択される。この技術分野の専門用語で示すと、４つのポリヌクレオチド１、２、３および４、および４本アームＩ、II、IIIおよびIVは、図１に示されるように標識されている。より詳細には、ポリヌクレオチド配列１および４は、周知であり、ポリヌクレオチド配列２は、３′末端に隣接して挿入されるＧ−Ｇを除いて周知であり、ポリヌクレオチド配列３は、５′末端に隣接して挿入されるＣ−Ｃを除いて周知である。
【００８６】
より詳細には、ポリヌクレオチド１１の配列は、同様の周知配列（Kallenbch N.R., Ma R.I., Seeman N.C.(1983) Nature 305 829-830）に基づいており、分岐点１４の移動を実質的に阻止する不動交差を提供するよう選択される。さらに、ポリヌクレオチド１１のそれぞれの端部には、以下の追加部分が結合されている。すなわち、ＦＲＥＴドナー部分１５の蛍光塗料シアニン３（Ｃｙ３）（Amersham Bioscience UK Ltd, Little Chalfont, England）が、ポリヌクレオチド１の５′末端に、ＦＲＥＴアクセプタ部分１６の蛍光塗料シアニン５（Ｃｙ５）（Amersham Bioscience UK Ltd）が、ポリヌクレオチド２および４の各５′末端に、アンカー用部分１７であるビオチン（ストレプトアビジンにバイオコンジュゲートしたもの）、（または代替的に、金にコンジュゲートされたチオール、またはアミドをコンジュゲートするリンケージ）が、ポリヌクレオチド２の３′末端に、それぞれ結合される。このようなやり方で、ＦＲＥＴアクセプタ部分１６をＨＪ構造のアームIIおよびIVの各々に提供すれば、ＨＪ構造１０が、図１に示されるような、それぞれのアーム１３が相隔たった「開」形態から、図２に示されるような、２つの可能な「閉」形態のいずれかへとスイッチされると、ＦＲＥＴドナー１５は、ＦＲＥＴアクセプタ１６の近隣に移動する。示されたポリヌクレオチドの配列図において、ＦＲＥＴのドナー部分１５およびアクセプタ部分１６は、分岐点１４から離れた「開」形態にあり、ＦＲＥＴのドナー部分１５およびアクセプタ部分１６は、１００オングストロームよりも互いに離れて位置しているため、両者の間に、ＦＲＥＴエネルギー移動は起こらない。一方、「閉」形態において、両者の距離はおよそ５０〜８０オングストロームとなるため、ドナーからアクセプタへのＦＲＥＴエネルギー移動が起こり、アクセプタから放射が発せられる。
【００８７】
アンカー用のバイオコンジュゲート部分１７は、アミノリンケージを用いて、スライドグラス２０上の薄いアミノシアン被覆１９（一般的に１〜３分子の厚さ）に共有結合１９され、これにより、基板２１にＨＪ構造１０をアンカーする。ポリヌクレオチド２の５′末端、またはポリヌクレオチド配列２の中間部（リボース部分上の２′の位置を経由して）を、アミノリンケージを用いて、直接アミノシアン被覆１９に共有結合することも可能であり、また、代替的に、アミノシラン被覆に連結されたストレプトアビジンへのビオチン結合を用いて、非共有的にアンカーしてもよい。
【００８８】
（実施例２）「トランジスタ」装置の作用
図３は、スライドグラスの基板２１上にアンカーされたＨＪ構造１０を含む、実施例１のＨＪトランジスタ装置を、概略的に示している。典型的に、装置は、水性バッファ２２内に支持された、およそ１００００ＨＪ構造分子単位の同一集団を含んでいる。ＦＲＥＴドナー部分は、該部分に向けて５２３ｎｍの放射２４を提供するレーザ光源２３によって励起され、ＦＲＥＴアクセプタ部分１６から出力される放射２５は、走査型共焦点顕微鏡２６（ＣＳＭ）（Ha T. J. et al Proc.  Natl. Acad. Sci. USA 96 893-898(1999)）を用いて検出される。水性バッファ２２が、マグネシウムイオン（１０ｍＭ）を含有した場合、ＨＪ構造１０は、図３Ａ（図２に対応する）に示されるような「閉」形態となった。この形態において、ＦＲＥＴアクセプタ１６へのＦＲＥＴエネルギー移動２７が起こり、その結果、ＣＳＭ２６によって検出される出力放射２５が起こる。このように、レーザ光源２３からＣＳＭ２６へのデータキャリア信号伝達２４，２７，２５は、制御信号（バッファ２２内のマグネシウムイオン濃度）により可能となる。
【００８９】
ＥＤＴＡ（エチレンジアミンテトラ酢酸）のような適切なキレート剤で洗浄することにより、マグネシウムイオンが除去されると、実質的にマグネシウムイオンを含まないバッファ２２内に浸されたＨＪ構造１０は、図３Ｂに示されるような「開」形態へとスイッチされる。その結果、アクセプタ部分１６へのＦＲＥＴエネルギー移動は起こらなくなり、したがって、データキャリア信号伝達は不能となる。図４は、上述したようなＨＪ装置の信号処理特性を、図式化して示している。ＨＪ装置２８（基板にアンカーされ、バッファ内に支持され、バッファとインターフェースする同一のＨＪ構造集団を含む）は、ＦＲＥＴドナー部分を励起するレーザ放射２４に相当するデータキャリア信号入力２９、ＦＲＥＴアクセプタ部分の出力放射に相当するデータキャリア信号出力３０、およびＨＪ構造がインターフェースするバッファ内に提供されるマグネシウムイオン濃度に相当する制御信号入力３１とを有する。
【００９０】
（実施例３）ＨＪ「トランジスタ」の生体分子検出システムにおける使用
次の点を除いては、図１とほぼ同様のＨＪ「トランジスタ」装置２８が準備される。すなわち、この実施例においては、ポリヌクレオチド３および２の５′末端３２、３３は、ＦＲＥＴアクセプタを有しておらず、ポリヌクレオチド４の３′末端３４は、ポリヌクレオチド３の５′末端３２よりも長く伸長し、標的ポリヌクレオチド３６と結合するためのハイブリダイズ部３５を提供する。標的ポリヌクレオチド３６は、その３′末端３７を、ＦＲＥＴアクセプタ部分１６で標識されている。したがって、標的ポリヌクレオチド３６が不在の場合は、ＨＪ構造１０が「開」形態にあろうが「閉」形態にあろうが、ＦＲＥＴアクセプタの出力放射は発生しない。しかしながら、標的ポリヌクレオチド３６が存在する場合は、ハイブリダイズ条件下において（Maniatis T., Fritsch E.F., and Sambrook J., (1982) Molecular Cloning: A Laboratory Manual,Cold Spring Harbor Press）、標的ポリヌクレオチド３６とポリヌクレオチド４のハイブリダイズ部３５との結合が起こり、ＨＪ構造１０のアームIVに、ＦＲＥＴアクセプタ１６が連結される。これにより、図５に示される「閉」形態において、ＦＲＥＴドナーが適切に励起されると、ＦＲＥＴドナーからＦＲＥＴアクセプタへのＦＲＥＴエネルギー移動が可能となる。前例と同様に、適切なマグネシウムイオン（Ｍｇ2+）濃度の制御信号入力を印加し、ＨＪ構造を１０〜５０ｍＭのＭｇ2+イオン濃度のバッファでインターフェースすることにより、ＨＪ構造は、「開」形態から「閉」形態へと変換する。ここでは、ドナーの励起信号に対応したＦＲＥＴアクセプタの出力信号を検出することにより、データキャリア信号の伝達が示され、標的ポリヌクレオチドの存在が確認される。
【００９１】
多数の同一ＨＪ構造集団を用いることにより、これらのいくつかが「間違った」配座異性体であると仮定しても、その他は「正しい」配座異性体、すなわち、ＦＲＥＴのドナー部分とアクセプタ部分が、ＦＲＥＴエネルギー移動が可能なよう、互いに充分接近している配座異性体を採用するため、（両異性体が、多かれ少なかれ、同等に得られると想定して）、検出可能なアクセプタ出力信号レベルは、なお維持される。代替的に、ポリヌクレオチド配列を適切に選択することにより、図５に示される配座異性体への偏向をかなり強くすることができ、この場合、「閉」形態が採用され、かつＦＲＥＴドナーが励起されれば、ＦＲＥＴエネルギー移動を獲得できる。
【００９２】
（実施例４）化学的に消去可能なＨＪメモリ装置エレメント
図６は、シリコンの基板２１上に、上述のようにアンカーされたＨＪ構造１０集団を含む、メモリ装置エレメント３８を示す。酸化シリコンの基板２１表面４０の一部３９には、周知の方法で、チタンをベースにしたシード層４１が設けられている。シード層４１は、およそ０．５μｍの厚さの金属チタン層の上に、およそ０．１μｍの厚さの窒化チタン層を重ねたものである（ULST Technology, Sze S.M., McGraw-Hill(1996)、およびSilicon VLST Technology Fundamentals, Practice and Modelling, Plummer J.D., Deal M.D, Griffin P.B., Prentice Hall(2000)）。プラチナの電極４２が、スパッタリングによって、チタンのシード／接着層４１に取り付けられ、導電性でレドックス活性のポリマーフィルム４３で被覆される。ポリマーフィルム４３は、インドール−５−カルボン酸（Mackintosh and Mount, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1994, 90, 1121-1125、およびMackintosh et al, J. Electroanal. Chem., 1994, 375, 163-168）をベースとする。（代替的に、スパッタされた窒化チタン層の上に、電気メッキを施すという非常に便利な方法で、高品質のプラチナ電極を製造できるということを、我々は発見した。）酸化シリコンの基板２１上にＨＪ構造１０をアンカーするに先立って、ポリマーフィルム４３はプレロードされる。すなわち、ポリマーフィルム４３を、Ｍｇ2+イオンの存在下、酸化および還元状態間で循環させることにより、Ｍｇ2+イオン集団で「電荷」させる。フィルム４３が酸化されると、Ｈ+イオンが放出され、還元されると、Ｍｇ2+イオンが吸収される。こうして、Ｍｇ2+イオンのリザーバ（ion reservoir）が形成される（Mount and Robertson, Phys.Chem.Chem.Phys.(1999)1 5167-77）。
【００９３】
装置３８内のバッファ２２にＭｇ2+イオンが存在しない状態で（あるいは、存在したとしても実質的に１００μＭ以下、たとえば、５０μｍ未満のＭｇ2+イオン）、およそ２００ｍＶの電圧差異を、装置３８の電極４２に印加すると、フィルム４３は、還元状態から酸化状態へと変化し、フィルムリザーバ４３からバッファ２２内へと、Ｍｇ2+イオンが放出される。その結果、ＨＪ構造１０は、「開」形態から「閉」形態へとスイッチし、これにより、上述したような、ＦＲＥＴドナーおよびアクセプタ部分を介したデータキャリア信号伝達が可能となる。このように、メモリ装置エレメント３８に印加される電圧信号は、メモリ書き込み信号として作用し、一方、ＦＲＥＴアクセプタ部分の出力信号は、メモリ読み出し信号として機能する。その後、たとえば、ＥＤＴＡのようなキレート剤を使用して、ＨＪ構造からＭｇ2+イオンを取り除けば、メモリ装置を、元の状態に戻すことができる。
【００９４】
（実施例５）化学的に消去可能なＨＪメモリ装置エレメント
図７は、もう１つの実施形態として、プラチナ電極４２を被覆する導電フィルム４３（図６の実施例と同様のもの）上に、ＨＪ構造１０を直接アンカーした、ＨＪメモリ装置エレメント４４を示している。ＨＪ構造１０は、ポリヌクレオチドの５′末端のアミノ基と導電フィルム上の適切な官能基（カルボン酸基が、最も便利である）との共有結合により、アンカーされる。このケースでは、導電フィルム被覆４３は、レドックス状態のスイッチングによって、Ｍｇ2+イオンで「電荷」される。装置４４の作用は、本質的に、前実施例と同様である。
【００９５】
（実施例６）化学的に消去可能なＨＪメモリ装置エレメント
図８に示される実施例において、メモリ装置エレメント４５は、酸化シリコン基板の基層４６内に埋め込まれた、金属アルミニウムの電極４２を有している。電極４２の上面４７、および周囲基板の基層表面４８は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）による周知の方法（ＵＬＳＩテクノロジー）を用いて、窒化シリコンの電気絶縁層４９で被覆される。ヒドロゲルの浸透層５０を、導電フィルム４３の上に定着させる。適切なヒドロゲルまたは浸透層は、たとえば、Electrophoresis 2000, 21, 157-164に記載されている。これらは、典型的に、１〜２μｍの厚さで、アガローズまたはポリ（アクリルアミド）で作られている（Electrophoresis, 2002, 23, 1543-1550）。典型的には、２．５％のＮｕＦｉｘグリオキサールアガローズの水溶液を、沸騰させて、導電フィルムにスピンコートし、その後、比較的高い温度（たとえば、３７℃）で硬化する。ストレプトアビジン、またはその他の化学連結剤をヒドロゲル層に組み込み（たとえば、アガローズグリオキサール基と、連結剤の１級アミンとのシック塩基リンケージにより組み込む）、ＤＮＡとヒドロゲルの化学的連結を容易にすることも可能である。浸透層５０は、ＤＮＡへのイオンの電気泳動輸送を可能とする。
【００９６】
酸化シリコン基板の上部層５２を、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）による周知の方法（ＵＬＳＩテクノロジー）を用いて、浸透層５０の周りの絶縁層４９上に定着させる。ヒドロゲル浸透層５０は、マグネシウムイオンフォア（様々な種類が市販されており、たとえばＳｉｇｍａから入手できる）を含有し、上述したようにＭｇ2+イオンで荷電されている。ＨＪ構造１０は、たとえば、ビオチンおよびストレプトアビジンにより、ヒドロゲル層５０にアンカーされている。
【００９７】
このケースにおいては、電圧信号（典型的に、数ボルト）を金属電極４２に印加すると、浸透層５０内に電界を発生させ、これにより、浸透層５０からバッファ２２へと、Ｍｇ2+イオンが放出される。このケースにおいて、バッファ２２は、最初の段階では、前例同様に、殆どまたは全くＭｇ2+イオンを含んでいないが、誘導静電界からＨＪ構造１０を守るため、高いイオン強度を有することが好ましい。もっとも、ひとたび充分なＭｇ2+イオンが、浸透層５０からバッファ２２へと放出されると、電極４２への電圧信号はもはや必要なくなり、スイッチオフされ、したがって、バッファ内に放たれたＭｇ2+イオンは、電界からの妨害を受けることなく、ＨＪ構造１０と相互作用する。
【００９８】
高いイオン強度のバッファを使用する場合、そのイオン強度は、およそ１０〜２０ｍＭの範囲にあると好都合である。
【００９９】
（実施例７）生体分子検出装置
図９は、図７のＨＪ装置エレメントをベースに、生体分子検出装置を一体化した装置５１を示している。このケースでは、酸化絶縁層を伴った半導体の基板２１内に、従来的な半導体製造技術により、固体レーザ光源エレメント５３を組み込んでいる。この固体レーザ光源エレメントは、第１の光導波路５４′によって、電極４２上のレドックス活性フィルム４３にアンカーされたＨＪ構造１０と連結されている。さらに、このケースでは、ＰＮ接合光検出器５５も組み込まれ、第２の光導波路５４″によって、ＨＪ構造と連結されている。試料溶液５７をＨＪ構造１０と接触させて保つため、基板２１上に試料チャンバ５６を設置する。試料チャンバ５６は、標的生体分子５９を含んだ試料溶液５７を導入するための、注入口５８を有している。このケースにおけるＨＪ構造１０は、図５に示された種類のものであり、標的生体分子５９の一部と、選択的にハイブリダイズ可能なポリヌクレオチド伸長部を伴っている。
【０１００】
検出装置５１の使用に際しては、まず最初に、ハイブリダイズ条件下（Maniatis et al）にある試料チャンバ５６に、試料溶液５７を導入する。
【０１０１】
ハイブリダイゼーションが完了した後、試料溶液を洗い流し、代わりに、実質的にマグネシウムイオンを含まないバッファ２２（＜＜１００ｍＭ）を導入する。次に、電極４２に電圧を印加し、レドックス活性フィルム４３からバッファ２２内に、Ｍｇ2+イオンを放出させる。その結果、ＨＪ構造は、その「開」形態から「閉」形態へとスイッチし、レーザ光源５３のスイッチがオンになり、光検出器５５からの出力がモニターされる。試料溶液内の標的生体分子の存在は、光検出器５５からの出力信号の検出によって示される。出力信号の強度は、一般的に、試料内の生体分子濃度に比例する（ＨＪ構造の飽和状態に相当するレベルに至るまで比例し、したがって、概して直線応答の光検出器５５の使用が想定される）。
【０１０２】
（実施例８）多要素生体分子検出装置
図１０は、多要素生体分子検出装置６０を、概略的に示している。装置６０は、生体分子検出装置５１アレイのＨＪ構造と接触させて試料溶液５７を保つため、単一の共通試料チャンバ５６を備えており、個々の各検出装置５１は、それぞれ異なる標的生体分子とハイブリダイズする、それぞれ異なる伸長のポリヌクレオチドの、同一ＨＪ構造集団を有している。チャンバ５６は、試薬の導入や、バッファと試薬の交換を容易にするため、別個の注入部６１、排出部６２を有する。装置６０は、電極、レーザ光源エレメントおよび光検出器を、制御電気回路６５に連結するための電気信号接続６３を備えている。この装置を使用すれば、一つの試料から、同時に、いくつかの異なる標的生体分子の存在を、検査することができる。
【０１０３】
図１１は、ほぼ同様の装置６６を示しているが、制御電気回路６５がオンチップに組み込まれている。
【０１０４】
（実施例９）論理ゲート
Ａ．複合的−入力ＯＲゲート
実施例７の生体分子検出装置が、使用される。ここでは、完全に同一のＨＪ構造集団を用いる代わりに、多数の異なるポリヌクレオチド伸長を有する集団が使用される。この装置を使用すれば、対応する多数の標的生体分子の存在を、１つであれ多数であれ検出することが可能である。
【０１０５】
Ｂ．ＡＮＤゲート（タイプ１）
実施例Ａに基づいた生体分子検出装置が、使用される。ここでは、異なるポリヌクレオチド伸長を有するＨＪ構造は、さらに、異なる波長の出力放射を有するＦＲＥＴアクセプタ部分を備えており、同時に存在する２つ（またはそれ以上）の異なるＦＲＥＴアクセプタ出力放射波長を検出するよう構成され配置された、光検出器が使用される。
【０１０６】
Ｃ．ＡＮＤゲート（タイプ２）
図１０または図１１に基づいた生体分子検出装置が、使用される。ここでは、異なる装置５１からの光検出器出力信号が、制御電気回路６５により電子処理され、これにより、所望の標的生体分子結合の存在が検出される。
【０１０７】
Ｄ．ＡＮＤゲート（タイプ３）
実施例Ａに基づいた生体分子検出装置が、使用される。ここでは、第１のＦＲＥＴドナー部分で標識された第１の標的生体分子と、選択的にハイブリダイズする第１のポリヌクレオチド伸長を有する第１のＨＪ構造集団は、第１のＦＲＥＴアクセプタ部分を有しており、第２のＦＲＥＴドナー部分で標識された第２の標的生体分子と、選択的にハイブリダイズする第２のポリヌクレオチド伸長を有する第２のＨＪ構造集団は、第１のアクセプタの出力放射とは異なる波長を有する第２のＦＲＥＴアクセプタ部分を有している。第２のＦＲＥＴドナー部分は、第１のドナー部分の励起波長とは異なり、かつ、第１のアクセプタ部分の出力放射に対応する励起波長を有する。したがって、装置からの出力信号は、第１および第２の標的生体分子の双方が、それぞれのＨＪ構造と結合した場合にだけ、獲得される。
【０１０８】
Ｅ．ＡＮＤゲート（タイプ４）
実施例Ａに基づいた生体分子検出装置が、使用される。ここでは、ＨＪ構造は、ＦＲＥＴドナー部分で標識された第１の標的生体分子と選択的にハイブリダイズする第１のポリヌクレオチド伸長と、ＦＲＥＴアクセプタ部分で標識された第２の標的生体分子と選択的にハイブリダイズする第２のポリヌクレオチド伸長とを有する。したがって、装置からの出力信号は、第１および第２の標的生体分子の双方が、それぞれのＨＪ構造と結合した場合にだけ、獲得される。
【０１０９】
（実施例１０）生体分子相互作用プローブ装置
本例では、図１２に示されるＨＪ構造を、図９に示されるタイプの装置に使用する。このケースでは、ポリヌクレオチド配列２（６８ａ）およびポリヌクレオチド配列４（６８ｂ）は、ＨＪ構造６７のアームＩおよびIIの一部を形成する部分６９および７０（生体分子検体結合部位）を備えている。これらの部分は、それぞれ、標的生体分子７３の部分７１、７２と結合する。このような装置において、標的生体分子７３のそれぞれの部分７１、７２が、互いに比較的近くにある場合、両生体分子検体結合部位への標的生体分子７３の同時結合は、ＨＪ構造が「閉」形態にある場合にだけ発生する。
【０１１０】
（実施例１１）ＳＮＰ検出のための生物情報チップ
この診断装置は、図１０に示されるタイプ６０の装置に基づき、５０のＤＮＡ「トランジスタ」装置５１から成るアレイを使用する。患者組織のサンプルは、アクセプタ塗料で蛍光標識され、マイクロ流体工学により注入口６１から装置６０に導入される。サンプル分子は、全てのＤＮＡ「トランジスタ」装置５１と、相互作用する機会を、均等に有している。なお、各々のＤＮＡ「トランジスタ」装置は、各々のポリヌクレオチド伸長３５が、特有の遺伝子発現特性（ＲＮＡ分子）と特異的に結合するよう設計されている。サンプル組織に遺伝子が発現している場合、対応するＲＮＡ分子が、特異的ＤＮＡ「トランジスタ」装置５１にハイブリダイズする。これは、上述のように、ＦＲＥＴにより読み出される。
【０１１１】
５０の装置５１は、周知の遺伝子発現パターンに基づく特有の疾病特性を検出するよう、設計されている。このパターンは、非常に複雑であり、特性を決定するために、デジタル論理（遺伝子がオンかオフか？）とアナログ測定（遺伝子発現の程度）のコンビネーションを必要とする。個々の装置５１からの出力信号に必要とされる処理は、制御電気回路６５内に備えられた適切なプロセッサで実行される。
【０１１２】
このチップを用いれば、医師達は、長い時間や高価な管理費をかけることなく、遺伝子発現のプロファイリングに基づき、その場で診断を行うことができるようになる。
【０１１３】
（実施例１２）ＮＯＲゲート
ここでは、図９のタイプの装置に基づき、図１３に示されるＨＪ構造７４を使用する。このケースでは、ポリヌクレオチド配列１（７５）は、ＨＪ構造７４のアームＩおよびIIの一部を形成する生体分子検体結合部位７６、７７を備えており、第１の標的生体分子検体Ａ（８０）のそれぞれの部分７８、７９と結合する。これにより、ＨＪ構造７４は、「開」形態に維持され、「閉」形態へのフリッピングをロックされる。同様に、ポリヌクレオチド配列３（８１）は、ＨＪ構造７４のアームIIIおよびIVの一部を形成する生体分子検体結合部位８２、８３を備えており、第２の標的生体分子検体Ｂ（８６）のそれぞれの部分８４、８５と結合して、ＨＪ構造７４を「開」形態に維持する。このように、第１および第２の標的生体分子検体Ａ（８０）、Ｂ（８６）のいずれか一方がサンプル内に存在すれば、ＨＪ構造はフリッピングに対してロックされ、したがって、「開」形態から「閉」形態へのフリッピングは、両標的生体分子検体のいずれもが、サンプル内に存在しない場合にのみ可能となる。前述のように、ＨＪ構造の立体配置状態は、ドナーおよびアクセプタ蛍光プローブ８９、９０を備えたＦＲＥＴシステム（ＨＪ構造７４が「閉」形態にある場合にだけ出力信号を提供する）を用いて読み出される。
【０１１４】
（実施例１３）ＡＮＤゲート
図１３のタイプに基づく装置が、使用される。ここでは、標的生体分子検体Ａ（８０）およびＢ（８６）は、ＨＪ構造に予め結合させた競合生体分子である。このケースでは、第１の標的生体分子検体Ａ’（８７）が、生体分子検体結合部位７６、７７の一方７６と結合し、競合生体分子Ａ（８０）を該部位から外せば、ＨＪ構造７４を「開」形態から「閉」形態へと、フリッピングすることが可能となる。ただし、このようなフリッピングは、第２の標的生体分子検体Ｂ’（８８）が、同様に、生体分子検体結合部位８２、８３の一方８２と結合し、競合生体分子Ｂ（８６）を該部位から外すまでは、起こり得ない。このような、ドナーおよびアクセプタ蛍光プローブ８９、９０を備えたＦＲＥＴシステム（ＨＪ構造が「閉」形態にある場合にだけＦＲＥＴ出力信号を提供する）は、標的生体分子検体Ａ’（８７）、または標的生体分子検体Ｂ’（８８）のいずれか一方だけが存在する場合、あるいは、両者のいずれもが存在しない場合には、マイナスの出力信号を提供し、両標的生体分子検体Ａ’（８７）およびＢ’（８８）の双方が存在する場合にだけ、プラスの出力信号を提供する。
【０１１５】
（実施例１４）溶液内のＨＪ高分子構造のレドックスチップスイッチング
高分子構造スイッチのスイッチングが、ＨＪ高分子構造の集団を用いて研究された。図１４に略図で示されるように、ＨＪ高分子構造の集団は、電極を伴った基板上の溶液の液滴内に支持された。より詳細には、図１４は、水性ＴＲＩＳバッファ９３（２０ｍＭのＴＲＩＳバッファ、ｐＨ７．５、ＮａＣｌを５０ｍＭ含有）溶液（１μＬのＨＪ濃度）の４０μＬの液滴９２内の、ＦＲＥＴシステム（前例に示したような、ドナーおよびアクセプタ部分）を伴った高分子構造の集団が、窒化チタンの接着層９５上に電気メッキされたプラチナ電極９５上に支持された。なお、窒化チタンの接着層９５は、ダマスク象眼処理により酸化シリコンの基層９７に埋め込まれた、アルミニウム電極９６の上に設けられた。プラチナ／イリジウムの対極９８、および銀／塩化銀の基準電極９９も、溶液９２と接続された。ＨＪ構造のスイッチングは、実施例２で説明したような、レーザ光源２３および走査型共焦点顕微鏡２６を用いてモニターされた。
【０１１６】
Ａ．塩化ビピリジン鉄を使用したスイッチング
０．２５ｍＭのＦｅ（ｂｉｐｙ）3Ｃｌ2を、ＨＪ溶液に添加し、ＦＲＥＴ分光法を実行した。図１５示す破曲線は、獲得されたスペクトルである（ＦＲＥＴは起こっていない）。Ａｇ／ＡｇＣｌ（Ａｇ／ＡｇＣｌ＝−４５ｍＶ  ｖｓ  ＳＣＥ）  ｖｓ  ＋１．０Ｖを３分間、次にＡｇ／ＡｇＣｌ  ｖｓ  ＋０．５を３分間印加して、鉄をＦｅ2+からＦｅ3+へと変換した。続いて、ＦＲＥＴ分光法を再び実行し、図１５に実曲線で示すスペクトルを獲得した。このケースでは、ＦＲＥＴが起こっているを見ることができ、「開」形態から「閉」形態へのＨＪのスイッチングが起こったことが確認された。
【０１１７】
Ｂ．アルミニウムイオンを使用したスイッチング
図１４と同様の構成を用い、しかしながら、アルミニウム電極を使用して（すなわち、ＴｉＮ3９５上のプラチナ電極９４なしで）、Ａｌ3+イオンを用いるスイッチングが研究された。最初に、ＨＪ溶液にＦＲＥＴ分光法を実行し、図１６に実曲線で示すスペクトル（ＦＲＥＴは起こっていない）を獲得した。Ａｇ／ＡｇＣｌ（Ａｇ／ＡｇＣｌ＝−４５ｍＶ  ｖｓ  ＳＣＥ）  ｖｓ  ＋０．３Ｖから＋０．９Ｖの電位傾斜（２ｍＶ／ｓ）を、アルミニウム作用電極に加えて、Ａｌ3+を発生させ、これらをＨＪ溶液に放出した。続いて、ＦＲＥＴ分光法を再び実行し、図１６に破曲線で示すスペクトルを獲得した。このケースでは、前後のスペクトルの相違により、発生したＡｌ3+が、ＨＪと相互作用していることが示される。
【０１１８】
（実施例１５）生体分子検出システムの作用
ＨＪが、生体分子検出器およびスイッチとして使用できることを証明するために、図１７に略図的に示されるような、４本ストランドのＨＪ１００を用意した。ＨＪ１００は、実質的に実施例１および図１と同様であるが、ストランド１の代わりに、伸長した５６量体のポリヌクレオチド配列ｓｓ１（５′ｔｇｇａｔｇｇｔｇｔａａａｇｔｔｇａａａａａａｇａｔａａａｃｔｇａａｃｃｃａｃａｔｇｃａａｔｃｃｔｇａｇｃａｃａ３′）（いかなるドナー蛍光プローブも伴わない）１０１が用いられ（アクセプタ蛍光プローブ１６は、ポリヌクレオチド４のストランド上にだけ備えられる）、ｓｓ生体分子検体結合部位１０２をアームＩ上に提供する。フルオレセインドナー蛍光プローブ１０３で標識された（ｓｓ５の５′末端を）、４０量体の標的生体分子検体ｓｓ５（５′ｔｇｔｇｇｇｔｔｃａｇｔｔｔａｔｃｔｔｔｔｔｔｃａａｃｔｔｔａｃａｃｃａｔｃｃａ３′；ハツカネズミ中性ピリン（Ｎｒｐ））１０４が、ハイブリダイズ条件下（２０ｍＭのＴＲＩＳバッファ、ｐＨ７.５、５０ｍＭのＮａＣｌおよび５ｍＭのＭｇＣｌ2含有、７５℃、１時間）、４本ストランドのＨＪ１００に連結された。こうして得られたハイブリダイズ高分子構造に、その後、次のような「閉」−「開」および「開」−「閉」２つのスイッチングサイクルを行った。すなわち、まず最初に、溶液を回転カラムに通すことにより、Ｍｇ2+イオンを取り外し、その後、ＭｇＣｌ2を加え直して、最初の濃度に回復させた。図１８Ａは、最初に得られた蛍光スペクトルを示し、図１８Ｂおよび１８Ｃは、それぞれ、各スイッチサイクルの後に得られた蛍光スペクトルを示す。第２のサイクルの後で得られたＦＲＥＴ出力信号は、実質的に、第１のサイクル前に得られたものと変化しておらず、第１のサイクルの後にはＦＲＥＴ出力信号が得られていない、ということが分かる。このことから、スイッチング作用の可逆性、および、生体分子検体１０４のＨＪ１００の生体分子検体結合部位１０２へのハイブリダイゼーションの安定性が確認された。
【０１１９】
（実施例１６）高分子構造スイッチの安定性
期間および温度の変化に対する、高分子構造スイッチの安定性が、蛍光測定を用いて、ある一定期間、溶液（２０ｍＭのＴＲＩＳバッファ中に４０μＬのＨＪ、ｐＨ７．５、５０ｍＭのＮａＣｌおよび５ｍＭのＭｇＣｌ2含有）中のＨＪ高分子構造集団について観察された。より詳細には、溶液を基礎温度２５℃に保ち、第１日目に徐々に４０℃まで熱し、自然に冷却して基礎温度に戻した。第２日目に、４０℃、４５℃および８０℃の温度にまであげて、同様の加熱サイクルを連続して行った。最初に３つのサイクルを実行した直前と直後に、各サイクルにつき蛍光測定を実施した。その後、第３日目と第２４日目に測定を行った。それぞれのケースで、「閉」形態におけるドナーからアクセプタへのＦＲＥＴに特徴的なアクセプタ蛍光が、実質的に同様に獲得された。
【０１２０】
（実施例１７）溶液中の高分子構造スイッチの可逆的スイッチング
高分子構造スイッチの可逆的スイッチングが、蛍光測定を用いて、溶液（２０ｍＭのＴＲＩＳバッファ中に４０μＬのＨＪ、ｐＨ７．５、５０ｍＭのＮａＣｌおよび５ｍＭのＭｇＣｌ2含有）の中のＨＪ高分子構造集団について観察された。高分子構造スイッチに、次のような「閉」−「開」および「開」−「閉」２つのスイッチングサイクルを行った。すなわち、まず最初に、溶液を回転カラムに通すことにより、Ｍｇ2+イオンを取り外し、その後、ＭｇＣｌ2を加え直して、最初の濃度に回復させた。図１９は、最初に得られた蛍光スペクトルと、各スイッチサイクルの後に得られた蛍光スペクトルを示す。第２のサイクルの後で得られたＦＲＥＴ出力信号は、実質的に、第１のサイクル前に得られたものと変化しておらず、第１のサイクルの後にはＦＲＥＴ出力信号が得られていない、ということが分かる。これにより、スイッチング作用の可逆性が確認できる。
【０１２１】
（実施例１８）基板にアンカーされた高分子構造スイッチのスイッチング
マグネシウムイオン（ＭｇＣｌ2５ｍＭ）を含むＴＲＩＳバッファ（２０ｍＭのＴＲＩＳバッファ、ｐＨ７．５）内の、ドナーおよびアクセプタ蛍光プローブ１５、１６で標識された、ほぼ図３Ａと同様のＨＪ１０の集団を、カルボシル基リンケージによって、カルボキシメチルデキストラン（ＣＭＤ）で被覆されたスライドグラスと共有結合させた。より詳細には、予めシラン化させた顕微鏡用スライドグラスを、デキストラン（１０ｍｇ／ｍｌ）とＮａＯＨ（１００ｍＭ）の混合液に２４時間浸した後、蒸留水で洗い流し、遠心分離器で乾燥させた。デキストランで被覆されたスライドを、次に、ブロモ酢酸（１Ｍ）とＮａＯＨ（２Ｍ）の混合液にさらに２４時間浸し、同様の洗浄および乾燥ステップを行った。デキストランスライドを活性化するため、ＮＨＳ（Ｎ−ヒドロキシスクシニミド、２０ｍＭ）およびＥＤＣ（１−（３−ジメチルアミノプロピル）−３−エチル−カルボジミド、２００ｍＭ））を、ＰＢＳに混ぜて新たに用意した混合液に、スライドを３０分間浸した。続いて、スライドを脱イオン水で洗浄し、乾燥させた。一度スライドを活性化すれば、ＨＪを支持する準備は整う。過剰な反応カルボシキル基の非活性化は、スライド上にＨＪを連結した後、エタノールアミン（１０ｍＭ）でスライドを洗浄することにより行った。
【０１２２】
次に、ＴＲＩＳバッファ溶液を、回転カラムに通してマグネシウムイオン（Ｍｇ2+）を除去し、その後、スライド上にアンカーされたＨＪへと戻した。バッファからマグネシウムイオンを除去する前、および除去した後に、チタンサファイアレーザシステムのパルスレーザを用いた、時間相関単一光子計数法（ＴＣＳＰＣ）による蛍光測定を実施した。図２０は、波長に対するスペクトル強度を示す（カウント／１０2で測定）。上方のカーブはＭｇ2+の除去前、下方のカーブは除去後、に得えられたものである。前者には、明らかに、アクセプタ蛍光の放射ピークが見られる。このことは、ドナーからアクセプタへのＦＲＥＴが起こり、したがって、ＨＪは「閉」形態にあるということを、示している。下方のカーブには、アクセプタ蛍光のピークが見られず、このことは、Ｍｇ2+が存在しない場合は、ドナーからアクセプタへのＦＲＥＴはもはや起こらず、ＨＪは「開」形態にある、ということを示している。図２１は、単一のレーザパルスで励起された後、単一波長（５３９ｎｍ）のドナー蛍光が、どのように減衰していくかを示している。下方のカーブはＭｇ2+が存在する場合、上方のカーブはＭｇ2+が存在しない場合を表している。Ｍｇ2+が存在する場合の、「閉」配座異性体におけるドナー蛍光の減衰（ドナーからアクセプタへのＦＲＥＴに起因する）は、Ｍｇ2+が存在せず、ＦＲＥＴが起こらない「開」配座異性体における減衰よりも、ずっと急速であることが分かる。図２１に示される測定結果は、図２０における測定、その他前例における同様の測定を、補強するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】基板にアンカーされたホリデージャンクション構造を有するホリデージャンクション装置の例を示す図である。
【図２】図１に示される「開」形態から、２つの可能な「閉」形態にスイッチされた状態を示す図である。
【図３】実施例１に係るホリデージャンクション装置の概略を示す図である。Ａは「閉」形態を、Ｂは「開」形態を、それぞれ示す。
【図４】ホリデージャンクション装置の信号処理特性を図式化した図である。
【図５】実施例３に係るホリデージャンクション装置の概略を示す図である。
【図６】実施例４に係るメモリ装置の概略を示す図である。
【図７】実施例５に係るメモリ装置の概略を示す図である。
【図８】実施例６に係るメモリ装置の概略を示す図である。
【図９】実施例７に係る生体分子検出装置の概略を示す図である。
【図１０】実施例８に係る多要素生体分子検出装置の概略を示す図である。
【図１１】実施例８に係る多要素生体分子検出装置の概略を示す図である。
【図１２】実施例１０に係る生体分子相互作用プローブ用のホリデージャンクション構造を示す図である。
【図１３】実施例１２に係るＮＯＲゲート用のホリデージャンクション構造を示す図である。
【図１４】実施例１４に係る高分子構造スイッチの概略を示す図である。
【図１５】実施例１４Ａに係る塩化ビピリジン鉄を使用したスイッチングを示すスペクトルグラフである。
【図１６】実施例１４Ｂに係るアルミニウムイオンを使用したスイッチングを示すスペクトルグラフである。
【図１７】実施例１５に用いたホリデージャンクション構造を示す図である。
【図１８】実施例１５の各スイッチングサイクルにおけるハイブリダイズ高分子構造スイッチの蛍光スペクトルグラフである。Ａは第１サイクル前、Ｂは第１サイクル後、Ｃは第２サイクル後を示す。
【図１９】実施例１６の各スイッチングサイクルにおける高分子構造スイッチの蛍光スペクトルグラフである。
【図２０】実施例１７の高分子構造スイッチにおける波長に対するスペクトル強度を示すグラフである。
【図２１】実施例１７の高分子構造スイッチにおけるドナー蛍光の減衰を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２４】
１０  ホリデージャンクション構造
１１  ポリヌクレオチド
１５  ＦＲＥＴドナー
１６  ＦＥＥＴアクセプタ
２１  基板
２８  ホリデージャンクション装置
２９  データキャリア信号入力
３０  データキャリア信号出力
３１  制御信号入力
３５  ハイブリダイズ部
３６  標的ポリヌクレオチド
３８、４４、４５  メモリ装置
４２  電極
４３  ポリマーフィルム（レドックス活性フィルム）
５０  浸透層
５１  生体分子検出装置
５５  光検出器
５９  標的生体分子
６０、６６  多要素生体分子検出装置
【図１】
2006525662.tif 000003
【図２】
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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】
2006525662.tif 000021
【図２０】
2006525662.tif 000022
【図２１】
2006525662.tif 000023
【国際調査報告】
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