(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に配された複数の読出しポータル(portal)と、
該読出しポータル内に配された発色団メモリーユニットとを含んでなる光学メモリー装置であって、ここに各々の該発色団メモリーユニットが、合成ＤＮＡポリマーに結合したクエンチャーのアクションまたは非−アクションに基づいて光子エネルギーを受け、および、エネルギーを再-放出するように適用された該装置。
【請求項２】
読出しポータルが多重の書込みサブロケーションを含む請求項１記載の光学メモリー装置。
【請求項３】
多重の書込みサブロケーションが、波長、強度および分極化よりなる群から選択される分離可能な読出しパラメーターを有する請求項２記載の光学メモリー装置。
【請求項４】
発色団メモリーユニットが：
合成核酸鋳型、
供与体基、
受容体基、および
クエンチャー基を含む請求項１記載の光学メモリー装置。
【請求項５】
受容体基が以下の群：フルオレセイン、ボディピー２、ローダミンＴ、ローダミンＸ、スルホローダミン１０１酸クロリド、ＣＮ フルオレセインから選択される請求項４記載の光学メモリー装置。
【請求項６】
クエンチャー基が以下の群：ベーシックグリーン４、ジメチルアミノフェニルアゾフェニル、リアクティブレッドから選択される請求項４記載の光学メモリー装置。
【請求項７】
供与体基および受容体基が近接関係にあって、非-放射エネルギー移動を可能とする請求項４記載の光学メモリー装置。
【請求項８】
非-放射エネルギー移動が双極子-双極子カップリングによる請求項７記載の光学メモリー装置。
【請求項９】
非-放射エネルギー移動がフェルスター移動による請求項７記載の光学メモリー装置。
【請求項１０】
さらに、光学メモリー装置から読出すためのプレーヤーコンポーネントを含む請求項１記載の光学メモリー装置であって、ここに該プレーヤーコンポーネントが：
メモリー装置上の読出しポータルを発光する発光ソース、
読出しポータルを含むメモリーを受けるために適用する運動装置、および
読出しポータルからの複数ビットの出力を分解する検出器を含む、
請求項１記載の光学メモリー装置。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、情報記憶装置に関する。さらに詳細には、メモリーにおける情報記憶用の合成ＤＮＡポリマー、最も詳細には、二次光学記憶大容量メモリーの使用に関する。
発明の背景
歴史的に、データ処理機関は、データおよびプログラムコマンドを記憶するメモリーから物理的かつ概念的に分離されてきた。時間が経過してプロセッサー速度が上昇するにつれて、より大きなメモリーおよびより速いアクセスが連続して懇願されている。プロセッサー速度における最近の進歩は、メモリーへのアクセスにおいてシステムのボトル・ネックを引き起こしている。この制限は重要である。なぜならば、命令またはデータを得ることにおける遅れは、重大なプロセッサーの待ち時間を引き起こして、貴重なプロセシング時間のロスを生じ得るからである。
種々のアプローチが採られて、これらの懸念が解決されてきている。一般的に、該解決法には、異なる属性を有する種々のメモリー型を用いることが含まれる。例えば、比較的小容量の速く、かつ典型的には高価な、プロセッサーユニットと直接的に連結したメモリーを使用することは一般的であり、それは典型的にはキャッシュメモリーと呼称されている。加えて、より大きな容量であるが、一般的にはより遅い、ＤＲＡＭまたはＳＲＡＭのごときメモリーをＣＰＵと結合している。この中間メモリーは、しばしば少数の現在のアプリケーションには大きすぎるが、全システムプログラムおよびデータをかかえるには大きすぎない。通常は非常に大きいが相対的に安価である大容量記憶メモリーは、相対的に遅い。すべての型のメモリーのサイズおよび速度の改善、ならびにメモリーのビット当たりのコストを一般的に低下させることにおいては連続して進歩してきたが、なおより速いプロセッサーを特に供する実質的要望が残っている。
先の２０年間、大部分の大容量記憶装置は回転メモリー媒体を利用してきている。磁気媒体は、「フロッピー」(フレキシブル)ディスクまたは「ハード」ディスクドライブの双方に用いられてきている。情報は、該ディスク上の所定の物理的位置の磁化の存在または不存在によって記憶される。通常、磁気媒体は、システムによってメモリーを書込み、読み出しの両方が可能である「書込み-読出し用の」メモリーである。データは、ディスク表面に接して配されたヘッドによって該ディスクに書込まれ、またはそれから読み出される。
回転式大容量記憶媒体におけるより最近の進歩は光学媒体である。コンパクトディスクは読取り専用メモリーであり、そのメモリーにおいては、ディスク中の物理的ひずみ(deformation)の存在または不存在がデータを示す。情報は焦光レーザー光線の使用によって読み取られ、そこでは、ディスクからの反射率特性の変化がデータ状態を示す。また、光学の領域においては、データの書込みおよび読出しにおいて磁気光学特性を利用する種々の光学メモリーが存在する。これらのディスクは、読出し専用、１回書込み-読出し自由(「ＷＯＲＭ」)ドライブおよび読出し-書込み自由のメモリーの両方である。一般的に、光学媒体は、より大きな記憶能力を有することが証明されているが、磁気媒体と比較して、ビット当たりのコストがより高く、書込み性が制限されている。
電子ベースの分子メモリーにポリマーを使用することが幾つか提唱されている。例えば、Ｈopfield，Ｊ.Ｊ.，Ｏnuchic，Ｊ.Ｎ.およびＢeratan，Ｄ.Ｎ.，「Ａ Ｍolecular Ｓhift Ｒegister」Ｓcience，241，817頁，1988は、電荷移動基を組み込んだポリマーベースのシフトレジスタ・メモリーを開示している。他の研究者達は、電子ベースのＤＮＡメモリーを提唱している(Ｒobinsonら，「Ｔhe Ｄesign of a Ｂiochip：Ａ Ｓelf-Ａssembling Ｍolecular-Ｓcale Ｍemory Ｄevice」，Ｐrotein Ｅngineering，1：295-300(1987)参照)。このケースにおいては、分子メモリー装置用電子伝達性ポリマーと共にＤＮＡが用いられている。これらの分子電子メモリーに関する両方の概念は、データを入力し(書込み)データを出力する(読み出す)ための実行可能な機構を提供していない。
分子電子メモリーは、特にその実施結果でくじかれてきた。提唱され、最小限の存在証明は行われてきたが、一般的にこれらのシステムは商業的な現実性に変換されていない。さらに、前記のシステムの特異的欠点は、大部分のシステムにおける使用について、典型的にシーケンシャルメモリーはランダムアクセスメモリーよりも実質的に遅いことである。
前記の光学メモリーは、回折が制限される光学システムの使用を要する特定の問題に悩む。このことは、データビットの最小限の大きさに大きさ制限を強要し、それによってメモリー密度が制限される。このことは、所与の物理的メモリー位置に単一ビットのデータを記憶するシステムにおける固有の制限である。
さらに、前記したすべての光学メモリーシステムにおいては、メモリー中の所与の物理的位置にアクセスすることによって単一ビットのデータのみが得られるように、ビット-バイ-ビット・ベースで情報が記憶される。ワード-幅メモリーアクセスシステムが現に存在するが、それは、一般的に所与の位置の単一ビットの情報以外のものを記憶し、それによって、ビット様式またはワード-幅様式のいずれでアクセスしようが、同一量の物理的メモリー空間を実質的を要する。
システムは一般的に速度および記憶密度において増大し、かつ、ビット当たりのコストは低下したが、現在、プロセッサー速度とシステム要求性との間には明らかなギャップが残っている。一般的には、「Ｎew Ｍemory Ａrchitectures to Ｂoost Ｐerformance」，Ｔom Ｒ．Ｈalfhill，Ｂyte，1993年7月，86および87頁を参照せよ。より速く、より稠密で、ビット当たりより安価なメモリーが一般的に望ましく、かつ現代のプロセッサーシステム速度の要求に合致し得る大容量メモリーに対する特に重大な要望があるにも拘わらず、完全に満足できる解決方法は現在まで何ら進歩していない。現存するパラダイムに対する基本的な制限は、これらのシステムにおける発展的な向上によっては克服できない。
発明の概要
メモリー用の光学記憶媒体として合成ＤＮＡポリマーを用いる。好ましい具体例において、３つの空間次元を有する、三次元メモリーを形成する。多重ビット情報は、媒体表面上の回折制限された光学ポータル(portal)を通して放出された光の異なる色波長として読み出す。
構造的には、平面基体(ｘ-ｙ次元)は、その表面上に配された複数の、物理的に分離した読出しポータルまたは読出しロケーションを有する。好ましい具体例において、基体はディスク形で、読出しポータルは、該基体の中心の回りに放射状軌跡、または螺旋形で整列されている。読出しポータルとは、読出し発光ソースによって発光し、メモリーからの出力を供するであろう領域である。読出しポータルは、その中に１または２以上のＤＮＡ発色団メモリーユニットを含む。好ましい具体例において、各ＤＮＡ発色団メモリーユニットは、その上に供与体および受容体ユニットが結合しているＤＮＡ鋳型より構成される。官能基化(functionalized)ＤＮＡポリマーは、種々の配置の発色団供与体、発色団受容体およびクエンチャー(quencher)を有する。該クエンチャーは、供与体および／または受容体と関連し合う。供与体／受容体／クエンチャー基を含む官能基化ＤＮＡポリマーは、ｚ-空間次元に突出するように、媒体の平面表面に整列されている。発色団メモリーユニットは該基体に結合している。
メモリーに書き込むためには、該発色団メモリーユニットの応答特性を変化させる。好ましい具体例において、光化学反応がクエンチャーを破壊または不活化する。書込みソースは、光化学反応の発光ソースとして作用する。好ましい具体例において、該クエンチャーは、光、最も好ましくはＵＶ光によって不活化し得、光切断性リンカーで形成され、あるいは、光活性基での発色団分子の誘導体化によって不活化し得る。かくして、基本的なメモリー情報は、該クエンチャーが活性か否かによって決定する。
メモリーから読出しするためには、好ましくは単一波長の光を用いて、読出しポータルを発光させる。読出し発光ソースは、読出しポータル内に含まれる種々の発色団メモリーユニットを含む該ポータルを発光させて、発色団メモリーユニット中の供与体ユニットに励起発光を供する。クエンチャーが活性でない場合、発色団メモリーユニットは、受容体を介して読出し検出器に放射する。しかしながら、クエンチャーが活性である場合、なんら出力は起こらない。このようにして、読出しポータル中のすべての発色団メモリーユニットを同時に探り得る。種々の出力波長または他の検出パラメーターを有する多重発色団メモリーユニットが読出しポータル内に含まれる場合、回折制限された読出しポータルから多重のビットまたはワード-幅の出力を得ることができる。
好ましい具体例において、発色団メモリーユニットは、フェルスターエネルギー移動機構を介した、供与体と受容体との間のエネルギー移動を利用する。フェルスターエネルギー移動は、双極子-双極子カップリングを利用する無放射エネルギー移動機構である。このエネルギー移動機構により、単一波長の光がすべての受容体発色団を励起することが許容される。
１つの具体例において、多重の書込み波長を用いて、別々の波長感受性クエンチャーを選択的に活性化または不活化する。多重の波長感受性クエンチャーを利用する場合、所与の読出しポータル内に位置する種々の発色団メモリーユニットは種々の発色団応答を有し得る。ついで、多重の書込み波長を選択的に用いて、クエンチャーを活性化または不活化し得る。読出し発光ソースからの発光の際に、その出力がクエンチされない発色団メモリーユニットは読出し検出器に多重の波長出力を供するであろう。しかしながら、その出力がクエンチされる発色団メモリーユニットは出力を供しないであろう。
もう１つの具体例において、読出しまたは光学ポータルは、多重の書込みサブロケーションにさらに空間的に細分(ｘ-ｙ次元)される。各書込みサブロケーションは、読出しポータル中の他の書込みサブロケーションから分離して書込まれる。好ましい具体例において、所与の書込みサブロケーションは、他の書込みサブロケーションからの出力と比較して、その一次出力波長をスペクトル的に分離可能な発色団メモリーユニットを含む。個々の書込みサブロケーションに別々に書込むことによって、単一のクエンチャー材料を多重の読出し波長に用い得る。
本発明のもう１つの態様において、該書込みサブロケーションからの読出し波長の出力は変動し得る。好ましい具体例において、小さい波長シフトの基体、種々の強度状態および／または分極化状態は、異なる書込み波長によって活性化される多重のクエンチャーを使用することによって影響し得る。例として、約１平方マイクロの読出しポータルを利用すると、１６個の分離した書込みサブロケーションを形成し得る。各書込サブロケーションについて別々の発色団受容体を利用すると、読出しポータルから１６ビット幅のワード出力が生じる。波長シフト基体、強度状態および／または分極化状態の変動の１つを利用すると、単一のサブ-マイクロサイズまたは回折制限された読出しポータルから、６４ビット幅のワードを直接発生し得る。
したがって、本発明の目的は、改善された大容量記憶システムを提供することである。
なおさらなる本発明の目的は、単一の潜在的に回折制限された読出しロケーションからのワード-幅のデータ出力を有する大容量記憶システムを供することである。
なおさらなる本発明の目的は、メモリーの平面表面記憶密度および能力を増大させることである。
本発明の目的は、高速データ移動を有するメモリーを提供することである。
なおさらなる本発明の目的は、メモリーアプリケーション用のナノスケール記憶ロケーションを提供することである。
本発明の目的は、非-生物学的に官能基化合成ＤＮＡポリマーを利用することである。
なおさらなる本発明の目的は、１回書込み-読出し自由(ＷＯＲＭ)ディスクドライブを提供することである。
なおさらなる本発明の目的は、メモリー材として合成ＤＮＡポリマーを利用することである。
なおさらなる本発明の目的は、ナノ構成材として合成ＤＮＡポリマーを利用することである。
【図面の簡単な説明】
図１ａおよび１ｂは、ＤＮＡ光学記憶システムの模式的斜方図を示している。
図２は、光学メモリーの斜方様式化図を示している。
図３は、ＤＮＡ骨格に近接した非ハイブリダイズ供与体および受容体の模式バージョンを示している。
図４は、塩基性フェルスターエネルギー移動を有するハイブリダイズＤＮＡの模式バージョンを示している。
図５は、塩基光移動-書込み操作を示している。
図６は、クエンチされたエネルギー移動を有するハイブリダイズＤＮＡを示している。
図７は、操作の模式的全体図を示しており、図７ａにおいてはオフ状態を、図７ｂにおいては光書込みプロセスを、図７ｃにおいては読出し工程を示している。
図８ａ−ｃは、模式的に詳細に、書込み機構を示している。
図９は、模式的に詳細に、読出し機構を示している。
図１０ａおよび１０ｂは、ユニークかつ反復性の配列上の組織化を示している。
図１１は、読出しポータル内の多重書込みサブロケーションを示している。
図１２は、二次元変化を有する種々の書込みサブロケーションを示している。
図１３ａおよび１３ｂは、組織化ＤＮＡフォトニクス構造を示している。
図１４は、読出し検出器システムの斜方図を示している。
図１５は、書込み装置の斜方図を示している。
図１６は、種々の受容体ユニットについての多重の波長スペクトルを示している。
図１７は、向上したＤＮＡポリマーのマップを示している。
図１８は、ＤＮＡ結合方法のサイクルを示している。
図面の詳細な説明
図１は、本発明による光学メモリーの部分の斜方図を示している。基体１０は、その上に複数の読出しポータル１４を位置し得る少なくとも１個の第一平面１２を含む。ｘ-ｙ平面が基体１０の平面１２に対して水平であって、ｚ-軸が平面１２に対して垂直であるところの、任意ｘ-ｙ-ｚ座標システムを示している。該基体は、好ましくは丸型プラッタまたは丸型に引延ばした形である。好ましい具体例において、該基体１０は回転の中心軸１８の周りに回転するように適用する。読出しポータル１４は、その中に種々の発色団メモリーユニット１６が位置する物理的に画定されたロケーションである。読出しポータル１４は、丸形、長円形、四角形または三角形のごとく、所望のいずれの外形にも成形し得る。一般的に、該読出しポータル１４の形は、製作の容易性、ならびに所与の読出しポータル１４への書込み、およびそこからの読出しの能力に基づく。望むなら、読出しポータル１４は基体１２上に直接形成し得、あるいは別法として、平面表面１２の下側のウェルもしくは低い領域、または局部的に上昇した表面上に形成し得る。好ましい具体例において、各読出しポータル１４は１マイクロ幅のオーダーであろう。
読出しポータル１４は多重の発色団メモリーユニット１６を含む。各発色団メモリーユニットは、少なくとも供与体、受容体、および、それが存在する間は、時々、関連し合うクエンチャーを含む。発色団メモリーユニットを構成する直鎖状合成ＤＮＡポリマーは、好ましくは平面(ｘ-ｙ)表面に対してｚ-次元で整列している。
発色団メモリーユニット１６は、システムの基本メモリー要素であるととらえられる。所与の読出しポータル１４は、図１の構造は単純性のために単一の発色団メモリーユニットを示しているが、複数の同一の発色団メモリーユニット１６を含み得る。発色団メモリーユニット１６はメモリーとして作動し、すなわち、有効なクエンチングの存在または不存在に基づいて作動して情報の状態を示す。クエンチャーが所与の発色団メモリーユニット１６の供与体および／または受容体と関連して活性である場合、かかるユニットは供与体の発光下で受容体からの放射を放出しないであろう。有効なクエンチングが起こらない場合、該受容体は、供与体によって受けたエネルギーを再放出し、非-放射移動プロセスを通してそれに移動するであろう。かくして、クエンチャーの不存在は「１」であるとみなし、クエンチャーの存在はデータビット「０」であるとみなし得る。もちろん、「１」および「０」の変換は逆転し得る。デジタルの筋書を示したが、発色団メモリーユニットは、強度またはフラックスのレベルのごとき「アナログ」様式で放出するように設計することもできる。
単純な具体例でメモリーシステムの作動を図１ａおよび１ｂに示す。これは、その中で各読出しポータル１４が２個の異なる発色団メモリーユニット１６を含んでいるメモリーを図示している。これらの２個のユニットは、それらが、スペクトル的に分離可能な波長、強度差または分極化状態のごときその出力に検出可能な差異を有する点で異なる。好ましい具体例において、各発色団メモリーユニットは、出力として、スペクトル的に分離可能な異なる波長を供する。さらに、各発色団メモリーユニット１６は、クエンチされる(「Ｑ」という)か、クエンチされない(「ＮＱ」という)かのいずれかである。このクエンチ状態は、書込み操作の間に設定され、そのことを図５、７、８および１５と結合して説明する。
読出し操作においては、基体１０がその回転軸１８の周りを回転するに従い、第一の読出しポータル１４が読出し発光ソースからの光２０によって発光されるであろう。読出し発光または光線は、ダイクロイックミラーを介して検出装置を通してか、または媒体の平面表面の下側の発光ソースから適用し得る。両方の場合において、読出し光線はｚ-方向から媒体に当たる。図１ａの図面においては、右側の完全な光学ポータル１４が光２０によって発光され、λ1の出力を検出器２２に提供している。発色団メモリーユニット１６(ＣＭＵ１と標識している)はクエンチされていないため、読出し発光２０は波長λ1で検出器２２への放出を起こす。しかしながら、発色団メモリーユニット１６(ＣＭＵ２と標識している)はクエンチされているため、読出し発光２０はλ1の出力を生じない。図１ｂは、次の読出しポータル１４が読出し発光２０によって発光されるように基体１０が回転した場合の図１ａのシステムを示している。ＣＭＵ１と標識した発色団メモリーユニット１６はクエンチされているため、λ1の出力は起こらない。しかしながら、発色団メモリーユニット１６(ＣＭＵ２と標識している)はクエンチされていないため、読出し発光２０は検出器２２への波長λ2の出力を起こす。
図１ａおよび１ｂを拡大すると、クエンチされたユニットＣＭＵ１およびＣＭＵ２を発色団メモリーユニット１６が有する場合、λ1またはλ2のいずれの出力も存在しないであろう。逆に、ＣＭＵ１およびＣＭＵ２と標識した両方の発色団メモリーユニット１６がクエンチされない場合、波長λ1およびλ2の両方の読出し発光２０で光学ポータル１４からの出力が存在するであろう。
最も単純な具体例において、各読出しポータル１４は単一型の発色団メモリーユニット以外のものも含み得る。情報は、発色団メモリーユニット１６におけるクエンチまたはクエンチの不存在に基づいて記憶されるであろう。各読出しポータル１４は、単一ビットの情報を保持するであろう。より好ましい具体例において、読出しポータル１４は分離可能な出力情報を供する多重の発色団メモリーユニット１６を含んでいる。このようにして、単一の読出しポータル１４上の読出し発光２０は、マルチビットのワード読出しを発生し得る。かくして、有効な３-次元の物理メモリーが形成され、読出しポータル１４の平面(ｘ-ｙ)次元により２つの次元が形成され、ＤＮＡポリマー中の発色団の配列によって１つの次元(ｚ)が形成され、ここにおいて、情報は多重の波長として出力される。並行データアクセスは有効な４-次元メモリーを生じる。
かかる構造の１つの利点はメモリーの密度における増加である。光学読出し発光２０の寸法が、回折制限によって課せられる最小限サイズのごときある種のサイズに束縛される場合、波長変動で分解性のデータを供する能力は、メモリーの物理的記憶能力を大きく増大する。図１と結合して記載したメモリーの型は、１回書込み-読出し自由または「ＷＯＲＭ」ドライブである一般的な型である。
図２は、光学メモリーの斜方様式化した図を示している。基体１０は、その表面１２上に配された多重の光学ポータル１４を有する。光学メモリーは多くの他のかかる光学ポータル１４を含むが、ここでは単純性のためにその数を減少している。図２におけるポータル１４の条件は、各ポータル１４が読出し発光の出力を示している点で模式的である。このことは、通常、読出し発光の作用下、所定の時間の単一光学ポータル１４からのみ起こるであろう。最も右側の読出しポータル１４は、５個の分離した出力放射を示している。各々右側から左側に外観した残りの光学ポータル１４は、３、５、２、１および２種の波長２４の出力を示している。出力放射の波長２４は、これらの種々の出力放射の波長２４で発色団メモリーユニットからの出力を示すことが意図されている。出力放射の波長２４の強度は、クエンチされない所与の波長の発色団メモリーユニットの量と相関する。
図３は、自己-組織化ビルディングブロックの模式図を示している。ここに、発色団供与体３０および受容体３２は鋳型配列３４とハイブリダイズしていない。かくして、読出し発光２０に付した場合でさえ、供与体３０と受容体３２との間に何らエネルギー移動は生じない。示した塩基配列は概念のみの模式図であって、実際の意図する配列ではない。
図４は、その中で供与体４０および受容体４２が鋳型４４とハイブリダイズするハイブリダイズ構造を示している。この配列においては、供与体４０と受容体４２との間でエネルギー変換が起こり得る。読出し発光２０が供与体４０を放射する場合、受容体４２へのエネルギー変換が起こり得、そのことがλ1で示されるエネルギーの放射を生じる。エネルギー移動は、供与体４０の分子からのエネルギーが双極子-双極子カップリングを介して非放射的に受容体４２の分子に移動する光子プロセスという。受容体４２は、読出し発光２０の波長よりも長い波長の光を再放出する。かかる双極子-双極子エネルギー移動は、フェルスターエネルギー移動として呼称されている。このプロセスは、分子中心間の距離に大きく依存し、この現象は１／ｒ6距離依存性を有し、ここにｒは分子中心間の距離の半分に等しい。
図５は、基本的な光-書込みプロセスの模式的バージョンを示している。一連の供与体５０は、受容体Ａ1およびＡ2のごとき受容体５２と結合している。受容体５２および供与体５０は、鋳型(示していない)とハイブリダイズし得る。クエンチャー５４は、受容体５２に有効に近接して配されている。Ｑ1と標識したクエンチャー５４は、「ｘ」で示すごとく、書込み波長４０の作用によって阻止されることを示す。Ｑ2と標識したクエンチャー５４は、その結合からのその解離によって示すごとく、書込み波長４０からの破壊的光-書込み作用に付されることを示す。図６は、ＤＮＡ骨格または鋳型６４とハイブリダイズした供与体６０および受容体６２を示している。存在するとして、クエンチャー６６をなお示す。したがって、励起放射２０(λ0)は供与体６０によって受け止められて受容体６２に通るが、エネルギーは受容体６２によって放射されない。なぜならば、クエンチャー６６が存在するからである。
図７は、メモリーの全体操作の模式的バージョンを示している。図７ａにおいて、多重の発色団メモリーユニットは、メモリーへのいずれの書込みの前の「オフ」ステージで示されている。クエンチャーおよび受容体の対７０は、供与体７２と有効なエネルギー移動関係で位置する。図７ｂに示すごとく、光-書込み操作の間に、種々のクエンチャー基に有効な書込み波長は、それに応答性のクエンチャーに作用する。例えば、Ｑ1と標識したクエンチャー７４は、λ1と標識した書込み波長７６によって阻止される。Ｑ3と標識したクエンチャー７４は、波長λ3の書込みエネルギー７６によって破壊的に書き込まれる。図７ｃに示すごとく、読出し操作の間に、波長λ1の読出し発光２０は供与体７２にエネルギーを提供する。Ａ１およびＡ３と標識した受容体７８はＱ１およびＱ３と標識したクエンチャー７４の影響に付されないため、読出しエネルギー８０の放射放出はλ1およびλ3の両方において起こり得る。逆に、Ｑ２と標識したクエンチャー７４はＡ２と標識した受容体７８を阻止するため、λ2で読出しエネルギーは生じない。
図８は、種々の形の書込み機構を示している。選択的クエンチには、エネルギー移動プロセスを制御することが必要である。一般的に、３種の型のクエンチャーが好ましい。第一グループ(図８ａ)には、蛍光受容体８４に近接するＵＶ感受性クエンチャー８２の分子が含まれ、それは光放出を防ぐ。ＵＶ放射８６への曝露の際に、クエンチャー８２は不活化され(図８ａ中のＸで示す)、受容体８４を自由に再放出する。第二の機構(図８ｂ)には、光切断し得るリンカーによって受容体８４に近接して組織化されているクエンチャー８６の分子が含まれる。ＵＶ放射の際に、該リンクが破壊され、クエンチャー８６を解離させる。第三の機構(図８ｃ)には光活性基での受容体８４の誘導化が含まれる。クエンチャー８８は受容体８４を非蛍光または「かご化(caged)」する。ＵＶ光での放射は該受容体８４を非かご化し、エネルギー移動およびつづく光放出させ得る。
図９は、基体１０に結合した３種の発色団メモリーユニット９０の図の末端を示している。各発色メモリーユニット９０には、それに供与体９４および受容体９６が結合し得る鋳型９２が含まれる。発色団メモリーユニット９０は、それらを基体１０につなげるように作用する結合機構９８で終結する。相補鎖骨格配列の鋳型９２に結合した種々の供与体９４および受容体９６について、短い説明配列を示す。
図１０は、ユニークかつ反復的な結合配列のＤＮＡポリマーの組織化を示している。基体１０は骨格１０２に連結する結合機構１００を有する。反復的な配列の使用により、ｚ-次元で配列されるべき発色団ユニットをより多くすることができる。さらなるユニットは読出しシグナルを増大または増幅する。加えて、より多くの「ユニーク-反復的な」発色団ユニットを付加する場合、より多くの情報をｚ-次元で記憶することができる。１０００ヌクレオチドを含む合成ＤＮＡポリマーは、５０個程の反復的またはユニーク-反復的な発色団ユニット配列を含むことができ、ｚ-次元で約３４０ナノメーター(ｎｍ)に広がるであろう。
本発明の１つの態様において、該読出しポータルは、種々の書込みサブセクションにサブ分割して、読出しポータルから読出されるデータワードの幅を増加させることができる。図１１は読出しポータル１１０内に位置する１６個の書込みサブセクション１１２を有する読出しポータル１１０の斜方図を示している。書込みサブセクション１１２は、ユニークな書込みを生じ得る物理領域であると定義される。最新の発光技術を利用すると、個々の書込みサブロケーション１１２を約(１/４マイクロ)2の大きさにすることができる。１マイクロ2の読出しポータル１１０について、１６個の個別の書込みサブセクション１１２がそこに含まれる。書込みサブセクション１１２は図１１中に四角として示すが、それは所望のいずれの形であってもよく、他の好ましい形には実質的に円または長円が含まれる。かかる構造により、空間的にもスペクトル的にも分離可能な態様が提供される。各書込みサブロケーション１１２が、他の書込みサブロケーション１１２の波長からスペクトル的に分離可能な波長で放射する受容体を含む場合、図１１の構造は読出しポータル１１０の単一の読出し発光について１６-ビット幅のワードの出力を生じるであろう。種々の出力波長をλ1、λ2、λ3、λ4として図１１に示すが、これはλ8、λ12およびλ16として示すごとく続く。この具体例において、単一の書込み波長を利用し得るが、但しそれは単一の書込みサブロケーション１１２に集光させ得るものである。好ましい具体例についての次元を図に示す。
図１２は、読出しポータル１２０が多重の空間的に分割された書込みサブロケーション１２２を含む本発明の態様を図示しており、そこでは、所与の書込みサブロケーション１２２内に、１または２以上の検出可能なパラメーターが含まれる。各書込みサブロケーション１２２は、好ましくは、他の書込みサブロケーション１２２からのすべての他の読出し波長に対してスペクトル的に分離可能な読出し波長を有する受容体を含む。個々の書込みサブロケーション１２２はそこにλ1a、λ1b、λ1c、λ1dとして標識されており、ここに、下付き数字は読出し検出波長を示し、下付きアルファベットは変動の状態を示している。かかる変動の１つは、各色についての強度を変動することである。４つの状態を種々の強度レベルで設定し得、例えば、Ｉa＝０％、Ｉb＝３３％、Ｉc＝６７％およびＩd＝１００％の場合である。これらのパーセンテージは必要でなく、所望のごとく設定して、検出精度および効率を最適化し得る。所与の書込みサブロケーション１２２内の異なる変動には、各色のスペクトルシフトが含まれる。例えば、「ａ」状態は書込みサブロケーションから全く放射がないとし得、「ｂ」は非修飾の読出し波長の状態であり、「ｃ」は５ナノメーターのごとき幾分かの量で増加した読出し波長を有する状態であり、「ｄ」は５ナノメーターのごとき幾分かの量で減少した読出し検出波長を有する状態である。利用可能な変動状態の数は、利用可能な書込み波長の数に等しい。十分な書込み波長では、所与の読出しポータル１２０は平方マイクロ当たり６４ビットを出力し得た。なおもう１つの変動には、読出し波長の出力分極化が含まれる。
図１３は、完全な読出しポータル１３０および書込みサブロケーション１３２についての組織化されたＤＮＡ光子構造を示している。読出しポータル１３０において、一対のクエンチャーおよび受容体ユニット１３２は、ｎ個のスペクトル的に分離可能な波長のごとき、ｎ個の分離可能な出力特性を有して示されている。書込みサブロケーション１３２は、その中で受容体は所与の波長ですべて放出するが、クエンチャーは種々の分離可能な書込み特性を受ける、クエンチャーおよび受容体の複数の対を示している。
図１４は、本発明による光学メモリーの斜方図を示している。平面光学ディスク１４０は回転軸１４２の周りに回転可能である。複数の読出しポータル１４４は、光学ディスク１４０の表面上に配されている。読出しポータル１４４は、光学ディスク１４０の表面を実質的に覆う。好ましい具体例において、読出しポータル１４４は、従来の光学ディスクまたはコンパクトディスクに利用されているように、実質的に円形の軌跡または螺旋配置で整列し得る。検出器１４６は、読出しに付される読出しポータル１４４に近接して位置する。好ましい具体例において、検出器１４６は近視野ファイバー光学装置である。位置決定ユニット１４８は、検出器１４６と光学ディスク１４０の表面との間の間隔を変動させるように作動する。読出し発光のソース１５０、好ましくはレーザーは、構成部分を通して方向付けられ、読出しポータル１４４内の発色団メモリーユニットを励起する。１つの具体例において、ダイクロイックミラー１５２を利用して、検出器１４６を通るレーザーの出力を方向付けることができる。読出しポータル１４４から放出された読出し発光は、帯域フィルターのごとき、ダイクロイックミラー１３２を含む、構成部分を通して検出器１４６を介して読出し検出器１５４に通し得る。好ましい具体例において、読出し検出器１５４は単一または並行アクセス用のアバランシュ・フォトダイオードの配列とし得る。ついで、検出器１５４は出力電子装置１５８へのケーブル１５６に信号を供する。別の態様において、光学ディスクは、当該ディスクの上方の同一位置に検出器を残しつつ、当該ディスクの下方から発光し得る。
図１５は、書込み装置の模式図を示している。光学ディスク媒体１４０はその回転軸の周りを回転するように適用される。光学ディスク媒体１４０は、種々の発色団メモリーユニットを含み、その中では、クエンチャーがその初期状態で活性である。書込み過程の間に、クエンチャーは不活化し得る。多重の発光ソースは、整列構成部分１６２、好ましくは整列構成部分を通してｚ位置決定部分および近視野ファイバー光学装置１６６に書込み発光を供するように整列されている。このようにして、いずれかの種々の書込み発光ソースが、光学媒体１４０上に配された発色団メモリーユニットに方向付けることができる。書込み光線コントローラー１６８は、発光ソースと連結して該ソースを選択的に活性化する。光学ディスク媒体１４０がその回転軸の周りを回転するに従って、コントローラー１６８によって制御されたソースからの発光が種々の読出しポータルまたはサブポータルサイズの書込みロケーションを発光させる。このようにして、前記したごとく書込みが起こる(例えば、図５、図７ｂ)。
メモリーの詳細な構造、配列および方法を以下に記載する。議論を一般的に分割して、ＤＮＡ設計、合成、誘導体化、結合および組織化、活性化、ハイブリダイゼーション、発色団応答および書込み-詳細に焦点を合わせる。
設計
骨格９２(図９)ならびに相補的な供与体９４および受容体９６の配列におけるヌクレオチド配列は、好ましくは、分離した発色団ユニットへのハイブリダイゼーションによって自己-組織化するように設計する。アデニン(Ａ)、チミン(Ｔ)、グアニン(Ｇ)およびシトシン(Ｃ)の従来のヌクレオチド単位は種々の配列で整列される。アデニンはチミンと対形成し、グアニンはシトシンと対形成する、従来の対形成を用いる。好ましくは、従来の二重らせん構造を利用し、その中で、標準的直径は約１．０ｎｍであり、塩基対間の空間は鎖に沿って線状方向で約０．３４ｎｍである。かかるＤＮＡは一部本発明で用いるのに望ましい。なぜならば、フェルスターエネルギー移動フォトニクスプロセスの正確な外形および距離の要件のためである。さらに、これらの配列は、発色団ユニットの予想配列にそれらが再現的に自己-組織化し得るように、ハイブリダイゼーション効率および特異性用に設計する。加えて、構造を、好ましくはエネルギー移動効率に最適化する。最後に、ヌクレオチド配列は固体支持体、好ましくは基体１０に結合可能であることが望ましい態様である。
これらのＤＮＡ配列は、約２０〜１０００ヌクレオチド長の範囲(すなわち、塩基単位、アデニン、シトシン、チミンおよびグアニン)である。より短いＤＮＡポリマー配列は、オリゴヌクレオチドまたはオリゴマーと一般的にいい、２０ヌクレオチド長のＤＮＡポリマーは２０-ｍｅｒと示す。２０-ｍｅｒの実際の分子形およびサイズは、約６．８ナノメーター(ｎｍ)長で１ｎｍ直径(二本鎖ＤＮＡについては２ｎｍ)の線状棒構造に近似する。各付加塩基単位は、線状寸法に０．３４ｎｍを付加するであろう。１０００-ｍｅｒは約３４０ｎｍの長さを有するであろう。かくして、本発明者らは、高度の制御および特異性を反映するナノメーター様式であるシステムで作業するであろう。そして、２０-ｍｅｒ〜１０００-ｍｅｒは、入手可能な自動化機器および他のＤＮＡ技術で簡便に合成する。
配列は、好ましくは、それが計画した分子結合および配列に再現して自己-組織化するように、最も高いハイブリダイゼーション効率および特異性に設計する。この精度は重要である。なぜならば、電子移動および光子移動(フェルスター)プロセスは光子移動基または電荷移動基の間の距離にわたる制御を維持することに非常に大きく依存するからである。溶液相における以前の実験は、ＤＮＡポリマーがこの終点を達成し得ることを示している。合成ＤＮＡを人工システムを与えるための光学材料とすることは、これらの機構およびその関係した外形の要件である。
本発明で有用なＤＮＡ構築の前記設計基準により、種々の有用かつ丈夫なビルディングブロックのセットをこのフォトニックシステム用に形成した。以下のＤＮＡ配列は、シリコン表面の金属化または二酸化ケイ素特性に共有結合するように設計した。
複数のＤＮＡポリマー結合配列は、３'末端リボヌクレオシドで合成した。これらは、固相への共有結合、および発色団標識ポリマー配列の組織化用に設計した。１２個のアミンまたはアルデヒド官能基化配列を、発色団基と反応させるために合成した。これら１２個のＤＮＡ配列から、８種の異なる色、１種のクエンチャーおよび１種のＵＶ感受性かご化発色団よりなる２６種のＤＮＡ-発色団誘導体を作製した。表１は、最近入手可能な、現在のＤＮＡ-発色団コンジュゲートを示している。
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図１７は、向上したＤＮＡポリマーマップを示している。このマップは、結合配列に対するすべての種々のＤＮＡ発色団ユニットの配列を示している。＊-位置は、図の中心の配列と同様のヌクレオチド配列を示している。
図１４に示した配列に加えて、反復的な発色団ＤＮＡユニットを構築し得るさらなる配列を設計した。これらには、結合配列ＡＴＴ-１-６；鋳型配列ＴＥＭ-１-６；および発色団配列ＰＥＴ-１-Ｃが包含される。結合配列(ＡＴＴ)を以下に掲載する(５'および３'はＤＮＡ配列の向きを示している)：
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以下の特異的ＤＮＡ配列は、鋳型を形成するか、または実質的に１００ナノメーターより大きな距離に広がる反復構造として有用であるように設計した。鋳型配列(ＴＥＭ)を以下に掲載する：
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種々の光子移動(発色団または蛍光団)基および電子移動(荷電移動)基で官能基化するために、特異的ＤＮＡ配列を設計した。光子／電子移動配列(ＰＥＴ)を以下に掲載する：
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合成
約１０〜約１００モノマーの短鎖ＤＮＡポリマー配列の合成は、当業者にとって簡単な仕事である。Ａpplied Ｂiosystems社(Ｆoster Ｃity, Ｃalifornia)製のごとき自動化ＤＮＡポリマーシンセサイザーは、従来のホスホルアミダイト法を用いて自動的に合成する。操作においては、３'-末端でヌクレオチドを、リンカーアームの手段によって制御された孔のガラス支持体に結合する。５'-末端をジメトキシトリチル(ＤＭＴ)基でブロックする。最初に、支持体結合ヌクレオシドを脱保護して、次のヌクレオチドに結合させるための遊離の５'-ヒドロキシル基を供する。第二のヌクレオチドを脱ブロックし、テトラゾールで３'-ヒドロキシルで活性化して、非常に反応性の高い中間体を形成する。５'-末端をＤＭＴでブロックし、自己重合を防ぐ。ついで、キャップ工程により、さらに付加するための付加挿入を受けない鎖とする。ついで、分子間ヌクレオチド結合を、亜リン酸塩からより安定なリン酸塩に酸化する。酸化後に、伸長するＤＮＡ鎖からＤＭＴを除去し、鎖伸長が完了するまでこの循環を繰り返す。最後に、完全に集合したオリゴヌクレオチドをＣＰＧ支持体から切断し、脱保護し、ポリアクリルアミドゲル電気泳動(ＰＡＧＥ)または高速液体クロマトグラフィー(ＨＰＬＣ)によって精製して、失敗配列を除去する。
結合配列は３'-末端リボヌクレオシドを含み、この結合配列はリボヌクレオシド-ＣＰＧ支持体から合成を開始することによって合成する。ある種のホモポリマー結合配列は酵素反応によって合成し、Ｓigma Ｃhemicals社(Ｓt. Ｌouis, ＭＯ)のごとき商業的ソースから購入し得る。他の配列はアミン官能基を含有し得、供与体、受容体および／またはクエンチャー分子を含む発色団分子の結合用の塩基として供する。これらのポリマーは５'-末端アミンおよび内部一級アミン基を有する。５'-末端アミン官能基は、ＡＢＩ amino inkの手段によって試薬に自動的に導入される。オリゴヌクレオチドの内部標識は、幾つかの方法によってなされる。フルオレセインの場合、フルオレセイン ホスホルアミダイトを用いることによって、発色団が自動的にいずれかの位置でポリマーに導入される。他の発色団で標識するためには、アミン終結リンカーアーム・ヌクレオシドホスホルアミダイトを、いずれかのチミン塩基位置でポリマーに自動的に導入する。
誘導体化
誘導体化は、以下のごとき好ましい態様で行う：
アミン官能基化合成ＤＮＡポリマーを発色団基で標識し、エネルギー移動、クエンチングおよび書込み機構に用いる。アミン基に直接カップリングする方法を許容する反応形で、多種の発色団基が販売されている。異なる発色団は、以下に掲載する反応形の少なくとも１種で一般的に入手可能である：
１．アミンとの反応においてチオ尿素(Ｒ=ＮＨ-［Ｃ=Ｓ］-ＮＨ-Ｒ')を形成するイソチオシアネート(Ｒ-Ｎ=Ｃ=Ｓ)。フルオレセイン、テトラメチルローダミンおよびローダミンＸ ＤＮＡコンジュゲートはこの方法によって形成する。
２．アミンとの反応においてカルボキシアミド(Ｒ-［Ｃ=Ｏ］-ＮＨ-Ｒ')を形成するスクシンイミジルエステル(Ｒ-ＣＯ2-Ｘ)。ボディピー色素、ナフトフルオレセインおよびかご化カルボキシフルオレセイン・コンジュゲートは、この方法によって形成する。
３．アミンとの反応において安定なスルホンアミド(Ｒ-［ＳＯ2］-ＮＨ-Ｒ')を形成する塩化スルホニル(Ｒ-ＳＯ2Ｃl)。テキサスレッド(スルホローダミン１０１酸クロリド)・コンジュゲートは、この方法によって形成する。
典型的な標識条件は以下の通りである：
１．オリゴを含有するアミンを０．２５Ｍ重炭酸ナトリウム、ｐＨ９．０-９．１に溶解し、最終濃度１Ｏ.Ｄ./単位(２０ｍｅｒにつき〜５ｍＭ)とする。反応に関与しない重炭酸ナトリウム、ｐＨ８．３をスクシンイミジルエステルで置換する。
２．無水ジメチルホルムアミド(ＤＭＦ)中にアミン反応性発色団誘導体を溶解して、最終濃度〜１００ｍＭとする。
３．ＤＮＡ１０μｌと発色団２０μｌとを合わせ、発色団/ＤＮＡを室温にて１-２時間インキュベートする。
４．濃アンモニア５μｌを添加して、未反応物質をクエンチする。
５．５ｍＭ酢酸ナトリウム、ｐＨ７．０中で平衡化したＧ-２５ Ｓephadexカラム(０．９×１０ｃｍ)を通すことによって物質を精製する。
６．フラクションを収集し、２３０-６５０ｎｍの吸光度計で吸光を測定する。〜２６０ｎｍでＤＮＡの吸収があり、発色団はその励起最大で吸収がある。
７．コンジュゲートフラクションを保存する。反応は、一般的に＞５０％完了まで行う。
８．２０％ポリアクリルアミドゲル電気泳動によって０．１Ｏ.Ｄ.生成物を分析する。
９．試料を凍結乾燥し、５ｍＭ酢酸ナトリウム中に１Ｏ.Ｄ./μｌで再-懸濁する。
１０．試料を分取用２０％ＰＡＧＥにロードし、該ゲルに〜１０ｃｍまでキシレンシアノール軌跡色素を施す。
１１．ＵＶ背景投影によってＵＶ吸収および蛍光物質の両方を含むゲルスライスを切り出す。
１２．生成物を含有するゲルスライスをモーターおよび乳棒で擦潰し、生成物を１×ＳＣＣ緩衝液(０．１５Ｍ塩化ナトリウム、０．０１５Ｍクエン酸ナトリウム、ｐＨ７．０)で一晩溶出する。
１３．その溶出物を、予め平衡化したＣ18ＳepＰak(Ｍillipore社，Ｍiford，ＭＡ)逆相カラム上にロードし、夾雑したポリアクリルアミドを除去する。
１４．このカラムを水２０ｍｌで洗浄する。
１５．５０％アセトニトリル２ｍｌで生成物を溶出する。
１６．溶出物を吸光度分析し、ついで凍結乾燥する。
１７．最終生成物を５ｍＭ酢酸ナトリウム、ｐＨ7.0中に再懸濁して１Ｏ.Ｄ./μｌとする。純粋な最終生成物の典型的な収率は、出発量の約５０％である。
結合-組織化
図１８は、発色団メモリーユニット１６を基体１０に固定化する好ましい結合法で結合する工程を示している。(図１参照)。基体９０の表面は、ＡＰＳで官能基化したアミンである。ついで、これらをアルデヒド終結ＤＮＡと反応させて、共有結合を形成させる。
直接的または中間体を介してかのいずれかで、発色団メモリーユニットを基体に結合させる。好ましいプロセスにおいて、２段階プロセスを利用する。第一に、固体表面を一級アミン基で活性化する。第二に、ＤＮＡ結合配列を、アミン基と反応する中間体形に変換する。結合法は安定で丈夫であり、かつガラス、シリコンおよび金属酸化物を含む種々の基体において成功する。支持体結合ＤＮＡは、ハイブリダイゼーション効率および非特異的バックグラウンドに関連するすべてのそのハイブリダイゼーション特性を保持している。平方マイクロ当たり約１０5-１０6のＤＮＡ結合配列の表面負荷因子を得る。
金属およびシリコン表面上の酸化物および／またはヒドロキシル基と容易に反応する３-アミノプロピルトリエトキシシラン(ＡＰＳ，Ａldrich Ｃhemical Ｃo.社，Ｍilwaukee，ＷＩ)によって基体表面をアミン官能基化し、一級アミン官能基を供する。ついで、過ヨウ素酸塩酸化法によって結合配列を反応性ジアルデヒド形に変換する。アミンおよびアルデヒド基は容易に反応して、安定なイミンまたはシッフ塩基を形成する。ＡＰＳ反応は、トルエン中のＡＰＳの１０％(ｖ/ｖ)溶液で、所望の表面を５０℃にて３０分間処理することによって行う。ついで、該表面をトルエン中で３回、アルコール中で３回洗浄し、ついで５０℃にて６０分間風乾する。得られた表面はアミン官能基化されており、過ヨウ素酸塩酸化結合配列上に存在するアルデヒド基に対して極めて反応性が高い。
活性化
ＤＮＡ活性化は、以下のプロセスによる好ましい具体例で行う。結合配列の３'-末端リボヌクレオチド末端を、過ヨウ素酸塩酸化法によって末端ジアルデヒドに変換する。過ヨウ素酸塩酸化反応は、１Ｏ.Ｄ./μｌ、１容量の０．１Ｍ酢酸ナトリウム、ｐＨ５．２および１容量の０．４５Ｍ過ヨウ素酸ナトリウム(水中で新たに作成した)を添加して行う。遮光下にて反応物を撹拌し、少なくとも２時間室温にてインキュベートする。ついで、反応混合物を、０．１Ｍリン酸ナトリウム、ｐＨ７．４中で平衡化したＳephadex Ｇ−１０カラム(パスツールピペット、０．６×５．５ｃｍ)上に負荷する。フラクション(２００μｌ)を収集し、２μｌアリコットをシリカＴＬＣプレート上にスポットする。ＵＶ吸収フラクションを合わせ、これは活性化したＤＮＡポリマーを含有する。
固形支持材を０．１Ｍリン酸ナトリウム、ｐＨ７．４で濯ぐ。吸引し、該チップを覆うに十分な緩衝液を添加し、過ヨウ素酸塩酸化結合配列を、最小限１Ｏ.Ｄ./表面積ｃｍ2で添加する。ウェルを混合し、室温にて１-２時間反応させる。イミンまたはシッフ塩基への脱水によって、カルボニル化合物はアミンと共有結合付加物を形成する。ついで、ＤＮＡ基体をリン酸ナトリウム緩衝液で２回、１×ＳＳＣ、０．１％ＳＤＳ(ＷＢ＝０．１５Ｍ、塩化ナトリウム、０．０１５Ｍクエン酸ナトリウム、ｐＨ７．０および０．１％(ｗ/ｖ)ドデシル硫酸ナトリウム)で２回、１×ＳＳＣ(０．１５Ｍ塩化ナトリウム、０．０１５Ｍクエン酸ナトリウム、ｐＨ７．０)で２回洗浄する。誘導体化物質は、直ちに使用するか、乾燥して保存する。
ハイブリダイゼーション
好ましいハイブリダイゼーションプロセスは、本発明の機能基準に合致するように満足し得るいずれかの技術を利用して行う。好ましい具体例において、以下のハイブリダイゼーション技術を用いる。ＤＮＡ支持基体を、蛍光基を含有する１００-２００ｎＭ相補的ポリマー配列と、５×ＳＳＣ、０．１％ＳＤＳ(ＨＢ)中、３７−５０℃にて５分間ハイブリダイズさせる。ハイブリダイゼーション温度はＤＮＡ配列組成によって、また式Ｔm＝(２×Ａ/Ｔ)＋(４×Ｇ/Ｃ)を用いることによって概算する。例えば、ＥＴ-１０ＡＬについてのハイブリダイゼーション温度は(２×８)＋(４×１０)＝５６℃である。実際のハイブリダイゼーション温度は、ハイブリダイゼーションの範囲を最大限とするために、１０℃低い(４５℃)。支持基体を、該温度で予め加温したＷＢ中で、各１分間３回洗浄する。最後に、支持基体を１×ＳＳＣ中、ＲＴにて濯ぎ、密閉空気(すなわち、ダスト-オフ)によって乾燥する。支持基体をガラススライド上に置き、Ｈamamatsu強化ＣＣＤ(ＩＣＣＤ)カメラ・イメージングシステムを備えたＪenna Ｅpifluorescent顕微鏡を用いてエピ蛍光によって観察する。
約１０5-１０6結合配列/μｍ2の負荷因子が一般的に適当である。負荷因子は変動し得る。なぜならば、濃度がプロセシング因子に依存する酸化物またはヒドロキシル基をＡＰＳ法が修飾するからである。
発色団応答
一般的に５００-８００ｎｍ範囲の蛍光を放射し、ＤＮＡおよびアミンの標識方法で反応性である発色団基を以下に掲載する：
蛍光供与体/受容体誘導体：
・テキサスレッド(スルホローダミン１０１酸クロリド)  (Ｅｍ＝６１０ｎｍ)
・ローダミン          (Ｅｍ＝５８０ｎｍ)
・ボディピー色素      (Ｅｍ＝５０３、５１４、５５０、５６８、５７０、５８８、５９４ｎｍ)
・ルシファーイエロー  (Ｅｍ＝５２８ｎｍ)
・フルオレセイン      (Ｅｍ＝５２０ｎｍ)
・カスケード・ブルー  (Ｅｍ＝４２５ｎｍ)
非-蛍光供与体／クエンチャー誘導体：
・ジメチルアミノフェニルアゾフェニル(ＤＡＢＩＴＣ)
・リアクティブレッド
・マラカイトグリーン(ベーシックグリーン４)
読出しポータルからの種々の波長出力は、スペクトル的に分離可能なものでなければならない。最新の検出技術を利用すれば、各色間の約１０〜２０ｎｍのピーク分離が分離可能である。
書込み機構に有用な選択的ＵＶ吸収特性を有する種々の光反応性基には：
・ｐ-メトキシベンジルエーテル          〜２８０ｎｍ
・ｐ-ニトロベンジルエーテル            〜２８０ｎｍ
・ｐ-メトキシフェナシルエステル        〜３００ｎｍ
・ｏ-ニトロベンジルエーテル            〜３２０ｎｍ
・ピレニメチルエステル                 〜３４０ｎｍ
・ビス-２-ニトロベンジルアセタール    〜３５０ｎｍ
が含まれる。
書込み詳細--かご化基アプローチは以下のごとく調製した。かご化フルオレセイン(フルオレセイン-ビス-ジメトキシニトロベンジルエーテル)は、スクシンイミジルエステル誘導体として販売されている。ＥＴ-１３-かご化フルオレセイン(ＥＴ-１３-ＣＦ)コンジュゲートを作製する。この化合物は、３６５ｎｍ未満のＵＶ放射に曝露するまでは、本質的に非蛍光である。放射の際に、該化合物は、各々４９０および５２０ｎｍの特徴的な蛍光励起および最大放出で強烈に蛍光性になる。図１６参照。
本発明を特に好ましい具体例に関して記載したが、多くの変形および修飾は当業者に明らかとなり得る。したがって、添付した請求の範囲は、従来技術に鑑みて可能な限り広く解釈され、すべてのかかる変形および修飾を包含することを意図している。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１８】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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