(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的物質に特異的に結合するプローブを基板上にスポッティング固定するための液体組成物であって、プローブと塩基性アミノ酸とを含有することを特徴とするプローブ溶液組成物。
【請求項２】
塩基性アミノ酸の含有量が15重量％以下である請求項１のプローブ溶液組成物。
【請求項３】
さらにリン酸を含有し、pHが7〜9である請求項１または２のプローブ溶液組成物。
【請求項４】
塩基性アミノ酸がL-アルギニンである請求項３のプローブ溶液組成物。
【請求項５】
プローブが、DNA断片、RNA断片、ヌクレオチド鎖、またはそれらの任意の複合物である請求項１のプローブ溶液組成物。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかのプローブ溶液組成物がスポットとして基板上に固定化されていることを特徴とする反応性チップ。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかのプローブ溶液組成物を基板上にスポッティングし、この液体組成物のスポットを基板上で固定化することを特徴とする反応性チップの製造方法。
【請求項８】
インクジェット方式でスポッティングを行う請求項７の製造方法。
【請求項９】
プローブ溶液組成物スポットを、水分付加を行わずに固定化する請求項７または８の製造方法。
【請求項１０】
スポッティングを２回以上繰り返して、プローブ溶液組成物を積層化して固定化する請求項７から９のいずれかの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、標的物質に特異的に結合するプローブを基板上に高密度で整列固定した反応性チップを製造する際に用いるプローブ溶液組成物と、この組成物を用いて製造した反応性チップ、並びにこの反応性チップの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
遺伝子の構造や遺伝子発現様式の大量かつ迅速な解析を目的として、様々な反応性チップが用いられている。この反応性チップは、スライドガラス等の基板上に数千から数万種以上の異なるローブがスポットとして整列固定されており、蛍光等によって標識した標的物質のプローブへの結合の有無を指標として、標的物質の特定やサンプル中における標的物質の量を定量することができるようになっている。チップ上に固定されるプローブは、解析する標的物質の種類によって異なる。例えばDNAやRNAが標的物質となる場合は、それらと相補性結合（ハイブリダイゼーション）が可能な２本鎖および１本鎖DNA断片やポリヌクレオチド鎖、オリゴヌクレオチド鎖等がプローブとして採用され、これらはDNAチップ（またはDNAアレイ）と呼ばれている（例えば、特許文献１−４、非特許文献１、２を参照）。また、タンパク質チップの場合には、タンパク質やペプチドと、それらと特異的に結合する受容体や抗体が、標的物質−プローブの関係を構成する。
【０００３】
プローブのスポットは、例えばDNA断片等をプローブとする場合、DNA断片それ自体を基板上に固定化する方法か、あるいは基板上で所定塩基配列のDNA断片を合成する方法によって形成される。いずれの方法の場合も、それらのプローブ材料を所定位置に一定量、正確にスポッティングする必要がある。
【０００４】
基板上にプローブ材料をスポッティングする方法としては、QUILL方式、ピン＆リング方式、スプリングピン方式といった、いわゆるピンによる基板上へのプローブ溶液の供給（打ち込み）を行う方法が知られている。
【０００５】
これに対して、この出願の出願人は、ジェットノズルを使用することによって、極微量のプローブ溶液を迅速かつ正確に基板所定位置にスポッティングする方法を発明し、特許出願している（特許文献５）。また、この出願人は、DNAプローブ溶液を複数回スポッティングすること（重ね打ちスポッティング）によって、プローブ溶液の使用効率の向上と、スポット径の均一化を可能とするDNAチップの製造法を特許出願している（特許文献６）。
【０００６】
一方、プローブ溶液には、プローブスポットを基板上に安定的に固定するためにカルボキシルメチルセルロース等を含有されているが、さらなる検出感度の向上やスポットの高密度化を目的としたプローブ溶液組成の改良も行われている。例えば、特許文献７には、親水性ポリマーを含有するプローブ溶液（DNA溶液）が開示されている。また、特許文献８には、インクジェット法のプローブ溶液として、プローブ、尿素、グリセリン、チオジグリコールおよびアセチレンアルコールからなる液体組成物が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第5,474,796号明細書
【特許文献２】
米国特許第5,605,662号明細書
【特許文献３】
国際公開第95/251116号パンフレット
【特許文献４】
国際公開第95/35505号パンフレット
【特許文献５】
特開2001-116750号公報
【特許文献６】
特開2001-186880号公報
【特許文献７】
特開2000-295990号公報
【特許文献８】
特開2001-66305号公報
【非特許文献１】
Schena, M. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 93:10614-10619, 1996
【非特許文献２】
Heller, R. A. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94:2150-2155, 1997
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
高精度に標的物質の特定や定量を可能とする反応性チップを効率よく大量製造し、安価に提供するためには、プローブスポットを安定的に基板上に固定する必要がある。そのために前記のとおり、プローブ溶液の組成改良が様々に試みられている。しかしながら、そのような改良されたプローブ溶液を用いた場合であっても、反応性チップの製造工程では、スポッティングの後にスポットの乾燥を防ぐための水分付加工程が不可欠であった。すなわち、スポットが乾燥する際に水の移動に伴って高分子の形状が変化してしまうために、スポットがドーナツ化してしまう。このドーナツ化したスポットの形状を回復する手段として、一定量の水分をスポットに付加するが、この水分付加工程を経ても、従来のプローブ溶液を使用した場合には、好ましいスポット形状（台形型）を形成することは困難であった。このため、各ピクセル（スキャナーによる解像度四方範囲。例えば5μm×5μm）間でシグナル強度にバラツキを生じさせていた。
【０００９】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであって、プローブスポットを、水分付加工程を省略しても、好ましい台形形状で安定的に基板上に固定することを可能とするプローブ溶液組成物を提供することを課題とする。
【００１０】
また、この出願の発明は、前記の組成物を用いて製造された反応性チップと、この反応性チップの製造方法を提供することを課題としてもいる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この出願は、前記の課題を解決するための発明として、標的物質に特異的に結合するプローブを基板上にスポッティング固定するための液体組成物であって、プローブと塩基性アミノ酸とを含有することを特徴とするプローブ溶液組成物を提供する。
【００１２】
この発明のプローブ溶液組成物においては、塩基性アミノ酸の含有量が15重量％であることを好ましい態様としている。
【００１３】
また、この発明のプローブ溶液組成物は、さらにリン酸を含有し、pHが7〜9であること、またその場合の塩基性アミノ酸がL-アルギニンであることをそれぞれ好ましい態様としている。
【００１４】
さらにこのプローブ溶液組成物においては、プローブが、DNA断片、RNA断片、ヌクレオチド鎖、またはそれらの任意の複合物であることを好ましい態様としている。
【００１５】
この出願の発明は、前記のいずれかのプローブ溶液組成物がスポットとして基板上に固定化されていることを特徴とする反応性チップを提供する。
【００１６】
またさらにこの出願の発明は、前記のいずれかのプローブ溶液組成物を基板上にスポッティングし、この液体組成物のスポットを基板上で固定化することを特徴とする反応性チップの製造方法を提供する。
【００１７】
この製造方法においては、インクジェット方式でスポッティングを行うこと、プローブ溶液組成物スポットを、水分付加を行わずに固定化すること、並びにスポッティングを２回以上繰り返して、プローブ溶液組成物を積層化して固定化することをそれぞれ好ましい態様としている。
【００１８】
以下、この出願の各発明について実施形態を詳しく説明する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明のプローブ溶液組成物は、標的物質に特異的に結合するプローブと塩基性アミノ酸とを含有することを特徴としている。
【００２０】
塩基性アミノ酸は、リジン、ヒスチジンおよびアルギニンからなる群より選択される１種以上のアミノ酸残基である。L体またはD体のいずれであってもよいが、L体の使用が好ましい。またこの塩基性アミノ酸は、非天然のもの（アミノ酸模倣物）であってもよい。例えば、リジン模倣物は、リシニルを、例えば無水コハク酸または他の無水カルボン酸と反応させることにより生成する（またアミノ末端残基が変更される）ことができる。リジンおよび他のα-アミノ-含有残基模倣物はまた、メチルピコリンイミダート、ピリドキサールホスファート、ピリドキサール、クロロボロヒドリド、トリニトロベンゼンアスルホン酸、O-メチルイソ尿素、2,4ペンタンジオンといったイミドエステルを用いた反応、およびトランスアミダーゼに触媒されるグリオキシラートを用いた反応により生成することができる。ヒスチジン残基模倣物は、ヒスチジルを、例えばジエチルプロカルボナートまたはパラーブロモフェナシルブロミドと反応させることにより生成することができる。またアルギニン残基模倣物は、アルギニルを例えば１以上の例えばフェニルグリオキサール、2,3-ブタンジオン、1,2-シクロヘキサンヂオン、またはニンヒドリンを含む試薬と、好ましくはアルカリ性の条件下に反応させることにより生成することができる。さらに、このような模倣物は、各塩基性アミノ酸残のα-アミノ基のメチル化、N-末端アミンのアセチル化、主鎖アミド残基のメチル化またはN-メチルアミノ酸による置換、およびC-末端のカルボキシル基のアミド化等であってもよい。
【００２１】
これらの塩基性アミノ酸の含有量は、アミノ酸の種類や、他の成分の種類等に応じて適宜とすることができるが、15重量％以下、好ましくは1〜15重量％の範囲とする。
【００２２】
この発明の溶液組成物に使用するプローブは、標的物質と特異的に結合する生体分子である。例えば、標的物質がゲノムDNA由来のDNA断片（例えばcDNA等）の場合には、プローブは、相補性に基づいてこれらDNA断片とハイブリダイズする１本鎖のDNA断片、RNA断片、ヌクレオチド鎖（100塩基以上のポリヌクレオチドまたは100塩基未満のオリゴヌクレオチド）等である。
【００２３】
このプローブ溶液組成物におけるプローブの濃度は、プローブの種類や分子量等に応じて適宜とすることができるが、例えばDNA断片やヌクレオチド鎖の場合には0.1〜5μg/μl程度とすることができる。
【００２４】
この発明の溶液組成物におけるプローブおよび塩基性アミノ酸以外の成分は、通常の反応性チップ製造に用いられるプローブ溶液のそれと同一とすることができる。例えば、プローブとしてDNA断片を用いた場合の溶液組成物の組成例は、最終濃度が、L-アルギニン10%(w/v)、DNA断片0.01%(w/v)になるように、TEバッファー（pH 8、0.01M Tris-HCl、0.001M EDTA）または水（蒸留水、純水等）に溶解したものである。
【００２５】
さらにこの発明のプローブ溶液組成物においては、特にL-アルギニンを含有する場合には、そのpHを7〜9、より好ましくはpH8付近に中和させることもできる。pHの調製はリン酸、またはリン酸およびクエン酸をそれぞれ１〜10%重量の割合で添加することによって行うことができる。
【００２６】
なお、塩基性アミノ酸を含む溶液とプローブを含む溶液とを別途に調製し、それらを混合してプローブ溶液組成物を作成するようにしてもよい。この場合、塩基性アミノ酸の溶液を大量に準備し、複数種のプローブ溶液と個々に混合することによって、反応性チップにスポッティングする全種類のプローブ溶液組成物を効率よく作成することができる。
【００２７】
次に、この発明の反応性チップとその製造方法について説明する。
【００２８】
この発明の反応性チップは、前記のプローブ溶液組成物がスポットとして基板上に固定化されていることを特徴とする。基板は、通常の反応性チップに用いられるスライドグラス等であり、特に、特開2001-186880号公報に開示されているポリＬ―リジンを被覆した基板が好ましい。スポッティングされるプローブ溶液組成物は、例えば100〜20,000種の異なったプローブを含む溶液組成物であり、スポッティングされたこれらの組成物が100〜1000μm程度の距離をもって、それぞれ直径50〜500μmの大きさのスポットを形成している。
【００２９】
このような反応性チップを製造する場合のスポッティング方法は、従来のピン方式によって行うこともできるが、好ましくは、特開2001-116750号公報や特開2001-186881号公報に開示されているインクジェット方式を採用することが好ましい。
【００３０】
スポッティングの後は、通常の反応性チップ製造と同様にして、冷却、スポットに対する水分付加（湿度〜80%程度に一定時間保持）、焼成乾燥による固定化処理等を行うことによって、各スポットを基板上に固定する。ただし、この発明の製造方法では、スポッティングされたプローブ溶液組成物が乾燥によってドーナツ化することがないため、前記の水分付加工程を省略しても、スポット形状が不良化することはない。
【００３１】
さらに、この発明の製造方法では、特開2001-186880号公報に開示されているような、スポッティング重ね打ちを行うことを好ましい態様としている。この場合も、個々のスポッティングにおいてスポット形状が良好に保たれるため、より一層の重ね打ち効果が得られる。また、重ね打ちにおける水分付加も必要としないため、より少ない工程で反応性チップを製造することもできる。
【００３２】
以下、実施例を示してこの出願の発明についてさらに詳細かつ具体的に説明するが、この出願の発明は以下の例によって限定されるものではない。
【００３３】
なお、以下の実施例における実験手順は以下のとおりとした。
(ｉ)DNAチップの作成
↓液体組成物(DNA/塩基性アミノ酸水溶液または酸)を用意
↓インクジェットノズルのマイクロピペットに充填
↓ポリL-リジンでコーティングしたスライドガラスに200plずつスポッティング
↓-10℃に20分、20℃に30分放置(水分付加)
↓80℃で1時間焼成
↓固定化処理
(ii)標識ｃDNAの調製(DNAチップ2.5枚当たり)
↓DEPC処理水1μl、oligo primer 1μl、 Rat LiverのｍRNA 5μlを混合
↓70℃、5分間
↓42℃、3分間
↓5×First Strand Buffer 4μl、ｄNTP mixture 2μl、100mM DTT 2μl、40U RNase inhibitor 2.5μl、1mM fluoroLink dUTP  2μlを混合
↓Super Script II 1μlを添加
↓42℃で40分間反応
↓さらに、Super Script II 1μlを添加
↓40分間反応
↓滅菌水20μl、0.5M EDTA 5μl、1N NaOH  10μlを添加
↓65℃で60分間加熱
↓Tris(1M,ｐH7.5)を25μl添加
QIAGEN精製
↓5倍量のPMバッファーを添加
↓QIAquickカラムとcollectrionチューブをセットし、1分間遠心
↓750μlのPEバッファーでカラムを洗浄
↓更に、1分間遠心
↓新しい1.5mlチューブを用意し、カラムの中央に22μlの滅菌水を滴下
↓1分間遠心して溶出
(iii)ハイブリダイゼーション
↓標識ｃDNA 17.5μl、20×SSC 6.25μl、10％SDS 1.25μlを混合
↓95℃で3分間加熱
↓室温で15分放置
↓DNAチップ1枚につき、12μlずつ滴下
↓静かにカバーガラスをかけ、65℃の暗所湿潤環境下で16時間反応
(iv)ハイブリダイゼーション洗浄
↓2×SSC-0.1％SDS中で静かにカバーガラスをはずす
↓2×SSC-0.1％SDSで2回洗浄
↓55℃に加熱した2×SSC-0.1％SDSで2回洗浄
↓0.2×SSC-0.1％SDS、0.2×SSC、0.05×SSCで洗浄
↓遠心乾燥
(ｖ)蛍光測定
↓チップをAgilent Scannerにセットし、PMT感度100％、解像度5μmで測定
また全ての実験を通じてのスポッティング条件は以下のとおりとした。
【００３４】
スポッテイング方式：インクジェット
スライドガラス：PLLコート基板
スポット径：120μm
プローブDNA：Rat由来
プローブDNA種類：12種類
プローブDNA長さ：500bp〜3000bp
プローブDNA濃度：0.1μg/μl
【００３５】
【実施例】
(1)  塩基性アミノ酸の効果
塩基性アミノ酸であるL-リジン、L-ヒスチジン、L-アルギニンをそれぞれ単独で水に溶解させ、これにDNAを添加して最終濃度を0.1μg/μlとして、塩基性アミノ酸濃度を変えた溶液を調整した。スポット後、ハイブリダイゼーション、解析を行った。プローブDNA12種類のうちclone IDがUI-R-C0-IY-B-01-0-UI(membrane channel protein)とUI-R-A1-DW-B-08-0-UI(sterol carrier protein)の結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
0003939260.tif 000002
【００３７】
比較として、塩基性アミノ酸の代わりにカルボキシルメチルセルロース(CMC)0.5％を添加したプローブ溶液について同様に測定した結果、Cy3蛍光強度はUI-R-C0-IY-B-01-0-UIで19200、UI-R-A1-DW-B-08-0-UIで8800であった。従って、各塩基性アミノ酸水溶液を添加したプローブ溶液組成物によって、CMC添加と同等の蛍光強度が得られた。
【００３８】
なお、表１から明らかなように、L-リジンは5〜15％重量、L-ヒスチジンは４％が、L-アルギニンは5〜15％重要の濃度とした場合に強い蛍光強度がえられた。参考までに、L-ヒスチジンは４％、L-アルギニンは15％まで可溶である。この中で、最も蛍光強度が大きかったのは、10％L-アルギニン水溶液であった。
(2)  L-アルギニン中和物の検討
10％L-アルギニン水溶液を作成し、HCl、ラクトビオン酸、リン酸、クエン酸でpH8に調製し、DNA水溶液と混合させ、最終10％L-アルギニン、DNA濃度0.1μg/μlからなるプローブ溶液組成物を調製し、Cys蛍光強度と飛沫発生割合を検討した。
【００３９】
結果は表２に示したとおりであり、リン酸で中和することにより、蛍光強度を下げることなく中性にすることが可能となった。
【００４０】
【表２】
0003939260.tif 000003
【００４１】
また、リン酸バッファー単独での検討も行った。NaH2PO4とNa2HPO４を混合し、pHを8とし、最終リン酸濃度を10,100,300mMとした。結果は表３に示したとおりである。
【００４２】
同様の条件で測定したCMC（0.5％）添加でのCy3蛍光強度は14700であり、リン酸バッファーの添加によってCMC添加と同等以上の蛍光強度が得られた。
【００４３】
【表３】
0003939260.tif 000004
【００４４】
(3)  リン酸：クエン酸混合酸による中和物の検討
表２に示したとおり、リン酸による中和によって強い蛍光が得られたが、スポット時に飛沫が多数発生したので、飛沫が発生しないクエン酸とリン酸との混合酸の効果を検討した。
【００４５】
前記(2)と同様に、12％L-アルギニン水溶液にリン酸でpH8にしたものとクエン酸でpH8にしたものを作成し、その混合割合を変えて、DNA水溶液と混ぜ、E〜Gのプローブ溶液組成物を調製した。最終濃度は、L-アルギニンが10％、その他は表４のとおりとし、DNAは0.1μg/μlとした。
【００４６】
結果は表４に示したとおりである。混合酸のリン酸割合が81％以上では、従来以上の蛍光強度を得ることができた。さらに、F液のリン酸割合81％の混合液では、飛沫発生割合を2.1％と低く抑えることができた。なお、対照として測定したCMC（0.5％）添加では、Cy3蛍光強度は16500であった。
【００４７】
【表４】
0003939260.tif 000005
【００４８】
(4)  スポット形状の検討
温度20℃、湿度30％の環境下でそれぞれ100スポット終了後の形状変化を観察し、ドーナツ化の割合を評価した。なお、正常型（台形型）、ドーナツ型、不完全回復型のそれぞれのスポット断面形状は図１に示した蛍光断面型を指標として判定した。
【００４９】
結果は表５に示したとおりである。溶液H（CMC添加）ではスポット後の時間が経過するにつれて、スポットのドーナツ化が生じた。しかし、溶液F、Gはいずれもスポットのドーナツ化は観察されなかった。この溶液F、Gは、添加剤が低分子であるため、大きな分子内運動が起こらない。したがって、スポットが乾燥し析出しても、スポット内の水の流れによって、分子の形状が大きく変化しない。このことにより、スポット内の均一な厚みの台形型の蛍光断面が得られ、蛍光強度のピクセル間の差が小さくなり、再現性が良好となる。
【００５０】
【表５】
0003939260.tif 000006
【００５１】
次に、いくつかの添加剤における代表として5つずつスポットを選び、スポット間のCy3蛍光強度の再現性と、スポット形状を検討した。
【００５２】
結果は表６に示したとおりである。スポット形状（蛍光断面型）がF液で見られる「台形型」であれば、平均値と中央値の差が小さく、スポット間の再現性は良好であった。
【００５３】
【表６】
0003939260.tif 000007
【００５４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願によって、標的物質に特異的に結合するプローブを基板上にスポッティング固定するための新しいプローブ溶液組成物が提供される。これによって、好ましい形状のプローブスポットを安定的に基板上に固定することが可能となり、反応性チップにおける検出感度の向上、高密度化、製造工程の省略化が実現され、高精度の反応性チップを低価格で大量に提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スポット断面形状の台形型、ドーナツ型、不完全回復型のそれぞれの蛍光断面型である。
【図１】
0003939260.tif 000008