JP2001501301A - Methods and materials for optimization of electronic hybridization reactions - Google Patents

Methods and materials for optimization of electronic hybridization reactions

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Abstract

(57)【要約】 以下の発明は、超小型電子チップおよび装置において、DNA輸送速度、DNAハイブリダイゼーション反応効率および全ハイブリダイゼーション特異性を改良または最適化する種々のパラメーター、電解液(緩衝液)および他の条件に関係する発見に関する。詳細には、本発明は、低導電率の双性イオン緩衝溶液、とりわけ約50mMの濃度並びにpI(等電点約pH 7.47)およびその付近で調製されたアミノ酸ヒスチジンを含有するそれらが、迅速な電気泳動DNA輸送および効率的なハイブリダイゼーション反応について共に、最適条件を提供するという発見に関する。次の最良の既知緩衝剤、システインに関して少なくとも10倍のハイブリダイゼーション効率を達成する。試験データは、システインに比較してハイブリダイゼーション効率において約50,000倍の増大を示す。   (57) [Summary] The following invention relates to various parameters, electrolytes (buffers) and other conditions that improve or optimize DNA transport rate, DNA hybridization reaction efficiency and overall hybridization specificity in microelectronic chips and devices. Regarding discovery. In particular, the present invention relates to low conductivity zwitterionic buffer solutions, especially those containing the amino acid histidine prepared at and near the concentration of about 50 mM and the pI (isoelectric point about pH 7.47). Both the rapid electrophoretic DNA transfer and the efficient hybridization reaction relate to the discovery that they provide optimal conditions. Achieve at least a 10-fold hybridization efficiency with the next best known buffer, cysteine. The test data shows an approximately 50,000-fold increase in hybridization efficiency compared to cysteine.

Description

【発明の詳細な説明】 エレクトロニック・ハイブリダイゼーション反応の 最適化のための方法および物質発明の分野 本発明は、医学診断用途、生物学的用途および他の用途に適合する電子装置に 用いる緩衝液および電解液に関する。より詳細には、超小型電子医学診断装置で 行うDNAハイブリダイゼーション分析での有利な使用を目的とした緩衝液およ び電解液に関する。発明の背景 近年、超小型電子技術および分子生物学を結合させた装置への関心が増大して いる。かかるシステムの1つは、1993年11月1日付で出願され、現在米国 特許第5,605,662号として公開されたシリアル番号第08/146,504 号の「ACTIVE PROGRAMMABLE ELECTRONIC DE SVICE FOR MOLECULAR BIOLOGICAL ANALY SIS AND DIAGNOSTICS」に開示され、ここに出典明示して本 明細書の一部とみなす。そこに開示されたシステムは、APEXシステムと言わ れる。APEXシステムは、核酸ハイブリダイゼーション、抗体/抗原反応、臨 床診断および生体高分子合成のごとき分子生物学的反応において、有利に用いら れ、広範な機能を果たすことができる。 APEX型装置は、それらの操作に緩衝液および電解液を利用する。緩衝液は 、酸またはアルカリの添加に対してpH変化に抵抗性のある化学溶液として定義 される。例えば、Dictionary of Biotechnology、2 版、James Coombs、stockton Press参照。そこに記載 されたごとく、「伝統的に、無機塩(リン酸塩、炭酸塩)および有機塩(酢酸塩 、クエン酸塩、コハク酸塩、グリシン、マレイン酸塩、バルビツール酸塩等)に 基づく緩衝液 を生物学実験において用いた。」 ハイブリダイゼーション、反応、診断および合成を行う分子生物学的電子装置 において有利に用いられる緩衝液および電解液を見出すことが本発明の目的であ る。発明の概要 下記の発明は、本発明者らのAPEX超小型電子チップおよび装置におけるD NA輸送速度、DNAハイブリダイゼーション反応の効率および全ハイブリダイ ゼーション特異性を改良または最適化する種々のパラメーター、電解液(緩衝液 )および他の条件に関連する発見に関する。詳細には、本発明は低導電率双性イ オン緩衝溶液、とりわけ10−100mM、好ましくは約50mMの濃度または pI(等電点約pH7.47)またはその付近にて調製されたアミノ酸ヒスチジ ンを含有するものが、迅速なDNA輸送および効率的なハイブリダイゼーション 反応について最適化条件を提供するという発見に関する。次の最もよく知られた 緩衝液、システインに対して少なくとも10倍のハイブリダイゼーション効率が 達成される。試験データは、システインに比較してハイブリダイゼーション効率 においておよそ50,000倍の増大を示す。図表の簡単な記載 図1は、ヒスチジン緩衝液を利用したチェッカーボード配列の平面図である。発明の詳細な記載 さまざまなタイプの電解液/緩衝溶液において、DNAの電気泳動輸送および 他の荷電分析物に関係する種々の物理的パラメーターがある。ある種の装置、例 えば、前記の米国特許第5,605,662号に記載のごとき出願人のAPEX装 置は、基本的に装置表面に電場を生成するDC(直流)電気装置である。次いで 、これらの場は、装置表面に反対に(+/−)偏った微小位置(microlo cation)間に荷電分子の電気泳動輸送を引き起こす。対照的に、いわゆる ジノセンサー(Genosensor)(インピーダンス・センサー)(例えば 、WO93/226 78のHollesら、「Optical and Electrical M ethods and Apparatus for Molecular D etection」参照)、および二次元電気泳動(dielectropho resis)装置(例えば、Washizu 25 Journal of E lectrostatics)109−123、1990参照)は、AC電場で の使用を含む。これらの装置に関する重要な相違点は、これらのAC場が印加さ れる場合、これらのシステムのいずれにおいても本質的に正味の電流はない、す なわち、荷電分子輸送用の電気泳動の推進力はない点である。APEX型装置は 、電圧が印加される場合、かなりの正味の直流電流(DC)を生じさせ、それは 「電気泳動のサイン」として認識される。電気泳動において、イオンまたは荷電 粒子の移動は、電場勾配の方向に沿った電気力によって生じ、電流および電圧の 関係は、この技術に重要である。この電気泳動的移動は、印加された電圧の影響 下、溶液中の電流伝導性としてそれ自体肉眼的に示され、 V=R×I Vは電位である Rは電解液の電気抵抗である[V×A-1=R(Ω)] Iは電流である[A]。 のオームの法則に従う。 溶液の抵抗は、伝導率測定器によって測定できる導電率の逆数である。導電率 は、主に緩衝液/電解液のイオン種およびそれらの濃度に依存し;従って、これ らのパラメーターは電場関連分子生物学的技術に非常に重要である。生じた電場 は本当に顕微鏡的環境におけるものであるが、基本的な電流/電圧関係は、いず れの他の電気泳動システムについてとも同様にAPEX技術につき本質的に同じ である。 電流および電圧を供給する種々の方法および電流および電圧の筋書が、いかに してかかるシステムの性能を改良するのに見出されたかに関して、APEXシス テムはユニークな特徴がある。詳細には、いくつかのDCパルス手法(線形およ び対数勾配)が、改良されたハイブリダイゼーションストリンジェンシーを提供 するらしい。電気泳動輸送−対−イオン強度 荷電分析物種(蛋白質、DNA等)の移動度において対数的減少があり、電解 溶液のイオン強度の平方根に反比例することが、電気泳動の分野においてよく確 立されている(「Capillary Electrophoresis:Pr inciples and Practice」、R.KuhnおよびS.Ho ffstetter、Springer−Verlag、1993の83頁およ び図3.16参照)。いずれかの所与の一定の電場強度にて、電解液濃度は分析 物種(蛋白質、DNA等)に対して減少するにつれ、分析物はより速い速度にて 輸送されるであろう。ダンシルアミノ酸について、この効果を示す同様の結果が 、J.J.Issaqら、Chromatographia Vol.32、# 3/4、1991年8月、155ないし161頁(詳細には、157頁図3参照 )によって示されている。DNAについてこの効果は異なる電解溶液であること を示す結果が、P.D.RossおよびR.L.Scruggs、Biopol ymers Vol.2、231ないし236頁、1964(詳細には、232 頁図1参照)に示されている。イオン強度/導電率の関係 カチオンを含む非緩衝性電解液(塩化ナトリウム、塩化カリウム等)について、 イオン強度および導電率は等価である、すなわち導電率は通常イオン強度に比例 する (リン酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、コハク酸塩等)について、イオン強度および 導電率は、通常等価になるであろう、すなわち導電率はイオン強度に比例する。 双性イオン種(それらのpIにて正味の荷電をしない)を有することができる緩 衝性電解液[グッド緩衝液(MOPS、HEPES、TAPS、トリシン、ビシ ン)、アミノ酸緩衝液、両性電解液等]について、導電率は、等電点(pI)お よび(pKa)間の毎pH単位差につきおよそ10倍減少するであろう。例えば 、その双性イオン状態(-OOC−CH(R)−NH3 +)にあるアミノ酸は、「ア ミノ酸部分」が00倍低い導電率値を有するであろう。従って、そのpIから離れるにつれ、形 式的な負または正の電荷がアミノ酸部分で発生し、導電率およびイオン強度は関 連しだすであろう。しかしながら、pIまたはその付近にて、導電率は所与のイ オン強度または濃度で予期されるより大変低いであろう。それらのpIまたはそ の付近にて用いられる場合、電気泳動のテキストは、グッド緩衝液およびアミノ 酸緩衝液が「高イオン強度または濃度にて低導電率」を有すると言及する(Ca pillary Electrophoresis:Principles a nd Practice」、R.KuhnおよびS.Hoffstetter、 Springer−Verlag、1993の88頁参照)。通常用いられる電 気泳動緩衝液「トリス−ホウ酸」は、実際上、そのイオン強度または濃度から予 期されるよりかなり低い導電率を有する。これは、溶液中で比較的安定した双性 イオン複合体を形成する「トリス・カチオン」および「ホウ酸アニオン」のため かも知れない。100mMトリス−ホウ酸溶液の導電率は694μS/cmであ ると測定され、これはそのイオン強度から予期されるよりおよそ20倍低く、5 mMリン酸ナトリウムまたは塩化ナトリウム溶液とおよそ等価であった。表1は 、多数の輸送緩衝液の導電率測定値を示す。 双性イオン緩衝液/導電率/輸送速度 それらのpIまたはその付近にて、双性イオン緩衝液(グッド緩衝液、アミノ 酸緩衝液)またはトリス−ホウ酸緩衝液を用いた場合、ある有利さがDNAの電 気泳動輸送の割合および速度に関して存在する。これらは、1)かかる緩衝液は 、比較的高濃度にて用いることができ、緩衝能を増大させ、2)それらの導電率 が同一濃度にて他のタイプの緩衝液よりかなり低く、また、3)注目する分析物 (DNA)について高い電気泳動輸送率の有利さを得ることである。等電点(pI)での双性イオン緩衝能 アミノ酸緩衝液は、それらのplにて緩衝特性を有する。所与のアミノ酸は、そ のpIにてその「最高緩衝能」を有するかまたは有しないかもしれないので、そ れはいくらか緩衝能を有するであろう。緩衝能は、pIおよびpKaの間の毎p H単位差について10倍減少し、3種のイオン化可能基(ヒスチジン、システイ ン、リジン、グルタミン酸、アスパラギン酸等)を有するアミノ酸は、一般的に 2種の解離のみを有するアミノ酸よりそれらのpIにて高い緩衝能を有する。例 えば、それらのpIにて比較的低い緩衝能を有するアラニンまたはグリシンに比 較して、ヒスチジンpI=7.47、リジンpI=9.74およびグルタミン酸p I=3.22の全ては、それらのpIにて比較的良好な緩衝能を有する(A.L .Lehniger、Biochemistry、2版、Worth Publ ishers、New York、1975;詳細には79頁の図4−8および 80頁図4−9参照)。ヒスチジンは、ゲル電気泳動で使用される緩衝液として 推奨されてきたが、ハイブリダイゼーションは、かかるシステムにおいては行わ れない。米国特許第4,936,963号参照。システインは、緩衝能に関してよ り中間的な位置にある。システインのpIは5.02、αカルボキシル基のpK aは1.71、スルフヒドリルのpKaは8.33、またαアミノ基のpKaは1 0.78である。250mMシステインの酸/塩基滴定曲線は、システインが20 mMリン酸ナトリウムより約pH5にて良好な「緩衝能」を有することを示す。 pH4ないし6の範囲にて、システインの緩衝能は、とりわけ高いpHにて、2 0mMリン酸ナトリウムより有意に優れ ている。しかしながら、これらのpH範囲において、250mMシステイン溶液 の導電率は、100倍大きい約2.9mS/cmの値を有する20mMリン酸ナト リウムに比較して非常に低い約23μS/cmである。図1は、種々の輸送用緩 衝液の導電率測定値を示す。 20年以上前に開発されたいくつかの電気泳動技術は、「それらのpIにて」 双性イオン緩衝液中の蛋白質を分離する能力に基づいている。これらの技術は、 等電点電気泳動法、イソタコフォレシス(Isotachophoresis) および等電点分画法と呼ばれる(B.D.HamesおよびD.Rickwoo dによる「Gel Electrophoresis of proteins :A Practical Approach」の第3章および第4章、IRL Press 1981参照)。これらの適用について、全てそれらのpIにて 、いくつかのアミノ酸緩衝液およびグッド緩衝液が用いられた(前記引用文献の 168頁表2参照)。低イオン強度および低導電率緩衝液におけるDNA輸送 2.5%アガロースをコートした5580チップおよびByTr−RCA5蛍 光性プローブを用いて、一連の蛍光性チェッカーボード試験を行った。以下のシ ステム:(1)250mM HEPES(低導電率)、(2)10μM コハク 酸ナトリウム、(3)10μM クエン酸ナトリウムおよび(4)蒸留水の全て に迅速な(6秒)チェッカーボード・アドレッシングを達成できた。クエン酸ナ トリウムの結果を図1に示す。一方、いくつかのタイプの低導電率または低イオ ン強度溶液は、幾分良好な特質であるチェッカーボード・アドレッシングを有し 、迅速なDNA輸送(80μmパッドの6ないし12秒のDNA蓄積)がこれら の全てのシステムを用いて達成された。さらに、DNA(それ自体がポリアニオ ン)は、導電率を提供するバルク溶液中に存在する電解質であるので、蒸留水中 のDNAアドレッシングAPEXチップが可能である。図1は、ヒスチジンを用 いたAPEXチップの平面図を示す。電気泳動輸送速度およびカチオン/アニオン種の関係 荷電分析物種(DNA、蛋白質等)の移動度が電解溶液のイオン強度に関係す るという事実に加えて、また、その移動度は、電解溶液中のカチオンおよびアニ オン種の性質によって大きく影響される(「Capillary Electr ophoresis:Principles and Practice」参照 )。前記Biopolymer、Vol.2、pp.231−236、1964 文献に、DNA輸送についてこの特殊な点が示されている。この文献の232頁 の図1は、同一のイオン強度にて、異なる1価アニオン(Li+>Na+>K+> TMA )を有する電解液を用いる場合のDNA移動度の変化を示す。基本的に は、異なるカチオンは、DNAリン酸基で異なる会合定数を有し、および/また はDNA分子周囲の水和領域を変化させ、これは輸送速度の変化に導くことがで きる。 本発明は、電場分子生物学的装置、とりわけAPEX微小電子チップおよび装 置において、DNA輸送速度、DNAハイブリダイゼーション反応効率および全 ハイブリダイゼーション特異性を改良または至適化する種々のパラメーター、電 解液(緩衝液)および他の条件に関連する本発明者らの発見に関する。詳細には 、本発明は、pI(等電点約7.47)またはその付近で10−100mM、と りわけ約50mMの濃度にて調製されたアミノ酸ヒスチジンを含有する低導電率 の双性イオン緩衝溶液が、迅速な電気泳動DNA輸送および効率的なハイブリダ イゼーション反応について共に至適条件を提供するという本発明者の発見に関す る。ヒスチジン緩衝液のこの有利さは、特にAPEXチップ型装置に重要である 。 これらの特別な装置(ミクロ機械加工型装置とは対照的に)は、印加できる電 流および電圧の量に関して限界を有する。この限界は、同一緩衝液システムを用 いて迅速な輸送および効率の良いハイブリダイゼーションを共に達成するのを困 難にする。これらの場合、限られた電流/電圧が迅速な輸送を依然として引き起 こす低導電率緩衝液(システインまたはアラニン)中で、DNA輸送を行った。 これらの条件下、DNAは試験部位で蓄積したが、効率的にハイブリダイズしな かった。これらの低導電率緩衝液中の輸送の後、溶液を高い塩緩衝液(>100 mM 塩化ナトリウムまたはリン酸ナトリウム)に変更し、これは次いで試験部 位で効率的なハイブリダイゼーションを引き起こした。 表2は、緩衝能、pHおよび導電率のパラメーターと、APEXチップ装置を 用いたDNA蓄積およびハイブリダイゼーション感度(効率)とを関連付ける一 連試験についての結果を示す。 詳細には、表2は、試験部位で特異的捕獲DNAへの輸送された標的DNAの ハイブリダイゼーションに対する種々の双性イオンアミノ酸緩衝液[β−アラニ ン、タウリン、システイン、ヒスチジン、リジンおよびリン酸ナトリウム(双性 イオン緩衝液ではない)]の効果を示す。輸送に関して、一般的に導電率は同一 場条件下で輸送と相関する。β−アラニン、タウリンおよびシステインは、優れ た輸送を示し、ヒスチジンは良好な輸送を示し、また、リジンおよびNaPO4 はかなりの輸送を示す。DNAハイブリダイゼーション感度は、負に荷電したポ リアニオン性リン酸骨格を有する「標準的DNA」について報告されている。 1 / pH7.4に合わせた20mM NaPO4 また、ハイブリダイゼーション感度に加えて、表2はストレプトアビジン/ビオ チンDNAプローブ捕獲親和性に関する感度を示す。 表2は、DNA輸送(蓄積)と低導電率(β−アラニン、タウリン、システイ ン、ヒスチジン)との相関関係を明確に示す。表は、β−アラニン、システイン およびヒスチジンを用いるストレプトアビジン/ビオチンプローブの親和性反応 について優れた感度を示す。表2の感度データに反映されたごとく、ヒスチジン は、システインまたは20mM NaPO4のごとき他の緩衝液のいずれかより良 好なハイブリダイゼーション効率を4オーダー以上大きく提供する。システイン に対する改善は、少なくとも10倍で、より詳細には102倍であり、最も詳細 には、少なくとも104倍である。最も重要なことには、表2は、DNAハイブ リダイゼーション感度(効率)がヒスチジン緩衝液について非常に良好であること を示すことである。従って、現在試験された双性イオンアミノ酸緩衝液のうち、 ヒスチジンが良好な輸送および良好なDNA/DNAハイブリダイゼーション効 率を共に提供する唯一のものである。 ヒスチジン緩衝液系の低導電率は、迅速な輸送(蓄積)の原因であると信じら れている。なぜヒスチジン緩衝液が、比較的有効なDNA/DNAハイブリダイ ゼーションを引き起こすのかに関していくつかの可能な説明がある。一つの長所 が、ヒスチジンの優れた緩衝能であるのかもしれない。7.47のそのpIにて 、ヒスチジンは、酸性または塩基性条件下で優れた緩衝液である(A.L.Le hninger、Biochemistry、2版、worth Publis hers、New York、1975、80頁図4−9参照)。DNAがハイ ブリダイゼーションのために蓄積され、ヒスチジンがこれらの条件を効率的に緩 衝するかもしれない正電極にて、APEXチップは酸を生成する。より重要なこ とは、これらの酸性条件(pH<5)下、ヒスチジンのイミダゾール基のプロト ン化が分子のジカチオン種への転化を開始する。正に荷電したα−アミノ基およ び正に荷電したイミダゾール基を有するこのジカチオン種は、ハイブリダイゼー ションを促進し、APEXチップの正電極にて形成されたDNA/DNAハイブ リッドを安定化させるのを助けるかも知れないのが当てはまる場合であろう。カ チオン、ジカチオンおよびポリカチ オンは、二本鎖DNA構造上の負に荷電したリン酸骨格の斥力を低下させること によって、DNA/DNAハイブリッドの安定化を助けることが知られている。 また、DNA/DNA/ヒスチジンは、正電極にて生成する他の電気化学的生成物 (過酸化水素等)からのいくつかのタイプの安定化付加物を形成するかも知れない という可能性がある。 本具体例は、天然に生じたヒスチジンを利用するが、本発明は良好な緩衝能、 低導電率(または双性イオン特性)を有し、電荷安定化または付加物形成によっ て、DNAハイブリダイゼーションを安定化させる特性を有する他の天然または 合成化合物に十分に適用できる。 前記発明は、明確化および理解を目的とする図示および例の方法によって、い くらか詳細に記載したが、ある種の変更および修飾が、添付された請求の範囲の 精神または範囲から逸脱することなしに成され得ることは、本発明の教授の知識 において当業者には容易に明らかであろう。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION                   Electronic hybridization reaction                             Methods and materials for optimizationField of the invention   The present invention relates to electronic devices adapted for medical diagnostic, biological and other applications. It relates to the buffer and electrolyte used. More specifically, with microelectronic medical diagnostic equipment Buffers and buffers for advantageous use in DNA hybridization assays And electrolytes.Background of the Invention   In recent years, interest in devices that combine microelectronics and molecular biology has increased I have. One such system was filed on November 1, 1993 and is currently in the United States. Serial No. 08 / 146,504 published as Patent No. 5,605,662 No. "ACTIVE PROGRAMMABLE ELECTRONIC DE" SVICE FOR MOLECULAR BIOLOGICAL ANALY SIS AND DIAGNOSTICS ”, and hereby explicitly Considered as part of the specification. The system disclosed therein is called the APEX system It is. The APEX system is used for nucleic acid hybridization, antibody / antigen reaction, Advantageously used in molecular biological reactions such as bed diagnostics and biopolymer synthesis Can perform a wide range of functions.   APEX-type devices utilize buffers and electrolytes for their operation. The buffer is Defined as a chemical solution that is resistant to pH changes to the addition of acids or alkalis Is done. For example, Dictionary of Biotechnology, 2 See, Editions, James Coombs, stockton Press. Listed there As has been said, "traditionally, inorganic salts (phosphate, carbonate) and organic salts (acetate) , Citrate, succinate, glycine, maleate, barbiturate, etc.) Based buffer Was used in biological experiments. "   Molecular biological electronics for hybridization, reactions, diagnostics and synthesis It is an object of the present invention to find buffers and electrolytes that are advantageously used in You.Summary of the Invention   The following invention relates to the DEX in our APEX microelectronic chip and device. NA transport rate, efficiency of DNA hybridization reaction and total hybridization Various parameters to improve or optimize the specificity of the ) And other conditions related findings. Specifically, the present invention provides a low conductivity zwitterionic On buffer solution, especially at a concentration of 10-100 mM, preferably about 50 mM or Amino acid histidine prepared at or near the pI (isoelectric point about pH 7.47) Containing DNA for rapid DNA transport and efficient hybridization It concerns the discovery of providing optimized conditions for the reaction. Next best known At least 10 times more efficient hybridization with buffer and cysteine Achieved. Test data show hybridization efficiency compared to cysteine Shows an increase of approximately 50,000-fold.Brief description of charts   FIG. 1 is a plan view of a checkerboard array using a histidine buffer.Detailed description of the invention   Electrophoretic transport and transfer of DNA in various types of electrolytes / buffers There are various physical parameters related to other charged analytes. Certain devices, examples For example, the applicant's APEX device as described in the aforementioned US Patent No. 5,605,662. The device is basically a DC (direct current) electrical device that generates an electric field on the device surface. Then , These fields are oppositely (+/-) biased microlo citation) during the electrophoretic transport of charged molecules. In contrast, the so-called Genosensor (impedance sensor) (for example, , WO93 / 226 78 Holes et al., "Optical and Electric M". methods and Apparatus for Molecular D selection ”), and two-dimensional electrophoresis (dielectrophoro). (e.g., Washiz 25 Journal of E) electro-statics) 109-123, 1990), in an AC electric field. Including the use of An important difference with these devices is that these AC fields are not If there is, there is essentially no net current in any of these systems, That is, there is no driving force of electrophoresis for charged molecule transport. APEX-type device , When a voltage is applied, produces a considerable net direct current (DC), which Recognized as a "sign of electrophoresis". In electrophoresis, ions or charged The movement of particles is caused by electric forces along the direction of the electric field gradient, Relationships are important to this technology. This electrophoretic movement is affected by the applied voltage. Below, visually shown itself as current conductivity in solution,           V = R × I           V is the potential           R is the electric resistance of the electrolyte [V × A-1= R (Ω)]           I is the current [A]. Obeys Ohm's law.   The resistance of a solution is the reciprocal of conductivity that can be measured by a conductivity meter. conductivity Depends mainly on the ionic species of the buffer / electrolyte and their concentration; These parameters are very important for electric field-related molecular biology techniques. The resulting electric field Is really in a microscopic environment, but the basic current / voltage relationship is Essentially the same for APEX technology as for any other electrophoresis system It is.   How various methods of supplying current and voltage and the scenario of current and voltage are APEX system has been found to improve the performance of such systems. Tem has unique features. In detail, several DC pulse techniques (linear and And logarithmic gradient) provide improved hybridization stringency It seems to do.Electrophoretic transport-vs. ionic strength   There is a logarithmic decrease in the mobility of charged analyte species (proteins, DNA, etc.) It is well established in the field of electrophoresis that it is inversely proportional to the square root of the ionic strength of the solution. ("Capillary Electrophoresis: Pr Includes and Practice ", R.C. Kuhn and S.M. Ho ffsetter, Springer-Verlag, 1993, p. And Figure 3.16). At any given constant electric field strength, the electrolyte concentration is analyzed As it decreases relative to species (proteins, DNA, etc.), analytes will move at a faster rate Will be transported. Similar results showing this effect for dansyl amino acids J. J. Issaq et al., Chromatographia Vol. 32, # 3/4, August 1991, pages 155 to 161 (for details, see FIG. 3 on page 157) ). For DNA this effect is a different electrolytic solution Indicates that P.S. D. Ross and R.M. L. Scruggs, Biopol ymers Vol. 2, 231-236, 1964 (for details, 232 Page 1).Relationship between ionic strength and conductivity For non-buffer electrolytes containing cations (sodium chloride, potassium chloride, etc.) Ionic strength and conductivity are equivalent, ie conductivity is usually proportional to ionic strength Do (Phosphate, acetate, citrate, succinate, etc.) The conductivity will usually be equivalent, ie the conductivity is proportional to the ionic strength. Relaxants that can have zwitterionic species (no net charge at their pI) Impulsive electrolyte [Good buffer (MOPS, HEPES, TAPS, Tricine, ), Amino acid buffers, amphoteric electrolytes, etc.] Will decrease approximately 10-fold for every pH unit difference between and (pKa). For example , Its zwitterionic state (-OOC-CH (R) -NHThree +The amino acids in parentheses are The amino acid moietyIt will have a conductivity value that is 00 times lower. Thus, as one moves away from its pI, the shape A formal negative or positive charge is generated at the amino acid moiety, and conductivity and ionic strength are related. It will start running. However, at or near the pI, the conductivity is Will be much lower than expected in on-strength or concentration. Their pI or their Electrophoresis text when used near Good Buffer and amino acid It is noted that the acid buffer has "low conductivity at high ionic strength or concentration" (Ca pillary Electrophoresis: Principles a nd Practice ", R.A. Kuhn and S.M. Hoffsetter, Springer-Verlag, 1993, p. 88). Normally used electricity The electrophoresis buffer “Tris-boric acid” is actually predicted based on its ionic strength or concentration. It has a significantly lower conductivity than expected. This is a relatively stable zwitter in solution For "Tris cation" and "Borate anion" to form ion complex May. The conductivity of the 100 mM Tris-borate solution is 694 μS / cm. Which is approximately 20 times lower than expected from its ionic strength. Approximately equivalent to mM sodium phosphate or sodium chloride solution. Table 1 Shows conductivity measurements for a number of transport buffers. Zwitterion buffer / conductivity / transport rate   At or near their pI, a zwitterionic buffer (Good buffer, amino acid) Acid buffer) or Tris-borate buffer has certain advantages. It exists with respect to the rate and rate of electrophoretic transport. These are: 1) Such a buffer is Can be used at relatively high concentrations, increasing the buffer capacity and 2) their conductivity Is significantly lower than other types of buffers at the same concentration, and 3) the analyte of interest It is to obtain the advantage of high electrophoretic transport rates for (DNA).Zwitterion buffering capacity at isoelectric point (pI)   Amino acid buffers have buffer properties at their pl. A given amino acid is It may or may not have that "highest buffering capacity" at a pI of It will have some buffer capacity. The buffer capacity is defined as the pI between pI and pKa. H unit difference is reduced by 10 times, and three types of ionizable groups (histidine, cysteine, , Lysine, glutamic acid, aspartic acid, etc.) It has a higher buffer capacity at their pI than amino acids having only two dissociations. An example For example, compared to alanine or glycine, which have relatively low buffer capacity at their pI. In comparison, histidine pI = 7.47, lysine pI = 9.74 and glutamic acid pI All of I = 3.22 have relatively good buffering capacity at their pI (AL . Lehniger, Biochemistry, 2nd Edition, Worth Publ ishers, New York, 1975; See FIG. 4-9 on page 80). Histidine is used as a buffer in gel electrophoresis. Although recommended, hybridization is performed in such systems. Not. See U.S. Pat. No. 4,936,963. Cysteine is good for buffering capacity It is in an intermediate position. The cysteine has a pI of 5.02 and the α carboxyl group has a pK of 5.02. a is 1.71, pKa of sulfhydryl is 8.33, and pKa of α-amino group is 1 0.78. The acid / base titration curve for 250 mM cysteine shows that It shows that it has better "buffering capacity" at about pH 5 than mM sodium phosphate. In the pH range 4 to 6, cysteine's buffer capacity is 2 Significantly better than 0 mM sodium phosphate ing. However, at these pH ranges, a 250 mM cysteine solution Is 20 mM sodium phosphate with a value of about 2.9 mS / cm, which is 100 times greater. It is about 23 μS / cm, which is much lower than that of lithium. FIG. 1 shows various transport buffers. The measured conductivity of the liquid impingement is shown.   Some electrophoretic techniques, developed more than 20 years ago, are "at their pI" Based on the ability to separate proteins in zwitterionic buffers. These technologies are Isoelectric focusing, Isotachophoresis And the method of isoelectric focusing (BD Hames and D. Rickwood). d "Gel Electrophoresis of proteins" : A Practical Approach, Chapters 3 and 4, IRL   Press 1981). For these applications, all at their pI Some amino acid buffers and good buffers were used (see above cited references). See Table 2 on page 168).DNA transport in low ionic strength and low conductivity buffers   5580 chip coated with 2.5% agarose and ByTr-RCA5 A series of fluorescent checkerboard tests were performed using an optical probe. The following Stem: (1) 250 mM HEPES (low conductivity), (2) 10 μM amber Sodium citrate, (3) 10 μM sodium citrate and (4) distilled water Quickly (6 seconds) checkerboard addressing. Na citrate The results for thorium are shown in FIG. On the other hand, some types of low conductivity or low ion The strength solution has checkerboard addressing which is a somewhat better attribute Rapid DNA transport (6-12 seconds of DNA accumulation on 80 μm pad) This was achieved with all systems. Furthermore, DNA (polyanio itself) Is an electrolyte present in the bulk solution that provides conductivity, DNA addressing APEX chip is possible. Figure 1 uses histidine FIG. 2 shows a plan view of the APEX chip.Electrophoretic transport rates and cation / anion species relationships   The mobility of charged analyte species (DNA, proteins, etc.) is related to the ionic strength of the electrolytic solution. In addition to the fact that, in addition to the fact that It is greatly influenced by the nature of the on-species (“Capillary Electr. opforesis: Principles and Practice " ). Biopolymer, Vol. 2, pp. 231-236, 1964 The literature shows this particular point for DNA transport. Page 232 of this document FIG. 1 shows that different monovalent anions (Li+> Na+> K+> 3 shows changes in DNA mobility when an electrolytic solution having TMA) is used. fundamentally Different cations have different association constants at the DNA phosphate group, and / or Changes the hydration region around the DNA molecule, which can lead to changes in transport rates. Wear.   The present invention relates to an electric field molecular biological device, especially an APEX microelectronic chip and device. The DNA transfer rate, DNA hybridization reaction efficiency and total Various parameters and voltages to improve or optimize hybridization specificity It relates to our findings relating to lysis (buffer) and other conditions. For details The present invention relates to the use of 10-100 mM at or near the pi (isoelectric point of about 7.47). Low conductivity containing the amino acid histidine prepared at a concentration of about 50 mM Zwitterionic buffer solution provides rapid electrophoretic DNA transport and efficient hybridisation Concerning the inventor's discovery that both provide optimal conditions for the You. This advantage of histidine buffer is particularly important for APEX chip-type devices. .   These special devices (as opposed to micro-machined devices) are capable of applying There are limits on the amount of current and voltage. This limit is based on the same buffer system. To achieve both rapid transport and efficient hybridization. Make it difficult. In these cases, limited current / voltage still causes rapid transport DNA transport was performed in a low conductivity buffer (cysteine or alanine). Under these conditions, DNA accumulated at the test site but did not hybridize efficiently. won. After transport in these low conductivity buffers, the solution was transferred to a high salt buffer (> 100 mM sodium chloride or sodium phosphate). Caused efficient hybridization.   Table 2 shows the parameters of buffer capacity, pH and conductivity, and the APEX chip device. A link between DNA accumulation used and hybridization sensitivity (efficiency) The results for the serial test are shown.  In particular, Table 2 shows the transported target DNA to the specific capture DNA at the test site. Various zwitterionic amino acid buffers for hybridization [β-alani , Taurine, cysteine, histidine, lysine and sodium phosphate Not an ion buffer)]. Transport is generally the same for transport Correlates with transport under field conditions. β-alanine, taurine and cysteine are excellent Histidine shows good transport, and lysine and NaPOFour Indicates considerable transport. DNA hybridization sensitivity is negatively charged "Standard DNA" having a lianionic phosphate backbone has been reported. 1 / 20 mM NaPO adjusted to pH 7.4Four In addition to the hybridization sensitivity, Table 2 shows streptavidin / bio 9 shows the sensitivity with respect to tin DNA probe capture affinity.   Table 2 shows DNA transport (accumulation) and low conductivity (β-alanine, taurine, cysteine). Histidine). The table shows β-alanine, cysteine Reaction of streptavidin / biotin probe using histidine and histidine Shows excellent sensitivity. As reflected in the sensitivity data in Table 2, histidine Is cysteine or 20 mM NaPOFourBetter than any of the other buffers It provides good hybridization efficiency by 4 orders or more. Cysteine Is at least a factor of 10, and more specifically 10TwoDouble and most detailed Has at least 10FourIt is twice. Most importantly, Table 2 shows the DNA hive Very good redidation sensitivity (efficiency) for histidine buffer It is to show. Thus, of the currently tested zwitterionic amino acid buffers, Histidine has good transport and good DNA / DNA hybridization effect It is the only one that offers rates together.   It is believed that the low conductivity of the histidine buffer system is responsible for rapid transport (accumulation). Have been. Why histidine buffer is relatively effective for DNA / DNA hybridization There are several possible explanations for what causes the stigma. One advantage May be the superior buffer capacity of histidine. At its pI of 7.47 , Histidine is an excellent buffer under acidic or basic conditions (AL Le. hninger, Biochemistry, 2nd edition, worth Publis hers, New York, 1975, p. 80, FIG. 4-9). DNA is high Histidine accumulates for hybridization and effectively relaxes these conditions. At the positive electrode that may strike, the APEX tip produces acid. More important Under these acidic conditions (pH <5), the protocol of imidazole group of histidine is Conversion initiates the conversion of the molecule to the dicationic species. A positively charged α-amino group and This dicationic species, which has a positively charged imidazole group, DNA / DNA hybrid formed at the positive electrode of the APEX chip It may be the case that may help stabilize the lid. Mosquito Thion, dication and polycation ON reduces the repulsion of the negatively charged phosphate backbone on double-stranded DNA structures Is known to help stabilize DNA / DNA hybrids. Also, DNA / DNA / histidine is another electrochemical product generated at the positive electrode. May form some types of stabilizing adducts (e.g., hydrogen peroxide) There is a possibility.   Although this embodiment utilizes naturally occurring histidine, the present invention provides a good buffering capacity, It has low electrical conductivity (or zwitterionic properties) and is And other natural or natural compounds having the property of stabilizing DNA hybridization. Applicable to synthetic compounds.   The above invention is illustrated and illustrated by way of illustration for purposes of clarity and understanding. Although described in some detail, certain changes and modifications may be made in the appended claims. What can be done without departing from the spirit or scope is that of the teachings of the present invention. Will be readily apparent to those skilled in the art.

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Claims (1)

【特許請求の範囲】 1.(1)低導電率緩衝液を装置に適用し、 (2)装置に電流を適用して試験部位にて電場を生じさせ、 (3)試験部位まで標的核酸を輸送し、次いで、 (4)同一条件下のシステインについてより少なくとも10倍大きいハイブ リダイゼーション効率で、試験部位にて捕獲核酸に対して標的核酸をハイブリダ イズする工程を含むことを特徴とする捕獲核酸を担う、少なくとも1つの試験部 位を有する超小型電子装置において、標的核酸を輸送しハイブリダイズさせる方 法。 2.低導電率緩衝液が双性イオン緩衝液である請求項1記載の方法。 3.双性イオン緩衝液がヒスチジンを含む請求項2記載の方法。 4.ヒスチジンが約10−100mMの濃度で調製された請求項3記載の方法。 5.ヒスチジンが等電点またはおよそ等電点で調製された請求項3記載の方法。 6.等電点が約pH 7.47である請求項1記載の方法。 7.緩衝性存在物が、標的核酸および捕獲核酸間のハイブリダイゼーションを安 定化する請求項1記載の方法。 8.緩衝性存在物が低導電率を有する天然化合物である請求項7記載の方法。 9.緩衝性存在物が天然の、双性イオン化合物である請求項7記載の方法。 10.緩衝性存在物が低導電率を有する合成化合物である請求項7記載の方法。 11.緩衝性存在物が合成の、双性イオン化合物である請求項7記載の方法。 12.ハイブリダイゼーション効率が、同一条件下のシステインについてより、 少なくとも100倍大きい請求項1記載の方法。 13.ハイブリダイゼーション効率が、同一条件下のシステインについてより、 少なくとも1,000倍大きい請求項1記載の方法。 14.ハイブリダイゼーション効率が、同一条件下のシステインについてより、 少なくとも約50,000倍大きい請求項1記載の方法。 15.緩衝性存在物が、捕獲核酸および標的核酸間の斥力を低下させる請求項1 記載の方法。 16.緩衝液が、捕獲核酸および標的核酸間の付加物形成を低下させる請求項1 記載の方法。 17.低導電率緩衝液を装置に適用し、 装置にパワーを適用して、装置の微小位置試験部位にて、標的核酸の電気 泳動輸送および蓄積を引き起こし、次いで 同一条件下のシステインについてより、少なくとも10倍大きい効率で、 標的核酸をハイブリダイズさせる工程を含むことを特徴とする、捕獲核酸 を有する微小位置試験部位を含む超小型電子ハイブリダイゼーションにおいて、 標的核酸の電気泳動輸送およびハイブリダイゼーション効率を増強する方法。 18.低導電率緩衝液が双性イオン緩衝液である請求項17記載の方法。 19.双性イオン緩衝液がヒスチジンを含む請求項18記載の方法。 20.ヒスチジンが約10−100mMの濃度で調製された請求項19記載の方 法。 21.ヒスチジンが等電点またはおよそ等電点で調製された請求項19記載の方 法。 22.等電点が約pH 7.47である請求項17記載の方法。 23.緩衝性存在物が、標的核酸および捕獲核酸間のハイブリダイゼーションを 安定化させる請求項17記載の方法。 24.緩衝性存在物が低導電率を有する天然化合物である請求項23記載の方法 。 25.緩衝性存在物が天然の、双性イオン化合物である請求項23記載の方法。 26.緩衝性存在物が低導電率を有する合成化合物である請求項23記載の方法 。 27.緩衝性存在物が合成の、双性イオン化合物である請求項23記載の方法。 28.ハイブリダイゼーション効率が、同一条件下のシステインについてより、 少なくとも100倍大きい請求項17記載の方法。 29.ハイブリダイゼーション効率が、同一条件下のシステインについてより、 少なくとも1,000倍大きい請求項17記載の方法。 30.ハイブリダイゼーション効率が、同一条件下のシステインについてより、 少なくとも約50,000倍大きい請求項17記載の方法。 31.緩衝性存在物が、捕獲核酸および標的核酸間の斥力を低下させる請求項1 7記載の方法。 32.緩衝液が、捕獲核酸および標的核酸の付加物形成を低下させる請求項17 記載の方法。[Claims] 1. (1) applying a low conductivity buffer to the device,     (2) applying an electric current to the device to generate an electric field at the test site;     (3) transport the target nucleic acid to the test site, and then     (4) Hive at least 10 times greater than for cysteine under the same conditions Hybridize target nucleic acid to captured nucleic acid at test site with re-didation efficiency At least one test part carrying a capture nucleic acid, comprising the step of: For transporting and hybridizing target nucleic acids in microelectronic devices Law. 2. The method of claim 1 wherein the low conductivity buffer is a zwitterionic buffer. 3. 3. The method of claim 2, wherein the zwitterionic buffer comprises histidine. 4. The method of claim 3, wherein histidine is prepared at a concentration of about 10-100 mM. 5. 4. The method of claim 3, wherein the histidine is prepared at or about the isoelectric point. 6. The method of claim 1, wherein the isoelectric point is about pH 7.47. 7. Buffering entities reduce hybridization between the target nucleic acid and the capture nucleic acid. The method of claim 1, wherein the method comprises: 8. The method of claim 7, wherein the buffering entity is a natural compound having low electrical conductivity. 9. The method of claim 7, wherein the buffering entity is a natural, zwitterionic compound. 10. The method of claim 7, wherein the buffering entity is a synthetic compound having a low electrical conductivity. 11. The method of claim 7, wherein the buffering entity is a synthetic, zwitterionic compound. 12. Hybridization efficiency is better than for cysteine under the same conditions. The method of claim 1, wherein the method is at least 100 times larger. 13. Hybridization efficiency is better than for cysteine under the same conditions. 2. The method of claim 1, wherein the method is at least 1,000 times larger. 14. Hybridization efficiency is better than for cysteine under the same conditions. The method of claim 1, wherein the method is at least about 50,000 times larger. 15. The buffering entity reduces repulsion between the capture nucleic acid and the target nucleic acid. The described method. 16. The buffer of claim 1, wherein the buffer reduces adduct formation between the capture nucleic acid and the target nucleic acid. The described method. 17. Apply low conductivity buffer to the device,       By applying power to the device, the target nucleic acid       Causing electrophoretic transport and accumulation, then       With at least 10 times greater efficiency than for cysteine under the same conditions,       Capture nucleic acid, comprising a step of hybridizing a target nucleic acid In microelectronic hybridization including a microposition test site having A method for enhancing the efficiency of electrophoretic transport and hybridization of a target nucleic acid. 18. 18. The method of claim 17, wherein the low conductivity buffer is a zwitterionic buffer. 19. 19. The method of claim 18, wherein the zwitterionic buffer comprises histidine. 20. 20. The method of claim 19, wherein histidine is prepared at a concentration of about 10-100 mM. Law. 21. 20. The method of claim 19, wherein the histidine is prepared at or about the isoelectric point. Law. 22. 18. The method according to claim 17, wherein the isoelectric point is about pH 7.47. 23. The buffering entity enhances hybridization between the target nucleic acid and the capture nucleic acid. 18. The method of claim 17, wherein said stabilizing. 24. 24. The method of claim 23, wherein the buffering entity is a natural compound having low electrical conductivity. . 25. 24. The method of claim 23, wherein the buffering entity is a natural, zwitterionic compound. 26. 24. The method of claim 23, wherein the buffering entity is a synthetic compound having low electrical conductivity. . 27. 24. The method of claim 23, wherein the buffering entity is a synthetic, zwitterionic compound. 28. Hybridization efficiency is better than for cysteine under the same conditions. 18. The method of claim 17, wherein the method is at least 100 times larger. 29. Hybridization efficiency is better than for cysteine under the same conditions. 18. The method of claim 17, wherein the method is at least 1,000 times larger. 30. Hybridization efficiency is better than for cysteine under the same conditions. 18. The method of claim 17, wherein the method is at least about 50,000 times larger. 31. The buffering entity reduces repulsion between the capture nucleic acid and the target nucleic acid. 7. The method according to 7. 32. 18. The buffer according to claim 17, wherein the buffer reduces adduct formation of the capture nucleic acid and the target nucleic acid. The described method.
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