KR100424939B1 - 메니스커스의통과에의한거대분자정렬방법및이의용도 - Google Patents

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벤시몬 데이빗
벤시몬 아론
에슬로 프랑소와
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상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄 (쎄엔알에스)
앵스띠뛰 파스퇴르
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Abstract

본 발명은 지지체의 표면(S) 상에서 하나 이상의 거대분자(들)를 정렬하는 방법으로서, 용매(A)와 상기 표면(S)과 매체(B)의 접촉으로 인한 삼중선 S/A/B (메니스쿠스)이 상기 표면(S) 상에서 이동하고, 상기 거대분자의 일부분 구체적으로 단부는 상기 표면(S) 상에 고정되어 있고, 기타 부분 구체적으로 다른 단부는 상기 용매(A)내에 용해되어 있다. 또한, 본 발명은 상기 정렬 방법을 수행하여 샘플 내에서 거대 분자의 검출, 분자내 거리 측정, 분리 및/또는 분석에 관한 것이다.

Description

메니스커스의 통과에 의한 거대분자의 정렬 방법 및 이의 용도
거대분자의 형태(conformation)를 조절하는 것이, 예를 들어 센서 또는 조절된 분자 조립체의 제조, 또는 검출 및 분석의 문제에서 산업적인 주 연구과제였다. 신장된 분자 형태를 보유하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 중합체가 기재상에 이식되는 경우, 전기장, 유동 또는 광학 핀셋의 도움으로 상기 중합체를 신장시키는 것이 제안되어 왔다. 구체적으로, 생물학에서 전기영동에 의한 DNA의 정열(참조:Zimmermann 및 Cox Nucl. Acid Res. 22, p 492(1994)), 자유 유동에 의한 DNA의 정열(참조: Parra 및 Windle, Nature Genetics, 5, p 17, 1993 및 WO 93/22463) 또는 겔 내에서 DNA의 정열(참조: Schwartz 등, Science 262 p 110, 1993 및 USP 33531) 또는 광학 핀셋을 이용하는 DNA의 정열(Perkins 등, Science 264 p 819, 1994 및 USP 5079169)은 지도화 또는 병원체의 검출에서 다양한 가능성의 지평을 열었다.
그러나, 일반적으로 이들 방법에 의한 정열은 불완한 정열이거나 아니면, 일단 응력이 사라지면 분자가 이완되는 일과성 정렬이었다. 광학 핀셋을 사용하는 경우, 상기 방법은 비용이 많이 들며, 1회에 1분자로 제한되며, 비자격자는 수행하기 어려운 난점이 있다.
세포 용균후, 유동에 이은 건조에 의해 DNA를 정열하는 특별한 기법이 제안되어 왔다(참조: I. Parra 및 B. Windle 및 WO 93/22463). 그러나 상기 방법으로 획득한 정열은 매우 불완전하고, 불균질하였으며, 다량의 비정렬 부분이 관찰되었다.
본 발명은 중합체 또는 생물학적 활성을 보유하는 거대분자, 특히 DNA 또는 단백질 같은 거대분자를 정열시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 샘플내에서 거대분자의 검출, 분자내 거리 측정, 거대분자의 분리 및/또는 분석 공정에 본 발명의 방법을 이용하는 것에 관한 것이다.
하기 설명은 참고로 첨부한 도면을 설명한다.
도 1은 형광 DNA 분자 내에서 고정 분자와의 하이브리드화에 의한 병원체의 검출을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 DNA의 확장 및 마커 DNA의 이용에 의한 유전적 지도화를 개략적으로나타낸 도면이다.
도 3은 형광 DNA 분자를 반응 마커로 이용하는, "플래그" 분자에 의한 면역학적 반응(ELISA)의 검출을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 메니스커스의 진행에 의한 람다 파지 DNA의 신장을 나타내는 형광 현미경 사진이다. 용액 내에서 메니스커스에 대해 평행한 증발 유동에 의해 신장된 DNA 분자는 좌측에, 메니스커스에 대해 직각으로 신장된 후, 옥외 공기내의 DNA 분자는 우측에 나타냈다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 각각 항-DIG로 피복된 표면 상에서 DIG로 표지되고, 메니스커스에 의해 신장된 DNA 및 대조용으로 항-DIG 표면 상에서 비표지된 DNA의 형광 현미경 사진이다. 상기 표면에 대한 매우 높은 특이성 및 비특이성 고정의 부재가 관찰될 것이다.
도 6은 메니스커스 통과에 의한 DNA의 확산을 개략적으로 나타낸 도면이다. 용액 내에서 DNA는 처리된 표면 상에 고정된다. 상기 DNA 용액은 처리되지 않은 둥근 커버 슬립으로 덮여있다.
도 7은 하기와 같이 처리한 유리 표면 상에서 빗질된 람다 파지 DNA 분자의 길이를 나타내는 막대 그래프이다:
(a) 아민 기가 말단 기인 실란 분자로 피복함,
(b) 폴리라이신으로 피복함,
(c) 과산화수소/황산 혼합물 내에서 세정함.
도 8은 폴리라이신으로 피복한 유리 표면 상에서 빗질한 DNA 분자를 나타낸도면이다. 그들 두개의 단부에 의해 부착된 분자가 루우프를 형성하는 것이 관찰된다.
도 9는 이들 분자의 용액으로부터 처리한 커버 슬립의 제거에 의해 빗질된 YACs를 나타낸 도면이다.
도 10은 동일계내 하이브리드화에 의해 YAC 상에서 코스미드의 존재 및 크기의 확인을 나타낸 도면이다.
"진단" 모드에서, 프로브("고정자")는 본 발명에 따라 표면 상에서(예를 들어, 고정 위치로서 항-DIG 항체 또는 스트렙타비딘을 보유함) 특이적으로 고정할 수 있는 반응성 기(DIG, 비오틴등)를 보유한다. 고정 반응의 검출은 형광 분자(에티디움 브로마이드, YOYO, 형광 뉴클레오티드)에 의해 염색된 DNA 분자의 형광을 검출하므로써 직접적으로 수행할 수 있다(참조: 도 1). 또한, DNA/RNA 분자에 대해 부착할 수 있으나(예를 들어, 하이브리드화, 단백질-DNA 상호작용등), 프로브의 고정 위치에 대해서는 친화성이 없는 "플래그 분자"를 검출하므로써 간접적으로 수행할 수 있다.
"지도화" 모드에서, 동일계내 하이브리드화 기법(FISH)을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 형광 시약을 보유하는 프로브와 DNA를 용액 내에서 하이브리드화시키는 것과 같은 기타의 기법을 고려해 볼 수 있다. 프로브 위치의 검출은 본 발명에 따라 분자를 정렬한 후 수행한다.
본 발명은 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자를 정열하는 신규하고, 간단한 방법을 제공하는데, 상기 방법은 용매(A)와 상기 표면(S)과 매질(B)의 접촉으로 인해 형성된 삼중선 S/A/B(메니스커스)이 상기 표면(S) 상에서 이동하고, 상기 거대분자의 일부분, 구체적으로 한쪽 단부가 표면(S)에 고정되어 있고, 기타 부분, 구체적으로 다른쪽 단부가 용매(A) 내의 용액 내에 존재함을 특징으로 한다.
본 발명에 따라, 한쪽 단부가 기재 상에 고정되어 있고, 분자의 나머지 부분이 용액내에 자유롭게 존재하는 상기 분자 위로 메니스커스를 단순히 통과시키므로써 균일하고, 메니스커스 이동 방향에 대해 수직 방향으로 상기 분자를 정열시키고, 메니스커스 이동 후에 표면상에 부착된 상태로 남겨지는 현상을 관찰하였다. 상기 현상을 "분자 빗질(molecular combing)"이라 칭한다.
더 구체적으로, 상기 분자의 자유로운 부분의 신장은 표면(S)과 용매(A) 및기체(일반적으로 공기) 또는 기타 용매일 수 있는 매질(B) 사이의 메니스커스로 구성되는 삼중선 S/A/B의 통과에 의해 수행된다.
특정 구체예에서, 메니스커스는 물/공기 메니스커스이며, 이는 용매(A)가 수용액이고, 매질(B)이 공기임을 의미하는 것이다.
또한, 상기 분자를 오일/물, 특히 물/계면활성제/공기 같은 기타 시스템으로 신장시키기 위해 본 명세서에서 사용된 공기/물 메니스커스를 확장할 수도 있다.
메니스커스의 이동은 표면(S)에 대해 유체(A) 및 (B)를 상대적으로 이동시키는 임의의 수단에 의해 획득할 수 있다. 한 구체예에서, 표면(S)는 용매(A)로부터 제거하거나, 또는 역으로 용매(A)를 표면(S)로부터 제거할 수 있다.
구체적으로, 메니스커스는 기계적 수단, 구체적으로 기체를 흡입하거나 불어넣는 방법으로 공기압 수단, 또는 용매(A) 또는 매질(B)을 밀어넣거나 흡입하는 수력학적 수단에 의해 이동시킬 수 있다.
따라서, 용매(A)를 점진적으로 증발시키므로써 메니스커스를 이동시킬 수 있다.
메니스커스를 기계적으로 이동시키는 경우, 이는 계면 A/B의 병진운동 또는 표면(S)의 병진운동에 의해 이루어질 수 있다.
특정 구체예에서, 용매는 두개의 지지체 사이에 위치되는데, 상기 두개의 지지체중 하나 이상은 상기 표면(S)의 지지체에 상응하며, 메니스커스는 예를 들어 증발에 의해 이동한다.
본 명세서에서 사용한 용어 "지지체"는 메니스커스의 이동을 견디기에 충분한 응집력을 가진 임의의 기재를 의미한다.
상기 지지체는 적어도 한 표면이 유기 또는 무기 중합체, 금속, 구체적으로 금, 금속 산화물 또는 금속 황화물, 반도체 부재, 반도체 부재의 산화물, 예컨대 산화규소 또는 유리 또는 세라믹 같은 이의 조합물로 이루어질 수 있다.
상기한 것중 특히 바람직한 것은 유리, 표면-산화된 규소, 흑연, 운모 및 황화 몰리브덴을 들 수 있다.
"지지체"로서, 슬라이드, 비드, 구체적으로 중합체 비드 같은 단일 지지체를 사용할 수 있으나, 여러가지 분석 기법에서 공지된 바와 같이 자성을 띄게 하거나, 형광을 발하게 하거나 착색시킬 수 있는 바(bar), 섬유 또는 구조화된 지지체 및/또는 분말, 구체적으로 실리카 분말일 수 있는 입자를 사용할 수 있다.
지지체는 커버 슬립 형태가 유익하다. 지지체는 형광을 거의 발하지 않거나 발하지 않는 것이 바람직하다.
일반적인 중합체, DNA, RNA 또는 단백질 같은 생물학적 중합체 같은 거대분자는 일반적인 방법으로 지지체상에 고정시킬 수 있다.
정렬시키려는 거대분자는 단백질, 구체적으로 항체, 항원, 리간드 또는 그들의 수용체, 핵산, DNA, RNA 또는 PNA, 지질, 다당류 또는 이의 유도체와 같은 생물학적 거대분자로부터 선택할 수 있다.
본 발명에 따르면, 신장력은 메니스커스의 바로 근처에 국소적으로 작용하는 것으로 관찰되었다. 이는 분자의 길이, 고정된 분자의 수 및 넓은 범위내에서는 메니스커스의 속도와는 별개의 문제이다. 이들 특성은 상기 분자를 균질하고, 재생할수 있게 정렬하는데 특히 중요하다.
본 발명에 따라, 계면 활성제 요소를 용매(A) 및/또는 매질(B)내에 첨가하여 계면의 특성을 변형시킬 수 있다. 본 발명에 따라, 계면활성제를 첨가하거나 표면을 적절히 처리하므로써 신장을 실제로 조절할 수 있다.
너무 큰 표면-거대분자 인력(예를 들어, 과도하게 높은 수준의 흡착)은 메니스커스에 의한 상기 분자의 정렬을 방해할 수 있기 때문에, 표면에서 흡착된 상태로 잔류하는 이들 분자는 반드시 신장시킬 필요는 없다. 상기 표면은 상기 거대분자의 낮은 비율의 흡착을 나타내어 단지 고정된 분자만이 정렬되고, 나머지는 메니스커스에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
그러나, 상기 거대분자의 일부분, 구체적으로 그의 단부와 그의 나머지 부분(구체적으로 DNA 또는 콜라겐 같은 긴 분자) 사이의 흡착의 차이를 변화시켜 흡착에 의해 다양한 종류의 표면상에서 상기 분자의 일부분, 구체적으로 그들의 단부(들)만을 고정하고, 상기 분자의 나머지는 용액내에 자유로운 상태로 존재하게 하므로써 상기한 바와 같이 메니스커스를 통과시키므로써 상기 분자를 정렬시킬 수 있다.
표면 상에서 거대분자의 흡착은 상기 매질의 pH, 상기 매질의 이온 매질 함량 또는 상기 표면상에 적용되는 전압에 의해 용이하게 조절할 수 있다. 표면 전하 및 표면과 상기 분자 사이의 정전기적 상호작용(인력 또는 척력)을 변화시키므로써 상기 표면에 대한 상기 분자의 완전한 흡착 상태에서 흡착이 전혀 없는 상태로 전환하는 것이 가능하다. 이들 두개의 극단적인 경우 사이에, 상기 분자의 단부를 통해 흡착이 바람직하게 발생하며, 이로 인해 상기 표면에 대해 상기 분자를 이롭게 고정시킨 후에 메니스커스를 통과시켜 상기 분자를 정렬시키는 조절 변수의 범위가 존재한다.
일단 정렬되면, 상기 분자는 상기 표면에 강하게 접착한다. DNA의 경우, 그들을 정렬시키고 수개월 후에 형광에 의해 그들을 관찰할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 Parra 및 Windle에 의해 제안된 방법과는 매우 상이한데, 그 이유는 본 발명의 방법에 따르면, 상기 분자는 표면상에 고정된 후, 메니스커스의 통과에 의해 균일하게 정렬되는 반면, Parra 및 Windle의 방법에서는 수력학적 유동이 사용되어 상기 분자를 불균질하게 신장시키므로써 상기 분자가 상기 표면상에 비특이적으로 흡착되기 때문이다.
또한, 기타의 기법들도 분자의 신장과 정렬을 일으킬 수 있다. 따라서, 한 단부가 고정된, 용액내에서 분자의 동적인 배향은 전기영동 또는 수력학적 유동에 의해 획득할 수 있다. 그러나, 관찰된 결과로 이들 방법들이 메니스커스를 이용한 방법보다 효율이 떨어짐을 확인할 수 있었다.
본 명세서에서 사용한 용어인 표면 상에 거대분자의 "고정"은 상기한 바와 같이 흡착과 같은 물리화학적 상호작용에 기인한 결합과 같은 공유 결합 및 비공유결합 둘 다를 통한 화학반응성에 기인한 부착의 의미이다.
상기한 거대분자의 고정은 표면상에서 직접(또는 표면과 함께) 또는 간접으로 이루어질 수 있는데, 이는 다른 분자, 구체적으로 생물학적 활성을 보유한 다른 분자같은 결합을 통해 이루어지는 것을 말한다. 간접적으로 고정시키는 경우, 거대분자는 상기 결합상에 화학적으로 이식되거나, 특히 상기 중간 결합이 상기 거대분자를 인식하고 상호작용하는 생물학적 활성을 보유하는 분자인 경우, 상기 결합과 물리화학적으로 상호작용할 수 있다.
한 구체예에서, 거대분자 및 상기 결합은 둘 다 각각 항원과 항체, 상보적인 핵산 서열 또는 지질 같은 상호작용하는 생물학적 활성을 보유하는 분자이다. 이들 경우에서, 거대분자의 비공유적 부착은 다음과 같은 유형의 결합으로 이루어진다: 항원-항체, 리간드-수용체, 상보적인 핵산 서열 단편 사이의 하이브리드화 또는 지질 사이의 소수성 또는 친수성 상호작용.
따라서, 임의의 생물학적 반응, 구체적으로 항원-항체 반응, DNA-RNA 하이브리드화 반응, 단백질간 반응 또는 아비딘/스트렙타비딘/비오틴 형태의 반응 뿐만 아니라 리간드 및 그들의 수용체의 반응의 매우 높은 특이성과 매우 높은 선택성을 선택하는 것이 유익하다.
따라서, 표면(S) 상에서 거대분자를 직접 또는 간접적으로 고정하기 위해서는, 임의의 특이성을 보유한 고체 표면을 사용하는 것이 가능하다. 구체적으로, 변형되거나 변형되지 않은 임의의 단백질 또는 DNA를 부착할 수 있는 임의의 전처리된 표면을 사용할 수 있다.
이러한 표면은 그들의 표면에 예를 들어 COOH, NH2, 또는 OH 기를 보유하는 다양한 형태로 시판되고 있다(예를 들어, 코발링크(Covalink), 코스타(Costar), 에스타포(Estapor), 방스(Bangs), 다이날(Dynal)).
이 경우, 반응성 기 예를 들어 아민을 이용하여 DNA를 작용기화하고, 이들 표면과의 반응을 수행하는 것이 가능하다. 그러나, 이들 방법은 부착하려는 DNA의 특이적인 작용기화를 필요로 한다.
또한, DNA를 전처리하지 않고 고정할 수 있는 기법도 기술되어 있다. 이 방법의 주안점은 DNA 분자의 5' 단부의 유리 포스페이트와 표면(NK 코발링크 표면)의 2차 아민을 반응시키는 것이다.
흡착에 의한 고정은 상기 매질의 pH, 상기 매질의 이온 함량 또는 분자의 단부와 중간 부분의 흡착이 차이가 생기는 상기 표면상에 적용되는 전압에 의해 표면 전하를 조절하므로써 상기 분자의 단부의 흡착에 의해 수행할 수 있다. 본 발명에 따라, 예를 들어 폴리라이신 분자 같은 비닐 또는 아미노 기가 말단기인 분자, 또는 비닐 또는 아미노기가 말단기인 실란 유형 분자로 피복된 유리 또는 대안으로 산 배스(bath)에서 이미 세정된 유리 커버 슬립 같은 다양한 표면상에 비작용기화된 DNA 분자를 고정한다.
모든 경우에서, DNA 분자가 고정되는 pH 범위는 완전한 흡착 상태와 흡착이 전혀 없는 상태 사이에서 선택되며, 후자는 더 염기성 pH에서의 상황이다. 이 기법은 매우 일반적이며, 당업자에 의해 그 사용이 여러가지 표면으로 확장될 수 있다.
또한, 제1 반응성 기 또는 단백질 P0를 이용하여 DNA를 작용기화하여 제2 반응성 기 또는 단백질 P1으로 피복된 표면과 접촉하게하여 각각 서로 예를 들어 P1과 P0이 특이적으로 반응하도록 할 수 있다. P0/P1쌍은 하기 형태의 쌍일 수 있다: 예를 들어, 비오틴/스트렙타비딘(Zimmerman 및 Cox) 또는 디그옥시게닌/디그옥시게닌에 대해 유도된 항체(항-DIG)(참조: Smith 등, Science 258, 1122(1992)).
고정 표면들은 그들의 정렬후 분자의 검출, 특히 형광에 의한 검출을 방해하지 않기 위해서 낮은 형광 수준을 보유하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라, 반응 조건하에서 거대분자의 일부분만에 대한 친화성을 보유하며, 상기 거대분자의 나머지는 용액내에 자유롭게 존재하는 표면을 보유하는 고형 지지체를 사용하는 것이 바람직하다.
한 구체예에서, 표면 상에 유기 화합물로 이루어진 하나 이상의 층을 보유하며, 상기 층의 외부에 분자 자신일 수 있는 생물학적 활성을 보유하는 임의 형태의 분자 또는 상기 분자를 인식하고/하거나 상호작용하는 분자에 대한 친화성을 보유하는 노출된 기를 보유하는 고형 지지체가 사용된다.
따라서, 지지체는 반응성 기 또는 생물학적 활성을 보유하는 분자로 피복된 표면을 보유할 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어 "친화성"은 화학 반응성 및 노출된 기 상의 분자, 변형된 분자 또는 변형되지 않은 분자의 임의의 부착 조건하에서 임의 형태의 부착 둘 다를 의미한다.
한 구체예에서, 표면은 실질적으로 조밀하여 내부층 및/또는 지지체에 대한 거대분자의 접근을 제한하므로써 비특이적 상화작용을 최소화한다.
또한, 노출된 반응성 기(예를 들어, NH2, COOH, OH, CHO) 또는 생물학적 활성을 보유한 거대분자(예를 들어, 스트렙타비딘 또는 항체 같은 단백질, 올리고뉴클레오티드 같은 핵산, 지질, 다당류 및 이의 유도체)로 피복되고, 상기 분자의 임의로 변형된 부분을 부착할 수 있는 표면을 사용할 수 있다.
따라서, 공지된 방법(참조:S.C.Wong, "Chemistry of Protein Conjugation and Cross-linking", CRC Press(1991))에 따라 스트렙타비딘 또는 항체로 피복된 표면은 특정 위치에서 비오틴 또는 항원을 보유하는 거대분자를 부착할 수 있다.
유사하게, 일본쇄 올리고뉴클레오티드를 보유하도록 처리된 표면은 상보적 서열을 보유하는 DNAs/RNAs를 그들 위에 고정시키는데 사용할 수 있다.
노출된 반응성 기를 보유하는 표면 중에는, 상기 노출된 기가 -COOH, -CHO, NH2, -OH 기 또는 이중결합을 보유하는 비닐 기 -CH=CH2인 표면을 들 수 있는데, 여기서, 상기 비닐기는 그 자체로서 사용하거나 또는 활성화하면 특히 -CHO, -COOH, NH2, 또는 OH 기를 제공할 수 있는 기이다.
본 발명에 따라 매우 특이적인 표면을 보유하는 지지체는 여러 가지 방법으로 수득할 수 있다. 일례를 들면 다음과 같다:
(A) 두께가 1 nm 이상이고, 하기하는 반응성 기를 보유하며 탄소를 함유하고, 임의로 분지된 중합체로 이루어진 층;및
(B) 고형 지지체 상에 하나 이상의 분자층을 침착 또는 고정시키므로써 수득한 표면; 상기 분자층은 비공유결합을 통해 부착된 후속 층을 형성하므로써 수득(비제한적인 예: Langmuir-Blodgett 필름)할 수 있거나, 공유 결합에 의해 부착된층의 형성을 가능하게 하는 분자 자가 조립에 의해 수득할 수 있다.
첫번째 경우에서, 표면은 상기 중합체의 표면에서 상기 노출된 기를 생성하는 하나 이상의 단량체의 중합에 의해 수득할 수 있으며, 대안으로 상기 노출된 기를 생성시키는 중합체 표면의 부분 해중합 또는 중합체의 침전에 의해 수득할 수 있다.
상기 방법에서, 형성된 중합체는 폴리엔 유도체, 특히 폴리부타디엔 같은 합성 고무, 폴리이소프렌 또는 천연 고무의 표면과 같이 비닐 결합을 보유한다.
두번째 경우에서, 매우 특이적인 표면은 지지체 상에서 적어도
·상기 지지체에 대해 친화성을 보유하는 부착기:및
·부착 조건하에서 상기 지지체 및 부착기에 대한 친화성이 없거나 거의 없으나, 부착에 이은 화학적 변형 후에 임의 형태의 생물학적 분자에 대한 친화성을 보유하는 노출된 기를 보유하는 신장된 구조의 유기화합물로 이루어진 거의 단분자성 층을 포함한다.
상기 부착은 먼저 비공유결합형, 구체적으로 Langmuir-Blodgett 필름(참조: K.B. Blodgett, J.Am. Chem. Soc. 57, 1007(1935))과 같이 친수성/친수성 및 소수성/소수성 형태일 수 있다.
이 경우, 노출된 기 또는 부착기는 친수성이거나 소수성, 구체적으로 CH3, CF3, CHF3, CH2F 같은 알킬 또는 할로알킬기일 것이며, 나머지 기는 친수성일 것이다.
또한, 부착은 공유결합 형태일 수 있으며, 이 경우 부착기는 지지체와 화학적으로 반응한다.
유사한 구조의 임의 표면은 특히 부착이 공유적인 경우, 전자공학 분야에서 이미 공지되어 있다(참조: L. Netzer 및 J.Sagiv, J. Am. Chem. Soc. 105, 674(1983) 및 미국 출원 제4 539 061 호).
부착기 중에서 구체적으로 언급해야 하는 것으로는 금속 알콕사이드 또는 반도체 형태, 예를 들어 실란, 구체적으로 클로로실란, 실라놀, 메톡시- 및 에톡시실란, 실라잔 뿐만 아니라 포스페이트, 히드록실, 히드라자이드, 히드라진, 아민, 아미드, 디아조늄, 피리딘, 설페이트, 설폰, 카르복실, 보론, 할로겐, 산 할라이드, 알데히드기를 들 수 있다.
더 구체적으로 부착기로는 인접한 등가 기와 상호반응하여 교차결합을 형성할 수 있는 기를 사용하는 것이 바람직할 수 있으며; 예를 들어, 그들은 금속 알콕사이드 또는 반도체 형태, 예를 들어 실란, 구체적으로 디클로로실란, 트리클로로실란, 디메톡시실란 또는 디에톡시실란 및 트리메톡시- 또는 트리에톡시실란일 것이다.
부착기의 선택은 명백하게 지지체의 성질에 좌우되며; 실란-형 기는 유리 및 실리카 상에서 공유결합성 부착에 상당히 적합하다.
노출된 기를 고려하는 경우, 표면과 별개로 에틸렌기, 아세틸렌기 또는 방향족 라디칼, 일차, 이차 또는 삼차 아민, 에스테르, 니트릴, 알데히드, 할로겐으로부더 바람직하게 선택할 수 있다. 그러나, 비닐 기가 매우 바람직한 노출기일 수있으며; 실제로 비닐기는 부착후에 화학적으로 변형되어 예를 들어, 카르복실기 또는 알콜기, 알데히드기, 케톤기, 산기, 일차아민, 이차아민 또는 삼차 아민 같은 카르복실기의 유도체를 생성하거나, 표면 또는 거대분자의 화학적인 변형 없이 핵산 및 단백질 같은 생물학적 거대분자의 pH-의존성 직접 고정을 유도할 수 있다.
바람직하게는 부착기에 상기 노출기를 연결하는 사슬은 하나 이상, 바람직하게는 6개 이상 및 일반적으로 3 내지 30개의 탄소원자를 보유하는 사슬이다.
지지체 자신을 고려하는 경우, 유리, 표면-산화된 실리콘, 중합체 또는 표면을 전처리하거나 하지 않은 금의 사용이 일반적으로 바람직하다.
유리 또는 실리카의 경우, 실란 유도체, 예를 들어 Si-OH, Cl3-Si-R-CH=CH2를 이용하여 R이 (CH2)4로 구성되는 Si-O-Si-R-CH=CH2를 생성하는 표면 작용기화에 대해 공지된 기법을 이용하는 것이 유익할 수 있다. 이러한 반응은 매우 순수한 용매의 사용과 함께 문헌에 공지되어 있다. 상기 반응은 외부에 노출된 표면에서 C=C 단부를 보유하는 분자층을 유도한다.
금의 경우, 기재 상에서 박층의 형태일 수 있으며, 표면 작용기화에 대해 공지된 기법은 티올 유도체 예를 들어 R이 (CH2)4로 구성되는 Au + HS-R-CH=CH2를 이용하여 Au-S-R-CH=CH2를 생성시킨다. 이러한 반응은 액상 매질 내에 기술되어 있으며, 트리클로로실란-실리카 반응과 같이 외부에 노출된 표면에서 C=C 단부를 보유하는 분자층을 유도한다.
물론, 본 명세서에서 사용한 용어 "지지체"는 여러 분석 기법에서 공지된 바와 같이 자성을 띠거나, 형광을 발하거나 착색될 수 있는 슬라이드 같은 단일 표면뿐만 아니라, 실리카 분말 또는 중합체 비드형의 입자, 및 막대, 섬유 또는 구조화된 지지체 같은 일반적인 형태를 포함하는 의미이다.
상기 지지체는 검출을 형광에 의해 수행하는 경우, 형광이 없거나 거의 없는 것을 선택하는 것이 바람직할 것이다.
상기한 방법 (A) 또는 (B)에 따라 수득한 표면은 하기 특성을 보유한다:
(i) 매우 낮은 수준의 고유 형광. 필요에 따라 형광 바탕 노이즈(전형적인 표면적 100 x 100 ㎛)는 검출하려는 단일 분자의 형광 신호보다 적다;
(ii) 표면과의 비특이성 상호작용이 약한 거시 마커의 존재 확인에 기초하며, 하기하는 높은 S/N 비를 이용하는 여러 가지 기법에 의해 가능한, 분자의 수와 무관한 S/N 비를 이용하는 분리된 분자의 검출 가능성.
따라서, 수득한 표면은 단백질, 핵산, 지질, 다당류 및 이의 유도체로부터 선택되는 생물학적 활성을 보유하는 거대분자로 피복된 것이 바람직하다.
단백질 중에서는, 항원 및 항체, 리간드, 수용체, 아비딘 또는 스트렙타비딘의 생성물 뿐만 아니라 이들 화합물의 유도체를 언급할 수 있다.
RNAs 및 DNAs 중에서는, 알파, 베타 유도체 뿐만 아니라 티오 유도체 및 PNAs 같은 혼합 화합물을 언급할 수 있다.
또한, 글리코펩티드 및 지다당류와 같은 혼합 화합물, 또는 대안으로 비루스, 특정 세포 같은 기타 요소, 또는 비오틴 같은 화합물을 부착할 수 있다.
생물학적 거대분자의 부착은 공유결합성 또는 비공유결합성, 예를 들어 흡착, 수소 결합, 소수성 상호작용, 이온 상호작용일 수 있으며, 그들의 응집력을 증강시키기 위한 교차 결합은 공지된 방법으로 이식된 분자 내에서 수행하는 것이 유익할 수 있다(참조: S.C.Wong, "Chemistry of Protein Conjugation and Cross-linking", CRC Press(1991)).
상기한 바와 같이, 생물학적 활성을 보유하는 분자와의 직접 반응을 가능하게 하는 노출된 기를 보유할 수 있으나, 부착후에 노출된 기를 처리하여 생물학적 분자와 부착하기 전에 히드록실, 아민, 알콜, 알데히드, 케톤, COOH 라디칼 또는 이들 기의 유도체로 전환시키는 것도 가능하다.
이러한 기들이 노출되는 경우, 예를 들어 단백질 또는 DNA의 부착을 위한 기법을 공지되어 있으며, 이들은 실제로 생물학적 분석을 위해 이미 사용된 표면, 구체적으로 코스타 표면, 눈크 표면, 또는 에스타포, 방 및 다이날 같은 미세비드에 대해 수행되는 반응이며, 상기 표면상에 소정의 생물학적 분자, DNA, RNA, PNA, 단백질 또는 항체가 고정된다.
노출된 기가 이하 "표면 C=C" 또는 "에틸렌 결합을 보유한 표면"이라 칭하는 -CH=CH2라디칼인 경우, 이를 직접 고정, 구체적으로 DNA 또는 단백질의 직접 고정에 이용함을 개시하는 문헌은 없다.
본 발명의 범위 내에서, 이들 표면의 반응성은 매우 pH-의존성인 것으로 입증되어 왔다. 이 특성으로 인해 pH 범위를 이용하여 핵산 또는 단백질을 고정하는 것이 가능하며, pH에 의해 상기 반응의 속도를 조절할 수 있다.
DNA의 고정은 에틸렌 이중 결합을 가진 기를 보유하는 표면 상에서 DNA의 단부를 8 미만의 pH에서 상기 표면과 접촉시키므로써 수행할 수 있다.
구체적으로 상기 반응은 pH 5와 6 사이에서 수행되며, pH 8에서 종료된다.
따라서, pH 5.5에서 DNA의 고정 반응은 단부에서 1 시간 내에 완료된다(확산에 의해 제한되지 않을 경우). 한편, pH 8에서 부착은 매우 느리게 진행된다(반응 속도는 5 내지 6배 느리다). 단부에 대해 특이적인 상기 pH 의존성 부착 효과는 DNA의 작용기화를 요하는 기타 표면(비오틴, DIG, NHS 등) 또는 -NH2와 -COOH 또는 -POOH 사이에 펩티드 결합 또는 포스포르이미드 결합을 형성하는 특정 시약(카르보디이미드, 디메틸 피멜리데이트)과 비교하면 개선된 효과이다.
또한, 아민기가 말단기인 폴리실란기 또는 실란기로 피복한 표면 상에서 단독으로 그의 단부를 흡착시키므로써 DNA의 고정을 수행할 수 있다.
아민기로 피복된 표면 상에서 그의 단부에 의한 DNA의 고정을 수행하기 위해, DNA는 pH 8 내지 10 사이에서 상기 표면과 접촉시킨다.
유사하게, 산 배스(bath) 내에서 전처리한 유리 표면 상에서 그의 단부에 의한 DNA의 고정은 pH 5 내지 8 사이에서 상기 표면과 DNA를 접촉시키므로써 수행할 수 있다.
본 발명의 범위내에 소정의 모든 생물학적 거대분자의 임의의 pH-의존성 부착이 포함됨은 거론할 필요도 없다.
유사하게, 이들 표면은 단백질(단백질 A, 항-DIG, 항체, 스트렙타비딘등)을직접적으로 고정할 수 있다. (i) 상기 분자의 활성을 보존할 수 있다는 것과 (ii) 제조된 표면(초기에는 C=C)의 반응성이 소정의 분자의 단독 반응성을 위해 완전히 차단되는 것이 관찰되어 왔다. 따라서, 상대적으로 높은 특히 초기 반응성으로 시작하여 매우 높은 특이 반응성, 예를 들어 단백질 상에서 특정 위치에 대한 반응성을 보유하는 표면에 대한 통과가 가능하다.
표면상에 특이 항체(예를 들어, 항-DIG)를 고정시키므로써, 항원(예를 들어, DIG 기)에 대해 제한된 반응성을 보유하는 표면을 생성할 수 있다. 이는 초기의 화학적 기들이 이식된 항체에 의해 모두 엄폐됨을 의미한다.
또한, 반응성(화학적으로 또는 생화학적으로) 표면 상에 생물학적 활성을 보유하는 기타 분자, 구체적으로 비루스 또는 기타 성분, 구체적으로 막, 막 수용체, 다당류, PNA를 이식시킬 수 있다.
또한, 소정의 생물학적 반응(예를 들어, PCR)의 생성물을 제조된 표면 상에 부착할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 항원/항체 및/또는 DNA/RNA 결합 분석을 이용하는 생물학적 물질의 검출 및/또는 정량 뿐만 아니라 분자내 거리 측정, 특정 생물학적 분자, 특히 샘플의 분리를 가능하게 한다.
구체적으로, 본 발명은 샘플 내에서 DNA 서열 또는 단백질로 이루어진 거대분자의 검출방법에 관한 것인데, 상기 방법은 하기 내용을 특징으로 한다:
- 상기 거대분자가 용액내에 존재하는 용매(A)에 상응하는 샘플을 DNA/DNA, DNA/RNA 하이브리드 또는 단백질/단백질 반응 생성물을 형성하기 위한 조건 하에서지지체의 표면과 접촉시키고,
- 상기 하이브리드 또는 반응 생성물을 표지화하기 위한 하이브리드 또는 거대분자의 일부분을 고정하고, 나머지는 용액 내에 자유로운 상태로 존재하게 하고, 상기 용매와 상기 표면 사이의 접촉에 의해 형성된 메니스커스의 이동에 의해 신장시켜서 하이브리드 또는 상기 표지용 거대분자를 배향시키고, 이렇게 배향된 하이브리드 또는 표지용 거대분자의 측정 또는 관찰을 수행한다.
유익한 것은 부착된 DNA 및 샘플의 DNA를 상이하게 착색하고, 신장이후에 샘플 DNA의 단부에 대한 상보 서열의 위치를 측정한다는 점이다.
ELISA 또는 FISH 검출방법을 사용하는 것이 적합하다.
DNA 샘플은 PCR 같은 DNA 효소적 증폭의 생성물 또는 기질일 수 있으며, 이는 일단 본 발명의 방법에 따라 분자가 고정 및 정렬되거나, 분자의 고정 또는 정렬 이전에 DNA의 증폭이 수행될 수 있음을 의미한다.
선형으로 분자를 신장시키므로써 막대 형태로 메니스커스를 통과시키는 것은 상기 분자가 표지되는 경우 더 용이하게 분자를 검출할 수 있게 한다. 또한, 이들 신장된 분자는 옥외 공기에 대해 안정하며, 명백한 분해를 나타내지 않고, 수개월 후에도 관찰할 수 있다.
재수화중, DNA 분자는 흡착되고, 신장될 수 있다. 또한, 신장된 분자상에서 하이브리드화를 수행할 수 있다.
또한, 상호연관되어 있으며, 그들의 신장에 의한 균일한 배향의 신호를 나타내므로써 이들 분자는 주변의 노이즈와 구별된다. 따라서, 특이한 공간 상관관계를보유하지 않는 먼지, 불균질물은 쉽게 무시할 수 있다. 또한, 정렬이 중요한 이유는 용액내에서 무작위 코일 형태의 분자가 열적으로 요동하므로써 바람직하게는 시야의 작은 깊이를 이용하여 모아진 그들의 형광 신호에 매우 큰 변화를 초래하며, 이에 따라 그들의 관찰이 제한되기 때문이다. 따라서. 본 발명은 매우 큰 신호 대 노이즈 비(S/N 비)를 갖는 분리된 분자의 관찰을 가능하게 한다.
상기 비가 고정된 분자의 수와 무관하다는 것은 명백하다. 한 분자의 검출에 의해 제기되는 상기 S/N 비는 10,000 분자에 대한 비와 동일하다. 또한, 이 신장기법은 길이가 가변적인 분자를 용이하게 구별할 수 있게 한다.
유리한 점은 S/N 비를 추가 개선하기 위해 하기 단계를 수행할 수 있다는 점이다:
- 분자를 정치시키고, 그의 형광 신호를 통합할 수 있다.
- 현미경을 이용한 관찰은 감소된 시야를 제공한다(전형적으로 x100 침지 렌즈, N.A.=1.25를 이용하는 100 ㎛ x 100 ㎛). 1 cm2샘플에 대해 주사를 수행하거나, 배율은 작지만(x10 또는 x20), 구경이 큰 렌즈의 사용을 생각해 볼 수 있다.
- 로드는 항상 평행으로 하여 S/N 비를 추가로 증가시키기 위한 광학적이고, 공간적인 여과법을 생각해 볼 수 있다.
- 기타 전체적인 형광법은 유럽 특허 출원 제103426 호에 기술된 것과 같은 방법을 생각해 볼 수 있다.
- 분자의 선형화는 물리화학적 고정의 구조 및 면역학적 형태의결합(DIG/항-DIG)의 경우 둘 다에서 관찰된다.
- 일단 표면이 옥외 공기 내에 존재하게 되면, DNA 분자는 안정(그들은 수주일 후에도 그들의 완전성을 유지한다)하고, 형광을 발한다. 이 특성은 검출이 제한됨이 없이 형광 현미경법으로 수행되는 경우, 고정 단계와 고정된 분자의 위치확인/계수 단계를 지연시키는데 유용하게 사용할 수 있다. 이러한 이용도 본 발명에 포함된다.
- 이중(또는 다중) 형광 기법은 S/N 비를 개선하거나, 이중 기능성을 검출하는데 사용할 수 있다.
신장된 분자는 효소학적 방법 또는 형광, 또는 방사능 또는 비방사능 표지를 이용하는 기타 방법에 의해 밝혀질 수 있다. 그들의 검출은 전체적인 신호(예를 들어, 형광)을 측정하거나 광학적 형광 현미경법, 전자 현미경법, 국소 프로브법(STM, AFM 등)에 의한 분자의 개별적인 관찰에 의해 수행할 수 있다.
따라서, 일반적으로 본 발명의 방법은 샘플 내에서 분자의 검출, 분리 및/또는 분석을 가능하게 하는데, 상기 방법은 상기 분자에 특이적으로 부착할 수 있는 표면을 사용하고, 검출, 분리 또는 분석은 부착된 분자의 존재를 검출할 수 있는 시약, 형광물질등을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 시약중에는 형광 시약 및 비형광 시약이 있다.
형광 시약은 형광 분자를 포함하며, 크기가 0.1 ㎛ 이상으로 길고, 직접 또는 간접으로 특이적으로 전처리된 표면과 반응하는 분자를 선택하는 것이 유익하다. 예로는 비닐 또는 아민 형태의 기등을 임의로 보유하는 표면 상에 구체적으로매질의 pH 또는 이온 함량을 현명하게 선택하거나, 표면에 대해 전압을 적용시키므로써 하나 이상의 단부에 의해 직접적으로 고정할 수 있는 형광 프로브(에티디움 브로마이드, YOYO, 형광 뉴클레토티드등)에 의해 염색된 이본쇄 DNA 분자를 들 수 있으나, 이로 제한되지 않는다.
또한, 분자의 특이성 작용기화(DIG, 비오틴등)를 이용하여 상보적 위치(항-DIG, 스트렙타비딘등)를 보유하는 표면 상의 하나 이상의 점에서 상기 분자를 고정할 수 있다.
본 발명에 따라 이전에 정렬된 분자의 검출을 가능하게 하는 비형광 시약은 거의 직접 또는 간접으로 정렬된 분자에 부착된 다른 분자에 의해 고정되고, 표면과 단지 약한 비특이성 상호작용을 하는 비드 또는 미세입자로 구성될 수 있다.
예를 들어, 스트렙타비딘으로 피복된 다이날 비드는 본 발명에 따라 정렬된 비오티닐화된 DNA 상에 고정될 수 있다.
목적하는 분자가 형광에 의해 직접적으로 검출되느냐, 그렇지 않으면 상기 시약에 의해 간접적으로 검출되느냐에 따라, 상기 검출을 "직접 검출" 또는 "플래그(flag) 검출"로 기술할 것이다.
너무 느린 반응 시간에 관한 문제점을 제한하기 위해, 상기 표면을 향한 시약의 확산 시간은 반응 부피를 소규모로 하여 감소시키는 것이 유익할 수 있다. 예를 들어, 반응 조건하에서 한 표면은 반응성 위치를 보유하도록 처리하고, 다른 표면은 불활성 또는 반응성 위치를 보유하지 않도록 처리한 두개의 표면 사이의 공간에 의해 결정되는 수 ㎕의 부피에 반응을 수행하는 방법이 있으나 이로 제한되지않는다.
정렬된 분자의 수의 검출은 적은 수(전형적으로 1 내지 1000)의 분자 상에서 전자현미경이나, 방사능 활성이나, PCR이 필요하지 않은 저-노이즈 거시 물리학 테스트에 의해 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 정렬 및 검출 방법은 단지 제한된 실험실 경험을 가진 사람에 의해서도 수행될 수 있다.
임의의 생물학적 반응의 특이성은 제한될 수 있다. 따라서, 하이브리드화의 범위 내에서 하이브리드는 불완전할 수 있으며(다른 위치와의 반응), 이에 따라 쌍을 이루는 수가 감소되어 결합의 질이 저하된다. 또한, 본 발명은 획득한 결합의 질을 테스트하는 단계의 가능한 이용을 포함한다. 이 테스트는 생성물을 미약하게 분해하여, 구체적으로 흡착, 소수성 상호작용, 불완전한 수소 결합, 불완전한 하이브리드화에 의해 비특이적으로 쌍을 이룰 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 검출 또는 분석 과정에서 생물학적 활성을 보유하는 분자 및 샘플 분자 사이의 반응 생성물에 응력을 가하여 검출 전에 부정합물을 파괴하는 방법에 관한 것이다.
상기 방법은 부정합된 쌍을 파괴하는 가능성 이외에 결합 생성물을 배향하여 측정 또는 관찰을 용이하게 하는 가능성을 제공한다.
따라서, 상보적 요소의 부착 이후에 상기 표면에 대해 하기하는 단일 조작 또는 이들 조작의 연합 사용으로 구성될 수 있는 응력을 부여할 수 있다:
- 원심분리,
- 자화될 수 있거나 자성인 미세비드를 포함할 수 있도록 선택된 비형광 시약에 적용된 자기장 구배,
- 교반,
- 액체 유동,
- 메니스커스 통과,
- 전기영동,
- 온도 변화 및/또는 온도 구배.
그후, 상기한 저-노이즈 검출 기법을 이용하여 잔류하는 천연 분자 또는 파괴된 분자를 보유하는 시스템의 수를 측정한다.
본 발명에 따라 기술된 정렬 및 검출 기법은 여러 분야에 사용될 수 있고, 그 예로는 다음과 같은 분야가 있으나 이로 제한되지 않는다:
- 병원체의 진단 또는 게놈의 물리적 지도를 위해 유익하게 사용될 수 있는 DNA 또는 RNA 서열의 하나 이상의 요소의 확인. 구체적으로, 상기한 기법은 클로닝 단계를 도중에 사용하지 않고, 게놈 DNA 상에서 직접적으로 물리적 지도를 획득할 수 있다. 빗질된 분자는 그의 결정학상의 길이에 대해 신장되므로 상대적인 측정을 수행하는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 광학적 방법에 의해 약 200 nm의 해상도 또는 AFM 또는 STM 같은 인접 시야법을 이용하여 약 1 nm의 해상도로 DNA 단편의 크기 또는 단편 사이의 거리를 측정하여 정렬된 DNA 상에서 가시화 및 프로브 사이의 거리 측정이 가능해 진다.
이는 자연적으로
1) 게놈 서열의 결실, 첨가 또는 전좌의 검출, 구체적으로 유전적 질병(예를 들어, 두케네의 근질환)의 진단;
2) 조절 서열과 발현 서열간의 거리를 측정하므로써 여러 가지 유전자의 프로모터의 동정;
3) DNA 상의 조절 단백질의 위치 또는 그들의 표적 서열의 위치 확인에 의한 조절 단백질의 위치선정;
4) 주어진 길이의 기본 올리고뉴클레오티드에 속하는 하이브리드화된 프로브사이의 인접 시야 현미경법(예를 들어, AFM 또는 STM)을 이용하는 거리 측정에 의한 부분적인 또는 완전한 서열결정;
5) 정렬된 DNA 그 자체 내에서 효소적 증폭;및
6) 작은 수(1000 미만)의 면역학적 반응을 검출하는 가능성을 보유하는 ELISA 기법의 민감성의 개선으로 이어진다.
따라서, 물리적인 지도화는 중간 단계인 클로닝 단계를 이용하지 않고, 게놈 DNA 상에서 직접적으로 수행할 수 있다. 게놈 DNA를 추출하고, 정제하고, 하나 이상의 제한효소를 이용하여 임의 절단한 후, 본 발명의 방법에 따라 표면상에서 빗질한다.
그후, 게놈 DNA 상에서 목적 유전자의 위치 및 크기는 상기 유전자에 특이적인 프로브, 구체적으로 상기 목적하는 유전자의 생성물의 상보적 DNA(cDNA)의 일부분으로부터 추출된 프로브를 이용하는 하이브리드화에 의해 결정한다.
유사하게, 하이브리드의 위치선정을 가능하게 하는 형광 또는 기타 임의의마커에 의해 표지된 전체적인 cDNA와 함께 변성한 후, 빗질된 게놈 DNA를 하이브리드화하므로써, 상기 문제의 유전자의 위치, 크기 및 엑손의 수를 확인하고, 그 결과로부터 그의 크기 및 그의 유전적 구조(엑손, 인트론, 조절 서열)를 추론한다.
상기 유전자의 위치는 상기한 바와 같이 결정되거나 공지되어 있으며, 그후, 하이브리드화에 의해 상기 유전자의 인접 서열을 확인할 수 있다. 이러한 이유로 상기 방법은 예를 들어 올리고뉴클레오티드 라이브러리로부터 수득한 표지된 프로브를 이용하는 하이브리드화에 의해 수행하여 상기 유전자의 임의의 한 측면에 하이브리드화하는 두개 이상의 프로브를 확인할 수 있다.
이러한 측정으로부터 효소적 증폭 기법, 예를 들어 동일계내 PCR(Nuovo G.J. PCR in situ hybridization: protocols and applications, Raven Press(1992))에 의해 상기 반응에서 프라이머로 작용할 수 있는 인접 프로브에 의해 범위가 결정되는, 조직-또는 발육-특이성일 수 있는 그의 조절 부위를 보유하는 목적하는 유전자를 포함할 수 있는 단편을 증폭한 후, 분리 및 정제할 수 있다.
또한, 상기 방법은 문제의 유전자의 cDNA로부터 추출한 프라이머에 대한 동일계내 중합에 의해 수행되어 문헌(참조: Mortimer 등, Yeast 5, 321, 1989)에 기술된 바와 같이 상기 유전자의 인접 부위에 상보적인 DNA 단편을 추출할 수 있다. 그후, 이들 단편은 상기 유전자 및 그의 인접 서열의 효소적 증폭 방법을 위한 프라이머의 제조에 사용할 수 있다.
또한, 게놈 DNA 또는 게놈 DNA 단편 내로 공지된 엔도뉴클레아제-특이성 위치의 상동 재조합에 의한 삽입 또는 무작위 삽입을 위해 A. Thierry 및 B. Dujion(참조: Nucl. Acid Research 20 5625(1992)에 의해 인용된 방법을 사용할 수 있다. 이 DNA의 빗질은 소정의 유전자 또는 상기한 동일계내 하이브리드화에 의해 삽입된 특정 위치의 확인을 가능하게 한다. 상기 확인된 결과 및 바람직하게는 소정의 위치가 상기 유전자에 근접한 소정의 부위인 경우, 그들은 문제의 유전자 및 그의 인접 서열의 효소적 증폭(동일계내 등) 반응을 위한 프라이머로 사용될 것이다.
목적 유전자의 증폭은 상기한 바와 같이 증폭된 단편에 대한 PCR 같은 공지된 효소적 증폭 기법을 이용하여 수행하는데, 이 PCR은 cDNA를 구성하는 엑손까지 이를 수 있는 프라이머 또는 인접 서열에 상응하는 프라이머를 이용한다.
또한, 게놈 DNA 등을 빗질하므로써 특이성 인접 유전자의 조절 서열의 존재 또는 부재를 하이브리드화에 의해 측정할 수 있으며, 이로부터 상기 유전자를 조절하는 가능한 단백질 족(예를 들어, 헬릭스-루우프-헬릭스, 아연-핑거, 루이신-지퍼)을 결정할 수 있다.
특정 DNA/RNA/PNA 서열과 다른 분자(DNA, RNA, 단백질) 사이의 특이 반응은 본 발명에 따라 분자를 정렬시키기 전 또는 후에 발생할 수 있다.
따라서, 유전적 진단 분야 및 물리적 지도화의 분야에서 공지된 방법인 FISH(참조: Pinkel 등, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 83, 2934(1986))는 일차정렬된 DNA로 표지된 일본쇄 올리고뉴클레오티드를 하이브리드화한 후, 변성하는데 유용하게 사용된다. 상기 하이브리드의 노출은 거리 측정에서 0.2 ㎛(광학적) 내지 1 nm(근접 시야 현미경법: AFM, STM 등) 범위의 해상도를 가진 공지된 기법(형광, 미세비드 등)을 이용하여 수행될 것이다.
대안으로, 형광 마커 DNAs와 일본쇄 DNA를 용액 내에서 일차 하이브리드화하고, 이본쇄 DNA로 전환하고, 적합한 표면 상에 고정한 후, 메니스커스의 작용에 의해 이 작제물을 정렬한다.
또한, 병원체의 존재를 검출하는데 본 발명을 이용할 수 있다. 일례로, 상기 방법을 인식 반응(하이브리드화, 단백질의 부착)이 메니스커스에 의한 정렬 전 또는 후에 발생하느냐에 따라 두 가지 상이한 방법으로 수행할 수 있다.
따라서, 예를 들어 하나 또는 수개의 올리고뉴클레오티드 프로브는 표면의 하나 이상의 부위에 고정된다. 잠재적으로 병원성인 DNA의 하이브리드화는 동일계내의 강한 조건하에서 수행하여 하이브리드화된 분자만을 고정시킬 수 있다. 그들의 검출 및 정량은 본 발명에 따른 메니스커스에 의한 정렬이후에 수행한다.
대안으로, 잠재적으로 병원성인 DNA를 일차로 정렬한 후, 변성하고, 강한 조건 하에서 올리고뉴클레오티드 프로브와 하이브리드화시킨다. 그후, 상기 하이브리드의 검출은 공지된 방법, 구체적으로 상기한 바와 같은 FISH 법으로 수행한다.
유사하게, 단백질, 지질, 당 또는 항원과 같은 소수의 분자의 존재(또는 부재)를 검출할 수 있다. ELISA 기법을 약간 변형하여 수행하는 것이 유익하며, 보편적인 검출 방법은 본 발명에 따라 정렬된 형광 분자의 검출에 의해 대체되며, ELISA 반응의 시약중 하나에 결합한다.
또한, K.R. Allan 등(미국 특허 제84 114 호)에 의해 논의된 바와 같이, 유전적 지도화는 DNA 단편의 크기를 측정하므로써 수행할 수 있다. 현재, 상기한 분자를 신장(메니스커스에 의한 신장)하기 위한 신규한 기법은 신장된 분자의 길이측정을 가능하게 하며, 매우 작은 샘플(몇천분의 1개의 분자)에도 적용할 수 있다.
예를 들어, 하기 방식으로 상기 방법을 수행할 수 있으나 이로 제한되지 않는다:
DNA 샘플을 단편화하고(제한 효소를 이용함), 플루오로포어로 염색한 후, 표면상에 고정시킨다. 그후, 상기 분자를 메니스커스로 신장하고, 신장된 단편의 크기는 해상도 및 최대 크기가 약 1000 bP(0.3 ㎛)인 광학적 형광 현미경법으로 측정한다.
상기 목적뿐만 아니라 매우 긴 분자(≥10 ㎛)를 정렬하는 경우, 공지된 기법을 이용하여 취급중 긴 거대분자의 분해(수력학적 전단에 의함)를 제한하는 것이 유익할 것이다.
따라서, D.C. Schwartz에 의해 논의된 바와 같이, 분자의 축합은 그들의 취급중 축합제(예를 들어, 스퍼민 또는 알콜)을 이용하여 수행하는 것이 유익하다. 임의로, 그들의 탈축합(decondensing)은 용매(A)와 고정용 표면(S) 상이의 접촉중에 발생할 것이다.
메니스커스에 의한 신장 중에 거대분자의 분해를 감소시키기 위해, 수력학적 전단를 최소화하는 메니스커스 병진운동 기법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 용매(A)의 실질적인 부피(≥100 ㎕)로부터 표면(S)를 매우 서서히(≤200 ㎕/초) 제거하므로써 수행할 수 있으나 이로 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따라 수득된 하나 이상의 형태의 정렬된 거대분자를 보유하는 표면에 관한 것이다. 구체적으로, 비등방성 광학적 또는 전기적 특성을 보유하는 표면 또는 표면 적층물을 수득할 수 있다.
또한, 본 발명은 DNA가 본 발명에 따른 정렬 방법에 의해 신장된 후, 변성되고, 특이성 프로브와 하이브리드화되어 하나 이상의 특이 서열의 위치 또는 크기를 결정하는 DNA 정렬 및 검출 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 DNA가 본 발명에 따라 정렬되거나 검출되는, 게놈 DNA 상의 유전자의 물리적 지도화 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 게놈 DNA 상에서 목적하는 유전자의 위치 및 크기는 지도화하려는 유전자에 대해 특이적인 프로브와의 하이브리드화에 의해 결정된다.
또한, 본 발명은
- 본 발명에 따른 지도화 방법을 수행하기에 유용한, 기준용 숙주로부터 취한 전체적인 게놈 DNA로 구성되는 키트,
- 본 발명의 방법에 따라 환자 DNA를 고정하고, 정렬할 수 있는 표면을 보유하는 지지체,
- 지도화하려는 유전자(들)에 대해 특이적인 프로브 및 DNA의 하이브리드화 및 검출을 위한 시약.
또한, 본 발명은 DNA가 신장된 후, 변성되고, 특이성 프로브와 하이브리드화하여 상기 정렬된 DNA 내의 하나 이상의 DNA 서열의 존재 또는 부재를 결정하는, DNA의 정렬 및 검출 방법에 관한 것이다.
본 발명은 본 발명에 따른 정렬 방법을 이용하는, 질병 상태에 대해 특이적인 DNA 서열의 존재 또는 부재에 관한 질병상태의 진단 방법을 고려할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 진단 방법을 수행하기에 유용한 키트에 관한 것인데, 상기 키트는 본 발명의 방법에 따라 환자의 DNA를 고정하고, 정렬할 수 있는 표면을 보유하는 지지체, 소정의 질병상태에 관련된 유전자에 특이적인 프로브 및 DNA의 하이브리드화 및 검출을 위한 시약을 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 진단 방법을 수행하기에 유용한 키트에 관한 것인데, 상기 키트는 표면이 질병상태에 관련된 유전자, 구체적으로 본 발명의 방법에 따라 정렬되고, 임의로 변성되는 임의로 표지된 병원성 DNA에 특이적인 프로브를 보유하는 지지체; 환자 DNA의 하이브리드화를 위해 환자 DNA를 제조하고 표지화하기 위한 시약(예를 들어, 광-비오틴, 닉 해독 또는 무작위 프라이밍 키트) 및 상기한 바와 같이 동일계내 하이브리드화 기법에 따라 DNA를 하이브리드화하고, 검출하기 위한 시약을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상이한 병원체에 대해 빗질된 프로브는 상이한 지지체 또는 동일한 지지체 상에 존재할 수 있는 것으로 생각된다. 상응하는 병원체의 확인은 하이브리드화 이후에 공간적으로(상이한 프로브는 예를 들어 그들의 빗질 전에 광화학적 고정에 의해 공간적으로 분리된다) 수행하거나, 프로브의 전 차등 표지화에 기인하는 상이한 하이브리드의 형광 스펙트럼의 차이에 의해 수행할 수 있다.
최종적으로 본 발명은 유전자를 제조하는 방법에 관한 것인데, 본 발명의 방법에 따라 정렬된 게놈 DNA 상의 상기 유전자의 위치는 상기 유전자에 특이적인 프로브를 이용하여 확인하고, 상기 유전자의 서열 및 임의로 그의 인접 서열은 효소적 증폭, 구체적으로 동일계내 PCR에 의해 증폭된다.
따라서, 본 발명은 진핵 세포의 게놈 내에서 외래 유전자의 표적화된 삽입에 의해 유전자를 대체하는 방법을 수행하는 것을 가능하게 하는데, 이는 상기 유전자 제조 방법에 따라 제조된 외래 유전자를 함유하는 벡터에 의해 이루어진다.
표적화된 삽입은 WO90/11354에 기술된 방법으로 수행할 수 있는데, 상기 방법은 수용체 유전자 내의 목적하는 삽입 위치에 접하는 두개의 게놈 서열 측면에 위치한 삽입하려는 외래 DNA를 함유하는 벡터를 이용하여 진핵 세포를 형질감염시키는 방법이다. 삽입 DNA는 암호화 서열 또는 조절 서열을 포함할 수 있다. 인접 서열은 상동 재조합에 의해 선택되는데, 경우에 따라 수용체 유전자의 조절 서열의 조절하에 삽입 DNA의 암호화 서열을 발현하게 하거나 삽입 DNA의 조절 서열의 조절하에 수용체 유전자의 암호화 서열을 발현하도록 선택한다.
본 발명에 따른 유전자를 위치 선정하는 방법으로 수득한 게놈 유전자 및 cDNAs는 원핵 숙주 세포, 진핵 숙주 세포 또는 비루스 숙주 세포내에 삽입될 수 있는 발현 벡터 내로 삽입될 수 있다. 유도된 단백질, 폴리펩티드 및 펩티드는 본 발명 내에 포함된다.
실시예 1
재료 및 방법
람다 DNA 및 단일클론 항체(항-DIS)는 뵈링거-만하임으로부터 수득하였다. 트리클로로실란은 로스-소키엘로부터 수득하였다. 형광 핵 프로브(YOYO1, YOYO3 및 POPO1)은 몰레큘라 프로브로부터 수득하였다. 초세정 유리 커버 슬립은 에리에 사이언티픽(ESCO)으로부터 수득하였다. 자성 입자는 다이날로부터 수득하였다. 현미경은 외형광(epifluorescence)을 위한 제논등과 시각화를 위한 하마마쯔 강화 CCD 카메라가 장착된 니콘으로부터 수득한 다이아포트 역전 현미경을 사용하였다.
표면 처리
유리 커버 슬립은 산소 대기하에서 한시간 동안 자외선 조사하여 세정하였다(오존의 형성에 의함). 세정 직후, 상기 커버 슬립은 아르곤 스트림으로 미량의 물을 제거한 건조기내에 위치시켰다. 약 100 내지 500 ㎕의 적합한 트리클로로실란(H2C=CH-(CH2)N-SiCl3)을 건조기 내로 투입하고, 약 12 시간(n=6) 또는 약 1시간(n=1) 후에 상기 표면을 건조기로부터 제거하였다. 건조기로부터 꺼낸 후에, 상기 표면을 세정하고, 건조하였다.
이들 이중 결합 표면의 작용기(H2C=CH-)는 상기한 바와 같이 처리한 커버 슬립을 물 1ℓ 내에 KMnO425 mg 및 NaIO4750 mg을 용해시켜 제조한 용액 내에 10 분 동안 침지시킨 후, 매우 순수한 물로 3회 세정하므로써 카르복실기(-COOH)로 전환할 수 있다.
이렇게 작용기화된 커버 슬립은 단백질과 반응할 수 있다. 단백질(단백질 A,스트렙타비딘 등)의 수용액(20 μg/ml) 300 ㎕를 (H2C=CH-) 기로 작용기화된 커버 슬립에 용착시켰다. 이 커버 슬립을 실온에서 2 시간 동안 배양한 후, 매우 순수한 물로 3회 세정하였다. 이렇게 처리된 표면을 세정하고, 습윤하였다. 그후, 단백질 A로 처리한 표면은 항체, 예를 들어 항-DIG 항체 20 μg/ml의 용액 내에서 배양하므로써 상기 항체와 반응할 수 있다.
또한, 카르복실기를 보유하는 표면상에서 아민기(-NH2)를 보유하는 올리고뉴클레오티드를 이식할 수 있는데, 이는 MES(50 mM, pH 5.5) 용액 200 ㎕, 카르보디이미드(1 mg/ml) 및 아미노-올리고-뉴클레오티드(10 pmol/140 ㎕) 5 ㎕를 카르복실화된 표면상에 용착시키고, 실온에서 약 8 시간 동안 배양하므로써 수행하였다. 그후, 최종적으로 커버 슬립을 NaOH(0.4 M)내에서 3회 세정하고, 순수한 물로 4회 세정하였다. 이렇게 제조된 커버 슬립은 고정된 올리고뉴클레오티드에 상보적인 DNA를 하이브리드화할 수 있다.
이중 결합 표면 상에서 천연 DNA의 고정
여러 가지 농도의 형광-표지된 람다 DNA(YOYO1, POPO1 또는 YOYO3, 특이성 단부 표지는 하지 않음) 2 ㎕ 1 방울을 상이한 완충액(총 분자수〈 107) 내에서 전처리한 커버 슬립(C=C)에 용착시키고, 처리하지 않은 유리 커버 슬립(직경 18 mm)으로 덮었다. 상기 제조물을 실온의 수증기로 포화된 대기 내에서 약 1 시간 동안 배양하였다. 0.05 M MES 완충액(pH=5.5) 내에서 실제로 일반적인 DNA 분자의 고정이 관찰되었다. 대조하여, 0.01 M 트리스 완충액(pH=8) 내에서 실질적으로 고정된분자를 관찰할 수 없었다(비 〉106). 이 의존성은 pH에 의해 표면(DNA에 관한)의 활성화/불활성화의 억제를 가능하게 할 수 있다.
분자 상에서 메니스커스의 작용은 그의 순간적인 빈공간에 제한된다. 용액내에서 메니스커스 전방의 분자의 일부분은 자유롭게 요동하나, 메니스커스 후방의 표면상에 적층된 나머지 부분은 메니스커스의 방향 변화에 무감하다. 따라서, 상기 분자의 신장 속도는 일정하고, 분자의 크기와는 별개의 문제이다.
메니스커스 작용에 의한 고정의 정렬 및 검출
상기 제조물을 건조 대기로 이전시키므로써, 상기 용액은 증발 직후에 표면상에 메니스커스에 대해 직각으로 고정된 DNA 분자를 신장시킬 것이다. DNA 분자에 대한 모세관 힘(수십 pN)은 상기 분자를 완전히 신장하기에 실제로 충분하나(엔트로피 탄성력 보다 큼), 너무 약하여 분자의 단부와 처리된 표면 사이의 결합을 끊을 수 없다. 형광 표지되고, 신장된 분자를 보유하는 DNA(전체 길이는 약 22 ㎛)는 용이하게 개별적으로 관찰할 수 있다. 표면과 단부로 제한된 DNA 사이의 고정은 람다 파지의 DNA 또는 YAC의 DNA 또는 이 콜리의 DNA(전체 길이는 400 ㎛ 보다 크다)를 신장시킬 수 있다. 신장되고, 형광을 발하며 옥외 공기중에 존재하는 상기 DNA는 수일 동안 안정하며, 외형광에 의한 비파괴적인 방법(x100 렌즈, O.N.:1.25를 보유하는 니콘사의 다이아포트 역전 현미경)으로 관찰할 수 있다.
특이 고정 및 검출
상기한 바와 같이 특이 단일클론 항체로 표면을 처리하므로써 그들의 특이성을 매우 정확하게 조절할 수 있다. 따라서, 항-DIG 처리된 표면의 특이성은 COS 단부중 하나에 상보적이며, 디옥시게닌 기(DIG)를 보유하며, 비하이브리드화된 DNA와 관련이 있는 올리고뉴클레오티드와 하이브리드화된 람다 DNA에 관해 테스트하였다. 첫번째 경우, 메니스커스의 작용에 의해 고정된 분자의 실질적으로 일반적인 신장이 관찰되었다. 두번째 경우, 단지 수개(〈10)의 고정된 DNA 분자만이 전체 샘플 내에서 관찰되었다. 따라서, 본 발명에 따른 방법의 특이성은 106이상으로 산정할 수 있다.
또한, 람다 DNA는 상기한 바와 같이 COS 단부중 하나에 상보적이며, 카르복실화된 표면에 부착된 올리고뉴클레오티드와 하이브리드화된다. 하이브리드화 조건(40℃에서 순수한 물)은 강한 조건이 아닌데, 그 이유는 강한 조건(염도가 매우 높은 조건)하에서 YOYO1 프로브의 형광은 사라지며, 하이브리드화된 DNA는 관찰할 수 없기 때문이다. 또한, 메니스커스의 통과에 의해 상기한 바와 같이 하이브리드화된 DNAs를 정렬할 수 있다.
검출의 감도
메니스커스의 신장에 의한 검출 방법의 감도를 측정하기 위해, 총 105, 104및 1000 분자를 함유하는 0.05 M MES(pH=5.5) 내의 람다 DNA 용액 방울 2.5 ㎕를 이중 결합 표면에 용착시켰다. 고정 및 정렬은 상기한 바와 같이 수행하였다. 그후, 커버 슬립을 외형광 현미경으로 관찰하여 빗질된 분자의 밀도를 측정하였다. 실제로 밀도는 다음 산정치에 상응하였다: 총 105DNA 분자에 대해 1 시야(100 ㎛ x100 ㎛)당 약 4-6 DNA 분자. 최저 농도에 대해, 메니스커스의 작용에 의해 신장된 약 10 분자를 관찰할 수 있다. 이 수치는 전체 샘플(약 25,000)을 포함하기 위해 필요한 다수의 시야에 의해 제한되며. 수작업이 어려워지나, 자동적으로 수행하거나 더 약한 렌즈를 사용하나 시야를 더 넓게 하여 수행하는 것이 유익할 수 있다. 결론적으로, 본 발명에 따른 방법의 감도는 1000 미만의 DNA 분자의 검출 및 개별적인 계수를 가능하게 한다.
표면 처리에 대한 신장의 의존성
상이한 표면에 이식된후, 메니스커스를 통과시켜 정렬한 람다 DNA의 길이를 나타내는 막대 그래프는 잘 한정되나, 상이한 표면에 대해 상이한 피크를 나타낸다. 따라서, 단부의 기가 비닐 기인 실란으로 피복된 표면상에서 DNA는 약 22 ㎛까지 신장되며(상기 참조), 아민기(-NH2)로 실란처리된 표면 상에서는 21 ㎛(도 7의 (a)) 신장되고, 세정 유리 표면 상에서는 약 18.5 ㎛(도 7의 (c)) 신장되었다.
따라서, 신장은 표면 처리에 의존한다.
실시예 2
상이한 표면 상에서 DNA 분자의 빗질
여러 가지 방법으로 처리한 유리 표면 상에서 DNA의 분자 빗질을 관찰하였다. 유익한 점은 상기 분자의 단부와 상기 분자의 잔여부 사이에 흡착 정도의 차이가 존재한다는 점이다. 유리 표면 상에 양으로 하전된 중합체를 흡착시키므로써 음으로 하전된 DNA 분자의 흡착은 증강되었으나, 상기 전하가 큰 경우, DNA 분자는그의 전체 길이 이상으로 적층되어 빗질은 불가능해진다. 그러나, pH 조건을 변화시키므로써 유리 상에 흡착된 중합체의 전하를 변형할 수 있으며, 실제로 양전하는 상응하는 염기의 pK 보다 낮은 pH에서 양성자 첨가된 상태인 NH3 +로 전환되는 NH2기에 의해 이동된다. 염기성 pH에서, 상기 전하는 사라지고, 표면은 더 이상 DNA와 인력이 작용하지 않는다. pH를 미세조정하므로써, 용액내의 DNA 분자가 표면에 완전히 적층된 상태에서 단지 단부가 고정된 중간 상태로 이전된 후, DNA에 대해 더 이상 친화성을 보유하지 않는 상태로 이전됨을 관찰할 수 있다. 중간 단계에서, 분자 빗질을 수행할 수 있다.
말단기가 NH2기인 실란으로 처리한 표면에 대해 pH〈 8에서 완전한 접착, 8.5〈 pH〈 9.5에서 빗질에 대해 연구하였다. 빗질된 분자의 수는 pH 8.5에서 최대였으며, 이 수치는 pH 9에서는 2, pH 9.5에서는 4가 된다. 또한, 상기 표면 상에서 1.26에 상응하는 상대 신장은 하기와 같이 처리된 유리 표면 상에서 빗질된 람다 DNA 분자의 길이의 막대그래프를 나타내는 도 7의 막대그래프 2에서 확인할 수 있다:
(a) 아민기가 말단기인 실란으로 피복함,
(b) 폴리라이신으로 피복함,
(c) 과산화수소/황산 혼합물에서 세정함.
또한, 폴리라이신으로 피복한 표면을 조사하여 pH에 관한 유사한 부착 특성을 나타냄을 확인하였다: 빗질 부위 pH 8.5 및 더 짧은 상대 신장 1.08을 나타냄.전형적인 예는 폴리라이신으로 피복한 유리표면 상에서 빗질된 DNA 분자를 나타내는 도 8에서 찾아볼 수 있다. 두개의 단부에 의해 신장된 분자는 루우프를 형성함을 관찰할 수 있다.
최종적으로, 동일한 행동 양식이 과산화수소/진한 황산 혼합물 내에서 세정한 유리 표면 상에서도 확인되었다. 이들 표면은 매우 습하였으며, 신속히 오염되었으나, 5.5〈 pH〈 7.4에서 빗질이 관찰된 반면, 강한 흡착은 pH 4.5에서 확인되었다. 상기 분자의 상대 신장은 1.12에 상응하였다.
실시예 3
YAC의 균일한 지향성 정렬
YOYO1 형광 프로브에 의해 YAC의 아가로오즈 플러그 내에서 미리 염색한 YAC 1 μg을 68℃로 가열하고, 아가라아제 처리한 후, MES(50 mM, pH 5.5) 10 ml 내에서 희석하였다. 두개의 실란처리한 커버 슬립(C=C 표면)을 상기 용액내에서 ∼1.5 시간 동안 배양한 후, 약 170 ㎛/초로 제거하였다. 모든 YAC 분자는 커버 슬립의 제거 방향과 평행하게 정렬되었다(참조:도 9). 이렇게 정렬된 상기 분자의 완전성은 두개의 커버 슬립 사이에 용착한 후, 증발에 의해 정렬한 분자의 완전성 보다 양호했다.
코스미드와 빗질된 YAC의 하이브리드화
상기한 바와 같이 염색한 YAC를 C=C 표면(두개의 커버 슬립 사이) 상에 고정한 후, 상기 용액의 증발 중에 메니스커스에 의해 정렬하였다. 프로브(코스미드)를 무작위 프라이밍 기법에 의해 비오티닐화된 뉴클레오티드를 혼입시키므로써 표지화하였다. 표지된 프로브(100 ng) 및 음파 처리한 연어 정자 DNA(500bP) 5 μg을 Na-아세테이트 및 에탄올 내에서 침전에 의해 정제한 후, 포름아미드내에서 변성하였다.
빗질된 YACs를 두개의 커버 슬립 사이에서 변성 용액(70% 포름아미드, 2 x SSC) 120 ㎕를 이용하여 80℃의 고온 평판에서 3분 동안 변성하였다. 이미 변성한 프로브(20 ng)를 하이브리드화 용액(55% 포름아미드, 2 x SSC, 10% 덱스트란 설페이트)내의 커버 슬립 상에 용착시키고, 고무 시멘트로 밀봉한 커버 슬립으로 덮었다. 하이브리드화는 37℃의 습한 챔버내에서 밤새 수행하였다.
하이브리드의 검출은 비축합된 염색체에 대해 동일계내 하이브리드화를 위해 공지된 방법으로 수행하였다(참조: D. Pinkel 등, PNAS USA 83, 2934(1986) 및 PNAS USA 85, 9138(1988)).
그후, 도 10에 나타낸 바와 같이 하이브리드화된 단편은 형광 현미경으로 관찰하였다. 본 실시예는 DNA 분자 상에서 유전자의 존재를 검출할 수 있는 가능성을 제시하였으며, 진단 방법 및 게놈의 물리적 지도화에 사용할 수 있다.
본 발명의 메니스커스를 이용하는 거대분자 정렬방법은 질병 상태의 진단방법 및 게놈의 물리적 지도화에 이용할 수 있다.

Claims (43)

  1. 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법으로서, 용매(A)와 상기 표면(S)과 매질(B)의 접촉으로 생성되는 삼중선 S/A/B (메니스커스)가 상기 표면(S) 상에서 이동하고, 상기 거대분자의 일부분, 구체적으로 단부는 상기 표면(S) 상에 고정되어 있고, 기타 부분, 구체적으로 다른 단부는 상기 용매(A) 중의 용액에 존재하는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메니스커스의 이동은 상기 용매(A)의 증발에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 메니스커스의 이동이 상기 표면(S)에 대한 A/B 계면의 상대적인 이동에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 표면(S)을 용매(A)로부터 제거하거나 상기 용매(A)를 상기 표면(S)으로부터 제거하여 메니스커스를 이동시키는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 메니스커스가 물/공기 메니스커스인 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 지지체가 적어도 표면에서 유기 또는 무기 중합체, 금속, 금속 산화물 또는 황화물, 실리콘 같은 반도체 부재 또는 반도체 부재의 산화물, 또는 이들의 조합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 지지체가 적어도 표면에서 유리, 표면-산화된 실리콘, 금, 흑연, 몰리브덴 황화물 또는 운모로 구성되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 지지체가 평판, 비드, 섬유 또는 입자 시스템의 형태임을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 정렬시키고자 하는 거대분자가 용액내에 존재하는 용매(A)가 두 개의 지지체 사이에 위치하고, 상기 두개의 지지체중 하나 이상이 상기 표면(S)의 지지체에 상응하며, 메니스커스는 증발에 의해 이동하는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 거대분자의 고정은, 물리화학적 상호작용, 구체적으로 표면과 거대분자 사이의 직접적인 흡착 또는 공유 결합, 또는 표면과 상기 거대분자를 인식하고/거나 상호작용하는 또다른 분자의 간접적인 흡착 또는 공유결합에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S)상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 표면에 상기 거대분자 또는 상기 거대분자를 인식할 수 있는 생물학적 활성을 보유하는 분자에 대한 친화성을 갖는 노출된 반응성 기를 보유하는 지지체를 사용하는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표면을 비닐, 아민, 카르복실, 알데히드 또는 히드록실 기로부터 선택된 기로 피복하는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표면이 지지체 상에서 적어도
    . 상기 지지체에 대한 친화성을 보유하는 부착기; 및
    . 부착 조건하에서 상기 지지체 및 상기 부착기에 대해 친화성이 없거나 거의 없으나, 경우에 따라서는 부착에 이은 화학적 개질 후에 상기 거대분자 또는 생물학적 활성을 보유하는 분자에 대한 친화성을 보유하는 노출된 기를 보유하는 신장된 구조의 유기 화합물로 이루어진 실질적으로 단분자성 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  14. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 거대분자의 일부분의 고정은, 매질의 정해진 pH 영역 또는 이온 함량에서 상기 거대분자와 상기 표면의 접촉에 의해, 또는 고정 표면 상에서 정해진 전압의 적용에 의해 상기 표면에 흡착시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 고정을 수행하기 위한 pH는 완전한 흡착상태를 가능하게 하는 pH와 흡착이 일어나지 않는 상태를 가능하게 하는 pH 사이의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  16. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 핵산 또는 단백질의 고정은, 매질의 정해진 pH 영역 또는 이온 함량에서 상기 핵산 또는 단백질과 상기 표면의 접촉에 의해 에틸렌 이중 결합 또는 아민기를 함유하는 기를 보유하는 표면 상에 흡착시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 비작용기화된 DNA의 고정은 비닐 또는 아민기가 말단기인 분자로 피복된 표면 상에 흡착시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법
  18. 제17항에 있어서, 상기 DNA의 고정은, 8 미만의 pH에서 상기 DNA를 에틸렌 이중 결합을 함유하는 기를 보유하는 표면과 접촉시킴으로써 상기 표면 상에서 그 단부에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 반응을 pH 5 내지 6에서 수행하며, pH 8에서 종료시키는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 DNA의 고정은 아민기가 말단기인 실란기 또는 폴리라이신으로 피복된 표면 상에서 그 단부에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 DNA의 고정은, pH 8 내지 10에서 상기 DNA와 아민기로 피복한 표면을 접촉시킴으로써 상기 표면 상에서 그 단부에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  22. 제17항에 있어서, 상기 DNA의 고정은 pH 5 내지 8에서 상기 DNA와 산 배쓰(bath)에서 전처리한 유리 표면을 접촉시킴으로써 상기 표면 상에서 상기 DNA의 단부에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 지지체의 표면(S) 상에서 거대분자(들)를 정렬시키는 방법.
  23. 샘플 내에서 거대분자를 검출, 분리 및/또는 분석하는 방법으로서, 상기 샘플 거대분자를 인식할 수 있는 생물학적 활성을 보유하는 분자가 상기 표면(S)에 부착되는 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 정렬 방법을 사용하는 것과 상기 검출, 분리 또는 분석이 상기 부착된 분자 또는 상기 거대분자의 존재를 검출하는 시약, 형광물질 등을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 샘플 내에서 거대분자를 검출, 분리 및/또는 분석하는 방법.
  24. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 거대분자 및 생물학적활성을 보유하는 분자가 단백질, 핵산, 지질, 다당류 및 이의 유도체로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 거대분자 및 생물학적 활성을 보유하는 분자가 항체, 항원, DNA, RNA, 리간드 또는 그들의 수용체 뿐만 아니라 이의 유도체로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제23항에 있어서, 부착된 DNA가 샘플로부터 분리하려는 DNA 서열에 상보적인 서열을 보유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제23항에 있어서, 부착된 단백질이 샘플로부터 분리하려는 단백질을 특이적으로 인식 및 부착할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제23항에 있어서, 생물학적 활성을 보유하는 상기 분자가 비오틴, 아비딘, 스트렙타비딘, 이의 유도체 또는 항원-항체 시스템으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제23항에 있어서, 상기 표면이 낮은 형광을 나타내고, 상기 시약이 형광 물질인 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제23항에 있어서, 상기 시약이 비드로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제23항에 있어서, 상기 검출은 광학적 또는 근접 시야 현미경법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제23항에 있어서, 생물학적 활성을 보유하는 상기 분자와 상기 샘플의 거대분자 사이의 반응 생성물에 응력을 가하여 검출전에 미스매치를 파괴시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제23항에 따른, 샘플 내에서 DNA 서열 또는 단백질로 구성되는 거대분자를 검출하는 방법으로서,
    상기 거대분자가 용액내에 존재하는 용매(A)에 상응하는 샘플을 DNA/DNA, DNA/RNA 하이브리드 또는 단백질/단백질 반응 생성물을 형성하기 위한 조건하에서 상기 지지체의 표면과 접촉시키고,
    상기 하이브리드, 또는 상기 하이브리드 또는 반응 생성물을 표지하기 위한 거대분자는 일부분이 고정되어 있고, 나머지 부분이 용액내에 존재하며, 상기 하이브리드 또는 거대분자는 상기 용매와 상기 표면 사이의 접촉에 의해 생성된 메니스커스의 이동에 의해 신장되어 상기 하이브리드 또는 상기 표지용 거대분자를 배향하며, 이렇게 배향된 상기 하이브리드 또는 상기 표지용 거대분자의 측정 또는 관찰을 수행하는 것을 특징으로 하는 거대 분자의 검출 방법.
  34. 제23항에 있어서, 부착된 DNA 및 샘플 DNA가 상이하게 착색되며, 신장후 상기 샘플 DNA의 단부에 대한 상보적 서열의 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제23항에 있어서, ELISA 또는 FISH 검출 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제23항에 있어서, 상기 샘플이 핵산의 효소적 증폭의 생성물 또는 기질인 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제23항에 있어서, 상기 DNA를 신장한 후, 변성시키고, 특이성 프로브와 혼성화시켜 하나 이상의 정해진 DNA 서열의 위치 또는 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제23항의 방법에 따라 정렬 및/또는 검출된 게놈 DNA 상에서 유전자를 물리적으로 지도화하는 방법.
  39. 제38항에 있어서, 게놈 DNA 상에서 목적 유전자의 위치 및 크기가 지도화하려는 상기 유전자에 특이적인 프로브와의 혼성화에 의해 결정되는 것을 특징으로하는 방법.
  40. 제33항에 있어서, 상기 DNA를 신장시킨 후, 변성시키고, 특이성 프로브와 혼성화하여 하나 이상의 주어진 DNA 서열의 존재 또는 부재를 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. . 표면에 목적하는 질병 상태에 관련된 유전자에 특이적인 프로브를 보유하고, 상기 프로브가 상기 표면에 고정 및 정렬되어 있는 지지체;
    . DNA, 구체적으로 환자 DNA를 표지하기 위한 시약; 및
    . 상기 DNA의 혼성화 및 검출을 위한 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제40항에 따른 방법을 수행하기에 적합한 키트.
  42. 게놈 DNA로부터 유전자를 제조하기 위한 방법으로서, 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 방법에 의해 정렬된 게놈 DNA 상에서 상기 유전자의 위치는 상기 유전자에 특이적인 프로브에 의해 확인하며, 상기 유전자의 서열 및/또는 그의 인접 서열의 효소적 증폭을 수행하며, 증폭된 생성물을 분리하는 것을 특징으로 하는 게놈 DNA로부터 유전자를 제조하는 방법.
  43. 제41항에 있어서, 상기 키트가 주어진 DNA 서열의 존재 또는 부재와 관련된 질병 상태를 진단하기 위한 것인 키트.
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