[发明专利]生物聚合物分析设备及分析系统

说明书

本发明提供一种生物聚合物分析设备，其将电泳时生物聚合物的纳米孔通过速度延迟至能够进行单体序列解析的速度以下。前述生物聚合物分析设备具备能够容纳含有生物聚合物和电解质的溶液的两个槽(101a)、(101b)、一对电极(105a)、(105b)、具有纳米孔的薄膜(104)、以及载置于薄膜的三维结构体(103)，并且，三维结构体具有能够容纳溶液的空隙，空隙形成能够使溶液从纳米孔通过至三维结构体的上部的流路，流路在表面具有吸附生物聚合物的官能团，在至少以纳米孔为中心、以施加电压时的生物聚合物捕捉长度r为半径的半球范围内，三维结构体不会再分散于溶液。

技术领域

本发明涉及使用了埋入于薄膜中的细孔的生物聚合物分析方法，特别是DNA、蛋白质的分析方法。

背景技术

如果1分子的生物聚合物通过埋入于厚度数～数十nm程度的薄膜中的直径0.9nm～数nm程度的细孔(以下，称为纳米孔)，则纳米孔周边部的电特性会对应于生物聚合物的单体序列图案而变化为图案状。利用这一点，近年来正积极研究进行生物聚合物的单体序列解析的方法。关于纳米孔，常常以将含有电解质的溶液配置于薄膜两侧的形态使用。通过在该薄膜的表面和背面施加电压而产生电位差，从而能够使含有电解质的溶液通过纳米孔。着眼于电特性即此时产生的离子电流，以生物聚合物通过纳米孔时所观察到的离子电流的变化量根据单体种类的不同而不同为原理的方式被认为最有前景(图2)。除了离子电流之外，广泛已知以如下为原理的方式：在纳米孔部形成一对电极，利用流过该电极间的隧道电流，在生物聚合物通过纳米孔时所观测到的隧道电流量根据单体种类的不同而不同。任何方式均无需如以往那样的与生物聚合物的片段化相伴随的化学操作而能够直接读取生物聚合物。生物聚合物为DNA时是新一代DNA碱基序列解析系统，生物聚合物为蛋白质时是氨基酸序列解析系统，各自均作为能够解读比以往长得多的序列长度的系统而受到期待。

作为纳米孔设备，存在生物孔和固体孔两种，生物孔使用在埋入于脂质双层膜的中心具有细孔的蛋白质，固体孔是对利用半导体加工工艺形成的绝缘薄膜加工细孔而成。就生物孔而言，通过将埋入于脂质双层膜中的改性蛋白质(耻垢分枝杆菌孔蛋白A(Mycobacterium smegmatis porin A，MspA)等)的细孔(直径1.2nm，厚度0.6nm)作为生物聚合物检测部来测量离子电流的变化量。然而，由于该细孔厚度大于单体1分子单位(作为DNA的单体的核酸的邻接距离为0.34nm)，因此对于离子电流变化量而言，多个单体分子的信息会混在一起。除了该空间分解能力不足之外，由于利用蛋白质，因此蛋白质的细孔部会因溶液条件、环境条件而变性，从而使设备劣化。从稳定性、寿命的观点出发，存在设备的稳健性低这样的课题。另一方面，就固体孔而言，可形成由石墨烯、二硫化钼那样的单分子层构成的薄膜。只要为它们的厚度，就能够确保为了读取单体1分子单位的充分的空间分解能力。此外，与蛋白质不同，具有在各种各样的溶液条件、环境条件下材料稳定，设备的稳健性高这样的优点。除此之外，能够利用半导体加工工艺来将纳米孔部并列化，从上述那样的优点出发，固体孔作为比生物孔更加优异的设备而受到关注。

关于将作为生物聚合物的DNA链搬送至纳米孔的方法，最广泛使用将产生离子电流的电位差直接作为驱动力而使生物聚合物电泳的方法。然而，如图3所示，电泳导致的DNA链的纳米孔通过速度非常快，因此仅得到多个单体分子的信号混在一起的信号值，为了实现序列解析，需要使通过速度变慢的技术。具体而言，优选能够延迟至100μs/单体1分子单位以上的通过速度，但现状为0.01～1μs/单体1分子单位的通过速度，需要实现至少100倍至10000倍程度的速度延迟。如果能够如此地将通过速度变慢，则能够仅取得单体1分子的信号将成为可能。

为了解决该课题，设计了各种各样的方法。研究了多种调整溶液物性的方法，例如，尝试了添加高浓度甘油而使溶液粘度的上升，增大与电泳时的DNA链的拉伸力相反方向的摩擦力，从而使纳米孔通过速度变慢的方法(非专利文献1)。此外，验证了通过在溶液中添加锂离子，使DNA链的表观负电荷减少，从而使电泳时的拉伸力变小而延迟纳米孔通过速度的方法(非专利文献2)。