[发明专利]核酸输送控制装置及其制造方法、以及核酸测序装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制核酸链的输送的装置及其制造方法。此外，本发明涉及读取核酸链的碱基序列的核酸测序装置。

背景技术

如果使1分子生物聚合物通过埋入数～数十nm左右厚度的薄膜的直径亚nm～数nm左右的细孔(以下记载为“纳米孔”)，则根据生物聚合物的单体序列模式，纳米孔周边部的电气和/或光学等物理特性变化为图案状。在生物聚合物为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid：DNA)或核糖核酸(ribonucleic acid：RNA)那样的核酸的情况下，图案根据核酸碱基序列的变化而变化。

近年来正积极地研究利用这种现象进行生物聚合物的单体序列分析的方法，特别是生物聚合物为DNA的情况下、进行DNA的碱基序列的序列分析、即DNA测序的方法。这样的方法中，纳米孔经常以将含有电解质的溶液配置于薄膜两侧的形态使用。在该薄膜的两端间施加电压而产生电势差，从而能够使含有电解质的溶液通过纳米孔。

作为电气特性，着眼于此时产生的离子电流，DNA链通过纳米孔时观测到的离子电流的变化量根据单体种类的不同而不同，以此为原理确定DNA链的序列的方式被认为是最有前途的。除了离子电流以外，下述原理的方式也广为人知：在纳米孔部形成1对电极，利用流经该电极间的隧穿电流，生物聚合物通过纳米孔时观测到的隧穿电流量根据单体种类的不同而不同。

任一方式均不需要像以往那样伴随有生物聚合物的片段化的化学操作，能够直接读取生物聚合物。生物聚合物为DNA的情况下，是第二代DNA碱基序列分析系统；生物聚合物为蛋白质的情况下，是氨基酸序列分析系统。任一情况下均可期待作为能够读取比以往很长的序列长度的系统。下面，作为生物聚合物，以DNA为对象进行说明。

作为纳米孔装置，有下面两种：使用埋入脂质双层膜的中心具有细孔的蛋白质的生物孔隙，以及通过半导体加工工艺形成的在绝缘薄膜中加工出细孔的固体孔隙。

生物孔隙中，将埋入脂质双层膜的修饰蛋白质(例如耻垢分枝杆菌耻垢分枝杆菌porin A(Mycobacterium smegmatis porin A(MspA)等)所具有的细孔(直径1.2nm，厚度0.6nm)作为DNA序列的检测部，测量离子电流的变化量。然而，该细孔厚度比一个碱基单元(作为DNA的单体的核苷酸的邻接距离为0.34nm)大的情况下，离子电流变化量中会混合存在多个碱基的信息。除了该空间分辨率不足以外，由于利用蛋白质，蛋白质的细孔部因溶液条件、环境条件而变性，装置劣化。从稳定性、寿命的观点出发，存在装置的鲁棒性低的课题。

另一方面，固体孔隙中，可以将由石墨烯或二硫化钼那样的单分子层形成的薄膜开孔形成纳米孔。如果是它们的厚度，则能够确保读取一个碱基单元的充分的空间分辨率。此外，与蛋白质不同，材料在各种溶液条件和环境条件中稳定，存在装置的鲁棒性高的优点。另外，还能够使用半导体加工工艺使纳米孔部并排化。从上述那样的优点出发，固体孔隙作为比生物孔隙更优异的装置受到关注。

作为将DNA链输送至纳米孔附近并通过纳米孔内的方法，最广泛使用的是将使产生离子电流的电势差直接作为驱动力，使DNA链电泳的方法。然而，借助于电泳的DNA链的纳米孔通过速度非常迅速，因此仅获得来自邻接的多个碱基的信号混合存在的信号值。因此，为了实现序列分析，需要使通过速度减缓的技术。具体而言，优选能够延迟至100μs/碱基以上的通过速度，但目前的状况是0.01～1μs/碱基的通过速度。因此，需要实现至少100倍至10000倍左右的速度延迟。如果能够以这种方式使通过速度减缓，则能够取得仅仅一个碱基的信号。

为了解决该课题，考察了各种方法。已研究了多种调整溶液的物性的方法，例如，尝试了如下方法：通过添加高浓度甘油使溶液粘度上升而增加电泳时DNA链的拉伸力和反方向的摩擦力，从而减缓纳米孔通过速度(非专利文献1)。此外，还在验证如下福能股份：通过在溶液中添加锂离子而降低DNA链的表观负电荷，从而减小电泳时的拉伸力而使纳米孔通过速度延迟(非专利文献2)。

作为调整溶液的物性以外的方法，正在研究在装置上别具匠心的方法。例如，正在验证使纳米孔本身别出心裁的方法。作为单纯的方法，已知下述方法：减小纳米孔的直径而增大DNA链通过纳米孔时的摩擦力，减缓纳米孔通过速度(非专利文献3)。