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JP2020051889A - Electrochemical detection method of nucleic acid molecule - Google Patents

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JP2020051889A
JP2020051889A JP2018181403A JP2018181403A JP2020051889A JP 2020051889 A JP2020051889 A JP 2020051889A JP 2018181403 A JP2018181403 A JP 2018181403A JP 2018181403 A JP2018181403 A JP 2018181403A JP 2020051889 A JP2020051889 A JP 2020051889A
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Japan
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nucleic acid
binding
target nucleic
polynucleobase
electrode
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JP2018181403A
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明子 清水
Akiko Shimizu
明子 清水
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Yokowo Co Ltd
Original Assignee
Yokowo Co Ltd
Yokowo Mfg Co Ltd
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Abstract

To provide an electrochemical nucleic acid detection method having a low detection lower limit concentration and a wide dynamic range.SOLUTION: In an electrochemical detection method of a target nucleic acid in a subject sample, a poly-nucleobase modified electrode that is produced by binding a nucleobase probe made of a nucleobase of a nucleic acid binding oxidation-reduction marker low-binding property to a conductor is brought into contact with a liquid composition containing a subject sample. The nucleic acid binding oxidation-reduction marker is brought into contact with a poly-nucleobase modified electrode. The providing/receiving of an electron for the poly-nucleobase modified electrode that is caused by an oxidation-reduction reaction of the nucleic acid binding oxidation-reduction marker on the poly-nucleobase modified electrode is detected.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、核酸分子の電気化学的検出方法に関する。   The present invention relates to a method for electrochemically detecting nucleic acid molecules.

近年、20塩基程度のマイクロRNA(miRNA)を含む低分子ノンコーディングRNA(ncRNA)が様々な機能を有することから注目されている。特に、これらのncRNAレベルが疾患と相関する場合には、疾患マーカーとしての利用が可能である。ncRNAの検出には、蛍光検出や電気化学測定などの手法が用いられている。   In recent years, attention has been paid to small noncoding RNAs (ncRNAs) including microRNAs (miRNAs) of about 20 bases because they have various functions. In particular, when these ncRNA levels correlate with a disease, it can be used as a disease marker. Techniques such as fluorescence detection and electrochemical measurement are used for the detection of ncRNA.

ncRNAの検出に際しては、核酸を用いたプローブによってハイブリダイゼーションさせて捕捉することが一般的である。捕捉プローブにはDNAやRNAのような天然核酸だけでなく、ペプチド核酸(PNA)などのヌクレオチドアナログが用いられることもある。PNAは、DNAやRNAにおける糖鎖の代わりに、N−(2−アミノエチル)グリシンがアミド結合で結合した疑似ペプチド骨格を有する。PNAはDNA又はRNAと二本鎖を形成することができることから、新しいプローブとして利用されている(非特許文献1及び非特許文献2)。   In the detection of ncRNA, it is common to capture by hybridization with a probe using a nucleic acid. For capture probes, not only natural nucleic acids such as DNA and RNA, but also nucleotide analogs such as peptide nucleic acids (PNA) may be used. PNA has a pseudo-peptide skeleton in which N- (2-aminoethyl) glycine is bonded by an amide bond instead of a sugar chain in DNA or RNA. PNA is used as a new probe because it can form a double strand with DNA or RNA (Non-patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

PNAはDNA又はRNAと異なり電荷を持たない。この性質を利用してプローブに応用する電気化学的測定方法が知られている。例えば、PNAプローブと[Fe(CN)4−/3−を利用した測定方法が報告されている。本方法は、DNA又はRNA非結合では液中の負に帯電した[Fe(CN)4−/3−が容易に電極に到達するが、負電荷をもつDNA又はRNAがPNAに結合すると電荷同士の斥力により[Fe(CN)4−/3−が電極に到達しないことを利用して、標的DNA又はRNAを検出する。 PNA has no charge unlike DNA or RNA. An electrochemical measurement method applied to a probe utilizing this property is known. For example, a measurement method using a PNA probe and [Fe (CN) 6 ] 4- / 3- has been reported. In this method, the negatively charged [Fe (CN) 6 ] 4- / 3- in the solution easily reaches the electrode when DNA or RNA is not bound, but when the negatively charged DNA or RNA binds to PNA, The target DNA or RNA is detected by utilizing the fact that [Fe (CN) 6 ] 4- / 3- does not reach the electrode due to the repulsion between the charges.

また、PNAプローブと共に金電極表面に8−アミノ−1−オクタンチオールを結合させることにより電極表面に陽電荷を与える方法が報告されている。本方法では、カチオンマーカー[Ru(NH3+を使用する。DNA又はRNA非結合状態では、8−アミノ−1−オクタンチオールによる陽電荷との斥力で[Ru(NH3+は電極に到達できないが、負電荷を持つDNA又はRNAが電極表面のPNAと結合して、電荷が相殺されて失われると、[Ru(NH3+が電極表面に到達して還元反応を起こすことを利用してDNA又はRNAを検出する(特許文献1、非特許文献3及び4)。 Further, a method has been reported in which 8-amino-1-octanethiol is bonded to the surface of a gold electrode together with a PNA probe to give a positive charge to the surface of the electrode. In this method, a cation marker [Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ is used. In the unbound state of DNA or RNA, [Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ cannot reach the electrode due to the repulsive force with the positive charge due to 8-amino-1-octanethiol, but DNA or RNA having a negative charge is not deposited on the surface of the electrode. When the charge is canceled out by binding to PNA and lost, [Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ reaches the electrode surface and causes a reduction reaction to detect DNA or RNA (Patent Document 1). Non-Patent Documents 3 and 4).

また、金電極に標的配列と相補的なPNAを結合することで、電極結合プローブへのカチオンの非特異的な結合を抑制し、検出感度を高めたとの報告もある。例えば、非特許文献5においては、金電極にPNAプローブを結合し、プローブに結合したDNAのリン酸基のアニオンと静電的相互作用により、金電極表面近傍に密集した[Ru(NH3+による電気信号を検出している。 In addition, it has been reported that by binding PNA complementary to a target sequence to a gold electrode, nonspecific binding of cations to an electrode-bound probe was suppressed, and detection sensitivity was improved. For example, in Non-Patent Document 5, a PNA probe is bound to a gold electrode, and the PNA probe is densely packed near the surface of the gold electrode by electrostatic interaction with an anion of a phosphate group of DNA bound to the probe [Ru (NH 3 )]. 6 ] An electrical signal due to 3+ is detected.

核酸の電気化学的検出に利用する酸化還元種として、上述の[Fe(CN)4−/3−、[Ru(NH3+の他、核酸結合性を有するメチレンブルー(非特許文献6及び7)、Oracet Blue(非特許文献8)の核酸単鎖と二本鎖への結合の違いを利用した方法になどが用いられている。 As redox species to be used for electrochemical detection of nucleic acid, the above-mentioned [Fe (CN) 6] 4- / 3-, [Ru (NH 3) 6] 3+ other, methylene blue (non-patent with nucleic acid binding properties Literatures 6 and 7) and methods using the difference in binding between nucleic acid single-stranded and double-stranded nucleic acids in Oracet Blue (Non-Patent Document 8) are used.

国際公開WO2002/073183International Publication WO2002 / 073183

Nielsen,P.E.ら、Science;254:1497−1500(1991)Nielsen, P .; E. FIG. Et al., Science; 254: 1497-1500 (1991). Michael Egholmら、Nature;365:566−568(1993)Michael Eholm et al., Nature; 365: 566-568 (1993). Hiroshi Aokiら、Electroanalysis;12(16):1272−1276(2000)Hiroshi Aoki et al., Electroanalysis; 12 (16): 1272-1276 (2000). Hiroshi Aokiら、Electroanalysis;14(19−20):1405−1410(2002)Hiroshi Aoki et al., Electroanalysis; 14 (19-20): 1405-1410 (2002). M.Steichenら、Biosensors and Bioelectronics;22:2237−2243(2007)M. Steichen et al., Biosensors and Bioelectronics; 22: 2237-2243 (2007). Hossain−Ali Rafiee−Pourら、Biosensors and Bioelectronics;77:202−207(2016)Hossain-Ali Rafiee-Pour et al., Biosensors and Bioelectronics; 77: 202-207 (2016). Chenmeng HEら、Analytical Science;33:1155−1160(2017)Cheneng HE et al., Analytical Science; 33: 1155-1160 (2017). Mostafa Azimzadehら、Biosensors and Bioelectronics;77:99−106(2016)Mostafa Azimzadeh et al., Biosensors and Bioelectronics; 77: 99-106 (2016).

従来の電気化学的核酸検出方法は、酵素などを利用した生化学的方法と比較して検出下限濃度が低いなどの特徴を有していたが、0.1〜500pMのレンジで検出下限濃度は84.3fMであった(上記非特許文献6)。また、従来の方法は、ハイブリダイゼーション前のバックグラウンドが高いため、標的核酸とのハイブリダイゼーションの前後を比較することにより結合を測定する方法や、ハイブリダイゼーション前に示した高い電流値が、ハイブリダイゼーションにより低くなることを利用して測定する方法である。このような従来の方法では、ハイブリダイゼーション前及びハイブリダイゼーション後の2回の測定を行わなければならなかった。   The conventional electrochemical nucleic acid detection method has a feature that the lower detection limit concentration is lower than that of a biochemical method using enzymes or the like, but the lower detection limit concentration is in the range of 0.1 to 500 pM. It was 84.3 fM (Non-Patent Document 6 above). In addition, since the conventional method has a high background before hybridization, the method of measuring the binding by comparing before and after hybridization with the target nucleic acid, or the high current value shown before hybridization, It is a method of measuring by utilizing the fact that it becomes lower. In such a conventional method, two measurements must be performed before and after hybridization.

本発明者らは、より検出下限濃度が低く、ダイナミックレンジも広い検出方法について種々の検討を行った。その結果、プローブとしてPNAなどの非帯電性核酸物質を使用し、酸化還元マーカーとしてリン酸骨格を有する核酸への結合性のある化合物を使用することで、検出下限濃度が低く、ダイナミックレンジも広い検出を可能とすることを見出した。特に、本発明の一態様における方法は、プローブに非帯電性核酸物質を用いることで酸化還元マーカーがプローブにわずかしか結合しないことから、ハイブリダイゼーション前の酸化還元電流を大きく低減し、ハイブリダイゼーション前の測定を不要なものとした。その結果、標的核酸とのハイブリダイゼーション後の1回の測定で標的核酸を検出可能であることから、より簡便な検出方法を提供することに成功した。   The present inventors have conducted various studies on a detection method having a lower detection lower limit concentration and a wider dynamic range. As a result, by using a non-charged nucleic acid substance such as PNA as a probe and using a compound capable of binding to a nucleic acid having a phosphate skeleton as a redox marker, the lower detection limit concentration is low and the dynamic range is wide. It has been found that detection is possible. In particular, in the method according to one embodiment of the present invention, the use of a non-charged nucleic acid substance as the probe causes the redox marker to bind only slightly to the probe, so that the redox current before hybridization is significantly reduced, Measurement was unnecessary. As a result, since the target nucleic acid can be detected by one measurement after hybridization with the target nucleic acid, a simpler detection method was successfully provided.

すなわち、本発明の一態様は、被検サンプル中の標的核酸の電気化学的検出方法であって、
核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のヌクレオ塩基からなるポリヌクレオ塩基プローブが導体に結合してなるポリヌクレオ塩基修飾電極と、被験サンプルを含有する液体組成物と、を接触させ、
前記核酸結合性酸化還元マーカーを前記ポリヌクレオ塩基修飾電極に接触させ、
前記ポリヌクレオ塩基修飾電極上の前記核酸結合性酸化還元マーカーの酸化還元反応による前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受を検出する、標的核酸の電気化学的検出方法に関する。
That is, one embodiment of the present invention is a method for electrochemically detecting a target nucleic acid in a test sample,
A nucleic acid-binding redox marker, a polynucleobase-modified electrode formed by bonding a polynucleobase probe comprising a low-binding nucleobase to a conductor, and a liquid composition containing a test sample, and
The nucleic acid binding redox marker is brought into contact with the polynucleobase-modified electrode,
The present invention relates to a method for electrochemically detecting a target nucleic acid, which detects the transfer of electrons to the polynucleobase-modified electrode by a redox reaction of the nucleic acid-binding redox marker on the polynucleobase-modified electrode.

また、本発明の別の態様は、被検サンプル中の標的核酸の電気化学的定量方法であって、
核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のヌクレオ塩基からなるポリヌクレオ塩基プローブが導体に結合してなるポリヌクレオ塩基修飾電極と、被験サンプルを含有する液体組成物と、を接触させ、
前記核酸結合性酸化還元マーカーを前記ポリヌクレオ塩基修飾電極に接触させ、
前記ポリヌクレオ塩基修飾電極上の前記核酸結合性酸化還元マーカーの酸化還元反応による前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受のレベルを測定し、
検出された前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受のレベルより、前記被検サンプル中の前記標的核酸のレベルを算出する、標的核酸の電気化学的定量方法。に関する。
Another aspect of the present invention is a method for electrochemical quantification of a target nucleic acid in a test sample,
A nucleic acid-binding redox marker, a polynucleobase-modified electrode formed by bonding a polynucleobase probe comprising a low-binding nucleobase to a conductor, and a liquid composition containing a test sample, and
The nucleic acid binding redox marker is brought into contact with the polynucleobase-modified electrode,
Measuring the level of electron transfer to the polynucleobase-modified electrode by a redox reaction of the nucleic acid binding redox marker on the polynucleobase-modified electrode,
A method for electrochemically quantifying a target nucleic acid, comprising calculating a level of the target nucleic acid in the test sample from a level of electron transfer to the polynucleobase-modified electrode detected. About.

メチレンブルーを酸化還元マーカーとしてPNAプローブと共に用いることにより、ハイブリダイゼーションによる核酸の電気化学検出におけるバックグラウンドを小さく抑える事ができる。これにより、検出下限濃度が低く、かつダイナミックレンジが広い電気化学的な核酸検出方法を提供することが可能となった。例えば、負に帯電した酸化還元マーカーであるフェロシアン化カリウムに比べて検出下限濃度がおよそ1桁低く、ダイナミックレンジも2桁以上の幅がある。また、バックグラウンドが低いことにより、プローブと標的核酸のハイブリダイゼーションの前後を比較する必要がなくなり、ハイブリダイゼーション前の測定を行うことなく、ハイブリダイゼーション後の1回の検出のみで核酸を検出することが可能となった。   By using methylene blue as a redox marker together with a PNA probe, the background in electrochemical detection of nucleic acids by hybridization can be reduced. This has made it possible to provide an electrochemical nucleic acid detection method having a low detection lower limit concentration and a wide dynamic range. For example, the lower limit of detection is about one digit lower than that of potassium ferrocyanide, which is a negatively charged redox marker, and the dynamic range has a width of two digits or more. In addition, since the background is low, it is not necessary to compare before and after hybridization between the probe and the target nucleic acid, and the nucleic acid can be detected only once after hybridization without performing measurement before hybridization. Became possible.

メチレンブルーの酸化還元ピークを示すグラフであり、上図がサイクリックボルタンメトリー法(CV)測定した時の電位−電流のグラフを示し、下図が矩形波ボルタンメトリー(SWV)測定した時の電位−電流のグラフを示す。It is a graph which shows the oxidation-reduction peak of methylene blue, the upper figure shows the graph of the electric potential-current at the time of measuring the cyclic voltammetry (CV), and the lower figure shows the electric potential-current at the time of measuring the square wave voltammetry (SWV). Is shown. (A)本発明の実施例のハイブリダイゼーション前の状態の模式図を示す。(B)本発明の実施例のハイブリダイゼーション後の状態の模式図を示す。(C)フェロシアン化カリウムを用いた測定のハイブリダイゼーション前の状態の模式図を示す。(D)フェロシアン化カリウムを用いた測定のハイブリダイゼーション後の状態の模式図を示す。(A) shows a schematic diagram of a state before hybridization in an example of the present invention. (B) shows a schematic view of a state after hybridization in an example of the present invention. (C) A schematic diagram of a state before hybridization in a measurement using potassium ferrocyanide is shown. (D) shows a schematic view of the state after hybridization in the measurement using potassium ferrocyanide. フェロシアン化カリウムでハイブリダイゼーション前後をCV測定した時の電位−電流のグラフであり、上図は標的核酸が存在しない時、下図は標的核酸が存在する時を示す。It is a graph of the potential-current at the time of CV measurement before and after hybridization with potassium ferrocyanide. The upper figure shows the case where the target nucleic acid does not exist, and the lower figure shows the case where the target nucleic acid exists. PNAプローブ及びDNAプローブのSWV測定でのバックグラウンド電流値を示すグラフであり、上図がPNAプローブのバックグラウンド電流を測定した時の電位−電流のグラフを示し、下図がDNAプローブのバックグラウンド電流を測定した時の電位−電流のグラフを示す。It is a graph which shows the background current value in SWV measurement of a PNA probe and a DNA probe, the upper figure shows the graph of the potential-current when measuring the background current of a PNA probe, and the lower figure shows the background current of a DNA probe. 4 shows a graph of the potential-current when the value was measured. フェロシアン化カリウムを酸化還元マーカーとした時の標的核酸濃度とピーク電流値比の関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between a target nucleic acid concentration and a peak current value ratio when potassium ferrocyanide is used as a redox marker. メチレンブルーを酸化還元マーカーとした時の標的核酸濃度とSWV測定のピーク電流値を示すグラフである。It is a graph which shows the target nucleic acid concentration and peak current value of SWV measurement when methylene blue is used as a redox marker.

本出願において、「ヌクレオ塩基」とは、天然に存在するヌクレオチドの他、ヌクレオチドアナログを含む。天然に存在するヌクレオチドは、アデニン(A)、グアニン(G)、シトシン(C)、チミン(T)、及び/又はウラシル(U)の塩基を有するデオキシリボヌクレオチド又はリボヌクレオチドである。ヌクレオチドアナログとは、上述の天然に存在するデオキシリボヌクレオチド又はリボヌクレオチドと同じ塩基を有するが、リボースの化学構造、及び/又はホスホジエステル結合の化学構造が人為的に改変された人工ヌクレオチドを意味する。例えば、グリコール核酸(Glycol nucleic acid:GNA)、架橋化核酸(Bridged Nucleic Acid:BNA)、2’,4’−架橋化核酸(locked nucleic acid:LNA)、ペプチド核酸(Peptide Nucleic Acid:PNA)、トレオース核酸(Threose nucleic acid:TNA)、及びモルホリノ核酸(Morpholino nucleic acid:MNA)を挙げることができる。本出願において、GNA,BNA,LNA、PNA、TNA、及びMNAは、文脈によってモノマーと解釈してもよいし、ポリマーと解釈してもよい。   In the present application, “nucleobase” includes nucleotide analogs in addition to naturally occurring nucleotides. Naturally occurring nucleotides are deoxyribonucleotides or ribonucleotides having the bases adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T), and / or uracil (U). The nucleotide analog means an artificial nucleotide having the same base as the above-described naturally occurring deoxyribonucleotide or ribonucleotide, but having an artificially modified chemical structure of ribose and / or a phosphodiester bond. For example, a glycol nucleic acid (Glycol nucleic acid: GNA), a bridged nucleic acid (Bridged Nucleic Acid: BNA), a 2 ′, 4′-crosslinked nucleic acid (Locked nucleic acid: LNA), a peptide nucleic acid (Peptide Nucleic Acid, PN: PN) Examples include threose nucleic acid (TNA) and morpholino nucleic acid (MNA). In the present application, GNA, BNA, LNA, PNA, TNA, and MNA may be interpreted as monomers or polymers depending on the context.

本出願において、「ポリヌクレオ塩基」とは、上述のヌクレオ塩基が直鎖状又は分岐状に重合した高分子化合物を意味する。ポリヌクレオ塩基は、1種類のヌクレオ塩基のみ(天然に存在するポリヌクレオチドのみ、又はPNAの構成単位のみなど)からなるホモポリマーであってもよいし、2種類以上のヌクレオ塩基(天然に存在するポリヌクレオチドとPNA、又はBNAとLNAなど)のコポリマーであってもよい。よって、DNA及びRNA等のポリヌクレオチド、並びに、GNA、BNA、LNA、PNA、TNA、及びMNAのポリマーもポリヌクレオ塩基に含まれる。本出願において、「核酸」と「核酸分子」とは同義であり、DNA及びRNAの総称を表す。   In the present application, “polynucleobase” means a polymer compound in which the above-mentioned nucleobase is polymerized in a linear or branched manner. The polynucleobase may be a homopolymer composed of only one type of nucleobase (eg, only a naturally occurring polynucleotide or only a PNA constituent unit), or may be a homopolymer composed of two or more types of nucleobases (naturally occurring polynucleotides). A copolymer of nucleotide and PNA or BNA and LNA). Therefore, polynucleotides such as DNA and RNA, and polymers of GNA, BNA, LNA, PNA, TNA, and MNA are also included in the polynucleobase. In the present application, “nucleic acid” and “nucleic acid molecule” are synonymous and represent a general term for DNA and RNA.

本出願において「プローブ」又は「ポリヌクレオ塩基プローブ」とは、特にそのように解することが不整合である場合を除き同義であり、標的配列とのハイブリダイゼーションにより二本鎖を形成するために用いられるポリヌクレオ塩基を意味する。プローブは、少なくともその一部に標的配列と相補的であり、標的配列と結合可能な配列を含む。プローブは、標識物質との結合や他の目的で標的配列と相補的でない配列を含んでいてもよい。   In the present application, the term "probe" or "polynucleobase probe" is synonymous, unless otherwise specifically interpreted, and is used to form a duplex by hybridization with a target sequence. Means the polynucleobase used. The probe includes a sequence that is at least partially complementary to the target sequence and is capable of binding to the target sequence. The probe may contain a sequence that is not complementary to the target sequence for binding to a labeling substance or for other purposes.

特に、DNAプローブを用いた場合にはメチレンブルー等がプローブに結合することによりバックグラウンドが上がるところ、本出願においては、核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のヌクレオ塩基をプローブとして用いる(核酸結合性酸化還元マーカー低結合性プローブ)ことにより、標的核酸非存在時のバックグラウンドが低減されることを特徴とする。ハイブリダイズした核酸のみに核酸結合性酸化還元マーカーが結合することから、低濃度のターゲット核酸であっても検出が可能である。よって、プローブを構成するポリヌクレオ塩基は、メチレンブルー等の核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のポリヌクレオ塩基であり、例えば、PNA及びMNAである。プローブのポリヌクレオ塩基部分は核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のポリヌクレオ塩基のみからなることが好ましいが、必要に応じて、低い割合(例えば、10%以下、5%以下、3%以下、1%以下、0.5%以下)の核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のポリヌクレオ塩基を含んでいてもよい。あるプローブ又はヌクレオ塩基が核酸結合性酸化還元マーカー低結合性であるか否かは、当該プローブ又はヌクレオ塩基を結合した金電極と核酸結合性酸化還元マーカーを接触させ、特定の電位をかけた時の電極への電子の授受による電流の変化が生じるか否かを測定することにより決定することができる。電流の変化が無いか、無視できる程度に低い場合(例えば、PNAと同程度)の場合には、当該ローブ又はヌクレオ塩基は核酸結合性酸化還元マーカー低結合性であると判定される。   In particular, when a DNA probe is used, the background is increased by the binding of methylene blue or the like to the probe. In the present application, a nucleic acid-binding redox marker low-binding nucleobase is used as a probe (nucleic acid binding). By using a redox marker low-binding probe, the background in the absence of the target nucleic acid is reduced. Since the nucleic acid-binding redox marker binds only to the hybridized nucleic acid, it is possible to detect even a low concentration of the target nucleic acid. Therefore, the polynucleobase constituting the probe is a polynucleobase having a low binding property to a nucleic acid binding redox marker such as methylene blue, and is, for example, PNA or MNA. It is preferable that the polynucleobase portion of the probe be composed of only the nucleic acid-binding redox marker low-binding polynucleobase, but if necessary, a low ratio (for example, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 1% or less). (Hereinafter, 0.5% or less) nucleic acid-binding redox marker low-binding polynucleobase. Whether a probe or nucleobase has a low binding property to a nucleic acid-binding redox marker is determined by contacting a gold electrode to which the probe or nucleobase is bound with a nucleic acid-binding redox marker and applying a specific potential. Can be determined by measuring whether or not a change in current occurs due to the transfer of electrons to the electrode. If the current does not change or is negligibly low (for example, the same level as PNA), the lobe or nucleobase is determined to have low nucleic acid binding redox marker binding.

「核酸結合性酸化還元マーカー」は、DNA及びRNAなどのリン酸骨格を有する核酸分子には結合するが、非帯電の核酸分子には結合しないあるいは低結合性の酸化還元マーカーである。本出願において、核酸結合性酸化還元マーカーは、好ましくは単鎖の核酸に結合可能な化合物であり、当該化合物は、二本鎖の核酸にも結合してもよい。また、核酸結合性酸化還元マーカーは、好ましくは、核酸二本鎖のみに結合するインターカレーターは含まない。「酸化還元マーカー」とは、酸化状態と還元状態を有し、酸化還元反応により電子の受け渡しが可能な化合物を意味する。このような核酸結合性酸化還元マーカーとしては、例えば、メチレンブルー、ビオロゲン類縁体、ルテニウム錯体およびコバルト錯体を挙げることができる。   The “nucleic acid binding redox marker” is a redox marker that binds to a nucleic acid molecule having a phosphate skeleton such as DNA and RNA but does not bind to an uncharged nucleic acid molecule or has low binding. In the present application, the nucleic acid-binding redox marker is preferably a compound that can bind to a single-stranded nucleic acid, and the compound may also bind to a double-stranded nucleic acid. Further, the nucleic acid-binding redox marker preferably does not include an intercalator that binds only to a nucleic acid duplex. The “redox marker” refers to a compound that has an oxidized state and a reduced state and that can transfer electrons by a redox reaction. Examples of such a nucleic acid binding redox marker include methylene blue, viologen analogs, ruthenium complexes and cobalt complexes.

メチレンブルーは正に帯電した核酸結合性酸化還元マーカーであり、−250mV付近に酸化還元電位をもつ(図1)。また、メチレンブルーの核酸への結合メカニズムについてはいくつか報告があり、単鎖DNAのグアニン塩基を介して結合すること(Yang、Wら、Electroanalysis;14:1299−1302(2002))や、負に帯電したリン酸基との静電的相互作用により結合すること(Zhao、Gら、Anal.Chim.Acta;394:337−344(1999))、及びDNA二本鎖中のグアニン−シトシンペアに直接インカレートすること(Arias,PらJ.Electroanal.Chem;634:123−126(2009))が報告されている。さらに、メチレンブルーの酸化還元反応は、2電子の移動が生じるため電流値が大きく出るため、1電子授受型の酸化還元種に比べて微量な核酸が検出可能であるほか、電位差も大きいため核酸レベルの差を検出しやすい。特に、メチレンブルーでハイブリダイゼーションによる核酸の電気化学検出を行う際には、DNA等の負帯電核酸プローブではなく、PNAなどの非帯電核酸プローブを使用することにより、バックグラウンドを小さく抑えてハイブリダイズした核酸のみを検出することができ、検出感度が更に良好になる。これは、一般的に使われるDNAなどの核酸プローブにはメチレンブルーが結合することにより、バックグラウンドが上がるためである。PNAはペプチド結合で塩基を連結しているため、メチレンブルーの結合が少ないと考えられる。   Methylene blue is a positively charged nucleic acid binding redox marker and has a redox potential near -250 mV (FIG. 1). There are several reports on the binding mechanism of methylene blue to nucleic acids, such as binding via guanine bases of single-stranded DNA (Yang, W et al., Electroanalysis; 14: 1299-1302 (2002)) and negatively. Binding by electrostatic interaction with charged phosphate groups (Zhao, G et al., Anal. Chim. Acta; 394: 337-344 (1999)), and directly to guanine-cytosine pairs in DNA duplexes. Incalating (Arias, P et al., J. Electronal. Chem; 634: 123-126 (2009)) has been reported. In addition, the redox reaction of methylene blue generates a large current value due to the transfer of two electrons, so that a small amount of nucleic acid can be detected as compared with a single-electron transfer type redox species. Difference is easy to detect. In particular, when performing electrochemical detection of a nucleic acid by hybridization with methylene blue, the background was suppressed by using a non-charged nucleic acid probe such as PNA instead of a negatively charged nucleic acid probe such as DNA, so that hybridization was performed with a small background. Only nucleic acids can be detected, and the detection sensitivity is further improved. This is because the background is increased by the binding of methylene blue to nucleic acid probes such as commonly used DNA. Since PNA connects bases by peptide bonds, it is considered that methylene blue bonds are small.

本出願において「標的核酸」とは、本発明の方法により存在を検出し、又は定量しようとする目的の核酸を意味する。標的核酸は天然物由来である必要はなく、例えば、人工核酸なども含む。例えば、本発明の方法を疾患や障害の診断目的で利用する場合、標的核酸は生体由来のDNA又はRNAを意味する。標的核酸の長さは特に限定されるものではないが、50mer以下、45mer以下、40mer以下、35mer以下、30mer以下、29mer以下、28mer以下、27mer以下、26mer以下、又は25mer以下の標的核酸が好ましい。例えば、標的核酸の鎖長は、10mer以上、11mer以上、12mer以上、13mer以上、14mer以上、15mer以上、16mer以上、17mer以上、又は18mer以上とすることができる。一例として、標的核酸の鎖長は、10〜50mer、10〜40mer、13〜30mer、15〜28mer、又は18〜25merである。また、標的核酸の代表例としては、miRNAを挙げることができる。   In the present application, "target nucleic acid" means a nucleic acid of interest whose presence is to be detected or quantified by the method of the present invention. The target nucleic acid does not need to be derived from a natural product, and includes, for example, an artificial nucleic acid. For example, when the method of the present invention is used for the purpose of diagnosing a disease or disorder, the target nucleic acid means DNA or RNA derived from a living body. The length of the target nucleic acid is not particularly limited, but a target nucleic acid of 50 mer or less, 45 mer or less, 40 mer or less, 35 mer or less, 30 mer or less, 29 mer or less, 28 mer or less, 27 mer or less, 26 mer or less, or 25 mer or less is preferable. . For example, the length of the target nucleic acid can be 10 mer or more, 11 mer or more, 12 mer or more, 13 mer or more, 14 mer or more, 15 mer or more, 16 mer or more, 17 mer or more, or 18 mer or more. As an example, the chain length of the target nucleic acid is 10 to 50 mer, 10 to 40 mer, 13 to 30 mer, 15 to 28 mer, or 18 to 25 mer. In addition, a typical example of the target nucleic acid includes miRNA.

本出願において「標的配列」とは、標的核酸に含まれる配列であって、検出の目的とする配列である。別の表現では、標的配列は、使用されるプローブと相補的な配列又は結合可能な配列を意味する。標的配列は、標的核酸の全長配列又は部分配列であってよい。標的配列の長さは、10〜50merである。例えば、標的配列の鎖長は、10mer以上、11mer以上、12mer以上、13mer以上、14mer以上、15mer以上、16mer以上、17mer以上、又は18mer以上とすることができる。また、標的配列の鎖長は、50mer以下、45mer以下、40mer以下、35mer以下、30mer以下、29mer以下、28mer以下、27mer以下、26mer以下、又は25mer以下とすることができる。標的配列の鎖長は、10〜40mer、13〜30mer、15〜28mer、又は18〜25merとすることができる。   In the present application, the “target sequence” is a sequence contained in a target nucleic acid and is a sequence to be detected. In another expression, the target sequence means a sequence complementary to or bindable to the probe used. The target sequence may be a full-length sequence or a partial sequence of the target nucleic acid. The length of the target sequence is 10 to 50 mer. For example, the chain length of the target sequence can be at least 10 mer, at least 11 mer, at least 12 mer, at least 13 mer, at least 14 mer, at least 15 mer, at least 16 mer, at least 17 mer, or at least 18 mer. In addition, the chain length of the target sequence can be 50 mer or less, 45 mer or less, 40 mer or less, 35 mer or less, 30 mer or less, 29 mer or less, 28 mer or less, 27 mer or less, 26 mer or less, or 25 mer or less. The chain length of the target sequence can be 10 to 40 mer, 13 to 30 mer, 15 to 28 mer, or 18 to 25 mer.

本出願において「非標的核酸」とは、本方法により検出することを目的としない核酸である。また、「非標的配列」とは、非標的核酸が有する配列を意味する。   In the present application, a “non-target nucleic acid” is a nucleic acid that is not intended to be detected by the present method. The “non-target sequence” means a sequence of a non-target nucleic acid.

「電極」は、ポリヌクレオ塩基プローブを結合させることができ、酸化還元マーカーによる酸化還元反応を検出可能な電極であれば、特に限定されるものではないが、例えば、好ましくは、貴金属電極であり、より好ましくは金電極である。金は、酸化還元プローブによる酸化還元反応の検出に適している。また、電極は、グラッシーカーボン、酸化グラフェンなどのカーボン電極表面に金が付着した構造をしていてもよい。また、ポリヌクレオ塩基プローブは金に直接結合している必要はなく、例えば、ポリヌクレオ塩基が結合したアクリル微粒子と金微粒子が共にカーボン電極表面に付着していてもよい。   The `` electrode '' is not particularly limited as long as it can bind a polynucleobase probe and can detect a redox reaction by a redox marker, but, for example, is preferably a noble metal electrode, More preferably, it is a gold electrode. Gold is suitable for detecting a redox reaction with a redox probe. Further, the electrode may have a structure in which gold is attached to the surface of a carbon electrode such as glassy carbon or graphene oxide. Further, the polynucleobase probe does not need to be directly bonded to gold. For example, both acrylic fine particles and gold fine particles having a polynucleobase bonded thereto may be attached to the carbon electrode surface.

「核酸非結合性物質」は、検出対象である核酸とは結合しない物質であって、プローブの構造を物理的に支える役割を果たす。核酸非結合性物質としては、例えば、短鎖アルカンチオールやジスルフィドであってもよく、より具体的には、6−メルカプト−1−ヘキサノール、6−ヒドロキシ−1−ヘキサンチオール(HHT)を挙げることができる。   The “non-nucleic acid-binding substance” is a substance that does not bind to the nucleic acid to be detected and plays a role of physically supporting the structure of the probe. The nucleic acid non-binding substance may be, for example, a short-chain alkanethiol or disulfide, and more specifically, 6-mercapto-1-hexanol, 6-hydroxy-1-hexanethiol (HHT). Can be.

図2(A)は、核酸がハイブリダイゼーションしていない状態の本発明の方法で用いる電極の模式図を示す。1は金電極上に修飾した捕捉PNAプローブ、2は核酸非結合性物質の6−ヒドロキシ−1−ヘキサンチオールを示す。DNA又はRNAがハイブリダイゼーションしていない状態では金電極表面には電荷は生じないため、メチレンブルーなどの核酸結合性酸化還元マーカーは電極表面に結合しない。図2(B)は、本発明の標的核酸がハイブリダイゼーションした状態の本発明の方法で用いる電極の模式図を示す。1は金電極上に修飾した捕捉PNAプローブ、2は核酸非結合性物質の6−ヒドロキシ−1−ヘキサンチオール、3は標的核酸、4はメチレンブルーを示す。DNA又はRNAが結合することにより、電荷が生じ、メチレンブルーなどの核酸結合性酸化還元マーカーが電極表面に結合し、電極と電子の授受を行う。図2(C)は、フェロシアン化カリウムを用いた測定において、DNA又はRNAがハイブリダイゼーションしていない状態の模式図を示す。1は金電極上に修飾した捕捉PNAプローブ、2は核酸非結合性物質の6−ヒドロキシ−1−ヘキサンチオール、3はフェロシアン化カリウムを示す。DNA又はRNAがハイブリダイゼーションしていない状態では電気的斥力が働かないため、フェロシアン化カリウムが電極表面に接近しうるため、電極と電子の授受を行うことができる。図2(D)はフェロシアン化カリウムを用いた測定において、DNA又はRNAがハイブリダイゼーションした状態の模式図を示す。1は金電極上に修飾した捕捉PNAプローブ、2は核酸非結合性物質の6−ヒドロキシ−1−ヘキサンチオール、3はフェロシアン化カリウム、4は標的核酸を示す。DNA又はRNAが結合することにより電気的斥力が働き、フェロシアン化カリウムが電極と電子の授受を行うことができなくなる。   FIG. 2A shows a schematic diagram of an electrode used in the method of the present invention in a state where nucleic acids have not been hybridized. 1 denotes a capture PNA probe modified on a gold electrode, and 2 denotes 6-hydroxy-1-hexanethiol as a nucleic acid non-binding substance. Since no charge is generated on the surface of the gold electrode when DNA or RNA is not hybridized, a nucleic acid-binding redox marker such as methylene blue does not bind to the electrode surface. FIG. 2 (B) is a schematic view of an electrode used in the method of the present invention in a state where the target nucleic acid of the present invention has been hybridized. Reference numeral 1 denotes a capture PNA probe modified on a gold electrode, 2 denotes 6-hydroxy-1-hexanethiol as a nucleic acid non-binding substance, 3 denotes a target nucleic acid, and 4 denotes methylene blue. The binding of DNA or RNA generates an electric charge, and a nucleic acid-binding redox marker such as methylene blue binds to the electrode surface, and exchanges electrons with the electrode. FIG. 2C is a schematic diagram showing a state where DNA or RNA has not been hybridized in the measurement using potassium ferrocyanide. Reference numeral 1 denotes a captured PNA probe modified on a gold electrode, 2 denotes 6-hydroxy-1-hexanethiol as a nucleic acid non-binding substance, and 3 denotes potassium ferrocyanide. In the state where DNA or RNA is not hybridized, electric repulsion does not work, and potassium ferrocyanide can approach the electrode surface, so that electrons can be exchanged with the electrode. FIG. 2D is a schematic diagram showing a state where DNA or RNA has hybridized in the measurement using potassium ferrocyanide. Reference numeral 1 denotes a captured PNA probe modified on a gold electrode, 2 denotes 6-hydroxy-1-hexanethiol as a nucleic acid non-binding substance, 3 denotes potassium ferrocyanide, and 4 denotes a target nucleic acid. The binding of DNA or RNA causes an electric repulsion, and the potassium ferrocyanide cannot exchange electrons with the electrode.

1.ポリヌクレオ塩基プローブの製造
本発明の実施形態において用いるポリヌクレオ塩基プローブは、標的配列と相補的に設計されたプローブ配列に基づき、本技術分野において周知の方法を利用して製造することができる。特に、DNA及びRNA、PNA、LNA等のポリヌクレオ塩基は1塩基ずつ結合させる化学合成に方法が良く知られており、このような方法を採用することができる。また、必要に応じて、合成したポリヌクレオ塩基プローブを固相や標識などの修飾物質に結合することもできる。
1. Production of Polynucleobase Probe The polynucleobase probe used in the embodiment of the present invention can be produced by a method well-known in the art, based on a probe sequence designed to be complementary to a target sequence. In particular, a method is well known for chemical synthesis in which polynucleobases such as DNA and RNA, PNA, LNA and the like are linked one by one, and such a method can be employed. Further, if necessary, the synthesized polynucleobase probe can be bound to a modifying substance such as a solid phase or a label.

2.修飾電極の製造
本発明の実施形態において用いる修飾電極は、金電極、又は、酸化グラフェンやスクリーンプリント電極上の金ナノ微粒子などの導体上に前記ポリヌクレオ塩基プローブを結合させることにより得ることができる。本発明の方法は、任意で導体に核酸結合性酸化還元マーカー低結合性ヌクレオ塩基からなるポリヌクレオ塩基プローブを結合して、ポリヌクレオ塩基修飾電極を作製する工程を含んでいてもよい。
2. Production of Modified Electrode The modified electrode used in the embodiment of the present invention can be obtained by binding the polynucleobase probe to a gold electrode or a conductor such as graphene oxide or gold nanoparticles on a screen print electrode. The method of the present invention may optionally include a step of preparing a polynucleobase-modified electrode by bonding a polynucleobase probe comprising a nucleic acid-binding redox marker low-binding nucleobase to a conductor.

3.標的核酸の電気化学的検出方法
本発明の一態様は、被検サンプル中の標的核酸の電気化学的検出方法であって、
核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のヌクレオ塩基からなるポリヌクレオ塩基プローブが導体に結合してなるポリヌクレオ塩基修飾電極と、被験サンプルを含有する液体組成物と、を接触させ、
前記核酸結合性酸化還元マーカーを前記ポリヌクレオ塩基修飾電極に接触させ、
前記ポリヌクレオ塩基修飾電極上の前記核酸結合性酸化還元マーカーの酸化還元反応による前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受を検出する、標的核酸の電気化学的検出方法に関する。
3. One embodiment of the present invention is a method for electrochemically detecting a target nucleic acid in a test sample,
A nucleic acid-binding redox marker, a polynucleobase-modified electrode formed by bonding a polynucleobase probe comprising a low-binding nucleobase to a conductor, and a liquid composition containing a test sample, and
The nucleic acid binding redox marker is brought into contact with the polynucleobase-modified electrode,
The present invention relates to a method for electrochemically detecting a target nucleic acid, which detects the transfer of electrons to the polynucleobase-modified electrode by a redox reaction of the nucleic acid-binding redox marker on the polynucleobase-modified electrode.

本方法においては、電極表面に結合したプローブに相補的な配列を有する標的核酸が結合し、当該核酸に核酸結合性酸化還元マーカーが結合する。結合した核酸結合性酸化還元マーカーの酸化還元反応による電子の放出又は獲得が電極における電流又は電圧の電気信号として現れる。すなわち、酸化還元マーカーから電極への電子の授受により、結合した標的核酸を検出する。酸化還元マーカーを利用した電気化学的検出方法は広く知られており、例えば、メチレンブルーを用いた方法は本願実施例の他、上述の非特許文献6及び7(ただし、これらの非特許文献においてはプローブとしてDNAを使用)に記載されている。すなわち、メチレンブルーを用いた場合には、メチレンブルーと電極との電子の授受が標的核酸の結合を示す。   In this method, a target nucleic acid having a sequence complementary to the probe bound to the electrode surface binds, and the nucleic acid-binding redox marker binds to the nucleic acid. The emission or acquisition of electrons by the redox reaction of the bound nucleic acid binding redox marker manifests itself as a current or voltage electrical signal at the electrode. That is, by transferring electrons from the redox marker to the electrode, the bound target nucleic acid is detected. Electrochemical detection methods using oxidation-reduction markers are widely known. For example, methods using methylene blue are described in the above non-patent documents 6 and 7 (however, in these non-patent documents, Using DNA as a probe). That is, when methylene blue is used, the transfer of electrons between the methylene blue and the electrode indicates the binding of the target nucleic acid.

よって、本方法は、電極表面への標的核酸の結合と、標的核酸への酸化還元マーカーの結合、標的核酸に結合した酸化還元マーカーの酸化還元反応の電気化学的検出を必須の構成として含む。これらの本方法を構成する各反応は、順次行うこともできるし、同時に行うこともできる。例えば、標的核酸の存在を確認したい被検サンプルと酸化還元マーカーの両方を含む液体組成物中に修飾電極を浸し、反応させながら結合測定を行うこともできる。あるいは、電極表面への標的核酸の存在を確認したい被検サンプルを結合させた後、標的核酸に酸化還元マーカーを接触させて結合させ、その後、標的核酸に結合した酸化還元マーカーの酸化還元反応を電気化学的に検出してもよい。あるいは、電極表面に標的核酸の存在を確認したい被検サンプルと酸化還元マーカーとを同時に接触させて結合させ、その後、標的核酸に結合した酸化還元マーカーの酸化還元反応を電気化学的に検出してもよい。ステップワイズに行う場合、各ステップの間に洗浄する工程を含んでいてもよい。例えば、電極表面への標的核酸の存在を確認したい被検サンプルを結合させた後、サンプルを含有しない液体(緩衝液など)中で電極を洗浄してから、酸化還元マーカーを接触させてもよい。あるいは、酸化還元マーカーを接触させた後、酸化還元マーカーを含まない液体(緩衝液など)で電極を洗浄してから、標的核酸に結合した酸化還元マーカーの酸化還元反応を電気化学的に検出してもよい。特に、検出前に洗浄操作を行うことにより、液中の酸化還元マーカーによる非特異的なバックグラウンド電気信号を抑制することができることから、好ましくは、検出前に洗浄操作を行う。   Therefore, the present method includes as essential components the binding of the target nucleic acid to the electrode surface, the binding of the redox marker to the target nucleic acid, and the electrochemical detection of the redox reaction of the redox marker bound to the target nucleic acid. Each of the reactions constituting the present method can be performed sequentially or simultaneously. For example, the modified electrode can be immersed in a liquid composition containing both the test sample in which the presence of the target nucleic acid is to be confirmed and the redox marker, and the binding measurement can be performed while reacting. Alternatively, after binding a test sample for which the presence of the target nucleic acid on the electrode surface is desired to be confirmed, the redox marker is brought into contact with the target nucleic acid and bound, and then the redox reaction of the redox marker bound to the target nucleic acid is performed. It may be detected electrochemically. Alternatively, the sample to be tested for the presence of the target nucleic acid on the electrode surface and the redox marker are simultaneously contacted and bound, and then the redox reaction of the redox marker bound to the target nucleic acid is electrochemically detected. Is also good. In the case of performing stepwise, a step of cleaning between each step may be included. For example, after binding a test sample for which it is desired to confirm the presence of the target nucleic acid on the electrode surface, the electrode may be washed in a liquid containing no sample (such as a buffer solution), and then contacted with a redox marker. . Alternatively, after contacting the redox marker, the electrode is washed with a liquid containing no redox marker (such as a buffer), and then the redox reaction of the redox marker bound to the target nucleic acid is electrochemically detected. You may. In particular, by performing a washing operation before detection, a non-specific background electric signal due to a redox marker in the liquid can be suppressed. Therefore, the washing operation is preferably performed before detection.

被検サンプルが含有する核酸濃度としては、特に制限されるものではないが、例えば、10−4〜10−16Mとすることができる。本方法は、被検サンプル中の標的核酸の存在を決定するために行われることから、被検サンプルは必ずしも標的核酸を含んでいる必要はない。また、被検サンプルは、標的核酸以外の核酸分子を含んでいてもよい。更に、被検サンプルは精製レベルが高いものでも低いものでもよく、被検体由来の物質として核酸のみを含んでいてもよいし、核酸以外の夾雑物(糖鎖、タンパク質など)を含んでいてもよい。例えば、被検サンプルは、検出対象となる標的核酸の存在を調べようとする目的の試料を用いて調製することができる。例えば、診断目的の場合、DNA又はRNAが検出されうる試料であれば特に制限されるものではなく、リンパ液、血液(血清、血漿)、尿、便、唾液、髄液、涙、バイオプシー、毛、皮膚、爪、浸出液、細胞(例えば、血中循環腫瘍細胞(CTC)、血管内皮細胞、ES細胞、iPS細胞、muse細胞、又は多能性幹細胞から分化誘導された細胞)などの体液、細胞又は組織;エクソソーム;又はセルフリーDNAを用いることができる。これらの試料は、適宜DNA又はRNAの検出に適したサンプルとして調製される。 The concentration of the nucleic acid contained in the test sample is not particularly limited, but may be, for example, 10 −4 to 10 −16 M. Since the method is performed to determine the presence of a target nucleic acid in a test sample, the test sample does not necessarily need to contain the target nucleic acid. Further, the test sample may contain a nucleic acid molecule other than the target nucleic acid. Furthermore, the test sample may have a high or low purification level, may contain only nucleic acids as a substance derived from the test sample, or may contain impurities (sugar chains, proteins, etc.) other than nucleic acids. Good. For example, a test sample can be prepared using a target sample for which the presence of a target nucleic acid to be detected is to be examined. For example, for the purpose of diagnosis, the sample is not particularly limited as long as it is a sample from which DNA or RNA can be detected. Lymph, blood (serum, plasma), urine, stool, saliva, cerebrospinal fluid, tears, biopsy, hair, Body fluids, cells, such as skin, nails, exudates, cells (e.g., cells derived from circulating tumor cells (CTC), vascular endothelial cells, ES cells, iPS cells, muse cells, or pluripotent stem cells); Tissues; exosomes; or cell-free DNA can be used. These samples are appropriately prepared as samples suitable for detection of DNA or RNA.

被検サンプルと電極との反応は液中で行われ、核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のポリヌクレオ塩基と標的核酸が結合可能な条件下であれば特に制限されるものではない。例えば、ハイブリダイズの条件として、Molecular Cloning,a Laboratory Mannual,Fourth Edition,Cold Spring Harbor Laboratory Press(2012)又は,Current Protocols in Molecular Biology, Wiley Online Library等に記載の方法により行うことができる。例えば、6×SSC(0.9M NaCl,0.09M クエン酸三ナトリウム)または6×SSPE(3M NaCl,0.2M NaHPO,20mM EDTA・2Na,pH7.4)中、38〜42℃で10分〜1時間ハイブリダイズさせることができる。 The reaction between the test sample and the electrode is performed in a liquid, and is not particularly limited as long as the condition allows binding of the nucleic acid-binding redox marker and low-binding polynucleobase to the target nucleic acid. For example, as a condition for hybridization, Molecular Cloning, a Laboratory Manual, Fourth Edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press (2012), or a method described in Current Protocol, Molecular Biology, etc., which can be described in a method described in Current Protocol, Molecular Biology, etc. For example, in 6 × SSC (0.9 M NaCl, 0.09 M trisodium citrate) or 6 × SSPE (3 M NaCl, 0.2 M NaH 2 PO 4 , 20 mM EDTA · 2Na, pH 7.4) at 38-42 ° C. For 10 minutes to 1 hour.

標的核酸への酸化還元マーカーの結合は、酸化還元マーカーの種類に応じて適宜決定することができる。例えば、NaClO含有リン酸バッファに酸化還元マーカーを添加して、標的核酸を結合させた電極に接触させ、1〜30分静置することにより行うことができる。使用する酸化還元マーカーの濃度は、非特異的な結合を生じることなく核酸に効率的に結合する濃度であれば、特に限定されるものではないが、例えば、メチレンブルーの場合、1〜100μMで行うことができる。検出測定時は酸化還元マーカーを測定溶液中に含有させないことが好ましい。すなわち、プローブにハイブリダイズした標的核酸に酸化還元マーカーを結合させた後、洗浄し、標的核酸に結合した酸化還元マーカーに電位をかけて起こる電子の授受を検出することが好ましい。測定液中に酸化還元マーカーが含まれていると液中の酸化還元マーカーから生じる電子の授受と標的核酸に結合している酸化還元マーカーからの電子の授受の区別が困難となり、検出感度が低下する可能性がある。 The binding of the redox marker to the target nucleic acid can be appropriately determined according to the type of the redox marker. For example, it can be carried out by adding a redox marker to a phosphate buffer containing NaClO 4 , bringing it into contact with an electrode to which a target nucleic acid has been bound, and allowing it to stand for 1 to 30 minutes. The concentration of the redox marker to be used is not particularly limited as long as it is a concentration that efficiently binds to the nucleic acid without causing nonspecific binding. For example, in the case of methylene blue, the concentration is 1 to 100 μM. be able to. At the time of detection measurement, it is preferable not to include a redox marker in the measurement solution. That is, it is preferable that after binding the redox marker to the target nucleic acid hybridized to the probe, washing is performed, and the transfer of electrons occurring when a potential is applied to the redox marker bound to the target nucleic acid is detected. If the measurement solution contains a redox marker, it becomes difficult to distinguish between the transfer of electrons generated from the redox marker in the solution and the transfer of electrons from the redox marker bound to the target nucleic acid, resulting in lower detection sensitivity. there's a possibility that.

酸化還元反応の電気化学的測定は、例えば、ポテンショスタット又はガルバノスタットなどの三電極系の装置を用いて行うことができる。酸化還元反応の測定は、CVなどのボルタンメトリー法;交流インピーダンス法(EIS);ファラデーインピーダンス分光法;及びクーロメトリー法により行うことができる。   The electrochemical measurement of the oxidation-reduction reaction can be performed using, for example, a three-electrode system device such as a potentiostat or a galvanostat. The measurement of the oxidation-reduction reaction can be performed by voltammetry such as CV; AC impedance (EIS); Faraday impedance spectroscopy; and coulometry.

4.標的核酸の電気化学的定量方法
本発明の別の態様は、被検サンプル中の標的核酸の電気化学的定量方法であって、
核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のヌクレオ塩基からなるポリヌクレオ塩基プローブが導体に結合してなるポリヌクレオ塩基修飾電極と、被験サンプルを含有する液体組成物と、を接触させ、
前記核酸結合性酸化還元マーカーを前記ポリヌクレオ塩基修飾電極に接触させ、
前記ポリヌクレオ塩基修飾電極上の前記核酸結合性酸化還元マーカーの酸化還元反応による前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受のレベルを測定し、
検出された前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受のレベルより、前記被検サンプル中の前記標的核酸のレベルを算出する、標的核酸の電気化学的定量方法に関する。
4. Another aspect of the present invention is a method for electrochemically quantifying a target nucleic acid in a test sample, comprising:
A nucleic acid-binding redox marker, a polynucleobase-modified electrode formed by bonding a polynucleobase probe comprising a low-binding nucleobase to a conductor, and a liquid composition containing a test sample, and
The nucleic acid binding redox marker is brought into contact with the polynucleobase-modified electrode,
Measuring the level of electron transfer to the polynucleobase-modified electrode by a redox reaction of the nucleic acid binding redox marker on the polynucleobase-modified electrode,
The present invention relates to a method for electrochemically quantifying a target nucleic acid, wherein a level of the target nucleic acid in the test sample is calculated from a level of electron transfer to the polynucleobase-modified electrode detected.

この標的核酸の電気化学的測定方法による定量方法は、上述の標的核酸の電気化学的検出方法と同じ方法を用いて行うことができる。ただし、上述の方法において、結合した標的核酸や電子の授受を「検出」する代わりに標的核酸や電子の授受の「レベルを測定」することにより行う。本出願において、「レベル」とは、数値化された存在量に関する指標を意味し、例えば、標的核酸の濃度、量あるいはその代わりとして用いることができる指標を含む。よって、レベルは電気信号等の測定値そのものであってもよいし、濃度等に換算された値であってもよい。また、レベルは、絶対的な数値(存在量、単位面積・体積当たりの存在量など)であっても良いし、又は必要に応じて設定された比較対照と比較した相対的な数値であってもよい。   This method of quantifying a target nucleic acid by an electrochemical measurement method can be performed using the same method as the above-described method of electrochemically detecting a target nucleic acid. However, in the above-described method, the measurement is performed by "measuring" the level of the transfer of the target nucleic acid or the electron instead of "detecting" the transfer of the bound target nucleic acid or the electron. In the present application, “level” means an index relating to abundance quantified, and includes, for example, the concentration or amount of a target nucleic acid or an index that can be used as an alternative. Therefore, the level may be a measured value of an electric signal or the like, or a value converted into a concentration or the like. The level may be an absolute value (abundance, abundance per unit area / volume, etc.) or a relative value as compared with a comparative control set as necessary. Is also good.

検出された前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受のレベルからの前記被検サンプル中の前記標的核酸のレベルの算出は、採用した測定方法等に応じて適宜行うことができる。例えば、標的核酸のレベルの算出は、測定値を予め決められた標準曲線に当てはめることにより行うことができる。あるいは、サンプルと同時に予め濃度が判明している標準液を測定し、サンプルの測定値を標準液の測定値と比較して行うことができる。   The calculation of the level of the target nucleic acid in the test sample from the detected level of transfer of electrons to the polynucleobase-modified electrode can be appropriately performed according to the employed measurement method or the like. For example, the calculation of the level of the target nucleic acid can be performed by applying the measured value to a predetermined standard curve. Alternatively, a standard solution whose concentration is known in advance is measured at the same time as the sample, and the measured value of the sample can be compared with the measured value of the standard solution.

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、本願全体を通して引用される全文献は参照によりそのまま本願に組み込まれる。   Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto. All documents cited throughout the application are incorporated herein by reference in their entirety.

(実施例1)メチレンブルーの酸化還元電位
裸金電極を酸素プラズマ装置で10mA、2分間プラズマ照射を行い、金電極表面を洗浄した。その後、0.1mMメチレンブルー+0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClO、1mL中に金電極と水系参照電極(Ag/AgCl BAS社製RE−1B)とPtカウンター電極(BAS社製)を浸し、ポテンショスタットを用いて、SWVの測定を初期電位0mVから終電位−500mVまで、ステップ電位5mV、パルス振幅50mV、周期20Hzの条件で行った。また、CVを初期電位0mV、高電位0mV、低電位−500mV、スキャン速度500mV/secで負方向の掃引により測定した。メチレンブルーは正に帯電した酸化還元マーカーであり、−250mV付近に酸化還元電位をもつことが示された。図1は、メチレンブルーの酸化還元ピークを示すグラフであり、上図がCV測定した時の電位-電流のグラフを示し、下図がSWV測定した時の電位−電流のグラフを示す。縦軸は電流(nA)、横軸は電位(V)を示す。
(Example 1) Oxidation-reduction potential of methylene blue The bare gold electrode was subjected to plasma irradiation for 2 minutes at 10 mA using an oxygen plasma apparatus to wash the surface of the gold electrode. Then, 0.1 mM methylene blue + 0.25 mM phosphate buffer (sodium, pH7.0) + 0.5mM NaClO 4, a gold electrode and an aqueous reference electrode in 1 mL (Ag / AgCl BAS Inc. RE-1B) and Pt counter electrode ( (Manufactured by BAS Corporation), and the SWV was measured using a potentiostat from an initial potential of 0 mV to a final potential of -500 mV, under the conditions of a step potential of 5 mV, a pulse amplitude of 50 mV, and a cycle of 20 Hz. CV was measured by sweeping in the negative direction at an initial potential of 0 mV, a high potential of 0 mV, a low potential of -500 mV, and a scan speed of 500 mV / sec. Methylene blue is a positively charged redox marker and was shown to have a redox potential near -250 mV. FIG. 1 is a graph showing the oxidation-reduction peak of methylene blue. The upper diagram shows a graph of potential-current when CV is measured, and the lower diagram shows a graph of potential-current when SWV is measured. The vertical axis represents current (nA), and the horizontal axis represents potential (V).

(実施例2)フェロシアン化カリウムを用いたCV測定
裸金電極を酸素プラズマ装置で10mA、2分間プラズマ照射を行い、金電極表面を洗浄した。洗浄した金電極上に0.05%TFAに溶解した10μMのPNA(TTCAGTTATCACAGTACTGTA−o−Cys)(配列番号1)を10μL塗布し、25℃で30分間静置した。その後、超純水で洗浄し、1mMのHHTを金電極上に塗布し、25℃で30分間静置した。ハイブリダイゼーション前に1mM フェロシアン化カリウム+0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClO1mL中にPNAプローブおよびHHT修飾をした金電極、水系参照電極(Ag/AgCl BAS社製 RE−1B)とPtカウンター電極(BAS社製)を浸し、ポテンショスタットを用いて、CVを初期電位−150mV、高電位500mV、低電位−150mV、スキャン速度500mV/secで正方向の掃引により測定した。超純水で洗浄後、PNAプローブ、HHTを修飾した金電極上に、1×SSC(0.15M NaCl+0.015M クエン酸3ナトリウム)+20%DMSOに溶解した10−7Mの標的核酸(UACAGUACUGUGAUAACUGAA)(配列番号3)溶液を10μL滴下し、40℃で40分ハイブリダイゼーションを行った。50℃の超純水100mL中で2分間、ハイブリダイゼーション後の金電極を洗浄した後、1mM フェロシアン化カリウム+0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClO 1mL中にハイブリダイゼーションを行った後の金電極、水系参照電極(Ag/AgCl BAS社製 RE−1B)とPtカウンター電極(BAS社製)を浸し、ポテンショスタットを用いて、CVを初期電位−150mV、高電位500mV、低電位−150mV、スキャン速度500mV/secで正方向の掃引により測定した。フェロシアン化カリウムの検出は、ハイブリダイゼーションの前後にフェロシアン化カリウム含有測定液中でCV測定を行い、そのピーク電流値の比として算出した。ハイブリダイゼーション前のCV波形のピーク電流値を1とした時のハイブリダイゼーション後の同一電位での電流値を比として算出した。結果を図3に示す。フェロシアン化カリウムでハイブリダイゼーション前後をCV測定した時の電位−電流のグラフであり、上図は標的核酸が存在しない時、下図は10−7M標的核酸が存在する時を示す。フェロシアン化カリウムを酸化還元マーカーとして使用した時は電流値の差、特に電流値の低下が標的核酸の存在量を示すため、ハイブリダイゼーション前とハイブリダイゼーション後の測定が必要となる。
(Example 2) CV measurement using potassium ferrocyanide The bare gold electrode was subjected to plasma irradiation with an oxygen plasma apparatus at 10 mA for 2 minutes to wash the surface of the gold electrode. On the washed gold electrode, 10 μL of 10 μM PNA (TTCAGTTATCACAGACTCTGTA-o-Cys) (SEQ ID NO: 1) dissolved in 0.05% TFA was applied, and allowed to stand at 25 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the substrate was washed with ultrapure water, 1 mM HHT was applied on the gold electrode, and the plate was allowed to stand at 25 ° C. for 30 minutes. Before hybridization, a PNA probe and an HHT-modified gold electrode in 1 mL of 1 mM potassium ferrocyanide + 0.25 mM phosphate buffer (sodium, pH 7.0) +0.5 mM NaClO 4 , an aqueous reference electrode (Ag / AgCl BAS RE- 1B) and a Pt counter electrode (manufactured by BAS) were immersed, and the CV was measured using a potentiostat by sweeping in the positive direction at an initial potential of −150 mV, a high potential of 500 mV, a low potential of −150 mV, and a scan speed of 500 mV / sec. After washing with ultrapure water, a 10-7 M target nucleic acid (UACAGUACUGUGUAUAACUGAA) dissolved in 1 × SSC (0.15 M NaCl + 0.015 M trisodium citrate) + 20% DMSO was placed on a gold electrode modified with a PNA probe and HHT. (SEQ ID NO: 3) 10 μL of the solution was added dropwise, and hybridization was carried out at 40 ° C. for 40 minutes. After washing the gold electrode after hybridization in 100 mL of ultrapure water at 50 ° C. for 2 minutes, hybridization was performed in 1 mL of 1 mM potassium ferrocyanide + 0.25 mM phosphate buffer (sodium, pH 7.0) +0.5 mM NaClO 4. The gold electrode, the aqueous reference electrode (Ag / AgCl BAS Co., RE-1B) and the Pt counter electrode (BAS Co.) were immersed, and the CV was set to an initial potential of −150 mV and a high potential of 500 mV using a potentiostat. The measurement was performed by sweeping in the positive direction at a low potential of -150 mV and a scan speed of 500 mV / sec. The potassium ferrocyanide was detected by performing CV measurement in a potassium ferrocyanide-containing measurement solution before and after hybridization, and calculating as a ratio of the peak current values. The current value at the same potential after hybridization, when the peak current value of the CV waveform before hybridization was 1, was calculated as a ratio. The results are shown in FIG. It is a graph of the potential-current at the time of CV measurement before and after hybridization with potassium ferrocyanide. The upper figure shows the case where the target nucleic acid does not exist, and the lower figure shows the case where the 10-7M target nucleic acid exists. When potassium ferrocyanide is used as a redox marker, the difference between the current values, particularly the decrease in the current value, indicates the amount of the target nucleic acid, so that measurement before and after hybridization is required.

(実施例3)PNAプローブおよびDNAプローブのバックグラウンド電流
裸金電極を酸素プラズマ装置で10mA、2分間プラズマ照射を行い、金電極表面を洗浄した。洗浄した金電極上に0.05%TFAに溶解した10μMのPNA(TTCAGTTATCACAGTACTGTA−o−Cys)(配列番号1)を10μL塗布し、25℃で30分間静置した。その後、超純水でPNAプローブ修飾金電極を洗浄した。また、プラズマ洗浄後の金電極上に0.05%TFAに溶解した10μMのDNA(TTCAGTTATCACAGTACTGTA−SH)(配列番号2)を10μL塗布し、25℃で30分間静置した。その後、超純水でDNAプローブ修飾金電極を洗浄した。両プローブ修飾金電極を50μMメチレンブルー+0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClO1mL中に浸し、5分静置した。その後0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClOで洗浄し、0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClO1mL中に水系参照電極(Ag/AgCl BAS社製 RE−1B)とPtカウンター電極(BAS社製)とともに浸し、ポテンショスタットを用いて、SWVの測定を初期電位0mVから終電位−500mVまで、ステップ電位5mV、パルス振幅50mV、周期20Hzの条件で行った。図4にPNAプローブおよびDNAプローブ修飾金電極をSWVで測定したバックグラウンド電流値を示した。図4において、上図がPNAプローブのバックグラウンド電流を測定した時の電位−電流のグラフを示し、下図がDNAプローブのバックグラウンド電流を測定した時の電位−電流のグラフを示す。縦軸は電流(nA)、横軸は電位(V)を示す。PNAプローブ修飾金電極のバックグラウンド電流値は4.55nAを示したが、DNAプローブ修飾金電極のバックグラウンド電流値は58.49nAを示し、約13倍のバックグラウンド値を示した。バックグラウンド値が小さければ数nA以下の電流値の違いを検出しやすいが、DNAプローブのようにバックグラウンド値が高すぎると、そこから数nA増加しても検出値がバックグラウンド値のばらつきに埋もれてしまい、検出感度の低下につながる。そこでDNAプローブよりもPNAプローブのほうが微量核酸の検出には適切であることが示された。
(Example 3) Background current of PNA probe and DNA probe The bare gold electrode was subjected to plasma irradiation for 2 minutes at 10 mA using an oxygen plasma apparatus to wash the surface of the gold electrode. On the washed gold electrode, 10 μL of 10 μM PNA (TTCAGTTATCACAGACTCTGTA-o-Cys) (SEQ ID NO: 1) dissolved in 0.05% TFA was applied, and allowed to stand at 25 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the PNA probe-modified gold electrode was washed with ultrapure water. Further, 10 μL of 10 μM DNA (TTCAGTTATCACAGTACTGTA-SH) (SEQ ID NO: 2) dissolved in 0.05% TFA was applied on the gold electrode after the plasma cleaning, and the mixture was allowed to stand at 25 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the DNA probe-modified gold electrode was washed with ultrapure water. Both probe-modified gold electrodes were immersed in 1 mL of 50 μM methylene blue + 0.25 mM phosphate buffer (sodium, pH 7.0) +0.5 mM NaClO 4 and allowed to stand for 5 minutes. Then 0.25mM phosphate buffer (sodium, pH 7.0) + 0.5 mM washed with NaClO 4, 0.25mM phosphate buffer (sodium, pH7.0) + 0.5mM NaClO 4 aqueous reference electrode in 1 mL (Ag / The sample was immersed together with AgCl BAS RE-1B) and a Pt counter electrode (BAS), and SWV was measured using a potentiostat from an initial potential of 0 mV to a final potential of -500 mV, a step potential of 5 mV, a pulse amplitude of 50 mV, and a cycle of 20 Hz. Was performed under the following conditions. FIG. 4 shows the background current value of the PNA probe and the DNA probe-modified gold electrode measured by SWV. In FIG. 4, the upper diagram shows a graph of potential-current when the background current of the PNA probe is measured, and the lower diagram shows a graph of potential-current when the background current of the DNA probe is measured. The vertical axis represents current (nA), and the horizontal axis represents potential (V). The background current value of the PNA probe-modified gold electrode was 4.55 nA, while the background current value of the DNA probe-modified gold electrode was 58.49 nA, which was about 13 times the background value. If the background value is small, it is easy to detect a difference in the current value of several nA or less, but if the background value is too high as in the case of a DNA probe, even if the background value is increased by several nA, the detected value will vary in the background value. It is buried and leads to a decrease in detection sensitivity. Therefore, it was shown that the PNA probe is more suitable for detecting a small amount of nucleic acid than the DNA probe.

(実施例4)PNAプローブへの核酸結合測定
裸金電極を酸素プラズマ装置で10mA、2分間プラズマ照射を行い、金電極表面を洗浄した。洗浄した金電極上に0.05%TFAに溶解した10μMのPNA(TTCAGTTATCACAGTACTGTA−o−Cys)(配列番号1)を10μL塗布し、25℃で30分間静置した。その後、超純水で洗浄し、1mMのHHTを金電極上に塗布し、25℃で30分間静置した。ハイブリダイゼーション前に1mM フェロシアン化カリウム+0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClO1mL中にPNAプローブおよびHHT修飾をした金電極、水系参照電極(Ag/AgCl BAS社製 RE−1B)とPtカウンター電極(BAS社製)を浸し、ポテンショスタットを用いて、CVを初期電位−150mV、高電位500mV、低電位−150mV、スキャン速度500mV/secで正方向の掃引により測定した。超純水で洗浄後、PNAプローブ、HHTを修飾した金電極上に、1×SSC(0.15M NaCl+0.015M クエン酸3ナトリウム)+20%DMSOに溶解した10−7〜10−10Mの標的核酸(UACAGUACUGUGAUAACUGAA)(配列番号3)溶液を10μL滴下し、40℃で40分ハイブリダイゼーションを行った。50℃の超純水100mL中で2分間、ハイブリダイゼーション後の金電極を洗浄した後、1mM フェロシアン化カリウム+0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClO 1mL中にハイブリダイゼーションを行った後の金電極、水系参照電極(Ag/AgCl BAS社製 RE−1B)とPtカウンター電極(BAS社製)を浸し、ポテンショスタットを用いて、CVを初期電位−150mV、高電位500mV、低電位−150mV、スキャン速度500mV/secで正方向の掃引により測定した。フェロシアン化カリウムの検出は、ハイブリダイゼーションの前後にフェロシアン化カリウム含有測定液中でCV測定を行い、そのピーク電流値の比として算出した。ハイブリダイゼーション前のCV波形のピーク電流値を1とした時のハイブリダイゼーション後の同一電位での電流値を比として算出した。
(Example 4) Measurement of nucleic acid binding to PNA probe The bare gold electrode was irradiated with plasma at 10 mA for 2 minutes using an oxygen plasma apparatus to wash the surface of the gold electrode. On the washed gold electrode, 10 μL of 10 μM PNA (TTCAGTTATCACAGACTCTGTA-o-Cys) (SEQ ID NO: 1) dissolved in 0.05% TFA was applied, and allowed to stand at 25 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the substrate was washed with ultrapure water, 1 mM HHT was applied on the gold electrode, and the plate was allowed to stand at 25 ° C. for 30 minutes. Before hybridization, a PNA probe and an HHT-modified gold electrode in 1 mL of 1 mM potassium ferrocyanide + 0.25 mM phosphate buffer (sodium, pH 7.0) +0.5 mM NaClO 4 , an aqueous reference electrode (Ag / AgCl BAS RE- 1B) and a Pt counter electrode (manufactured by BAS) were immersed, and the CV was measured using a potentiostat by sweeping in the positive direction at an initial potential of −150 mV, a high potential of 500 mV, a low potential of −150 mV, and a scan speed of 500 mV / sec. After washing with ultrapure water, a 10-7 to 10-10 M target dissolved in 1 × SSC (0.15 M NaCl + 0.015 M trisodium citrate) + 20% DMSO was placed on a gold electrode modified with a PNA probe and HHT. 10 μL of a nucleic acid (UACAGUACUGUGUAUACUGAA) (SEQ ID NO: 3) solution was added dropwise, and hybridization was performed at 40 ° C. for 40 minutes. After washing the gold electrode after hybridization in 100 mL of ultrapure water at 50 ° C. for 2 minutes, hybridization was performed in 1 mL of 1 mM potassium ferrocyanide + 0.25 mM phosphate buffer (sodium, pH 7.0) +0.5 mM NaClO 4. The gold electrode, the aqueous reference electrode (Ag / AgCl BAS Co., RE-1B) and the Pt counter electrode (BAS Co.) were immersed, and the CV was set to an initial potential of −150 mV and a high potential of 500 mV using a potentiostat. The measurement was performed by sweeping in the positive direction at a low potential of -150 mV and a scan speed of 500 mV / sec. The potassium ferrocyanide was detected by performing CV measurement in a potassium ferrocyanide-containing measurement solution before and after hybridization, and calculating as a ratio of the peak current values. The current value at the same potential after hybridization, when the peak current value of the CV waveform before hybridization was 1, was calculated as a ratio.

その後、0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClOで洗浄後、50μMメチレンブルー+0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClO 1mL中にハイブリダイゼーション後の電極を浸し、5分静置した。その後0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClOで洗浄し、0.25mMリン酸バッファ(ナトリウム、pH7.0)+0.5mM NaClO1mL中にハイブリダイゼーション後の金電極と水系参照電極(Ag/AgCl BAS社製 RE−1B)とPtカウンター電極(BAS社製)を浸し、ポテンショスタットを用いて、SWVの測定を初期電位0mVから終電位−500mVまで、ステップ電位5mV、パルス振幅50mV、周期20Hzの条件で行った。さらにCV測定を初期電位0mV、高電位0mV、低電位−500mV、スキャン速度500mV/secで負方向の掃引により測定した。本実験では、測定液中にメチレンブルーを入れてしまうと測定液中のメチレンブルーから生じる電子の授受と核酸に結合しているメチレンブルーからの電子の授受の区別がつかず、検出感度が低くなる可能性を考慮し、測定溶液中にメチレンブルーが存在しない条件下で測定を行った。 Thereafter, 0.25 mM phosphate buffer (sodium, pH 7.0) + 0.5 mM washed with NaClO 4, 50 [mu] M methylene blue + 0.25 mM phosphate buffer (sodium, pH7.0) + 0.5mM NaClO 4 post-hybridization in 1mL Was immersed and allowed to stand for 5 minutes. Then 0.25mM phosphate buffer (sodium, pH 7.0) + 0.5 mM washed with NaClO 4, 0.25mM phosphate buffer (sodium, pH7.0) + 0.5mM NaClO 4 1mL gold electrode after hybridization in And a water-based reference electrode (Ag / AgCl, RE-1B manufactured by BAS) and a Pt counter electrode (manufactured by BAS) are immersed. Using a potentiostat, SWV is measured from an initial potential of 0 mV to a final potential of -500 mV, and a step potential of 5 mV. , A pulse amplitude of 50 mV and a cycle of 20 Hz. Further, CV measurement was performed by sweeping in the negative direction at an initial potential of 0 mV, a high potential of 0 mV, a low potential of -500 mV, and a scan speed of 500 mV / sec. In this experiment, if methylene blue is added to the test solution, it may not be possible to distinguish between the transfer of electrons generated from methylene blue in the test solution and the transfer of electrons from methylene blue bound to nucleic acid, resulting in lower detection sensitivity. In consideration of the above, the measurement was performed under the condition that methylene blue was not present in the measurement solution.

結果を図5および図6に示す。図5は、フェロシアン化カリウムを酸化還元マーカーとした時の標的核酸濃度とピーク電流値比の関係を示すグラフであり、図6は、メチレンブルーを酸化還元マーカーとした時の標的核酸濃度とSWV測定のピーク電流値を示すグラフである。図5にピーク電流値の比(縦軸)と標的核酸濃度[M](横軸)の関係を示し、図6において、横軸は標的核酸濃度[M]、縦軸は電流値[nA]を示す。メチレンブルーは、負に帯電した酸化還元マーカーであるフェロシアン化カリウムに比べて検出下限濃度がおよそ1桁低く、10−9Mが検出可能であった。ダイナミックレンジも10−9〜10−7M以上と2桁以上の幅があった。本方法は、核酸がハイブリダイズすれば電流が流れるという仕組みから、ダイナミックレンジも広がり、分解能も細かく見られるようになった。また、バックグラウンドがほとんどないことから、ハイブリダイゼーションの前の測定を行わずに核酸の測定が行えることが示された。 The results are shown in FIGS. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the target nucleic acid concentration and the peak current value ratio when potassium ferrocyanide is used as the redox marker. FIG. 6 shows the target nucleic acid concentration and SWV measurement when methylene blue is used as the redox marker. It is a graph which shows a peak current value. FIG. 5 shows the relationship between the ratio of the peak current value (vertical axis) and the target nucleic acid concentration [M] (horizontal axis). In FIG. 6, the horizontal axis represents the target nucleic acid concentration [M], and the vertical axis represents the current value [nA]. Is shown. Methylene blue had a lower detection limit of about one digit lower than that of potassium ferrocyanide, a negatively charged redox marker, and was detectable at 10 −9 M. The dynamic range was 10 −9 to 10 −7 M or more, with a width of two digits or more. In this method, the dynamic range is widened and the resolution can be seen finely because the current flows when the nucleic acid hybridizes. Further, since there was almost no background, it was shown that nucleic acid measurement can be performed without performing measurement before hybridization.

Claims (11)

被検サンプル中の標的核酸の電気化学的検出方法であって、
核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のヌクレオ塩基からなるポリヌクレオ塩基プローブが導体に結合してなるポリヌクレオ塩基修飾電極と、被験サンプルを含有する液体組成物と、を接触させ、
前記核酸結合性酸化還元マーカーを前記ポリヌクレオ塩基修飾電極に接触させ、
前記ポリヌクレオ塩基修飾電極上の前記核酸結合性酸化還元マーカーの酸化還元反応による前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受を検出する、標的核酸の電気化学的検出方法。
A method for electrochemically detecting a target nucleic acid in a test sample,
A nucleic acid-binding redox marker, a polynucleobase-modified electrode formed by bonding a polynucleobase probe comprising a low-binding nucleobase to a conductor, and a liquid composition containing a test sample, and
The nucleic acid binding redox marker is brought into contact with the polynucleobase-modified electrode,
A method for electrochemically detecting a target nucleic acid, comprising detecting transfer of electrons to the polynucleobase-modified electrode by a redox reaction of the nucleic acid-binding redox marker on the polynucleobase-modified electrode.
前記ポリヌクレオ塩基プローブが、PNA又はMNAからなる、請求項1に記載の標的核酸の電気化学的検出方法。   The method for electrochemically detecting a target nucleic acid according to claim 1, wherein the polynucleobase probe comprises PNA or MNA. 前記核酸結合性酸化還元マーカーが、メチレンブルー、ビオロゲン類縁体、ルテニウム錯体またはコバルト錯体である、請求項1又は請求項2に記載の標的核酸の電気化学的検出方法。   3. The method for electrochemically detecting a target nucleic acid according to claim 1, wherein the nucleic acid binding redox marker is methylene blue, a viologen analog, a ruthenium complex or a cobalt complex. 前記導体が金電極である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の標的核酸の電気化学的検出方法。   The method for electrochemically detecting a target nucleic acid according to any one of claims 1 to 3, wherein the conductor is a gold electrode. 前記ポリヌクレオ塩基修飾電極のポリヌクレオ塩基プローブ非結合領域に核酸非結合性物質が結合している、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の標的核酸の電気化学的検出方法。   The method for electrochemically detecting a target nucleic acid according to any one of claims 1 to 4, wherein a nucleic acid non-binding substance is bound to a polynucleobase probe non-binding region of the polynucleobase-modified electrode. 前記核酸非結合性物質が、HHTである、請求項5に記載の標的核酸の電気化学的検出方法。   The method for electrochemically detecting a target nucleic acid according to claim 5, wherein the nucleic acid non-binding substance is HHT. 前記標的核酸が、DNA又はRNAである、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の標的核酸の電気化学的検出方法。   The method for electrochemically detecting a target nucleic acid according to any one of claims 1 to 6, wherein the target nucleic acid is DNA or RNA. 前記標的核酸がmiRNAである、請求項7に記載の標的核酸の電気化学的検出方法。   The method for electrochemically detecting a target nucleic acid according to claim 7, wherein the target nucleic acid is a miRNA. 前記核酸結合性酸化還元マーカーの前記酸化還元反応の測定が、ポテンショスタット又はガルバノスタットにより行われる、請求項8に記載の標的核酸の電気化学的検出方法。   The method for electrochemically detecting a target nucleic acid according to claim 8, wherein the measurement of the redox reaction of the nucleic acid-binding redox marker is performed using a potentiostat or a galvanostat. 前記核酸結合性酸化還元マーカーの前記酸化還元反応の測定が、ボルタンメトリー法(CVまたはSWV)又は交流インピーダンス法(EIS)により行われる、請求項9に記載の標的核酸の電気化学的検出方法。   The method for electrochemically detecting a target nucleic acid according to claim 9, wherein the measurement of the redox reaction of the nucleic acid-binding redox marker is performed by a voltammetry method (CV or SWV) or an alternating current impedance method (EIS). 被検サンプル中の標的核酸の電気化学的定量方法であって、
核酸結合性酸化還元マーカー低結合性のヌクレオ塩基からなるポリヌクレオ塩基プローブが導体に結合してなるポリヌクレオ塩基修飾電極と、被験サンプルを含有する液体組成物と、を接触させ、
前記核酸結合性酸化還元マーカーを前記ポリヌクレオ塩基修飾電極に接触させ、
前記ポリヌクレオ塩基修飾電極上の前記核酸結合性酸化還元マーカーの酸化還元反応による前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受のレベルを測定し、
検出された前記ポリヌクレオ塩基修飾電極への電子の授受のレベルより、前記被検サンプル中の前記標的核酸のレベルを算出する、標的核酸の電気化学的定量方法。
A method for electrochemical quantification of a target nucleic acid in a test sample, comprising:
A nucleic acid-binding redox marker, a polynucleobase-modified electrode formed by bonding a polynucleobase probe comprising a low-binding nucleobase to a conductor, and a liquid composition containing a test sample, and
The nucleic acid binding redox marker is brought into contact with the polynucleobase-modified electrode,
Measuring the level of electron transfer to the polynucleobase-modified electrode by a redox reaction of the nucleic acid binding redox marker on the polynucleobase-modified electrode,
A method for electrochemically quantifying a target nucleic acid, comprising calculating a level of the target nucleic acid in the test sample from a level of electron transfer to the polynucleobase-modified electrode detected.
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