講演者らの研究グループでは、電界効果トランジスタ(Field
Effect Transistor, FET)を用いた生体分子認識検出デバイス（バイオトランジスタ）の研究を行っており、これを基盤に遺伝子多型解析及びDNAシーケンシング技術を開発している。電界効果トランジスタのゲート絶縁膜表面にオリゴヌクレオチドプローブを固定化し、参照電極と共に溶液中に浸漬する。相補的DNAを含有する試料溶液を導入するとハイブリダイゼーションによりゲート上で二本鎖DNAが形成される。DNA分子は水溶液中でリン酸イオンに起因する負の電荷を有しているため、ゲート絶縁膜表面のDNA分子の電荷密度変化に応答してシリコン表面（チャネル）の電子密度が変化する。この原理に基づき、アレル特異的ハイブリダイゼーション、インターカレーション、プライマー伸長反応などの分子認識プロセスをゲート上で行わせ、生体分子の特異的反応を非標識で検出できることを確認している。このうちプライマー伸長反応では、ハイブリダイゼーション後にゲート表面にDNAポリメラーゼ、基質dNTPを導入して合成反応を行わせ、伸長した分のポリヌクレオチドに基づく電荷の増加分を検出する。オリゴヌクレオチドプローブの末端がSNPサイトになるように塩基配列を設計することにより一塩基多型解析を行うことができる。3’末端のSNP部位が相補鎖結合していれば伸長反応により塩基が合成され、ミスマッチであれば伸長反応は起こらない。伸長反応により合成された負電荷の増加分を検出することによりSNP部位の塩基の違いを識別することができ、SNPタイピングが可能であることがわかった。ゲート絶縁膜上でのプライマー伸長反応において、dATP, dGTP, dCTP, dTTPをそれぞれ別々にTaq
DNAポリメラーゼとともに順次添加し、バイオトランジスタのしきい値電圧変化を測定した。ターゲットDNAの塩基と相補的であれば一塩基伸長反応により一塩基のみ合成され、相補的でなければ合成反応は起こらない。したがって４種類の塩基を順次添加した後のそれぞれのしきい値電圧の変化を測定すれば、ターゲットDNAの未知の塩基配列を知ることができる。加えた塩基がターゲットDNAの塩基と相補的な場合、一塩基伸長により4mV程度のしきい値電圧変化が得られ、相補的でない場合にはしきい値電圧はほとんど変化しないことを確認した。これよりバイオトランジスタを用いて一塩基伸長反応を検出することができ、これを繰り返し行うことでDNAシーケンシング解析を行うことができること示した。本講演ではバイオトランジスタを用いたDNAシーケンスの例、及び細胞解析への応用についても報告する。
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