JP7546345B2 - Methods, compositions and devices for information storage - Patents.com - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
本願は、2016年2月29日に出願された米国仮特許出願第62/301,538号、および2016年10月31日に出願された同第62/415,430号に対する優先権を主張し、これらの各内容は参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/301,538, filed February 29, 2016, and No. 62/415,430, filed October 31, 2016, the contents of each of which are incorporated herein by reference in their entirety.
分野
本発明は、ポリマー(例えば核酸)を合成および配列決定するナノポアデバイスを用いた、情報の保存および取り出しに有用な新規の方法、組成物およびデバイスに関する。
FIELD The present invention relates to novel methods, compositions and devices useful for storing and retrieving information using nanopore devices that synthesize and sequence polymers, such as nucleic acids.
今まで以上に多いデータを、今まで以上に小さいが、その容量はより大きい保存デバイスを用いて、物理媒体上または物理媒体内に保存するという継続的な要望がある。保存されるデータの量は2年毎に2倍のサイズになることが報告されており、ある研究によると、2020年までに我々が作製およびコピーするデータの量は年間44ゼタバイト、即ち44兆ギガバイトに達する。さらに、既存のデータ記憶媒体(ハードドライブ、光学式メディアおよび磁気テープなど)は相対的に不安定であり、長期保存後に破損する。 There is a continuing desire to store ever more data on or in physical media using ever smaller, but larger capacity, storage devices. It has been reported that the amount of data stored doubles in size every two years, and one study predicts that by 2020, the amount of data we create and copy will reach 44 zettabytes, or 44 trillion gigabytes, per year. Furthermore, existing data storage media (such as hard drives, optical media, and magnetic tape) are relatively unstable and will break down after long-term storage.
長期間(例えば数十年または数百年)大容量のデータを保存するための代替の手法が緊急に必要とされている。 Alternative methods for storing large amounts of data for long periods of time (e.g., decades or centuries) are urgently needed.
DNAを用いてデータを保存することが提案されている。DNAは極めて安定であり、理論上は膨大なデータをコードでき、非常に長期間データを保存できる。例えば、Bancroft, C., et al., Long-Term Storage of Information in DNA, Science (2001) 293: 1763-1765を参照のこと。さらに、保存媒体としてのDNAは従来のデジタル保存媒体のセキュリティリスクの影響を受けない。しかし、この着想を実行するための実用的な手法はない。 It has been proposed to use DNA to store data. DNA is extremely stable and can theoretically encode vast amounts of data, allowing data to be stored for very long periods of time. See, for example, Bancroft, C., et al., Long-Term Storage of Information in DNA, Science (2001) 293: 1763-1765. Furthermore, DNA as a storage medium is not subject to the security risks of traditional digital storage media. However, there are no practical methods to implement this idea.
例えば、WO2014/014991はDNAオリゴヌクレオチド上にデータを保存する方法を記述し、ここで情報は1つのヌクレオチドを1ビットとするバイナリ形式で、96ビット(96ヌクレオチド)のデータブロック、19ヌクレオチドのアドレス配列、並びに増幅および配列決定のための隣接配列を用いてコードされている。次いでコードは、配列をPCRを用いて増幅し、高速シークエンサー(Illumina HiSeq装置など)を用いて配列決定することによって読み取られる。その後、データブロック配列がアドレスタグを用いて正しい順序で配置され、アドレス配列および隣接配列が除去され、配列データがバイナリコードに翻訳される。このような手法にはかなりの制約がある。例えば、96ビットのデータブロックは(1文字毎またはスペース毎に従来の1バイトまたは8ビットを用いて)12文字しかコードできない。「ハウスキーピングな」情報に対する保存されている有用な情報の割合が低く、約40%の配列情報がアドレスおよび隣接DNAに使われる。該明細書は、54,898個のオリゴヌクレオチドを用いて一冊の本をコードすることを記述している。オリゴヌクレオチドを合成するのに使用されている、インクジェット印刷される高忠実度のDNAマイクロチップはオリゴのサイズを制限した(記述された159ヌクレオチド長が上限であった)。さらに、オリゴヌクレオチドの読み取りは増幅および単離を必要とし、これはエラーのさらなる可能性を導入する。WO2004/088585A2;WO03/025123A2;C. BANCROFT: "Long-Term Storage of Information in DNA", Science (2001) 293 (5536): 1763c-1765; COX J P L: "Long-term data storage in DNA", Trends in Biotechnology (2001)19(7): 247-250も参照のこと。 For example, WO2014/014991 describes a method for storing data on DNA oligonucleotides, where the information is coded in binary format with one nucleotide per bit, using a 96-bit (96 nucleotide) data block, a 19 nucleotide address sequence, and flanking sequences for amplification and sequencing. The code is then read by amplifying the sequence using PCR and sequencing it using a high-speed sequencer (such as an Illumina HiSeq instrument). The data block sequences are then placed in the correct order using the address tags, the address sequence and flanking sequences are removed, and the sequence data is translated into a binary code. Such an approach has significant limitations. For example, a 96-bit data block can code only 12 characters (using the conventional 1 byte or 8 bits per character or space). The ratio of useful information stored to "housekeeping" information is low, with about 40% of the sequence information being used for the address and flanking DNA. The specification describes coding a book using 54,898 oligonucleotides. The high-fidelity inkjet-printed DNA microchips used to synthesize oligonucleotides limited the size of the oligos (the described length of 159 nucleotides was the upper limit). Furthermore, reading the oligonucleotides requires amplification and isolation, which introduces further possibilities for error. See also WO2004/088585A2; WO03/025123A2; C. BANCROFT: "Long-Term Storage of Information in DNA", Science (2001) 293 (5536): 1763c-1765; COX J P L: "Long-term data storage in DNA", Trends in Biotechnology (2001)19(7): 247-250.
25年間以上認識されているように、DNAの潜在的な情報密度および安定性は、DNAをデータ保存のための魅力的な媒体にしているが、大量のデータをこの形式で書き込み、読み取るための実用的な手法は未だない。 As has been recognized for over 25 years, the potential information density and stability of DNA makes it an attractive medium for data storage, but there are still no practical techniques for writing and reading large amounts of data in this format.
我々は、核酸配列を合成するナノ流体システムおよび配列を読み取るナノポアリーダーを用いた、核酸保存のための新規な手法を開発した。我々の手法は、数百、数千または数数百万塩基長のDNA鎖の合成、保存および読み取りを可能にする。配列が長いため、情報密度が上述の手法よりもはるかに高くなるように、相対的に小さな割合の配列のみが同定情報に使われる。さらに、いくつかの実施態様において、合成された核酸はナノチップ上の特定の位置を有し、従って配列は同定情報なしで特定され得る。ナノチャンバーにおいて実行される配列決定は非常に迅速であり、ナノポアを介した配列の読み取りは極めて迅速であり得、最大で1秒毎に百万塩基の桁数であり得る。2種類の塩基のみを必要とするため、この配列決定は、4種類の塩基(アデニン、チミン、シトシン、グアニン)間を区別しなければならない配列決定の手段よりも迅速かつ正確であり得る。特定の実施態様において、2つの塩基は互いに対にならず、二次構造を形成せず、異なるサイズのものである。例えばこの目的のために、アデニンとシトシンは、ハイブリダイズする傾向があるアデニンとチミン、または類似のサイズであるアデニンとグアニンより良好である。 We have developed a novel approach for nucleic acid storage using a nanofluidic system to synthesize nucleic acid sequences and a nanopore reader to read the sequences. Our approach allows the synthesis, storage and reading of DNA strands hundreds, thousands or millions of bases long. Because the sequences are long, only a relatively small percentage of the sequence is used for identification information, so that the information density is much higher than in the above-mentioned approaches. Furthermore, in some embodiments, the synthesized nucleic acid has a specific location on the nanochip, so the sequence can be identified without identification information. Sequencing performed in the nanochamber is very rapid, and reading the sequence through the nanopore can be extremely rapid, up to the order of a million bases per second. Since only two types of bases are required, this sequencing can be more rapid and accurate than sequencing means that must distinguish between four types of bases (adenine, thymine, cytosine, guanine). In certain embodiments, the two bases do not pair with each other, do not form secondary structures, and are of different sizes. For example, for this purpose, adenine and cytosine are better than adenine and thymine, which tend to hybridize, or adenine and guanine, which are similar sizes.
いくつかの実施態様において、このシステムはデータをコードする長いポリマーを合成するのに使用され得、このポリマーは増幅および/または放出され得、次いで異なるシークエンサー上で配列決定され得る。他の実施態様において、該システムはカスタムDNA配列を提供するために使用され得る。さらなる他の実施態様において、該システムはDNA配列を読み取るために使用され得る。 In some embodiments, the system can be used to synthesize long polymers that encode data, which can be amplified and/or released and then sequenced on a different sequencer. In other embodiments, the system can be used to provide custom DNA sequences. In yet other embodiments, the system can be used to read DNA sequences.
ある実施態様において使用されるナノチップは、少なくとも1つのナノポアによって連結されている少なくとも2つの別々の反応区画を含み、これは少なくともいくつかの成分が混合するのを妨げるが、DNAまたは他の荷電ポリマー(例えばRNAまたはペプチド核酸(PNA))の単一の分子のみを、ある反応区画から別の反応区画に制御可能な様式で通過させる。ポリマー(またはモノマーが付加されたポリマーの少なくとも末端)のある区画から別の区画への移行は、例えば大きすぎるために、または、基板または嵩高い部分に係留されているためにナノポアの通過を妨げられる酵素を使用して、ポリマーに連続的な操作/反応(塩基の付加など)を行うことを可能にする。ナノポアセンサーは、ポリマーの移動または位置およびその状態、例えばその配列や、試みた反応が成功したか否かを、折り返し報告する。これはデータを書き込み、保存し、読み取ることを可能にし、例えば、ここで、塩基配列は機械可読コード(例えば各塩基または塩基の群が1または0に対応する、バイナリコード)に対応する。 The nanochip used in one embodiment contains at least two separate reaction compartments linked by at least one nanopore, which prevents at least some components from mixing, but allows only single molecules of DNA or other charged polymers (e.g. RNA or peptide nucleic acid (PNA)) to pass in a controllable manner from one reaction compartment to another. The transfer of the polymer (or at least the end of the polymer with added monomers) from one compartment to another allows for successive manipulations/reactions (e.g. addition of bases) to be performed on the polymer, e.g. using enzymes that are prevented from passing through the nanopore because they are too large or because they are anchored to a substrate or bulky moiety. The nanopore sensor reports back on the movement or location of the polymer and its status, e.g. its sequence and whether an attempted reaction was successful or not. This allows data to be written, stored and read, e.g. where the base sequence corresponds to a machine-readable code (e.g. a binary code where each base or group of bases corresponds to a 1 or 0).
従って、本発明は特に以下の実施態様を含む。
・少なくとも2つの異なるモノマーを含む荷電ポリマー(例えばDNA)の合成のためのナノチップ、ここで該ナノチップは1以上のナノポアによって分離されている2以上の反応チャンバーを含み、各反応チャンバーは、電解液、荷電ポリマーをチャンバー内に引き込むための1以上の電極、および、モノマーまたはオリゴマーのポリマーへの付加を促進する1以上の試薬を含む。ナノチップは、場合により、DNAをガイドし、運び、かつ/または制御する機能的要素と共に構成され得、場合によりDNAの円滑な流れを可能とするように、またはDNAに結合するように選択された物質で被覆または作成されていてもよく、ナノポアに近接した電極を提供および制御するナノ回路要素を含み得る。例えば、1以上のナノポアは、場合によりそれぞれが、ナノポアを通したポリマーの移動を制御でき、かつ/または、ナノポアとポリマーの境界面における電位、電流、抵抗または静電容量の変化を検出できる電極に結合していてもよく、それにより、ポリマーが1以上のナノポアを通過する際にその配列を検出し得る。特別な実施態様では、ポリメラーゼまたは部位特異的リコンビナーゼを用いてオリゴマーが合成される。いくつかの実施態様では、ポリマーは合成中に配列決定され、検出および場合により誤りの修正を可能にする。いくつかの実施態様では、かくして得られたポリマーはナノチップ上に保存され、ポリマーの配列中にコードされた情報にアクセスすることが望まれるときに配列決定され得る。
Thus, the present invention specifically includes the following embodiments:
- A nanochip for the synthesis of charged polymers (e.g., DNA) containing at least two different monomers, where the nanochip includes two or more reaction chambers separated by one or more nanopores, each reaction chamber including an electrolyte, one or more electrodes for drawing the charged polymer into the chamber, and one or more reagents for facilitating the addition of monomers or oligomers to the polymer. The nanochip may optionally be configured with functional elements to guide, convey, and/or control the DNA, and may optionally be coated or fabricated with a material selected to allow smooth flow of the DNA or to bind to the DNA, and may include nanocircuit elements to provide and control electrodes in close proximity to the nanopore. For example, one or more nanopores may each optionally be coupled to an electrode capable of controlling the movement of the polymer through the nanopore and/or detecting changes in potential, current, resistance, or capacitance at the nanopore-polymer interface, thereby detecting the sequence of the polymer as it passes through one or more nanopores. In a particular embodiment, the oligomers are synthesized using a polymerase or a site-specific recombinase. In some embodiments, the polymers are sequenced during synthesis, allowing for the detection and possibly correction of errors. In some embodiments, the polymers thus obtained can be stored on the nanochip and sequenced when it is desired to access the information encoded in the polymer's sequence.
・上記のナノチップを用いて、ポリマー、例えばDNAを合成する方法。
・配列が本質的にハイブリダイズしないヌクレオチド、例えばアデニンおよびシトシンヌクレオチド(AおよびC)のみからなり、例えばデータ保存の方法における使用のために、バイナリコードに対応する順番で配列されている一本鎖DNA分子。
・バイナリコードに対応する一連のヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA、ここで、二本鎖DNAはさらに含む
・ナノポアシークエンサーを使用することを含む、DNAにコードされたバイナリコードを読み取る方法。
・上記ナノチップを用いて、少なくとも2つの異なるモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAを作成する、データ保存の方法およびそのためのデバイス、ここで、該モノマーはバイナリコードに対応する順番で配列される。
- A method of synthesizing polymers, such as DNA, using the nanotips described above.
- A single-stranded DNA molecule whose sequence consists essentially of non-hybridizing nucleotides, such as adenine and cytosine nucleotides (A and C), arranged in an order corresponding to a binary code, for use, for example, in methods of data storage.
- Double-stranded DNA comprising a series of nucleotide sequences corresponding to a binary code, where the double-stranded DNA further comprises - A method of reading a binary code encoded in DNA comprising using a nanopore sequencer.
A method and device for data storage using the nanochip to create a charged polymer, such as DNA, containing at least two different monomers, where the monomers are arranged in an order that corresponds to a binary code.
本発明の適用性のさらなる態様および範囲は、以下に提供される詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明および特定の実施例は好ましい実施態様を示すが、説明のみを目的とし、本発明の範囲を限定することを意図しないことが理解されるべきである。 Further aspects and scope of applicability of the present invention will become apparent from the detailed description provided below. It should be understood that the detailed description and specific examples, while indicating preferred embodiments, are for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the invention.
本発明は、詳細な説明および添付の図面からより十分に理解される。
以下の好ましい実施態様の説明は本来単なる例示であり、いかなる方法においても本発明、その出願または使用を限定することを意図しない。 The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention, its applications, or uses in any manner.
あらゆる箇所で使用される場合において、範囲は範囲内のあらゆる値を記載するための省略表現として使用される。範囲内のあらゆる値が範囲の終端として選択され得る。さらに、本明細書において引用される全ての参考文献は、参照されることによってその全体が本明細書に組み込まれる。本開示における定義と引用された参考文献の定義における矛盾の場合、本開示が支配する。 Wherever used, ranges are used as shorthand for describing any value within the range. Any value within the range may be selected as an end point of the range. Additionally, all references cited herein are incorporated by reference in their entirety. In the event of a conflict between a definition in this disclosure and a definition in a cited reference, the present disclosure controls.
他に明記されない限り、本明細書および本明細書の他の場所において表される全ての割合および量は、重量による割合を指すものとして理解されるべきである。所定の量は、物質の有効な重量に基づく。 Unless otherwise specified, all percentages and amounts expressed herein and elsewhere herein should be understood to refer to percentages by weight. The amounts given are based on the effective weight of the material.
本明細書における「ナノチップ」はナノ流体デバイスを指し、これは流体を含む複数のチャンバーおよび場合により流体の流動を可能にするチャンネルを含み、ここでナノチップの特徴(例えばチャンバーを互いに分離する要素の幅)の限界寸法は、1原子から10ミクロンの厚さであり、例えば1ミクロン(例えば0.01~1ミクロン)よりも小さい。ナノチップにおける物質の流動は電極によって調節され得る。例えば、DNAおよびRNAは負に帯電しているため、これらは正に荷電した電極に引き寄せられる。例えば、Gershow, M, et al., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore, Nat Nanotechnol. (2007) 2(12): 775-779を参照のこと、これは参照によって本明細書に組み込まれる。流体の流動は場合により、ゲート要素によって、そして、流体をナノチップ内部または外部へ流し、注入し、かつ/または吸引することによっても調節され得る。この系は、核酸(DNA/RNA)の正確な多重分析ができる。ある実施態様において、ナノチップはシリコン材料(例えば二酸化ケイ素または窒化ケイ素)で作製され得る。窒化ケイ素(例えばSi3N4)は化学的に相対的に不活性であり、わずか数nmの厚さの場合でさえ、水およびイオンの拡散に対して有効な障壁を与えるため、この目的のために特に望ましい。二酸化ケイ素は化学修飾するのに優れた表面であるため、(本明細書の実施例で使用されるように)二酸化ケイ素もまた有用である。あるいは、ある実施態様において、ナノチップは、単一分子と同程度の薄さのシートを形成できる材料(単層材料とも呼ばれる)で全体的または部分的に作製されてもよい(例えばグラフェン(例えばHeerema, SJ, et al, Graphene nanodevices for DNA sequencing, Nature Nanotechnology (2016) 11: 127-136; Garaj S et al., Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane, Nature (2010) 467 (7312), 190-193に記載され、各内容は参照によって本明細書に組み込まれる)または例えば二硫化モリブデン(MoS2)(Feng, et al., Identification of single nucleotides in MoS2 Nanopores, Nat Nanotechnol. (2015) 10(12):1070-1076に記載され、この内容は参照によって本明細書に組み込まれる)もしくは窒化ホウ素(Gilbert, et al. Fabrication of Atomically Precise Nanopores in Hexagonal Boron Nitride, eprint arXiv:1702.01220 (2017)に記載されている)などの遷移金属ジカルコゲナイド)。 "Nanochip" herein refers to a nanofluidic device that includes multiple chambers containing fluids and optionally channels that allow fluid flow, where the critical dimensions of the nanochip features (e.g., width of elements separating chambers from one another) are between 1 atom and 10 microns thick, e.g., less than 1 micron (e.g., 0.01-1 micron). The flow of materials in the nanochip can be regulated by electrodes. For example, DNA and RNA are negatively charged, so they are attracted to positively charged electrodes. See, e.g., Gershow, M, et al., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore, Nat Nanotechnol. (2007) 2(12): 775-779, which is incorporated herein by reference. The flow of fluids can also be optionally regulated by gating elements and by flowing, injecting, and/or aspirating fluids into or out of the nanochip. This system allows for accurate multiplex analysis of nucleic acids (DNA/RNA). In some embodiments, the nanotip can be made of a silicon material (e.g., silicon dioxide or silicon nitride ). Silicon nitride (e.g., Si3N4 ) is particularly desirable for this purpose because it is relatively chemically inert and provides an effective barrier to the diffusion of water and ions even at a thickness of only a few nm. Silicon dioxide is also useful (as used in the examples herein) because it is an excellent surface for chemical modification. Alternatively, in certain embodiments, the nanotip may be fabricated in whole or in part from a material capable of forming sheets as thin as a single molecule (also referred to as a monolayer material) such as graphene (described, for example, in Heerema, SJ, et al, Graphene nanodevices for DNA sequencing, Nature Nanotechnology (2016) 11: 127-136; Garaj S et al., Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane, Nature (2010) 467 (7312), 190-193, the contents of each of which are incorporated herein by reference) or molybdenum disulfide ( MoS2 ) (described, for example, in Feng, et al., Identification of single nucleotides in MoS2 Nanopores, Nat Nanotechnol. (2015) 10(12):1070-1076, the contents of which are incorporated herein by reference) or boron nitride (Gilbert, et al. Fabrication of Atomically Transition metal dichalcogenides, such as those described in Precise Nanopores in Hexagonal Boron Nitride, eprint arXiv:1702.01220 (2017).
いくつかの実施態様において、ナノチップは相対的に堅く、不活性であるそのような単層材料(例えばMoS2などの少なくともグラフェンと同程度に不活性で堅い単層材料)を含む。単層材料は、例えばナノポアを含む膜の全部または一部として使用され得る。ナノチップは金属と共に部分的に一列に並べられ得る(例えば、壁は層状にされ得(例えば金属-窒化ケイ素-金属)、次いで核酸が起電力によってナノポアを通って前後に移動でき、ナノポアを通過した際の電位の変化を測定することによって配列決定され得るように、金属はナノポアの付近に制御可能な電極対を与えるように配置される)。 In some embodiments, the nanotip comprises such a monolayer material that is relatively stiff and inert (e.g., a monolayer material that is at least as inert and stiff as graphene, such as MoS2 ). The monolayer material can be used, for example, as all or part of a membrane that includes a nanopore. The nanotip can be partially lined with a metal (e.g., the walls can be layered (e.g., metal-silicon nitride-metal) and then the metal is positioned to provide a controllable electrode pair in the vicinity of the nanopore such that the nucleic acid can be moved back and forth through the nanopore by electromotive forces and sequenced by measuring the change in potential as it passes through the nanopore).
DNAを配列決定するナノチップナノ流体デバイスは一般的に知られており、例えば、Li, J., et al, Solid-state nanopore for detecting individual biopolymers, Methods Mol Biol. (2009)544:81-93; Smeets RM, et al. Noise in solid-state nanopores, PNAS (2008)105(2):417-21; Venta K, et al., Differentiation of short, single-stranded DNA homopolymers in solid-state nanopores, ACS Nano. (2013)7(5):4629-36; Briggs K, et al. Automated fabrication of 2-nm solid-state nanopores for nucleic acid analysis, Small (2014)10(10):2077-86;およびChen Z, DNA translocation through an array of kinked nanopores, Nat Mater. (2010)9(8):667-75に記載され、例えばナノポアを含むナノチップの設計および製造に対する教示のために、各内容の全体が参照によって本明細書に組み込まれる。 Nanotip nanofluidic devices for sequencing DNA are generally known, see, e.g., Li, J., et al, Solid-state nanopore for detecting individual biopolymers, Methods Mol Biol. (2009)544:81-93; Smeets RM, et al. Noise in solid-state nanopores, PNAS (2008)105(2):417-21; Venta K, et al., Differentiation of short, single-stranded DNA homopolymers in solid-state nanopores, ACS Nano. (2013)7(5):4629-36; Briggs K, et al. Automated fabrication of 2-nm solid-state nanopores for nucleic acid analysis, Small (2014)10(10):2077-86; and Chen Z, DNA translocation through an array of kinked nanopores, Nat Mater. (2010) 9(8):667-75, the entire contents of each of which are incorporated herein by reference for their teachings on the design and fabrication of nanochips, e.g., containing nanopores.
本明細書における「ナノポア」は、1ミクロン未満の直径(例えば2~20nmの直径、例えば2~5nmのオーダー)を有するポアである。一本鎖DNAは2nmのナノポアを通過できる;一本鎖または二本鎖DNAは4nmのナノポアを通過できる。非常に小さいナノポア(例えば2~5nm)を有することは、DNAは通過できるが、より大きなタンパク質酵素は通過できず、これによってDNA(または他の荷電ポリマー)の制御された合成を可能にする。より大きなナノポア(またはより小さなタンパク質酵素)を使用する場合、タンパク質酵素がナノポアを通過することを妨げる基質(例えばより大きなタンパク質などのより大きな分子、ビーズまたはチャンバー内の表面)にタンパク質酵素をコンジュゲートさせてもよい。種々のナノポアが公知である。例えば、生物学的ナノポアは膜(脂質二重膜など)中のポア形成タンパク質の会合によって形成される。例えば、α-ヘモリジンおよび類似のタンパク質ポアが細胞膜中において天然に見出されており、これらはイオンまたは分子を細胞内および細胞外に輸送するチャネルとして働き、このようなタンパク質はナノチャネルとして別の目的で使用され得る。固体のナノポアは、例えばフィードバック制御された低エネルギーイオンビームスカルプティング(IBS)または高エネルギー電子ビーム照射を用いて、例えば合成膜に穴を形成することによって、合成材料(窒化ケイ素またはグラフェンなど)において形成される。ハイブリッドのナノポアは、ポア形成タンパク質を合成材料中に埋め込むことによって作製され得る。金属表面または電極がナノポアの両末端または両側にある場合、ナノポアに沿った電流が電解質媒体を介してナノポアを通って確立され得る。電極は、あらゆる伝導性材料(例えば銀、金、白金、銅、二酸化チタン、例えば塩化銀で被覆された銀)で作製され得る。 A "nanopore" herein is a pore having a diameter of less than 1 micron (e.g., 2-20 nm diameter, e.g., on the order of 2-5 nm). Single-stranded DNA can pass through a 2 nm nanopore; single- or double-stranded DNA can pass through a 4 nm nanopore. Having a very small nanopore (e.g., 2-5 nm) allows the passage of DNA but not larger protein enzymes, thereby allowing for controlled synthesis of DNA (or other charged polymers). When using larger nanopores (or smaller protein enzymes), the protein enzyme may be conjugated to a substrate (e.g., a larger molecule such as a larger protein, a bead, or a surface within the chamber) that prevents the protein enzyme from passing through the nanopore. Various nanopores are known. For example, biological nanopores are formed by the association of pore-forming proteins in a membrane (such as a lipid bilayer). For example, α-hemolysin and similar protein pores are naturally found in cell membranes, which act as channels to transport ions or molecules into and out of cells, and such proteins can be repurposed as nanochannels. Solid-state nanopores are formed in synthetic materials (such as silicon nitride or graphene) by, for example, forming holes in synthetic membranes using, for example, feedback-controlled low-energy ion beam sculpting (IBS) or high-energy electron beam irradiation. Hybrid nanopores can be made by embedding pore-forming proteins in synthetic materials. If metal surfaces or electrodes are at either or both ends of the nanopore, a current along the nanopore can be established through the nanopore via the electrolyte medium. The electrodes can be made of any conductive material (e.g., silver, gold, platinum, copper, titanium dioxide, silver coated with, for example, silver chloride).
固体(窒化ケイ素、膜)においてナノポアを形成する方法は公知である。ある手法において、シリコン基板を膜材料(例えば窒化ケイ素)で被覆し、膜の全体の形状をフォトリソグラフィーおよびウェット化学エッチングを用いて作成し、ナノチップに組み込むのに望ましいサイズ(例えば約25x25ミクロン)の窒化ケイ素膜を与える。最初の0.1ミクロンの直径の穴または空洞を窒化ケイ素膜に集束イオンビーム(FIB)を用いて開ける。イオンビームスカルプティングは、より大きなポアを収縮させること(例えばイオンビームによって誘導される膜表面上の横方向の質量輸送によって)、または空洞が最終的につながったときに縁の鋭いナノポアとなるように、膜材料を反対側からの空洞を含む膜の平坦面からイオンビームスカルプティングによって層ごとに除去することのいずれかによってナノポアを形成し得る。イオンビームの露光が消えると、ポアを通って伝達されるイオン電流は、所望のポアのサイズに適している。例えば、Li, J., et al., Solid-state nanopore for detecting individual biopolymers, Methods Mol Biol. (2009)544:81-93参照のこと。あるいはナノポアは、TEMにおける高エネルギー(200~300keV)電子ビーム照射を用いて形成され得る。半導体加工技術、電子ビームリソグラフィー、SiO2マスク層の反応性イオンエッチングおよびSiの異方性KOHエッチングを用いて、ピラミッド形の20x20nmおよびそれよりも大きいポアを40nmの厚さの膜に作成する。TEMにおける電子ビームを用いて、より大きい20nmのポアをより小さいポアに縮小する。TEMは縮小する過程をリアルタイムで観察することを可能にする。より薄い膜(例えば<10nmの厚さ)を用いて、ナノポアはTEMにおける高エネルギー集束電子ビームで穿孔され得る。一般的に、Storm AJ, et al. Fabrication of solid-state nanopores with single-nanometre precision. Nature Materials (2003) 2:537-540; Storm AJ, et al. Translocation of double-stranded DNA through a silicon oxide nanopore. Phys. Rev. E (2005)71:051903; Heng JB, et al. Sizing DNA Using a Nanometer-Diameter Pore. Biophys. J (2004) 87(4):2905-11を参照すること、ここで各内容は参照によって本明細書に組み込まれる。 Methods for forming nanopores in solids (silicon nitride, membranes) are known. In one approach, a silicon substrate is coated with the membrane material (e.g., silicon nitride) and the overall shape of the membrane is created using photolithography and wet chemical etching to give a silicon nitride membrane of the desired size (e.g., about 25x25 microns) for incorporation into a nanochip. An initial 0.1 micron diameter hole or cavity is drilled in the silicon nitride membrane using a focused ion beam (FIB). Ion beam sculpting can form the nanopores either by shrinking the larger pores (e.g., by lateral mass transport on the membrane surface induced by the ion beam) or by removing membrane material layer by layer from the flat surface of the membrane containing the cavities from the opposite side, such that when the cavities are finally connected, they become sharp-edged nanopores. When the ion beam exposure is turned off, the ion current transmitted through the pores is appropriate for the size of the desired pore. See, e.g., Li, J., et al., Solid-state nanopore for detecting individual biopolymers, Methods Mol Biol. (2009)544:81-93. Alternatively, nanopores can be formed using high energy (200-300 keV) electron beam irradiation in a TEM. Using semiconductor processing techniques, electron beam lithography, reactive ion etching of SiO2 mask layers, and anisotropic KOH etching of Si, pyramidal shaped 20x20 nm and larger pores are created in 40 nm thick membranes. Using an electron beam in a TEM, the larger 20 nm pores are reduced to smaller pores. The TEM allows the reduction process to be observed in real time. With thinner membranes (e.g., <10 nm thick), nanopores can be drilled with a high energy focused electron beam in a TEM. See generally Storm AJ, et al. Fabrication of solid-state nanopores with single-nanometre precision. Nature Materials (2003) 2:537-540; Storm AJ, et al. Translocation of double-stranded DNA through a silicon oxide nanopore. Phys. Rev. E (2005)71:051903; Heng JB, et al. Sizing DNA Using a Nanometer-Diameter Pore. Biophys. J (2004) 87(4):2905-11, the contents of each of which are incorporated herein by reference.
他の実施態様において、Kwok, et al., "Nanopore Fabrication by Controlled Dielectric Breakdown," PLOS ONE (2014) 9(3): e92880に記載される(この内容は参照によって本明細書に組み込まれる)ように、ナノポアは、膜の比較的高い電位差を利用して、誘電破壊によって作製され、ここで電流が検出されるまで電位を上昇させる。 In another embodiment, nanopores are created by dielectric breakdown using a relatively high potential difference across the membrane, where the potential is increased until a current is detected, as described in Kwok, et al., "Nanopore Fabrication by Controlled Dielectric Breakdown," PLOS ONE (2014) 9(3): e92880, the contents of which are incorporated herein by reference.
これらの技術を用いて、かつ当然だが使用される実際の技術並びに膜の厚さおよび実際の組成に依存して、窒化ケイ素などの固体材料におけるナノポアの全体の形状は、最も狭い点(即ち実際のナノポア)で先端が一体となっている2つの漏斗に大まかに似ていてもよい。そのような一対の円錐の形状は伝導性であり、ナノポアを介してポリマーを出入りさせる。イメージング技術(例えば原子間力顕微鏡(AFM)または透過型電子顕微鏡(TEM)、特にTEM)が、ナノ膜(nanomembrane)のサイズ、位置および形状、FIBの穴または空洞、並びに最終的なナノポアを検証および測定するのに使用され得る。 With these techniques, and depending of course on the actual technique used and the thickness and actual composition of the membrane, the overall shape of the nanopore in a solid material such as silicon nitride may roughly resemble two funnels that meet at their narrowest point (i.e., the actual nanopore). Such a pair of cones is conductive, allowing the polymer to pass in and out through the nanopore. Imaging techniques (e.g., atomic force microscopy (AFM) or transmission electron microscopy (TEM), especially TEM) can be used to verify and measure the size, location and shape of the nanomembrane, the holes or cavities of the FIB, and the final nanopore.
いくつかの実施態様において、ポリマー(例えばDNA)の一端はナノポア付近またはナノポアに通じる漏斗の内壁に係留される。ポリマーの一端がナノポアの近くに係留されている場合、ポリマーは拡散によって最初にナノポアに近づき、次いで電気的勾配によって導かれるため、勾配によって導かれる運動は最大化され、拡散の運動は最小化され、これによって速度および効率が増強される。例えば、Wanunu M, Electrostatic focusing of unlabelled DNA into nanoscale pores using a salt gradient, Nat Nanotechnol. (2010) 5(2):160-5; Gershow M., Recapturing and trapping single molecules with a solid-state nanopore. Nat Nanotechnol. (2007) 2(12):775-9; Gershow, M., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore. Nat Nanotechnol. (2007) 2(12): 775-779参照のこと。 In some embodiments, one end of the polymer (e.g., DNA) is anchored near the nanopore or to the inner wall of a funnel leading to the nanopore. When one end of the polymer is anchored near the nanopore, the polymer approaches the nanopore first by diffusion and then is guided by the electrical gradient, maximizing gradient-guided motion and minimizing diffusional motion, thereby enhancing speed and efficiency. For example, Wanunu M., Electrostatic focusing of unlabeled DNA into nanoscale pores using a salt gradient, Nat Nanotechnol. (2010) 5(2):160-5; Gershow M., Recapturing and trapping single molecules with a solid-state nanopore. Nat Nanotechnol. (2007) 2(12):775-9; Gershow, M., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore. See Nanotechnol. (2007) 2(12): 775-779.
ある実施態様において、ポリマー(例えばDNA)の一端をビーズに結合させ、ポリマーをポアに通す。ビーズとの結合は、ポリマーが隣接するチャンバーの分離膜の反対側にあるナノポアを最後まで通って移動するのを妨げる。次に電流を止め、ポリマー(例えばDNA)を、分離膜の反対側のチャンバーにおけるナノポアに隣接する表面に結合させる。例えば、ある実施態様において、ssDNAの一端を50nmのビーズに共有結合させ、他端をビオチン化する。ストレプトアビジンを、分離膜の反対側のチャンバーの領域に所望の結合点で結合させる。DNAは電位差によってナノポアから引き出され、ビオチンはストレプトアビジンと結合する。ビーズおよび/またはナノポアに隣接する表面との結合は、共有結合または強い非共有結合(ビオチン-ストレプトアビジン結合など)のいずれかであり得る。次にビーズを酵素で切り離し、洗い流す。いくつかの実施態様において、K. Nishigaki, Type II restriction endonucleases cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13(16): 5747-5760に記載される(これは参照によって本明細書に組み込まれる)ように、一本鎖DNAは一本鎖DNAを切断する酵素で切断される。他の実施態様において、相補的なオリゴヌクレオチドが二本鎖制限部位を作製するために与えられ、これは次に対応する制限酵素で切断され得る。 In one embodiment, one end of a polymer (e.g., DNA) is attached to a bead and the polymer is threaded through the pore. The bead binding prevents the polymer from moving all the way through the nanopore on the other side of the separation membrane in the adjacent chamber. The current is then stopped and the polymer (e.g., DNA) is attached to a surface adjacent to the nanopore in the chamber on the other side of the separation membrane. For example, in one embodiment, one end of the ssDNA is covalently attached to a 50 nm bead and the other end is biotinylated. Streptavidin is attached to a region of the chamber on the other side of the separation membrane at the desired attachment point. The DNA is pulled out of the nanopore by the potential difference and the biotin binds to the streptavidin. The binding to the bead and/or surface adjacent to the nanopore can be either covalent or strong non-covalent (e.g., biotin-streptavidin binding). The beads are then enzymatically cleaved and washed away. In some embodiments, the single-stranded DNA is cleaved with an enzyme that cleaves single-stranded DNA, as described in K. Nishigaki, Type II restriction endonucleases cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13(16): 5747-5760, which is incorporated herein by reference. In other embodiments, complementary oligonucleotides are provided to create double-stranded restriction sites, which can then be cleaved with the corresponding restriction enzyme.
ポリマーがナノポアを通過する際に、ポリマーが通過する際のナノポアの部分的な閉塞によって生じるナノポアにかかる電位差または電流の変化を検出でき、異なるモノマーはそれらの異なるサイズおよび静電ポテンシャルによって区別できるため、ポリマー内のモノマーの配列を同定するのに使用できる。 As a polymer passes through the nanopore, changes in the potential difference or current across the nanopore caused by partial blockage of the nanopore as the polymer passes through can be detected and used to identify the sequence of monomers within the polymer, as different monomers can be distinguished by their different sizes and electrostatic potentials.
本明細書に記載されるように、DNAの製造方法におけるナノポアを含むナノチップの使用は当分野で開示されていないが、そのようなチップは周知であり、DNAの迅速な配列決定のために市販されている。例えば、MinION(Oxford Nanopore Technologies, Oxford, UK)は小さく、ノートパソコンに取り付けることができる。一本鎖DNAがタンパク質ナノポアを1秒毎に30塩基通過する際、MinIONは電流を測定する。ポア内のDNA鎖はイオン流を妨害し、これは配列内のヌクレオチドに対応する電流の変化をもたらす。Mikheyev, AS, et al. A first look at the Oxford Nanopore MinION 配列r, Mol. Ecol. Resour. (2014)14, 1097-1102。MinION の精度は不十分であり、繰り返しの配列決定を必要とするが、読み取られるDNAが容易に区別できる2つの塩基(例えばAとC)のみを含む場合、本発明のナノチップを用いた配列決定の速度と精度は著しく改善され得る。 Although the use of nanochips containing nanopores in methods for producing DNA as described herein has not been disclosed in the art, such chips are well known and commercially available for rapid sequencing of DNA. For example, the MinION (Oxford Nanopore Technologies, Oxford, UK) is small and can be attached to a laptop. As single-stranded DNA passes through a protein nanopore 30 bases per second, the MinION measures the current. The DNA strand in the pore obstructs the ion flow, which results in a change in current corresponding to the nucleotides in the sequence. Mikheyev, AS, et al. A first look at the Oxford Nanopore MinION sequencer, Mol. Ecol. Resour. (2014)14, 1097-1102. Although the accuracy of the MinION is poor and requires repeated sequencing, the speed and accuracy of sequencing using the nanochip of the present invention can be significantly improved if the DNA being read contains only two easily distinguishable bases (e.g., A and C).
いくつかの実施態様において、ナノポアを含む膜は、絶縁コア材料(例えば窒化ケイ素膜)の両側に金属表面を含む、3層の形態を有し得る。この実施態様において、例えばナノポアを流れる電流が電極間に電解質媒体を介してナノポアを通って確立され得、この電流がポリマーをナノポアに通らせ得、極性を反転させることによってポリマーを引き戻し得るように、金属表面は例えばリソグラフィーの手段によって形成され、各ナノポアの各末端における対の電極を含むマイクロ回路を与える。ポリマーがナノポアを通過する際、電極はナノポアにかかる電位の変化を測定し得、ポリマー内のモノマーの配列を同定する。 In some embodiments, the membrane containing the nanopore may have a three-layer morphology, including metal surfaces on either side of an insulating core material (e.g., a silicon nitride membrane). In this embodiment, the metal surfaces are formed, e.g., by lithographic means, to provide a microcircuit including a pair of electrodes at each end of each nanopore, such that a current through the nanopore can be established between the electrodes via an electrolyte medium through the nanopore, which current can drive the polymer through the nanopore and pull the polymer back by reversing the polarity. As the polymer passes through the nanopore, the electrodes can measure the change in potential across the nanopore, identifying the sequence of monomers within the polymer.
いくつかの実施態様において、ポリマーの配列はデータを保存するために設計される。いくつかの実施態様において、データはバイナリコード(1と0)で保存される。いくつかの実施態様において、各塩基は1または0に対応する。他の実施態様において、2以上の塩基の容易に認識される配列が1に対応し、他の2以上の塩基の容易に認識される配列が0に対応する。他の実施態様において、データは3進コード、4進コードまたは他のコードで保存され得る。特別な実施態様において、ポリマーはDNA(例えば一本鎖DNA)であり、ここでDNAは2種の塩基のみを含み、いかなる自己ハイブリダイズできる塩基も含まない(例えばDNAは、アデニンとグアニン、アデニンとシトシン、チミジンとグアニン、またはチミジンとシトシンを含む)。いくつかの実施態様において、2種の塩基には、1以上の追加の塩基が点在してもよく、例えばAとCは、例えばコード配列中に中断を示すことによって配列を「分断する」ために、有意な自己ハイブリダイゼーションをもたらさない頻度で、Tを含み得る。他の実施態様において、例えば核酸が二本鎖である場合、いくつかまたは全ての利用可能な塩基が用いられ得る。 In some embodiments, the sequence of the polymer is designed to store data. In some embodiments, the data is stored in a binary code (1s and 0s). In some embodiments, each base corresponds to a 1 or a 0. In other embodiments, an easily recognized sequence of two or more bases corresponds to a 1, and another easily recognized sequence of two or more bases corresponds to a 0. In other embodiments, the data can be stored in a ternary code, a quaternary code, or other code. In a particular embodiment, the polymer is DNA (e.g., single-stranded DNA), where the DNA contains only two bases and does not contain any bases that can self-hybridize (e.g., DNA contains adenine and guanine, adenine and cytosine, thymidine and guanine, or thymidine and cytosine). In some embodiments, the two bases may be interspersed with one or more additional bases, e.g., A and C may contain T at a frequency that does not result in significant self-hybridization, e.g., to "break up" the sequence by presenting a break in the coding sequence. In other embodiments, some or all of the available bases may be used, e.g., when the nucleic acid is double-stranded.
ヌクレオチド塩基は天然であってもよく、またはいくつかの実施態様において、例えばMalyshev, D. et al. "A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet", Nature (2014) 509: 385-388に記載される(これは参照によって本明細書に組み込まれる)ように、非天然塩基からなってもよく、または非天然塩基を含んでもよい。 The nucleotide bases may be natural or, in some embodiments, may consist of or include non-natural bases, e.g., as described in Malyshev, D. et al. "A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet", Nature (2014) 509: 385-388, which is incorporated herein by reference.
ある実施態様において、データは単一のモノマー(例えばDNAの場合、単一のヌクレオチド)のポリマーへの付加によって保存される。ある実施態様において、ポリマーはDNAであり、モノマーはアデニン(A)およびシトシン(C)残基である。(i)AとCは大きなサイズの違いを有し、従ってナノポアによる区別が容易となるはずであり、(ii)AとCは互いに対形成しないため、ナノポアの信号の解釈を複雑にし得る有意な二次構造を形成せず、(iii)Gはグアニン四重鎖を形成することが知られているため、同様の理由のためにあまり好ましくないことから、AおよびC残基が有利である。ヌクレオチドは末端トランスフェラーゼ(またはポリヌクレオチドホスホリラーゼ)によって付加されるが、単一のヌクレオチドのみが一度に付加されるように、ヌクレオチドは3’ブロック化されている。ブロック化は次のヌクレオチドの付加の前に除去される。 In one embodiment, data is stored by the addition of a single monomer (e.g., in the case of DNA, a single nucleotide) to the polymer. In one embodiment, the polymer is DNA and the monomers are adenine (A) and cytosine (C) residues. A and C residues are favored because (i) A and C have a large size difference and therefore should be easily distinguished by the nanopore, (ii) A and C do not pair with each other and therefore do not form significant secondary structure that may complicate interpretation of the nanopore signal, and (iii) G is known to form G-quadruplexes and is therefore less preferred for similar reasons. Nucleotides are added by terminal transferase (or polynucleotide phosphorylase), but are 3' blocked so that only a single nucleotide is added at a time. The blocking is removed prior to the addition of the next nucleotide.
いくつかの実施態様において、DNAはナノチップ内に置かれる。他の実施態様において、DNAは取り出され、例えば長期間の安定性を増強するために、場合により二本鎖DNAに変換され、かつ/または、場合により結晶形に変換される。さらなる他の実施態様において、DNAは増幅され得、増幅されたDNAは長期間の保存のために取り出されるが、元の鋳型DNA(例えばナノチップ内のチャンバーの壁に結合しているDNA)はナノチップ内に残され得、これは読み取られ得、かつ/または追加のDNAを作製するために鋳型として使用され得る。 In some embodiments, DNA is placed within the nanochip. In other embodiments, the DNA is removed and optionally converted to double-stranded DNA and/or optionally converted to a crystalline form, e.g., to enhance long-term stability. In yet other embodiments, the DNA can be amplified and the amplified DNA removed for long-term storage, but the original template DNA (e.g., DNA bound to the walls of the chamber within the nanochip) can be left within the nanochip, which can be read and/or used as a template to make additional DNA.
いくつかの実施態様において、DNAまたは他のポリマーは合成中にナノポアに近接した表面に係留されている。例えば、ある実施態様において、DNA分子の3’末端が、保持チャンバーから、ナノポアを通して、3’保護されたdNTPを付加するポリメラーゼまたは末端トランスフェラーゼ酵素と共に3’保護されたdNTPの流れを含むフローチャンバーに引き出され得るように、または、dNTPを付加しないようにナノポアが酵素を排除している保持チャンバーに保持され得るように、一本鎖DNA分子は各5’末端がナノポアに近接した表面に結合されており、各ナノポアにおける電流はそのナノポアのための電極によって独立して調節され得る。例えば図12~16並びに図18および図19の描写を参照すること。他の実施態様において、一本鎖DNAは、下記により詳細に記述されるように、トポイソメラーゼを用いて(結合された3’末端を伴う)5’末端への付加によって構築される。各DNA分子が各サイクルに関与するか否かを制御することによって、各DNA分子の配列が、例えば以下のように正確に制御され得る:
Cを流す=3’保護されたdCTP
In some embodiments, DNA or other polymers are tethered to a surface proximate to a nanopore during synthesis. For example, in some embodiments, single-stranded DNA molecules are attached at each 5' end to a surface proximate to a nanopore such that the 3' end of the DNA molecule can be pulled from a holding chamber through the nanopore into a flow chamber containing a stream of 3' protected dNTPs along with a polymerase or terminal transferase enzyme that adds the 3' protected dNTPs, or can be held in a holding chamber where the nanopore excludes the enzyme so that it does not add dNTPs, and the current at each nanopore can be independently regulated by an electrode for that nanopore. See, for example, the depictions of Figures 12-16 and Figures 18 and 19. In other embodiments, single-stranded DNA is constructed by addition to the 5' end (with the 3' end attached) using a topoisomerase, as described in more detail below. By controlling whether each DNA molecule participates in each cycle, the sequence of each DNA molecule can be precisely controlled, for example, as follows:
Flow C = 3' protected dCTP
この図式におけるナノポア1およびナノポア2は異なるDNA鎖と結合しており、その位置(フローチャンバー内または外)は別々に制御できる。DNAは、保持チャンバー内の特異的な酵素によって、または、フローチャンバー内の流れを変化させ、酵素的手段、化学的手段、光触媒の手段または他の手段によって脱保護をもたらすことによって、脱保護され得る。ある実施態様において、脱ブロック化試薬が基本単位のヌクレオチドを脱保護しないように、脱ブロック化試薬はAを流すサイクルとCを流すサイクルの間(例えば、フローチャンバーがバッファーで洗浄されている時)に流れる。他の実施態様において、脱保護剤は非常に嵩高いため、ナノポアを通ってフローチャンバーに渡ることはできない。
上述の例の最終結果は、AおよびCがナノポア1のDNAに付加され、CおよびCがナノポア2のDNAに付加されることであろう。
The end result of the above example would be that A and C are added to the DNA of
他の実施態様において、チャンバーの配置は類似しているが、ナノポアに近接した表面に係留されている二本鎖DNAを用いて、それぞれバイナリコードに対応している(例えば2以上の種類の)オリゴヌクレオチドフラグメントが、例えば部位特異的リコンビナーゼ(即ち、部位特異的組換え配列として知られる配列セグメント中の核酸の二本鎖の少なくとも一方の鎖を自発的に認識および切断する酵素)を用いて、例えば以下に記述されるトポイソメラーゼを装填された(topoisomerase-charged)オリゴヌクレオチドを用いて、連続的に付加される。 In another embodiment, the chamber arrangement is similar, but with double-stranded DNA tethered to a surface adjacent to the nanopore, oligonucleotide fragments (e.g., two or more types), each corresponding to a binary code, are added sequentially, for example, using a site-specific recombinase (i.e., an enzyme that spontaneously recognizes and cleaves at least one strand of a nucleic acid duplex in a sequence segment known as a site-specific recombination sequence), for example, using a topoisomerase-charged oligonucleotide, as described below.
ある実施態様において、荷電ポリマー(例えばDNA)を合成後に凝集状態で保持することが望ましい場合がある。これにはいくつかの理由がある:
・ポリマーはこの形状においてより安定であるはずである、
・ポリマーを凝集させることはクラウディングを低く保ち、小さな体積でより長いポリマーの使用を可能にする、
・秩序のある凝集は、ポリマーがノットまたはもつれを形成する可能性を減少させ得る、
・任意のチャンバーが相互接続されている場合、電流が適用された場合に想定されているポアとは異なるポアをポリマーが通過して長くなることを防ぐのに役立つ、
・凝集はポリマーを電極から離すのに役立ち、ここで電気化学はポリマーを損傷させ得る。
In certain embodiments, it may be desirable to keep a charged polymer (e.g., DNA) in an aggregated state after synthesis. There are several reasons for this:
- The polymer should be more stable in this shape,
Flocculating the polymer keeps crowding low, allowing the use of longer polymers in smaller volumes.
Ordered aggregation may reduce the likelihood of the polymer forming knots or entanglements;
If any chambers are interconnected, this helps to prevent the polymer from lengthening through pores other than the ones it is supposed to when a current is applied.
• Agglomeration helps to detach the polymer from the electrode where electrochemistry can damage the polymer.
ヒト細胞は約10ミクロンであるが、80億塩基対のDNAを含む。このDNAを伸ばすと1メートルを超える。DNAはヒストンタンパク質に巻き付いているため、細胞に収まっている。ある実施態様において、ヒストンまたは類似のタンパク質は本発明のナノチップにおいて類似の機能を提供する。いくつかの実施態様において、ナノチップの内部表面は、荷電ポリマー(例えばDNA)がそれらに弱く張り付く傾向を持つように、わずかに正に帯電している。 A human cell is about 10 microns but contains 8 billion base pairs of DNA. If this DNA were stretched out it would be over a meter. The DNA is contained within the cell because it is wrapped around histone proteins. In some embodiments, histones or similar proteins serve a similar function in the nanochips of the invention. In some embodiments, the interior surfaces of the nanochips are slightly positively charged so that charged polymers (e.g., DNA) tend to stick weakly to them.
ある実施態様において、荷電ポリマー、例えば一本鎖または二本鎖DNAは、ナノポアに近接した表面に結合している。これは様々な方法で達成され得る。一般に、ナノポアを通過できないほど大きな直径(例えば>10nm、例えば20~50nm)を有する相対的に嵩高い構造体(例えばビーズ、タンパク質、または(以下に記述される)DNAオリガミ構造)にポリマーを結合し、電流を用いて荷電ポリマーをナノポアを通して引っ張り、嵩高い構造から遠いポリマーの末端をナノポアに隣接する表面に係留し、嵩高い構造を切り離すことによって、ポリマーをナノポアに局在化させる。 In one embodiment, a charged polymer, such as single- or double-stranded DNA, is attached to a surface in close proximity to the nanopore. This can be accomplished in a variety of ways. In general, the polymer is attached to a relatively bulky structure (e.g., a bead, protein, or DNA origami structure (described below)) that has a diameter too large to pass through the nanopore (e.g., >10 nm, e.g., 20-50 nm), and the polymer is localized to the nanopore by pulling the charged polymer through the nanopore using an electric current, tethering the end of the polymer remote from the bulky structure to a surface adjacent to the nanopore, and decoupling the bulky structure.
嵩高い構造から遠いポリマーの末端をナノポアに隣接する表面に係留する工程は様々な方法で達成され得る。ある実施態様において、ポリマーは一本鎖DNAであり、一本鎖DNAの一部と相補的な予め結合しているDNA鎖(約50bp)が存在し、一本鎖DNAと予め結合しているDNA鎖は塩基対形成を介して結合できる。この塩基対形成が十分強い場合、DNAを操作している間でさえ係留し続けるのに十分である。この結合方法の利点は、DNAの長期間の保存のために望まれる場合、DNAをナノポアチップから取り出せることである。あるいは、この鎖は、結合化学(例えば、下記の実施例1に記載されるストレプトアビジン-ビオチン共役)または「クリック」ケミストリー(Kolb, et al. Angew. Chem. Int. Ed. (2001)40: 2004-2021参照のこと、これは参照によって本明細書に組み込まれる)のいずれか、および/または酵素的結合(例えば、オリゴを遠い表面にあらかじめ共有結合させ、次にDNAリガーゼを用いてそれらを結合させることによる)を用いて、表面に共有結合される。 Anchoring the end of the polymer away from the bulky structure to the surface adjacent to the nanopore can be accomplished in a variety of ways. In one embodiment, the polymer is single-stranded DNA, and there is a pre-attached DNA strand (approximately 50 bp) that is complementary to a portion of the single-stranded DNA, and the single-stranded DNA and the pre-attached DNA strand can be attached via base pairing. If this base pairing is strong enough, it is enough to keep the DNA anchored even while it is being manipulated. The advantage of this attachment method is that the DNA can be removed from the nanopore chip if desired for long-term storage of the DNA. Alternatively, the chains are covalently attached to the surface using either conjugation chemistry (e.g., the streptavidin-biotin conjugate described in Example 1 below) or "click" chemistry (see Kolb, et al. Angew. Chem. Int. Ed. (2001)40: 2004-2021, which is incorporated herein by reference) and/or enzymatic linkage (e.g., by pre-covalently attaching oligos to a distant surface and then joining them using DNA ligase).
鎖の遠い末端がナノポアに隣接する表面に結合すると、嵩高い構造は、例えば嵩高い構造付近の制限部位を切断するエンドヌクレアーゼを用いて切断される。 When the distal end of the strand binds to a surface adjacent to the nanopore, the bulky structure is cleaved, for example, using an endonuclease that cleaves a restriction site near the bulky structure.
嵩高い構造は、ビーズ、嵩高い分子(例えばDNA鎖に可逆的に結合するタンパク質)、またはDNAオリガミ構造であり得る。DNAオリガミは3次元DNA構造を作製するための塩基対形成の使用を含む。DNAオリガミ技術は一般にBell, et al, Nano Lett. (2012)12: 512-517に記述され、これは参照によって本明細書に組み込まれる。例えば、本発明において、DNAオリガミは、単一のDNA分子をナノポアに隣接する表面に結合させるために使用され得る。ある実施態様において、この構造は「ハニカム状の立方体」(例えば各辺が約20nm)である。これは、この部分のDNAが(添付書類にある通り)ナノポアを通過するのを妨げる。オリガミ構造に結合する長鎖の(一本鎖または二本鎖)DNAが存在する。オリガミ構造がナノポアに直面し、さらなる進行を阻害するまで、DNA鎖はナノポアを通って進む。その後電流を止め、鎖をナノポアに隣接する表面に結合させる。 The bulky structure can be a bead, a bulky molecule (e.g., a protein that reversibly binds to a DNA strand), or a DNA origami structure. DNA origami involves the use of base pairing to create three-dimensional DNA structures. DNA origami technology is generally described in Bell, et al, Nano Lett. (2012)12: 512-517, which is incorporated herein by reference. For example, in the present invention, DNA origami can be used to attach a single DNA molecule to a surface adjacent to a nanopore. In one embodiment, the structure is a "honeycomb cube" (e.g., about 20 nm on each side). This prevents this portion of DNA from passing through the nanopore (as in the accompanying document). There is a long strand of DNA (single-stranded or double-stranded) that is attached to the origami structure. The DNA strand travels through the nanopore until the origami structure encounters the nanopore and blocks further progress. The current is then stopped, and the strand is allowed to attach to the surface adjacent to the nanopore.
別の実施態様において、オリガミ構造を伴う荷電ポリマー(例えばDNA)は、3つのチャンバー配置の中央のチャンバーにある。オリガミはDNAが他の2つのチャンバー(または2つのチャンバーの例において他の1つのチャンバー)に完全に入るのを防ぐ。従って、この例において、ポリマーは表面に係留されることを必要としない。これはポリマーが結び目を作るリスクを減少させ、ポリマーの一端を表面に結合する工程、および他端の嵩高い部分を切断する工程の必要性を回避する。オリガミを含むチャンバーの体積は、ポリマーが相対的にポアの近くに留まるようにできるだけ小さくするべきであり、これは電流がかけられた場合にポリマーが迅速に移動するのを確実にするのに役立つ。ポリマーのオリガミ部分を含む中央のチャンバーは他の中央のチャンバーと相互接続できない(そうでなければ種々のポリマーが混合する)が、他のチャンバー(または3つのチャンバーの例ではチャンバーの組)は相互接続できることを注記しておく。DNAが他のチャンバーに移動する際、ポリマーは必ずポアの近くにある(実際にはその一部はポアの内部にある)ため、これらの他のチャンバーは、所望により、より大きな体積を有してもよい。 In another embodiment, the charged polymer (e.g., DNA) with an origami structure is in the center chamber of a three chamber arrangement. The origami prevents the DNA from completely entering the other two chambers (or the other chamber in the two chamber example). Thus, in this example, the polymer does not need to be tethered to a surface. This reduces the risk of the polymer tying a knot and avoids the need to attach one end of the polymer to a surface and sever the bulky portion at the other end. The volume of the chamber containing the origami should be as small as possible so that the polymer stays relatively close to the pore, which helps ensure that the polymer moves quickly when a current is applied. Note that the center chamber containing the origami portion of the polymer cannot interconnect with the other center chambers (otherwise the various polymers would intermix), but the other chambers (or sets of chambers in the three chamber example) can. These other chambers may have larger volumes, if desired, since the polymer is necessarily near the pore (actually part of it is inside the pore) as the DNA moves into the other chambers.
いくつかの実施態様において、デバイスは3つの直列のチャンバーを含み、ここで付加チャンバーは流れを可能にするために連続しており、共通の電極を有するが、「脱保護」チャンバーはナノポアを通る流れ以外は流体的に隔離されており、固有の電極を有する。 In some embodiments, the device includes three chambers in series, where the additional chambers are in series to allow flow and have a common electrode, but the "deprotection" chamber is fluidically isolated except for flow through the nanopore and has its own electrode.
他の実施態様において、DNAまたは他の荷電ポリマーは係留されないが、合成チャンバーと脱保護チャンバーとの間をチャンバー内の電極の制御下で移動でき、一方ポリメラーゼおよび脱保護化剤はチャンバーを接続するナノポアを通過できないほど嵩高く、かつ/または、チャンバー内の表面に係留されているため、チャンバー間の移動を制限される。例えば図1~9および16~17を参照のこと。 In other embodiments, the DNA or other charged polymer is not tethered but can be moved between the synthesis and deprotection chambers under the control of electrodes within the chambers, while the polymerase and deprotection agent are too bulky to pass through the nanopores connecting the chambers and/or are tethered to surfaces within the chambers, thereby restricting movement between the chambers. See, e.g., Figures 1-9 and 16-17.
荷電ポリマーをナノポアを通して移動させるために必要とされる電流は、例えばポリマーの性質、ナノポアのサイズ、ナノポアを含む膜の材料および塩濃度に依存し、要求に応じて特定のシステムに最適化される。本明細書の実施例において使用されるDNAの場合、電圧および電流の例は、例えば100mM~1Mの桁数の塩濃度で、50~500mV(通常100~200mV)および1~10nA(例えば約4nA)である。 The current required to translocate a charged polymer through a nanopore depends, for example, on the nature of the polymer, the size of the nanopore, the material of the membrane containing the nanopore, and the salt concentration, and is optimized for a particular system as required. For DNA used in the examples herein, example voltages and currents are 50-500 mV (usually 100-200 mV) and 1-10 nA (e.g., about 4 nA), for example, at salt concentrations on the order of 100 mM to 1 M.
荷電ポリマー、例えばDNAのナノポアを通る移動は、通常、非常に速く、例えば1塩基毎に1~5μs、即ち1秒毎に100万塩基の桁数(周波数の用語を採用する場合、1MHz)であり、これはシステムにおいてノイズと区別される正確な読み取りを得るための課題を示す。本方法を使用して、(i)測定可能な特徴的な変化をもたらすために、ヌクレオチドは、配列中で、例えば連続して約100回、繰り返される必要がある、または、(ii)アルファヘモリジン(αHL)またはマイコバクテリウム・スメグマチス(Mycobacterium smegmatis)ポリンA(MspA)などのタンパク質のポアを使用すること、これは、塩基がポリマーを通過する際に複数の読み取りの可能性のある比較的長いポアを提供し、いくつかの場合では、そのポアを通して1回に1個の塩基に制御されたDNAの供給をもたらすように調整でき、いくつかの場合では、各塩基が通過する際にそれを切断するエキソヌクレアーゼを使用する。様々なアプローチが可能であり、例えば、
・ポリマーの速度を、約1MHzから約100~200Hzに落とすこと、例えば、電圧をかけるとより粘性が増し、それにより、ナノポアを通過するポリマーの速度を落とす電気粘性流体を含む媒体、または、媒体の粘性を光により制御できるプラズモンの流体系;または、分子モーターまたはラチェットを使用する;
・ポリマー中、例えば一本鎖DNA中に、ナノポアにはまるために直鎖状にされなければならない嵩高い二次構造、例えば、「ヘアピン」、「ハンマーヘッド」または「ダンベル」の配置を形成する配列を提供し、それにより、情報の密度を薄くし、長い期間を有するシグナルを提供する;
・同じ配列の多数の読み取りを提供すること、例えば、急速に変化する電流を使用して、同じ配列フレームの多数の読み取りを可能にし、分子を次の配列フレームに引き出す直接的な電流の短いバーストと組み合わせることにより、配列全体を複数回読み取ることにより、または、複数の同一配列を並行して読み取ることによる。各場合で読み取りをまとめて、シグナルを増幅する共通の読み取りを提供する;
・電流または抵抗の変化を直接測定するよりも、むしろ、モノマー(例えば、ヌクレオチド)がナノポアを通過する際の静電容量の変化により誘導される高周波数のシグナルにおけるインピーダンスの変化を測定すること;
・異なる塩基間の電流、抵抗または静電容量の差異を増強すること、例えば、サイズがより大きく異なるか、または、その他の方法で修飾されて異なるシグナルを与える非天然塩基を使用することにより、または、大きいサイズのために増強されたシグナルをもたらす「ヘアピン」、「ハンマーヘッド」または「ダンベル」配置などのより大きい二次構造をDNA中に形成することによる;
・光学的読み取りシステムを使用すること、例えば、その内容が参照によって本明細書に組み込まれるNam, et al., "Graphene Nanopore with a Self-Integrated Optical Antenna", Nano Lett. (2014)14: 5584-5589に記載されるものなどの、光トランスデューサー(または光シグナルエンハンサー)として作用して標準的イオン電流測定を補足または代替する、ナノポアに隣接した集積化光アンテナを使用すること。いくつかの実施態様では、それぞれ異なるモノマーが、ナノポアとその光学アンテナのジャンクションを通過するときにシグネチャー強度で蛍光を発するように、モノマー、例えばDNAヌクレオチドを蛍光染料で標識する。いくつかの実施態様では、例えば、各内容が参照によって本明細書に組み込まれるMcNally et al., "Optical recognition of converted DNA nucleotides for single molecule DNA sequencing using nanopore arrays", Nano Lett. (2010)10(6): 2237-2244, および Meller A., "Towards Optical DNA Sequencing Using Nanopore Arrays", J Biomol Tech. (2011) 22(Suppl): S8-S9に記載されるように、ポリマーが高速でナノポアを通過するときに、固相のナノポアが蛍光標識をはがし、一連の検出可能な光子のバーストを導く。
The movement of a charged polymer, e.g. DNA, through a nanopore is typically very fast, e.g. 1-5 μs per base, i.e. on the order of a million bases per second (1 MHz if we adopt frequency terminology), which presents a challenge to obtain accurate readings that are distinguished from noise in the system. Using the method, (i) a nucleotide needs to be repeated in the sequence, e.g. about 100 times in succession, to produce a measurable characteristic change, or (ii) using a protein pore such as alpha hemolysin (αHL) or Mycobacterium smegmatis porin A (MspA), which provides a relatively long pore with the potential for multiple readings as the base passes through the polymer, and in some cases can be tuned to provide a controlled delivery of DNA through the pore one base at a time, in some cases using an exonuclease that cleaves each base as it passes. Various approaches are possible, e.g.
Slowing down the speed of the polymer from about 1 MHz to about 100-200 Hz, for example using a medium that includes an electrorheological fluid that becomes more viscous when a voltage is applied, thereby slowing down the speed of the polymer passing through the nanopore, or a plasmonic fluidic system where the viscosity of the medium can be controlled by light; or using molecular motors or ratchets;
Providing sequences in the polymer, e.g., in single-stranded DNA, that form bulky secondary structures, e.g., "hairpin,""hammerhead," or "dumbbell" configurations, that must be linearized to fit into the nanopore, thereby thinning the information density and providing a signal with a long duration;
- providing multiple reads of the same sequence, for example by using rapidly changing currents to allow multiple reads of the same sequence frame, combined with short bursts of direct current to pull the molecule to the next sequence frame, reading the entire sequence multiple times, or by reading multiple identical sequences in parallel, pooling the reads in each case to provide a common read that amplifies the signal;
Measuring impedance changes in high frequency signals induced by capacitance changes as monomers (e.g., nucleotides) pass through the nanopore, rather than directly measuring changes in current or resistance;
- enhancing the difference in current, resistance or capacitance between different bases, for example by using non-natural bases that differ more in size or are otherwise modified to give different signals, or by forming larger secondary structures in the DNA such as "hairpin", "hammerhead" or "dumbbell" configurations that result in enhanced signals due to their larger size;
Use of an optical readout system, for example an integrated optical antenna adjacent to the nanopore that acts as an optical transducer (or optical signal enhancer) to complement or replace standard ionic current measurements, such as those described in Nam, et al., "Graphene Nanopore with a Self-Integrated Optical Antenna", Nano Lett. (2014)14: 5584-5589, the contents of which are incorporated herein by reference. In some embodiments, monomers, e.g., DNA nucleotides, are labeled with fluorescent dyes such that each different monomer fluoresces with a signature intensity when passing through the junction of the nanopore and its optical antenna. In some embodiments, as the polymer passes through the nanopore at high speed, the solid-phase nanopore strips off the fluorescent label, leading to a series of detectable bursts of photons, as described, for example, in McNally et al., "Optical recognition of converted DNA nucleotides for single molecule DNA sequencing using nanopore arrays", Nano Lett. (2010)10(6): 2237-2244, and Meller A., "Towards Optical DNA Sequencing Using Nanopore Arrays", J Biomol Tech . (2011) 22(Suppl): S8-S9, the contents of each of which are incorporated herein by reference.
ある実施態様では、荷電ポリマーは核酸、例えば一本鎖DNAであり、その配列が二次構造をもたらす。参照により本明細書に組み込まれるBell, et al., Nat Nanotechnol.(2016)11(7):645-51は、固相ナノポア形式で検出可能なダンベル配置の比較的短い配列を使用して免疫アッセイの抗原を標識することを記載している。Bellらに使用されたナノポアは、ダンベル構造全体がポアを通過できるように比較的大きかったが、ダンベル配置の直径よりも小さいナノポアを使用すると、DNAは「ファスナーを開かれ(unzip)」、直鎖状になる。より複雑な配置、例えば、各ビットがtRNAに似た配列に対応する配置を使用できる(例えば、参照により本明細書に組み込まれるHenley, et al. Nano Lett. (2016)16: 138-144を参照されたい)。従って、本発明は、少なくとも2種類の二次構造を有し、その二次構造がデータ(例えば、1つのタイプの二次構造が1であり、第2の二次構造が0であるバイナリデータ)をコードする荷電ポリマー、例えば一本鎖DNAを提供する。他の実施態様では、二次構造を使用して、DNAのナノポア通過を減速するか、または、配列に中断をもたらし、配列の読み取りを容易にする。 In some embodiments, the charged polymer is a nucleic acid, e.g., single-stranded DNA, whose sequence provides the secondary structure. Bell, et al., Nat Nanotechnol. (2016) 11(7): 645-51, incorporated herein by reference, describes labeling antigens in immunoassays using relatively short sequences in a dumbbell configuration that can be detected in a solid-phase nanopore format. The nanopores used by Bell et al. were relatively large to allow the entire dumbbell structure to pass through the pore, but using nanopores smaller than the diameter of the dumbbell configuration causes the DNA to "unzip" and become linear. More complex configurations can be used, e.g., where each bit corresponds to a sequence similar to tRNA (see, e.g., Henley, et al. Nano Lett. (2016) 16: 138-144, incorporated herein by reference). Thus, the invention provides a charged polymer, e.g., single-stranded DNA, that has at least two types of secondary structure, which encode data (e.g., binary data, where one type of secondary structure is a 1 and the second secondary structure is a 0). In other embodiments, the secondary structure is used to slow down the passage of the DNA through the nanopore or to introduce interruptions in the sequence, making it easier to read the sequence.
他の実施態様では、本発明は一連の少なくとも2つの異なるDNAモチーフを含むDNA分子を利用し、各モチーフは特定のリガンド(例えば二本鎖DNAに対する遺伝子調節タンパク質、または、一本鎖DNAに対するtRNA)に特異的に結合し、少なくとも2つの異なるDNAモチーフが(例えば1つのモチーフが1であり、第2のモチーフが0であるバイナリコードで)情報をコードし、例えば、リガンドは、DNAがナノポアを通過する際にナノポアにかかるシグナルの差異(例えば電流または静電容量の変化)を増強する。 In another embodiment, the invention utilizes a DNA molecule that includes a series of at least two different DNA motifs, each of which specifically binds to a particular ligand (e.g., a gene regulatory protein for double-stranded DNA, or a tRNA for single-stranded DNA), and the at least two different DNA motifs encode information (e.g., in a binary code where one motif is 1 and the second motif is 0), e.g., the ligand enhances the difference in signal across the nanopore (e.g., a change in current or capacitance) as the DNA passes through the nanopore.
上記で論じた通り、異なるモノマーがナノポアを通過するとき、それらは、主としてナノポアを物理的に塞ぎ、ナノポアのコンダクタンスを変化させることにより、ナノポアを通る電流に影響を与える。既存のナノポアシステムでは、この電流の変化を直接測定する。現行の読み取りシステムの問題は、システムにかなりのノイズがあり、DNAの場合、例えば、異なるヌクレオチドユニットがナノポアを通過する際の電流変動を測定するときに、異なるモノマー間、例えば異なる塩基間の差異を正確に検出するには、100分の1秒の桁数で、比較的長い積分時間が必要とされることである。最近、インピーダンスおよび静電容量の変化が、塩および生体分子の複雑な相互作用の可能性にも拘わらず、細胞および生物システムを研究するのに有用であり得ることが示された。例えば、Laborde, et al. Nat Nano. (2015)10(9):791-5(参照により本明細書に組み込まれる)は、高周波インピーダンス分光法を、生理的塩条件下で静電容量の小さい変化を検出し、微粒子および生きている細胞をデバイの限界(Debye limit)を超えて画像化するのに使用できることを立証している。 As discussed above, when different monomers pass through the nanopore, they affect the current through the nanopore primarily by physically blocking the nanopore and changing the conductance of the nanopore. Existing nanopore systems measure this change in current directly. The problem with current readout systems is that the systems are quite noisy and, in the case of DNA, for example, relatively long integration times are required to accurately detect differences between different monomers, e.g., different bases, on the order of hundredths of a second when measuring the current fluctuations as different nucleotide units pass through the nanopore. Recently, it has been shown that impedance and capacitance changes can be useful to study cells and biological systems, despite the possibility of complex interactions of salts and biomolecules. For example, Laborde, et al. Nat Nano. (2015)10(9):791-5 (incorporated herein by reference) demonstrate that high frequency impedance spectroscopy can be used to detect small changes in capacitance under physiological salt conditions and image microparticles and living cells beyond the Debye limit.
従って、本発明のある実施態様では、電流の変動を直接測定するよりも、むしろ、容量変動を測定し、例えば、モノマー(例えば、ヌクレオチド)がナノポアを通過する際の静電容量の変化により誘導される無線周波シグナルの相変化を測定することにより、荷電ポリマーの配列を同定する。 Thus, in one embodiment of the invention, rather than directly measuring current fluctuations, the sequence of a charged polymer is identified by measuring capacitance fluctuations, e.g., by measuring the phase change of a radio frequency signal induced by the change in capacitance as a monomer (e.g., a nucleotide) passes through a nanopore.
簡潔に述べると、静電容量は、一方の電気伝導体と他方の電気伝導体の間にギャップがあるいかなる回路にも存在する。電流は静電容量と共に直接的に変動するが、静電容量と同時には変動しない。例えば、交流電流の容量回路で電流と電圧を経時的にプロットする場合、電流と電圧の両方がそれぞれ正弦波を形成するが、波の位相は不一致であるとわかるであろう。電流に変化があるとき、静電容量に変化があり、それはシグナルの位相の変化に反映される。無線周波交流電流は一定の周波数と振幅のシグナルをもたらすが、シグナルの位相は回路の静電容量に伴って変動する。本願のシステムでは、荷電ポリマーがナノポアを通って(DNAの場合は陽極に向かって)引き出されるように、交流電流よりも、むしろ、脈流直流電流(即ち、極性が維持され、一方の電極は陽極のままであり、他方は陰極のままであるように、電圧は2つの値の間で変化するが、「ゼロ」のラインを超えない)を使用する。ナノポア中に何もない場合、静電容量は1つの値であり、それはポリマーの異なるモノマーがナノポアを通過するときに変化する。適する周波数の範囲は、無線周波数の範囲にあり、例えば1MHz~1GHz、例えば50~200MHz、例えば約100MHzであり、例えば、媒体の有意な誘電加熱を引き起こし得る高マイクロ波の周波数より低い。干渉の可能性を低減するために、複数のナノポアを1つの無線周波数の入力ラインで同時に測定できるように、異なるナノポアに異なる周波数を適用できる。 Briefly, capacitance exists in any circuit where there is a gap between one electrical conductor and the other. The current varies directly with the capacitance, but not simultaneously with the capacitance. For example, if you plot the current and voltage over time in an alternating current capacitive circuit, you will see that both the current and the voltage each form a sine wave, but the phases of the waves are out of phase. When there is a change in the current, there is a change in the capacitance, which is reflected in a change in the phase of the signal. Radio frequency alternating current results in a signal of constant frequency and amplitude, but the phase of the signal varies with the capacitance of the circuit. In the present system, rather than alternating current, a pulsating direct current (i.e., the voltage varies between two values but does not cross the "zero" line, so that polarity is maintained and one electrode remains an anode and the other remains a cathode) is used to draw the charged polymer through the nanopore (towards the anode in the case of DNA). When there is nothing in the nanopore, the capacitance is one value, which changes when different monomers of the polymer pass through the nanopore. Suitable frequencies are in the radio frequency range, e.g. 1 MHz to 1 GHz, e.g. 50-200 MHz, e.g. about 100 MHz, e.g. below high microwave frequencies that can cause significant dielectric heating of the medium. To reduce the possibility of interference, different frequencies can be applied to different nanopores, so that multiple nanopores can be measured simultaneously with one radio frequency input line.
インピーダンスの変化(例えば、静電容量の変化に起因するもの)を高周波数で測定することは、1/fノイズ、即ち、電気的測定回路に内在する「ピンク」ノイズの影響を低減するので、ある一定の期間に利用できるシグナル対ノイズを高める。所定の期間内に多くの測定が行われるので、高周波数のシグナルの使用はシグナル対ノイズ比を高め、環境またはデバイスの変動およびゆらぎに起因するインピーダンス変化と容易に区別される、より安定なシグナルをもたらす。 Measuring impedance changes (e.g., due to capacitance changes) at high frequencies reduces the effects of 1/f noise, or "pink" noise, inherent in electrical measurement circuits, thus increasing the signal-to-noise available over a given period of time. As many measurements are made in a given period of time, the use of a high frequency signal increases the signal-to-noise ratio, resulting in a more stable signal that is easily distinguished from impedance changes due to environmental or device variations and fluctuations.
これらの原理を本発明に応用して、本発明は、ある実施態様では、モノマー(例えば、ヌクレオチド)がナノポアを通過する際の静電容量の変化により誘導される高周波数のシグナルにおけるインピーダンスの変化を測定する方法を提供する。例えば、少なくとも2つの異なる種類のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNA分子のモノマー配列を読み取る方法を提供し、これは、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz~1GHz、例えば50~200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにかけ、脈流直流電流が荷電ポリマーをナノポアを通して引き出し、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を読み取ることを含む。 Applying these principles to the present invention, the present invention provides, in one embodiment, a method for measuring impedance changes in a radio frequency signal induced by changes in capacitance as monomers (e.g., nucleotides) pass through a nanopore. For example, a method for reading the monomer sequence of a charged polymer, e.g., a DNA molecule, that includes at least two different types of monomers, is provided, which includes applying a radio frequency pulsating direct current to the nanopore, e.g., at a frequency of 1 MHz to 1 GHz, e.g., 50 to 200 MHz, e.g., about 100 MHz, such that the pulsating direct current draws the charged polymer through the nanopore, and reading the monomer sequence by measuring the capacitance fluctuations of the nanopore as the charged polymer passes through the nanopore.
いくつかの実施態様では、本発明は、少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAの配列決定用のナノチップを提供する。そのナノチップは、少なくとも第1および第2の反応チャンバーを含み、これらはそれぞれ電解質媒体を含み、1以上のナノポアを含む膜により分離されており、回路に(例えば向かい合うプレートの形態で)連結された電極対が1以上のナノポアを含む膜のいずれかの側に配置されており、電極は1~30ミクロン、例えば約10ミクロン離されていて、荷電ポリマーを、ナノポアを通して、例えば1つのチャンバーから次のチャンバーに引き出すために、無線周波数の脈流直流電流、例えば1MHz~1GHzが電極にかけられたときに、電極間のギャップが静電容量を有するように、そして、脈流直流無線周波数電流の位相が、荷電ポリマーがナノポアを通過する際の静電容量の変化に伴って変化し、それにより、荷電ポリマーのモノマー配列の検出を可能にするようになっている。ある種の実施態様では、ナノチップは複数のセットの反応チャンバーを含み、1セット内の反応チャンバーは、1以上のナノポアを有する膜により分離されており、これらの反応チャンバーのセットは、反応チャンバーのセット間の電気的干渉を最小にし、かつ/または、複数の線状ポリマーを分離してそれらが並行して配列決定されることを可能にする、スクリーニング層により分離されている。 In some embodiments, the invention provides a nanochip for sequencing charged polymers, e.g., DNA, comprising at least a first and a second reaction chamber, each of which contains an electrolyte medium and is separated by a membrane comprising one or more nanopores, and a pair of electrodes connected in a circuit (e.g., in the form of facing plates) disposed on either side of the membrane comprising one or more nanopores, the electrodes being spaced 1-30 microns, e.g., about 10 microns apart, such that when a pulsating direct current radio frequency, e.g., 1 MHz-1 GHz, is applied to the electrodes to draw the charged polymer through the nanopore, e.g., from one chamber to the next, the gap between the electrodes has a capacitance, and the phase of the pulsating direct radio frequency current changes with the change in capacitance as the charged polymer passes through the nanopore, thereby allowing detection of the monomer sequence of the charged polymer. In certain embodiments, the nanochip comprises multiple sets of reaction chambers, the reaction chambers within a set being separated by a membrane having one or more nanopores, and the sets of reaction chambers being separated by a screening layer that minimizes electrical interference between the sets of reaction chambers and/or separates multiple linear polymers to allow them to be sequenced in parallel.
例えば、ある実施態様では、電極は、共振回路に埋め込まれたコンデンサの上下のプレートを形成し、DNAがプレート間のポアを通過する際に静電容量の変化が測定される。 For example, in one embodiment, the electrodes form the upper and lower plates of a capacitor embedded in a resonant circuit, and the change in capacitance is measured as DNA passes through a pore between the plates.
ある種の実施態様では、ナノチップは、例えば、下記のナノチップ1のいずれかに従って、ポリマー、例えばDNAを合成するための試薬をさらに含む。
In certain embodiments, the nanochip further comprises reagents for synthesizing a polymer, e.g., DNA, e.g., according to any of
従って、ある実施態様では、本発明は少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマー[例えば、核酸(例えば、DNAまたはRNA)]をナノチップ中で合成する方法(方法1)を提供し、このナノチップは、
単一のモノマーまたはオリゴマーのみが1つの反応サイクルにおいて付加され得るように、1以上のモノマー[例えばヌクレオチド]またはオリゴマー[例えば、オリゴヌクレオチド]を、緩衝液中で、末端が保護された形態で、荷電ポリマーに付加するための試薬を含む、1以上の付加チャンバー;および、
緩衝液を含むが、1以上のモノマーまたはオリゴマーの付加に必要な全ての試薬を含むわけではない、1以上の保存チャンバー
(ここで、チャンバーは、1以上のナノポアを含む1以上の膜により分離されており、
荷電ポリマーはナノポアを通過できるが、1以上のモノマーまたはオリゴマーの付加用の試薬の少なくとも1つは通過できない)
を含み、
この方法は、
a)第1の末端と第2の末端を有する荷電ポリマーの第1の末端を、電気的引力により付加チャンバーに移動させ、それによりモノマーまたはオリゴマーをブロック化された形態で第1の末端に付加すること、
b)荷電ポリマーの第1の末端を、ブロック化された形態で付加されたモノマーまたはオリゴマーと共に、保存チャンバーへ移動させること、
c)付加されたモノマーまたはオリゴマーを脱ブロック化すること、および、
d)所望のポリマー配列が得られるまで、工程a~cを繰り返すこと、ここで、工程a)で付加されるモノマーまたはオリゴマーは、同じであるか、または異なる、
を含む。
Thus, in one embodiment, the present invention provides a method (Method 1) for synthesizing a charged polymer [e.g., a nucleic acid (e.g., DNA or RNA)] comprising at least two distinct monomers in a nanochip, the nanochip comprising:
one or more addition chambers containing reagents for adding one or more monomers [e.g., nucleotides] or oligomers [e.g., oligonucleotides] in a buffer in a terminally protected form to the charged polymer such that only a single monomer or oligomer can be added in one reaction cycle; and
one or more storage chambers containing a buffer, but not all of the reagents necessary for the addition of one or more monomers or oligomers, wherein the chambers are separated by one or more membranes containing one or more nanopores;
The charged polymer can pass through the nanopore, but at least one of the reagents for the addition of the one or more monomers or oligomers cannot pass through the nanopore.
Including,
This method is
a) moving the first end of a charged polymer having a first end and a second end to an attachment chamber by electrical attraction, thereby attaching a monomer or oligomer in a blocked form to the first end;
b) transferring the first end of the charged polymer together with the monomer or oligomer attached in blocked form to a storage chamber;
c) deblocking the added monomer or oligomer; and
d) repeating steps a-c until the desired polymer sequence is obtained, where the monomers or oligomers added in step a) are the same or different;
Includes.
例えば、本発明は、以下のものを提供する。
1.1 ポリマーが核酸である、例えば、ポリマーがDNAまたはRNAである、例えば、DNA、例えばdsDNAまたはssDNAである、方法1。
For example, the present invention provides the following:
1.1
1.2 ポリマー、例えば核酸の第2の末端が保護されているか、またはナノポアに隣接する基板に結合している、上述のいずれかの方法。 1.2 Any of the above methods, wherein the second end of the polymer, e.g., the nucleic acid, is protected or attached to a substrate adjacent to the nanopore.
1.3 各チャンバー内の電極間に電圧をかけることにより電気的引力が提供され、電極間の極性および電流を、例えば核酸が陽極に誘引されるように制御できる、上述のいずれかの方法。 1.3 Any of the methods described above, in which an electrical attraction is provided by applying a voltage between the electrodes in each chamber, and the polarity and current between the electrodes can be controlled, for example, so that the nucleic acid is attracted to the anode.
1.4 ポリマーが核酸であり、
(i)核酸の第1の末端が3’末端であり、ヌクレオチドの付加が5’から3’への方向であり、ポリメラーゼにより触媒され、例えば、ポリメラーゼは(例えば、そのサイズのために、または、第1のチャンバー内の基板に係留されているために)ナノポアを通過できなくされており、ヌクレオチドは、付加時に3’-保護されており、3’-保護ヌクレオチドを核酸の3’-末端に付加した後、核酸上の3’-保護基を、例えば、保存チャンバー内で除去する;または
(ii)核酸の第1の末端が5’末端であり、ヌクレオチドの付加が3’から5’への方向であり、ヌクレオチドは、付加時に5’-保護されており、5’-保護ヌクレオチドを核酸の5’-末端に付加した後、5’-保護基を、例えば、第2のチャンバー内で除去する;(例えば、5’-保護ヌクレオチド上のリン酸は、ナノポアを通過できない嵩高い基に5’-保護基を介して結合したヌクレオシドホスホラミダイトであり、核酸へのカップリングに続いて、未反応のヌクレオチドを洗い流し、嵩高い5’-保護基を核酸から切り離し、洗い流し、核酸の5’-末端を保存チャンバーに移動できるようにされている);
ここで、核酸へのヌクレオチドの付加は、1以上の付加チャンバーを出入りする核酸の第1の末端の動きにより制御され、このサイクルは所望の配列が得られるまで継続される、
上述のいずれかの方法。
1.4 The polymer is a nucleic acid,
(i) the first end of the nucleic acid is the 3' end, the addition of the nucleotide is in the 5' to 3' direction, and is catalyzed by a polymerase, e.g., the polymerase is rendered incapable of passing through the nanopore (e.g., because of its size or because it is anchored to a substrate in the first chamber), the nucleotide is 3'-protected at the time of addition, and the 3'-protected nucleotide is added to the 3'-end of the nucleic acid and then the 3'-protecting group on the nucleic acid is removed, e.g., in a storage chamber; or (ii) the first end of the nucleic acid is the 5' end, and the addition of the nucleotide is in the 3' to to 5', the nucleotide being 5'-protected upon addition, and after addition of the 5'-protected nucleotide to the 5'-terminus of the nucleic acid, the 5'-protecting group is removed, e.g., in a second chamber; (e.g., the phosphate on the 5'-protected nucleotide is a nucleoside phosphoramidite attached via the 5'-protecting group to a bulky group that cannot pass through the nanopore, such that following coupling to the nucleic acid, unreacted nucleotides are washed away and the bulky 5'-protecting group is cleaved from the nucleic acid and washed away, allowing the 5'-terminus of the nucleic acid to be transferred to a storage chamber);
wherein addition of nucleotides to the nucleic acid is controlled by movement of a first end of the nucleic acid in and out of one or more addition chambers, and this cycle is continued until the desired sequence is obtained.
Any of the methods mentioned above.
1.5 かくして合成されるポリマー中のモノマーまたはオリゴマーの配列[例えば、核酸中のヌクレオチドの配列]がバイナリコードに対応する、上述のいずれかの方法。
1.6 かくして合成されるポリマーが一本鎖DNAである、上述のいずれかの方法。
1.7 モノマーまたはオリゴマー[例えば、ヌクレオチド塩基]をそれらがナノポアを通過する際に配列決定し、配列決定におけるエラーを同定することにより、ポリマー[例えば核酸]の配列を加工または合成中に確認する、上述のいずれかの方法。
1.5 Any of the above methods, wherein the sequence of monomers or oligomers in the thus synthesized polymer [e.g., the sequence of nucleotides in a nucleic acid] corresponds to a binary code.
1.6 Any of the above methods, wherein the polymer thus synthesized is a single-stranded DNA.
1.7 Any of the methods described above, wherein the sequence of a polymer [e.g., a nucleic acid] is confirmed during processing or synthesis by sequencing monomers or oligomers [e.g., nucleotide bases] as they pass through the nanopore and identifying errors in the sequencing.
1.8 かくして合成されるポリマーが一本鎖DNAであり、少なくとも95%、例えば少なくとも99%、例えば、実質的に全ての配列中の塩基が、鎖中の他の塩基とハイブリダイズしない2つの塩基から選択され、例えばアデニンおよびシトシンから選択される塩基である、上述のいずれかの方法。 1.8 Any of the above methods, wherein the polymer thus synthesized is single-stranded DNA, and at least 95%, such as at least 99%, e.g. substantially all, of the bases in the sequence are selected from two bases that do not hybridize to other bases in the strand, e.g. bases selected from adenine and cytosine.
1.9 異なる配列を有するポリマー[オリゴヌクレオチド]が得られるように、ポリマーが1以上の付加チャンバーまたは1以上の保存チャンバーに存在するか否かを個別に制御することにより、複数のポリマー[例えばオリゴヌクレオチド]が並行して独立に合成される、上述のいずれかの方法。 1.9 Any of the above methods, in which multiple polymers [e.g., oligonucleotides] are independently synthesized in parallel by individually controlling whether the polymers are present in one or more addition chambers or one or more storage chambers, such that polymers [oligonucleotides] with different sequences are obtained.
1.10 異なるモノマーまたはオリゴマー、例えば異なるヌクレオチドを付加するのに適する試薬を含む少なくとも2つの付加チャンバーがあり、例えば、第1のモノマーまたはオリゴマーの付加に適する試薬を含む1以上の付加チャンバー、および、第2の異なるモノマーまたはオリゴマーの付加に適する試薬を含む1以上の付加チャンバーがあり、例えば、アデニンヌクレオチドの付加に適する試薬を含む1以上の付加チャンバー、および、シトシンヌクレオチドの付加に適する試薬を含む1以上の付加チャンバーがある、上述のいずれかの方法。 1.10 Any of the methods described above, wherein there are at least two addition chambers containing reagents suitable for adding different monomers or oligomers, e.g., different nucleotides, e.g., one or more addition chambers containing reagents suitable for adding a first monomer or oligomer, and one or more addition chambers containing reagents suitable for adding a second, different monomer or oligomer, e.g., one or more addition chambers containing reagents suitable for adding an adenine nucleotide, and one or more addition chambers containing reagents suitable for adding a cytosine nucleotide.
1.11 少なくとも1つの付加チャンバーがフローチャンバーであり、(i)第1のモノマーまたはオリゴマーの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第2の異なるモノマーまたはオリゴマーの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、ポリマー中のモノマーまたはオリゴマーの配列は、各サイクルの工程(i)または(iii)において、ポリマーの第1の末端をフローチャンバーに導入するか、またはそこから排除することにより制御される、上述のいずれかの方法; 1.11 Any of the above methods, wherein at least one addition chamber is a flow chamber, and a flow cycle is provided that includes (i) providing a flow chamber reagent suitable for the addition of a first monomer or oligomer, (ii) rinsing, (iii) providing a flow chamber reagent suitable for the addition of a second, different monomer or oligomer, and (iv) rinsing, and the cycle is repeated until synthesis is complete, and the sequence of the monomers or oligomers in the polymer is controlled by introducing or excluding a first end of the polymer into or from the flow chamber in step (i) or (iii) of each cycle;
1.12 ポリマーがDNAであり、少なくとも1つの付加チャンバーがフローチャンバーであり、(i)第1の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第2の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、配列は、フローチャンバーにおけるDNAの第1の末端(例えば3’-末端)の有無を制御することにより制御される、上述のいずれかの方法。 1.12 Any of the above methods, wherein the polymer is DNA, at least one addition chamber is a flow chamber, and a flow cycle is provided that includes (i) providing a flow chamber reagent suitable for addition of a first type of nucleotide, (ii) rinsing, (iii) providing a flow chamber reagent suitable for addition of a second type of nucleotide, and (iv) rinsing, and the cycle is repeated until synthesis is complete, and the sequence is controlled by controlling the presence or absence of the first end (e.g., the 3'-end) of the DNA in the flow chamber.
1.13 ポリマーがDNAであり、少なくとも1つの付加チャンバーがフローチャンバーであり、(i)第1の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第2の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、(i)第3の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第4の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、配列は、異なる種類のヌクレオチドの付加に適する試薬が存在するときにフローチャンバーにおけるDNAの第1の末端(例えば3’-末端)の有無を制御することにより制御される、上述のいずれかの方法。 1.13 Any of the above methods, wherein the polymer is DNA, at least one addition chamber is a flow chamber, and a flow cycle is provided that includes (i) providing a flow chamber reagent suitable for the addition of a first type of nucleotide, (ii) rinsing, (iii) providing a flow chamber reagent suitable for the addition of a second type of nucleotide, and (iv) rinsing, (i) providing a flow chamber reagent suitable for the addition of a third type of nucleotide, (ii) rinsing, (iii) providing a flow chamber reagent suitable for the addition of a fourth type of nucleotide, and (iv) rinsing, and repeating the cycle until synthesis is complete, and the sequence is controlled by controlling the presence or absence of a first end (e.g., the 3'-end) of the DNA in the flow chamber when a reagent suitable for the addition of a different type of nucleotide is present.
1.14 ポリマーがDNAであり、ナノチップがフローチャンバーである2つの付加チャンバーを含み、(a)第1のフローチャンバーが、(i)第1の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第2の異なる種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、そして、(b)第2のフローチャンバーが、(i)第3の種類のヌクレオチドの付加に適する第2のフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第4の異なる種類のヌクレオチドの付加に適する第2のフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、ここで、ヌクレオチドは、dATP、dTTP、dCTPおよびdGTPから選択され、配列は、DNAの第1の末端(例えば3’-末端)を、次の所望のヌクレオチドが提供された場合にフローチャンバーに導入することにより制御される、上述のいずれかの方法。 1.14 The polymer is DNA, the nanotip comprises two addition chambers that are flow chambers, (a) a first flow chamber provides a flow cycle including (i) providing a flow chamber reagent suitable for the addition of a first type of nucleotide, (ii) rinsing, (iii) providing a flow chamber reagent suitable for the addition of a second, different type of nucleotide, and (iv) rinsing, repeating this cycle until synthesis is complete, and (b) a second flow chamber provides (i) a flow chamber reagent suitable for the addition of a second, different type of nucleotide, and (iv) rinsing. any of the above methods, comprising: (i) providing a flow chamber reagent suitable for adding a fourth, different type of nucleotide; (ii) rinsing; (iii) providing a second flow chamber reagent suitable for adding a fourth, different type of nucleotide; and (iv) rinsing, and repeating the cycle until synthesis is complete, where the nucleotides are selected from dATP, dTTP, dCTP, and dGTP, and the sequence is controlled by introducing a first end (e.g., the 3'-end) of the DNA into the flow chamber when the next desired nucleotide is provided.
1.15 ポリマーがDNAであり、ナノポアチップが、dATPを付加するための1以上の付加チャンバー、dTTPを付加するための1以上の付加チャンバー、dCTPを付加するための1以上の付加チャンバー、および、dGTPを付加するための1以上の付加チャンバーを含む、上述のいずれかの方法。 1.15 Any of the above methods, wherein the polymer is DNA and the nanopore chip includes one or more addition chambers for adding dATP, one or more addition chambers for adding dTTP, one or more addition chambers for adding dCTP, and one or more addition chambers for adding dGTP.
1.16 合成されるポリマー[例えば核酸]が、それぞれ、それらの第2の末端を介して、ナノポアに近接する表面に結合している、上述のいずれかの方法。 1.16 Any of the above methods, wherein the polymers [e.g., nucleic acids] being synthesized are each attached via their second ends to a surface proximate to the nanopore.
1.17 ポリマー[例えば核酸]の配列が、ポリマーがナノポアを通過する際の電圧、電流、抵抗、静電容量および/またはインピーダンスの変化を検出することにより、各サイクルに続いて決定される、上述のいずれかの方法。 1.17 Any of the methods described above, wherein the sequence of the polymer [e.g., a nucleic acid] is determined following each cycle by detecting changes in voltage, current, resistance, capacitance and/or impedance as the polymer passes through the nanopore.
1.18 ポリマーが核酸であり、核酸の合成が、緩衝液、例えば、pH7~8.5、例えば約pH8とするためのバッファー、例えば、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)、適当な酸、および、場合によりキレーター、例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)を含むバッファー、例えば、Trisベース、酢酸およびEDTAの混合物を含むTAEバッファー、または、Trisベース、ホウ酸およびEDTAの混合物を含むTBEバッファーを含む溶液中で;例えば、10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl、または、例えば、50mM酢酸カリウム、20mM Tris-アセテート、10mM酢酸マグネシウムを含む溶液(pH7.9@25℃)中で起こる、上述のいずれかの方法。
1.18 Any of the above methods, wherein the polymer is a nucleic acid and the synthesis of the nucleic acid occurs in a buffer, e.g., a buffer to pH 7-8.5, e.g., about
1.19 ポリマーが一本鎖DNAであり、合成された一本鎖DNAを二本鎖DNAに変換することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.19 Any of the above methods, wherein the polymer is single-stranded DNA, and further comprising converting the synthesized single-stranded DNA to double-stranded DNA.
1.20 ポリマー[例えば核酸]を、ポリマー合成の完了後にナノチップから取り出すことをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.20 Any of the above methods, further comprising removing the polymer [e.g., nucleic acid] from the nanotip after completion of polymer synthesis.
1.21 ポリマーが核酸であり、適切なプライマーおよびポリメラーゼ(例えばPhi29)を使用して、合成された核酸のコピーを増幅および回収することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.21 Any of the above methods, wherein the polymer is a nucleic acid, further comprising amplifying and recovering copies of the synthesized nucleic acid using appropriate primers and a polymerase (e.g., Phi29).
1.22 ポリマーが核酸であり、合成された核酸を制限酵素で切断し、核酸をナノチップから取り出すことをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.22 Any of the above methods, wherein the polymer is a nucleic acid, further comprising cleaving the synthesized nucleic acid with a restriction enzyme and removing the nucleic acid from the nanochip.
1.23 ポリマーが核酸であり、かくして合成された核酸を増幅することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.23 Any of the above methods, wherein the polymer is a nucleic acid, and further comprising amplifying the thus synthesized nucleic acid.
1.24 ポリマー[例えば、核酸]をナノチップから取り出し、ポリマーを結晶化することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.24 Any of the above methods, further comprising removing the polymer [e.g., nucleic acid] from the nanotip and crystallizing the polymer.
1.25 ポリマーが核酸であり、例えば、例えば参照により本明細書に組み込むUS8283165B2に記載されている通り、核酸を含む溶液を、1以上のバッファー(例えば、ホウ酸バッファー)、抗酸化剤、湿潤剤、例えばポリオール、および、場合により、キレート剤と共に乾燥させることにより;または、核酸とポリマー、例えば、ポリ(エチレングリコール)-ポリ(l-リジン)(PEG-PLL)AB型ブロックコポリマーとの間にマトリックスを形成することにより;または、相補的核酸鎖またはDNAに結合するタンパク質の添加により、核酸を安定化することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.25 Any of the above methods, wherein the polymer is a nucleic acid, further comprising stabilizing the nucleic acid by drying a solution containing the nucleic acid with one or more buffers (e.g., borate buffer), antioxidants, humectants such as polyols, and optionally chelating agents, e.g., as described in U.S. Pat. No. 8,283,165 B2, incorporated herein by reference; or by forming a matrix between the nucleic acid and a polymer, e.g., poly(ethylene glycol)-poly(l-lysine) (PEG-PLL) AB type block copolymer; or by adding a protein that binds to a complementary nucleic acid strand or DNA.
1.26
(i)核酸を、3’-保護ヌクレオチドと、付加チャンバー中で、3’-保護ヌクレオチドの核酸の3’末端への付加を触媒するポリメラーゼの存在下で、反応させること;
(ii)かくして得られた3’-保護核酸の少なくとも3’末端を、付加チャンバーから、少なくとも1つのナノポアを通して、保存チャンバーに引き出すこと、ここで、ポリメラーゼは(例えば、そのサイズのために、または、第1のチャンバー内の基板に係留されているために)ナノポアを通過できなくされている;
(iii)3’-保護核酸を、例えば化学的または酵素的に、脱保護すること;および
(iv)さらなる3’-保護dNTPをオリゴヌクレオチドに付加することが望ましい場合は、工程(i)~(iii)が繰り返されるように、オリゴヌクレオチドの3’末端を同一または異なる付加チャンバーに引き出すこと、または、それが望ましくない場合は、所望の3’-保護dNTPが付加チャンバーに提供されるさらなるサイクルまで、核酸の3’末端を保存チャンバーに留まらせること;および
(v)所望の核酸配列が得られるまで工程(i)~(iv)を繰り返すこと、
を含む、上述のいずれかの方法。
1.26
(i) reacting a nucleic acid with a 3'-protected nucleotide in an addition chamber in the presence of a polymerase that catalyzes the addition of the 3'-protected nucleotide to the 3' end of the nucleic acid;
(ii) drawing at least the 3′ end of the resulting 3′-protected nucleic acid from the loading chamber through at least one nanopore into a storage chamber, where the polymerase is prevented from passing through the nanopore (e.g., due to its size or because it is anchored to a substrate in the first chamber);
(iii) deprotecting the 3'-protected nucleic acid, e.g., chemically or enzymatically; and (iv) if it is desired to add an additional 3'-protected dNTP to the oligonucleotide, drawing off the 3' end of the oligonucleotide to the same or a different addition chamber so that steps (i) through (iii) are repeated, or if this is not desired, allowing the 3' end of the nucleic acid to remain in the storage chamber until a further cycle in which the desired 3'-protected dNTP is provided in the addition chamber; and (v) repeating steps (i) through (iv) until the desired nucleic acid sequence is obtained.
Any of the methods described above.
1.27 ポリマーが核酸の一本鎖DNA(ssDNA)であり、1以上のナノポアが、ssDNAを通過させるが、二本鎖DNA(dsDNA)を通過させない直径、例えば、約2nmの直径を有する、上述のいずれかの方法。 1.27 Any of the above methods, wherein the polymer is a nucleic acid, single-stranded DNA (ssDNA), and the one or more nanopores have a diameter that allows passage of ssDNA but not double-stranded DNA (dsDNA), e.g., a diameter of about 2 nm.
1.28 モノマーが3’-保護ヌクレオチド、例えば、例えばデオキシアデノシン三リン酸(dATP)、デオキシグアノシン三リン酸(dGTP)、デオキシシチジン三リン酸(dCTP)、デオキシチミジン三リン酸(dTTP)から選択されるデオキシヌクレオチド三リン酸(dNTP)、例えばdATPまたはdCTPである、上述のいずれかの方法。 1.28 Any of the above methods, wherein the monomer is a 3'-protected nucleotide, e.g., a deoxynucleotide triphosphate (dNTP), e.g., selected from deoxyadenosine triphosphate (dATP), deoxyguanosine triphosphate (dGTP), deoxycytidine triphosphate (dCTP), deoxythymidine triphosphate (dTTP), e.g., dATP or dCTP.
1.29 ポリマーが核酸であり、ヌクレオチドの核酸への付加がポリメラーゼ、例えば、鋳型に依存しないポリメラーゼ、例えば、末端デオキシヌクレオチドトランスフェラーゼ(TdT)またはポリヌクレオチドホスホリラーゼにより触媒される、例えば、ポリメラーゼがDNAの3’-ヒドロキシル末端でデオキシヌクレオチドの組み込みを触媒する、上述のいずれかの方法。 1.29 Any of the methods described above, wherein the polymer is a nucleic acid and the addition of nucleotides to the nucleic acid is catalyzed by a polymerase, e.g., a template-independent polymerase, e.g., terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT) or polynucleotide phosphorylase, e.g., the polymerase catalyzes the incorporation of deoxynucleotides at the 3'-hydroxyl end of DNA.
1.30 膜が、複数のナノポアと、それぞれナノポアに近接する表面に結合した複数のポリマー、例えば、ナノポアに近接する表面に5’末端を介して結合した複数の核酸を含む、上述のいずれかの方法。 1.30 Any of the above methods, wherein the membrane comprises a plurality of nanopores and a plurality of polymers each attached to a surface proximate the nanopore, e.g., a plurality of nucleic acids attached via their 5' ends to a surface proximate the nanopore.
1.31 それぞれナノポアに近接する表面に結合した複数のポリマー、例えば、ナノポアに近接する表面に5’末端で結合した複数の核酸が、独立して合成され、各ナノポアが電極対を伴い、電極対の一方の電極がナノポアの一方の末端に近接した位置にあり、他方の電極がナノポアの他方の末端に近接した位置にあり、電極対により与えられる電流により各ポリマーを第1および第2のチャンバーの間で独立して動かせるようにする、上述のいずれかの方法。 1.31 Any of the above methods, in which multiple polymers, e.g., multiple nucleic acids, each attached at their 5' ends to a surface adjacent to a nanopore, are synthesized independently, each nanopore associated with an electrode pair, one electrode of the electrode pair positioned adjacent to one end of the nanopore and the other electrode positioned adjacent to the other end of the nanopore, such that a current provided by the electrode pair can move each polymer independently between the first and second chambers.
1.32 ポリマーが、ナノポアに近接する表面に5’末端で結合した3’-保護核酸であり、3’-保護核酸の3’末端が、電気力を使用することにより、例えば、隣接するチャンバー内の電極からかけられる電気力を使用することにより、ナノポアを通して引き出される、上述のいずれかの方法。 1.32 Any of the above methods, wherein the polymer is a 3'-protected nucleic acid attached at its 5' end to a surface adjacent to the nanopore, and the 3' end of the 3'-protected nucleic acid is pulled through the nanopore by using an electrical force, e.g., by using an electrical force applied from an electrode in an adjacent chamber.
1.33 新しい3’-保護dNTPが、第1の3’-保護dNTPと同一であるか、または異なる、1.20の方法。 1.33 The method of 1.20, wherein the new 3'-protected dNTP is the same as or different from the first 3'-protected dNTP.
1.34 サイクルの工程(i)で使用される3’-保護dNTPが、各サイクルで3’-保護dATPと3’-保護dCTPの間で交互になる、1.20の方法。 1.34 The method of 1.20, wherein the 3'-protected dNTP used in step (i) of the cycle alternates between 3'-protected dATP and 3'-protected dCTP in each cycle.
1.35 ポリマーが核酸であり、核酸の脱保護が、ssDNA上の3’-保護基を除去するが3’保護dNTP上の3’-保護基を除去しない酵素により実行される、上述のいずれかの方法。 1.35 Any of the above methods, wherein the polymer is a nucleic acid and deprotection of the nucleic acid is carried out with an enzyme that removes the 3'-protecting group on the ssDNA but not the 3'-protecting group on the 3'-protected dNTPs.
例えば、本発明は、ナノチップ中で核酸を合成する方法を提供し、ナノチップは、少なくとも1つのナノポアを含む膜で分離されている少なくとも第1のチャンバーおよび第2のチャンバーを含み、合成は、第1の末端および第2の末端を有する核酸の第1の末端へのヌクレオチド付加のサイクルにより緩衝液中で実行され、ここで、核酸の第1の末端は、1以上の付加チャンバー(ヌクレオチドを付加できる試薬を含む)と1以上の保存チャンバー(ヌクレオチドの付加に必要な試薬を含まない)の間で電気的引力により動かされ、チャンバーは、各々1以上のナノポアを含む1以上の膜により分離されており、ナノポアは、核酸を通過させるのに十分な大きさであるが、ヌクレオチドの付加に必須の少なくとも1つの試薬を通過させるには小さすぎ、例えば、この方法は記載された方法1のいずれかに対応する。
For example, the present invention provides a method for synthesizing nucleic acids in a nanochip, the nanochip comprising at least a first chamber and a second chamber separated by a membrane comprising at least one nanopore, the synthesis being carried out in a buffer by cycles of nucleotide addition to a first end of a nucleic acid having a first end and a second end, where the first end of the nucleic acid is moved by electrical attraction between one or more addition chambers (containing reagents capable of adding nucleotides) and one or more storage chambers (not containing reagents necessary for the addition of nucleotides), the chambers being separated by one or more membranes each comprising one or more nanopores, the nanopores being large enough to allow passage of the nucleic acid but too small to allow passage of at least one reagent essential for the addition of nucleotides, for example, the method corresponds to any of the described
ある種の実施態様では、ポリマーの配列はバイナリコードに対応し、例えば、ポリマーが核酸であり、配列がバイナリコードに対応し、各ビット(0または1)が塩基、例えばAまたはCにより表される。 In certain embodiments, the sequence of the polymer corresponds to a binary code, e.g., the polymer is a nucleic acid and the sequence corresponds to a binary code, where each bit (0 or 1) is represented by a base, e.g., A or C.
ある種の実施態様では、ポリマーはDNAである。 In certain embodiments, the polymer is DNA.
ある他の実施態様では、各ビットは、単一のモノマーよりも、むしろ、モノマーの短い配列により表される。例えば、そのようなある実施態様では、DNAの塊を合成し、各塊はナノポアを介して独自のシグナルを生成し、0または1に対応する。この実施態様は、単一のヌクレオチドをナノポア中で、特に固相ナノポア中で検出するのがより難しい点である種の利点を有するので、塊を使用すると、ポリマーにおける情報の密度は相応して減少するが、読み取りのエラーは生じにくくなる。 In some other embodiments, each bit is represented by a short sequence of monomers rather than a single monomer. For example, in one such embodiment, chunks of DNA are synthesized, with each chunk producing a unique signal through the nanopore, corresponding to a 0 or a 1. This embodiment has certain advantages in that single nucleotides are more difficult to detect in a nanopore, especially in a solid-phase nanopore, so the use of chunks correspondingly reduces the density of information in the polymer, but makes the read less prone to errors.
例えば、部位特異的リコンビナーゼ、即ち、部位特異的組換え配列として知られている配列セグメント内で核酸二本鎖の少なくとも一方の鎖を自発的に認識して切断する酵素を使用して、(二本鎖)ヌクレオチドの塊を付加できる。あるそのような実施態様では、部位特異的リコンビナーゼは、トポ結合した(topo-conjugated)dsDNAオリゴヌクレオチド塊を配列に連結するのに使用されるトポイソメラーゼである。これらのオリゴヌクレオチド自体は、制限酵素で切断されるまで、さらなる連結に適合する構造を有さない。ワクシニアウイルストポイソメラーゼIは、DNA配列5’-(C/T)CCTT-3’を特異的に認識する。トポイソメラーゼは、二本鎖DNAに結合し、5’-(C/T)CCTT-3’切断部位でそれを切断する。トポイソメラーゼはDNAを一方の鎖のみで切断するので切断は完全ではなく(他方の鎖に近傍のニックがあることは、ある種の二本鎖切断をもたらすが)、切断時に、トポイソメラーゼは3’ヌクレオチドの3’リン酸に共有結合することに留意されたい。その後、その酵素は、DNAの3’末端に共有結合したままであり、共有結合的に保持された鎖を、最初に切断されたのと同じ結合で再連結でき(DNA弛緩において生じる通り)、あるいは、適合するオーバーハングを有する異種のアクセプターDNAに再連結し、組換え分子を生成できる。この実施態様では、トポイソメラーゼ組換え部位およびトポイソメラーゼ連結部位を生成する制限部位に隣接した、dsDNAドナーオリゴヌクレオチド(例えば、一方は「0」、他方は「1」の、少なくとも2つの異なる配列のうち1つを含む)を生成する。これらのカセットは、トポ装填される(Topo-charged);即ち、それらは、レシーバーオリゴヌクレオチド上のトポイソメラーゼ連結部位にそれらを結合させるトポイソメラーゼに共有結合する。伸長しているレシーバーのDNA鎖が制限酵素で切断されると、トポ装填されたカセットに連結できるようになる。よって、伸長しているDNAを制限酵素からトポ装填されたカセットに連続的に循環させるだけでよく、各サイクルが他のドナーオリゴヌクレオチドを付加する。関連するアプローチがクローニングのために説明されており、例えば、参照により本明細書に組み込む Shuman S., Novel approach to molecular cloning and polynucleotide synthesis using vaccinia DNA topoisomerase. J Biol Chem. (1994); 269(51):32678-84を参照されたい。 For example, (double-stranded) nucleotide chunks can be added using site-specific recombinases, i.e. enzymes that spontaneously recognize and cleave at least one strand of a nucleic acid duplex within a sequence segment known as a site-specific recombination sequence. In one such embodiment, the site-specific recombinase is a topoisomerase that is used to ligate topo-conjugated dsDNA oligonucleotide chunks to the sequence. These oligonucleotides themselves have no structure compatible with further ligation until cleaved with a restriction enzyme. Vaccinia virus topoisomerase I specifically recognizes the DNA sequence 5'-(C/T)CCTT-3'. The topoisomerase binds to double-stranded DNA and cleaves it at the 5'-(C/T)CCTT-3' cleavage site. Note that the cleavage is not complete since the topoisomerase only cleaves the DNA at one strand (although the presence of a nearby nick in the other strand results in a sort of double-stranded break), and upon cleavage, the topoisomerase covalently binds to the 3' phosphate of the 3' nucleotide. The enzyme then remains covalently attached to the 3' end of the DNA and can religate the covalently held strand at the same bond that was originally cleaved (as occurs in DNA relaxation) or to a heterologous acceptor DNA with a compatible overhang to generate a recombinant molecule. In this embodiment, a dsDNA donor oligonucleotide (containing one of at least two different sequences, e.g., one "0" and the other "1") is generated, flanked by restriction sites that generate topoisomerase recombination sites and topoisomerase ligation sites. These cassettes are topo-charged; that is, they are covalently attached to a topoisomerase that binds them to the topoisomerase ligation site on the receiver oligonucleotide. Once the extending receiver DNA strand is cut with the restriction enzyme, it can be ligated to the topo-charged cassette. Thus, the extending DNA simply needs to be cycled continuously from the restriction enzyme to the topo-charged cassette, with each cycle adding another donor oligonucleotide. Related approaches have been described for cloning, see, e.g., Shuman S., Novel approach to molecular cloning and polynucleotide synthesis using vaccinia DNA topoisomerase. J Biol Chem. (1994); 269(51):32678-84, incorporated herein by reference.
類似の戦略を用いて、単一の塩基を付加できる。適当な一本鎖の「脱保護された」「アクセプター」DNAの存在下で、トポ装填されたDNAは、そのトポイソメラーゼによりアクセプターに酵素的かつ共有結合的に連結(「付加」)され、トポイソメラーゼはこの過程でDNAから除去される。IIS型制限酵素は、1つの塩基(「付加」されている塩基)以外の付加されたDNAを全て切り離せる。この脱保護-付加の過程を繰り返し、さらなる塩基(ビット)を付加できる。本明細書において実施例で立証される通り、単一のヌクレオチドを標的一本鎖DNAの5’末端に付加するために、トポ/IIS型制限酵素の組合せを使用することができる。IIS型制限酵素の使用は、認識配列とは異なる位置でのDNAの切断を可能にする(他のIIS型制限酵素は、https://www.neb.com/tools-and-resources/selectioncharts/type-iis-restriction-enzymes に見出される)。この系においてイノシン(「普遍的塩基」として作用し、他のいかなる塩基とも対になる)を使用すると、この反応は、標的DNAにいかなる配列の要件も付さずに生じ得る。一本鎖標的DNAに付加されるヌクレオチドの正体は、ワクシニアトポイソメラーゼが3’リン酸を介して結合する3’ヌクレオチドである。ワクシニアトポイソメラーゼの認識配列は(C/T)CCTTであるので、この系を標的DNAに「T」を付加するのに使用した。関連するトポイソメラーゼのSVFがあり、それは認識配列CCCTGを使用できる(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446)。従って、SVFは「T」の代わりに「G」を付加するのに使用できる。ワクシニアトポと組み合わせると、バイナリデータは、TおよびGでコードされ得る。 A similar strategy can be used to add a single base. In the presence of a suitable single-stranded "deprotected" "acceptor" DNA, the topo-charged DNA is enzymatically and covalently linked ("added") to the acceptor by its topoisomerase, which is removed from the DNA in the process. A type IIS restriction enzyme can cleave off all but one base (the one that is "added"). This deprotection-addition process can be repeated to add additional bases (bits). As demonstrated in the examples herein, a topo/type IIS restriction enzyme combination can be used to add a single nucleotide to the 5' end of a target single-stranded DNA. The use of a type IIS restriction enzyme allows for cutting of the DNA at a position different from the recognition sequence (other type IIS restriction enzymes can be found at https://www.neb.com/tools-and-resources/selectioncharts/type-iis-restriction-enzymes). The use of inosine in this system (which acts as a "universal base" and pairs with any other base) allows the reaction to occur without any sequence requirements on the target DNA. The identity of the nucleotide added to the single-stranded target DNA is the 3' nucleotide to which Vaccinia topoisomerase binds via the 3' phosphate. The recognition sequence for Vaccinia topoisomerase is (C/T)CCTT, so this system was used to add a "T" to the target DNA. There is a related topoisomerase, SVF, which can use the recognition sequence CCCTG (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446). Thus, SVF can be used to add a "G" instead of a "T". When combined with Vaccinia topo, binary data can be coded with T and G.
単一の塩基の付加の他のアプローチでは、5’リン酸が保護基を提供し、3’から5’への方向の単一の塩基の付加をもたらす。装填反応は、5’リン酸基を有する単一のT(またはG、または所望により他のヌクレオチド)をトポイソメラーゼに装填する。装填されたトポイソメラーゼが5’ブロック化されていない(リン酸化されていない)一本鎖DNA鎖を「見つける」と、それはその鎖にTを付加し、5’にTが付加されたDNAをもたらす。この付加は、トポイソメラーゼおよび一本鎖アクセプターDNAが結合できる配列を有するアダプターDNAの存在により促進される(アダプターDNAは触媒的である-それは、繰り返される反応において、鋳型として再使用され得ることに留意されたい)。付加されたヌクレオチドは5’リン酸を有するので、5’リン酸を除去するホスファターゼに曝されるまで、さらなる付加の基質にならない。単一の「T」を標的一本鎖DNAの5’末端に付加するワクシニアトポイソメラーゼおよび単一の「G」を付加するSVFトポイソメラーゼを使用して、この過程を繰り返し、かくして、TおよびGのバイナリ情報をコードする配列を構築できる。他のトポイソメラーゼを使用してAまたはCを付加できるが、この反応の効率は低い。 In other approaches to single base addition, the 5' phosphate provides a blocking group, resulting in the addition of a single base in the 3' to 5' direction. The loading reaction loads the topoisomerase with a single T (or G, or other nucleotide, if desired) bearing a 5' phosphate group. When the loaded topoisomerase "finds" a 5' unblocked (unphosphorylated) single-stranded DNA strand, it adds a T to that strand, resulting in a 5' T-tagged DNA. This addition is facilitated by the presence of an adapter DNA that has a sequence to which the topoisomerase and single-stranded acceptor DNA can bind (note that the adapter DNA is catalytic - it can be reused as a template in repeated reactions). Because the added nucleotide has a 5' phosphate, it is not a substrate for further addition until it is exposed to a phosphatase, which removes the 5' phosphate. This process can be repeated using Vaccinia topoisomerase, which adds a single "T" to the 5' end of the target single-stranded DNA, and SVF topoisomerase, which adds a single "G", thus building up a sequence that codes for the binary information of T and G. Other topoisomerases can be used to add A or C, but the efficiency of this reaction is low.
トポイソメラーゼに媒介される戦略を使用する利点の1つは、モノマーがトポイソメラーゼに共有結合し、従って、「脱出」して他の反応に干渉できないことである。ポリメラーゼを使用すると、モノマーは拡散でき、ポリメラーゼおよび/または脱ブロック化剤は特異的(例えばA対Cに選択的)であるべきであるか、あるいは、混合する機会がないように、モノマーはフローにより提供される。 One advantage of using a topoisomerase-mediated strategy is that the monomers are covalently bound to the topoisomerase and therefore cannot "escape" and interfere with other reactions. With a polymerase, the monomers can diffuse out and the polymerase and/or deblocking agent must be specific (e.g. selective for A vs. C) or the monomers are provided by a flow so that there is no opportunity for mixing.
ある態様では、本発明は単一のヌクレオチドを装填されたトポイソメラーゼ、即ち、単一のヌクレオチドに結合したトポイソメラーゼを提供する。ここで、例えば、トポイソメラーゼは、ヌクレオチドの3’-リン酸を介して結合し、ヌクレオチドは5’-位で保護、例えば、リン酸化されている。 In one aspect, the invention provides a single nucleotide-loaded topoisomerase, i.e., a topoisomerase bound to a single nucleotide, where, for example, the topoisomerase is bound via the 3'-phosphate of the nucleotide and the nucleotide is protected, e.g., phosphorylated, at the 5'-position.
他の態様では、本発明は、単一のヌクレオチドまたはオリゴマーをDNA鎖に3’から5’への方向で付加することにより、トポイソメラーゼに媒介される連結を用いるDNA分子の合成方法(方法A)を提供し、それは、(i)所望のヌクレオチドまたはオリゴマーを装填されたトポイソメラーゼとDNA分子を反応させること、ここで、ヌクレオチドまたはオリゴマーは、5’末端でのさらなる付加を妨げられている、次いで、(ii)かくして形成されたDNAの5’末端を脱ブロック化し、所望のヌクレオチド配列が得られるまで工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む。例えば、以下のものが提供される。 In another aspect, the present invention provides a method (Method A) for synthesizing a DNA molecule using topoisomerase-mediated ligation by adding a single nucleotide or oligomer to a DNA strand in the 3' to 5' direction, which comprises (i) reacting a DNA molecule with a topoisomerase loaded with a desired nucleotide or oligomer, where the nucleotide or oligomer is blocked from further addition at the 5' end, and then (ii) deblocking the 5' end of the DNA thus formed and repeating steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence is obtained. For example, the following is provided:
A1.1 (i)5’保護形態の所望のヌクレオチドがDNAの5’末端に付加されるように、DNA分子を、5’保護形態、例えば、5’リン酸化形態の所望のヌクレオチドを装填したトポイソメラーゼと反応させること、次いで、(ii)かくして形成されたDNAの5’末端を、ホスファターゼ酵素を使用して脱保護すること、および、所望のヌクレオチド配列が得られるまで工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む、単一のヌクレオチドを3’から5’への方向で付加することによるDNA分子の合成方法である、方法A;または A1.1 Method A, which is a method for synthesizing a DNA molecule by adding a single nucleotide in the 3' to 5' direction, comprising: (i) reacting a DNA molecule with a topoisomerase charged with a desired nucleotide in 5' protected form, e.g., 5' phosphorylated form, such that the desired nucleotide in 5' protected form is added to the 5' end of the DNA, then (ii) deprotecting the 5' end of the DNA thus formed using a phosphatase enzyme, and repeating steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence is obtained; or
A1.2 (i)所望のオリゴマーを装填されたトポイソメラーゼとDNA分子を反応させ、それによりオリゴマーをDNA分子に連結すること、次いで、(ii)制限酵素を使用して、他のオリゴマーのトポイソメラーゼに媒介される連結のための5’部位を提供すること、および、所望のオリゴマー配列が得られるまで工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む、オリゴマーを3’から5’への方向で付加することによるDNA分子の合成方法である、方法A。 A1.2 Method A, a method for synthesizing a DNA molecule by adding oligomers in the 3' to 5' direction, comprising: (i) reacting a DNA molecule with a topoisomerase loaded with a desired oligomer, thereby ligating the oligomer to the DNA molecule; then (ii) using a restriction enzyme to provide a 5' site for topoisomerase-mediated ligation of another oligomer; and repeating steps (i) and (ii) until the desired oligomer sequence is obtained.
A1.3 DNA中のニックを封じるリガーゼおよびATPを提供することを含む、上述のいずれかの方法[NB:トポイソメラーゼ連結は、一方の鎖のみを連結する]。 A1.3 Any of the methods described above, including providing ATP and a ligase that seals nicks in the DNA [NB: topoisomerase ligation only joins one strand].
A1.4 トポイソメラーゼ装填ドナーオリゴヌクレオチドが、トポイソメラーゼを有する鎖と相補的な鎖に5’オーバーハングを含み、ポリイノシン配列を含む、上述のいずれかの方法[NB:イノシンは「普遍的塩基」として作用し、他のいかなる塩基とも対になる]。 A1.4 Any of the methods described above, wherein the topoisomerase-loaded donor oligonucleotide contains a 5' overhang on the strand complementary to the topoisomerase-bearing strand and contains a polyinosine sequence [NB: inosine acts as a "universal base" and will pair with any other base].
A1.5 制限酵素が、単一の塩基(「付加」されている塩基)以外の付加されたDNAを全て切り離せるIIS型制限酵素である、上述のいずれかの方法。 A1.5 Any of the above methods, in which the restriction enzyme is a type IIS restriction enzyme that can cleave off all added DNA except a single base (the "added" base).
A1.6 トポイソメラーゼが、ワクシニアトポイソメラーゼおよびSVFトポイソメラーゼIから選択される、上述のいずれかの方法。 A1.6 Any of the above methods, wherein the topoisomerase is selected from vaccinia topoisomerase and SVF topoisomerase I.
A1.7 ワクシニアトポイソメラーゼ((C/T)CCTTを認識する)を使用してdTTPヌクレオチドを付加し、SVFトポイソメラーゼI(CCCTGを認識する)を使用してdGTPヌクレオチドを付加し、例えばバイナリコードを提供する、上述のいずれかの方法 A1.7 Any of the above methods using Vaccinia topoisomerase (which recognizes (C/T)CCTT) to add dTTP nucleotides and SVF topoisomerase I (which recognizes CCCTG) to add dGTP nucleotides, e.g., to provide a binary code.
A1.8 DNAが二本鎖であり、保存チャンバーがさらにリガーゼおよびATPを含み、トポイソメラーゼにより連結されなかったDNA鎖を修復する、上述のいずれかの方法。 A1.8 Any of the above methods, wherein the DNA is double-stranded and the storage chamber further contains a ligase and ATP to repair the DNA strands not ligated by the topoisomerase.
A1.9 遊離のトポイソメラーゼのDNAオリゴマーへの結合および活性を抑制するトポイソメラーゼ阻害剤の使用を含み、例えば、阻害剤がノボビオシンおよびクーママイシンから選択される、上述のいずれかの方法。 A1.9 Any of the above methods, including the use of a topoisomerase inhibitor that inhibits the binding and activity of free topoisomerase to DNA oligomers, e.g., the inhibitor is selected from novobiocin and coumermycin.
A1.10 かくして提供されるDNA鎖が、チミジン(T)ヌクレオシドおよびデオキシグアニジン(G)ヌクレオシドを含む配列を有する、上述のいずれかの方法。 A1.10 Any of the above methods, wherein the DNA strand thus provided has a sequence that includes thymidine (T) nucleosides and deoxyguanidine (G) nucleosides.
A1.11 トポイソメラーゼが単一の塩基を付加するが、トポイソメラーゼにより付加された塩基から5’方向の1つのヌクレオチドである位置で制限酵素が切断する、上述のいずれかの方法。 A1.11 Any of the above methods in which the topoisomerase adds a single base, but the restriction enzyme cuts at a position that is one nucleotide 5' from the base added by the topoisomerase.
A1.12 かくして提供されたDNA鎖が、「TT」および「TG」ジヌクレオチドの配列を含む配列を有する、上述のいずれかの方法。 A1.12 Any of the above methods, wherein the DNA strand thus provided has a sequence that includes the sequences of "TT" and "TG" dinucleotides.
A1.13 DNAが一本鎖である、上述のいずれかの方法、
A1.14 DNAが二本鎖である、上述のいずれかの方法。
A1.13 Any of the above methods, wherein the DNA is single stranded;
A1.14 Any of the above methods, wherein the DNA is double-stranded.
A1.15 DNAが基板または磁気ビーズ上にあり、所望の配列を与えるのに必要な試薬に選択的に暴露されるか、またはそれから除去され得る、上述のいずれかの方法。 A1.15 Any of the above methods in which the DNA is on a substrate or magnetic beads and can be selectively exposed to or removed from the reagents required to give the desired sequence.
A1.16 DNAの付加または脱ブロック化用の一部または全部の試薬がフローにより供給され、洗い流すことにより除去される、上述のいずれかの方法。 A1.16 Any of the above methods in which some or all of the reagents for attaching or deblocking DNA are supplied by flow and removed by washing.
A1.17 単一のヌクレオチドまたはオリゴマーの一本鎖DNAへの結合が、トポイソメラーゼおよび一本鎖アクセプターDNAが結合できる配列を有するアダプターDNAの存在により促進される、上述のいずれかの方法。 A1.17 Any of the above methods, in which binding of a single nucleotide or oligomer to single-stranded DNA is promoted by the presence of a topoisomerase and an adapter DNA having a sequence to which the single-stranded acceptor DNA can bind.
A1.18 例えば下記方法2のいずれかに記載される通り、ナノポアがトポイソメラーゼを含むチャンバーをホスファターゼまたは制限酵素を含むチャンバーから隔てている系において実施され、ナノポアが電気的引力によるDNAの移動を可能にするが、酵素の移動は可能にしない、上述のいずれかの方法。
A1.18 Any of the above methods, for example as described in any of
生じ得る1つの懸念は、ポリG配列がG四重鎖二次構造を形成し得ることである。制限酵素を1塩基戻し(トポ配列の5’に)、同様のトポ/IIS戦略に従うことにより、「TT」または「TG」を付加でき、これらはそれぞれ異なるビットを表し得る。これは1ビットをコードするのに2塩基を要するが、ポリG配列を回避できる利点がある。他の実施態様では、トポ認識配列の3’末端にある他の塩基は、(C/T)CCTTより効率は低いが、(C/T)CCTA、(C/T)CCTCおよび(C/T)CCTGを用いて、ポックスウイルストポイソメラーゼを使用する結合を可能にする(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17462694)。タンパク質工学/選択技術を使用して、同様にこれらの反応の効率を改善することができ、同様のアプローチを、非標準塩基の付加に使用できる。 One concern that may arise is that poly-G sequences may form G-quadruplex secondary structures. By moving the restriction enzyme back one base (5' of the topo sequence) and following a similar topo/IIS strategy, one can add "TT" or "TG", each of which may represent a different bit. This requires two bases to code for one bit, but has the advantage of avoiding the poly-G sequence. In other embodiments, other bases at the 3' end of the topo recognition sequence allow for conjugation using poxvirus topoisomerase, with (C/T)CCTA, (C/T)CCTC, and (C/T)CCTG being used, although less efficiently than (C/T)CCTT (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17462694). Protein engineering/selection techniques can be used to improve the efficiency of these reactions as well, and similar approaches can be used to add non-standard bases.
ある種の実施態様では、この方法によりDNAを合成する方法は、DNAをリガーゼおよびATPで処理することを含む。トポイソメラーゼは、DNAの片側しか連結しない(他方には、本質的にニックがある)。リガーゼは、ニックを修復し、トポイソメラーゼ自体が反応産物を再切断し、それを切り離さないことを確実にする。 In certain embodiments, the method of synthesizing DNA by this method involves treating the DNA with ligase and ATP. The topoisomerase only joins one side of the DNA (the other is essentially nicked). The ligase repairs the nick and ensures that the topoisomerase itself does not re-cut the reaction product and cleave it off.
ある種の実施態様では、この方法は、遊離のトポイソメラーゼのDNAオリゴマーに対する結合および活性を抑制するために、トポイソメラーゼ阻害剤の使用を含む。適する阻害剤には、ノボビオシンおよびクーママイシンが含まれる。低レベルのトポイソメラーゼ活性はコイル状DNAの「弛緩」を助け、特に長いDNA鎖を合成するときに有用であるので、完全な阻害は望ましくないことに留意されたい。 In certain embodiments, the method involves the use of a topoisomerase inhibitor to inhibit the binding and activity of free topoisomerase on DNA oligomers. Suitable inhibitors include novobiocin and coumermycin. Note that complete inhibition is not desirable, since low levels of topoisomerase activity aid in the "relaxation" of coiled DNA, which is particularly useful when synthesizing long DNA strands.
従って、他の実施態様では、本開示は、ナノチップ中でDNAを合成する方法(方法2)を提供し、ナノチップは、トポイソメラーゼ装填オリゴヌクレオチド(即ち、3’末端でトポイソメラーゼに結合したオリゴヌクレオチド)を含む1以上の付加チャンバー、および、制限酵素または脱ブロック化剤、例えばホスファターゼを含む1以上の保存チャンバーを含み、これらのチャンバーは、適合する緩衝液も含み、少なくとも1つのナノポアを含む膜により分離されており、ここで、トポイソメラーゼおよび制限酵素は、ナノポアの通過を妨げられており(例えば、それらは大きすぎるので、かつ/または、それらは第1および第2のチャンバーの基板にそれぞれ係留されているので)、合成は、単一のヌクレオチドまたは短いオリゴヌクレオチド塊を、第1の末端および第2の末端を有する核酸の第1の末端に付加するサイクルにより実行され、ここで、核酸の第1の末端は、電気的引力により付加チャンバーと保存チャンバーの間を動かされ、例えば、ある実施態様では以下の通りである:
(i)レシーバーDNA(例えば、二本鎖DNA)の5’末端を、電気力により、第1の付加チャンバーに移動させること、
(ii)第1の付加チャンバーに、トポイソメラーゼ装填ドナーオリゴヌクレオチドを提供すること、ここで、ドナーオリゴヌクレオチドは、トポイソメラーゼ結合部位、情報配列(例えば、少なくとも2つの異なるヌクレオチドまたは配列から選択され、例えば、バイナリコードで、一方の配列が「0」に、他方が「1」に対応する)、制限酵素により切断されるとトポイソメラーゼ連結部位を与える制限部位を含む;
(iii)ドナーオリゴヌクレオチドがレシーバーDNAに連結し、かくしてそれを伸長するのに十分な時間をとること;
(iv)かくして伸長されたレシーバーDNAの5’末端を、電気力により、保存チャンバーに移動させ、例えば、制限酵素がレシーバーDNAを切断してトポイソメラーゼ連結部位をもたらすように、または、単一のヌクレオチドの付加の場合、脱ブロック化剤、例えば、ホスファターゼが、一本鎖DNA上に5’が脱ブロック化されたヌクレオチドを生成するようにすること;および
(v)所望のDNA配列が得られるまで、工程(i)~(iv)のサイクルを繰り返し、同一または異なる情報配列を有するオリゴヌクレオチドを付加すること。
Thus, in another embodiment, the disclosure provides a method (Method 2) of synthesizing DNA in a nanochip, the nanochip comprising one or more addition chambers containing a topoisomerase-loaded oligonucleotide (i.e., an oligonucleotide bound to a topoisomerase at its 3′ end) and one or more storage chambers containing a restriction enzyme or a deblocking agent, such as a phosphatase, which chambers also contain a compatible buffer and are separated by a membrane comprising at least one nanopore, where the topoisomerase and the restriction enzyme are prevented from passing through the nanopore (e.g., because they are too large and/or because they are anchored to the substrate of the first and second chambers, respectively), and the synthesis is carried out by cycles of adding single nucleotides or short oligonucleotide chunks to a first end of a nucleic acid having a first end and a second end, where the first end of the nucleic acid is moved between the addition and storage chambers by electrical attraction, e.g., in one embodiment as follows:
(i) transferring the 5' end of a receiver DNA (e.g., double-stranded DNA) to a first loading chamber by electrical force;
(ii) providing in the first addition chamber a topoisomerase-loaded donor oligonucleotide, where the donor oligonucleotide comprises a topoisomerase binding site, an information sequence (e.g., selected from at least two different nucleotides or sequences, e.g., one sequence corresponding to "0" and the other to "1" in binary code), a restriction site that, when cleaved by a restriction enzyme, provides a topoisomerase ligation site;
(iii) allowing sufficient time for the donor oligonucleotide to ligate to the receiver DNA, thus extending it;
(iv) transferring the 5' end of the thus extended receiver DNA by electrical force to a storage chamber, for example for a restriction enzyme to cleave the receiver DNA to provide a topoisomerase junction site, or for the addition of a single nucleotide, for a deblocking agent, for example a phosphatase, to generate a 5' deblocked nucleotide on the single stranded DNA; and (v) repeating the cycle of steps (i) to (iv) and adding oligonucleotides with the same or different information sequences until the desired DNA sequence is obtained.
例えば、本発明は、以下を提供する。
2.1 レシーバーDNAの3’末端がナノポアに近接して結合しており、レシーバーオリゴヌクレオチドの5’末端がトポイソメラーゼ連結部位を含む方法2であって、工程(iv)の後に、第1の付加チャンバーを洗い流し、新しいトポイソメラーゼ装填ドナーオリゴヌクレオチドを第1の付加チャンバーに提供することにより、さらなるオリゴヌクレオチドをレシーバーDNAの5’末端に付加することを含み、ここで、新しいドナーオリゴヌクレオチドは、以前のドナーオリゴヌクレオチドとは異なる情報配列を有し;新しいドナーオリゴヌクレオチドがレシーバーDNAに付加されるのが望ましい場合、レシーバー核酸の5’末端を第1のチャンバーに引き戻し、工程(i)~(iii)を繰り返し、または、それが望ましくない場合、所望のドナーオリゴヌクレオチドが第1のチャンバーに提供されるまで、レシーバーDNAを第2のチャンバーに留まらせる、方法2。
For example, the present invention provides the following:
2.1
2.2 複数のレシーバーDNA分子が独立して並行して合成され、それらが第1のチャンバーに存在するか否かを別々に制御することにより、異なる配列を有するDNA分子が得られるようにする、上述のいずれかの方法。 2.2 Any of the above methods, in which multiple receiver DNA molecules are synthesized independently and in parallel, and their presence or absence in the first chamber is separately controlled to obtain DNA molecules with different sequences.
2.3 それぞれ3’末端でナノポアに近接する表面に結合した複数のレシーバーDNA分子が独立して合成され、各ナノポアが電極対を伴い、電極対の一方の電極がナノポアの一方の末端に近接した位置にあり、他方の電極がナノポアの他方の末端に近接した位置にあり、電極対により与えられる電流により各レシーバーDNA分子を第1のチャンバーと第2のチャンバーの間で独立して動かせるようにする、上述のいずれかの方法。 2.3 Any of the above methods, in which multiple receiver DNA molecules are independently synthesized, each attached at its 3' end to a surface proximate to a nanopore, and each nanopore is associated with an electrode pair, one electrode of the electrode pair being positioned proximate to one end of the nanopore and the other electrode being positioned proximate to the other end of the nanopore, such that a current provided by the electrode pair can independently move each receiver DNA molecule between the first and second chambers.
2.4 サイクルの工程(i)で使用されるドナーオリゴヌクレオチドが、各サイクルで第1の情報配列を含むドナーオリゴヌクレオチドと第2の情報配列を含むドナーオリゴヌクレオチドの間で交互になる、上述のいずれかの方法。 2.4 Any of the above methods, wherein the donor oligonucleotides used in step (i) of the cycle alternate between a donor oligonucleotide containing a first information sequence and a donor oligonucleotide containing a second information sequence in each cycle.
2.5 レシーバーDNAの5’末端を第1の付加チャンバーに戻して同じ情報配列を有するオリゴヌクレオチドを付加することにより、または、レシーバーDNAの5’末端を、3’末端でトポイソメラーゼに結合したドナーオリゴヌクレオチドを有する第2の付加チャンバーに移動させることにより(ここで、第2の付加チャンバー中のドナーオリゴヌクレオチドは、第1の付加チャンバー中のドナーオリゴヌクレオチドとは異なる情報配列を有する)、さらなるオリゴヌクレオチドをレシーバーDNAの5’末端に付加する工程を含む、方法2。
2.5
2.6 ドナーオリゴヌクレオチドが以下の構造:
を有する、上述のいずれかの方法。
2.6 The donor oligonucleotide has the structure:
Any of the methods described above, comprising:
2.7 ドナーオリゴヌクレオチドがヘアピン構造を有する上述のいずれかの方法、例えば、上下の鎖のNNNNN基が結合している2.6。 2.7 Any of the above methods in which the donor oligonucleotide has a hairpin structure, e.g., 2.6 in which the NNNNN groups of the top and bottom strands are linked.
2.8 トポイソメラーゼ装填オリゴヌクレオチドの少なくとも1つが、以下の構造:
2.9 トポイソメラーゼ装填オリゴヌクレオチドの少なくとも1つが、以下の構造:
2.10 トポイソメラーゼ装填オリゴヌクレオチドを用いる、上述のいずれかの方法。
2.11 オリゴヌクレオチドがナノポアを通過する際の電圧、電流、抵抗、静電容量および/またはインピーダンスの変化を検出することにより、合成されたDNAの配列を各サイクルに続いて決定する、上述のいずれかの方法。
2.10 Any of the methods described above using a topoisomerase-charged oligonucleotide.
2.11 Any of the methods described above, wherein the sequence of the synthesized DNA is determined following each cycle by detecting changes in voltage, current, resistance, capacitance and/or impedance as the oligonucleotide passes through the nanopore.
2.12 DNAの合成が、緩衝液、例えば、pH7~8.5、例えば約pH8とするためのバッファー、例えば、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)、適当な酸、および、場合によりキレーター、例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)を含むバッファー、例えば、Trisベース、酢酸およびEDTAの混合物を含むTAEバッファー、または、Trisベース、ホウ酸およびEDTAの混合物を含むTBEバッファーを含む溶液中で;例えば、10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl、または、例えば、50mM酢酸カリウム、20mM Tris-アセテート、10mM酢酸マグネシウムを含む溶液(pH7.9@25℃)中で起こる、上述のいずれかの方法。
2.12 Any of the above methods, wherein DNA synthesis occurs in a buffer, e.g., a buffer to pH 7-8.5, e.g., about
2.13 DNAをナノチップから取り出すことをさらに含む、上述のいずれかの方法。
上述のいずれかの方法。
2.13 Any of the above methods, further comprising removing the DNA from the nanotip.
Any of the methods mentioned above.
2.14 かくして合成されたDNAを増幅することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 2.14 Any of the above methods, further comprising amplifying the DNA thus synthesized.
2.15 DNAをナノチップから取り出し、DNAを結晶化することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 2.15 Any of the above methods, further comprising removing the DNA from the nanochip and crystallizing the DNA.
2.16 例えば参照により本明細書に組み込むUS8283165B2に記載されている通り、DNAを含む溶液を、1以上のバッファー(例えば、ホウ酸バッファー)、抗酸化剤、湿潤剤、例えばポリオール、および、場合によりキレート剤と共に乾燥させること;または、核酸とポリマー、例えば、ポリ(エチレングリコール)-ポリ(l-リジン)(PEG-PLL)AB型ブロックコポリマーとの間にマトリックスを形成することなどにより、核酸を安定化することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 2.16 Any of the above methods further comprising drying the solution containing the DNA with one or more buffers (e.g., borate buffer), antioxidants, humectants such as polyols, and optionally chelating agents, as described, for example, in US 8,283,165 B2, which is incorporated herein by reference; or stabilizing the nucleic acid, such as by forming a matrix between the nucleic acid and a polymer, such as poly(ethylene glycol)-poly(l-lysine) (PEG-PLL) AB type block copolymer.
2.17 DNA中のニックを封じるリガーゼおよびATPを提供することを含む、上述のいずれかの方法[NB:トポイソメラーゼ連結は、一方の鎖のみを連結する]。 2.17 Any of the methods described above, including providing ATP and a ligase that seals nicks in the DNA [NB: topoisomerase ligation ligates only one strand].
2.18 トポイソメラーゼを装填されたドナーオリゴヌクレオチドが、トポイソメラーゼを有する鎖と相補的な鎖に5’オーバーハングを含み、ポリイノシン配列を含む、上述のいずれかの方法[NB:イノシンは「普遍的塩基」として作用し、他のいかなる塩基とも対になる]。 2.18 Any of the methods described above, wherein the topoisomerase-loaded donor oligonucleotide contains a 5' overhang on the strand complementary to the topoisomerase-bearing strand and contains a polyinosine sequence [NB: inosine acts as a "universal base" and will pair with any other base].
2.19 制限酵素が、単一の塩基(「付加」されている塩基)以外の付加されたDNAを全て切り離せるIIS型制限酵素である、上述のいずれかの方法。 2.19 Any of the above methods, in which the restriction enzyme is a type IIS restriction enzyme that can cleave off all of the added DNA except for a single base (the "added" base).
2.20 トポイソメラーゼが、ワクシニアトポイソメラーゼおよびSVFトポイソメラーゼIから選択される、上述のいずれかの方法。 2.20 Any of the above methods, wherein the topoisomerase is selected from vaccinia topoisomerase and SVF topoisomerase I.
2.21 ワクシニアトポイソメラーゼ((C/T)CCTTを認識する)を使用してdTTPヌクレオチドを付加し、SVFトポイソメラーゼI(CCCTGを認識する)を使用してdGTPヌクレオチドを付加し、例えばバイナリコード情報を提供する、上述のいずれかの方法。 2.21 Any of the methods described above, wherein vaccinia topoisomerase (which recognizes (C/T)CCTT) is used to add dTTP nucleotides and SVF topoisomerase I (which recognizes CCCTG) is used to add dGTP nucleotides, e.g., to provide binary code information.
2.22 保存チャンバーがさらにリガーゼおよびATPを含み、トポイソメラーゼにより連結されなかったDNA鎖を修復する、上述のいずれかの方法。 2.22 Any of the above methods, wherein the storage chamber further contains a ligase and ATP to repair DNA strands not ligated by the topoisomerase.
2.23 遊離のトポイソメラーゼのDNAオリゴマーへの結合および活性を抑制するトポイソメラーゼ阻害剤の使用を含み、例えば、阻害剤がノボビオシンおよびクーママイシンから選択される、上述のいずれかの方法。 2.23 Any of the above methods, including the use of a topoisomerase inhibitor that inhibits the binding and activity of free topoisomerase to DNA oligomers, e.g., the inhibitor is selected from novobiocin and coumermycin.
2.24 かくして提供されるDNA鎖が、チミジン(T)ヌクレオシドおよびデオキシグアニジン(G)ヌクレオシドを含む配列を有する、上述のいずれかの方法。 2.24 Any of the above methods, wherein the DNA strand thus provided has a sequence that includes thymidine (T) nucleosides and deoxyguanidine (G) nucleosides.
2.25 トポイソメラーゼが単一の塩基を付加するが、トポイソメラーゼにより付加された塩基から5’方向の1つのヌクレオチドである位置で制限酵素が切断する、上述のいずれかの方法。 2.25 Any of the above methods in which the topoisomerase adds a single base, but the restriction enzyme cuts at a position that is one nucleotide 5' from the base added by the topoisomerase.
2.26 かくして提供されたDNA鎖が、「TT」および「TG」ジヌクレオチドの配列を含む配列を有する、上述のいずれかの方法。 2.26 Any of the above methods, wherein the DNA strand thus provided has a sequence that includes the sequences of "TT" and "TG" dinucleotides.
2.27 単一のヌクレオチドを3’から5’への方向で付加することによりDNA分子を合成する方法であって、(i)5’保護形態の所望のヌクレオチドがDNAの5’末端に付加されるように、DNA分子を、5’保護形態、例えば5’リン酸化形態の所望のヌクレオチドを装填されたトポイソメラーゼと反応させること、次いで、(ii)ホスファターゼ酵素を使用して、かくして形成されたDNAの5’末端を脱保護すること、および、所望のヌクレオチド配列が得られるまで、工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む、上述のいずれかの方法。 2.27 Any of the above methods for synthesizing a DNA molecule by adding a single nucleotide in the 3' to 5' direction, comprising: (i) reacting the DNA molecule with a topoisomerase charged with a desired nucleotide in 5' protected form, e.g., 5' phosphorylated form, such that the desired nucleotide in 5' protected form is added to the 5' end of the DNA; then (ii) deprotecting the 5' end of the DNA thus formed using a phosphatase enzyme; and repeating steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence is obtained.
2.28 オリゴマーを3’から5’への方向で付加することによりDNA分子を合成する方法であって、(i)DNA分子を、所望のオリゴマーを装填されたトポイソメラーゼと反応させ、それにより、オリゴマーをDNA分子に連結させること、次いで、(ii)制限酵素を使用して、トポイソメラーゼに媒介されるさらなるオリゴマーの連結のために5’部位を提供すること、および、所望のヌクレオチド配列が得られるまで、工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む、上述のいずれかの方法。
2.29 記載される方法Aに準じる方法である、上述のいずれかの方法。
2.28 Any of the methods described above for synthesizing a DNA molecule by adding oligomers in the 3' to 5' direction, comprising: (i) reacting the DNA molecule with a topoisomerase charged with a desired oligomer, thereby ligating the oligomer to the DNA molecule; and then (ii) using a restriction enzyme to provide a 5' site for topoisomerase-mediated ligation of an additional oligomer; and repeating steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence is obtained.
2.29 Any of the methods described above, which is a method similar to method A described above.
合成反応の生成物を、検出し、品質管理の目的で調査し、ポリマーにコードされたデータを抽出するために読み取ることができる。例えば、DNAを常套の手段で増幅し、配列決定し、ナノポアの配列決定の頑健性を確認し得る。 The products of the synthesis reaction can be detected, interrogated for quality control purposes, and read to extract the data encoded in the polymer. For example, the DNA can be amplified and sequenced by conventional means to confirm the robustness of the nanopore sequencing.
他の実施態様では、本発明は、トポイソメラーゼ結合部位、情報配列(例えば、少なくとも2つの異なる配列から選択され、例えば、バイナリコードで、一方の配列が「0」に、他方が「1」に対応する)、および、制限酵素により切断されるとトポイソメラーゼ連結部位を与える制限部位を含む、例えば、以下の配列:
を含む、オリゴヌクレオチドを提供する。
In another embodiment, the invention provides a method for the preparation of a nucleic acid sequence comprising a topoisomerase binding site, an information sequence (e.g., selected from at least two different sequences, e.g., one sequence corresponding to "0" and the other to "1" in binary code), and a restriction site that provides a topoisomerase linkage site upon cleavage with a restriction enzyme, e.g., the following sequence:
The present invention provides an oligonucleotide comprising:
他の実施態様では、本発明は、トポイソメラーゼを装填されたオリゴヌクレオチドであって、トポイソメラーゼ結合部位、情報配列(例えば、少なくとも2つの異なる配列から選択され、例えば、バイナリコードで、一方の配列が「0」に、他方が「1」に対応する)、および、制限酵素により切断されるとトポイソメラーゼ連結部位を与える制限部位を含むオリゴヌクレオチド;例えば、以下の構造を有するトポイソメラーゼを装填されたオリゴヌクレオチド:
を提供する。
In another embodiment, the invention provides a topoisomerase-loaded oligonucleotide that includes a topoisomerase binding site, an information sequence (e.g., selected from at least two different sequences, e.g., one sequence corresponding to "0" and the other to "1" in binary code), and a restriction site that provides a topoisomerase junction site upon cleavage by a restriction enzyme; e.g., a topoisomerase-loaded oligonucleotide having the following structure:
to provide.
他の実施態様では、本発明は、上記の一本鎖または二本鎖DNA分子であって、一本鎖またはコード配列が、本質的にハイブリダイズしない塩基、例えばアデニンおよびシトシン(AおよびC)からなり、それらが、例えばデータ保存方法における使用のために、バイナリコードに相当する配列で配置されている、DNA分子を提供する。例えば、本発明は、DNAが一本鎖または二本鎖であり、少なくとも1000ヌクレオチド長、例えば、1000~1,000,000ヌクレオチド、例えば、5,000~20,000ヌクレオチド長であり、ヌクレオチドの配列がバイナリコードに対応する、DNA(DNA1);例えば、以下のものを提供する。 In another embodiment, the invention provides a single-stranded or double-stranded DNA molecule as described above, where the single strand or the coding sequence consists essentially of non-hybridizing bases, such as adenine and cytosine (A and C), arranged in a sequence that corresponds to a binary code, for example for use in a data storage method. For example, the invention provides DNA (DNA1), where the DNA is single-stranded or double-stranded and at least 1000 nucleotides long, for example 1000-1,000,000 nucleotides long, for example 5,000-20,000 nucleotides long, and the sequence of nucleotides corresponds to a binary code; for example:
1.1 DNAが一本鎖であるDNA1。
1.2 DNAが二本鎖であるDNA1。
1.1 DNA1, where the DNA is single stranded.
1.2 DNA1, where DNA is double stranded.
1.3 一本鎖またはコード配列中のヌクレオチドが、アデニン、チミンおよびシトシンヌクレオチドから選択され、例えば、アデニンおよびシトシンヌクレオチド、または、チミンおよびシトシンヌクレオチドから選択される、上述のいずれかのDNA。 1.3 Any of the above DNAs, wherein the nucleotides in the single strand or coding sequence are selected from adenine, thymine and cytosine nucleotides, e.g., adenine and cytosine nucleotides, or thymine and cytosine nucleotides.
1.4 一本鎖の形態のときに有意な二次構造を形成しないように、主としてハイブリダイズしないヌクレオチドからなる、上述のいずれかのDNA。 1.4 Any of the above DNAs that are composed primarily of non-hybridizing nucleotides such that they do not form significant secondary structures when in single-stranded form.
1.5 ヌクレオチドが、少なくとも95%、例えば99%、例えば100%、アデニンおよびシトシンヌクレオチドである、上述のいずれかのDNA。 1.5 Any of the above DNAs, wherein the nucleotides are at least 95%, e.g., 99%, e.g., 100%, adenine and cytosine nucleotides.
1.6 連続的な1または0をより容易に読み取れるように、バイナリコードを含むヌクレオチドを分離または分断するために、例えば、1と0、または1と0のグループを分離するために、付加されたヌクレオチドまたはヌクレオチド配列を含む、上述のいずれかのDNA。 1.6 Any of the above DNAs containing added nucleotides or nucleotide sequences to separate or disrupt the nucleotides comprising the binary code, e.g., to separate 1's and 0's or groups of 1's and 0's, so that consecutive 1's or 0's can be more easily read.
1.7 (a)バイナリコードの各ビットが単一のヌクレオチドに対応する、例えば1および0が、各々AまたはCに対応する;または、(b)バイナリコードの各ビットが、1より多いヌクレオチド、例えば2、3または4個のヌクレオチドの連続物、例えば、AAAまたはCCCに対応する、上述のいずれかのDNA。 1.7 Any of the above DNAs, in which (a) each bit of the binary code corresponds to a single nucleotide, e.g., 1 and 0 correspond to A or C, respectively; or (b) each bit of the binary code corresponds to more than one nucleotide, e.g., a sequence of 2, 3 or 4 nucleotides, e.g., AAA or CCC.
1.8 結晶化されている、上述のいずれかのDNA。
1.9 例えば参照により本明細書に組み込むUS8283165B2に記載されている通り、核酸を含む溶液を、1以上のバッファー塩(例えば、ホウ酸バッファー)、抗酸化剤、湿潤剤、例えばポリオール、および、場合により、キレート剤と共に乾燥形態で;かつ/または、核酸とポリマー、例えば、ポリ(エチレングリコール)-ポリ(l-リジン)(PEG-PLL)AB型ブロックコポリマーとの間のマトリックス中に;かつ/または、相補的核酸またはDNAに結合するタンパク質と共に提供される、上述のいずれかのDNA。
1.8 Any of the above DNAs which have been crystallized.
1.9 Any of the above DNAs, wherein the solution containing the nucleic acid is provided in dry form together with one or more buffer salts (e.g. borate buffer), antioxidants, humectants such as polyols, and optionally chelating agents; and/or in a matrix between the nucleic acid and a polymer, e.g. poly(ethylene glycol)-poly(l-lysine) (PEG-PLL) AB type block copolymers; and/or together with a complementary nucleic acid or a protein that binds to the DNA, as described, for example, in US8283165B2, which is incorporated herein by reference.
1.10 記載される方法1または記載される方法2または記載される方法Aのいずれかにより製造された、上述のいずれかのDNA。
1.10 Any of the above DNAs produced by any of the described
ナノチップは、例えば図23~29に示す通りに作製できる。例えば、ある形式では、各ポリマー鎖は2個または4個の付加チャンバーを伴い、2個の付加チャンバーの形式は、ポリマー中にバイナリコードをコードするのに有用であり、4個の付加チャンバーの形式は、カスタムDNA配列を作製するのに特に有用である。各付加チャンバーは、個別に制御可能な電極を含む。付加チャンバーは、バッファー中のポリマーにモノマーを付加する試薬を含む。付加チャンバーは、1以上のナノポアを含む膜により、保存チャンバーから分離されており、それは、複数の付加チャンバーに共通であり得、付加チャンバーで付加された保護モノマーまたはオリゴマーを脱保護する脱保護試薬およびバッファーを含む。ナノチップは、多数のポリマーの並列合成を可能にする複数の付加チャンバーのセットを含む。 The nanochip can be fabricated, for example, as shown in Figures 23-29. For example, in one format, each polymer chain is associated with two or four addition chambers, with the two addition chamber format being useful for encoding binary codes in the polymer, and the four addition chamber format being particularly useful for creating custom DNA sequences. Each addition chamber contains an individually controllable electrode. The addition chambers contain reagents that add monomers to the polymer in a buffer. The addition chambers are separated from the storage chamber by a membrane that contains one or more nanopores, which may be common to multiple addition chambers, and contain deprotection reagents and buffers that deprotect the protected monomers or oligomers added in the addition chamber. The nanochip contains a set of multiple addition chambers that allows for parallel synthesis of multiple polymers.
高帯域幅かつ低ノイズのナノポアセンサーおよび検出電子工学が、単一DNA塩基の分解能を達成するのに重要である。ある種の実施態様では、ナノチップは、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)チップに電気的に連結している。例えば、参照によりその内容を本明細書に組み込む、Uddin, et al., "Integration of solid-state nanopores in a 0.5 μm cmos foundry process", Nanotechnology (2013) 24(15): 155501に記載の通り、固相ナノポアは、CMOSプラットフォーム内に、バイアス電極およびカスタム設計された増幅電子工学の近傍に組み込むことができる。 High bandwidth and low noise nanopore sensor and detection electronics are important to achieve single DNA base resolution. In certain embodiments, the nanotip is electrically coupled to a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) chip. For example, solid-state nanopores can be integrated into a CMOS platform in close proximity to bias electrodes and custom designed amplification electronics, as described in Uddin, et al., "Integration of solid-state nanopores in a 0.5 μm cmos foundry process", Nanotechnology (2013) 24(15): 155501, the contents of which are incorporated herein by reference.
他の実施態様では、本開示は、少なくとも2個の別個のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAを、合成および/または配列決定するためのナノチップ(ナノチップ1)であって、1以上のナノポアを含む膜により分離されている少なくとも第1および第2の反応チャンバーを含み、各反応チャンバーは、荷電ポリマーをチャンバー内に引き出すための1以上の電極を含み、電解質媒体および場合によりモノマーをポリマーに付加するための試薬をさらに含むナノチップを提供し、例えば、以下のものを提供する。 In another embodiment, the present disclosure provides a nanochip (nanochip 1) for synthesizing and/or sequencing a charged polymer, e.g., DNA, comprising at least two distinct monomers, the nanochip comprising at least a first and a second reaction chamber separated by a membrane comprising one or more nanopores, each reaction chamber comprising one or more electrodes for drawing the charged polymer into the chamber, further comprising an electrolyte medium and optionally reagents for adding the monomers to the polymer, e.g., the following:
1.1 ナノポアの直径が2~20nm、例えば2~10nm、例えば2~5nmである、ナノチップ1。
1.1 A
1.2 ナノチップの反応チャンバーの壁の一部または全部が、シリコン材料、例えば、シリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素またはこれらの組合せ、例えば窒化ケイ素を含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.2 Any of the nanotips described above, wherein some or all of the walls of the reaction chamber of the nanotips comprise a silicon material, e.g., silicon, silicon dioxide, silicon nitride, or a combination thereof, e.g., silicon nitride.
1.3 ナノチップの反応チャンバーの壁の一部または全部が、シリコン材料、例えば、シリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素またはこれらの組合せ、例えば窒化ケイ素を含み、ナノポアの一部または全部がイオン照射により作製されたものである、上述のいずれかのナノチップ。 1.3 Any of the nanotips described above, wherein some or all of the walls of the nanotip's reaction chamber comprise a silicon material, e.g., silicon, silicon dioxide, silicon nitride, or a combination thereof, e.g., silicon nitride, and some or all of the nanopores are created by ion bombardment.
1.4 ナノポアの一部または全部が、ポア形成タンパク質のα-ヘモリジンを含む膜、例えば脂質二重膜で構成されている、上述のいずれかのナノチップ。 1.4 Any of the nanochips described above, in which part or all of the nanopore is composed of a membrane, such as a lipid bilayer, that contains the pore-forming protein α-hemolysin.
1.5 反応チャンバーの壁の一部または全部が、試薬との相互作用を最小にするために被覆されている、例えば、ポリエチレングリコールなどのポリマーで、または、ウシ血清アルブミンなどのタンパク質で被覆されている、上述のいずれかのナノチップ。 1.5 Any of the nanochips described above, wherein some or all of the walls of the reaction chamber are coated to minimize interaction with reagents, for example coated with a polymer such as polyethylene glycol or with a protein such as bovine serum albumin.
1.6 電解質媒体を含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.7 pH7~8.5、例えば約pH8とするためのバッファー、例えば、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)、適当な酸、および、場合によりキレーター、例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)を含むバッファー、例えば、Trisベース、酢酸およびEDTAの混合物を含むTAEバッファー、または、Trisベース、ホウ酸およびEDTAの混合物を含むTBEバッファーを含む溶液中で;例えば、10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl、または、例えば、50mM酢酸カリウム、20mM Tris-アセテート、10mM酢酸マグネシウムを含む溶液(pH7.9@25℃)などのバッファーを含む電解質媒体を含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.6 Any of the nanotips described above, including an electrolyte medium.
1.7 Any of the above nanotips comprising an electrolyte medium comprising a buffer to pH 7-8.5, e.g., about
1.8 モノマーをポリマーに付加するための試薬を含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.8 Any of the nanotips described above, comprising a reagent for adding a monomer to a polymer.
1.9 ポリマーの合成(例えば、モノマーまたはモノマーのグループを連続的にポリマーに付加することによる「書き込み」)および配列決定(例えば、モノマーがナノポアを通過する際の電流および/またはインダクタンスの変化を測定することによる「読み取り」)の両方が可能である、上述のいずれかのナノチップ。 1.9 Any of the nanotips described above capable of both polymer synthesis (e.g., "writing" by sequentially adding monomers or groups of monomers to a polymer) and sequencing (e.g., "reading" by measuring the change in current and/or inductance as a monomer passes through a nanopore).
1.10 例えば、ナノポアを流れる電流が電解質媒体を介してナノポアを通って確立され得るように、例えば、電流がナノポアを通してポリマーを引き出すことができ、ポリマーがナノポアを通過する際、ナノポアにかかる電位の変化を測定し得、ポリマー内のモノマーの配列を同定するのに使用し得るように、1以上のナノポアを含む膜が両側に金属表面を含み、金属表面は、絶縁体、例えば窒化ケイ素膜により分離されており、金属表面は、例えばリソグラフィーの手段により、各ナノポアの各末端に電極をもたらすように形成されている、上述のいずれかのナノチップ。 1.10 Any of the nanochips described above, wherein the membrane containing one or more nanopores includes metal surfaces on either side, separated by an insulator, e.g., a silicon nitride membrane, and the metal surfaces are formed, e.g., by means of lithography, to provide electrodes at each end of each nanopore, e.g., such that a current through the nanopore can be established through the nanopore via an electrolyte medium, e.g., a current can be drawn through the nanopore and a change in electrical potential across the nanopore as the polymer passes through the nanopore can be measured and used to identify the sequence of monomers within the polymer.
1.11 DNAである荷電ポリマーを含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.12 一本鎖DNA(ssDNA)である荷電ポリマーを含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.11 Any of the nanotips described above, comprising a charged polymer that is DNA.
1.12 Any of the nanotips described above, comprising a charged polymer that is single stranded DNA (ssDNA).
1.13 予め決定された制限部位を含むDNAである荷電ポリマーを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.13 Any of the nanochips described above, comprising a charged polymer that is DNA containing a predetermined restriction site.
1.14 DNAである荷電ポリマーを含み、DNAが上記のDNA1に記載のDNAである、上述のいずれかのナノチップ。 1.14 Any of the nanochips described above, comprising a charged polymer that is DNA, the DNA being the DNA described in DNA1 above.
1.15 DNAである荷電ポリマーを含み、DNAが少なくとも95%、例えば99%、例えば100%のアデニンおよびシトシンを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.15 Any of the nanochips described above, comprising a charged polymer that is DNA, the DNA comprising at least 95%, e.g., 99%, e.g., 100% adenines and cytosines.
1.16 DNAである荷電ポリマーを含み、DNAがアデニンおよびシトシンのみを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.16 Any of the nanochips described above, comprising a charged polymer that is DNA, the DNA containing only adenine and cytosine.
1.17 バッファーおよび試薬の導入および洗い流しを可能にする1以上のポートを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.17 Any of the nanochips described above, comprising one or more ports allowing for the introduction and washing away of buffers and reagents.
1.18 緩衝液、例えば、pH7~8.5、例えば約pH8とするためのバッファー、例えば、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)、適当な酸、および、場合によりキレーター、例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)を含むバッファー、例えば、Trisベース、酢酸およびEDTAの混合物を含むTAEバッファー、または、Trisベース、ホウ酸およびEDTAの混合物を含むTBEバッファーを含む溶液;例えば、10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl、または、例えば、50mM酢酸カリウム、20mM Tris-アセテート、10mM酢酸マグネシウムを含む溶液(pH7.9@25℃)を含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.18 Any of the nanotips described above, including a buffer, e.g., a buffer to pH 7-8.5, e.g., about
1.19 保存およびその後の再水和のために凍結乾燥されているか、または、凍結乾燥することができる、例えば、ナノチップの構造が、水和性または水透過性ポリマーを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.19 Any of the nanochips described above that have been or can be lyophilized for storage and subsequent rehydration, e.g., the nanochip structure includes a hydratable or water-permeable polymer.
1.20 例えば、ナノチップの構造が、水和性または水透過性ポリマーを含み、一度書き込みプロセスが完了したら、使用に先立ち水和され、場合により、長期保存のために凍結乾燥される、乾燥形態で合成される上述のいずれかのナノチップ。 1.20 Any of the above nanochips that are synthesized in a dry form, for example where the nanochip structure comprises a hydratable or water-permeable polymer, and once the writing process is complete, are hydrated prior to use, and optionally lyophilized for long-term storage.
1.21 荷電ポリマー、例えばDNAが、ヒストンで安定化されている、上述のいずれかのナノチップ。
1.22 内表面が正に荷電されている、上述のいずれかのナノチップ。
1.21 Any of the above mentioned nanotips, wherein the charged polymer, e.g. DNA, is stabilized with histones.
1.22 Any of the above nanotips, wherein the inner surface is positively charged.
1.23 電極が、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz~1GHz、例えば50~200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにかけることができる容量回路に、作動可能に連結されており、例えば、脈流直流電流が荷電ポリマーをナノポアを通して引き出すことができ、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を決定できる、上述のいずれかのナノチップ。 1.23 Any of the nanochips described above, wherein the electrodes are operably connected to a capacitive circuit capable of applying a radio frequency pulsating direct current to the nanopore, e.g., at a frequency of 1 MHz to 1 GHz, e.g., 50 to 200 MHz, e.g., about 100 MHz, such that, e.g., the pulsating direct current can draw a charged polymer through the nanopore and the monomer sequence can be determined by measuring the capacitance fluctuations of the nanopore as the charged polymer passes through the nanopore.
1.24 付加チャンバーの1つにおけるモノマーまたはオリゴマーの付加後に、ポリマーを脱保護するための試薬を含む保存チャンバーまたは脱ブロック化剤チャンバーを含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.25 複数の付加チャンバーの対を含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.24 Any of the nanotips described above comprising a storage chamber or deblocking agent chamber containing a reagent for deprotecting the polymer after addition of a monomer or oligomer in one of the addition chambers.
1.25 Any of the nanochips described above, comprising a plurality of pairs of additional chambers.
1.26 例えば図24に記載の、ウエハー接合によって接合された電気制御層、フルイディクス層および電気的アース層を含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.26 Any of the nanochips described above, including an electrical control layer, a fluidics layer and an electrical ground layer bonded together by wafer bonding, e.g., as shown in FIG. 24.
1.27 ナノポアが、FIB、TEM、ウェットエッチングもしくはドライエッチングを用いて穿孔することによって作成される、上述のいずれかのナノチップ。 1.27 Any of the above nanotips, wherein the nanopore is created by drilling using FIB, TEM, wet etching or dry etching.
1.28 ナノポアを含む膜が1原子層から30nmの厚さである、上述のいずれかのナノチップ。 1.28 Any of the nanotips described above, wherein the membrane containing the nanopore is between one atomic layer and 30 nm thick.
1.29 ナノポアを含む膜が、SiN、BN、SiOx、グラフェン、遷移金属ジカルコゲナイド、例えばWS2またはMoS2で作られたものである、上述のいずれかのナノチップ。 1.29 Any of the nanotips described above, wherein the membrane containing the nanopore is made of SiN, BN, SiOx, graphene, a transition metal dichalcogenide, such as WS2 or MoS2 .
1.30 金属またはポリシリコンで作られた配線を含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.30 Any of the above nanochips containing wiring made of metal or polysilicon.
1.31 配線の密度が、誘電成膜(例えば、PECVD、スパッタリング、ALDなどによる)によって与えられる電気的遮蔽を伴う3次元スタッキングによって増大する、上述のいずれかのナノチップ。 1.31 Any of the above nanotips in which the density of wiring is increased by three-dimensional stacking with electrical shielding provided by dielectric deposition (e.g., by PECVD, sputtering, ALD, etc.).
1.32 付加チャンバーにおける電極との接触が、深堀り反応性イオンエッチング(DRIE)によるシリコン貫通電極(TSV)を用いて、例えば、クライオ処理またはBOSCH処理を用いて、または、ウェットシリコンエッチングによりなされる、上述のいずれかのナノチップ。 1.32 Any of the above nanotips, wherein contact with an electrode in an additional chamber is made using a through-silicon via (TSV) by deep reactive ion etching (DRIE), e.g., by cryo-processing or BOSCH processing, or by wet silicon etching.
1.33 各付加チャンバーの電極の個別の電圧制御が、各付加チャンバーの電極を個別に制御およびモニターすることを可能にする、上述のいずれかのナノチップ。 1.33 Any of the nanochips described above, wherein individual voltage control of the electrodes of each additional chamber allows the electrodes of each additional chamber to be individually controlled and monitored.
1.34 各ポリマーが第1の付加チャンバー、第2の付加チャンバーおよび脱ブロック化チャンバーを伴う、上述のいずれかのナノチップ。 1.34 Any of the nanotips described above, wherein each polymer has a first addition chamber, a second addition chamber and a deblocking chamber.
1.35 1以上のチャンバーに流体のフローがある、上述のいずれかのナノチップ。
1.36 1以上のチャンバーが流体的に分離されている、上述のいずれかのナノチップ。
1.37 脱ブロック化チャンバーに流体のフローがある、上述のいずれかのナノチップ。
1.38 付加チャンバーに共通の流体のフローがある、上述のいずれかのナノチップ。
1.35 Any of the above nanochips, wherein one or more chambers have fluid flow.
1.36 Any of the above nanochips, wherein one or more chambers are fluidly separated.
1.37 Any of the nanotips described above, wherein the deblocking chamber has a fluid flow.
1.38 Any of the nanochips described above, wherein the additional chambers have a common fluid flow.
1.39 チャンバー間の配線が、類似する種類のチャンバーで(例えば、第1の付加チャンバーで、第2の付加チャンバーで、脱チャンバーで)共通である、上述のいずれかのナノチップ。 1.39 Any of the nanochips described above, in which the wiring between chambers is common to chambers of similar types (e.g., first additional chamber, second additional chamber, degassing chamber).
1.40 付加チャンバーが個別の電圧制御を有し、脱ブロック化チャンバーが共通の電気的アースを有する、上述のいずれかのナノチップ。 1.40 Any of the nanotips described above, wherein the loading chamber has separate voltage control and the deblocking chamber has a common electrical ground.
1.41 脱ブロック化チャンバーが個別の電圧制御を有し、第1の付加チャンバーが共通の電気的アースを有し、第2の付加チャンバーが共通の電気的アースを有する、上述のいずれかのナノチップ。 1.41 Any of the nanotips described above, wherein the deblocking chambers have separate voltage controls, the first additional chamber has a common electrical ground, and the second additional chamber has a common electrical ground.
1.42 ナノチップがウエハー接合によって作製され、チャンバーが接合に先立ち所望の試薬で予め満たされる、上述のいずれかのナノチップ。
1.43 1以上の内部表面がシラン処理されている、上述のいずれかのナノチップ。
1.42 Any of the above nanotips, wherein the nanotips are fabricated by wafer bonding and the chambers are pre-filled with the desired reagents prior to bonding.
1.43 Any of the above nanotips, wherein one or more internal surfaces are silanized.
1.44 流体の導入または除去のための1以上のポートを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.44 Any of the nanochips described above, including one or more ports for the introduction or removal of fluids.
1.45 チャンバー内の電極が荷電ポリマーとの直接的接触を制限されている、例えば、ナノポアに隣接する表面に結合した荷電ポリマーが到達できないほど、電極がナノポアから離れて配置されている、または、水および単一原子のイオン(例えば、Na+、K+およびCl-イオン)を通過させるが、ポリマーまたはポリマーに加わるべきモノマーまたはオリゴマー試薬は通過させない物質により電極が保護されている、上述のいずれかのナノチップ。 1.45 Any of the nanotips described above in which the electrodes in the chamber have limited direct contact with the charged polymer, e.g., the electrodes are positioned far enough away from the nanopore that they cannot be reached by charged polymers bound to the surface adjacent to the nanopore, or the electrodes are protected by a material that allows the passage of water and single-atom ions (e.g., Na+, K+ and Cl- ions) but not the polymer or monomeric or oligomeric reagents that are to join the polymer.
1.46 相補型金属酸化膜半導体(CMOS)チップに電気的に連結している、上述のいずれかのナノチップ。 1.46 Any of the above nanochips electrically coupled to a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) chip.
例えば、ある実施態様では、本発明は、少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAの配列決定のために、ナノチップ、例えば、上記ナノチップ1のいずれかに記載のナノチップを提供し、ナノチップは、電解質媒体を含み、1以上のナノポアを含む膜により分離されている、少なくとも第1および第2の反応チャンバーを含み、各反応チャンバーは、膜の反対側に配置された少なくとも1対の電極を含み、電極は、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz~1GHz、例えば50~200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにもたらすことができる容量回路に作動可能に連結されており、例えば、脈流直流電流は、荷電ポリマーをナノポアを通して引き出すことができ、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を読み取ることができる。
For example, in one embodiment, the present invention provides a nanochip, e.g., any of the nanochips described above in
他の実施態様では、本発明は、少なくとも2つの異なる種類のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNA分子のモノマー配列を読み取る方法を提供し、その方法は、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz~1GHz、例えば50~200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにかけ、脈流直流電流が、荷電ポリマーをナノポアを通して引き出し、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を読み取ることを含む。 In another embodiment, the invention provides a method for reading the monomer sequence of a charged polymer, e.g., a DNA molecule, comprising at least two different types of monomers, the method comprising applying a radio frequency pulsating direct current to a nanopore, e.g., at a frequency of 1 MHz to 1 GHz, e.g., 50 to 200 MHz, e.g., about 100 MHz, whereby the pulsating direct current draws the charged polymer through the nanopore, and reading the monomer sequence by measuring the capacitance fluctuation of the nanopore as the charged polymer passes through the nanopore.
他の実施態様では、本発明は、情報を保存するための方法における上記DNA1の使用を提供する。 In another embodiment, the present invention provides the use of DNA1 as described above in a method for storing information.
他の実施態様では、本発明は、情報を保存するための方法における一本鎖DNAの使用を提供し、この方法では、例えば、配列は実質的に自己ハイブリダイズしない。 In another embodiment, the invention provides the use of single-stranded DNA in a method for storing information, where, for example, the sequence is substantially non-self-hybridizing.
他の実施態様では、本発明は、データ保存方法およびデバイスを提供し、これは、例えば、上記方法1および/または2のいずれかに従って、少なくとも2つの異なる種類のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAを作製するために、ナノチップ、例えば、上記ナノチップ1のいずれかを使用し、モノマーまたはオリゴマーがバイナリコードに対応する順番で配列される。
In another embodiment, the invention provides a data storage method and device, which uses a nanochip, e.g., any of
例えば、ある実施態様では、かくして合成されたポリマーを含むナノチップは、ナノチップを活性化することができ、ポリマーをナノチップに通過させることによりポリマーの配列をいつでも検出できるので、データ保存デバイスを提供する。他の実施態様では、ポリマーはナノチップから取り出され、または、増幅され、増幅されたポリマーがナノチップから取り出され、必要なときまで保存され、常套のシークエンサー、例えば、常套のナノポア配列決定デバイスにより、読み取られる。 For example, in one embodiment, a nanochip containing the polymers thus synthesized provides a data storage device since the nanochip can be activated and the sequence of the polymer can be detected at any time by passing the polymer through the nanochip. In other embodiments, the polymer can be removed from the nanochip or amplified, and the amplified polymer can be removed from the nanochip and stored until needed and read by a conventional sequencer, e.g., a conventional nanopore sequencing device.
他の実施態様では、本発明は、例えば上記方法1または上記方法2のいずれかに従って上記のDNA1を合成することを含む、情報の保存方法を提供する。
In another embodiment, the present invention provides a method for storing information, comprising synthesizing DNA1 as described above, for example according to either
他の実施態様では、本発明は、本明細書に記載の通りに、ナノポアシークエンサーを使用して、例えば上記ナノチップ1を使用して、例えば上記DNA1にコードされているバイナリコードを読み取る方法を提供する。
In another embodiment, the invention provides a method for reading a binary code, e.g., encoded in
荷電ポリマーを分解する酵素、例えば、DNAを加水分解するデオキシリボヌクレアーゼ(DNase)を使用して、ナノチップが消去される、上述のいずれかの方法。 Any of the above methods, wherein the nanotip is erased using an enzyme that breaks down the charged polymer, e.g., deoxyribonuclease (DNase) that hydrolyzes DNA.
実施例
実施例1-ナノポアに隣接するDNAの一方の末端の固定、および、電流によるDNAの前進および後退の制御
DNAが、関連するタンパク質がチャンバー間を移動しない条件下で、ナノポアで分離された2つのチャンバーの間を電流により行き来することを立証するために、実験手順を開発した。
EXAMPLES Example 1 - Anchoring one end of DNA adjacent to a nanopore and controlling forward and backward movement of DNA by electric current An experimental procedure was developed to demonstrate that DNA can be moved back and forth between two chambers separated by a nanopore by electric current under conditions in which the associated protein does not move between the chambers.
2つのチャンバーを含むナノチップを窒化ケイ素から作製した。<4nm(dsDNAまたはssDNA)および2nm(ssDNAのみ)のナノポアを、Briggs K, et al. Automated fabrication of 2-nm solid-state nanopores for nucleic acid analysis, Small (2014)10(10):2077-86 に記載の通りに調製した。2つのチャンバーを「遠い」チャンバーおよび「近い」チャンバーと称し、遠いチャンバーは、DNAの3’末端が結合しているチャンバーである。 Nanochips containing two chambers were fabricated from silicon nitride. 4 nm (dsDNA or ssDNA) and 2 nm (ssDNA only) nanopores were prepared as described in Briggs K, et al. Automated fabrication of 2-nm solid-state nanopores for nucleic acid analysis, Small (2014)10(10):2077-86. The two chambers are referred to as the "far" and "near" chambers, with the far chamber being the chamber to which the 3' end of the DNA is attached.
ssDNA(2nmポア)およびssDNA+dsDNA(4nmポア)はナノポアを通過するが、タンパク質はしないことが示される。ナノポアの通過は、電流の混乱により検出される。 It is shown that ssDNA (2 nm pore) and ssDNA + dsDNA (4 nm pore) pass through the nanopore, but proteins do not. Nanopore passage is detected by a disruption in the current.
ポア表面へのDNAの結合:5’アミノ修飾DNAを、カルボジイミドに媒介される結合により、カルボキシ被覆されたポリスチレンビーズ(Fluoresbrite(登録商標)BB Carboxylate Microspheres 0.05μm、Polysciences, Inc.)に結合させる。DNAの3’をビオチンで標識する。DNAは、予め特定した長さのものである。 Attachment of DNA to the pore surface: 5' amino modified DNA is attached to carboxy coated polystyrene beads (Fluoresbrite® BB Carboxylate Microspheres 0.05 μm, Polysciences, Inc.) by carbodiimide mediated attachment. The DNA is 3' labeled with biotin. The DNA is of a pre-specified length.
ストレプトアビジン結合: Arafat, A. Covalent Biofunctionalization of Silicon Nitride Surfaces. Langmuir (2007) 23 (11): 6233-6244 に記載の通り、結合は、窒化ケイ素ナノポアコンジュゲートストレプトアビジンの「遠い」側で、その表面に対して行った。 Streptavidin binding: Binding was performed on the "far" side of the silicon nitride nanopore-conjugated streptavidin surface as described in Arafat, A. Covalent Biofunctionalization of Silicon Nitride Surfaces. Langmuir (2007) 23 (11): 6233-6244.
ナノポアに近いDNAの固定:バッファー中のDNA結合ポリスチレンビーズを、「近い」チャンバーに添加し、バッファーを「遠い」チャンバーに添加する(標準バッファー:10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl)。電流の混乱が観察されるまで電圧(約100mV)をかける(Axon Nanopatch200B パッチクランプ増幅器を使用)。50nmのビーズはナノポアを通過できず、よって、DNA鎖が通り過ぎ、ビーズがナノポアの末端に押しつけられるときに、電流が大きく乱れる。DNAが、ビオチンの結合により、遠い側に固定されたストレプトアビジンに不可逆的に結合するまで、電流を1~2分間維持する。DNAが固定されたことを確認するために、電流を逆にする。DNAがポアの中または外にあれば、異なる電流が観察される。DNAが固定されていないことがわかったら、この過程を繰り返す。
Immobilization of DNA close to the nanopore: DNA-bound polystyrene beads in buffer are added to the "near" chamber and buffer is added to the "far" chamber (standard buffer: 10
エンドヌクレアーゼによるビーズの解放:制限酵素バッファー中の制限酵素を、DNAが結合しているチャンバーに添加する。ある実施態様では、DNAは一本鎖であり、一本鎖DNAを切断する酵素により切断できる制限部位を含む。例えば、Nishigaki, K., Type II restriction endonucleases cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13(16): 5747-5760 を参照されたい。代替的な実施態様では、相補的オリゴヌクレオチドをDNAが結合しているチャンバーに添加し、30分間ハイブリダイズさせ、dsDNAを創出し、次いで、制限酵素を添加する。ビーズが解放されたら、それを洗い流す。電流を前後に切り換え、DNAがポアを通って出入りすることを確認する。 Release of beads with endonuclease: Restriction enzyme in restriction enzyme buffer is added to the chamber where the DNA is bound. In one embodiment, the DNA is single stranded and contains a restriction site that can be cleaved by an enzyme that cleaves single stranded DNA. See, e.g., Nishigaki, K., Type II restriction endonucleases cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13(16): 5747-5760. In an alternative embodiment, complementary oligonucleotides are added to the chamber where the DNA is bound, hybridized for 30 minutes to create dsDNA, and then the restriction enzyme is added. Once the bead is released, it is washed away. The current is switched back and forth to ensure that the DNA moves in and out through the pore.
前進および後退の制御を立証する:標準バッファーを使用して、シグナルの混乱が観察されるまで、電流を前向きにかけ、DNAが通過した後、「通常」に戻す。シグナルの混乱が観察されるまで、逆の電流をかける。DNAがポアに留まると、シグナルは通常に戻らないことが観察される。前向きおよび逆向きの電流をかけることを数サイクル繰り返し、DNAがナノポアを通って前進および後退することを確認する。 Demonstrate forward and reverse control: Using standard buffer, apply current in the forward direction until disruption of the signal is observed, then return to "normal" after the DNA has passed. Apply reverse current until disruption of the signal is observed. If the DNA remains in the pore, no return to normal of the signal will be observed. Repeat the application of forward and reverse current for several cycles to confirm that the DNA moves forward and backward through the nanopore.
実施例1a:二酸化ケイ素チップにおいてナノポアに隣接してDNAを固定する
ナノチップ内壁を二酸化ケイ素で作製する。両側をシラン処理するが、オリゴヌクレオチドをチップ壁の片側だけに結合させ、次いで、ナノポアを創出する。
Example 1a: Immobilizing DNA adjacent to a nanopore in a silicon dioxide chip The inner nanochip wall is made of silicon dioxide. Both sides are silanized, but oligonucleotides are attached to only one side of the chip wall and then a nanopore is created.
シラン処理:チップ壁の表面を30℃でピラニア溶液(様々な銘柄を購入でき、一般的に、硫酸(H2SO4)と過酸化水素(H2O2)の混合物を含み、表面から有機残渣を除去する)で処理し、再蒸留水で洗浄する。50%メタノール(MeOH)、47.5%APTES、2.5%ナノピュアH2Oで(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン(APTES)の原液を調製し、>1時間、4℃で熟成させた。APTES原液を、次いで、MeOHで1:500に希釈し、室温でチップ壁に適用し、インキュベートする。次いで、チップ壁をMeOHですすぎ、110℃で30分間乾燥させる。 Silanization: The chip wall surface is treated with piranha solution (available in various brands, typically contains a mixture of sulfuric acid ( H2SO4 ) and hydrogen peroxide ( H2O2 ) to remove organic residues from the surface) at 30°C and washed with double distilled water. A stock solution of (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) is prepared in 50% methanol (MeOH), 47.5% APTES, 2.5% nanopure H2O and aged for >1 hour at 4°C. The APTES stock solution is then diluted 1:500 in MeOH and applied to the chip wall at room temperature and incubated. The chip wall is then rinsed with MeOH and dried at 110°C for 30 minutes.
結合:次いで、チップ壁を、ジメチルスルホキシド(DMSO)中の1,4-フェニレンジイソチオシアナート(PDC)の0.5%w/v溶液中、5時間室温でインキュベートする。DMSOで2回軽く洗浄し、再蒸留水で2回軽く洗浄する。次いで、チップ壁を、再蒸留水(pH8)中で100nMアミン修飾一本鎖DNAオリゴマー(約50mers)と終夜37℃でインキュベートする。次いで、チップ壁を28%アンモニア溶液で2回洗浄し、未反応の物質を不活性化し、再蒸留水で2回洗浄する。次いで、1以上のナノポアを壁に創出する。 Binding: The chip walls are then incubated in a 0.5% w/v solution of 1,4-phenylenediisothiocyanate (PDC) in dimethylsulfoxide (DMSO) for 5 hours at room temperature. Briefly wash twice with DMSO and twice with double distilled water. The chip walls are then incubated overnight at 37°C with 100 nM amine-modified single-stranded DNA oligomers (approximately 50 mers) in double distilled water (pH 8). The chip walls are then washed twice with 28% ammonia solution to inactivate unreacted material and twice with double distilled water. One or more nanopores are then created in the wall.
ナノチップの作製が完了したら、内壁を約50bp長のDNAオリゴマーで被覆する。これは、ssDNAを比較的嵩高い構造(例えば、ナノポアを通過できないほど大きな直径を有するビーズ、タンパク質、またはDNAオリガミ構造)に結合させ(ここで、表面に結合したDNAに相補的な配列は、嵩高い構造から離れている)、電流を使用して荷電ポリマーをナノポアを通して引き出し、ssDNAを、ナノポアに隣接する相補的な表面に結合したDNAオリゴマーと結合させ、嵩高い構造を切り離すことにより、表面に結合したDNAに相補的な末端配列を有する一本鎖DNAをナノポアに配置することを可能にする。 Once the nanotip is fabricated, the inner walls are coated with DNA oligomers about 50 bp long. This allows the ssDNA to be attached to a relatively bulky structure (e.g., a bead, protein, or DNA origami structure with a diameter too large to pass through the nanopore) (where the sequence complementary to the surface-bound DNA is away from the bulky structure), and an electric current is used to pull the charged polymer through the nanopore, binding the ssDNA to the complementary surface-bound DNA oligomer adjacent to the nanopore, and detaching the bulky structure, thereby placing a single-stranded DNA in the nanopore with a terminal sequence complementary to the surface-bound DNA.
実施例2:DNA合成-単一のヌクレオチドの付加
適当な電流をかけ、DNAの動きを検出することにより、DNAを「保存」チャンバーに動かす。
Example 2: DNA synthesis - addition of a single nucleotide DNA is moved to a "storage" chamber by applying an appropriate electrical current and detecting the movement of the DNA.
適当なバッファー(50mM酢酸カリウム、20mM Tris-アセテート、10mM酢酸マグネシウム、pH7.9@25℃)中の末端トランスフェラーゼ酵素(TdT, New England Biolabs)、および、可逆的にブロック化されたdATP*を、「付加」チャンバーに添加する。また、バッファーを「保存」チャンバーに添加する。 Terminal transferase enzyme (TdT, New England Biolabs) in an appropriate buffer (50 mM potassium acetate, 20 mM Tris-acetate, 10 mM magnesium acetate, pH 7.9 @ 25°C) and reversibly blocked dATP* are added to the "loading" chamber, and buffer is added to the "storage" chamber.
3’-OHに可逆的なブロック化を有するdNTPを使用して、ヌクレオチドをDNAに付加する。DNA鎖に付加されると、次のdNTPは、ブロック化されたdNTPが脱ブロック化されるまで、付加できない。 Nucleotides are added to DNA using dNTPs that have a reversible block at the 3'-OH. Once added to the DNA strand, the next dNTP cannot be added until the blocked dNTP is deblocked.
脱ブロック化は、化学的または酵素的であり得る。様々なアプローチが利用される:
a.3’O-アリル:アリルは、Ju J, Four-color DNA sequencing by synthesis using cleavable fluorescent nucleotide reversible terminators. Proc Natl Acad Sci U S A. (2006);103(52):19635-40 に記載の通り、水性緩衝液中でPdに触媒される脱アリル化により;または、Shankaraiah G., et al., Rapid and selective deallylation of allyl ethers and esters using iodine in polyethylene-400. Green Chem. (2011)13: 2354-2358 に記載の通り、ポリエチレングリコール-400中のヨウ素(10mol%)を使用することにより、除去される。
Deblocking can be chemical or enzymatic. Various approaches are utilized:
a. 3'O-allyl: Allyls are removed by Pd-catalyzed deallylation in aqueous buffer as described in Ju J, Four-color DNA sequencing by synthesis using cleavable fluorescent nucleotide reversible terminators. Proc Natl Acad Sci US A. (2006);103(52):19635-40; or by using iodine (10 mol%) in polyethylene glycol-400 as described in Shankaraiah G., et al., Rapid and selective deallylation of allyl ethers and esters using iodine in polyethylene-400. Green Chem. (2011)13: 2354-2358.
b.3’O-NH2:US8034923に記載の通り、アミンは、緩衝化されたNaNO2中で除去される。 b. 3'O-NH2: Amines are removed in buffered NaNO2 as described in US8034923.
c.3’-リン酸。リン酸は、エンドヌクレアーゼIV(New England Biolabs)で加水分解される。エンドヌクレアーゼIVにより除去できる他の可能な3’修飾には、ホスホグリコアルデヒドおよびデオキシリボース-5-リン酸が含まれる。 c. 3'-phosphate. The phosphate is hydrolyzed with endonuclease IV (New England Biolabs). Other possible 3' modifications that can be removed by endonuclease IV include phosphoglycaldehyde and deoxyribose-5-phosphate.
d.3’-O-Ac:酢酸は、Ud-Dean, A theoretical model for template-free synthesis of long DNA sequence. Syst Synth Biol (2008) 2:67-73 に記載の通り、酵素的加水分解により除去される。 d. 3'-O-Ac: Acetic acid is removed by enzymatic hydrolysis as described in Ud-Dean, A theoretical model for template-free synthesis of long DNA sequence. Syst Synth Biol (2008) 2:67-73.
次いで、適当な電流をかけ、DNAの動きを検出することにより、DNAを「遠い」チャンバーに動かす。バッファーを交換し、上記a~dに記載の通りに脱ブロック化バッファー/液を加えることにより、DNAを脱保護する。
所望によりプロセスを繰り返し、目的の配列を作製する。
The DNA is then moved to the "far" chamber by applying an appropriate current and detecting the movement of the DNA. The buffer is exchanged and the DNA is deprotected by adding a deblocking buffer/solution as described above in a-d.
The process is repeated as desired to generate the desired sequence.
実施例3:DNA合成:オリゴヌクレオチド塊の付加
二本鎖DNAの3’末端を、4nmの開口部を有するナノポアに隣接して結合させる。DNAの5’末端は、(5’から3’に読んで)CGのオーバーハングを有する。
Example 3: DNA synthesis: addition of oligonucleotide chunks The 3' end of a double stranded DNA is attached adjacent to a nanopore with a 4 nm opening. The 5' end of the DNA has a CG overhang (reading 5' to 3').
以下の通りにオリゴカセットAおよびBを作製する:
コードAおよびコードBは、各々、情報配列を表す。Nは、任意のヌクレオチドを表す。5’配列はトポイソメラーゼ認識部位を含み、3’配列はAcc1制限部位を含む。オリゴをトポイソメラーゼに曝すと、トポイソメラーゼは3’チミジンに結合する:
適当な電流をかけることにより、DNAを「近い」チャンバーに動かし、DNAの動きを検出する。トポイソメラーゼを装填された「コードA」オリゴを、「付加」チャンバーに提供する。適当な電流をかけることにより、DNAを付加チャンバーに動かし、DNAの動きを検出し、その際にコードAオリゴがDNAに結合する。Acc1を「保存」チャンバーに添加し、そこでそれは制限部位を切断し、トポイソメラーゼ連結部位をもたらす。 By applying an appropriate current, the DNA is moved to the "near" chamber and the DNA movement is detected. A topoisomerase-loaded "Code A" oligo is provided to the "addition" chamber. By applying an appropriate current, the DNA is moved to the addition chamber and the DNA movement is detected, whereupon the Code A oligo binds to the DNA. Acc1 is added to the "storage" chamber, where it cleaves the restriction site, resulting in a topoisomerase ligation site.
所望の配列に到達するまでこのプロセスを繰り返し、他の「コードA」または「コードB」を付加する。「保存」チャンバーに新しいAcc1を継続的に添加する必要はないことに留意されたい;コードAまたはコードBから切り換えるときに、「付加」チャンバー中のコードAまたはコードBオリゴを洗い流すだけでよい。 This process is repeated, adding another "Code A" or "Code B" until the desired sequence is reached. Note that it is not necessary to continually add new Acc1 to the "storage" chamber; simply wash out the Code A or Code B oligo in the "addition" chamber when switching from Code A or Code B.
ssDNAのみを通過させるポアで配列決定するために、上記のプロトコールにいくつかの変更が必要である。ssDNAのみが通過する小さいポア(2nm)にdsDNAが遭遇すると、相補鎖が「脱落する」ことが既に知られている。従って、この合成を2nmのポアで行うのなら、正しいdsDNAが他方の側で確実に再形成できるようにしなければならない。このために、「CGAAGGG<コードAまたはB>GTCGACNNNNN」を、近いチャンバーに(制限部位が創成されるように)、「CGAAGGG<コードAまたはB>GT」を遠いチャンバーに(トポ適合部位が生成されるように)加え得る。 To sequence in a pore that only passes ssDNA, some modifications are needed to the above protocol. It is already known that when dsDNA encounters a small pore (2 nm) that only passes ssDNA, the complementary strand "drops out". Therefore, if this synthesis is done in a 2 nm pore, we must ensure that the correct dsDNA can reform on the other side. For this, we can add "CGAAGGG<code A or B>GTCGACNNNNN" to the near chamber (so that a restriction site is created) and "CGAAGGG<code A or B>GT" to the far chamber (so that a topo-compatible site is generated).
上述の方法を詳しく述べると、DNAにコードされた情報を、≧2の連続的付加(データの2ビットを表す)で、伸長しているDNA鎖に連続的に「付加」し、その各々が「付加」および「脱保護」の工程を含むことを立証する。コンセプトの最適化および検証のための初期の実験は、マイクロチューブで実施する。 To elaborate on the above method, we demonstrate that DNA-encoded information is successively "added" to a growing DNA strand in ≧2 successive additions (representing 2 bits of data), each of which involves an "addition" and "deprotection" step. Initial experiments for concept optimization and validation will be performed in microtubes.
この実施例に記載のアプローチでは、情報の1ビットは、一連のヌクレオチド中にコードされる。「付加」されるDNAのビットは、ワクシニアトポイソメラーゼI(トポ)に結合した短いdsDNA配列である。適当な「脱保護」「アクセプター」DNAの存在下で、トポ装填されたDNAの「ビット」は、トポイソメラーゼによりアクセプターに酵素的かつ共有結合的に連結(「付加」)され、このプロセスのトポイソメラーゼは、その後DNAから除去される。次いで、制限酵素は、付加されたビットを切断してそれを「脱保護」し、次のビットを付加するための適当な「アクセプター」配列を創成する。 In the approach described in this example, one bit of information is encoded in a string of nucleotides. The bit of DNA to be "added" is a short dsDNA sequence bound to Vaccinia topoisomerase I (topo). In the presence of a suitable "deprotected" "acceptor" DNA, the topo-loaded DNA "bit" is enzymatically and covalently linked ("added") to the acceptor by the topoisomerase, a process in which the topoisomerase is subsequently removed from the DNA. A restriction enzyme then cleaves the added bit and "deprotects" it, creating a suitable "acceptor" sequence for adding the next bit.
トポ装填:一般的な装填スキームは以下の通りであり、図22および下記に図解され、ここで、Nは任意のヌクレオチド、A、T、GおよびCは、各々アデニン、チミン、グアニンおよびシトシン塩基を有するヌクレオチドを表す。相互の上にあるNは、相補的である。この実施例は制限酵素HpyCH4IIIを使用するが、基本的戦略は、例えば実施例4で立証する通り、他の制限酵素でも成立する。
以下のオリゴヌクレオチドを、Integrated DNA Technologies (IDT)に発注する。一部のオリゴヌクレオチドの末端の「b」は、ビオチンを示す):
BAB: CGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTGTCCGTGTCGCCCTTATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACG
B1: b-CACGTACTCGCAATGCTGTATGATCTCTTAAGTAGATA
B2: ATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACG
TA1: b-CACACTCATGCCGCTGTAGTCACTATCGGAAT
TA2: AGGGCGACACGGACAGTTTGAATCATACCG
TA3b: AACTTAGTATGACGGTATGATTCAAACTGTCCGTGTCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
TB1: b-CACACTCATGCCGCTGTAGTCACTATCGGAAT
TB2: AGGGCGCAGCAAACAGTGCCTAGACTATCG
TB3b: AACTTAGTATGACGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
FP1: CACGTACTCGCAATGCT
FP2: CGGTATGATTCAAACTGTCCG
FP3: GCCCTTGTCCGTGTC
オリゴヌクレオチドをTEバッファー中に100uMに溶解し、-20Cで保存する。
The following oligonucleotides are ordered from Integrated DNA Technologies (IDT). The "b" at the end of some of the oligonucleotides represents biotin):
BAB: CGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTGTCCGTGTCGCCCTTATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACG
B1: b-CACGTACTCGCAATGCTGTATGATCTCTTAAGTAGATA
B2: ATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACG
TA1: b-CACACTCATGCCGCTGTAGTCACTATCGGAAT
TA2: AGGGCGACACGGACAGTTTGAATCATACCG
TA3b: AACTTAGTATGACGGTATGATTCAAACTGTCCGTGTCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
TB1: b-CACACTCATGCCGCTGTAGTCACTATCGGAAT
TB2: AGGGCGCAGCAAACAGTGCCTAGACTATCG
TB3b: AACTTAGTATGACGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
FP1: CACGTACTCGCAATGCT
FP2: CGGTATGATTCAAACTGTCCG
FP3: GCCCTTGTCCGTGTC
Dissolve the oligonucleotide at 100uM in TE buffer and store at -20C.
後述の通りにオリゴヌクレオチドを混合し、95℃に5分間加熱し、次いで、温度を3分間に5℃の速度で20℃に達するまで下げることにより、ハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドを作製する。ハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドを4℃または-20℃で保存する。オリゴヌクレオチドの組合せは以下の通りである:
B1/2
48 uL B1
48 uL B2
4 uL 5M NaCl
A5
20 uL TA1
20 uL TA2
5 uL TA3b
4 uL 5M NaCl
51 uL TE
B5
20 uL TB1
20 uL TB2
5 uL TB3b
4 uL 5M NaCl
51 uL TE
Hybridized oligonucleotides are made by mixing the oligonucleotides as described below, heating to 95° C. for 5 minutes, then decreasing the temperature at a rate of 5° C. per 3 minutes until a temperature of 20° C. is reached. Hybridized oligonucleotides are stored at 4° C. or −20° C. The oligonucleotide combinations are as follows:
B1/2
48uL B1
48uL B2
4 uL 5M NaCl
A5
20uL TA1
20uL TA2
5 uL TA3b
4 uL 5M NaCl
51uL TE
B5
20uL TB1
20uL TB2
5 uL TB3b
4 uL 5M NaCl
51uL TE
以下のバッファーおよび酵素をこの実施例で使用する:
TE:10M Tris pH8.0、1mM EDTA、pH8.0
WB:1M NaCl、10mM Tris pH8.0、1mM EDTA pH8.0
1xTopo:20mM Tris pH7.5、100mM NaCl、2mM DTT、5mM MgCl2
1xRE:50mM K-酢酸、20mM Tris-酢酸、10mM Mg-酢酸、100ug/ml BSA pH7.9@25C
ワクシニアDNAトポイソメラーゼI(トポ)は、Monserate Biotech (10,000 U/mL)から購入する
HypCH4IIIは、NEBから購入する
ストレプトアビジン被覆磁気ビーズ(s-MagBeads)は、ThermoFisher から購入する。
The following buffers and enzymes are used in this example:
TE: 10M Tris pH8.0, 1mM EDTA, pH8.0
WB: 1M NaCl, 10mM Tris pH8.0, 1mM EDTA pH8.0
1xTopo: 20mM Tris pH7.5, 100mM NaCl, 2mM DTT, 5mM MgCl2
1xRE: 50mM K-acetate, 20mM Tris-acetate, 10mM Mg-acetate, 100ug/ml BSA pH7.9@25C
Vaccinia DNA topoisomerase I (Topo) is purchased from Monserate Biotech (10,000 U/mL). HypCH4III is purchased from NEB. Streptavidin-coated magnetic beads (s-MagBeads) are purchased from ThermoFisher.
アクセプターを、次の通りに調製する:5uLのs-magbeads を200uLのWBで1回洗浄する(結合時間1分間)。5uLのB1/2+195uLのWBをビーズに添加し、15分間室温でインキュベートし、次いで、200uLのWBで1回洗浄し、次いで、200uLの1xTopoで1回洗浄し、150uLの1xTopoに再懸濁する。 The acceptor is prepared as follows: 5uL s-magbeads are washed once with 200uL WB (1 minute binding time). 5uL B1/2 + 195uL WB are added to the beads, incubated for 15 minutes at room temperature, then washed once with 200uL WB, then washed once with 200uL 1x Topo, and resuspended in 150uL 1x Topo.
トポ装填されたA5(図20参照)を、以下の通りに調製する:4uLの10xトポバッファー+23uLの水+8uLのA5+5uLのトポを、37℃で30分間インキュベートし、5uLのs-magbeads(200uLのWBで1x洗浄、200uLの1xトポで1x洗浄、150uLの1xトポに再懸濁)に添加し、室温で15分間結合させる。 Prepare Topo-loaded A5 (see Figure 20) as follows: 4uL 10x Topo Buffer + 23uL water + 8uL A5 + 5uL Topo, incubate at 37°C for 30 minutes, add to 5uL s-magbeads (wash 1x with 200uL WB, wash 1x with 200uL 1x Topo, resuspend in 150uL 1x Topo) and allow to bind for 15 minutes at room temperature.
装填A5をアクセプターに「付加」する:s-magbeads を、トポ装填A5から除去し、アクセプターに添加し、37℃で60分間インキュベートする。アリコートを取り出し、TE中に1/200で希釈し、-20Cで保存する。 "Add" Load A5 to the acceptor: Remove s-magbeads from Topo Load A5 and add to the acceptor and incubate at 37°C for 60 minutes. Remove an aliquot, dilute 1/200 in TE and store at -20C.
脱保護:物質を200uLのWBで1回洗浄し、200uLの1xREで1回洗浄し、15uLの10xREおよび120uLの水に再懸濁する。15uLのHypCH4IIIを添加する。混合物を37℃で60分間インキュベートし、次いで200uLのWBで1回洗浄し、200uLの1xトポで1回洗浄し、「アクセプター-A5」と称する生成物を産生する。 Deprotection: The material is washed once with 200uL WB, once with 200uL 1xRE, and resuspended in 15uL 10xRE and 120uL water. 15uL HypCH4III is added. The mixture is incubated at 37°C for 60 minutes, then washed once with 200uL WB and once with 200uL 1x Topo to produce the product designated "Acceptor-A5".
トポ装填B5(図21参照)を、次の通りに調製する:4uLの10xトポバッファー、23uLの水および8uLのB5+5uLトポを合わせ、37℃で30分間インキュベートする。生成物を5uLのs-magbeads(200uLのWBで1x洗浄、200uLのトポで1x洗浄、150uLの1xトポに再懸濁)に添加し、室温で15分間結合させる。 Prepare Topo-loaded B5 (see Figure 21) as follows: combine 4uL 10x Topo buffer, 23uL water and 8uL B5 + 5uL Topo and incubate at 37°C for 30 minutes. Add product to 5uL s-magbeads (wash 1x with 200uL WB, wash 1x with 200uL Topo, resuspend in 150uL 1x Topo) and allow to bind for 15 minutes at room temperature.
装填されたB5をアクセプター-A5に「付加」する:s-magbeads をトポ装填B5から除去し、アクセプター-A5に添加し、37℃で60分間インキュベートする。アリコートを取り出し、TE中に1/200で希釈し、-20℃で保存する。 "Add" loaded B5 to acceptor-A5: remove s-magbeads from topo-loaded B5 and add to acceptor-A5 and incubate at 37°C for 60 minutes. Remove an aliquot, dilute 1/200 in TE and store at -20°C.
脱保護:物質を200uLのWBで1回洗浄し、200uLの1xREで1回洗浄し、15uLの10xREおよび120uLの水に再懸濁する。15uLのHypCH4IIIを添加し、混合物を37℃で60分間インキュベートする。 Deprotection: Wash material once with 200uL WB, once with 200uL 1xRE, and resuspend in 15uL 10xRE and 120uL water. Add 15uL HypCH4III and incubate the mixture at 37°C for 60 minutes.
上記の反応が機能したことの確認は、A5(A5が付加されたアクセプター:工程iii、図解の「A5付加」)およびB5(B5が付加されたアクセプター-A5:工程vi、図解の「B5付加」)のアリコートのPCR増幅により行った。「鋳型なし」をA5の負の対照として使用し、A5をB5の負の対照として使用し、オリゴBABをB5の正の対照として使用する。A5PCRに予想される生成物のサイズは68bpであり、B5PCRに予想される生成物のサイズは、57bpである。(予想サイズ約47bpのB1/2もゲルに流すが、オーバーハングがあり、ビオチン化されているため、これは近似値であり得る)。PCR反応(95/55/68(各1分間)の30サイクルを次の通りに実施する:
4-20%Tris-グリシンゲルを用いるSDS-PAGEを使用して、予想されるサイズのオリゴヌクレオチドが産生されることを確認する。装填は上記の通りに実施するが、装填(37℃のインキュベーション工程)の直後に、ローディングバッファーを混合し、サンプルを70℃に2分間加熱し、ゲルに流す前に冷ます。ゲルをクーマシーで染色する。負の対照として、トポの代わりに水を反応に添加する。図30は結果を示し、A5PCRおよびB5PCRに予想される生成物サイズに対応するバンドを明確に示している。 SDS-PAGE using 4-20% Tris-Glycine gels is used to confirm that oligonucleotides of the expected size are produced. Loading is performed as above, but immediately after loading (37°C incubation step), loading buffer is mixed and samples are heated to 70°C for 2 minutes and allowed to cool before running on the gel. Gels are stained with Coomassie. As a negative control, water is added to the reaction instead of Topo. Figure 30 shows the results, clearly showing bands corresponding to the expected product sizes for A5PCR and B5PCR.
かくして、トポイソメラーゼ装填DNAカセットを介するDNAビットの付加および制限酵素により実行される脱保護は、実施可能であることが示される。これらのコンセプトの検証実験において、DNAはストレプトアビジン結合磁気ビーズにより固定され、異なる反応混合物に連続的に移動するが、ナノポアチップの形式では、別個の反応チャンバーを創成し、電流を使用してDNAをこれらの異なる反応チャンバーに動かす。 Thus, the addition of DNA bits via a topoisomerase-loaded DNA cassette and the deprotection performed by a restriction enzyme are shown to be feasible. In these proof-of-concept experiments, DNA is immobilized by streptavidin-conjugated magnetic beads and moved sequentially to different reaction mixtures, in the form of a nanopore chip, creating separate reaction chambers and using an electric current to move the DNA to these different reaction chambers.
最終的に、情報の「ビット」に対応するDNA配列の連続的付加を実行すると、予想されるDNA配列が創成されることを、PCRにより立証する。これらの反応は設計された通りに作用し、最適化は最小限でよい。 Finally, PCR demonstrates that performing successive additions of DNA sequences corresponding to "bits" of information creates the expected DNA sequence. These reactions work as designed and require minimal optimization.
実施例2および3に記載の通りに作製されたDNAを回収し、購入できるナノポアシークエンサー(Oxford Nanopore の MinION)を使用して配列決定し、所望の配列が得られることを裏付ける。 DNA produced as described in Examples 2 and 3 is recovered and sequenced using a commercially available nanopore sequencer (Oxford Nanopore's MinION) to confirm that the desired sequence is obtained.
実施例4-DNA合成:異なる制限酵素を使用するオリゴヌクレオチド塊の付加
以下の合成は、実施例3と同様に、ただし、「ACGCGT」で切断して
この実施例では、TOPOが装填され、装填されたTOPOがDNAをMluIで切断されたDNAに移動できるようにする配列相補性を有する複合体を形成する:
先行する実施例と同様のプロセスにより、装填されたTOPOを使用して、相補的なアクセプター配列を有する合成されている鎖の5’末端にオリゴマーを付加し、それによりTOPOを解放し、その鎖は、MluIを用いて「脱保護」され、このサイクルはオリゴマーの所望の配列が得られるまで繰り返される。 By a process similar to the previous example, the loaded TOPO is used to add an oligomer to the 5' end of the strand being synthesized that has a complementary acceptor sequence, thereby releasing the TOPO, and the strand is "deprotected" with MluI, and the cycle is repeated until the desired sequence of the oligomer is obtained.
実施例5-トポイソメラーゼ戦略を用いる単一の塩基の付加
トポイソメラーゼのシステムを、単一の塩基を一本鎖DNA鎖に付加するように設計することもできることを見出した(「カセット」を付加することを記載する実施例3と比較)。「付加」されるDNAビットは、ワクシニアトポイソメラーゼI(トポ)に結合した短いDNA配列に含まれる。適当な一本鎖の「脱保護」「アクセプター」DNAの存在下で、トポ装填されたDNAは、トポイソメラーゼによりアクセプターに酵素的かつ共有結合的に連結され(「付加」)、それは、このプロセスにおいてDNAから除去される。IIS型制限酵素は、単一の塩基(「付加」されている塩基)以外の付加されたDNAを全て切り離せる。この脱保護-付加の過程を繰り返し、さらなる塩基(ビット)を付加する。
Example 5 - Adding a Single Base Using a Topoisomerase Strategy We have found that the topoisomerase system can also be designed to add a single base to a single stranded DNA chain (compare Example 3 which describes adding a "cassette"). The DNA bit to be "added" is contained in a short DNA sequence bound to Vaccinia topoisomerase I (topo). In the presence of a suitable single stranded "deprotected""acceptor" DNA, the topo-charged DNA is enzymatically and covalently linked ("added") by the topoisomerase to the acceptor, which is removed from the DNA in the process. A type IIS restriction enzyme can cleave off all of the added DNA except for the single base (the one being "added"). This deprotection-addition process is repeated to add additional bases (bits).
トポ装填:一般的な装填プロトコールは、実施例3と同様であり、以下の通りである:
実施例3と同様に、相互の上にあるNは相補的である。Iはイノシンである。ビオチンを使用して未反応生成物および副生成物を除去する。単一の塩基の付加は、以下の通りに実行する。
脱保護は、BciVI制限酵素(部位は太字)を使用して、以下のように例示される:
以下のオリゴヌクレオチドを商業的に合成する(B=ビオチン、P-リン酸、I=イノシン):
NAT1 CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGAT
NAT1b P-CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGAT-B
NAT9cI P-IIIIIAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
NAT9x P-ATCGCCATACAGCATTGCGAG
NAT9 ACGTGAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
Nat9Acc CACGTAGCAGCAAACAGTGCCTAGACTATCG
Nat1P CACGTCAGGCGTATCCATCC
FP4 CGATAGTCTAGGCACTGTTTG
オリゴヌクレオチドをTEバッファー中100μMに溶解し、-20℃で保存する。
The following oligonucleotides are commercially synthesized (B=biotin, P-phosphate, I=inosine):
NAT1 CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGAT
NAT1b P-CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGAT-B
NAT9cI P-IIIIIAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
NAT9x P-ATCGCCATACAGCATTGCGAG
NAT9 ACGTGAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
Nat9Acc CACGTAGCAGCAAACAGTGCCTAGACTATCG
Nat1P CACGTCAGGCGTATCCATCC
FP4 CGATAGTCTAGGCACTGTTTG
Oligonucleotides are dissolved at 100 μM in TE buffer and stored at -20°C.
ハイブリダイゼーション:記載したオリゴヌクレオチドを混合し、95℃に5分間加熱し、次いで、温度を20℃に達するまで3分間に5℃下げることにより、以下のハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドを作製する。ハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドを4℃または-20℃で保存する。
NAT1b/NAT9cI/NAT9x
8 μL NAT1B
10 μL NAT9cI
10 μL NAT9x
48 μL TE
4 μL 5M NaCl
NAT1/NAT9cI
10 μL NAT1
10 μL NAT9cI
80 uL PBS
NAT1/NAT9
10 μL NAT1
10 μL NAT9
80 uL PBS
Hybridization: The following hybridized oligonucleotides are made by mixing the listed oligonucleotides and heating to 95° C. for 5 minutes, then decreasing the temperature by 5° C. over 3 minutes until a temperature of 20° C. is reached. Store the hybridized oligonucleotides at 4° C. or -20° C.
NAT1b/NAT9cI/NAT9x
8 μL NAT1B
10 μL NAT9cI
10 μL NAT9x
48 μL TE
4 μL 5M NaCl
NAT1/NAT9cI
10 μL NAT1
10 μL NAT9cI
80 uL PBS
NAT1/NAT9
10 μL NAT1
10 μL NAT9
80 uL PBS
バッファーおよび酵素:以下のバッファーを使用する:
TE:10M Tris pH8.0、1mM EDTA、pH8.0
PBS:リン酸緩衝食塩液(137mM NaCl、2.7mM KCl、10mM Na2HPO4、1.8mM KH2PO4)(pH7.4)
10x Cutsmart:500mM KAc、200mM Tris-Ac、100mM Mg-Ac、1mg/mL BSA pH7.9
BciVIはNEBから購入し、ストレプトアビジン被覆磁気ビーズ (s-MagBeads) はThermoFisher から購入する。
Buffers and enzymes: The following buffers are used:
TE: 10M Tris pH8.0, 1mM EDTA, pH8.0
PBS: phosphate buffered saline (137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4 , 1.8 mM KH2PO4 ) (pH 7.4 )
10x Cutsmart: 500mM KAc, 200mM Tris-Ac, 100mM Mg-Ac, 1mg/mL BSA pH 7.9
BciVI is purchased from NEB and streptavidin-coated magnetic beads (s-MagBeads) are purchased from ThermoFisher.
付加反応は以下の通りに実行する。
1.トポ装填:下表の通りに試薬を合わせる:
1. Topo Loading: Combine reagents according to the table below:
次いで、試薬を37℃で30分間インキュベートする。トポバッファー中のストレプトアビジン磁気ビーズ(5uL)を使用して、室温で10分間結合させた後、副生成物を除去する。 The reagents are then incubated at 37°C for 30 minutes. Streptavidin magnetic beads (5 uL) in Topo Buffer are used to bind for 10 minutes at room temperature, after which the by-products are removed.
2.反応:下表の通りに試薬を合わせる:
次いで、試薬を37℃で30分間インキュベートする。付加反応は以下の通りに進行すると予想される:
アスタリスク(*)はトポイソメラーゼを表す。NAT9cIはリン酸化されているが、図解の目的では表示されていないことに留意されたい。 The asterisk (*) represents the topoisomerase. Note that NAT9cI is phosphorylated but is not shown for illustration purposes.
装填されたトポがアクセプター配列に存在するとき、以下の反応に進む:
PCR増幅およびアガロースゲルでの生成物の分子量の測定により、予想された生成物が産生されたことを確認する。正しいサイズのバンドをレーン1(実験)に示し、負の対照にバンドを示さない、図30参照。 PCR amplification and measurement of the molecular weight of the product on an agarose gel confirms that the expected product was produced. A band of the correct size is shown in lane 1 (experimental) and no band in the negative control, see Figure 30.
B.脱保護反応:下表の通りに試薬を合わせる:
試薬を37℃で90分間インキュベートする。脱保護反応のために、購入したオリゴヌクレオチドを用いて付加反応の代表的な生成物を作製し、BciVI制限酵素による切断について試験する:
切断部位の3’が「通常の」塩基と向かい合うイノシンの連続であることから、制限酵素が意図通りにDNAを切断するか否かはわからなかった。正の対照として、「適切な」塩基対のNAT1/NAT9cIの同等物を作製した(NAT1/NAT9c):
生成物のPCR増幅と、それに続くアガロースゲルでの分子量の測定(図31)は、酵素が意図通りに作用することを示す。正の対照には、切断されないと大きいバンドが観察されるが(レーン1)、切断されると小さいバンドが観察される。同じパターンがNAT1/NAT9cIで観察され、イノシンの存在が切断を無効化または妨害しないことを示す。少量の未切断生成物がNAT1/NAT9cIで残っていると思われ、少なくともこれらの条件下で、切断はNAT1/NAT9cほど有効ではないことを示唆する。切断効率は、バッファー条件の変更、および/または、NAT9cIの5’末端にイノシンをもっと付加することにより改善され得る。 PCR amplification of the products and subsequent measurement of molecular weight on an agarose gel (Figure 31) indicates that the enzyme works as intended. In the positive control, a large band is observed without cleavage (lane 1), but a small band is observed with cleavage. The same pattern is observed with NAT1/NAT9cI, indicating that the presence of inosine does not abolish or prevent cleavage. A small amount of uncleaved product appears to remain with NAT1/NAT9cI, suggesting that, at least under these conditions, cleavage is not as effective as with NAT1/NAT9c. Cleavage efficiency could be improved by modifying the buffer conditions and/or adding more inosine to the 5' end of NAT9cI.
上述の実施例は、トポ/IIS型制限酵素の組合せを使用して、単一のヌクレオチドを標的一本鎖DNAの5’末端に付加することができることを示す。配列CCCTG(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446)を認識する関連トポイソメラーゼのSVFは、類似のプロセスを用いて、「T」の代わりに「G」を付加するために使用され、かくして、TおよびGでバイナリ情報をコードする配列の構築を可能にする。 The above example shows that a combination of topo/type IIS restriction enzymes can be used to add a single nucleotide to the 5' end of a target single-stranded DNA. Using a similar process, a related topoisomerase, SVF, which recognizes the sequence CCCTG (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446), can be used to add a "G" instead of a "T", thus allowing the construction of sequences that code binary information with T and G.
上記の通り、トポイソメラーゼ戦略を使用してdsDNAを生成する場合、反対側の鎖のDNAにおけるニックは、リガーゼをATPと共に使用して修復できる。しかしながら、本実施例のように単一のヌクレオチドを付加するとき、修復されるべきニックはなく、リガーゼを使う必要もないように、一本鎖DNAを構築している。 As mentioned above, when using the topoisomerase strategy to generate dsDNA, nicks in the DNA of the opposite strand can be repaired using ligase with ATP. However, when adding a single nucleotide as in this example, we are constructing single-stranded DNA so that there is no nick to repair and no need to use ligase.
実施例6-トポイソメラーゼの戦略を5’リン酸結合と組み合わせて用いる単一の塩基の付加
単一の塩基の付加に対する別のアプローチでは、3’から5’への方向で単一の塩基対の付加をもたらすために、ブロッキング基として5’リン酸を使用する。装填反応は、トポイソメラーゼに、5’リン酸基を有する単一のT(またはG、または所望により他のヌクレオチド)を装填する。装填されたトポイソメラーゼが5’がブロック化されていない(リン酸化されていない)一本鎖DNA鎖を「見つける」と、それはTをその鎖に付加し、5’にTが付加されたDNAをもたらす。この付加は、トポイソメラーゼおよび一本鎖アクセプターDNAが結合できる配列を有するアダプターDNAの存在により促進される。(アダプターDNAは触媒的であることに留意されたい-反復される反応において、鋳型として再使用できる。)付加されたヌクレオチドは5’リン酸を有するので、5’リン酸を除去するホスファターゼに暴露されるまで、さらなる付加の基質にはならない。標的一本鎖DNAの5’末端に単一の「T」を付加するためにトポを、単一の「G」を付加するためにSVFトポイソメラーゼを使用してこの過程を繰り返し、かくして、TおよびGのバイナリ情報をコードする配列の構築を可能にする。この過程を、以下の通り、模式的に示す:
Example 6 - Addition of a Single Base Using a Topoisomerase Strategy Combined with 5' Phosphate Linkage Another approach to single base addition uses the 5' phosphate as a blocking group to effect the addition of a single base pair in the 3' to 5' direction. The charging reaction charges the topoisomerase with a single T (or G, or other nucleotide, as desired) bearing a 5' phosphate group. When the charged topoisomerase "finds" a single stranded DNA strand that is 5' unblocked (unphosphorylated), it adds a T to that strand, resulting in a 5' T-tagged DNA. This addition is facilitated by the presence of an adapter DNA that has a sequence to which the topoisomerase and the single stranded acceptor DNA can bind. (Note that the adapter DNA is catalytic - it can be reused as a template in repeated reactions.) Because the added nucleotide has a 5' phosphate, it is not a substrate for further additions until it is exposed to a phosphatase, which removes the 5' phosphate. This process is repeated using topo to add a single "T" and SVF topoisomerase to add a single "G" to the 5' end of the target single stranded DNA, thus allowing the construction of a sequence that codes for the binary information of T and G. This process is shown diagrammatically as follows:
実施例7-ナノポアに隣接してDNAを結合させるためのDNAオリガミの使用
一端に大きいオリガミ構造を有するDNA鎖をナノポア中に捕捉し、DNAの末端のビオチン部分を介して、表面に結合したストレプトアビジンに固定する。オリガミ構造を制限酵素で切断した後、電流の混乱により確認される通り、固定されたDNAはポアを通って行き来できる。固定は、ポアを通る単一のDNA分子の動きの制御を可能にし、それは、DNAへの情報の「読み取り」および「書き込み」を可能にする。
Example 7 - Use of DNA origami to bind DNA adjacent to a nanopore A DNA strand with a large origami structure at one end is captured in a nanopore and immobilized to surface-bound streptavidin via a biotin moiety at the end of the DNA. After cleavage of the origami structure with a restriction enzyme, the immobilized DNA can traffic through the pore, as confirmed by a disruption in the current. Immobilization allows for the controlled movement of a single DNA molecule through the pore, which allows for the "reading" and "writing" of information to the DNA.
図35に示す通り、大きすぎてナノポアにはまれない嵩高い二本鎖DNAユニットが形成され、一本鎖領域が、合成中に付加されるべきDNAを係留するのに役立つ2つの短い二本鎖領域により、その嵩高い部分に連結される。次いで、一本鎖領域を分離し、ナノポアに隣接する表面に係留し、オリガミ構造を解放し得る。図33参照。 As shown in Figure 35, a bulky double-stranded DNA unit is formed that is too large to fit into the nanopore, and a single-stranded region is linked to the bulky portion by two short double-stranded regions that serve to anchor the DNA to be added during synthesis. The single-stranded regions can then be separated and anchored to a surface adjacent to the nanopore, and the origami structure released. See Figure 33.
ナノポアを、20nm SiO2を有する3mmのチップに、50*50μmの開口部で形成する。チップは Nanopore Solutions により提供される。ナノポアカセットホルダーおよびフローセルは、Nanopore Solutions により提供される。増幅器は、Tecella Pico 2 増幅器である。これは、制御のためにusb-コンピューターインターフェースを使用する、usbから電源供給される増幅器である。Tecella は、増幅器を制御する(Windows)ソフトウェアを供給する。回路計は、0.1uAまで低い電流を検出できる FLUKE 17B+ Digital Multimeter である。無線周波数ノイズのスクリーニングのために、USBインターフェースを有する Concentric Technology Solutions TC-5916A Shield Box (Faraday Cage) を使用する。オリゴヌクレオチドは IDT.com から入手する。「PS」は、http://www.gelest.com/product/o-propargyl-n-triethoxysilylpropylcarbamate-90/のプロパルギルシラン-O-(プロパルギル)-N-(トリエトキシシリルプロピル)カルバメートである。
Nanopores are fabricated with 50*50 μm openings in a 3 mm chip with 20 nm SiO2. The chips are provided by Nanopore Solutions. The nanopore cassette holder and flow cell are provided by Nanopore Solutions. The amplifier is a
オリガミ構造は、一辺約20nmの「ハニカム状の」立方体オリガミ構造を有する一本鎖m13をベースとする。それぞれユニークな制限部位を含む、ハニカムに隣接する二本鎖領域がある。これらの部位の1つを用いて修飾DNAを結合させ、ナノポア近傍での結合を可能にし、DNAが結合したら、他の部位を用いてオリガミ構造を切り離す。 The origami structure is based on single-stranded m13 with a "honeycomb-like" cubic origami structure with sides of approximately 20 nm. There are double-stranded regions adjacent to the honeycomb, each containing a unique restriction site. One of these sites is used to attach modified DNA, allowing binding near the nanopore, and once the DNA is bound, the other site is used to cleave the origami structure.
ナノポア形成:以下の通りに、誘電破壊を使用してチップにナノポアを形成させる:
1.チップを注意深くカセットにマウントする
2.ウェッティング:100%エタノールを注意深くピペットでチップに置く。気泡を除去しなければならない。しかしながら、チップ上の溶液を直接ピペッティングすることは避けるべきであり、さもないとチップは割れ得る(SiO2はわずか20nmである)。
3.表面処理:エタノールを除去し、新たに調製したピラニア溶液(75%硫酸、25%過酸化水素(30%))をピペットでチップに置く。(ピラニア溶液を室温にさせる)。30分間放置する。
4.蒸留水で4回すすぐ。
5.HKバッファー(10mM HEPES pH8、1M KCl)で2回すすぐ。
6.カセットをフローセル中に組み立てる。
7.フローセルの各チャンバーに700μLのHKバッファーを添加する。
8.増幅器に取り付けた銀電極を挿入し、ファラデーケージを閉じる。
9.300mVで抵抗を試験する。電流は検出されるべきではない。もし検出されたら、チップは割れていると思われ、やり直さなければならない。
10.電極を6VのDC電流に接続し、回路計で電流を試験する。電流は低いべきであり、変化しないべきである。電圧を1.5V上げ、抵抗が増加するまで電圧を維持する。5~10分後に抵抗が増加しなければ、電圧をさらに1.5V上げ、再試行する。抵抗が増加するまで繰り返し、その時点でかけた電圧をすぐに止めるべきである。(十分な電圧で、誘電破壊が起こり、SiO2膜に「ポア」が作られる。最初にできたとき、ポアは小さいが、電圧を維持すると大きくなる。)
11.増幅器を使用してポアを試験する。300mVで数nAの電流が見られるべきである。電流が高いほど、ポアは大きい。
Nanopore formation: Nanopores are formed in the chip using dielectric breakdown as follows:
1. Carefully mount the chip into the
3. Surface treatment: Remove the ethanol and pipette freshly prepared piranha solution (75% sulfuric acid, 25% hydrogen peroxide (30%)) onto the chip. (Allow the piranha solution to reach room temperature.) Leave for 30 minutes.
4. Rinse 4 times with distilled water.
5. Rinse twice with HK buffer (10
6. Assemble the cassette into the flow cell.
7. Add 700 μL of HK buffer to each chamber of the flow cell.
8. Insert the silver electrode attached to the amplifier and close the Faraday cage.
9. Test the resistance at 300mV. No current should be detected. If it is detected, the chip is likely cracked and you should start over.
10. Connect the electrodes to a 6V DC current and test the current with a circuit meter. The current should be low and not change. Increase the voltage by 1.5V and hold the voltage until the resistance increases. If the resistance has not increased after 5-10 minutes, increase the voltage by another 1.5V and try again. Repeat until the resistance increases, at which point the applied voltage should be immediately removed. (At sufficient voltage, dielectric breakdown will occur, creating "pores" in the SiO2 film. The pores are small when first formed, but will grow larger as the voltage is maintained.)
11. Use an amplifier to test the pore. You should see a current of a few nA at 300 mV. The higher the current, the larger the pore.
図34は基本的な機能するナノポアを示す。各パネルにおいて、y軸は電流(nA)であり、x軸は時間(秒)である。左のパネル「RFノイズのスクリーニング」はファラデーケージの有用性を示す。ナノポアを有さないチップをフローセル内に配置し、300mVをかける。ファラデーケージの蓋を閉じると(最初の矢印)、ノイズの減少が見られる。ラッチを閉じると(2番目の矢印)、小さなスパイクが生じる。電流が約0nAであることが分かる。ポアの製造後(中央のパネル)、300mVの適用(矢印)は約3.5nAの電流をもたらす。DNAをアースチャンバーに適用し、+300mVをかけると、DNAの移行(右のパネル)が電流の一過性の減少として観察され得る。(この場合にTS緩衝液が使用されていることを言及しておく:50mM Tris、pH8、1M NaCl。)ラムダDNAがこのDNA移行実験に使用されている。
Figure 34 shows a basic functioning nanopore. In each panel, the y-axis is current (nA) and the x-axis is time (sec). The left panel, "Screening RF noise," shows the utility of the Faraday cage. A chip without a nanopore is placed in the flow cell and 300 mV is applied. When the lid of the Faraday cage is closed (first arrow), a reduction in noise is seen. When the latch is closed (second arrow), a small spike occurs. The current is seen to be about 0 nA. After pore fabrication (middle panel), application of 300 mV (arrow) results in a current of about 3.5 nA. When DNA is applied to the earth chamber and +300 mV is applied, DNA translocation (right panel) can be observed as a transient decrease in current. (Note that in this case TS buffer is used: 50 mM Tris,
塩化銀電極:
1.銀ワイヤーを絶縁銅ワイヤーにはんだ付けする。
2.銅ワイヤーを磨き、銀を新しい30%次亜塩素酸ナトリウムに30分間浸す。
3.銀は濃灰色の被覆(塩化銀)を得るはずである。
4.銀ワイヤーを蒸留水でよくすすぎ、乾燥させる。
5.それはもう使用できる。
Silver chloride electrode:
1. Solder the silver wire to the insulated copper wire.
2. Polish the copper wire and soak the silver in fresh 30% sodium hypochlorite for 30 minutes.
3. The silver should acquire a dark grey coating (silver chloride).
4. Rinse the silver wire thoroughly with distilled water and dry it.
5. It's now ready to use.
ビーズのシラン処理:シラン処理の方法は、まずSiO2被覆磁気ビーズ(GBioscience)で開発/試験する。以下のプロトコールを採用する:
1.新鮮なピラニア溶液中で30分間ビーズを予処理する。
2.蒸留水で3回洗浄する。
3.メタノールで2回洗浄する。
4.APTES原液をメタノールで1:500に希釈する。
5.希釈したAPTESをビーズに添加し、RTで45分間インキュベートする。
6.メタノールですすぐ。
7.100℃で30分間。
8.真空下で保存する。
Silanization of beads: The silanization method is first developed/tested on SiO2 coated magnetic beads (GBioscience). The following protocol is adopted:
1. Pretreat the beads in fresh Piranha solution for 30 minutes.
2. Wash three times with distilled water.
3. Wash twice with methanol.
4. Dilute the APTES stock solution 1:500 in methanol.
5. Add the diluted APTES to the beads and incubate at RT for 45 minutes.
6. Rinse with methanol.
7. 100°C for 30 minutes.
8. Store under vacuum.
シリコンチップのシラン処理
1.ナノポアを有するチップをカセットにマウントする。
2.メタノールですすぎ、気泡を注意深く除去する。
3.新鮮なピラニア溶液(室温に平衡化したもの)を添加し、30分間インキュベートする。
4.蒸留水で4回洗浄する。
5.メタノールで3回洗浄する。
6.APTES原液をメタノールで1:500に希釈し、これを使用してチップを2回洗浄する。RTで45分間インキュベートする。
7.メタノールで2回すすぐ。
8.気流のもとで乾燥させる。
9.真空下で終夜保存する。
Silanization of
2. Rinse with methanol and carefully remove any air bubbles.
3. Add fresh Piranha solution (equilibrated to room temperature) and incubate for 30 minutes.
4. Wash four times with distilled water.
5. Wash with methanol three times.
6. Dilute APTES stock solution 1:500 in methanol and use this to wash the chip twice. Incubate at RT for 45 min.
7. Rinse twice with methanol.
8. Dry under airflow.
9. Store under vacuum overnight.
ビーズのストレプトアビジン結合:ストレプトアビジン結合は、まず、上記で調製されたシラン処理ビーズで開発/試験する。
1.シラン処理ビーズを改変リン酸緩衝食塩液(MPBS)で洗浄する。
2.MPBS中の1.25%グルタルアルデヒド溶液を新たに作る(冷凍保存した50%グルタルアルデヒド原液を使用する)。
3.1.25%グルタルアルデヒドをビーズに添加し、15分ごとに静かに上下にピペッティングしながら、60分間静置する。
4.MPBSで2回洗浄する。
5.水で2回洗浄する。
6.真空下で乾燥させる。
7.ストレプトアビジン(MPBS中500μg/mL)をビーズに添加し、60分間インキュベートする(負の対照のビーズには、ストレプトアビジンの代わりにウシ血清アルブミン(BSA)(MPBS中2mg/mL)を用いる)。
8.ストレプトアビジンを除去し、BSA(MPBS中2mg/mL)を添加する。60分間インキュベートする。
9.MPBSで2回洗浄する。
10.4℃で保存する。
Streptavidin binding to beads: Streptavidin binding is first developed/tested on the silanized beads prepared above.
1. Wash the silanized beads with modified phosphate buffered saline (MPBS).
2. Make a fresh 1.25% glutaraldehyde solution in MPBS (use frozen 50% glutaraldehyde stock solution).
3. Add 1.25% glutaraldehyde to the beads and let sit for 60 minutes, gently pipetting up and down every 15 minutes.
4. Wash twice with MPBS.
5. Wash twice with water.
6. Dry under vacuum.
7. Add streptavidin (500 μg/mL in MPBS) to the beads and incubate for 60 minutes (for negative control beads use bovine serum albumin (BSA) (2 mg/mL in MPBS) instead of streptavidin).
8. Remove streptavidin and add BSA (2 mg/mL in MPBS). Incubate for 60 minutes.
9. Wash twice with MPBS.
Store at 10.4°C.
シリコンチップのストレプトアビジン結合
1.シラン処理されたチップをエタノールで2回すすぐ。
2.シラン処理されたチップをMPBSで2回すすぐ。
3.MPBS中の1.25%グルタルアルデヒド溶液を新たに作る(冷凍保存した50%グルタルアルデヒド原液を使用する)。
4.チップを1.25%グルタルアルデヒドで2回すすぎ、15分ごとに静かに上下にピペッティングしながら、60分間静置する。
5.MPBSで2回洗浄する。
6.水で2回洗浄する。
7.気流のもとで乾燥させる。
8.チップの2分の1にBSA(MPBS中2mg/mL)を添加し、他方にストレプトアビジン(MPBS中500μg/mL)を添加する。60分間インキュベートする。チップのどちらの半分がストレプトアビジン修飾されているかを示す印をカセットにつける。
9.チップの両方の半分をBSA(MPBS中2mg/mL)ですすぐ。60分間インキュベートする。
10.MPBSで洗浄する。
Streptavidin Binding to
2. Rinse the silanized chip twice with MPBS.
3. Make a fresh 1.25% glutaraldehyde solution in MPBS (use frozen 50% glutaraldehyde stock solution).
4. Rinse the chip twice with 1.25% glutaraldehyde and let sit for 60 minutes, gently pipetting up and down every 15 minutes.
5. Wash twice with MPBS.
6. Wash twice with water.
7. Dry under airflow.
8. Add BSA (2 mg/mL in MPBS) to one half of the chip and streptavidin (500 μg/mL in MPBS) to the other. Incubate for 60 minutes. Mark the cassette to indicate which half of the chip is streptavidin modified.
9. Rinse both halves of the chip with BSA (2 mg/mL in MPBS). Incubate for 60 minutes.
10. Wash with MPBS.
ここで使用するバッファーは、以下の通りに作製する:
MPBS:8g/L NaCl、0.2g/L KCl、1.44g/Lリン酸二ナトリウム、0.240g/Lリン酸カリウム、0.2g/Lポリソルベート-20(pH7.2)
PBS:8g/L NaCl、0.2g/L KCl、1.44g/Lリン酸二ナトリウム、0.240g/Lリン酸カリウム
TS:50mMTrispH8.0、1MNaCl
HK:10mM HEPES pH8.0、1M KCl
TE:10mM Tris、1mM EDTA、pH8.0
ピラニア溶液:75%過酸化水素(30%)+25%硫酸
APTES原液:50%メタノール、47.5%APTES、2.5%ナノピュア水。4℃で少なくとも1時間熟成させる。4℃で保存する。
PDC原液:DMSO中の0.5%w/v1,4-フェニレンジイソチオシアナート
The buffers used here are made as follows:
MPBS: 8 g/L NaCl, 0.2 g/L KCl, 1.44 g/L disodium phosphate, 0.240 g/L potassium phosphate, 0.2 g/L polysorbate-20 (pH 7.2)
PBS: 8 g/L NaCl, 0.2 g/L KCl, 1.44 g/L disodium phosphate, 0.240 g/L potassium phosphate TS: 50 mM Tris pH 8.0, 1 M NaCl
HK: 10mM HEPES pH8.0, 1M KCl
TE: 10mM Tris, 1mM EDTA, pH 8.0
Piranha solution: 75% hydrogen peroxide (30%) + 25% sulfuric acid. APTES stock solution: 50% methanol, 47.5% APTES, 2.5% nanopure water. Age at least 1 hour at 4°C. Store at 4°C.
PDC stock solution: 0.5% w/
オリゴヌクレオチド(5’から3’へ)を注文する:
o1 CTGGAACGGTAAATTCAGAGACTGCGCTTTCCATTCTGGCTTTAATG
o3 GGAAAGCGCAGTCTCTGAATTTAC
N1 CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
BN1 Biotin-CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
N2 GTCCTGCTGCGATATCGATAGCCGTTCCAGTAAG
Order oligonucleotides (5' to 3'):
o1 CTGGAACGGTAAATTCAGAGACTGCGCTTTCCATTCTGGCTTTAATG
o3 GGAAAGCGCAGTCTCTGAATTTAC
N1 CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
BN1 Biotin-CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
N2 GTCCTGCTGCGATATCGATAGCCGTTCCAGTAAG
オリゴヌクレオチド対のハイブリダイゼーションは、以下の通りに実行する:
1.オリゴの原液をTEバッファー中、100uMの濃度で作製する
2.オリゴをPBSで10μMに希釈する
3.サーマルサイクラーで85℃に5分間加熱する
4.3分間に5℃の勾配をつけて25℃まで冷ます
5.4℃または-20℃で保存する
Hybridization of the oligonucleotide pair is carried out as follows:
1. Make a stock solution of oligos in TE buffer at a concentration of 100 uM. 2. Dilute oligos to 10 μM in PBS. 3. Heat to 85°C for 5 minutes in a thermal cycler. 4. Cool to 25°C with a 5°C gradient over 3 minutes. 5. Store at 4°C or -20°C.
ストレプトアビジン結合:SiO2へのストレプトアビジンの結合を、SiO2被覆した磁気ビーズを使用して開発および試験し、次いで、そのプロトコールをSiO2チップに適合させた。ビオチン化オリゴのストレプトアビジンおよびBSA結合ビーズへの結合を試験する。予想通り、無視できる結合がBSA結合ビーズで観察され、強い結合がストレプトアビジン結合ビーズで観察される。図38参照。結合を高塩濃度で実施するとより便利であろうから(DNAの移動を高塩濃度で実施する)、ビーズがHKバッファー中で結合する能力も試験する。HKバッファー中の結合は、MPBSバッファー中の結合に匹敵する(図39)。 Streptavidin binding: Streptavidin binding to SiO2 was developed and tested using SiO2 coated magnetic beads, and the protocol was then adapted to SiO2 chips. Biotinylated oligos are tested for binding to streptavidin and BSA-coupled beads. As expected, negligible binding is observed with BSA-coupled beads, and strong binding is observed with streptavidin-coupled beads. See Figure 38. Since it would be more convenient to perform binding in high salt (DNA transfer is performed in high salt), the ability of the beads to bind in HK buffer is also tested. Binding in HK buffer is comparable to binding in MPBS buffer (Figure 39).
オリガミコンストラクトを作製し、上記の通り、作動可能であることを図35~37で確認する。オリゴヌクレオチドを用いてオリガミ構造のビオチン化を試験する。上記図37に示す「オリガミの」結果から、AlwNI部位が活性であることが既にわかっている。オリガミDNAの正確な配列のセグメントを再創成するオリゴヌクレオチド対を下記で使用する(o1/o3)。オリガミ分子を以下に示す:
オリゴ対o1/o3は、以下の通りである。
下記の反応に従って、T4DNAリガーゼ、および、オリガミ配列の3’側のオーバーハングに相補的なビオチン化されたオリゴ(それは長いssDNA配列に結合しており、ssDNA配列はオリガミの他方の側に結合している)の存在下で、DNAをAlwNIで切断する:
この戦略では、AlwN1は標的DNAを切断する。リガーゼを添加すると、このDNAは再び連結され得るが、制限酵素は再度切断するであろう。しかしながら、(o1/o3の)(右の)断片がBN1/N2に結合すると、制限部位は再創成されず、この生成物は切断されない。制限酵素の有無で試験することにより、特異的結合を確認する:
リガーゼ以外の全ての試薬を添加し、溶液を37℃で60分間インキュベートする。リガーゼを添加し、溶液を終夜16℃でインキュベートする。10xlig buffは、NEB 10x T4 DNAリガーゼバッファーを表す。リガーゼはNEB T4 DNAリガーゼである。o1/o3およびn1/n2は、上記の通り、アニールしたオリゴ対を表す。単位はマイクロリットルである。アガロースゲル分析は、AlwNIの存在下で、より大きい生成物が形成されることを確認し、それは、オリガミ構造に結合した長いssDNAアームに結合したビオチン化オリゴヌクレオチドに相当する。同様の戦略を、所望により、3’ビオチン化に使用する。 All reagents except ligase are added and the solution is incubated at 37°C for 60 minutes. Ligase is added and the solution is incubated overnight at 16°C. 10xlig buff represents NEB 10x T4 DNA ligase buffer. Ligase is NEB T4 DNA ligase. o1/o3 and n1/n2 represent annealed oligo pairs as above. Units are in microliters. Agarose gel analysis confirmed that in the presence of AlwNI, a larger product was formed, which corresponds to a biotinylated oligonucleotide attached to a long ssDNA arm attached to the origami structure. A similar strategy is used for 3' biotinylation, if desired.
DNAが電圧に誘導されてポアを通って移動することを検出するナノポアを形成および使用する能力、そのビオチンから遠い末端で結合した長いss領域を有するオリガミ分子の創成、ストレプトアビジンの二酸化ケイ素への結合、および、それを使用してビオチン化DNAを捕捉することを、上記で立証する。これらのツールを使用して、単一のDNA分子をナノポアの近くに結合させ、その動きを制御する。 We demonstrate above the ability to create and use nanopores to detect voltage-induced translocation of DNA through the pore, create origami molecules with long ss regions attached at their biotin-distal ends, and bind streptavidin to silicon dioxide and use it to capture biotinylated DNA. Using these tools, we bind single DNA molecules close to nanopores and control their movement.
第1工程は、ストレプトアビジンをSiO2ナノポアの1つの表面に(そしてBSAを他方の側に)結合させることである。これは、上記のプロトコールにより達成される。得られるポアは、それらが最初に有するよりも低い電流を有する傾向がある。いくつかの短い6vのパルスの後、電流を元の電流近くに戻す。この時点の機能しているナノポアを図40に示す。 The first step is to attach streptavidin to one surface of the SiO2 nanopore (and BSA to the other side). This is accomplished by the protocol described above. The resulting pores tend to have lower currents than they had to begin with. After a few short 6v pulses, the current is brought back to near the original current. The functioning nanopore at this point is shown in Figure 40.
次に、オリガミDNAを挿入する。オリガミDNAを適当なチャンバーに加え、電流を流すと、オリガミはチャンバーに入る。この代表例を図41に示す。オリガミが最終濃度50pMで導入されたときの実験結果は、オリガミを有するDNAが比較的早く(典型的には数秒で)ポアに入り、それがその結果としてのナノポアを流れる電流の減少(例えば、これらの実施例では、オリガミ挿入前の電流は約3nAであり、挿入後は約2.5nAである)により検出可能であることを裏付ける。電流がより長い時間流れれば、二重の挿入が観察できる。より高い濃度を使用すると、挿入が起こるのが早すぎて観察できない。 Next, the origami DNA is inserted. The origami DNA is added to the appropriate chamber and a current is applied, causing the origami to enter the chamber. A representative example of this is shown in Figure 41. Experimental results when the origami is introduced at a final concentration of 50 pM confirm that the origami-bearing DNA enters the pore relatively quickly (typically within a few seconds), which is detectable by the resulting decrease in current through the nanopore (e.g., in these examples, the current before origami insertion is about 3 nA and after insertion is about 2.5 nA). If the current is allowed to flow for a longer period, a double insertion can be observed. If higher concentrations are used, the insertion occurs too quickly to be observed.
挿入されたDNAのチップへの結合。オリガミがナノポアに挿入された後、再度電圧をかけるまで、15分間経過させる。オリガミのssDNA領域の末端はビオチンを含み、ストレプトアビジンがナノポアの表面に結合している。ストレプトアビジンは共有結合に近い結合定数でアビジンに結合する。この15分間は、DNAを拡散させ、ビオチン末端がストレプトアビジンを発見し結合することを可能にする。DNAが実際に表面に結合していたら、電圧を逆にしたときに観察される電流は以前よりもわずかに少ないはずである。また、電流を前後に切り換えると、空いているポアで見られるよりも低い電流を双方向でもたらすはずである。ここで示す実施例では、空いているポアは約3nAの電流を示す。図42は、結合したDNAの代表例を示し、図43は、結合したオリガミDNAを切り換える電圧の実験結果を示す。双方向で見られる電流は約+/-2.5nAであり、空いているポアで観察される約+/-3nAよりも低いことに留意されたい。DNAが表面に結合していなかったら、電圧を切り換えると元の電流が回復するであろう(図44)。 Binding of inserted DNA to the chip. After the origami is inserted into the nanopore, 15 minutes are allowed to pass before voltage is applied again. The ends of the ssDNA regions of the origami contain biotin, and streptavidin is bound to the surface of the nanopore. Streptavidin binds to avidin with a binding constant close to covalent. This 15 minutes allows the DNA to diffuse and allows the biotin end to find and bind to streptavidin. If the DNA was indeed bound to the surface, the current observed when the voltage was reversed should be slightly less than before. Also, switching the current back and forth should result in lower currents in both directions than seen in the empty pore. In the example shown here, the empty pore shows a current of about 3 nA. Figure 42 shows a representative example of bound DNA, and Figure 43 shows experimental results of voltage switching of bound origami DNA. Note that the current seen in both directions is about +/- 2.5 nA, lower than the approximately +/- 3 nA observed in the empty pore. If the DNA was not bound to the surface, switching the voltage would restore the original current (Figure 44).
オリガミ構造を除去するために、オリガミ構造を含むフローセルチャンバー内のバッファーを除去し、1uL Swa1/20Lを含む1xSwa1バッファーで置き換える。他のフローセルチャンバー内のバッファーを、Swa1を含まない1xSwa1バッファーで置き換える。これを室温で60分間インキュベートし、次いでHKバッファーで洗浄し、電圧をかける。図45に示すDNAの前進および後退は、図46に示す実験データにより裏付けられ、固定されたDNAがSiO2ナノポアを通って制御されて動くことを示す。 To remove the origami structure, the buffer in the flow cell chamber containing the origami structure is removed and replaced with 1xSwa1 buffer containing 1uL Swa1/20L. The buffer in the other flow cell chamber is replaced with 1xSwa1 buffer without Swa1. This is incubated at room temperature for 60 minutes, then washed with HK buffer and voltage is applied. The forward and backward movement of DNA shown in Figure 45 is supported by experimental data shown in Figure 46, which indicates controlled movement of the immobilized DNA through the SiO2 nanopore.
実施例8-ポリマーをナノポアに隣接する表面に結合させる代替的手段
上述の実施例は、DNAをビオチン化し、結合表面をストレプトアビジンで被覆することによる、ナノポアに隣接する表面へのDNAの結合を記載する。ポリマー結合のいくつかの代替的手段を図47に示す。
a)DNAハイブリダイゼーション:ある方法では、本発明の方法において伸長されるDNAを、ナノポアの近傍に結合している短いオリゴヌクレオチドにハイブリダイズさせる。合成が完了したら、合成されたDNAは制限酵素を必要とせずに容易に取り出すことができ、または、結合したオリゴヌクレオチドと合成されたDNAにより形成される二本鎖は、制限酵素の基質を提供できる。この実施例では、ビオチン-ストレプトアビジンを用いて短いオリゴマーを表面に結合させるか、または、以下の通り、1,4-フェニレンジイソチオシアナートを使用して連結させる:
Example 8 - Alternative means of attaching polymers to surfaces adjacent to nanopores The above examples describe attachment of DNA to surfaces adjacent to nanopores by biotinylating the DNA and coating the attachment surface with streptavidin. Several alternative means of polymer attachment are shown in Figure 47.
a) DNA Hybridization: In one method, the DNA to be extended in the method of the invention is hybridized to a short oligonucleotide that is bound in close proximity to the nanopore. Once synthesis is complete, the synthesized DNA can be easily removed without the need for a restriction enzyme, or the duplex formed by the bound oligonucleotide and the synthesized DNA can provide a substrate for a restriction enzyme. In this example, short oligomers are bound to the surface using biotin-streptavidin or ligated using 1,4-phenylenediisothiocyanate as follows:
ビオチン化DNAのSiO2への結合:
A.シラン処理:
1.予処理:nha溶液30分間、再蒸留H2O(ddH2O)で洗浄する
2.APTES原液の調製:50%MeOH、47.5%APTES、2.5%ナノピュアH2O:熟成>1時間4℃
3.APTES原液をMeOH中で1:500に希釈する
4.チップを室温でインキュベートする
5.MeOHですすぐ
6.乾燥させる
7.110℃で30分間加熱する
Binding of biotinylated DNA to SiO2:
A. Silane Treatment:
1. Pretreatment: nha solution for 30 min, wash with double distilled H2O ( ddH2O ) 2. Preparation of APTES stock solution: 50% MeOH, 47.5% APTES, 2.5% nanopure H2O : age >1 h at 4°C
3. Dilute APTES stock solution 1:500 in
結合:
1.チップをPDC原液で5時間(室温)処理する(PDC原液:DMSO中の0.5%w/v1,4-フェニレンジイソチオシアナート)
2.DMSOで2回洗浄する(短く)
3.ddH2Oで2回洗浄する(短く)
4.ddH2O(pH8)中、100nMアミノ修飾DNA、O/N37℃
5.28%アンモニア溶液で2回洗浄する(不活性化)
6.ddH2Oで2回洗浄する
Combined:
1. Treat the chip with PDC stock solution for 5 hours (room temperature) (PDC stock solution: 0.5% w/
2. Wash twice with DMSO (briefly)
3. Wash twice with ddH2O (briefly)
4. 100 nM amino-modified DNA in ddH2O (pH 8), O/N 37°C
5. Wash twice with 28% ammonia solution (inactivation)
6. Wash twice with ddH2O
結合したオリゴヌクレオチドに相補的な末端配列を有する一本鎖DNAを、上記の通りに導入し、結合したオリゴヌクレオチドにハイブリダイズさせる。 Single-stranded DNA having a terminal sequence complementary to the bound oligonucleotide is introduced as described above and allowed to hybridize to the bound oligonucleotide.
b)クリックケミストリー:クリックケミストリーとは、簡潔かつ熱力学的に効率的で、毒性または高反応性の副生成物を創成せず、水または生物適合性溶媒中で行われ、目的の物質を特定の生体分子に結合させるのにしばしば使用される反応についての、一般的な用語である。この場合のクリック結合は、a)でオリゴヌクレオチドの結合に使用されたのと同様の化学を使用するが、ここでは、本発明の方法において合成の過程で伸長されるポリマーを結合するのにそれだけが使用される。この実施例ではDNAはポリマーであるが、この化学は、適合するアジド基の付加により官能化された他のポリマーを結合させるのにも使える。 b) Click Chemistry: Click chemistry is a general term for reactions that are simple, thermodynamically efficient, do not create toxic or highly reactive by-products, take place in water or biocompatible solvents, and are often used to attach substances of interest to specific biomolecules. Click attachment in this case uses similar chemistry to that used in a) to attach oligonucleotides, but now it is used exclusively to attach polymers that are extended during synthesis in the methods of the invention. In this example, DNA is the polymer, but this chemistry can also be used to attach other polymers that are functionalized by the addition of compatible azide groups.
シラン処理:
1.予処理:ピラニア溶液30分間、ddH2Oで洗浄する
2.PS(プロパルギルシラン)原液の調製:50%MeOH、47.5%PS、2.5%ナノピュアH2O:熟成>1時間、4C
3.APTES原液をMeOHで1:500に希釈する
4.チップを室温でインキュベートする
5.MeOHですすぐ
6.乾燥させる
7.110℃で30分間加熱する
Silane Treatment:
1. Pretreatment: Piranha solution for 30 min, wash with
3. Dilute APTES stock solution 1:500 in
アジド官能基で終結するDNAは、この表面に共有結合する(図47に示す通り)。アジドで終結するオリゴを注文し、先にDNAへのビオチンの付加について記載した通り、より長いオリガミDNAに結合させる。 DNA terminated with an azide functional group is covalently attached to this surface (as shown in Figure 47). Azide terminated oligos are ordered and attached to longer origami DNA as previously described for adding biotin to DNA.
Claims (8)
該ナノチップは、単一のモノマーまたはオリゴマーのみが1回の反応サイクルにおいて付加され得るように、1以上のモノマーまたはオリゴマーを緩衝液中で末端が保護された形態で荷電ポリマーに付加するための試薬を含む1以上の付加チャンバー;および、緩衝液を含むが、1以上のモノマーまたはオリゴマーの付加に必要な全ての試薬を含むわけではない、1以上の保存チャンバーを含み、ここでこれらのチャンバーは1以上のナノポアを含む1以上の膜により分離されており、ナノポアは、荷電ポリマーを通過させるのに十分な大きさであるが、1以上のモノマーまたはオリゴマーの付加のための少なくとも1つの試薬を通過させるには小さすぎるため、荷電ポリマーはナノポアを通過できるが、1以上のモノマーまたはオリゴマーを付加するための試薬の少なくとも1つは通過できず、そしてナノポアの直径が2~5nmを有し、
該方法は、
(a)第1の末端および第2の末端を有する荷電ポリマーの第1の末端を電気的引力によって付加のチャンバーに移動させ、それによってモノマーまたはオリゴマーを第1の末端にブロック化された形態で付加する工程、
(b)付加されたモノマーまたはオリゴマーをブロック化された形態で有する荷電ポリマーの第1の末端を保存チャンバーに移動させる工程、
(c)付加されたモノマーまたはオリゴマーを脱ブロック化する工程、および
(d)所望のポリマー配列が得られるまで工程a~cを反復する工程、ここで工程a)で付加されるモノマーまたはオリゴマーは同一であるか、または異なっている、
を含むものであり、
荷電ポリマーはDNAであり、モノマーはヌクレオチドであり、そしてオリゴマーはオリゴヌクレオチドである、
方法。 1. A method for synthesizing a charged polymer in a nanotip, the polymer comprising at least two distinct monomers or oligomers, comprising:
the nanotip comprises one or more loading chambers containing reagents for loading one or more monomers or oligomers in end-capped form in a buffer solution to the charged polymer such that only a single monomer or oligomer can be loaded in one reaction cycle; and one or more storage chambers containing a buffer solution but not all reagents necessary for loading the one or more monomers or oligomers, wherein the chambers are separated by one or more membranes containing one or more nanopores, the nanopores being large enough to allow passage of the charged polymer but too small to allow passage of at least one reagent for loading the one or more monomers or oligomers, such that the charged polymer can pass through the nanopore but not at least one of the reagents for loading the one or more monomers or oligomers, and the nanopores have a diameter of 2-5 nm ;
The method comprises:
(a) moving a first end of a charged polymer having a first end and a second end to an addition chamber by electrical attraction, thereby adding a monomer or oligomer to the first end in a blocked form;
(b) transferring the first end of the charged polymer having the attached monomer or oligomer in blocked form to a storage chamber;
(c) deblocking the added monomer or oligomer; and (d) repeating steps a-c until the desired polymer sequence is obtained, where the monomer or oligomer added in step a) is the same or different.
and
The charged polymer is DNA, the monomers are nucleotides, and the oligomers are oligonucleotides.
method.
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