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KR20060030835A - DNA base sequence analysis using DNA synthesis reaction - Google Patents

DNA base sequence analysis using DNA synthesis reaction Download PDF

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KR20060030835A
KR20060030835A KR1020040079755A KR20040079755A KR20060030835A KR 20060030835 A KR20060030835 A KR 20060030835A KR 1020040079755 A KR1020040079755 A KR 1020040079755A KR 20040079755 A KR20040079755 A KR 20040079755A KR 20060030835 A KR20060030835 A KR 20060030835A
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dna
dntp
dna synthesis
synthesis reaction
consumption
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전홍석
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전홍석
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Abstract

본 발명은 염기서열을 파악하려는 DNA를 합성하면서 특정dNTP를 소모시키고, 이 특정 dNTP의 소모를 탐지하는 별도의 DNA합성반응을 진행시켜, 이 소모 탐지 반응의 결과에 따라 특정 dNTP의 공급을 조절하면서 DNA의 염기서열을 알아내는 방법이다.The invention consumes specific dNTPs while synthesizing DNA to identify nucleotide sequences, and proceeds with a separate DNA synthesis reaction that detects the consumption of specific dNTPs, while controlling the supply of specific dNTPs as a result of this exhaustion detection reaction. It is a way to find out the DNA sequence.

본 발명은 DNA염기서열을 분석하는 방법에 관한 것으로 전기영동 없이 DNA 염기서열을 알아내는 방법임.dNTP소모용 DNA합성반응에서 서열을 알아내고자 하는 DNA를 합성할 때 특정 dNTP를 일정량 공급하고, 이 반응 후에 남은 dNTP를 다른 지점에 있는 dNTP 소모 탐지용 DNA합성반응에 공급함. 특정 dNTP 소모 탐지용 DNA합성반응은 그 특정 dNTP가 있으면 제한효소가 인지할 수 있는 서열을 만들 수 있으므로 DNA합성반응 후에 제한효소를 반응시키고 씻어내면 DNA끝에 붙은 형광염료도 함께 씻겨나가며, 특정 dNTP가 없으면 제한효소가 인지할 수 있는 서열을 만들 수 없으므로 제한효소 반응 후에 씻겨 나가지 않으므로, 특정 dNTP를 소모용 DNA합성반응 후에 탐지용 DNA합성반응에 보내어 어느정도 소모되었는지 형광염료 탐지기로 알아냄으로써 dNTP소모용 DNA합성반응에서 합성하는 DNA의 염기서열을 알아낼 수 있음.The present invention relates to a method for analyzing a DNA base sequence and to find a DNA sequence without electrophoresis. When synthesizing DNA to find the sequence in the DNA synthesis reaction for dNTP consumption, a certain amount of dNTP is supplied, and The remaining dNTP after the reaction is fed to the dNTP depletion detection DNA synthesis reaction at another point. The DNA synthesis reaction for detecting specific dNTP depletion can generate a sequence that the restriction enzyme can recognize if the specific dNTP is present. When the restriction enzyme is reacted and washed after the DNA synthesis reaction, the fluorescent dye attached to the DNA end is also washed away. Otherwise, the restriction enzyme cannot make a recognizable sequence, so it is not washed out after the restriction enzyme reaction. Therefore, a specific dye dNTP is sent to the detection DNA synthesis reaction after consumption DNA synthesis reaction to find out how much was consumed by the fluorescent dye detector. Base sequence of DNA synthesized in synthesis reaction can be determined.

이를 위하여 알아내고자하는 서열 1개당 dGTP, dATP, dTTP, dCTP를 각각 차례로 소모용 DNA합성반응에 공급하고 소모 탐지용 DNA합성반응에서 소모 정도를 확인함. 실시간으로 형광을 측정하면서 공급할 특정 dNTP를 결정하고 각 dNTP는 필요 한 양에 비해 10%씩 초과 공급하여 형광 여부와 정도를 계산함으로써 같은 염기가 연이어 있는 서열도 파악할 수 있음.For this, dGTP, dATP, dTTP, and dCTP are supplied to the DNA synthesis reaction for consumption in order, and the degree of consumption is confirmed in the DNA synthesis reaction for consumption detection. By measuring fluorescence in real time, the specific dNTP to be supplied is determined, and each dNTP is supplied in excess of 10% by the amount required to calculate the fluorescence and the degree of sequencing so that the sequence of the same base can be identified.

현재까지 나온 방법 중 가장 우수한 생거방법은 전기영동을 사용하므로 근본적으로 800번째 이상 염기서열을 확인하기 어렵지만 본 발명은 효소 등을 개선하기에 따라 1만번째 이상까지도 확인할 수 있음. 동일한 반응을 동시에 수행하거나 서로 상보적인 DNA가닥을 각각 확인하여 속도와 정확도를 높일 수 있음.The most excellent method of living out to date is the use of electrophoresis, so it is difficult to identify the nucleotide sequence more than 800 fundamentally, but the present invention can be identified up to 10,000 or more according to the improvement of enzymes. Speed and accuracy can be increased by performing the same reactions simultaneously or by identifying complementary DNA strands.

DNA염기서열, 전기영동, 생거방법, 형광염료, 제한효소, dNTP 소모용 DNA합성반응, dNTP 소모 탐지용 DNA합성반응DNA base sequence, electrophoresis, living method, fluorescent dye, restriction enzyme, DNA synthesis reaction for dNTP consumption, DNA synthesis reaction for dNTP consumption detection

Description

DNA합성반응을 이용한 DNA염기서열분석{DNA sequencing by DNA synthesis}DNA sequencing by DNA synthesis using DNA synthesis

도 1 은 dNTP 소모용 DNA 합성반응과 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응1 shows DNA synthesis reaction for dNTP consumption and DNA synthesis reaction for dNTP consumption detection.

도 2 는 양극(+)과 음극(-) 판 사이의 액체방울과(-)전극 궤도2 shows the droplets and (-) electrode trajectory between the positive and negative plates.

도 3 은 전기습윤으로 수송되는 액체방울3 is a droplet transported by electrowetting

도 4 는 반응재료 공급구와 반응장소와 배출구4 is a reaction material supply port and reaction place and outlet

도 5 는 도4의 각 요소를 연결하는 (-)전극 궤도를 선으로 표시FIG. 5 shows the trajectory of the negative electrode connecting each element of FIG.

도 6 은 반응재료 저장소, 공급구와 세척물 배출용 침Figure 6 is a reaction material reservoir, supply port and washing water discharge needle

도 7 은 반응재료 공급구와 세척물 배출용 침의 위치7 is a position of the reaction material supply port and the washing water discharge needle

도 8 은 반응재료를 공급하는 전기 모세관8 is an electric capillary supplying a reaction material

도 9 는 세척물 배출용 침9 is a needle for draining the wash water

도 10 은 제한효소와 이용하는 탐지법과 형광물질 이용하는 탐지법10 is a detection method using a restriction enzyme and a detection method using a fluorescent material

도 11 은 형광물질이 붙은 dNTP 이용하는 탐지법과 아민 반응을 이용한 탐지법11 is a detection method using a dNTP with a fluorescent material and a detection method using an amine reaction

도 12 는 형광 물질이 붙은 DNA의 hybridization을 이용한 탐지법과 ferrocene을 이용한 탐지법12 is a detection method using hybridization of DNA with fluorescent material and a detection method using ferrocene

도 13 은 루시페린을 이용한 탐지법과 다른 장소에 고정된 DNA를 이용한 탐지법 Fig. 13 shows the detection method using luciferin and the detection method using DNA immobilized elsewhere.                 

도 14 는 효소가 붙은 DNA의 hybridization을 이용한 탐지법과 제한효소를 이용한 탐지법14 is a detection method using hybridization of DNA with enzyme and a detection method using restriction enzyme

도 15 는 형광 항체를 이용한 탐지법과 자석구슬을 이용한 탐지법15 is a detection method using a fluorescent antibody and a detection method using a magnetic bead

도 16 은 (-)전극 궤도를 세척하기 위해 궤도와 세척물 배출구를 추가한 것16 shows the addition of the trajectory and the wash outlet to wash the negative electrode trajectory.

도 17 은 세척용 완충액 저장소와 공급구의 위치를 달리 한 것17 shows the different positions of the wash buffer reservoir and the supply port.

도 18 은 (-)전극 궤도의 분산 지점18 shows the dispersion point of the (-) electrode trajectory

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

전극을 연결하고 제어하는 부분, 공급 배출 모듈에 음압이 걸리는 것을 막기 위한 공기 출입구는 생략Ports for connecting and controlling electrodes, omission of air inlet to prevent negative pressure from supply and discharge module

1: 수평수송용 투명 (+)전극이 든 판1: Plate with transparent positive electrode for horizontal transportation

2: 수평수송용 투명 (+)전극2: Transparent (+) electrode for horizontal transport

3: 소수성절연층(hydrophobic insulator)3: hydrophobic insulator

4: 수평수송용 (-)전극이 든 판4: Plate with negative electrode for horizontal transportation

5: 액체 방울(fluid droplet)5: fluid droplet

6: DNA 합성반응에서 이어나갈 DNA 가닥6: DNA strands to continue in DNA synthesis

7: 5'끝에 비오틴이 붙은 주형 DNA 가닥(biotinylated template DNA strand)7: biotinylated template DNA strand at 5 'end

8: 비오틴(biotin)8: biotin

9: 스트렙타비딘(streptavidin)9: streptavidin

10: dNTP 소모용 DNA 합성반응 장소(hydrophilic spot)10: DNA hydrophilic spot for dNTP consumption

11: 수평수송용 (-)전극 11: (-) electrode for horizontal transportation                 

12: dGTP 소모 탐지용 DNA 합성반응 장소(hydrophilic spot)12: DNA hydrophilic spot for dGTP depletion detection

13: 세척물 배출구13: washing water outlet

14: 세척용 완충액 주입구14: wash buffer inlet

15: dGTP 주입구15: dGTP inlet

16: dATP 주입구16: dATP inlet

17: dTTP 주입구17: dTTP inlet

18: dCTP 주입구18: dCTP inlet

19: DNA 합성효소 주입구19: DNA synthase injection hole

20: 제한효소 주입구20: restriction enzyme inlet

21: dATP 소모 탐지용 DNA 합성반응 장소21: DNA synthesis reaction site for dATP depletion detection

22: dTTP 소모 탐지용 DNA 합성반응 장소22: DNA synthesis reaction site for dTTP depletion detection

23: dCTP 소모 탐지용 DNA 합성반응 장소23: DNA synthesis reaction site for dCTP depletion detection

24: 세척용 완충액 주입 전기모세관(electrocapillary)24: Washing buffer injection electrocapillary

25: 저장소(reservoir)25: reservoir

26: dGTP 주입 전기모세관26: dGTP injection electrocapillary

27: dATP 주입 전기모세관27: dATP injection electrocapillary

28: dTTP 주입 전기모세관28: dTTP injection electrocapillary

29: dCTP 주입 전기모세관29: dCTP injection electrocapillary

30: DNA 합성효소 주입 전기모세관30: DNA synthase injection electrocapillary

31: 제한효소 주입 전기모세관 31: Restriction enzyme injection electrocapillary                 

32: 공급배출 모듈(module)32: supply discharge module

33: 세척물 배출용 침33: needle for discharging the washing water

34: 세척물 저장소34: wash water reservoir

35: 공급배출 모듈의 수직수송용 (-)전극35: negative electrode for vertical transportation of supply discharge module

36: 공급배출 모듈의 수직수송용 (+)전극36: Positive electrode for vertical transportation of supply discharge module

37: 모세관 측면의 반응재료 입구37: Reaction material entrance on the side of the capillary

38: 전기모세관의 소수성절연층38: hydrophobic insulating layer of an electrocapillary tube

현재 DNA염기서열을 분석하는 주된 기술은 생거방법을 기본으로 한 것으로써 게놈프로젝트에서는 한 주형을 여러 번 사용하기 위해 온도를 높였다 낮추며 합성을 반복한 다음 모세관에서 전기영동을 하고 길이에 따라 분리된 DNA단편의 위치를 DNA말단에 표지한 형광염료(fluorescent dye)로 감지하고 컴퓨터가 자동으로 서열을 알아내는 생거방법임. 이 방법(Sanger Sequencing with cyclic sequencing and capillary electrophoresis)은 시간과 돈이 많이 듦.Currently, the main technique for analyzing DNA base sequence is based on the living method. In the Genome Project, the temperature is increased and decreased to use one template several times, repeated synthesis, electrophoresis in capillary tube, and DNA separated according to length. It is a living method that detects the location of fragments with a fluorescent dye labeled at the end of DNA and automatically recognizes the sequence. This method (Sanger Sequencing with cyclic sequencing and capillary electrophoresis) is time-consuming and expensive.

이외에 DNA서열확인 방법에는 형광염료를 붙인 ddNTP대신 비오틴을 붙인 ddNTP을 이용해서 전기영동대신 질량 분광법(mass spectrometry)을 이용하는 방법, helicase를 이용한 PCR-direct sequencing, DNA를 합성할 때 나오는 ppi를 탐지하는 Pyrosequecing, 여러 DNA분자를 합성할 때 형광염료가 붙은 dNTP를 사용하는 Bulk-fluorescence DNA sequencing-by-synthesis, 하나의 DNA분자를 합성할 때 형광염료가 붙은 dNTP를 사용하는 Single-molecule DNA sequencing, DNA분자를 무작위로 짧게 자른다음 각각을 특정단편들과 hybridization하여 짧은 서열을 알아내고 컴퓨터로 수없이 중복하는 서열들을 하나로 연결하는 Sequencing by hybridization, 두 수용액 가운데 있는 지질막에 극히 작은 통로(nanopore)을 설치하고 이 사이로 DNA분자를 통과시켜 서열을 알아내는 Nanopore DNA sequencing, DNA분자에 특정 단편을 붙였다 떼었다 하면서 서열을 알아내는 massively parallel sequencing with stepwise enzymatic ligation and cleavage 등 여러가지가 있지만 아직 생거방법처럼 긴 서열을 확인할 수 있는 단계는 아님. DNA chip (일명 Gene chip)에서 사용하는 기술들은 대개 DNA염기서열이 서로 다른 것을 밝힐 수 있을 뿐임.In addition to DNA sequencing, ddNTP with biotin instead of fluorescent dye was used for spectral spectrometry instead of electrophoresis. Pyrosequecing, Bulk-fluorescence DNA sequencing-by-synthesis using fluorescent dye dNTP to synthesize several DNA molecules, Single-molecule DNA sequencing using dNTP with fluorescent dye when synthesizing one DNA molecule, DNA Randomly shorten the molecules and hybridize them with specific fragments to find short sequences, and then computerized sequencing by hybridization that connects numerous overlapping sequences into one, and installs an extremely small nanopore in the lipid membrane between the two aqueous solutions. Nanopore DNA sequencing, which identifies DNA sequences by passing DNA molecules, attaches and removes specific fragments to DNA molecules. There are many ways to find the sequence, such as massively parallel sequencing with stepwise enzymatic ligation and cleavage. Techniques used in DNA chips (aka Gene chips) usually only reveal different DNA base sequences.

기존의 방법 중 DNA합성을 이용한 염기서열 분석법은 긴 DNA의 합성과 소모된 dNTP의 탐지를 한 반응장소에서 시행하려 함으로써 많은 문제가 발생하는데 본 발명은 긴 DNA를 합성하는 반응과 특정 dNTP의 소모를 탐지하기 위한 짧은 DNA를 합성하는 반응을 서로 다른 장소에서 따로 수행함으로써 그러한 문제 없이 합성과 탐지 각 반응을 수행할 수 있어 전기영동 없이 긴 DNA 염기서열을 파악할 수 있는 방법으로서 micromechanical engineering, microfluidics가 계속 발전하고 있고 DNA합성효소, 형광염료, 형광탐지장비도 계속 발전하고 있어 점점 더 긴 DNA 염기서열을 파악할 수 있게 개선할 수 있음.Among the existing methods, sequencing method using DNA synthesis causes many problems by attempting to perform long DNA synthesis and detection of consumed dNTPs in one reaction site. Micromechanical engineering and microfluidics continue to evolve as a way to identify long DNA sequences without electrophoresis by performing separate reactions to synthesize short DNA for detection separately in different places. DNA synthase, fluorescent dyes, and fluorescence detection equipment continue to develop, which can be improved to identify longer and longer DNA sequences.

dNTP 소모용 DNA합성반응과 dNTP 소모 탐지용 DNA합성 반응을 다른 장소에서 실행함으로써 dNTP 소모용 DNA합성반응에 나쁜 영향을 주지 않으면서 dNTP 소모 탐지용 DNA합성반응에서 간단한 방법들을 사용해서 소모 여부와 정도를 알 수 있음.dNTP depletion DNA synthesis reaction and dNTP depletion detection DNA synthesis reaction are performed in different places, and the consumption and degree of consumption of dNTP depletion detection DNA synthesis using simple methods without adversely affecting dNTP depletion DNA synthesis reaction. Can be seen.

생거방법은 전기영동 분석의 한계와 비용문제가 근본적으로 개선하기 어려우며, 다른 방법들은 아직 원리를 확인하는 단계이거나, 여러 가지 문제점으로 짧은 서열을 확인할 수 있는 수준에 머물러 있음.The Sanger method is difficult to fundamentally improve the limitations and costs of electrophoretic analysis, and the other methods are still at the stage of confirming the principle, or at the level where short sequences can be identified due to various problems.

본 발명은 이런 문제들을 해소하기 위한 방법이며, DNA 합성효소의 개선, 형광염료의 개선, 전기습윤현상의 응용과 microfluidics의 개선 등을 통해 긴 DNA 염기서열을 경제적으로 밝혀낼 수 있음.The present invention is a method to solve these problems, it is possible to economically identify long DNA sequences through the improvement of DNA synthase, the improvement of fluorescent dyes, the application of electrowetting phenomenon and the improvement of microfluidics.

DNA 합성을 이용하여 염기서열을 밝히는 Bulk-fluorescence DNA sequencing-by-synthesis는 DNA를 합성할 때 형광염료가 달린 dNTP 유사체를 사용하는데 이럴 경우 DNA 합성효소(DNA polymerase)가 첫 dNTP 유사체를 DNA에 붙이고나서 합성효율이 급격히 떨어지는 단점이 있으나 본 발명은 dNTP 소모용 DNA 합성반응에서나 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 정상적인 dNTP를 사용하므로 이런 문제가 발생하지 않음.Bulk-fluorescence DNA sequencing-by-synthesis, which uses DNA synthesis to identify sequences, uses dNTP analogs with fluorescent dyes to synthesize DNA. In this case, DNA polymerase attaches the first dNTP analog to DNA. Then there is a disadvantage that the synthesis efficiency falls sharply, but the present invention does not cause this problem because the normal dNTP is used in the DNA synthesis reaction for dNTP consumption or the DNA synthesis for dNTP consumption detection.

전기습윤현상을 이용해 반응에 필요한 생물학적 완충액, 효소, DNA 합성재료를 적절한농도와 양으로 공급하고 세척 할 수 있으므로 반응개시, 유지, 종료, 세척을 정밀하게 조절할 수 있고, 형광염료를 사용하여 CCD 카메라로 dNTP 소모용 DNA 합성반응을 하기 전에 DNA 합성용 프라이머(DNA primer) 끝에 붙은 형광염료를 측정해서 DNA 분자의 농도를 측정하여 그에 적절한 농도와 양의 재료를 공급하고, dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응을 하기 전 DNA 분자 끝에 붙은 형광염료의 강도를 측정해서 제한효소로 자른 후 세척하고 나서 형광의 강도가 변한 것을 측정하여 dNTP 소모용 DNA 합성반응에 공급하는 dNTP의 종류와 농도를 조절하여 같은 염기가 연속으로 있는 경우에도 염기서열을 알아낼 수 있음.By using electrowetting phenomenon, biological buffers, enzymes, and DNA synthesis materials required for reaction can be supplied and washed at appropriate concentrations and amounts. Thus, the initiation, maintenance, termination, and washing of reactions can be precisely controlled. Before the dNTP consumption DNA synthesis reaction, the fluorescent dyes attached to the ends of the DNA primers were measured to measure the concentration of DNA molecules, supplying the appropriate concentration and quantity of material, and the DNA synthesis reaction for dNTP consumption detection. Measure the intensity of the fluorescent dyes attached to the ends of the DNA molecules before cutting them, cut them with restriction enzymes, wash them, and measure the change in the intensity of fluorescence. Then adjust the type and concentration of dNTPs supplied to the DNA synthesis for dNTP consumption. Base sequences can be determined even when they are in series.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같음.When described in detail by the accompanying drawings as follows.

본 발명은 염기서열을 파악하고자 하는 DNA를 합성하는 반응과 이 합성에서 어떤 dNTP가 쓰였는지를 파악하기 위한 별도의 DNA 합성반응을 이용함.The present invention uses a reaction for synthesizing the DNA to determine the sequence and a separate DNA synthesis reaction to determine what dNTP was used in this synthesis.

특정 dNTP가 dNTP 소모용 DNA(염기서열을 파악하고자 하는 DNA)합성반응에서 소모되지 않았으면 특정 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 특정 dNTP가 고정된 DNA에 들어가고나면 대기하고 있던 나머지 dNTP 들이 들어가면서 Sau3AI 제한효소가 감지할 수 있는 GATC 서열이 합성됨. DNA 합성효소가 합성을 마치고 Sau3AⅠ 제한효소가 이를 자르면 DNA끝에 붙은 형광염료가 세척할 때 소실되어 형광을 감지할 수 없는 원리를 이용한 것임.If a specific dNTP has not been consumed in dNTP consuming DNA (DNA to identify base sequence) reaction, the specific dNTP depletion detection DNA synthesis reaction enters the fixed DNA, and then the remaining dNTPs that are waiting to enter are restricted to Sau3AI. GATC sequence synthesized by enzyme When DNA synthase finishes synthesis and Sau3AⅠ restriction enzyme cuts it, it uses the principle that the fluorescent dye attached to the end of DNA is lost when washing and cannot detect fluorescence.

DNA 를 준비할 때 농도를 맞추어 준비하며 dNTP 소모용 DNA 합성반응(도1의 가)을 하기 전에 5'끝에 붙은 Cy5의 형광을 측정해서 정확성을 높임. dGTP와 DNA 합성효소를 공급하여 dNTP 소모용 DNA 합성반응을 시키고 나서 반응액물 dGTP 소모 탐지용 DNA 합성반응(도1의 나)에 보내면, 거기에는 dATP,dTTP,dCTP 만 있으므로 만약 보낸 반응액에 dGTP 가 없으면 탐지용 DNA 합성반응에서 처음 합성에 dGTP 가 필요하므로 DNA 합성반응이 일어나지 않음. 하지만 dNTP 소모용 DNA 합성반응에서 합성에 필요한 양의 110%를 공급하므로 만약 첫 번째 서열이 G 라면 dNTP 소모용 DNA 합성반응 후 반응액에는 10%의 dGTP가 남아 있고, dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응에서는 10%정도의 DNA가 합성되고, 합성된 DNA는 Sau3AⅠ을 가하면 잘려나가서 탐지용 DNA 합성반응에서 형광의 강도는 제한효소를 가하기 직전에 측정한 형광의 90%가 측정됨.When the DNA is prepared, the concentration is prepared. Before the DNA synthesis reaction for dNTP consumption (Fig. 1A), the fluorescence of Cy5 attached to the 5 'end is measured to increase the accuracy. After supplying dGTP and DNA synthetase to perform DNA synthesis reaction for dNTP consumption, and then sent to the reaction product DNA synthesis reaction for detecting dGTP consumption (Fig. 1B), there are only dATP, dTTP, and dCTP. Without the DNA synthesis reaction, dGTP is required for the initial synthesis in the detection DNA synthesis reaction. However, in the dNTP-consuming DNA synthesis reaction, 110% of the amount required for synthesis is supplied. If the first sequence is G, after the dNTP-consuming DNA synthesis reaction, 10% of dGTP remains in the reaction solution. About 10% of DNA was synthesized, and the synthesized DNA was cut off when Sau3AⅠ was added. In the DNA synthesis reaction for detection, the intensity of fluorescence was measured 90% of the measured fluorescence immediately before the restriction enzyme.

만약 dNTP 소모용 DNA 합성반응에서 첫 번째 염기서열이 G 가 아니라면 dGTP가 소모되지 않아서 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 를 100% 합성하며, 이럴 경우 제한효소 Sau3AⅠ으로 인식되는 서열이 생성되어 Sau3AⅠ을 가하면 DNA가 절단되고, 세척할 때 모두 씻겨나가서 형광이 탐지되지 않음.If the first nucleotide sequence is not G in the dNTP consuming DNA synthesis reaction, dGTP is not consumed and 100% of the DNA is synthesized in the dNTP consuming detection DNA synthesis reaction. In this case, a sequence recognized as the restriction enzyme Sau3AⅠ is generated to generate Sau3AⅠ. When added, the DNA is cleaved, and when washed, all are washed away and no fluorescence is detected.

dNTP 소모용 DNA 합성반응에서 첫 번째 염기 뿐만 아니라 두 번째 염기도 G라면 형광의 100%가 측정될 것임. 따라서 이럴 경우 dNTP 소모용 DNA 합성반응에 다시 dGTP를 100% 공급해주면 두 번째까지만 G라면 형광의 90%가 측정될 것이고 세 번째도 G 라면 100%가 측정될 것임.100% of the fluorescence would be measured if the first base as well as the second base in the DNA synthesis for dNTP consumption. Therefore, if 100% of dGTP is supplied to the DNA synthesis reaction for dNTP consumption, 90% of the fluorescence will be measured if G is the second time, and 100% if the third degree is G.

형광의 90%가 측정되면 dATP를 dNTP 소모용 DNA 합성 반응에 공급함.Once 90% of the fluorescence was measured, dATP was fed to dNTP consuming DNA synthesis reaction.

dATP 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 합성, 절단, 세척 후 형광의 90%가 측정되면 dTTP를 공급함. 같은 식으로 dCTP 를 공급함.dTTP is supplied when 90% of fluorescence is measured after synthesis, cleavage and washing in DNA synthesis reaction for dATP consumption detection. Supply dCTP in the same way.

이를 반복하면 dNTP 소모용 DNA 합성반응에서 어떤 dNTP 들이 소모되었는지 차례로 알 수 있으므로 dNTP 소모용 DNA 합성반응에서 합성된 DNA의 염기서열을 알 수 있음(도 10 가).By repeating this, it is possible to know which dNTPs have been consumed in the dNTP-consuming DNA synthesis reaction, so that the base sequence of the DNA synthesized in the dNTP-consuming DNA synthesis reaction can be known (FIG. 10A).

본 발명의 출원서 도면에는 각 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응 장소(도 4의 12,21,22,23)가 5줄 있으므로 5번째 염기서열까지 확인할 수 있으며, 이를 수천 줄로 늘리면 수천번째 염기서열까지 확인할 수 있음.In the application drawing of the present invention, since each dNTP depletion detection DNA synthesis reaction site (12, 21, 22, 23 of Figure 4) is five lines, it can be confirmed up to the fifth nucleotide sequence, and if you increase it to thousands of lines, it is possible to identify up to thousands May be.

dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응액에는 합성반응용 완충액에 DNA 합성효소, 탐지할 특정 dNTP 를 뺀 나머지 dNTP 들이 들어있고,형광물질이 붙은 DNA 프라이머가 붙은 DNA 가닥이 비오틴과 스트렙타비딘을 통해 반응장소에 붙어 있음. 제한효소는 DNA 합성반응 후에 공급함.DNA synthesis reaction for dNTP depletion detection contains dNTPs after subtracting DNA synthetase and specific dNTP to be detected in synthetic reaction buffer, and DNA strands with fluorescence-labeled DNA primers are reacted through biotin and streptavidin. Stuck on. Restriction enzymes are supplied after DNA synthesis.

dGTP 소모 탐지용 DNA 합성반응액에는 dATP, dTTP, dCTP가 들어있고,DNA synthesis reaction for detecting dGTP depletion contains dATP, dTTP, dCTP,

dATP 소모 탐지용 DNA 합성반응액에는 dGTP, dTTP, dCTP가 들어 있고,DNA synthesis reaction for dATP depletion detection contains dGTP, dTTP, dCTP,

dTTP 소모 탐지용 DNA 합성반응액에는 dGTP, dATP, dCTP가 들어 있고,DNA synthesis reaction for detecting dTTP consumption contains dGTP, dATP, dCTP,

dCTP 소모 탐지용 DNA 합성반응액에는 dGTP, dATP, dTTP가 들어있음.DNA synthesis reaction for detecting dCTP depletion contains dGTP, dATP, and dTTP.

프라이머도 각각 다른 게 붙어있어서 처음 합성에 필요한 dNTP가 각각 다르고 비오틴에 붙어있는 DNA 의 서열도 각각 다름(도 10 나).The primers are also attached to each other, so the dNTPs required for the first synthesis are different, and the sequence of DNA attached to the biotin is also different (Fig.

dNTP 소모용 DNA 합성반응에서 합성반응 후 반응액을 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응으로 보낼 때 DNA 의 친수성과 친수성 반응장소의 인력으로 인해 반응액을 100% 옮길 수 없으므로 남아 있는 잔류 dNTP 는 완충액으로 씻어냄. 이 때 DNA 합성효소도 일부 씻겨나갈 수 있으므로 DNA 합성효소도 세척과 별도로 보충해 줌.In the dNTP-consumed DNA synthesis reaction, when the reaction solution is sent to the dNTP depletion detection DNA synthesis reaction, the remaining solution of dNTP is washed with buffer because the reaction solution cannot be transferred 100% due to the hydrophilicity of the DNA and the attraction of the hydrophilic reaction site. smoking. At this time, some DNA synthase may be washed away, so the DNA synthase is supplemented separately from washing.

세척에 사용하는 완충액은 어떠한 효소나 뉴클레오타이드(nucleotide)도 들어 있지 않은 순수한 DNA 합성반응용 완충액(reaction buffer)임.The buffer used for washing is pure DNA synthesis reaction buffer containing no enzymes or nucleotides.

세척하기 위해 DNA 합성반응 장소에 완충액을 과량 공급하면 바로 옆에 난 배출구까지 액체 방울의 경계가 확대되고 이 때 배출구에서 액체를 빨아들임(도1 나 13). 이를 반복함으로써 형광염료가 붙은 잘려진 DNA 가닥을 씻어낼 수 있음.Excessive supply of buffer to the DNA synthesis site for washing extends the boundaries of the liquid droplets to the outlet adjacent to it and draws liquid from the outlet (Fig. 1 or 13). By repeating this, the DNA strands with fluorescent dyes can be washed away.

완충액과 기타 물질을 주입하기 위해 전기모세관을 이용하고, 배출구에서 액체를 빨아들이기 위해 전기습윤현상을 이용한 배출용 침을 이용함 .Use an electrocapillary tube to inject buffers and other materials, and use a discharge needle using electrowetting to draw liquid from the outlet.

반응재료나 완충액을 공급하는 방법으로는 이 외에도 유체의 미세한 이동을 제어하는 여러 방법들을 이용할 수 있을 것임.As a method of supplying the reactant material or the buffer solution, various methods of controlling the fine movement of the fluid may be used.

반응액을 수송하는 궤도에 반응액을 수송하면서 미량이라도 남아 있을 수 있는 dNTP를 씻어내기 위해 세척용 완충액을 수송함으로써 궤도를 세척할 수 있음(도 16 가,나, 도 17 가,나). (-)전극의 궤도가 분산하는 곳은 궤도를 이중으로 설치하여 해결함. 도 18의 (가)는 궤도가 분산하는 곳의 위 아래 서본 (-)전극 모습. (나)는 측면에서 본 모습임.The orbit can be washed by transporting the wash buffer to wash away the dNTP, which may remain in trace amounts, while transporting the reaction solution to the orbit for transporting the reaction solution (FIG. 16A, FIG. 17A, B). Where the trajectory of the negative electrode is dispersed, the trajectory is doubled to solve the problem. Figure 18 (a) is the top and bottom of the negative electrode where the orbit is dispersed. (B) is seen from the side.

완충액, dNTP, DNA 합성효소, 제한효소 저장소를 DNA 합성장소와 같은 평면에 설치하여 수직으로 수송하지 않고 수평으로 수송할 수 있게 설계할 수도 있음.Buffers, dNTPs, DNA synthase and restriction enzyme reservoirs can be designed to be transported horizontally rather than vertically by installing them in the same plane as the DNA synthesis site.

도 1 (가)10, (나)12 는 비오틴과 스트렙타비딘을 붙이고 여기에 비오틴이 붙은 주형 DNA 가닥을 붙이기 위한 친수성 표면으로 소수성 절연층 위에 친수성 물질을 찍어서 만들 수도 있고 그 외 다른 여러 가지 방법을 사용할 수 있음. 도 4 에서 12,21,22,23 은 크기를 정확히 비례하여 그린 것이 아니며 반응액 방울이 갖게 되는 원형 경계면을 대충 나타낸 것으로써 친수성 표면은 그보다 작은 원형임(hydrophilic spot).Figure 1 (a) 10, (b) 12 is a hydrophilic surface for attaching biotin and streptavidin and a template DNA strand attached to the biotin may be made by dipping a hydrophilic material on the hydrophobic insulating layer or other various methods Can be used. In FIG. 4, 12, 21, 22, and 23 are not drawn in an exact proportion, but roughly show a circular interface of the droplet of the reaction solution, and the hydrophilic surface is smaller than that of the hydrophilic spot.

전기습윤현상을 이용하여 dNTP, DNA 합성효소, 제한효소를 포함하는 반응액(reaction buffer)을 수송하고, dNTP 소모용 DNA 합성반응에서 DNA 합성반응 을 하고 난 반응액을 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응으로 수송하 0 고, 제한효소 반응 후에 잘린 DNA 를 씻어내기 위해 많은 양의 완충액을 공급함.Transfer reaction buffer containing dNTP, DNA synthetase, and restriction enzyme using electrowetting phenomenon, and DNA synthesis reaction for detecting dNTP consumption after reaction of DNA synthesis in dNTP consumption DNA synthesis reaction And buffered large amounts to flush out the cut DNA after restriction enzyme reactions.

전기습윤현상을 이용해서 액체방울(liquid droplet)을 옮기는 방법은 개방형과 폐쇄형이 있음. 도 3 은 폐쇄형의 경우 액체방울이 이동하는 원리임.Transfer of liquid droplets using electrowetting is open and closed. 3 is a principle that the droplet is moved in the closed case.

액체방울을 이동하려는 방향에 있는 전극에만 전류를 흘려줌.Current flows only to the electrode in the direction of the drop.

폐쇄형은 소수성 절연층(hydrophobic insulating layer)(도 1 가 3)을 가진 판위에 이 위에 역시 소수성 절연층을 가진 투명한 판을 올려놓았음. 아래 판에는 음극의 궤도가 있으며 dNTP 소모용 DNA 합성반응을 할 자리와 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응을 할 자리는 작은 원형으로 친수성표면을 가지며 그 위에는 비오틴과 비오틴에 결합한 스트렙타비딘(streptavidin)이 있음.The closed type was placed on top of a plate with a hydrophobic insulating layer (FIG. 1 to 3) and a transparent plate with a hydrophobic insulating layer thereon as well. The lower plate has the orbit of the cathode, and the site for the DNA synthesis for dNTP consumption and the DNA synthesis for the detection of dNTP consumption is a small circle with a hydrophilic surface, and streptavidin bound to biotin and biotin. has exist.

위 판에는 투명한 (+)전극이 있음(Indium Tin Oxide 전극, 15nm 이하 두께).The upper plate has a transparent positive electrode (Indium Tin Oxide electrode, less than 15nm thick).

전기습윤을 위해 액체방울과 접촉하는 유리면에는 DNA 를 부착하는 지점들을 빼고는 소수성 피막이 형성되어 있음. 소수성 피막을 입혀 소수성 표면(hydrophobic surface)을 만들거나 나노 크기의 작은 요철을 만들고 소수성 막을 코팅해 초소수성표면(superhydrophobicity surface)를 만들 수 있음. 소수성 절연층은 듀폰(Dupont)사의 Teflon AF 를 두께 20nm 이하로 만들어 사용함. 이외에 Fluoroplymer xR, ICP fluoropolymer, AKD, Fluoroalkylsilane(FAS), Octadecyl dimethylchlorosilane, FluoroPel 등 시판되는 여러 물질 중 한가지를 이용할 수 있음. 절연층 형성 방법은 spin, spray, evaporation, plasma etch 등이 있고 이에 따라 두께나 액체방울 조성에 따른 소수성 강도에 차이가 남. 소수성 절연층이 얇 을 수록 적은 전류로 액체방울을 움직일 수 있으며,여러 (-)전극들 중에 움직이려는 방향으로 액체방울의 한쪽에 전류를 통해주어 액체방울을 움직임.A hydrophobic film is formed on the glass surface in contact with the droplet for electrowetting except for the point where DNA is attached. Hydrophobic coatings can be used to create hydrophobic surfaces or nano-sized small irregularities, and hydrophobic membranes can be coated to create superhydrophobicity surfaces. The hydrophobic insulating layer is made of Dupont's Teflon AF with thickness less than 20nm. In addition, one of several commercially available materials can be used, including Fluoroplymer xR, ICP fluoropolymer, AKD, Fluoroalkylsilane (FAS), Octadecyl dimethylchlorosilane, and FluoroPel. Insulating layer formation methods include spin, spray, evaporation, plasma etch, etc., and there is a difference in hydrophobic strength depending on the thickness and droplet composition. The thinner the hydrophobic insulating layer, the smaller the current can move the droplets, and the droplets move through the current through one of the droplets in the direction of movement among the (-) electrodes.

개방형은 소수성 절연층 아래에 (+),(-)전류가 흐르는 전선을 평행으로 여러 개 깔고 이런 전선 중에 움직이려는 방향으로 액체방울의 한쪽에 있는 전선에만 전류를 통해주어 액체방울을 움직임.In the open type, multiple (+) and (-) currents flow under the hydrophobic insulation layer in parallel, and the droplets move by passing current through only the wires on one side of the liquid in the direction of movement.

폐쇄형과 개방형은 각각 장단점이 있으며 병행발전하고 있으므로 본 발명의 목적 실현에 좀 더 우수한 방법을 선택하여 사용하면 됨.The closed type and the open type have advantages and disadvantages, respectively, and are being developed in parallel.

무정질실리콘이 빛을 받으면 전도성이 달라지는 현상을 이용해서 교류전류를 이용하여 나열한 전극중 일부에만 전류가 흐르게 하여 반응액방울을 움직이는 opto-electrowetting(OEW)을 이용해서 액체방울을 움직일 경우에는 형광염료가 표백(bleaching)이 되지 않는 범위의 레이저를 이용하거나 반응액과 접촉하지 않도록 아래쪽에서 레이저를 비추는 방법을 사용할 수 있음.When amorphous silicon receives light, its conductivity changes, so that only a part of the electrodes listed by using alternating current flows, so that when the droplets are moved using opto-electrowetting (OEW), which moves the droplets, It is possible to use a laser in the range that does not bleach or to shine the laser from below to avoid contact with the reaction solution.

반응액방울을 큰 방울에서 작은 방울로 떼어내거나(creating) 큰 방울을 둘로 나누거나(cutting), 두 방울을 합치거나(merging), 수송하는(transporting) 방법은 현재도 여러 곳에서 연구하고 있으며 좀더 낮은 전압으로, 좀더 적은 양을 좀더 빠르게 움직일 수 있게 발전하고 있음. 액체방울이 작으면 두 방울을 합칠경우 확산에의해 충분히 섞여 교반(stirring)을 해주지 않아도 되며 서로 다른 조건의 반응액방울을 섞음으로써 빠르게 PH, 온도, 녹아있는 효소, DNA, 각종 물질의 농도를 조절할 수 있어 반응을 중지시키거나 반응 속도를 조절할 수 있고, 특정한 물질의 농도가 높은 방울과 이 물질을 포함하지 않는 방울을 연속으로 합쳤다 떼어냄으 로써 씻어내는 효과를 얻을 수 있음.There are many studies on how to separate droplets from large to small droplets, cutting large droplets into two, merging two droplets, or transporting them. At lower voltages, they are evolving to move smaller amounts faster. If the droplets are small, the two droplets can be combined enough to be mixed by diffusion to avoid stirring. By mixing the reaction droplets under different conditions, the pH, temperature, dissolved enzyme, DNA, and various substances can be quickly controlled. As a result, the reaction can be stopped or the rate of the reaction can be controlled, and the effect of washing off is obtained by successively combining and removing droplets having a high concentration of a specific substance and droplets that do not contain the substance.

액체방울은 30mm/sec 이상으로 움직일 수 있으며 액티브 매트릭스 방식(active matrix type)으로 전류를 공급하여 각 방울들을 각각 제어할 수 있고, 액체방울을 미리 반응할 곳 바로 옆에 대기시킬 수 있고, 세척할 때 여러 방울을 일렬로 대기시켰다가 연속적으로 반응액과 합치면서 배출구(도 1 나 13)로 빼내어 세척 효과를 얻을 수 있음. 반응액 방울(도 1 가 5)은 0.5∼1.0 ㎕ 이하로, 전극 역시 ㎛ 나 수십 nm 단위로 현재 속도로도 반응을 수행할 수 있으며 앞으로 소수성 절연층의 향상 등으로 반응액 방울의 속도를 증가시킬 수 있음.The droplets can move above 30mm / sec, control current droplets individually by supplying current in an active matrix type, and allow the droplets to stand right next to where they will react beforehand. When several drops are placed in a line, they can be combined with the reaction solution and drawn out to the outlet (Fig. 1 or 13) to obtain a cleaning effect. The reaction solution droplets (Fig. 1-5) are 0.5 to 1.0 µl or less, and the electrode can also react at a current rate in units of μm or several tens of nm, and in the future, increase the velocity of the reaction solution droplets by improving the hydrophobic insulating layer. You can.

세척물은 반응장소 바로 옆에 난 구멍에 가까운 세척물 배출용 침(도 6 33)을 통해 빼냄.The washes are withdrawn through the wash water draining needle (Fig. 6 33) close to the hole next to the reaction site.

좀더 작은 전극궤도(도 2 나)를 만들어 미세하게 제어하는 방법은 발전하는 액티브 매트릭스 방식의 설계 제조 방법 등을 본 발명에 적용하면 됨.The method of finely controlling the smaller electrode orbit (FIG. 2B) may be applied to the present invention, such as an active matrix type design manufacturing method.

DNA 합성반응에는 dNTP 소모용이나 dNTP 소모 탐지용 모두 DNA 합성효소로 T7 SequenaseTM DNA Polymerase 를 사용하지만 앞으로 더 나은 DNA 합성효소가 나오면 더 긴 염기서열을 알아낼 수 있음.For DNA synthesis reaction, T7 Sequenase TM DNA Polymerase is used as a DNA synthase for both dNTP consumption and dNTP consumption detection.

제한효소는 Sau3AⅠ을 사용했는데 인지하는 염기서열이 GATC 로 중복되지 않는 4 개가 있음.Restriction enzymes were used in Sau3AⅠ, and there are 4 nucleotide sequences that do not overlap with GATC.

스트렙타비딘(도 1 의 9)에는 5'쪽에 비오틴을 붙인 서열을 알아내려고 하는 DNA 분자(도 1 의 7)를 연결함. 3'쪽에는 5'끝에 Cy5(흡수 649nm, 방출 670nm)가 붙은 프라이머가 있음. 이 프라이머의 3'-OH 에 DNA 합성효소가 dNTP 를 붙여 DNA 를 합성함.The streptavidin (9 of Figure 1) is connected to the DNA molecule (7 of Figure 1) to try to find the biotin attached sequence on the 5 'side. At the 3 'end there is a primer with Cy5 (absorption 649 nm, emission 670 nm) at the 5' end. DNA synthase attaches dNTP to 3'-OH of this primer to synthesize DNA.

DNA 를 감지할 때 Cy3, Cy3.5, Cy5, Cy5.5, Cy7, TxR, R6G, FITC, DEAC, 여러 Alexa Fluor 염료, OG, 쿠머린과 로다민 유도체(coumarine and rhodamine derivatives) 등 형광염료를 사용하거나, DIG, BIO, DNP, TAMRA 등 햅텐을 붙인 후 형광염료를 연결한 항체(antibody)를 붙여서 CCD 카메라로 감지하고 컴퓨터로 분석해서 dNTP 의 공급, 세척, 반응액을 미리 반응장소 근처로 수송하는 것 등을 자동 조절함.When detecting DNA, fluorescent dyes such as Cy3, Cy3.5, Cy5, Cy5.5, Cy7, TxR, R6G, FITC, DEAC, various Alexa Fluor dyes, OG, coumarine and rhodamine derivatives After attaching hapten such as DIG, BIO, DNP, TAMRA, attach antibody to fluorescent dye, attach it with CCD camera, detect it with CCD camera, analyze with computer, and supply dNTP, wash, and transport the reaction solution near the reaction site in advance. To automatically adjust things.

본 발명은 DNA 염기서열을 알아내기 위해 5 가지 DNA 합성반응을 이용하는 것으로, dNTP 한 가지씩을 차례로 소모하는 dNTP 소모용 DNA 합성반응과 dGTP, dATP, dTTP, dCTP 소모 탐지용 DNA 합성반응을 따로 실행하는 것임. 이 네 가지 dNTP 소모 탐지용 반응은 다음과 같은 방법들도 가능하며 이 외에도 다양한 방법이 가능함.In the present invention, five DNA synthesis reactions are used to determine the DNA sequence, and a DNA synthesis reaction for dNTP consumption and a DNA synthesis reaction for dGTP, dATP, dTTP, and dCTP depletion are separately performed. Will. The four dNTP depletion detection reactions can be performed in the following ways.

특정 dNTP가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성에 쓰일 수 없어 그 다음에 dNTP-Cy5(fluorophore-modified nucleotides)도 합성에 쓰이지 못함. 특정 dNTP 가 없으면 형광염료(Cy5)가 붙어있는 dNTP 유사체 역시 합성에 쓰이지 못해 세척 후 이들의 형광이 감지되지 않으므로 염기서열을 파악할 수 있음(도 11 가).If a particular dNTP has been consumed in a consumable DNA synthesis reaction, it cannot be used for DNA synthesis in a depletion DNA synthesis reaction, and then dNTP-Cy5 (fluorophore-modified nucleotides) cannot be used for synthesis. Without specific dNTP, dNTP analogs with fluorescent dyes (Cy5) also cannot be used for synthesis, so their fluorescence is not detected after washing, and thus the sequence can be determined (Fig. 11A).

특정 dNTP가 소모용 DNA합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA합성반응에서 DNA합성에 쓰일 수 없어 그 다음에 aa-dNTP(aminoallyl-modified nucleotide) 도 합성에 쓰이지 못함. dNTP유사체의 아민(amine)과 반응하는 형광염료(amino-coupling of fluorescent dyes)를 첨가하고 세척한 후 이 형광염료가 감지되지 않으므로 염기서열을 파악할 수 있음(도11 나).If a specific dNTP has been consumed in a consumption DNA synthesis reaction, it cannot be used for DNA synthesis in a consumption detection DNA synthesis reaction, and then aa-dNTP (aminoallyl-modified nucleotide) cannot be used for synthesis. After adding and washing amino-coupling of fluorescent dyes that react with the amine of the dNTP analog, the base sequence can be determined because the fluorescent dye is not detected (FIG. 11 b).

특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성이 일어나지 않고, 주형 DNA 가닥의 염기서열과 상보적이면서 형광염료를 포함하고 있는 DNA 단편이 hybridization 을 할 수 있으므로 세척 후에 형광이 감지되므로 염기서열을 파악할 수 있음(도 12 가).If a specific dNTP is consumed in the consumption DNA synthesis reaction, the DNA synthesis does not occur in the consumption detection DNA synthesis reaction, and the DNA fragment containing the fluorescent dye complementary to the nucleotide sequence of the template DNA strand may hybridize. Since fluorescence is detected, the sequence can be identified (FIG. 12).

특정 dNTP가 소모용 DNA합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA합성반응에서 DNA 합성이 일어나지 않고, 주형 DNA가닥의 염기서열과 상보적이면서 ferrocene을 포함하는 DNA (ferrocene-modified DNA)단편이 hybridization을 할 수 있으므로 전기적 특성이 다른 것을 교류볼타미터(alternating current voltammetry)로 측정해서 염기서열을 파악할 수 있음(도12 나).When specific dNTPs are consumed in the consumption DNA synthesis reaction, DNA synthesis does not occur in the consumption detection DNA synthesis reaction, and the ferrocene-containing DNA (ferrocene-modified DNA) fragment, which is complementary to the nucleotide sequence of the template DNA strand, may hybridize. Since the electrical characteristics can be measured by alternating current voltammetry (alternating current voltammetry) can determine the nucleotide sequence (Fig. 12b).

특정 dNTP가 소모용 DNA합성반응에서 소모되지 않았으면 소모 탐지용 DNA합성반응에서 이 dNTP가 DNA합성반응에 쓰일 때 생기는 ppi를 APS(adenosine 5' phosphosulfate)와 ATP sulfurylase로 ATP로 바꾸고, 이 ATP와 luciferase로 luciferin을 oxyluciferin으로 만들 때 생기는 빛을 탐지해서 염기서열을 파악할 수 있음. 이 때는 소모용 DNA합성반응에서 dATP대신 dATPαS (deoxyadenosine alfa-thio triphosphate)를 사용함. DNA polymerase는 dATPαS와 잘 반응하지만 luciferase는 반응하지 않음. 소모 탐지용 DNA합성반응은 한 번씩만 이용하므로 pyrosequencing에서 처럼 apyrase를 사용할 필요없음(도13 가). If a specific dNTP has not been consumed in the consumption DNA synthesis reaction, the ppi produced when the dNTP is used in the DNA synthesis reaction in the consumption detection DNA synthesis reaction is changed to ATP with APS (adenosine 5 'phosphosulfate) and ATP sulfurylase, Luciferase can be used to detect nucleotide sequences by detecting the light that is produced when luciferin is converted into oxyluciferin. In this case, dATPαS (deoxyadenosine alfa-thio triphosphate) is used instead of dATP in the consumption DNA synthesis reaction. DNA polymerase reacts well with dATPαS but not luciferase. DNA synthesis reaction for consumption detection is used only once, so it is not necessary to use apyrase as in pyrosequencing (Fig. 13A).                     

특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성에 쓰일 수 없으므로 합성반응 후 소모 탐지용 DNA 주형과 상보적인 DNA가 붙은 비오틴이 고정된 장소로 반응액을 보내어 hybridization 을 시켰을 때 세척 후 형광을 감지할 수 있으므로 염기서열을 파악할 수 있음(도 13 나).If a specific dNTP has been consumed in the consumption DNA synthesis reaction, it cannot be used for DNA synthesis in the consumption detection DNA synthesis reaction. Therefore, after the synthesis reaction, the reaction solution is sent to a fixed place where biotin is attached to the complementary DNA template for consumption detection. When fluorescence can be detected after washing when the base sequence can be identified (Fig. 13b).

특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성에 쓰일 수 없으므로 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 합성될 서열과 동일한 서열을 가진 DNA 에 효소(예. horeseradish peroxidase)를 붙인 DNA 가닥이 hybridization 을 할 수 있으므로 세척 후 기질(예. 5AP 5-aminosalicylic acid)을 주어서 색깔이 변하는 것을 탐지하여 합성여부를 확인할 수 있음(도 14 가).If a specific dNTP has been consumed in the DNA synthesis for consumption, it cannot be used for DNA synthesis in the consumption-detection DNA synthesis reaction. Therefore, an enzyme (eg, horeseradish peroxidase) is added to the DNA having the same sequence to be synthesized in the dNTP consumption detection DNA synthesis reaction. Since the attached DNA strands can hybridize, the substrate (eg 5AP 5-aminosalicylic acid) can be detected after washing to detect the color change and confirm the synthesis (FIG. 14A).

DNA 합성효소의 활동을 방해하지 않을 정도로 유연성을 줄만큼 긴 DNA 끝에 효소(예. horseradish peroxidase)를 붙인 것을 주형 DNA 가닥으로 고정시켜 사용할 때 특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성에 쓰일 수 없으므로 이 DNA 가닥을 제한효소로 자를 수 없으므로 세척한 후 이 효소가 상실되지 않고 효소의 기질(5AP;5-aminosalicylic acid 등)을 공급하면 색깔이 변함. 이를 탐지하여 DNA 염기서열을 확인할 수 있음(도 14 나).When a specific dNTP has been consumed in a consumable DNA synthesis reaction, the enzyme DNA (eg horseradish peroxidase) attached to the end of a DNA long enough to provide flexibility that does not interfere with DNA synthase activity. This DNA strand cannot be cut by restriction enzyme because it can't be used for DNA synthesis in the synthesis reaction. After washing, this enzyme is not lost and the color of the enzyme is changed when the substrate (5AP; 5-aminosalicylic acid, etc.) is supplied. By detecting this, the DNA sequence can be confirmed (FIG. 14 b).

dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되지 않았으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 dNTP 가 고정된 DNA 에 들어가고 그래서 다음에 들어갈 수 있는 dNTP 들이 비로소 들어가게되면, 이들이 들어가고 나면 나중에 이렇게 들어간 염기서열과 동일하면서 끝에 항체를 갖고 있는 DNA 단편이 hybridization 을 할 수 없으므로 세척할 때 씻겨나가 세척 후 형광물질이 붙은 항체를 가했을 때 항체가 붙을 게 없으므로 염기서열을 파악할 수 있음(도 15 가).If dNTPs were not consumed in the consumable DNA synthesis reaction, dNTPs enter the fixed DNA in the depletion DNA synthesis reaction, so that the next possible dNTPs will enter, and after they enter, they will be identical to the later sequence Since the DNA fragment containing the antibody is not hybridized, it is washed out when washing, and since the antibody is not attached when the antibody with fluorescent substance is added after washing, the sequence can be determined (FIG. 15).

소모 탐지용 DNA 합성반응에서 주형 DNA 의 3'쪽에 항원을 붙이고 Sau3AⅠ으로 자를 수 있게 되면 항원이 세척 때 소실되어 형광물질이 붙은 항체가 붙을 수 없게 됨으로 염기서열을 파악할 수도 있음.In the DNA synthesis reaction for detecting consumption, if the antigen is attached to the 3 'side of the template DNA and can be cut into Sau3AⅠ, the nucleotide sequence may be identified because the antigen is lost when the antigen is washed and the antibody with the fluorescent substance cannot be attached.

dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응을 각자 다른 장소에서 하지 않고, 소모용 DNA 합성반응에 가까운 곳 한 곳에 강한 자석침을 설치하고 스트렙타비딘을 붙인 자석구슬(streptavidin-coated magnetic beads)에 붙인 DNA 와 필요한 재료를 매번 자석침 장소에 가져와서 반응시키고 씻어냄으로써 염기서열을 알아낼 수도 있음(도 15 나).The DNA attached to streptavidin-coated magnetic beads and the necessary DNA in one place close to the consumption DNA synthesis reaction are not used for dNTP depletion detection DNA synthesis reaction in different places. The sequence can also be determined by bringing the material to the magnetic needle site each time to react and rinse (FIG. 15B).

hybridization 을 이용한 탐지법에서 원하는 hybridization 을 탐지하기 좋게 조건을 맞춘 완충액을 공급할 수 있고 다른 반응들도 그에 적절한 조건을 맞추어 줌으로써 반응을 적절하게 조절할 수 있음.In hybridization detection, buffers can be supplied that are well-suited to detect the desired hybridization, and other reactions can be controlled appropriately by matching the appropriate conditions.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 DNA 염기서열을 분석하는 방법에 관한 것으로 기존의 방법 중 DNA 합성을 이용한 염기서열 분석법은 긴 DNA 의 합성과 소모된 dNTP 의 탐지를 한 반응장소에서 시행하려 함으로써 많은 문제가 발생하는데 본 발명은 긴 DNA 를 합성하는 반응(dNTP 소모용 DNA 합성반응)과 특정 dNTP 의 소모를 탐지하기 위한 짧은 DNA 를 합성하는 반응(dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응)을 서로 다른 장소에서 따로 수행함으로써 그러한 문제 없이 합성과 탐지 각 반응을 수행할 수 있어 전기영동 없이 긴 DNA 염기서열을 파악할 수 있는 방법임.As described above, the present invention relates to a method for analyzing DNA sequencing. Among the existing methods, sequencing method using DNA synthesis is performed by performing long DNA synthesis and detection of consumed dNTP in one reaction site. There is a problem, and the present invention provides a method for synthesizing long DNA (dNTP consuming DNA synthesis) and short DNA to detect specific dNTP consumption (dNTP consuming DNA synthesis) in different places. Separately, the synthesis and detection reactions can be performed without such a problem, and thus a long DNA sequence can be identified without electrophoresis.

Claims (12)

염기서열을 파악하려는 DNA 를 합성할 때 특정 dNTP 를 주어 dNTP 소모용 DNA 합성반응을 시킨 다음, 이 반응액을 이 특정 dNTP 가 있어야만 합성반응을 시작해서 제한효소가 인지할 수 있는 염기서열을 합성하는 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응에 보내어 DNA 합성반응을 시킨 다음, 제한효소를 가해서 이 특정 dNTP 가 있음으로 해서 제한효소가 인지할 수 있는 서열을 합성하는데 참여했으면 그 결과 제한효소를 가했을 때 DNA 가 절단되고,이 특정 dNTP 가 없으면 제한효소가 인지할 수 있는 서열을 합성하지 못하여 DNA 가 제한효소를 가해도 절단되지 않음. 형광물질과 연결된 DNA 를 씻어낼 수 없으면 이 특정 dNTP 가 염기서열을 파악하려는 DNA를 합성할 때 쓰였음을 알 수 있음. 이렇게 서로 다른 장소에서 dNTP 소모용 DNA 합성반응과 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응을 진행하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석 방법.When synthesizing DNA to identify the nucleotide sequence, a specific dNTP is given to perform DNA synthesis for dNTP consuming, and then the reaction solution is required for this specific dNTP to start the synthesis reaction to synthesize a nucleotide sequence recognized by restriction enzyme. DNA synthesis reactions were sent to the dNTP depletion detection DNA synthesis reaction, and then the restriction enzyme was added to participate in synthesizing the sequence recognized by the restriction enzyme due to the presence of this specific dNTP. Without this specific dNTP, the restriction enzyme could not synthesize a recognizable sequence and the DNA would not be cleaved when the restriction enzyme was added. If the DNA associated with the fluorescent material could not be washed away, this particular dNTP was used to synthesize the DNA to identify the sequence. DNA sequencing method using DNA synthesis that proceeds dNTP consumption DNA synthesis reaction and dNTP consumption detection DNA synthesis reaction in different places. 청구항 1 에서와 같이 근본적으로 dNTP 소모용 DNA 합성반응과 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응을 다른 장소에서 진행하는 방법으로써, dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응만 청구항 1 의 방법과 다른 여러가지 방법도 본 발명에 포함됨.As in claim 1, as a method of proceeding with dNTP consumption DNA synthesis reaction and dNTP consumption detection DNA synthesis reaction at different places, only dNTP consumption detection DNA synthesis reaction is different from the method of claim 1 in the present invention. Included. 특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성에 쓰일 수 없어 그 다음에 dNTP-Cy5(fluorophore-modified nucleotides)도 합성에 쓰이지 못함. 특정 dNTP 가 없으면 형광염료(Cy5)가 붙어있는 dNTP 유사체 역시 합성에 쓰이지 못해 세척 후 이들의 형광이 감지되지 않으므로 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석 방법.If a particular dNTP has been consumed in a consumable DNA synthesis reaction, it cannot be used for DNA synthesis in a depletion DNA synthesis reaction, and then dNTP-Cy5 (fluorophore-modified nucleotides) cannot be used for synthesis. If there is no specific dNTP, dNTP analogs with fluorescent dye (Cy5) also cannot be used for synthesis, so their fluorescence is not detected after washing. 특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성에 쓰일 수 없어 그 다음에 aa-dNTP(aminoallyl-modified nucleotide)도 합성에 쓰이지 못함. dNTP 유사체의 아민(amine)과 반응하는 형광염료(amino-coupling of fluorescent dyes)를 첨가하고 세척한 후 이 형광염료가 감지되지 않으므로 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석 방법.If a specific dNTP has been consumed in a consumable DNA synthesis reaction, it cannot be used for DNA synthesis in a depletion DNA synthesis reaction and then aa-dNTP (aminoallyl-modified nucleotide) cannot be used for synthesis. DNA sequencing method using DNA synthesis to determine the sequencing because the fluorescent dye is not detected after adding and washing amino-coupling of fluorescent dyes reacting with amines of dNTP analogs. 특정 dNTP가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성이 일어나지 않고, 주형 DNA 가닥의 염기서열과 상보적이면서 형광염료를 포함하고 있는 DNA 단편이 hybridization 을 할 수 있으므로 세척 후에 형광이 감지되므로 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석 방법.If a specific dNTP is consumed in the consumption DNA synthesis reaction, DNA synthesis does not occur in the consumption detection DNA synthesis reaction, and the DNA fragment containing the fluorescent dye complementary to the nucleotide sequence of the template DNA strand may hybridize. DNA sequencing method using DNA synthesis to identify the nucleotide sequence because fluorescence is detected. 특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성이 일어나지 않고, 주형 DNA 가닥의 염기서열과 상보적이면서 ferrocene 을 포함하는 DNA(ferrocene-modified DNA)단편이 hybridization 을 할 수 있으므로 전기적 특성이 다른 것을 교류볼타미터(alternating current voltammetry)로 측정함으로써 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서 열분석 방법.When specific dNTPs are consumed in the consumption DNA synthesis reaction, DNA synthesis does not occur in the consumption detection DNA synthesis reaction, and the ferrocene-modified DNA fragment containing DNA complementary to the nucleotide sequence of the template DNA strand can be hybridized. DNA sequence analysis method using DNA synthesis to determine the sequence by measuring alternating current voltammetry (electrical characteristics) can be different. 특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되지 않았으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 이 dNTP가 DNA 합성반응에 쓰일 때 생기는 ppi 를 APS(adenosine 5' phosphosulfate)와 ATP sulfurylase 로 ATP 로 바꾸고, 이 ATP 와 luciferase 로 luciferin 을 oxyluciferin 으로 만들 때 생기는 빛을 탐지해서 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석 방법.If a specific dNTP was not consumed in the DNA synthesis for consumption, the ppi generated when the dNTP was used in the DNA synthesis for consumption detection was changed to ATP with APS (adenosine 5 'phosphosulfate) and ATP sulfurylase. DNA sequencing method using DNA synthesis to detect the light sequence generated when luciferin is made into oxyluciferin with luciferase. 특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성에 쓰일 수 없으므로 합성반응 후 소모 탐지용 DNA 주형과 상보적인 DNA 가 붙은 비오틴이 고정된 장소로 반응액을 보내어 hybridization 을 시켰을 때 세척 후 형광을 감지할 수 있으므로 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석 방법.If a specific dNTP has been consumed in the consumption DNA synthesis reaction, it cannot be used for DNA synthesis in the consumption detection DNA synthesis reaction. After the synthesis reaction, the reaction solution is sent to a fixed place where biotin is attached to the complementary DNA template for consumption detection. DNA sequencing method using DNA synthesis to grasp the nucleotide sequence because it can detect the fluorescence after washing. 특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성에 쓰일 수 없으므로 dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 합성될 서열과 동일한 서열을 가진 DNA 에 효소(예. horeseradish peroxidase)를 붙인 DNA 가닥이 hybridization 을 할 수 있으므로 세척 후 기질(예. 5AP 5-aminosalicylic acid)을 주어서 색깔이 변하는 것을 탐지하여 합성여부를 확인하여 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석 방법.If a specific dNTP has been consumed in the DNA synthesis for consumption, it cannot be used for DNA synthesis in the consumption-detection DNA synthesis reaction. Therefore, an enzyme (eg, horeseradish peroxidase) is added to the DNA having the same sequence to be synthesized in the dNTP consumption detection DNA synthesis reaction. DNA sequencing method using DNA synthesis to identify the nucleotide sequence by detecting the change of color by giving a substrate (eg 5AP 5-aminosalicylic acid) after washing, since the attached DNA strands can hybridize. DNA 합성효소의 활동을 방해하지 않을 정도로 유연성을 줄만큼 긴 DNA 끝에 효소(예. horseradish peroxidase)를 붙인 것을 주형 DNA 가닥으로 고정시켜 사용할 때 특정 dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되었으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 DNA 합성에 쓰일 수 없으므로 이 DNA 가닥을 제한효소로 자를 수 없으므로 세척한 후 이 효소가 상실되지 않고 효소의 기질(5AP;5-aminosalicylic acid 등)을 공급하면 색깔이 변함. 이를 탐지하여 DNA 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석 방법.When a specific dNTP has been consumed in a consumable DNA synthesis reaction, the enzyme DNA (eg horseradish peroxidase) attached to the end of a DNA long enough to provide flexibility that does not interfere with DNA synthase activity. This DNA strand cannot be cut by restriction enzyme because it can't be used for DNA synthesis in the synthesis reaction. After washing, this enzyme is not lost and the color of the enzyme is changed when the substrate (5AP; 5-aminosalicylic acid, etc.) is supplied. DNA sequencing method using DNA synthesis to detect the DNA sequence by detecting this. dNTP 가 소모용 DNA 합성반응에서 소모되지 않았으면 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 dNTP 가 고정된 DNA 에 들어가고 그래서 다음에 들어갈 수 있는 dNTP 들이 비로소 들어가게되면, 이들이 들어가고 나면 나중에 이렇게 들어간 염기서열과 동일하면서 끝에 항체를 갖고 있는 DNA 단편이 hybridization 을 할 수 없으므로 세척할 때 씻겨나가 세척 후 형광물질이 붙은 항체를 가했을 때 항체가 붙을 게 없으므로 염기서열을 파악하거나 소모 탐지용 DNA 합성반응에서 주형 DNA 의 3'쪽에 항원을 붙이고 Sau3AⅠ으로 자를 수 있게 되면 항원이 세척 때 소실되어 형광물질이 붙은 항체가 붙을 수 없게 됨으로 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석방법.If dNTPs were not consumed in the consumable DNA synthesis reaction, dNTPs enter the fixed DNA in the depletion DNA synthesis reaction, so that the next possible dNTPs will enter, and after they enter, they will be identical to the later sequence Since the DNA fragment containing the antibody cannot hybridize, it is washed out when washing, and when the antibody with fluorescent substance is added after washing, the antibody does not adhere to it. Once the antigen is attached and can be cut with Sau3AⅠ, the antigen is lost when washing and the antibody attached with the fluorescent substance cannot attach to the DNA sequencing method using DNA synthesis to identify the sequence. dNTP 소모 탐지용 DNA 합성반응을 각자 다른 장소에서 하지 않고, 소모용 DNA 합성반응에 가까운 곳 한 곳에 강한 자석침을 설치하고 스트렙타비딘을 붙인 자석구슬(streptavidin-coated magnetic beads)에 붙인 DNA 와 필요한 재료를 매번 자석침 장소에 가져와서 반응시키고 씻어냄으로써 염기서열을 파악하는 DNA 합성을 이용한 DNA 염기서열분석 방법.The DNA attached to streptavidin-coated magnetic beads and the necessary DNA in one place close to the consumption DNA synthesis reaction are not used for dNTP depletion detection DNA synthesis reaction in different places. DNA sequencing method using DNA synthesis to grasp the nucleotide sequence by bringing the material to the magnet needle place every time to react and wash.
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WO2024124515A1 (en) * 2022-12-16 2024-06-20 深圳华大智造科技股份有限公司 Method for reducing error rate in synchronous paired-end sequencing

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