RU2765308C2 - Methods, compositions and devices for storing information - Google Patents
Methods, compositions and devices for storing information Download PDFInfo
- Publication number
- RU2765308C2 RU2765308C2 RU2018134197A RU2018134197A RU2765308C2 RU 2765308 C2 RU2765308 C2 RU 2765308C2 RU 2018134197 A RU2018134197 A RU 2018134197A RU 2018134197 A RU2018134197 A RU 2018134197A RU 2765308 C2 RU2765308 C2 RU 2765308C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- dna
- nanopore
- polymer
- monomers
- attachment
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16B—BIOINFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR GENETIC OR PROTEIN-RELATED DATA PROCESSING IN COMPUTATIONAL MOLECULAR BIOLOGY
- G16B25/00—ICT specially adapted for hybridisation; ICT specially adapted for gene or protein expression
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07H—SUGARS; DERIVATIVES THEREOF; NUCLEOSIDES; NUCLEOTIDES; NUCLEIC ACIDS
- C07H21/00—Compounds containing two or more mononucleotide units having separate phosphate or polyphosphate groups linked by saccharide radicals of nucleoside groups, e.g. nucleic acids
- C07H21/04—Compounds containing two or more mononucleotide units having separate phosphate or polyphosphate groups linked by saccharide radicals of nucleoside groups, e.g. nucleic acids with deoxyribosyl as saccharide radical
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N9/00—Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
- C12N9/90—Isomerases (5.)
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
- C12P19/26—Preparation of nitrogen-containing carbohydrates
- C12P19/28—N-glycosides
- C12P19/30—Nucleotides
- C12P19/34—Polynucleotides, e.g. nucleic acids, oligoribonucleotides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6844—Nucleic acid amplification reactions
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6869—Methods for sequencing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16B—BIOINFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR GENETIC OR PROTEIN-RELATED DATA PROCESSING IN COMPUTATIONAL MOLECULAR BIOLOGY
- G16B20/00—ICT specially adapted for functional genomics or proteomics, e.g. genotype-phenotype associations
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16B—BIOINFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR GENETIC OR PROTEIN-RELATED DATA PROCESSING IN COMPUTATIONAL MOLECULAR BIOLOGY
- G16B25/00—ICT specially adapted for hybridisation; ICT specially adapted for gene or protein expression
- G16B25/20—Polymerase chain reaction [PCR]; Primer or probe design; Probe optimisation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00277—Apparatus
- B01J2219/00497—Features relating to the solid phase supports
- B01J2219/00511—Walls of reactor vessels
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00596—Solid-phase processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00718—Type of compounds synthesised
- B01J2219/0072—Organic compounds
- B01J2219/00722—Nucleotides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q2521/00—Reaction characterised by the enzymatic activity
- C12Q2521/10—Nucleotidyl transfering
- C12Q2521/131—Terminal transferase
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q2563/00—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties
- C12Q2563/116—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties electrical properties of nucleic acids, e.g. impedance, conductivity or resistance
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q2565/00—Nucleic acid analysis characterised by mode or means of detection
- C12Q2565/60—Detection means characterised by use of a special device
- C12Q2565/631—Detection means characterised by use of a special device being a biochannel or pore
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Y—ENZYMES
- C12Y599/00—Other isomerases (5.99)
- C12Y599/01—Other isomerases (5.99.1)
- C12Y599/01002—DNA topoisomerase (5.99.1.2)
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
- G06N3/12—Computing arrangements based on biological models using genetic models
- G06N3/123—DNA computing
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
- G11C13/0009—RRAM elements whose operation depends upon chemical change
- G11C13/0014—RRAM elements whose operation depends upon chemical change comprising cells based on organic memory material
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
- G11C13/0009—RRAM elements whose operation depends upon chemical change
- G11C13/0014—RRAM elements whose operation depends upon chemical change comprising cells based on organic memory material
- G11C13/0019—RRAM elements whose operation depends upon chemical change comprising cells based on organic memory material comprising bio-molecules
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Biophysics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Evolutionary Biology (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Computational Linguistics (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Description
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
[001] По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительным заявкам на патент США № 62/301538, поданной 29 февраля 2016 года, и 62/415430, поданной 31 октября 2016 года, содержание каждой из которых включено в настоящее описание в качестве ссылки в полном объеме.[001] This application claims priority to U.S. Provisional Applications Nos. 62/301,538, filed February 29, 2016, and 62/415,430, filed October 31, 2016, the contents of each of which are incorporated herein by reference in their entirety.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION
[002] Изобретение относится к новым способам, композициям и устройствам для хранения и извлечения информации с использованием устройств с нанопорами для синтеза и секвенирования полимеров, например, нуклеиновых кислот.[002] The invention relates to new methods, compositions and devices for storing and retrieving information using nanopore devices for the synthesis and sequencing of polymers, for example, nucleic acids.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
[003] Существует постоянная необходимость в хранении все большего количества данных на или в физических носителях, причем устройства для хранения становятся все в большей степени малыми по размеру, а их вместимость возрастает. Согласно имеющейся информации, количество хранимых данных удваивается каждые два года и, согласно одному из исследований, к 2020 году количество данных, которые создаются и копируются ежегодно, достигнут 44 зетабайт или 44 триллиона гигабайт. Более того, существующие носители для хранения данных, такие как жесткие диски, оптические носители и магнитные ленты, являются относительно нестабильными и повреждаются в результате длительного хранения.[003] There is a constant need to store more and more data on or in physical media, with storage devices becoming increasingly small in size and increasing in capacity. According to available information, the amount of data stored is doubling every two years and, according to one study, by 2020 the amount of data that is created and copied annually will reach 44 zettabytes or 44 trillion gigabytes. Moreover, existing storage media such as hard disks, optical media, and magnetic tapes are relatively unstable and are damaged by long-term storage.
[004] Существует острая необходимость в альтернативных подходах для хранения больших объемов данных в течение длительных периодов времени, например, десятилетий или веков.[004] There is a strong need for alternative approaches for storing large amounts of data over long periods of time, such as decades or centuries.
[005] Было предложено использовать ДНК для хранения данных. ДНК чрезвычайно стабильна и в теории может кодировать огромные количества данных и хранить данных в течение очень длительных периодов времени. См., например, Bancroft, C., et al., Long-Термин Storage of Information in DNA, Science (2001) 293: 1763-1765. Кроме того, ДНК в качестве носителя для хранения информации не подвержена рискам недостаточного обеспечения безопасности, присущим традиционным цифровым носителям для хранения информации. Однако отсутствует практический подход для осуществления этой идеи.[005] It has been proposed to use DNA for data storage. DNA is extremely stable and in theory can encode huge amounts of data and store data 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. In addition, DNA as a storage medium is not subject to the security risks inherent in traditional digital storage media. However, there is no practical approach to implement this idea.
[006] В WO 2014/014991, например, описан способ хранения данных на ДНК-олигонуклеотидах, где информация кодируется в двоичном формате, по одному биту на нуклеотид, с блоком данных из 96 бит (96 нуклеотидов), адресной последовательностью из 19 нуклеотидов и фланкирующими последовательностями для амплификации и секвенирования. Затем код считывается путем амплификации последовательностей с использованием ПЦР и секвенирования с использованием высокоскоростного секвенатора, такого как устройство Illumina HiSeq. Затем последовательности блоков данных организуются в правильном порядке с использованием адресных меток, адресные и фланкирующие последовательности отфильтровываются и данные последовательностей транслируются в двоичный код. Такой подход имеет значительные ограничения. Например, 96-битный блок данных может кодировать только 12 букв (с использованием общепринятого одного байта или 8 бит на букву или пробел). Соотношение хранимой полезной информации и информации "домашнего хозяйства" является низким - приблизительно 40% информации последовательности занимают адресная и фланкирующая ДНК. В описании описано кодирование книги с использованием 54898 олигонуклеотидов. Распечатанные на струйном принтере высокоточные ДНК-микрочипы, используемые для синтеза олигонуклеотидов, ограничивали размер олигонуклеотидов (описанные 159-меры были верхним пределом). Более того, считывание олигонуклеотидов требует амплификации и выделения, что приводит к дополнительному потенциалу ошибки. Также см. WO 2004/088585A2; WO 03/025123 A2; C. BANCROFT: "Long-Term Storage of Information in DNA", Science (2001) 293 (5536): 1763c-1765; COX J P L: "Long-термин data storage in DNA", Trends in Biotechnology (2001)19(7): 247-250.[006] WO 2014/014991, for example, describes a method for storing data on DNA oligonucleotides, where the information is encoded in binary format, one bit per nucleotide, with a data block of 96 bits (96 nucleotides), an address sequence of 19 nucleotides, and flanking sequences for amplification and sequencing. The code is then read by amplifying the sequences using PCR and sequencing using a high speed sequencer such as the Illumina HiSeq device. The data block sequences are then arranged in the correct order using address marks, the address and flanking sequences are filtered, and the sequence data is translated into binary code. This approach has significant limitations. For example, a 96-bit block of data can only encode 12 letters (using the conventional one byte or 8 bits per letter or space). The ratio of useful information stored to "housekeeping" information is low - approximately 40% of the sequence information is occupied by address and flanking DNA. The description describes the coding of the book using 54898 oligonucleotides. Inkjet-printed high-precision DNA microarrays used for oligonucleotide synthesis limited the size of oligonucleotides (the 159 measures described were the upper limit). Moreover, the reading of oligonucleotides requires amplification and isolation, which leads to additional error potential. See also WO 2004/088585A2; WO 03/025123A2; 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.
[007] В то время как потенциальная плотность информации и стабильность ДНК делает ее привлекательным носителем для хранения данных, как признают на протяжении двадцати пяти лет, все еще отсутствует практический подход для записывания и считывания больших количеств данных в этой форме.[007] While the potential information density and stability of DNA makes it an attractive data storage medium, as has been recognized for twenty-five years, there is still no practical approach to writing and reading large amounts of data in this form.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
[008] Авторы настоящего изобретения разработали новый подход для хранения нуклеиновых кислот с использованием нанофлюидных систем для синтеза последовательностей нуклеиновых кислот и устройств считывания с нанопорами для считывания последовательностей. Подход, разработанный авторами изобретения, позволяет синтез, хранение и считывание цепей ДНК длиной сотни, тысячи и даже миллионы оснований. Поскольку последовательности являются длинными, только относительно небольшая часть последовательности отводится для идентификации информации, так что плотность информации является значительно более высокой, чем в описанном выше подходе. Более того, в некоторых вариантах осуществления синтезированная нуклеиновая кислота имеет конкретное положение на наночипе, так что последовательность может быть идентифицирована даже без идентифицирующей информации. Секвенирование, проводимое в нанокамерах, является очень быстрым, и считывание последовательности через нанопору может быть чрезвычайно быстрым, составляя порядка вплоть до одного миллиона оснований в секунду. Поскольку требуется только два типа оснований, секвенирование может быть более быстрым и более точным, чем методики секвенирования, которые должны различить четыре типа нуклеотидных оснований (аденин, тимин, цитозин, гуанин). В конкретных вариантах осуществления два основания не образуют пару друг с другом и не образуют вторичные структуры, и также имеют различные размеры. Например, аденин и цитозин будут лучшими для этой цели, чем аденин и тимин, которые имеют тенденцию к гибридизации, или аденин и гуанин, которые имеют сходный размер.[008] The present inventors have developed a new approach for storing nucleic acids using nanofluidic systems for synthesizing nucleic acid sequences and nanopore readers for reading sequences. The approach developed by the inventors allows the synthesis, storage and reading of DNA strands hundreds, thousands and even millions of bases long. Because the sequences are long, only a relatively small portion of the sequence is dedicated to information identification, so that the information density is significantly higher than in the approach described above. Moreover, in some embodiments, the synthesized nucleic acid has a specific position on the nanochip so that the sequence can be identified even without identifying information. Sequencing carried out in nanochambers is very fast, and reading a sequence through a nanopore can be extremely fast, on the order of up to one million bases per second. Since only two types of bases are required, sequencing can be faster and more accurate than sequencing techniques that must distinguish between four types of nucleotide bases (adenine, thymine, cytosine, guanine). In specific embodiments, the two bases do not pair with each other and do not form secondary structures, and also have different sizes. For example, adenine and cytosine would be better for this purpose than adenine and thymine, which tend to hybridize, or adenine and guanine, which are similar in size.
[009] В некоторых вариантах осуществления эту систему можно использовать для синтеза длинных полимеров, кодирующих данные, которые можно амплифицировать и/или извлекать, а затем секвенировать на различных секвенаторах. В других вариантах осуществления систему можно использовать для предоставления специализированных последовательностей ДНК. В других вариантах осуществления систему можно использовать для считывания последовательностей ДНК.[009] In some embodiments, this system can be used to synthesize long polymers encoding data that can be amplified and/or extracted and then sequenced on various sequencers. In other embodiments, the system can be used to provide specialized DNA sequences. In other embodiments, the system can be used to read DNA sequences.
[011] Таким образом, изобретение относится, среди прочего, к следующим вариантам осуществления:[011] Thus, the invention relates, inter alia, to the following embodiments:
- наночип для синтеза электрически заряженного полимера, например ДНК, содержащего по меньшей мере два различных мономера, причем наночип содержит две или более реакционных камеры, разделенных одной или более нанопорами, где каждая реакционная камера содержит электролитическую жидкость, один или более электродов для втягивания электрически заряженного полимера в камеру и один или более реагентов для облегчения присоединения мономеров или олигомеров к полимеру. Наночип необязательно может быть оборудован функциональными элементами для направления, перемещения и/или контроля ДНК, необязательно он может быть покрыт или изготовлен с материалами, позволяющими плавное течение ДНК или прикрепление ДНК, и он может содержать элементы наноконтура для обеспечения и контроля электродов вблизи нанопор. Например, каждая из одной или более нанопор может быть сопряжена с электродами, которые могут контролировать прохождение полимера через нанопору и/или детектировать изменения электрического потенциала, тока, сопротивления или емкости на поверхности контакта нанопоры и полимера, тем самым определяя последовательность полимера по мере его прохождения через одну или более нанопор. В конкретных вариантах осуществления олигомеры синтезируются использованием полимераз или сайт-специфических рекомбиназ. В некоторых вариантах осуществления полимер секвенируется в ходе синтеза, чтобы обеспечить детектирование и необязательно коррекцию ошибок. В некоторых вариантах осуществления полимер, полученный таким образом, хранится на наночипе и может секвенироваться, когда желателен доступ к информации, закодированной в последовательности полимера.- a nanochip for the synthesis of an electrically charged polymer, for example DNA, containing at least two different monomers, and the nanochip contains two or more reaction chambers separated by one or more nanopores, where each reaction chamber contains an electrolytic liquid, one or more electrodes for drawing in an electrically charged polymer into the chamber; and one or more reagents to facilitate the attachment of monomers or oligomers to the polymer. The nanochip may optionally be equipped with functional elements to guide, move and/or control DNA, optionally it may be coated or made with materials to allow smooth flow of DNA or attachment of DNA, and it may contain nanoloop elements to provide and control electrodes near nanopores. For example, each of one or more nanopores can be coupled to electrodes that can monitor the passage of the polymer through the nanopore and/or detect changes in electrical potential, current, resistance, or capacitance at the nanopore-polymer interface, thereby determining the sequence of the polymer as it passes. through one or more nanopores. In specific embodiments, oligomers are synthesized using polymerases or site-specific recombinases. In some embodiments, the polymer is sequenced during synthesis to allow detection and optionally error correction. In some embodiments, the polymer thus obtained is stored on a nanochip and can be sequenced when access to the information encoded in the polymer sequence is desired.
- Способ синтеза полимера, например ДНК, с использованием наночипа, как описано.- A method for synthesizing a polymer, such as DNA, using a nanochip, as described.
- Одноцепочечная молекула ДНК, где последовательность по существу состоит из негибридизующихся нуклеотидов, например, аденина и цитозина (A и C), которые организованы в виде последовательности, соответствующей двоичному коду, например, для применения в способе хранения данных.- Single-stranded DNA molecule, where the sequence essentially consists of non-hybridizing nucleotides, for example, adenine and cytosine (A and C), which are organized in a sequence corresponding to a binary code, for example, for use in a data storage method.
- Двухцепочечная ДНК, содержащая серию нуклеотидных последовательностей, соответствующих двоичному коду, где двухцепочечная ДНК дополнительно содержит- Double-stranded DNA containing a series of nucleotide sequences corresponding to the binary code, where double-stranded DNA additionally contains
- Способ считывания двоичного кода, закодированного в ДНК, включающий использование секвенатора с нанопорами.- A method for reading a binary code encoded in DNA, including the use of a nanopore sequencer.
- Способ хранения данных и устройство для этого с использованием описанного выше наночипа для получения электрически заряженного полимера, например ДНК, содержащей по меньшей мере два различных мономера, где мономеры организованы в виде последовательности, соответствующей двоичному коду.- Data storage method and device for this using the nanochip described above to obtain an electrically charged polymer, for example DNA, containing at least two different monomers, where the monomers are organized in a sequence corresponding to a binary code.
[012] Следующие аспекты и области применения настоящего изобретения станут очевидными из подробного описания, предоставленного далее. Следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, хотя и указывают на предпочтительные варианты осуществления изобретения, предназначены только для иллюстрации и не предназначены для ограничения объема изобретения.[012] The following aspects and fields of application 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 of the invention, are intended to be illustrative only and are not intended to limit the scope of the invention.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[013] Настоящее изобретение станет более понятным из подробного описания и прилагаемых чертежей, где:[013] The present invention will become more clear from the detailed description and the accompanying drawings, where:
[014] На фиг.1 представлена диаграмма простой конструкции двухкамерного наночипа с разделяющей мембраной, перфорированной нанопорой и электродами на каждой стороне мембраны.[014] Figure 1 is a diagram of a simple design of a two-chamber nanochip with a separating membrane, a perforated nanopore, and electrodes on each side of the membrane.
[015] На фиг.2 и 3 показано, как заряженный полимер, например ДНК, движется в направлении анода.[015] Figures 2 and 3 show how a charged polymer, such as DNA, moves towards the anode.
[016] На фиг.4 и 5 показано, что полимер может перемещаться обратно путем изменения полярности электродов.[016] Figures 4 and 5 show that the polymer can move back by changing the polarity of the electrodes.
[017] На фиг.6 показана конструкция двухкамерного наночипа для ДНК-систем, в котором фермент полимераза расположена в одной камере, деблокирующий фермент находится в другой камере, и ни один из них не проходит через нанопору.[017] Figure 6 shows the design of a two-chamber nanochip for DNA systems, in which the polymerase enzyme is located in one chamber, the deblocking enzyme is in the other chamber, and neither of them passes through the nanopore.
[018] На фиг.7 представлено присоединение аденинового нуклеотида, когда 3'-блокированный dATP (A) проходит через левую камеру и устанавливается "прямой" ток для перемещения ДНК в эту камеру.[018] Figure 7 shows the attachment of an adenine nucleotide when the 3'-blocked dATP (A) passes through the left chamber and a "forward" current is established to move DNA into this chamber.
[019] На фиг.8 представлено удаление защитной группы из олигонуклеотида, чтобы мог быть присоединен дополнительный нуклеотид. Например, удаление защитной группы происходит после перемещения ДНК в камеру путем установки тока на "обратный".[019] FIG. 8 shows the deprotection of an oligonucleotide so that an additional nucleotide can be attached. For example, deprotection occurs after moving the DNA into the chamber by setting the current to "reverse".
[020] На фиг.9 представлено присоединение 3'-блокированного dCTP (C). В определенных вариантах осуществления для замены содержимого этой камеры используют поток жидкости, например, как изображено, ранее в этой камере был "А".[020] Figure 9 shows the attachment of a 3'-blocked dCTP (C). In certain embodiments, a fluid flow is used to replace the contents of this chamber, for example, as shown, there was previously an "A" in this chamber.
[021] На фиг.10 показано, как может быть предоставлено множество отдельных удерживающих камер, в то время как проточная камера становится единой линией для предоставления реагентов.[021] FIG. 10 shows how a plurality of separate holding chambers can be provided while the flow chamber becomes a single line for supplying reagents.
[022] На фиг.11 показан подход для удержания ДНК, ассоциированной с ее камерой, путем связывания с камерой (верхний фрагмент ДНК на фиг.) или путем присоединения к объемной группе, которая не может пройти через нанопору (нижний фрагмент ДНК на фиг.). В этой системе конец ДНК все еще может проходить в проточную камеру и получать дополнительные нуклеотиды, однако другой конец остается в удерживающей камере.[022] Figure 11 shows an approach for retaining DNA associated with its chamber by binding to the chamber (upper DNA fragment in FIG.) or by attaching to a bulky group that cannot pass through the nanopore (lower DNA fragment in FIG. ). In this system, the end of the DNA can still pass into the flow chamber and receive additional nucleotides, however the other end remains in the holding chamber.
[023] На фиг.12 представлена конфигурация, где ДНК связана со стенкой камеры и контролируется множеством электродов.[023] FIG. 12 shows a configuration where the DNA is bound to the chamber wall and controlled by a plurality of electrodes.
[024] На фиг.13 показано, как ДНК при желании может удерживаться в камере просто путем контроля полярности электродов.[024] FIG. 13 shows how DNA can be retained in the chamber, if desired, simply by controlling the polarity of the electrodes.
[025] На фиг.14 показана матрица со свободным потоком реагентов в обе стороны, где ДНК связана с поверхностью камеры.[025] Figure 14 shows a matrix with free flow of reagents in both directions, where the DNA is associated with the surface of the chamber.
[026] На фиг.15 представлена альтернативная конструкция с электродами на сторонах, соседних с разделяющей мембраной, что позволяет менее дорогостоящее производство.[026] FIG. 15 shows an alternative design with electrodes on the sides adjacent to the separating membrane, allowing for less expensive manufacturing.
[027] На фиг.16 представлена система из трех отделений, где ДНК может перемещаться из отделения в отделение посредством электродов. Эта система не требует значительного потока реагентов в ходе синтеза.[027] FIG. 16 shows a three-compartment system where DNA can move from compartment to compartment via electrodes. This system does not require a significant flow of reagents during the synthesis.
[028] На фиг.17 представлен пример того, как реагенты могут быть организованы в системе из трех отделений.[028] FIG. 17 is an example of how the reagents can be organized in a three-compartment system.
[029] На фиг.18 представлен олигонуклеотид, связанный рядом с нанопорой, где нанопора имеет электродные элементы с каждой стороны от мембраны.[029] FIG. 18 shows an oligonucleotide bound adjacent to a nanopore, where the nanopore has electrode elements on each side of the membrane.
[030] На фиг.19 представлена серия молекул ДНК, связанных вдоль мембраны, содержащей нанопоры, и каждая из которых контролируется электродами рядом с нанопорой, с линией потока с каждой стороны мембраны. Например, как представлено, левая линия потока обеспечивает поток промывочного буфера/3'-блокированного dATP (A)/промывочного буфера/3'-блокированного dCTP (C)/промывочного буфера, где молекулы ДНК перемещаются в проточную камеру, только когда присутствует желаемый. Правая линия обеспечивает деблокирующий агент(ы) для удаления защитной группы с 3'-конца нуклеотида и обеспечения присоединения другого нуклеотида. В одном варианте осуществления поток деблокирующего агента(ов) происходит, когда левая линия промывается буфером. В других вариантах осуществления агент(ы) для удаления защитной группы является слишком объемным, чтобы проходить в левую линию через нанопоры.[030] Figure 19 shows a series of DNA molecules bound along a membrane containing nanopores, each controlled by electrodes adjacent to the nanopore, with a flow line on each side of the membrane. For example, as shown, the left flow line provides a wash buffer/3'-blocked dATP (A)/wash buffer/3'-blocked dCTP (C)/wash buffer flow where DNA molecules move into the flow chamber only when the desired one is present. The right line provides a deblocking agent(s) to remove the protecting group from the 3' end of the nucleotide and allow the addition of another nucleotide. In one embodiment, the flow of deblocking agent(s) occurs when the left line is washed with buffer. In other embodiments, the deprotecting agent(s) is too bulky to pass into the left lane through the nanopores.
[031] На фиг.20-22 схематично представлены эксперименты для подтверждения правильности концепции, где биты, используемые для кодирования данных, представляют собой короткие олигомеры, присоединенные с использованием топоизомеразы.[031] Figures 20-22 are schematic representations of proof-of-concept experiments where the bits used to encode data are short oligomers attached using topoisomerase.
[032] На фиг.23 представлен формат секвенатора с нанопорами, где последовательность полимера считывается с использованием емкостных колебаний. В этой схеме считывания данных емкости электроды образуют верхнюю и нижнюю пластины конденсатора, разделенные мембраной, содержащей нанопору. Конденсатор является частью колебательного контура, где пульсирующий постоянный ток может проводить заряженный полимер через нанопору. Это изменение емкости измеряют по мере того, как полимер, например ДНК, проходит через нанопору, с использованием высокочастотной импеданс-спектроскопии. Значительным преимуществом этого подхода, в частности, с ДНК, является то, что частота измерения может быть очень высокой (фактически, измерение для каждого цикла, так что частота 100 МГц соответствует 100 миллионам измерений в секунду), и значительно более высокой, чем скорость прохождения мономеров через нанопору (ДНК, например, если только не ограничена каким-либо образом, проходит через нанопору в ответ на электрический ток со скоростью порядка 1 миллиона нуклеотидов в секунду).[032] FIG. 23 shows a nanopore sequencer format where the polymer sequence is read using capacitive oscillations. In this capacitance reading scheme, the electrodes form the top and bottom plates of a capacitor separated by a membrane containing a nanopore. The capacitor is part of an oscillating circuit where a pulsating direct current can drive the charged polymer through the nanopore. This change in capacitance is measured as a polymer, such as DNA, passes through the nanopore using high frequency impedance spectroscopy. A significant advantage of this approach, particularly with DNA, is that the measurement rate can be very high (in fact, a measurement for each cycle, so 100 MHz corresponds to 100 million measurements per second), and much higher than the travel rate monomers through the nanopore (DNA, for example, unless otherwise limited in any way, passes through the nanopore in response to an electric current at a rate of about 1 million nucleotides per second).
[033] На фиг.24 представлена конструкция с двумя камерами для присоединения, пригодная для присоединения двух различных типов мономеров или олигомеров, например, для 2-битного или двоичного кодирования. На верхней части фиг. представлен вид сверху. На нижней части представлено поперечное сечение вида сбоку. Полное устройство в этом варианте осуществления может быть собрано из вплоть до 3 независимо изготовленных слоев и объединено посредством сращивания пластин, или может быть сформировано путем гравировки единой подложки. Чип содержит электрический контрольный слой (1), флюидный слой (2), который содержит две камеры для присоединения над резервной камерой с заряженным полимером (например, ДНК), заякоренным между входами в нанопору в первой и второй камерах для присоединения, и слой заземления (3).[033] FIG. 24 shows a two-chamber attachment design suitable for attaching two different types of monomers or oligomers, such as for 2-bit or binary coding. On the top of Fig. top view is shown. The lower part shows a cross-sectional side view. The complete device in this embodiment may be assembled from up to 3 independently fabricated layers and combined by plate splicing, or may be formed by engraving a single substrate. The chip contains an electrical control layer (1), a fluid layer (2), which contains two attachment chambers above a backup chamber with a charged polymer (e.g., DNA) anchored between the nanopore inlets in the first and second attachment chambers, and a ground layer ( 3).
[034] На фиг.25 представлено функционирование конструкции с двумя камерами для присоединения, представленной на фиг.24. Можно наблюдать, что в основании каждой камеры для присоединения находится нанопора (4). Нанопора получена, например, путем просверливания посредством FIB, TEM, влажной или сухой гравировки или посредством диэлектрического пробоя. Мембрана (5), содержащая нанопоры, имеет толщину, например, от 1 атомного слоя до 10-ов нм. Она изготовлена, например, из SiN, BN, SiOx, графена, дихалькогенидов переходных металлов, например WS2 или MoS2. Под мембраной нанопор (5) находится резервная или деблокирующая камера (6), которая содержит реагенты для удаления защитной группы из полимера после присоединения мономера или олигомера в одной из камер для присоединения (для напоминания, мономеры или олигомеры присоединяются в форме с защищенными концами, так что за раз присоединяется только один мономер или олигомер). Полимер (7) может быть проведен в или из камер для присоединения путем изменения полярности электродов в слое электрорегулирования (1).[034] FIG. 25 shows the operation of the two-chamber attachment design shown in FIG. 24. It can be observed that at the base of each attachment chamber there is a nanopore (4). The nanopore is obtained, for example, by drilling with FIB, TEM, wet or dry engraving, or by dielectric breakdown. The membrane (5) containing the nanopores has a thickness of, for example, from 1 atomic layer to 10 nm. It is made, for example, from SiN, BN, SiOx, graphene, transition metal dichalcogenides, for example WS 2 or MoS 2 . Beneath the nanopore membrane (5) is a reserve or deblocking chamber (6) which contains reagents for deprotecting the polymer after the addition of a monomer or oligomer in one of the attachment chambers (as a reminder, monomers or oligomers are attached in a form with protected ends, so that only one monomer or oligomer is attached at a time). The polymer (7) can be driven into or out of the attachment chambers by changing the polarity of the electrodes in the electrical control layer (1).
[035] На фиг.26 представлен вид сверху конструкции, сходной с конструкциями фиг.24 и 25, однако в данном случае присутствует четыре камеры для присоединения, которые имеют общую резервную или деблокирующую камеру, и полимер связан в положении (9) с доступом в каждую из четырех камер. Поперечное сечение этой конструкции может быть таким, как представлено на фиг.24 и 25, и заряженный полимер может перемещаться в каждую из четырех камер для присоединения под контролем электродов в слое электрорегулирования (1 на фиг.24).[035] FIG. 26 is a plan view of a structure similar to FIGS. 24 and 25, however, in this case, there are four attachment chambers that share a common reserve or deblocking chamber, and the polymer is bonded in position (9) with access to each of the four chambers. The cross section of this design may be as shown in Figures 24 and 25, and the charged polymer may move into each of the four attachment chambers under the control of the electrodes in the electrical control layer (1 in Figure 24).
[036] На фиг.27 представлен вид сверху чипа с нанопорами, имеющего множество наборов двойных камер для присоединения, как представлено на фиг.24 и 25, позволяющих синтез множества полимеров параллельно. Мономеры (в данном случае нуклеотиды dATP и dGTP, обозначаемые как as A и G) загружают в каждую камеру посредством последовательных линий потока. Одна или более общих деблокирующих проточных ячеек позволяют удаление защитной группы из полимера после присоединения мономера или олигомера в одной из камер для присоединения. Это также позволяет открепление полимеров при необходимости (например, с использованием фермента рестрикции в случае ДНК, или химическое открепление от поверхности рядом с нанопорой) и накопление снаружи. В этом конкретном варианте осуществления деблокирующие проточные ячейки перпендикулярны каналам загрузки, используемым для заполнения камер для присоединения.[036] FIG. 27 is a plan view of a nanopore chip having a plurality of sets of dual chambers for attachment, as shown in FIGS. 24 and 25, allowing the synthesis of multiple polymers in parallel. The monomers (in this case, the dATP and dGTP nucleotides, referred to as as A and G) are loaded into each chamber via serial flow lines. One or more common deblocking flow cells allow deprotection of the polymer after attachment of the monomer or oligomer in one of the attachment chambers. It also allows polymers to be detached when needed (eg using a restriction enzyme in the case of DNA, or chemical detachment from the surface next to the nanopore) and accumulation outside. In this particular embodiment, the release flow cells are perpendicular to the loading channels used to fill the attachment chambers.
[037] На фиг.28 представлены следующие детали электропроводки для схем камер с двойным присоединением. Слой электрорегулирования (1) включает электропроводку из металла или поликремния. Плотность электропроводки возрастает посредством 3D-укладки, причем электрическая изоляция обеспечивается покрытием диэлектриком (например, через PECVD, распыление, ALD и т.д.). Контакт (11) с верхней частью электрода в камере для присоединения в одном варианте осуществления осуществляется с использованием переходных отверстий в кремнии (TSV) посредством глубокой гравировки реактивными ионами (DRIE) (крио-процесс или процесс BOSCH). Индивидуальный контроль напряжения (12) позволяет обращаться к каждой камере для присоединения индивидуально, обеспечивая точный контроль последовательности множества полимеров параллельно. На правой стороне фиг. представлен вид сверху, иллюстрирующий электропроводку для множества ячеек для присоединения. Слой заземления (3) может быть общим (как показано) или разделенным для снижения взаимного влияния между ячейками.[037] FIG. 28 shows the following wiring details for dual mount camera circuits. The electrical control layer (1) includes electrical wiring made of metal or polysilicon. Wiring density is increased by 3D laying, with electrical insulation provided by dielectric coating (eg via PECVD, sputtering, ALD, etc.). Contact (11) with the top of the electrode in the attachment chamber is in one embodiment using silicon vias (TSV) via reactive ion deep engraving (DRIE) (cryo or BOSCH process). Individual voltage control (12) allows each connection chamber to be addressed individually, providing precise control of the sequencing of multiple polymers in parallel. On the right side of Fig. a plan view is shown illustrating wiring for a plurality of bays to be connected. The ground plane (3) can be shared (as shown) or separated to reduce interference between cells.
[038] На фиг.29 представлена альтернативная конфигурация, где контрольные электроды (13) камер для присоединения могут быть расположены на стенке камеры в виде обертки вместо положения вверху камеры.[038] FIG. 29 shows an alternative configuration where the reference electrodes (13) of the attachment chambers may be positioned on the chamber wall in a wrap-around arrangement instead of being positioned at the top of the chamber.
[039] На фиг.30 представлен гель SDS-PAGE, подтверждающий, что протокол присоединения посредством топоизомеразы, как описано в примере 3, работает, причем отчетливо видны полосы, соответствующие ожидаемым продуктам A5 и B5.[039] FIG. 30 is an SDS-PAGE gel confirming that the topoisomerase coupling protocol as described in Example 3 is working, with bands corresponding to expected products A5 and B5 clearly visible.
[040] На фиг.31 представлен агарозный гель, подтверждающий, что продукт ПЦР примера 5 имеет правильный размер. Дорожка 0 представляет собой маркер молекулярной массы из 25 пар оснований; дорожка 1 представляет собой продукт эксперимента - линию, соответствующую ожидаемой молекулярной массе; дорожка 2 представляет собой отрицательный контроль #1; дорожка 3 представляет собой отрицательный контроль #2; дорожка 4 представляет собой отрицательный контроль #4.[040] FIG. 31 shows an agarose gel confirming that the PCR product of Example 5 is the correct size. Lane 0 is a 25 bp molecular weight marker;
[041] На фиг.32 представлен агарозный гель, подтверждающий, что фермент рестрикции, как описано в примере 5, продуцирует ожидаемый продукт. Маркер молекулярной массы слева представляет собой маркер из 100 пар оснований. Дорожка 1 соответствует нерасщепленному NAT1/NAT9c, дорожка 2 соответствует расщепленному NAT1/NAT9c. Дорожка 3 соответствует нерасщепленному NAT1/NAT9cI, дорожка 4 соответствует расщепленному NAT1/NAT9cI.[041] FIG. 32 shows an agarose gel confirming that the restriction enzyme as described in Example 5 produces the expected product. The molecular weight marker on the left is a 100 bp marker.
[042] На фиг.33 представлена иммобилизация ДНК вблизи нанопоры. На панели (1) представлена ДНК со структурой оригами на одном конце в левой камере (в реальном наночипе в левой камере изначально присутствует множество таких структур оригами). На панели (2) проиллюстрирована система с анодом справа, которая движет ДНК к нанопоре. В то время как цепь ДНК способна проходить через нанопору, структура оригами является слишком большой, чтобы проходить, так что ДНК "застревает". Выключение тока (панель 3) позволяет ДНК диффундировать. С использованием подходящей химии конец цепи ДНК способен связываться, когда он контактирует с поверхностью вблизи нанопоры. На панели (4) добавлен фермент рестрикции, который отщепляет структуру оригами от ДНК. Камеру промывают для удаления фермента и остаточной ДНК. Конечным результатом является одна молекула ДНК, присоединенная вблизи нанопоры, способная к перемещению в одну и в другую сторону через нанопору.[042] Figure 33 shows the immobilization of DNA near the nanopore. Panel (1) shows DNA with an origami structure at one end in the left chamber (in a real nanochip, many such origami structures are initially present in the left chamber). Panel (2) illustrates a system with an anode on the right that drives DNA towards the nanopore. While the DNA strand is able to pass through the nanopore, the origami structure is too large to pass, so the DNA gets stuck. Turning off the current (panel 3) allows the DNA to diffuse. With the right chemistry, the end of a DNA chain is able to bind when it comes into contact with a surface near the nanopore. Panel (4) has a restriction enzyme added that cleaves the origami structure from DNA. The chamber is washed to remove enzyme and residual DNA. The end result is a single DNA molecule attached near the nanopore, capable of moving back and forth through the nanopore.
[043] На фиг.34 представлена основа функционирования нанопоры. На каждой панели ось y представляет собой ток (нА) и ось x представляет собой время (с). На левой панели "скрининг шума RF" иллюстрирует пригодность клетки Фарадея. Чип без нанопоры помещают в проточную ячейку и применяют 300 мВ. Когда крышка клетки Фарадея закрыта (первая стрелка), можно наблюдать снижение шума. Небольшой импульс возникает, когда защелка закрыта (вторая стрелка). Следует отметить, что ток составляет ~0 нМ. После формирования поры (средняя панель), применение 300 мВ (стрелка) приводит к току ~3,5 нМ. Когда ДНК помещают в камеру заземления и применяют +300 мВ можно наблюдать перемещение ДНК (правая панель) в качестве временного снижения тока (следует отметить, что в этом случае используют буфер TS: 50 мМ Tris, pH 8, 1 M NaCl). Для этого эксперимента по перемещению ДНК используют лямбда-ДНК.[043] FIG. 34 shows the basic operation of a nanopore. On each panel, the y-axis represents current (nA) and the x-axis represents time (s). In the left panel, "RF noise screening" illustrates the usefulness of the Faraday cage. The chip without the nanopore is placed in the flow cell and 300 mV is applied. When the Faraday cage cover is closed (first arrow), noise reduction can be observed. A small pulse occurs when the latch is closed (second arrow). It should be noted that the current is ~0 nM. After pore formation (middle panel), application of 300 mV (arrow) results in a current of ~3.5 nM. When DNA is placed in the ground chamber and +300 mV is applied, DNA movement can be observed (right panel) as a temporary decrease in current (note that buffer TS is used in this case: 50 mM Tris,
[044] На фиг.35 представлена упрощенная картина, иллюстрирующая основные признаки структуры ДНК-оригами: крупная одноцепочечная область, кубическая структура оригами и присутствие 2 участков рестрикции (SwaI и AlwN1) вблизи структуры оригами.[044] Fig. 35 is a simplified picture illustrating the main features of the DNA origami structure: a large single strand region, a cubic origami structure, and the presence of 2 restriction sites (SwaI and AlwN1) near the origami structure.
[045] На фиг.36 представлено изображение, полученное с использованием электронного микроскопа, изготовленной структуры ДНК-оригами, и продемонстрирована ожидаемая топология. Оригами получают в 5-мМ основе Tris, 1 мМ EDTA, 5 мМ NaCl, 5 мМ MgCl2. Для сохранения структуры оригами предпочтительно, чтобы концентрации Mg++ составляли ~5 мМ или концентрации Na+/K+ составляли 1 M. Структуру оригами хранят при 4°C в концентрации 500 нМ.[045] FIG. 36 is an electron microscope image of the fabricated origami DNA structure and shows the expected topology. Origami was prepared in 5 mM Tris, 1 mM EDTA, 5 mM NaCl, 5 mM MgCl2. To preserve the origami structure, it is preferred that the Mg ++ concentrations be ~5 mM or the Na + /K + concentrations be 1 M. The origami structure is stored at 4° C. at a concentration of 500 nM.
[046] На фиг.37 представлено рестрикционное расщепление ДНК-оригами для подтверждения правильной сборки и функции. На крайней дорожке слева представлены стандарты ММ. Участки рестрикции исследуют путем расщепления оригами посредством AlwN1 и Swa1. Четыре исследуемых дорожки содержат следующие реагенты (единицы представляют собой микролитры):[046] FIG. 37 shows origami DNA restriction digest to confirm correct assembly and function. On the far left track are the MM standards. Restriction sites are examined by origami cleavage with AlwN1 and Swa1. The four lanes tested contain the following reagents (units are microliters):
[047] Исследуемая дорожка (1) представляет собой отрицательный контроль; (2) представляет собой продукт расщепления посредством Swa1; (3) представляет собой продукт расщепления посредством AlwN1; (4) представляет собой продукт двойного расщепления посредством Swa1/AlwN1. Расщепление проводят при комнатной температуре в течение 60 минут, а затем при 37°C в течение 90 минут. Агарозный гель 1/2x TBE-Mg (1/2x TBE c 5 мМ MgCl2) визуализируют окрашиванием бромидом этидия. Индивидуальное расщепление каждым ферментом не демонстрирует эффекта подвижности в геле, однако расщепление обоими ферментами вместе (дорожка 4) приводит к двум фрагментом различной длины, как и ожидалось.[047] Test lane (1) is a negative control; (2) is a cleavage product with Swa1; (3) is a cleavage product with AlwN1; (4) is a product of a double cleavage with Swa1/AlwN1. Cleavage is carried out at room temperature for 60 minutes and then at 37°C for 90 minutes.
[048] На фиг.38 представлено связывание меченных биотином олигонуклеотидов с покрытыми стрептавидином гранулами против связывания с контрольными покрытыми BSA гранулами. По оси y приведены единицы флуоресценции, "до связывания" представляет собой флуоресценцию олигонуклеотида в исследуемом растворе до связывания с гранулами, (-) контроли представляют собой флуоресценцию, наблюдаемую после связывания с двумя различными партиями конъюгированных с BSA гранул, SA-1 и SA-2 представляют собой флуоресценцию, наблюдаемую после связывания с 2 различными партиями конъюгированных со стрептавидином гранул. В случае конъюгированных с BSA гранул наблюдают небольшой заметный уровень связывания, однако значительно большее связывание наблюдают в случае конъюгированных со стрептавидином гранул.[048] FIG. 38 shows binding of biotin-labeled oligonucleotides to streptavidin-coated beads versus binding to control BSA-coated beads. Units of fluorescence are shown on the y-axis, "before binding" is the fluorescence of the oligonucleotide in the test solution before binding to the beads, (-) controls are the fluorescence observed after binding to two different lots of BSA-conjugated beads, SA-1 and SA-2 represent the fluorescence observed after binding to 2 different lots of streptavidin-conjugated beads. In the case of BSA-conjugated beads, a small noticeable level of binding is observed, however, much more binding is observed in the case of streptavidin-conjugated beads.
[049] На фиг.39 представлено связывание меченных биотином олигонуклеотидов с покрытыми стрептавидином гранулами против связывания с контрольными покрытыми BSA гранулами в различных буферных системах: буфере MPBS и HK. Левый столбик "отрицательный контроль" соответствует флуоресценции олигонуклеотида в исследуемом растворе до связывания с гранулами. В среднем столбце представлена флуоресценция "гранул BSA" и в правом столбце "гранул SA" после связывания с гранулами с BSA или стрептавидином, соответственно. В обеих буферных системах флуоресценция снижена в случае стрептавидиновых гранул относительно контролей, что указывает на то, что меченные биотином олигонуклеотиды хорошо связываются с покрытыми стрептавидином гранулами в различных буферных системах.[049] FIG. 39 shows the binding of biotin-labeled oligonucleotides to streptavidin-coated beads versus binding to control BSA-coated beads in various buffer systems: MPBS buffer and HK. The left column "negative control" corresponds to the fluorescence of the oligonucleotide in the test solution before binding to the beads. The middle column shows the fluorescence of "BSA beads" and the right column of "SA beads" after binding to beads with BSA or streptavidin, respectively. In both buffer systems, fluorescence is reduced for streptavidin beads relative to controls, indicating that biotin-labeled oligonucleotides bind well to streptavidin-coated beads in different buffer systems.
[050] На фиг.40 представлено функционирование SiO2-нанопоры с конъюгацией, где поверхность покрыта стрептавидном с одной стороны и покрыта BSA с другой. По оси x представлено время и по оси y представлен ток. Точка демонстрирует место, где происходит изменение тока на обратное. При изменении тока происходит кратковременный скачок, затем ток опускается приблизительно до той же абсолютной величины. Нанопора демонстрирует ток ~+3 нА при 200 мВ и ~-3 нА при -200 мВ.[050] FIG. 40 shows the operation of a conjugated SiO 2 nanopore where the surface is streptate coated on one side and BSA coated on the other. The x-axis represents time and the y-axis represents current. The point shows the place where the current reverses. When the current changes, a short jump occurs, then the current drops to approximately the same absolute value. The nanopore shows a current of ~+3 nA at 200 mV and ~-3 nA at -200 mV.
[051] На фиг.41 изображена структура ДНК-оригами, помещенная в нанопору.[051] FIG. 41 shows an origami DNA structure placed in a nanopore.
[052] На фиг.42 показано присоединение одноцепочечной ДНК к покрытой стрептавидином поверхности рядом с нанопорой.[052] FIG. 42 shows the attachment of single-stranded DNA to a streptavidin-coated surface next to a nanopore.
[053] На фиг.43 представлены результаты эксперимента для ДНК-оригами, связанной с поверхностью вблизи нанопоры. Ток составляет+или - ~2,5 нА в обоих направлениях, что меньше исходного тока +/-~3нМ, что отражает частичное закупоривание структурой оригами. По оси x представлено время (с), по оси y представлен ток (нА), круги соответствуют точкам переключения напряжения.[053] FIG. 43 shows the results of an origami DNA experiment bound to a surface near a nanopore. The current is + or - ~2.5 nA in both directions, which is less than the initial current of +/- ~ 3nM, which reflects the partial plugging of the origami structure. The x-axis represents time (s), the y-axis represents current (nA), the circles correspond to voltage switching points.
[054] На фиг.44 представлено вхождение ДНК-оригами, что приводит к небольшому снижению тока. Оригами сразу выходи из нанопоры, как только ток исчезает. По оси x приведено время (с), по оси y приведен ток (нМ), круги соответствуют точка переключения напряжения.[054] Figure 44 shows the entry of DNA origami, resulting in a slight decrease in current. Origami immediately exit the nanopore as soon as the current disappears. Time (s) is given on the x-axis, current (nM) is given on the y-axis, the circles correspond to the voltage switching point.
[055] На фиг.45 представлено контролируемое движение цепи ДНК в одну и в другую сторону через нанопору посредством применения тока. С левой стороны ДНК находится в поре, так что наблюдаемый ток является более низким, чем в случае отсутствия ДНК в поре. Когда ток изменяют на обратный (правая сторона), ДНК в поре отсутствует, так что ток не изменяется.[055] FIG. 45 shows the controlled movement of a DNA strand back and forth through a nanopore by applying a current. On the left side, the DNA is in the pore, so the observed current is lower than if there is no DNA in the pore. When the current is reversed (right side), there is no DNA in the pore, so the current does not change.
[056] На фиг.46 представлены результаты эксперимента, подтверждающие это представление. Когда применяют положительное напряжение, ток составляет ~3 нА, что сравнимо с током, обычно наблюдаемым, когда пора открыта. Когда напряжение меняется на обратное, ток составляет ~-2,5 нА. Это ниже, чем ток, обычно наблюдаемый, когда пора открыта, и соответствует току, обычно наблюдаемому, когда пора блокирована цепью ДНК. несколько последовательных переключений напряжения демонстрирует стабильные результаты, указывая на то, что конфигурация ДНК изменяется, как представлено на фиг.45.[056] FIG. 46 shows experimental results that support this view. When a positive voltage is applied, the current is ~3 nA, which is comparable to the current normally seen when the pore is open. When the voltage is reversed, the current is ~-2.5nA. This is lower than the current normally seen when the pore is open and is in line with the current normally seen when the pore is blocked by a DNA strand. several successive switching voltages show stable results, indicating that the DNA configuration is changing, as shown in Fig.45.
[057] На фиг.47 представлена другая химия конъюгации для связывания ДНК с поверхностью рядом с нанопорой.[057] FIG. 47 shows another conjugation chemistry for binding DNA to a surface near the nanopore.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION
[058] Приведенное ниже описание предпочтительного варианта(ов) осуществления является только иллюстративным и никоим образом не предназначено для ограничения изобретения, его назначения или применений.[058] The following description of the preferred embodiment(s) is illustrative only and is not intended to limit the invention, its purpose or applications in any way.
[059] Как используют в настоящем описании, диапазоны используются в качестве сокращенного обозначения для описания каждой величины, входящей в данный диапазон. Любая величина в диапазоне может быть выбрана в качестве предела диапазона. Кроме того, все ссылки, цитированные в настоящем описании, включены в настоящее описание в качестве ссылок в полном объеме. В случае противоречия между определением в настоящем описании и определением в цитированной ссылке следует руководствоваться настоящим описанием.[059] As used herein, ranges are used as shorthand for describing each value within a given range. Any value in the range can be selected as the limit of the range. In addition, all references cited in the present description are incorporated herein by reference in their entirety. In the event of a conflict between the definition in the present specification and the definition in the cited reference, the present specification shall govern.
[060] Если нет иных указаний, все проценты и количества, приведенные в данном разделе и в других разделах описания, следует понимать как относящиеся к процентам по массе. Приведенные количества основаны на активной массе материала.[060] Unless otherwise indicated, all percentages and amounts given in this section and elsewhere in the description should be understood as referring to percentages by weight. The amounts given are based on the active weight of the material.
[061] "Наночип", как используют в рамках изобретения, относится к нанофлюидному устройству, содержащему множество камер, содержащих жидкость, и необязательно каналы, обеспечивающие ток жидкости, где критические размеры элементов наночипа, например, ширина элементов, отделяющие камеры друг от друга, составляют от одного атома до 10 микрометров, например, менее одного микрометра, например, 0,01-1 микрометр. Поток материалов в наночипе может регулироваться электродами. Например, поскольку ДНК и РНК являются отрицательно заряженными, они будут двигаться к положительно заряженному электроду. См., например, Gershow, M, et al., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore, Nat Nanotechnol. (2007) 2(12): 775-779, включенную в настоящее описание в качестве ссылки. В некоторых случаях поток жидкости также может регулироваться ограничительными элементами и путем прокачивания, инжектирования и/или выкачивания жидкостей в наночип и из него. Система способна к точному мультиплексному анализу нуклеиновых кислот (ДНК/РНК). В определенных вариантах осуществления наночип может быть изготовлен из кремниевого материала, например, диоксида кремния или нитрида кремния. Нитрид кремния (например, Si3N4) является особенно желательным для этой цели, поскольку он является химически относительно инертным и обеспечивает эффективный барьер против диффузии воды и ионов, даже при толщине несколько нм. Диоксид кремния (как используется в примерах настоящего описания) также является пригодным, поскольку он является подходящей поверхностью для химической модификации. Альтернативно в определенных вариантах осуществления наночип может быть изготовлен целиком или частично из материалов, которые могут образовывать листы толщиной всего в одну молекулу (иногда называемые однослойными материалами), например, графена, например, как описано в 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, содержание каждой из которых включено в настоящее описание в качестве ссылки, или дихалькогенида переходного металла, например, дисульфида молибдена (MoS2), как описано в Feng, et al., Identification of single nucleotides in MoS2 nanopores, Nat Nanotechnol. (2015) 10(12):1070-1076, содержание которых включено в настоящее описание в качестве ссылки, или нитрид бора, как описано в Gilbert, et al. Fabrication of Atomically Precise Nanopores in Hexagonal Boron Nitride, eprint arXiv:1702,01220 (2017).[061] "Nanochip", as used herein, refers to a nanofluidic device containing a plurality of chambers containing fluid, and optionally fluid flow channels, where the critical dimensions of the nanochip elements, for example, the width of the elements separating the chambers from each other, range from one atom to 10 micrometers, for example, less than one micrometer, for example, 0.01-1 micrometer. The flow of materials in a nanochip can be controlled by electrodes. For example, since DNA and RNA are negatively charged, they will move towards a positively charged electrode. See, for example, Gershow, M, et al., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore, Nat Nanotechnol. (2007) 2(12): 775-779, incorporated herein by reference. In some cases, fluid flow can also be controlled by restrictive elements and by pumping, injecting and/or pumping fluids into and out of the nanochip. The system is capable of accurate multiplex analysis of nucleic acids (DNA/RNA). In certain embodiments, the implementation of the nanochip can be made of silicon material, such as silicon dioxide or silicon nitride. Silicon nitride (eg Si 3 N 4 ) is particularly desirable for this purpose because it is chemically relatively inert and provides an effective barrier against water and ion diffusion, even at a thickness of a few nm. Silica (as used in the examples herein) is also suitable as it is a suitable surface for chemical modification. Alternatively, in certain embodiments, the nanochip may be made wholly or partially from materials that can form sheets as small as one molecule thick (sometimes referred to as single layer materials), such as graphene, such as as described 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 content of each of which is incorporated herein by reference, or a transition metal dichalcogenide such as molybdenum disulfide ( MoS 2 ) as described in Feng, et al., Identification of single nucleotides in MoS 2 nanopores, Nat Nanotechnol. (2015) 10(12):1070-1076, the contents of which are incorporated herein by reference, or boron nitride as described in Gilbert, et al. Fabrication of Atomically Precise Nanopores in Hexagonal Boron Nitride, eprint arXiv:1702.01220 (2017).
[062] В некоторых вариантах осуществления наночип содержит такой однослойный материал, который является относительно жестким и инертным, например, по меньшей мере настолько инертным и жестким, как графен, например MoS2. Однослойные материалы можно использовать, например, в качестве всей или части мембраны, содержащей нанопору. Наночип может быть частично покрыт металлом, например, на его стенки может иметь слои (например, металл-нитрид кремния-металл), а затем металл может быть организован так, чтобы в нем была предоставлена контролируемая пара электродов вблизи нанопоры, так чтобы нуклеиновая кислота могла двигаться в одну и в другую сторону через нанопору под действием электродвижущей силы, и также могла быть отсеквеирована путем измерения изменения электрического потенциала по мере прохождения нуклеиновой кислоты через нанопору.[062] In some embodiments, the implementation of the nanochip contains a single layer material that is relatively rigid and inert, for example, at least as inert and rigid as graphene, such as MoS 2 . Single layer materials can be used, for example, as all or part of a membrane containing a nanopore. The nanochip can be partially covered with metal, for example, it can have layers on its walls (for example, metal-silicon-metal), and then the metal can be arranged so that a controlled pair of electrodes is provided in it near the nanopore, so that the nucleic acid can move back and forth through the nanopore under the action of an electromotive force, and could also be cut off by measuring the change in electric potential as the nucleic acid passes through the nanopore.
[063] Нанофлуидные устройства в виде наночипов для секвенирования ДНК являются общеизвестными, например, как описано в 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; и Chen Z, DNA translocation through an array of kinked nanopores, Nat Mater. (2010)9(8):667-75; полное содержание каждой из которых включено в настоящее описание в качестве ссылки, например, в отношении их идей по конструкции и производству наночипов, содержащих нанопоры.[063] Nanofluid devices in the form of nanochips for DNA sequencing are well known, for example, as described in 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 full content of each of which is incorporated herein by reference, for example, in relation to their ideas for the design and manufacture of nanochips containing nanopores.
[064] "Нанопора", как используют в рамках изобретения, представляет собой пору диаметром менее 1 микрометра, например, диаметром 2-20 нм, например, порядка 2-5 нм. Одноцепочечная ДНК может проходить через 2-нм нанопору; одноцепочечная или двухцепочечная ДНК может проходить через 4-нм нанопору. В случае очень малой нанопоры, например, 2-5 нм, ДНК может проходить через нее, однако более крупные белковые фрагменты не могут, тем самым позволяя контролируемый синтез ДНК (или другого заряженного полимера). Когда используют более крупные нанопоры (или меньшие белковые ферменты), белковый фермент может быть конъюгирован с подложкой, что будет препятствовать его прохождению через нанопору, например, с более крупной молекулой, такой как более крупный белок, с гранулой или с поверхностью камеры. Известны различные типы нанопор. Например, биологические нанопоры образуются сборкой порообразующего белка в мембране, такой как липидный бислой. Например, α-гемолизин и сходные белковые поры встречаются в природе в клеточных мембранах, где они выступают в качестве каналов для ионов или молекул, подлежащих транспортировке в и наружу клеток, и такие белки могут быть приспособлены в качестве наноканалов. Твердофазные нанопоры образованы синтетическими материалами, такими как нитрид кремния или графен, например, путем внесения отверстий в синтетическую мембрану, например, с использованием контролируемого по принципу обратной связи моделирования низкоэнергетическим ионным пучком (IBS) или освещения высокоэнергетическим электронным пучком. Гибридные нанопоры могут быть изготовлены заключением порообразующего белка в синтетический материал. Когда на любом из концов или на любой стороне от нанопоры присутствует металлическая поверхность или электрод, может быть обеспечен электрический ток через нанопору в электролитной среде. Электроды могут быть изготовлены из любого проводящего материала, например, серебра, золота, платины, меди, диоксида титана, например, серебра, покрытого хлоридом серебра.[064] A "nanopore" as used herein is a pore less than 1 micrometer in diameter, eg 2-20 nm in diameter, eg on the order of 2-5 nm. Single-stranded DNA can pass through a 2nm nanopore; single-stranded or double-stranded DNA can pass through the 4nm nanopore. In the case of a very small nanopore, eg 2-5 nm, DNA can pass through it, however, larger protein fragments cannot, thus allowing controlled synthesis of DNA (or other charged polymer). When larger nanopores (or smaller protein enzymes) are used, the protein enzyme can be conjugated to the support, which will prevent it from passing through the nanopore, for example, to a larger molecule, such as a larger protein, to a bead, or to a chamber surface. Various types of nanopores are known. For example, biological nanopores are formed by the assembly of a pore-forming protein in a membrane, such as a lipid bilayer. For example, α-hemolysin and similar protein pores occur naturally in cell membranes where they act as channels for ions or molecules to be transported in and out of cells, and such proteins can be adapted as nanochannels. Solid phase nanopores are formed by synthetic materials such as silicon nitride or graphene, for example, by making holes in a synthetic membrane, for example, using feedback controlled low energy ion beam (IBS) modeling or high energy electron beam illumination. Hybrid nanopores can be made by encapsulating a pore-forming protein in a synthetic material. When a metal surface or electrode is present at either end or either side of the nanopore, an electrical current can be provided through the nanopore in an electrolyte environment. The electrodes can be made from any conductive material, such as silver, gold, platinum, copper, titanium dioxide, such as silver coated with silver chloride.
[065] Способы формирования твердофазной мембраны нанопор, например, из нитрида кремния, известны. В одном подходе кремниевую подложку покрывают материалом мембраны, например, нитридом кремния, и общую конфигурацию мембраны формируют с использованием фотолитографии и влажной химической гравировки, с получением мембран из нитрида кремния желаемого размера для включения в наночип, например, приблизительно 25×25 микрометров. Первоначальные отверстия или полости диаметром 0,1 микрометров пробивают в мембране из нитрида кремния с использованием фокусированного ионного пучка (FIB). Моделирование ионным пучком может сформировать нанопору путем сокращения поры большего размера, например, посредством индуцированного ионным пучком латерального переноса массы на поверхности мембраны, либо путем удаления материала мембраны ионным пучком, снимающим слой за слоем с плоской стороны мембраны, содержащей полость с противоположных сторон, так что, когда в конечном итоге формируется полость, нанопора имеет острые края. Когда ионный пучок угасает, тогда ток ионов, передаваемый через пору, является пригодным для желаемого размера пор. См., например. Li, J., et al., Solid-state nanopore for detecting individual biopolymers, Methods Mol Biol. (2009)544:81-93. Альтернативно нанопоры могут быть сформированы с использованием освещения высокоэнергетическим (200-300 кэВ) электронным пучком в TEM. С использованием полупроводниковых способов обработки, литографии e-пучком, реактивной ионной гравировки шаблонных слоев SiO2, и анизотропной KOH-гравировки Si, получают пирамидальные поры размером 20×20 нм и более в мембране толщиной 40 нм. Электронный пучок в TEM используют для уменьшения размера более крупных пор размером 20 нм до меньшего размера. TEM позволяет наблюдение процесса уменьшения размера в реальном времени. С использованием более тонкой мембраны (например, толщиной <10 нм) нанопоры могут быть просверлены посредством высокоэнергетичнеского сфокусированного электронного пучка в TEM. См., главным образом, 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; содержание каждой из которых включено в настоящее описание в качестве ссылки.[065] Methods for forming a solid phase nanopore membrane, for example from silicon nitride, are known. In one approach, a silicon substrate is coated with a membrane material, e.g., silicon nitride, and the overall configuration of the membrane is shaped using photolithography and wet chemical engraving to obtain silicon nitride membranes of the desired size for inclusion in a nanochip, e.g., approximately 25 x 25 micrometers. Initial holes or cavities with a diameter of 0.1 micrometers are punched into the silicon nitride membrane using a focused ion beam (FIB). Ion beam modeling can form a nanopore by shrinking a larger pore, such as through ion beam-induced lateral mass transfer on membrane surfaces, or by removing membrane material with an ion beam peeling layer by layer from the flat side of a membrane containing a cavity on opposite sides, so that when a cavity is eventually formed, the nanopore has sharp edges. When the ion beam is extinguished, then the ion current transmitted through the pore is suitable for the desired pore size. See, for example. 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 illumination in TEM. By using semiconductor processing methods, e-beam lithography, reactive ion etching of SiO2 pattern layers, and anisotropic KOH etching of Si, pyramidal pores of 20×20 nm or more are obtained in a 40 nm thick membrane. The electron beam in TEM is used to downsize larger 20 nm pores to a smaller size. TEM allows real-time observation of the size reduction process. Using a thinner membrane (eg, <10 nm thick), nanopores can be drilled with a high energy focused electron beam in TEM. See especially Storm AJ, et al. Fabrication of solid-state nanopores with single-nanometer 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 content of each of which is included in the present description by reference.
[066] В других вариантах осуществления нанопоры получают с использованием диэлектрического пробоя с использованием относительно высокого потенциала через мембрану, где потенциал возрастает до тех пор, пока не будет обнаружен ток, например, как описано в Kwok, et al., "Nanopore Fabrication by Controlled Dielectric Breakdown", PLOS ONE (2014) 9(3): e92880, содержание которой включено в настоящее описание в качестве ссылки.[066] In other embodiments, nanopores are produced using dielectric breakdown using a relatively high potential across the membrane, where the potential rises until a current is detected, e.g., 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.
[067] С использованием этих способов и в зависимости от конкретного используемого способа, и толщины и состава мембраны, конечная форма нанопоры в твердом материале, таком как нитрид кремния, может быть в общих чертах похожа на две воронки, вершины которых соприкасаются в самой узкой точке, т.е. истинную нанопору. Такая форма в виде двух конусов позволяет проводить полимер через нанопору и обратно. Для подтверждения и измерения размера, положения и конфигурации наномембран, отверстий или полостей FIB и конечных нанопор можно использовать способы визуализации, например, атомно-силовую микроскопию (AFM) или трансмиссионную электронную микроскопию (TEM), в частности TEM.[067] Using these methods, and depending on the particular method used, and the thickness and composition of the membrane, the final shape of a nanopore in a solid material such as silicon nitride can be broadly similar to two funnels whose tops touch at their narrowest point. , i.e. true nanopore. This shape in the form of two cones allows the polymer to pass through the nanopore and back. Imaging techniques such as atomic force microscopy (AFM) or transmission electron microscopy (TEM), in particular TEM, can be used to confirm and measure the size, position and configuration of nanomembranes, FIB holes or cavities and terminal nanopores.
[068] В некоторых вариантах осуществления один конец полимера, например ДНК, связан вблизи нанопоры или на внутренней стенке воронки, ведущей в нанопору. Если один конец полимера связан вблизи нанопоры, то, поскольку полимер первоначально приближается к нанопоре посредством диффузии, а затем движется под действием электрического градиента, обеспечиваемое градиентом движение максимизируется и диффузионное движение минимизируется, и, таким образом, скорость и эффективность повышается. См., например 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.[068] In some embodiments, the implementation of one end of the polymer, such as DNA, is connected near the nanopore or on the inner wall of the funnel leading into the nanopore. If one end of the polymer is bonded near the nanopore, as the polymer initially approaches the nanopore by diffusion and then moves under the action of an electrical gradient, the movement provided by the gradient is maximized and the diffusion movement is minimized, and thus the speed and efficiency are increased. See, for example, 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.
[069] В одном варианте осуществления один конец полимера, например ДНК, связан с гранулой, и полимер проходит через пору. Связывание с гранулой остановит движение полимера через нанопору на противоположном конце разделяющей мембраны в соседней камере. Затем ток выключается, и полимер, например ДНК, связывается с поверхностью рядом с нанопорой, в камере с другой стороны разделяющей мембраны. Например, в одном варианте осуществления один конец оцДНК ковалентно связан с гранулой размером 50 нм, а другой конец биотинилирован. Стрептавидин связан с областью в желаемой точке прикрепления в камере с другой стороны от разделяющей мембраны. ДНК втягивается через нанопору под действием электрического потенциала, и биотин связывается со стрептавидином. Связывание с гранулой и/или поверхностью рядом с нанопорой может осуществляться либо через ковалентные связи, либо через сильные нековалентные связи (такие как связь биотин-стрептавидин). Затем гранула отрезается ферментом и вымывается. В некоторых вариантах осуществления одноцепочечная ДНК расщепляется ферментом рестрикции, который расщепляет одноцепочечную ДНК, например, как описано в K. Nishigaki, Type II restriction endonuclease cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acid Res. (1985) 13(16): 5747-5760, включенной в качестве ссылки. В других вариантах осуществления предоставляется комплементарный олигонуклеотид для обеспечения двухцепочечного участка рестрикции, который затем может расщепляться соответствующим ферментом рестрикции.[069] In one embodiment, one end of the polymer, such as DNA, is linked to the bead and the polymer passes through the pore. Bead binding will stop the polymer from moving through the nanopore at the opposite end of the separating membrane in the adjacent chamber. The current is then turned off and the polymer, such as DNA, binds to the surface next to the nanopore, in a chamber on the other side of the separating membrane. For example, in one embodiment, one end of the ssDNA is covalently linked to a 50 nm bead and the other end is biotinylated. The streptavidin is bound to the region at the desired attachment point in the chamber on the other side of the separating membrane. DNA is pulled through the nanopore by an electrical potential, and biotin binds to streptavidin. Binding to the bead and/or surface adjacent to the nanopore can be either through covalent bonds or through strong non-covalent bonds (such as the biotin-streptavidin bond). The pellet is then cut off by the enzyme and washed out. In some embodiments, single-stranded DNA is cleaved with a restriction enzyme that cleaves single-stranded DNA, for example, as described in K. Nishigaki, Type II restriction endonuclease cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acid Res. (1985) 13(16): 5747-5760, incorporated by reference. In other embodiments, a complementary oligonucleotide is provided to provide a double-stranded restriction site, which can then be cleaved with the appropriate restriction enzyme.
[070] По мере того, как полимер проходит через нанопору, изменение электрического потенциала или тока через нанопору, вызванное частичной блокадой нанопоры по мере прохождения полимера, может быть определено и может использоваться для идентификации последовательности мономеров в полимере, поскольку различные мономеры могут различаться их размерами и электрстатическими потенциалами.[070] As the polymer passes through the nanopore, the change in electrical potential or current through the nanopore caused by the partial blockage of the nanopore as the polymer passes through can be determined and can be used to identify the sequence of monomers in the polymer, since different monomers can differ in their sizes. and electrostatic potentials.
[071] Использование наночипов, содержащих нанопоры, в способе изготовления ДНК, как описано в настоящем описании, не описано на уровне техники, однако такие чипы хорошо известны и коммерчески доступны для быстрого секвенирования ДНК. Например, MinION (Oxford Nanopore Technologies, Oxford, UK) является небольшим и может быть подключен к переносному компьютеру. Поскольку единственная цепь ДНК проходит через белковую нанопору со скоростью 30 оснований в секунду, MinION измеряет электрический ток. Цепи ДНК в поре нарушают ток ионов, что приводит к изменениям тока, соответствующим нуклеотидам в последовательности. Mikheyev, AS, et al. A first look at the Oxford Nanopore MinION sequencer, Mol. Ecol. Resour. (2014)14, 1097-1102. В то время как точность MinION является низкой, требуя повторного секвенирования, скорость и точность секвенирования с использованием наночипов по настоящему изобретению может быть значительно улучшена, если считываемая ДНК содержит только два легко различимых основания, например, A и C.[071] The use of nanochips containing nanopores in the DNA fabrication method as described herein is not described in the art, however, such chips are well known and commercially available for rapid DNA sequencing. For example, MinION (Oxford Nanopore Technologies, Oxford, UK) is small and can be connected to a laptop computer. Since a single strand of DNA passes through a protein nanopore at a rate of 30 bases per second, MinION measures the electrical current. The DNA strands in the pore disrupt the ion current, resulting in current changes corresponding to the nucleotides in the sequence. Mikheyev, AS, et al. A first look at the Oxford Nanopore MinION sequencer, Mol. ecol. resource. (2014)14, 1097-1102. While the accuracy of MinION is low, requiring repeated sequencing, the speed and accuracy of sequencing using the nanoarrays of the present invention can be greatly improved if the read DNA contains only two readily distinguishable bases, e.g., A and C.
[072] В некоторых вариантах осуществления мембрана, содержащая нанопоры, может иметь трехслойную конфигурацию с металлической поверхностью на каждой стороне, изолирующей материал сердцевины, например, мембрану из нитрида кремния. В этом варианте осуществления металлические поверхности сформированы, например, способами литографии, для обеспечения микроконтура с парными электродами, по одному на каждом конце нанопоры, например, так чтобы между электродами мог быть обеспечен электрический ток через нанопору в электролитной среде, и этот ток мог проводить полимер через нанопору, а при изменении полярности мог проводить его обратно. По мере прохождения полимера через нанопору электроды могут измерять изменение электрического потенциала через нанопору, идентифицируя последовательность мономеров в полимере.[072] In some embodiments, the nanopore-containing membrane may have a three-layer configuration with a metal surface on each side insulating the core material, such as a silicon nitride membrane. In this embodiment, the metal surfaces are formed, for example, by lithography techniques, to provide a microloop with paired electrodes, one at each end of the nanopore, for example, so that an electrical current can be provided between the electrodes through the nanopore in the electrolyte environment, and this current can be conducted by the polymer. through a nanopore, and when the polarity changed, it could conduct it back. As the polymer passes through the nanopore, the electrodes can measure the change in electrical potential through the nanopore, identifying the sequence of monomers in the polymer.
[073] В некоторых вариантах осуществления последовательность полимер организована для хранения данных. В некоторых вариантах осуществления данные хранятся в двоичном коде (1-ы и 0-и). В некоторых вариантах осуществления каждое основание соответствует 1 или 0. В других вариантах осуществления легко распознаваемая последовательность из двух или более оснований соответствует 1, а другая легко распознаваемая последовательность из двух или более оснований соответствует 0. В других вариантах осуществления данные могут храниться в третичном, четвертичном или другом коде. В конкретном варианте осуществления полимер представляет собой ДНК, например, одноцепочечную ДНК, где ДНК содержит только два типа оснований и не содержит никакие основания, способные к самогибридизации, например, где ДНК содержит остатки аденина и гуанина, аденина и цитозина, тимидина и гуанина, или тимидина и цитозина. В некоторых вариантах осуществления между двумя основаниями может быть вставлено одно или более дополнительных оснований, например, A и C могут содержать T в качестве "знака препинания" в последовательности, например, указывающего разрыв в кодирующей последовательности, с частотой, которая не приводит к значительной самогибридизации. В других вариантах осуществления, например, когда нуклеиновая кислота является двухцепочечной, можно использовать некоторые или все доступные основания.[073] In some embodiments, a polymer sequence is organized to store data. In some embodiments, data is stored in binary (1s and 0s). In some embodiments, each base corresponds to 1 or 0. In other embodiments, an easily recognizable sequence of two or more bases corresponds to a 1, and another easily recognizable sequence of two or more bases corresponds to a 0. In other embodiments, the data may be stored in a tertiary, quaternary or other code. In a specific embodiment, the polymer is DNA, e.g., single-stranded DNA, where the DNA contains only two types of bases and does not contain any self-hybridizing bases, e.g., where the DNA contains residues of adenine and guanine, adenine and cytosine, thymidine and guanine, or thymidine and cytosine. In some embodiments, one or more additional bases may be inserted between two bases, e.g., A and C may contain T as a "punctuation mark" in the sequence, e.g., indicating a break in the coding sequence, at a frequency that does not result in significant self-hybridization . In other embodiments, for example when the nucleic acid is double stranded, some or all of the available bases may be used.
[074] Нуклеотидные основания могут быть природными или в некоторых вариантах осуществления могут состоять из или включать неприродные основания, например, как описано в Malyshev, D. et al. "A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet", Nature (2014) 509: 385-388, включенной в настоящее описание в качестве ссылки.[074] Nucleotide bases may be natural or, in some embodiments, may consist of or include non-natural bases, for example, as described in Malyshev, D. et al. "A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet", Nature (2014) 509: 385-388, incorporated herein by reference.
[075] В одном варианте осуществления данные хранят путем добавления единичных мономеров, например, единичных нуклеотидов в случае ДНК, к полимеру. В одном варианте осуществления полимер представляет собой ДНК и мономеры представляют собой остатки аденина (A) и цитозина (C). Остатки A и C имеют преимущество, поскольку (i) A и C имеют большее различие в размере, таким образом их различение в нанопоре должно упрощаться, (ii) A и C не образуют пары друг с другом, так что не формируют выраженную вторичную структуру, которая могла бы осложнить интерпретацию сигнала из нанопоры, и (iii) по той же причине G является менее предпочтительным, поскольку известно, что он образует гуаниновые тетрады. Нуклеотиды добавляются концевой трансферазой (или полинуклеотидфосфорилазой), однако нуклеотиды являются 3'-блокированными, так что за один раз добавляется только один нуклеотид. Блок удаляется перед присоединением следующего нуклеотида.[075] In one embodiment, data is stored by adding single monomers, such as single nucleotides in the case of DNA, to the polymer. In one embodiment, the polymer is DNA and the monomers are adenine (A) and cytosine (C) residues. Residues A and C are advantageous because (i) A and C have a larger difference in size, so their differentiation in the nanopore should be easier, (ii) A and C do not pair with each other, so they do not form a pronounced secondary structure, which could complicate the interpretation of the signal from the nanopore, and (iii) for the same reason, G is less preferred, since it is known to form guanine tetrads. Nucleotides are added by an end transferase (or polynucleotide phosphorylase), however the nucleotides are 3'-locked so that only one nucleotide is added at a time. The block is removed before the next nucleotide is added.
[076] В некоторых вариантах осуществления ДНК остается в наночипе. В других вариантах осуществления она извлекается и необязательно конвертируется в двухцепочечную ДНК и/или необязательно конвертируется в кристаллическую форму, например, для повышения долговременной стабильности. В других вариантах осуществления ДНК может амплифицироваться, и амплифицированная ДНК может извлекаться для долговременного хранения, в то время как исходная ДНК-матрица, например, ДНК связанная со стенкой камеры в наночипе, может оставаться в наночипе, где она может считываться и/или использоваться в качестве матрицы для создания дополнительной ДНК.[076] In some embodiments, the implementation of the DNA remains in the nanochip. In other embodiments, it is extracted and optionally converted to double-stranded DNA and/or optionally converted to crystalline form, for example, to improve long-term stability. In other embodiments, the DNA can be amplified and the amplified DNA can be retrieved for long-term storage while the original DNA template, e.g. DNA bound to the chamber wall in the nanochip, can remain in the nanochip where it can be read and/or used in as a template for making additional DNA.
[077] В некоторых вариантах осуществления ДНК или другой полимер заякоривается на поверхности вблизи нанопоры в ходе синтеза. Например, в одном варианте осуществления каждая одноцепочечная молекула ДНК связана на 5'-конце с поверхностью вблизи нанопоры, где электрический ток в каждой нанопоре независимо может регулироваться электродами у этой нанопоры, так что 3'-конец молекулы ДНК может втягиваться через нанопору из удерживающей камеры в проточную камеру, содержащую поток 3'-защищенных dNTP вместе с полимеразой или концевой трансферазой для присоединения 3'-защищенных dNTP, или удерживаться в удерживающей камере, где нанопора не пропускает фермент, так что dNTP не присоединяется. См., например, изображения на фиг.12-16 и также на фиг.18 и 19. В других вариантах осуществления одноцепочечную ДНК конструируют присоединение к 5'-концу (с присоединенным 3'-концом) с использованием топоизомеразы, как более подробно описано ниже. Посредством контроля того, участвует ли каждая молекула ДНК в каждом цикле, последовательность каждой молекулы ДНК можно точно контролировать, например, следующим образом:[077] In some embodiments, the DNA or other polymer is anchored to the surface near the nanopore during synthesis. For example, in one embodiment, each single-stranded DNA molecule is connected at the 5' end to a surface near a nanopore, where the electrical current in each nanopore can be independently controlled by electrodes at that nanopore, so that the 3' end of the DNA molecule can be drawn through the nanopore from the holding chamber. into a flow chamber containing a stream of 3'-protected dNTPs along with a polymerase or terminal transferase to attach the 3'-protected dNTPs, or be held in a retention chamber where the nanopore does not allow the enzyme to pass through so that the dNTPs do not attach. See, for example, the images in Figs. 12-16 and also in Figs. 18 and 19. In other embodiments, the implementation of single-stranded DNA is designed to join at the 5' end (with the attached 3' end) using 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:
Поток A=3'-защищенный dATPStream A=3'-protected dATP
Поток C=3'-защищенный dCTPStream C=3'-protected dCTP
Нанопора 1 и нанопора 2 на этой схеме ассоциированы с различными цепями ДНК, положения которых (в или вне проточных камер) контролируются по отдельности. Защитную группу из ДНК можно удалять либо посредством специфического фермента в удерживающей камере или путем изменения потока в проточной камере для обеспечения удаления защитной группы ферментативными, химическими, катализируемыми светами или другими средствами. В одном варианте осуществления поток деблокирующего агента(ов) между циклами потока A и потока C, например, когда проточную камеру промывают буфером, так что деблокирующий агент не удаляет защитную группу из нуклеотидных строительных блоков. В других вариантах осуществления агент(ы) удаления защитной группы является слишком объемным для прохождения в проточную камеру через нанопоры.
[078] Конечным результатом в вышеуказанном примере является присоединение A и C к ДНК в нанопоре 1, и присоединение C и C к ДНК в нанопоре 2.[078] The end result in the above example is the attachment of A and C to DNA at
[079] В другом варианте осуществления конфигурация камеры является сходной, но с двухцепочечной ДНК, заякоренной на поверхности вблизи нанопоры и каждый из олигонуклеотидных фрагментов, например, двух или более типов, соответствующих двоичному коду, добавляется последовательно, например, с использованием сайт-специфических рекомбиназ, т.е. ферментов, которые самопроизвольно распознают и расщепляют по меньшей мере одну цепь двойной цепи нуклеиновых кислот с сегментом последовательности, известным как последовательность сайт-специфической рекомбинации, например, с использованием нагруженных топоизомеразой олигонуклеотидов, как описано ниже.[079] In another embodiment, the chamber configuration is similar, but with double-stranded DNA anchored to the surface near the nanopore and each of the oligonucleotide fragments, e.g., two or more types corresponding to the binary code, is added sequentially, e.g., using site-specific recombinases , i.e. enzymes that spontaneously recognize and cleave at least one strand of a double strand of nucleic acids with a sequence segment known as a site-specific recombination sequence, for example using topoisomerase-loaded oligonucleotides as described below.
[080] В определенных вариантах осуществления может быть желательным сохранение электрически заряженного полимера, например ДНК, в конденсированном состоянии после синтеза. Для этого несколько причин:[080] In certain embodiments, it may be desirable to keep an electrically charged polymer, such as DNA, in a condensed state after synthesis. There are several reasons for this:
- полимер должен быть более стабильным в этой форме,- the polymer should be more stable in this form,
- конденсация полимера не допустит скучивание и позволит использование более длинных полимеров в малых объемах,- polymer condensation will prevent clumping and allow the use of longer polymers in small volumes,
- упорядоченная конденсация может уменьшить возможность того, что полимер образует узлы или клубки,- ordered condensation can reduce the possibility that the polymer forms knots or coils,
- если какие-либо из камер взаимосоиденены, это поможет предотвратить чрезмерное удлинение полимера и прохождение его в пору, отличную от предполагаемой, когда применяют электрической ток,- if any of the chambers are interconnected, this will help prevent the polymer from over-elongating and passing into a pore other than intended when an electric current is applied,
- конденсация поможет удержать полимер вдали электродов, где электрохимия может повредить полимер.- condensation will help keep the polymer away from the electrodes where electrochemistry can damage the polymer.
Клетка человека имеет размер приблизительно 10 микрометров, но содержит 8 миллиардов пар оснований ДНК. В вытянутом состоянии они растянутся на метр. ДНК вмещается в клетку, поскольку она обвита вокруг гистонных белков. В определенных вариантах осуществления гистоны или сходные белки обеспечивают сходную функцию в наночипах по изобретению. В некоторых вариантах осуществления внутренние поверхности наночипов являются слабоположительно заряженными, так что электрически заряженный полимер, например ДНК, имеет тенденцию слабо прикрепляться к ним.A human cell is approximately 10 micrometers in size but contains 8 billion base pairs of DNA. In the extended state, they will stretch to a meter. DNA fits into the cell because it is wrapped around histone proteins. In certain embodiments, histones or similar proteins provide a similar function in the nanoarrays of the invention. In some embodiments, the internal surfaces of the nanochips are weakly positively charged, such that an electrically charged polymer, such as DNA, tends to be weakly attached to them.
[081] В определенных вариантах осуществления заряженный полимер, например, одноцепочечная или двухцепочечная ДНК, связан с поверхностью вблизи нанопоры. Это можно осуществлять различными способами. Как правило, полимер локализуют вблизи нанопоры путем связывания полимера с относительно объемной структурой (например, гранулой, белком или структурой ДНК-оригами (описанной ниже), имеющей диаметр, слишком большой для вхождения в нанопору, например, >10 нм, например, приблизительно 20-50 нм), втягивания заряженного полимера через нанопору с использованием электрического тока, заякоривания конца полимера, дистального относительно объемной структуры, на поверхности рядом с нанопорой и отщепления объемной структуры.[081] In certain embodiments, a charged polymer, such as single-stranded or double-stranded DNA, is bound to a surface near the nanopore. This can be done in various ways. Typically, the polymer is localized near the nanopore by associating the polymer with a relatively bulky structure (e.g., bead, protein, or DNA origami structure (described below) having a diameter too large to fit into the nanopore, e.g., >10 nm, e.g., about 20 -50 nm), drawing the charged polymer through the nanopore using an electric current, anchoring the end of the polymer, distal to the bulk structure, on the surface next to the nanopore, and splitting off the bulk structure.
[082] Стадию заякоривания конца полимера, дистального для объемной структуры, на поверхности, соседней с нанопорой, можно проводить различными путями. В одном варианте осуществления полимер представляет собой одноцепочечную ДНК и существуют предварительно связанные цепи ДНК (приблизительно 50 п.н.), которые комплементарны части одноцепочечной ДНК, так что одноцепочечная ДНК и предварительно связанные цепи ДНК могут объединяться посредством спаривания оснований. Если спаривание является достаточно сильным, этого будет достаточно для удержания ДНК заякоренной даже в ходе манипулирования. Преимущество этого способа присоединения состоит в том, что позволяет удаление ДНК из чипа с нанопорами при желании для длительного хранения ДНК. Альтернативно цепь связывают с поверхностью ковалентно, либо с использованием химии конъюгации, например, конъюгации стрептавидин-биотин, как описано в примере 1 ниже, либо клик-химии (см. Kolb, et al. Angew. Chem. Int. Ed. (2001)40: 2004-2021, включенную в настоящее описание в качестве ссылки) и/либо с использованием ферментативного присоединения, например, путем предварительного ковалентно связывания олигонуклеотидов с дистальной поверхностью, а затем с использованием ДНК-лигаза для их соединения.[082] The step of anchoring the end of the polymer distal to the bulk structure at the surface adjacent to the nanopore can be carried out in various ways. In one embodiment, the polymer is single-stranded DNA and there are pre-linked DNA strands (approximately 50 bp) that are complementary to parts of the single-stranded DNA such that the single-stranded DNA and the pre-linked DNA strands can come together via base pairing. If the mating is strong enough, it will be enough to keep the DNA anchored even during manipulation. The advantage of this attachment method is that it allows removal of DNA from the nanopore chip if desired for long-term DNA storage. Alternatively, the chain is attached to the surface covalently, either using conjugation chemistry, e.g., streptavidin-biotin conjugation as described in Example 1 below, or click chemistry (see Kolb, et al. Angew. Chem. Int. Ed. (2001) 40: 2004-2021, incorporated herein by reference) and/or using enzymatic attachment, for example by first covalently linking oligonucleotides to the distal surface and then using DNA ligase to join them.
[083] После связывания дистального конца цепи с поверхностью рядом с нанопорой объемная структура отщепляется, например, с использованием эндонуклеазы рестрикции, которая расщепляет в участке рестрикции вблизи объемной структуры.[083] After binding the distal end of the chain to the surface near the nanopore, the bulk structure is cleaved, for example, using a restriction endonuclease that cleaves at the restriction site near the bulk structure.
[084] Объемная структура может представлять собой гранулу, объемную молекулу, например, белок, который обратимо связывается с цепью ДНК, или структуру ДНК-оригами. ДНК-оригами вовлекает применение спаривания оснований для формирования трехмерных ДНК-структур. Технологии ДНК-оригами в общих чертах описаны в Bell, et al, Nano Lett. (2012)12: 512-517, включенной в настоящее описание в качестве ссылки. Например, в рамках настоящего изобретения ДНК-оригами можно использовать для связывания одной молекулы ДНК с поверхностью рядом с нанопорой. В одном варианте осуществления эта структура представляет собой "блок в виде соты", например, с размером каждой стороны приблизительно 20 нм. Это частично препятствует прохождению этой части ДНК через нанопору (подобно тому, как в указанной статье). Со структурой оригами связана длинная цепь ДНК (одноцепочечная или двухцепочечная). Цепь ДНК проходит через нанопору до тех пор, пока блок оригами не натолкнется на нанопору и не заблокируют дальнейший прогресс. Затем электрический ток выключается и цепь связывается с поверхностью рядом с нанопорой.[084] The bulk structure can be a granule, a bulky molecule, such as a protein that reversibly binds to a DNA strand, or a DNA origami structure. DNA origami involves the use of base pairing to form three-dimensional DNA structures. DNA origami techniques are generally described in Bell, et al, Nano Lett. (2012)12: 512-517, incorporated herein by reference. For example, within the scope of the present invention, DNA origami can be used to bind a single DNA molecule to a surface adjacent to a nanopore. In one embodiment, this structure is a "honeycomb block", for example, with each side measuring approximately 20 nm. This partially prevents the passage of this part of the DNA through the nanopore (similar to that in the mentioned article). A long DNA chain (single-stranded or double-stranded) is associated with the origami structure. The DNA strand travels through the nanopore until the origami block hits the nanopore and blocks further progress. Then the electric current is turned off and the circuit is connected to the surface next to the nanopore.
[085] В другом варианте осуществления электрически заряженный полимер, например ДНК, со структурой оригами находится в средней камере трехкамерной конфигурации. Оригами удерживает ДНК от вхождения целиком в другие 2 камеры (или в другую камеру в случае 2-камерного примера). Таким образом, в этом примере полимер не должен быть заякорен на поверхности. Это снижает риск запутывания полимера и устраняет необходимость в стадии связывания одного конца полимера с поверхностью и отщепления объемной части на другом конце. Объем камеры с оригами должен быть минимальным, чтобы быть практичным, так чтобы полимер оставался относительно вблизи поры, что поможет обеспечить его быстрое перемещение при применении электрического тока. Следует отметить, что в то время как средняя камера, содержащая оригами-часть полимера, не может быть соединена с другими средними камерами (или иначе различные полимеры смешаются), другие камеры (или группы камер в примере с 3 камерами) могут быть соединены. Эти другие камеры могут иметь больший объем при желании, поскольку полимер обязательно будет находиться вблизи поры (в действительности, часть его будет находиться в поре), когда ДНК перемещается в эту камеру.[085] In another embodiment, an electrically charged polymer, such as DNA, with an origami structure is in the middle chamber of a three-chamber configuration. Origami keeps the DNA from entering the other 2 chambers entirely (or the other chamber in the case of the 2 chamber example). Thus, in this example, the polymer should not be anchored to the surface. This reduces the risk of polymer entanglement and eliminates the need for the step of bonding one end of the polymer to the surface and cleaving off the bulk portion at the other end. The volume of the origami chamber should be as small as possible to be practical, so that the polymer remains relatively close to the pore, which will help ensure that it moves quickly when the electric current is applied. It should be noted that while the middle chamber containing the origami part of the polymer cannot be connected to other middle chambers (or otherwise different polymers will mix), other chambers (or groups of chambers in the 3 chamber example) can be connected. These other chambers may be larger if desired, since the polymer will necessarily be near the pore (actually, some of it will be in the pore) when the DNA moves into this chamber.
[086] В некоторых вариантах осуществления устройство содержит три камеры в линии, где камеры для присоединения являются последовательными, чтобы позволить поток и имеют общие электроды, в то время как камеры "для удаления защитной группы" являются изолированными в отношении жидкостей, за исключением потока через нанопору и имеют уникальные электроды.[086] In some embodiments, the apparatus comprises three chambers in line, where the attachment chambers are in series to allow flow and have common electrodes, while the "deprotection" chambers are liquid-sealed except for flow through nanopore and have unique electrodes.
[087] В других вариантах осуществления ДНК или другой заряженный полимер не являются заякоренными, но могут перемещаться между камерой(ами) для синтеза и камерой(ами) для удаления защитной группы под контролем электродов в камерах, в то время как движение полимеразы и агентов, удаляющие защитную группу, между камерами ограничено, поскольку они являются слишком объемными, чтобы проходить через нанопоры, соединяющие камеры, и/или заякорены на поверхности камеры. См., например, фиг.1-9 и 16-17.[087] In other embodiments, the DNA or other charged polymer is not anchored, but can move between the synthesis chamber(s) and the deprotection chamber(s) under the control of the electrodes in the chambers, while the movement of the polymerase and agents deprotecting groups between chambers is limited because they are too bulky to pass through the nanopores connecting the chambers and/or are anchored to the surface of the chamber. See, for example, figures 1-9 and 16-17.
[088] Электрический ток, требуемый для перемещения заряженного полимера через нанопору, зависит, например, от природы полимера, размера нанопоры, материала мембраны, содержащей нанопору, и концентрации соли и, таким образом, при необходимости он оптимизируется для конкретной системы. В случае ДНК, как используют в примерах настоящего описания, примерами напряжения и электрического тока являются, например, 50-500 мВ, как правило, 100-200 мВ, и 1-10 нА, например, приблизительно 4 нА, с концентрациями соли порядка от 100 мМ до 1 M.[088] The electric current required to move a charged polymer through a nanopore depends on, for example, the nature of the polymer, the size of the nanopore, the material of the membrane containing the nanopore, and the salt concentration, and thus, if necessary, it is optimized for a particular system. In the case of DNA, as used in the examples herein, examples of voltage and current are, for example, 50-500 mV, typically 100-200 mV, and 1-10 nA, such as about 4 nA, with salt concentrations on the order of 100 mM to 1 M.
[089] Движение заряженного полимера, например ДНК, через нанопору обычно является очень быстрым, например, от 1 до 5 мкс на основание, таким образом, порядка миллиона оснований в секунду (1 МГц согласно номенклатуре частоты), что затрудняет отличение правильного считывания от помех в системе. С использованием способов по настоящему изобретению, либо (i) нуклеотид должен быть повторен последовательно, например, последовательно 100 раз, для обеспечения поддающегося измерению характерного изменения, либо (ii) должны использоваться белковые поры, такие как на основе альфа-гемолизина (αHL) или порина A Mycobacterium smegmatis (MspA), которые обеспечивают относительно длинную пору с возможностью множественного считывания по мере продвижения основания через полимер, и в некоторых случаях, они могут быть адаптированы для обеспечения контролируемой подачи ДНК через пору по одному основанию за раз, в некоторых случаях с использованием экзонуклеазы для расщепления каждого основания по мере его прохождения. Возможны различные подходы, например,[089] The movement of a charged polymer, such as DNA, through a nanopore is typically very fast, such as 1 to 5 µs per base, thus on the order of a million bases per second (1 MHz according to the frequency nomenclature), making it difficult to distinguish a correct read from interference in system. Using the methods of the present invention, either (i) the nucleotide must be repeated sequentially, e.g., 100 consecutive times, to provide a measurable signature change, or (ii) protein pores such as alpha-hemolysin (αHL) based, or porin A Mycobacterium smegmatis (MspA) that provide a relatively long pore with the ability to multiple read as the base moves through the polymer, and in some cases, they can be adapted to provide controlled feeding of DNA through the pore one base at a time, in some cases with using an exonuclease to cleave each base as it passes through. Various approaches are possible, for example,
- замедление скорости полимера от приблизительно 1 МГц до приблизительно 100-200 Гц, например с использованием среды, содержащей электрореологическую жидкость, которая становится более вязкой при применении напряжения, тем самым замедляя скорость прохождения полимера через нанопору, или плазмонную жидкостную систему, где вязкость среды может контролироваться светом; или молекулярный двигатель или защелку;- slowing down the polymer velocity from about 1 MHz to about 100-200 Hz, for example using a medium containing an electrorheological fluid that becomes more viscous when voltage is applied, thereby slowing down the rate of passage of the polymer through a nanopore, or plasmonic fluid system, where the viscosity of the medium can controlled by light; or molecular motor or latch;
- предоставление последовательности в полимере, например, в одноцепочечной ДНК, которая образует объемную вторичную структуру, например, конфигурацию "шпильки", "головки молотка" или "гантели", которая должна линеаризоваться для прохождения через нанопору, таким образом, делая информацию менее плотной и предоставляя сигнал, имеющий более высокую длительность;- providing a sequence in a polymer, e.g., in single-stranded DNA, that forms a bulky secondary structure, e.g., a "hairpin", "hammerhead" or "dumbbell" configuration, which must be linearized to pass through the nanopore, thus making the information less dense and providing a signal having a higher duration;
- обеспечения множества считываний одной и той же последовательности, например, с использованием быстро меняющегося тока, позволяя множество считываний для одной рамки последовательности, и в комбинации с кратковременными импульсами прямого тока для втягивания молекулы до следующей рамки последовательности, путем считывания всей последовательности множество раз или путем считывания множества идентичных последовательностей параллельно, в каждом случае сопоставляя данные считывания для предоставления консенсусной считанной последовательности, которая усиливает сигнал;- providing multiple reads of the same sequence, e.g. using a rapidly changing current, allowing multiple readings for one loop of the sequence, and in combination with short forward current pulses to pull the molecule up to the next loop of the sequence, by reading the entire sequence multiple times or by reading a plurality of identical sequences in parallel, in each case correlating the read data to provide a consensus read sequence that amplifies the signal;
- измерение изменения импеданса высокочастотного сигнала, индуцированного изменением емкости по мере прохождения мономеров (например, нуклеотидов) через нанопору, вместо измерения изменений непосредственно электрического тока или сопротивления;- measuring the change in the impedance of the high frequency signal induced by the change in capacitance as the monomers (eg nucleotides) pass through the nanopore, instead of measuring changes directly in electric current or resistance;
- усиление различий в токе, сопротивлении или емкости между различными основаниями, например, с использованием неприродных оснований, которые имеют большее отличие размера или в ином случае модифицировано для генерирования различных сигналов, или путем формирования более крупных вторичных структур в ДНК, таких как конфигурация "шпильки", "головки молотка" или "гантели", которые обеспечивают усиленный сигнал вследствие их большего размера;- amplifying differences in current, resistance, or capacitance between different bases, for example, by using non-natural bases that have a larger size difference or otherwise modified to generate different signals, or by forming larger secondary structures in DNA, such as the "hairpin" configuration ", "hammer heads" or "dumbbells", which provide an enhanced signal due to their larger size;
- использование оптической считывающей системы, например с использованием встроенной оптической антенны рядом с нанопорой, которая действует в качестве оптического преобразователя (или оптического усилителя сигнала), дополняя или заменяя стандартное измерение тока ионов, например, как описано в Nam, et al., "Graphene Nanopore with a Self-Integrated Optical Antenna", Nano Lett. (2014)14: 5584-5589, содержание которой включено в настоящее описание в качестве ссылки. В некоторых вариантах осуществления мономеры, например, нуклеотиды ДНК, являются меченными флуоресцентными красителями, так что каждый отдельный мономер флуоресцирует с определенной интенсивностью по мере прохождения через место соединения нанопоры и ее оптической антенны. В некоторых вариантах осуществления флуоресцентные метки счищаются с твердофазной нанопоры, что приводит к серии поддающихся детектированию фотонных импульсов по мере прохождения полимера через нанопору с высокой скоростью, например, как описано в McNally et al., "Optical recognition of converted DNA nucleotides for single molecule DNA sequencing using nanopore arrays", Nano Lett. (2010)10(6): 2237-2244, и Meller A., "Towards Optical DNA Sequencing Using Nanopore Arrays", J Biomol Tech. (2011) 22(Suppl): S8-S9, содержание каждой из которых включено в настоящее описание в качестве ссылки.- use of an optical readout system, for example using an integrated optical antenna next to the nanopore, which acts as an optical converter (or optical signal amplifier), supplementing or replacing the standard ion current measurement, for example, as 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, the monomers, such as DNA nucleotides, are labeled with fluorescent dyes such that each individual monomer fluoresces at a specific intensity as it passes through the junction of the nanopore and its optical antenna. In some embodiments, fluorescent labels are stripped off the solid phase nanopore, resulting in a series of detectable photon pulses as the polymer passes through the nanopore at high speed, for example, as described 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.
[090] В одном варианте осуществления, заряженный полимер представляет собой нуклеиновую кислоту, например, одноцепочечную ДНК, где последовательности обеспечивают вторичную структуру. В Bell, et al., Nat Nanotechnol.(2016)11(7):645-51, включенной в настоящее описание в качестве ссылки, описано использование относительно короткой последовательности конфигураций гантели, поддающихся детектированию в формате твердофазной нанопоры, для мечения антигенов в иммуноанализе. Нанопоры, использованные Bell, et al., были относительно крупными, так что вся структура гантели могла проходить через пору, но при использовании нанопор, меньших чем диаметр конфигурации гантели, ДНК "распаковывается" и становится линеаризованной. Можно использовать более сложные конфигурации, например, где каждый бит соответствует последовательности, сходной с тРНК (см., например, Henley, et al. Nano Lett. (2016)16: 138-144, включенную в настоящее описание в качестве ссылки). Таким образом изобретение относится к заряженным полимерам, например, одноцепочечной ДНК, имеющим по меньшей мере два типа вторичной структуры, где вторичная структура кодирует данные (например, двоичные данные, где один тип вторичной структуры представляет собой 1, а второй 0). В других вариантах осуществления вторичные структуры используются для замедления прохождения ДНК через нанопору или для внесения разрывов в последовательность, облегчая считывание последовательности.[090] In one embodiment, the charged polymer is a nucleic acid, such as single stranded DNA, where the sequences provide the secondary structure. Bell, et al., Nat Nanotechnol.(2016)11(7):645-51, incorporated herein by reference, describes the use of a relatively short sequence of dumbbell configurations detectable in a solid-phase nanopore format to label antigens in an immunoassay. . The nanopores used by Bell, et al. were relatively large so that the entire dumbbell structure could pass through the pore, but when using nanopores smaller than the diameter of the dumbbell configuration, the DNA "unpacks" and becomes linearized. You can use more complex configurations, for example, where each bit corresponds to a sequence similar to tRNA (see, for example, Henley, et al. Nano Lett. (2016)16: 138-144, incorporated herein by reference). Thus, the invention relates to charged polymers, eg single stranded DNA, having at least two types of secondary structure, where the secondary structure encodes data (eg, binary data, where one type of secondary structure is 1 and the second 0). In other embodiments, secondary structures are used to slow down the passage of DNA through a nanopore or to introduce breaks in the sequence, making it easier to read the sequence.
[091] В другом варианте осуществления в рамках изобретения используется молекула ДНК, содержащая серию по меньшей мере из двух различных мотивов ДНК, где каждый мотив специфически связывается с конкретным лигандом, например, регулирующим ген белком для двухцепочечной ДНК или тРНК для одноцепочечной ДНК, где по меньшей мере два различных мотива ДНК кодируют информацию, например, в двоичном коде, где один мотив представляет собой 1 и второй представляет собой 0, например, где лиганд усиливает различие сигнала (например, изменение тока или емкости) через нанопору по мере прохождения ДНК через нанопору.[091] In another embodiment, the invention uses a DNA molecule containing a series of at least two different DNA motifs, where each motif specifically binds to a specific ligand, for example, a gene regulatory protein for double-stranded DNA or tRNA for single-stranded DNA, where at least two different DNA motifs encode information, e.g., in binary, where one motif is a 1 and the second is a 0, e.g., where the ligand amplifies a signal difference (e.g., change in current or capacitance) through the nanopore as the DNA passes through the nanopore .
[092] Как описано выше, когда различные мономеры проходят через нанопору, они влияют на ток через нанопору, в основном посредством физического блокирования нанопоры и изменения проводимости через нанопору. В существующих системах нанопор это изменение тока измеряют прямо. Проблема современных считывающих систем состоит в том, что в системе существует значительный шум и в случае ДНК, например, при определении флуктуаций тока по мере прохождении различных нуклеотидных элементов через нанопору, требуется относительно длительное время интеграции, порядка одной сотой секунды, для точного детектирования различий между различными мономерами, например, между различными основаниями. Недавно бело показано, что изменения импеданса и емкости могут быть пригодными для исследования клеток и биологических систем, несмотря на возможность сложных взаимодействий с солями и биологическими молекулами. Например, Laborde, et al. Nat Nano. (2015)10(9):791-5 (включена в настоящее описание в качестве ссылки) демонстрируют, что высокочастотную импедансную спектроскопию можно использовать для детектирования небольших изменений емкости в физиологических условиях солей и для визуализирующих микрочастиц и живых клеток за границами предела Дебая.[092] As described above, when various monomers pass through the nanopore, they affect the current through the nanopore, mainly by physically blocking the nanopore and changing the conductivity through the nanopore. In existing nanopore systems, this change in current is measured directly. The problem of modern reading systems is that there is significant noise in the system and in the case of DNA, for example, when determining current fluctuations as various nucleotide elements pass through a nanopore, a relatively long integration time, on the order of one hundredth of a second, is required to accurately detect differences between different monomers, for example between different bases. It has recently been shown that changes in impedance and capacitance can be useful for studying cells and biological systems, despite the possibility of complex interactions with salts and biological molecules. 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 conditions of salts and for imaging microparticles and living cells beyond the Debye limit.
[093] В одном варианте осуществления изобретения, таким образом, проводят измерение изменения емкости, а не измерение изменения непосредственно тока, например, где последовательность заряженного полимера идентифицируют путем измерения изменения фазы радиочастотного сигнала, индуцированного изменением емкости по мере прохождения мономеров (например, нуклеотидов) через нанопору.[093] In one embodiment of the invention, therefore, a change in capacitance is measured, rather than a change in direct current, for example, where the sequence of a charged polymer is identified by measuring the change in phase of the RF signal induced by a change in capacitance as monomers (e.g., nucleotides) pass through through the nanopore.
[094] Проще говоря, емкость существует в любом контуре, где присутствует щель между одним электрическим проводником и другим. В то время как ток прямо изменяется в зависимости от изменения емкости, он не изменяется одновременно с емкостью. Например, если нанести на график ток и напряжение с течением времени в емкостную цепь с переменным электрическим током, можно видеть, что, хотя как ток, так и напряжение образуют синусоидальную волну, волны находятся не в фазе. Когда происходит изменение тока, происходит изменение емкости, которое отражается изменением фазы сигнала. Радиочастотный переменный ток обеспечивает сигнал с фиксированной частотой и амплитудой, в то время как фаза сигнала варьируется в зависимости от емкости контура. В системе, разработанной авторами изобретения, они используют пульсирующий прямой ток вместо переменного тока (т.е. напряжение изменяется между двумя величинами, однако напряжение не пересекает линию "нуля", так что полярность сохраняется и один электрод остается положительным, а другой отрицательным), так что заряженный полимер может быть втянут через нанопору (в направлении положительного электрода в случае ДНК). Когда в нанопоре ничего нет, емкость имеет одну величину, которая изменяется по мере прохождения различных мономеров полимера через нанопору. Подходящие диапазоны частоты находятся в радиочастотном диапазоне, например от 1 МГц до 1 ГГц, например 50-200 МГц, например приблизительно 100 МГц, например ниже более высоких микроволновых частот, которые могут вызывать значительное диэлектрическое нагревание среды. Для уменьшения возможности интерференции можно использовать различные частоты для различных нанопор, так что можно проводить измерение множества нанопор одновременно с одной радиочастотной входной линией.[094] Simply put, capacitance exists in any circuit where there is a gap between one electrical conductor and another. While the current directly changes with the change in capacitance, it does not change simultaneously with the capacitance. For example, if you plot current and voltage over time in a capacitive AC circuit, you can see that although both current and voltage form a sine wave, the waves are out of phase. When there is a change in current, there is a change in capacitance, which is reflected by a change in the phase of the signal. RF AC provides a signal with a fixed frequency and amplitude, while the phase of the signal varies depending on the capacitance of the loop. In the system developed by the inventors, they use a pulsating direct current instead of alternating current (i.e. the voltage varies between two values, however the voltage does not cross the "zero" line, so that the polarity is maintained and one electrode remains positive and the other negative), so that the charged polymer can be drawn in through the nanopore (toward the positive electrode in the case of DNA). When there is nothing in the nanopore, the capacitance has a single value that changes as different polymer monomers pass through the nanopore. Suitable frequency ranges are in the radio frequency range, eg 1 MHz to 1 GHz, eg 50-200 MHz, eg approximately 100 MHz, eg below higher microwave frequencies which can cause significant dielectric heating of the medium. To reduce the potential for interference, different frequencies can be used for different nanopores so that multiple nanopores can be measured simultaneously with a single RF input line.
[095] Измерение изменений импеданса (вследствие, например, изменений емкости) при высоких частотах повышает соотношение сигнала и шума, доступное в определенный промежуток времени, поскольку это снижает эффекты шума 1/f или "розового" шума, свойственного электронным измерительным контурам. Использование высокочастотного сигнала повышает соотношение сигнала и шуму, поскольку множество измерений проводится за данный промежуток времени, обеспечивая более стабильный сигнал, который хорошо отличим от изменений импеданса вследствие внешних или обуславливаемых устройством изменений и флуктуаций.[095] Measuring changes in impedance (due to, for example, changes in capacitance) at high frequencies improves the signal-to-noise ratio available in a certain amount of time, as this reduces the effects of 1/f or "pink" noise inherent in electronic measurement circuits. The use of a high frequency signal improves the signal-to-noise ratio as many measurements are taken over a given amount of time, providing a more stable signal that is well distinguishable from impedance changes due to external or device-induced changes and fluctuations.
[096] С использованием этих принципов для настоящего изобретения, в одном варианте осуществления изобретение относится к способу измерения изменения импеданса высокочастотного сигнала, индуцированного изменением емкости по мере прохождения мономеров (например, нуклеотидов) через нанопору, например, к способу считывания последовательности мономеров заряженного полимера, содержащего по меньшей мере два различных типа мономеров, например молекулы ДНК, включающему применение радиочастотного пульсирующего прямого тока, например, с частотой от 1 МГц до 1 ГГц, например 50-200 МГц, например, приблизительно 100 МГц, через нанопору, где пульсирующий прямой ток втягивает заряженный полимер через нанопору и последовательность мономеров считывается путем измерения изменения емкости через нанопору по мере прохождения заряженного полимера через нанопору.[096] Using these principles for the present invention, in one embodiment, the invention relates to a method for measuring the change in the impedance of a high frequency signal induced by a change in capacitance as monomers (e.g., nucleotides) pass through a nanopore, for example, a method for reading the monomer sequence of a charged polymer, containing at least two different types of monomers, e.g. DNA molecules, including the use of radio frequency pulsating direct current, for example, with a frequency of 1 MHz to 1 GHz, for example 50-200 MHz, for example, approximately 100 MHz, through a nanopore, where the pulsating direct current draws a charged polymer through the nanopore and the sequence of monomers is read by measuring the change in capacitance through the nanopore as the charged polymer passes through the nanopore.
[097] В некоторых вариантах осуществления изобретение относится к наночипу для секвенирования электрически заряженного полимера, например ДНК, содержащего по меньшей мере два различных мономера, причем наночип содержит по меньшей мере первую и вторую реакционные камеры, каждая из которых содержит электролитную среду и разделена мембраной, содержащей одну или более нанопор, где пара электродов (например в форме противостоящих пластин), подсоединенных к контуру, находится с каждой стороны мембраны, содержащей одну или более нанопор, причем электроды разделены расстоянием 1-30 микрометров, например, приблизительно 10 микрометров, так что щель между электродами имеет емкость при применении к электродам радиочастотного импульсного прямого тока, например от 1 МГц до 1 ГГц, так что электрически заряженный полимер втягивается через нанопору, например, из одной камеры в следующую, и так что фаза импульсного прямого радиочастотного тока изменяется при изменении емкости по мере прохождения электрически заряженного полимера через нанопору, тем самым позволяя детектирование последовательность мономеров электрически заряженного полимера. В определенных вариантах осуществления наночип содержит множество наборов реакционных камер, где реакционные камеры в наборе разделены мембраной, имеющей одну или более нанопор, и группы реакционных камер разделены экранирующим слоем для минимизации электрической интерференции и возможности их параллельного секвенирования.[097] In some embodiments, the invention relates to a nanochip for sequencing an electrically charged polymer, such as DNA, containing at least two different monomers, and the nanochip contains at least first and second reaction chambers, each of which contains an electrolyte environment and is separated by a membrane, containing one or more nanopores, where a pair of electrodes (e.g. in the form of opposing plates) connected to the circuit are located on each side of the membrane containing one or more nanopores, and the electrodes are separated by a distance of 1-30 micrometers, for example, approximately 10 micrometers, so that the gap between the electrodes has a capacitance when applied to the electrodes of an RF pulsed direct current, for example from 1 MHz to 1 GHz, so that the electrically charged polymer is drawn through the nanopore, for example, from one chamber to the next, and so that the phase of the pulsed direct RF current changes when capacitance as the passage of the electr of the electrically charged polymer through the nanopore, thereby allowing the detection of the sequence of electrically charged polymer monomers. In certain embodiments, the nanochip comprises a plurality of sets of reaction chambers, where the reaction chambers in the set are separated by a membrane having one or more nanopores, and the groups of reaction chambers are separated by a shielding layer to minimize electrical interference and allow them to be sequenced in parallel.
[098] Например, в одном варианте осуществления электроды образуют верхнюю и нижнюю пластины конденсатора, являющегося частью колебательного контура, и изменение емкости измеряется по мере прохождения ДНК через пору между пластинами.[098] For example, in one embodiment, the electrodes form the top and bottom plates of a capacitor that is part of an oscillating circuit, and the change in capacitance is measured as DNA passes through the pore between the plates.
[099] В определенных вариантах осуществления наночип дополнительно содержит реагенты для синтеза полимера, например ДНК, например, согласно наночипу 1 и т.д., ниже.[099] In certain embodiments, the implementation of the nanochip further contains reagents for the synthesis of polymer, such as DNA, for example, according to
[0100] В одном варианте осуществления, изобретение, таким образом, относится к способу (Способ 1) синтеза заряженного полимера [например, нуклеиновой кислоты (например, ДНК или РНК)], содержащей по меньшей мере два различных мономера, в наночипе, причем наночип содержит[0100] In one embodiment, the invention thus relates to a method (Method 1) for synthesizing a charged polymer [e.g., a nucleic acid (e.g., DNA or RNA)] containing at least two different monomers, in a nanochip, wherein the nanochip contains
одну или более камер для присоединения, содержащих реагенты для присоединения одного или более мономеров [например, нуклеотидов] или олигомеров [например, олигонуклеотидов] к заряженному полимеру, в буферном растворе в форме с защищенными концами, так что только один мономер или олигомер может присоединяться за один цикл реакции; иone or more attachment chambers containing reagents for attaching one or more monomers [e.g., nucleotides] or oligomers [e.g., oligonucleotides] to a charged polymer, in a buffer solution in end-protected form, such that only one monomer or oligomer can be attached per one reaction cycle; and
одну или более резервных камер, содержащих буферный раствор, но не все реагенты, необходимые для присоединения одного или более мономеров или олигомеров,one or more reserve chambers containing a buffer solution, but not all of the reagents needed to attach one or more monomers or oligomers,
где камеры разделены одной или более мембранами, содержащими одну или более нанопор, иwhere the chambers are separated by one or more membranes containing one or more nanopores, and
где заряженный полимер может проходить через нанопору, но по меньшей мере один из реагентов для присоединения одного или более мономеров не могут,where the charged polymer can pass through the nanopore, but at least one of the reagents for attaching one or more monomers cannot,
причем способ включаетwherein the method includes
a) перемещение первого конца заряженного полимера, имеющего первый конец и второй конец, под действием электрического притяжения в камеру для присоединения, причем мономеры и олигомеры присоединяются к указанному первому концу в блокированной форме,a) moving the first end of the charged polymer, having the first end and the second end, under the influence of electrical attraction into the attachment chamber, and the monomers and oligomers are attached to the specified first end in a blocked form,
b) перемещение первого конца заряженного полимера с добавленным мономером или олигомером в блокированной форме в резервную камеру,b) moving the first end of the charged polymer with the added monomer or oligomer in blocked form to the reserve chamber,
c) деблокирование присоединенного мономера или олигомера, иc) deblocking the attached monomer or oligomer, and
d) повторение стадий a-c, где мономеры или олигомеры, присоединенные на стадии a), являются такими же или отличаются, до тех пор, пока не получат желаемую последовательность полимера.d) repeating steps a-c, where the monomers or oligomers attached in step a) are the same or different, until the desired polymer sequence is obtained.
[0101] Например, изобретение относится к следующему[0101] For example, the invention relates to the following
1.1. Способ 1, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту, например, где полимер представляет собой ДНК или РНК, например, где он представляет собой ДНК, например, дцДНК или оцДНК.1.1.
1.2. Любой из вышеуказанных способов, где второй конец полимера, например нуклеиновой кислоты, либо защищен, либо связан с подложкой рядом с нанопорой.1.2. Any of the above methods, where the second end of the polymer, such as a nucleic acid, is either protected or bonded to a support adjacent to the nanopore.
1.3. Любой из вышеуказанных способов, где электрическое притяжение обеспечивают путем применения электрического потенциала между электродами в каждой камере, где полярность и ток между электродами можно контролировать, например, так что нуклеиновая кислота притягивается к положительному электроду.1.3. Any of the above methods, where electrical attraction is provided by applying an electrical potential between the electrodes in each chamber, where the polarity and current between the electrodes can be controlled, for example, so that the nucleic acid is attracted to the positive electrode.
1.4. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту и1.4. Any of the above methods, where the polymer is a nucleic acid and
(i) указанный первый конец нуклеиновой кислоты представляет собой 3'-конец, присоединение нуклеотидов происходит в направлении от 5' к 3' и катализируется полимеразой, например, где затруднено прохождение полимеразы (например, вследствие ее размера или вследствие связывания с подложкой в первой камере) через нанопору, нуклеотиды являются 3'-защищенными при присоединении и после присоединения 3'-защищенного нуклеотида к 3'-концу нуклеиновой кислоты, 3'-защитная группа на нуклеиновой кислоте удаляется, например, в резервной камере; или(i) said first end of the nucleic acid is the 3' end, the attachment of nucleotides occurs in the 5' to 3' direction and is catalyzed by a polymerase, for example, where the passage of the polymerase is difficult (for example, due to its size or due to binding to a substrate in the first chamber ) through the nanopore, the nucleotides are 3'-protected upon attachment and after the attachment of the 3'-protected nucleotide to the 3'-end of the nucleic acid, the 3'-protecting group on the nucleic acid is removed, for example, in a reserve chamber; or
(ii) указанный первый конец нуклеиновой кислоты представляет собой 5'-конец, присоединение нуклеотидов происходит в направлении от 3' к 5', нуклеотиды являются 5'-защищенными при присоединении и после присоединения 5'-защищенного нуклеотида к 5'-концу нуклеиновой кислоты 5'-защитная группа удаляется, например, во второй камере; (например, где фосфат на 5'-защищенном нуклеотиде представляет собой нуклеозидфосфорамидит, связанный через 5'-защитную группу с объемной группой, которая не может проходить через нанопору, так что после связывания с нуклеиновой кислотой не вступившие в реакцию нуклеотиды вымываются, объемная 5'-защитная группа отщепляется от нуклеиновой кислоты и вымывается, и 5'-конец нуклеиновой кислоты может переместиться в резервную камеру);(ii) said first end of the nucleic acid is the 5' end, the attachment of nucleotides is in the 3' to 5' direction, the nucleotides are 5' protected upon attachment and after attachment of the 5' protected nucleotide to the 5' end of the nucleic acid The 5'-protecting group is removed, for example, in the second chamber; (e.g., where the phosphate on the 5'-protected nucleotide is a nucleoside phosphoramidite linked via a 5'-protecting group to a bulky group that cannot pass through the nanopore so that upon binding to the nucleic acid, unreacted nucleotides are washed out, bulky 5' - the protecting group is cleaved from the nucleic acid and washed out, and the 5' end of the nucleic acid can move into the reserve chamber);
где присоединение нуклеотидов к нуклеиновой кислоте контролируется перемещением первого конца нуклеиновой кислоты в и из одной или более камер для присоединения, и цикл продолжается до тех пор, пока не будет получена желаемая последовательность.where the attachment of nucleotides to the nucleic acid is controlled by moving the first end of the nucleic acid into and out of one or more attachment chambers and the cycle continues until the desired sequence is obtained.
1.5. Любой из вышеуказанных способов, где последовательность мономеров или олигомеров в полимере [например, последовательность нуклеотидов в нуклеиновой кислоте], синтезированном таким образом, соответствует двоичному коду.1.5. Any of the above methods, where the sequence of monomers or oligomers in the polymer [eg, the sequence of nucleotides in the nucleic acid] thus synthesized corresponds to the binary code.
1.6. Любой из вышеуказанных способов, где полимер, синтезированный таким образом, представляет собой одноцепочечную ДНК.1.6. Any of the above methods, where the polymer thus synthesized is a single stranded DNA.
1.7. Любой из вышеуказанных способов, где последовательность полимера [например, нуклеиновой кислоты] проверяется в процессе синтеза секвенированием мономеров или олигомеров [например, нуклеотидных оснований] по мере их прохождения через нанопору для идентификации ошибок в секвенировании.1.7. Any of the above methods where the sequence of a polymer [eg, nucleic acid] is verified during synthesis by sequencing monomers or oligomers [eg, nucleotide bases] as they pass through a nanopore to identify sequencing errors.
1.8. Любой из вышеуказанных способов, где полимер, синтезированный таким образом, представляет собой одноцепочечную ДНК, где по меньшей мере 95%, например, по меньшей мере 99%, например, по существу все основания в последовательности выбраны из двух оснований, которые не гибридизуются с другими основаниями в цепи, например, оснований, выбранных из аденина и цитозина.1.8. Any of the above methods, wherein the polymer thus synthesized is single-stranded DNA, wherein at least 95%, such as at least 99%, such as substantially all of the bases in the sequence are selected from two bases that do not hybridize to others bases in the chain, for example bases selected from adenine and cytosine.
1.9. Любой из вышеуказанных способов, где множество полимеров [например, олигонуклеотидов] синтезируется независимо параллельно, так что получают полимеры [олигонуклеотиды], имеющие различные последовательности, путем контроля того, присутствуют ли они в одной или более камерах для присоединения или одной или более резервных камерах.1.9. Any of the above methods where a plurality of polymers [e.g. oligonucleotides] are synthesized independently in parallel such that polymers [oligonucleotides] having different sequences are obtained by controlling whether they are present in one or more attachment chambers or one or more reserve chambers.
1.10. Любой из вышеуказанных способов, где присутствует по меньшей мере две камеры для присоединения, которые содержат реагенты, пригодные для присоединения различных мономеров или олигомеров, например, различных нуклеотидов, например, где существует одна или более камер для присоединения, содержащих реагенты, пригодные для присоединения первого мономера или олигомера, и одна или более камер для присоединения, содержащих реагенты, пригодные для присоединения второго отличающегося мономера или олигомера, например, где существует одна или более камер для присоединения, содержащих реагенты, пригодные для присоединения адениновых нуклеотидов, и одна или более камер для присоединения, содержащих реагенты, пригодные для присоединения цитозиновых нуклеотидов.1.10. Any of the above methods, where at least two attachment chambers are present, which contain reagents suitable for attachment of different monomers or oligomers, for example, different nucleotides, for example, where there is one or more attachment chambers, containing reagents suitable for attachment of the first monomer or oligomer, and one or more attachment chambers containing reagents suitable for attachment of a second different monomer or oligomer, for example, where there is one or more attachment chambers containing reagents suitable for attachment of adenine nucleotides, and one or more chambers for attachments containing reagents suitable for attachment of cytosine nucleotides.
1.11. Любой из вышеуказанных способов, где по меньшей мере одна камера для присоединения представляет собой проточную камеру, обеспечивающую проточный цикл, включающий (i) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения первого мономера или олигомера, (ii) промывание, (iii) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения второго отличающегося мономера или олигомера, и (iv) промывание, и повторение цикла до завершения синтеза, где последовательность мономеров или олигомеров в полимере контролируется путем входа или выхода первого конца полимера из проточной камеры на стадии (i) или (iii) каждого цикла;1.11. Any of the above methods, where at least one attachment chamber is a flow chamber providing a flow cycle, including (i) feeding into the flow chamber reagents suitable for attaching the first monomer or oligomer, (ii) washing, (iii) feeding into a flow chamber of reagents suitable for attaching a second different monomer or oligomer, and (iv) washing and repeating the cycle to completion of the synthesis, where the sequence of monomers or oligomers in the polymer is controlled by entering or exiting the first end of the polymer from the flow chamber in step (i) or (iii) each cycle;
1.12. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой ДНК и по меньшей мере одна камера для присоединения представляет собой проточную камеру, обеспечивающую проточный цикл, включающий (i) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения первого типа нуклеотида, (ii) промывание, (iii) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения второго типа нуклеотида, и (iv) промывание, и повторение цикла до завершения синтеза, где последовательность мономеров или олигомеров в полимере контролируется присутствием или отсутствием первого конца ДНК (например, 3'-конца) в проточной камере.1.12. Any of the above methods, where the polymer is DNA and at least one attachment chamber is a flow chamber providing a flow cycle comprising (i) feeding into the flow chamber reagents suitable for attachment of the first type of nucleotide, (ii) washing, ( iii) feeding into the flow chamber reagents suitable for attachment of the second type of nucleotide, and (iv) washing and repeating the cycle until the synthesis is completed, where the sequence of monomers or oligomers in the polymer is controlled by the presence or absence of the first end of the DNA (for example, the 3' end) in the flow chamber.
1.13. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой ДНК и по меньшей мере одна камера для присоединения представляет собой проточную камеру, обеспечивающую проточный цикл, включающий (i) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения первого типа нуклеотида, (ii) промывание, (iii) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения второго типа нуклеотида, и (iv) промывание, (i) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения третьего типа нуклеотида, (ii) промывание, (iii) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения четвертого типа нуклеотида, и (iv) промывание, и повторение цикла до завершения синтеза, где последовательность мономеров или олигомеров в полимере контролируется присутствием или отсутствием первого конца ДНК (например, 3'-конца) в проточной камере, когда реагенты, пригодные для присоединения различных типов нуклеотидов, присутствуют.1.13. Any of the above methods, where the polymer is DNA and at least one attachment chamber is a flow chamber providing a flow cycle comprising (i) feeding reagents suitable for attachment of the first type of nucleotide into the flow chamber, (ii) washing, ( iii) feeding into the flow chamber reagents suitable for attachment of the second type of nucleotide, and (iv) washing, (i) feeding into the flow chamber reagents suitable for attachment of the third type of nucleotide, (ii) washing, (iii) feeding into the flow chamber of reagents suitable for attachment of a fourth type of nucleotide, and (iv) washing, and repeating the cycle until the synthesis is complete, where the sequence of monomers or oligomers in the polymer is controlled by the presence or absence of the first DNA end (for example, the 3' end) in the flow chamber, when the reagents, suitable for attachment of various types of nucleotides are present.
1.14. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой ДНК и наночип содержит две камеры для присоединения, которые представляют собой проточные камеры: (a) первую проточную камеру, обеспечивающую проточный цикл, включающий (i) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения первого типа нуклеотида, (ii) промывание, (iii) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения второго типа нуклеотида, и (iv) промывание, и повторение цикла до завершения синтеза, и (b) вторую проточную камеру, обеспечивающую проточный цикл, включающий (i) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения третьего типа нуклеотида, (ii) промывание, (iii) подачу в проточную камеру реагентов, пригодных для присоединения четвертого типа нуклеотида, и (iv) промывание, и повторение цикла до завершения синтеза, где нуклеотиды выбраны из dATP, dTTP, dCTP и dGTP и где последовательность контролируется путем направления первого конца ДНК (например, 3'-конца) в проточную камеру, где предоставляется следующий желаемый нуклеотид.1.14. Any of the above methods, where the polymer is DNA and the nanochip contains two attachment chambers, which are flow chambers: (a) a first flow chamber providing a flow cycle, including (i) feeding reagents suitable for the first type of attachment into the flow chamber nucleotide, (ii) washing, (iii) feeding into the flow chamber reagents suitable for attaching the second type of nucleotide, and (iv) washing and repeating the cycle until the synthesis is completed, and (b) a second flow chamber providing a flow cycle including ( i) feeding the flow chamber with reagents suitable for attaching a third nucleotide type, (ii) washing, (iii) feeding the flow chamber with reagents suitable for attaching a fourth nucleotide type, and (iv) washing, and repeating the cycle until the synthesis is complete, where nucleotides are selected from dATP, dTTP, dCTP and dGTP and where the sequence is controlled by directing the first end of the DNA (e.g. 3' end) into the proto another chamber where the next desired nucleotide is provided.
1.15. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой ДНК и чип с нанопорами содержит одну или более камер для присоединения dATP, одну или более камер для присоединения dTTP, одну или более камер для присоединения dCTP, и одну или более камер для присоединения dGTP.1.15. Any of the above methods wherein the polymer is DNA and the nanopore chip comprises one or more dATP attachment chambers, one or more dTTP attachment chambers, one or more dCTP attachment chambers, and one or more dGTP attachment chambers.
1.16. Любой из вышеуказанных способов, где каждый синтезированный полимер [например, нуклеиновая кислота] связан через его второй конец с поверхностью вблизи нанопоры.1.16. Any of the above methods, where each synthesized polymer [for example, nucleic acid] is connected through its second end to the surface near the nanopore.
1.17. Любой из вышеуказанных способов, где последовательность полимера [например, нуклеиновой кислоты] определяют после каждого цикла путем детектирования изменения электрического потенциала, тока, сопротивления, емкости и/или импеданса по мере прохождения полимера через нанопору.1.17. Any of the above methods, where the sequence of the polymer [eg, nucleic acid] is determined after each cycle by detecting changes in electrical potential, current, resistance, capacitance and/or impedance as the polymer passes through the nanopore.
1.18. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту и синтез нуклеиновой кислоты происходит в буферном растворе, например, растворе, содержащем буфер с pH 7-8,5, например приблизительно pH 8, например, буфер, содержащий трис(гидроксиметил)аминометан (Tris), подходящую кислоту и необязательно хелатор, например, этилендиаминтетрауксусную кислоту (EDTA), например, буфер TAE, содержащий смесь основания Tris, уксусной кислоты и EDTA, или буфер TBE, содержащий смесь оснований Tris, борной кислоты и EDTA; например, раствор, содержащий 10 мМ Tris pH 8, 1 мМ EDTA, 150 мМ KCl, или, например, 50 мМ ацетат калия, 20 мМ Tris-ацетат, 10 мМ ацетат магния, pH 7,9, при 25°C.1.18. Any of the above methods, where the polymer is a nucleic acid and the synthesis of the nucleic acid occurs in a buffer solution, for example, a solution containing a buffer with a pH of 7-8.5, for example approximately
1.19. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой одноцепочечную ДНК, дополнительно включающий конвертирование синтезированной одноцепочечной ДНК в двухцепочечную ДНК.1.19. Any of the above methods, where the polymer is single-stranded DNA, further comprising converting the synthesized single-stranded DNA to double-stranded DNA.
1.20. Любой из вышеуказанных способов, дополнительно включающий удаление полимера [например, нуклеиновой кислоты] из наночипа после завершения синтеза.1.20. Any of the above methods, further comprising removing the polymer [eg, nucleic acid] from the nanochip after completion of the synthesis.
1.21. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту, дополнительно включающий амплификацию и извлечение копий синтезированной нуклеиновой кислоты с использованием подходящего праймера и полимеразы (например, Phi29).1.21. Any of the above methods, where the polymer is a nucleic acid, further comprising amplification and extraction of copies of the synthesized nucleic acid using a suitable primer and polymerase (for example, Phi29).
1.22. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту, дополнительно включающий расщепление синтезированной нуклеиновой кислоты ферментом рестрикции и удаление нуклеиновой кислоты из наночипа.1.22. Any of the above methods, where 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. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту, дополнительно включающий амплификацию синтезированной таим образом нуклеиновой кислоты.1.23. Any of the above methods, wherein the polymer is a nucleic acid, further comprising amplifying the thus synthesized nucleic acid.
1.24. Любой из вышеуказанных способов, дополнительно включающий удаления полимера [например, нуклеиновой кислоты] из наночипа и кристаллизацию полимера.1.24. Any of the above methods, further comprising removing the polymer [eg, nucleic acid] from the nanochip and crystallizing the polymer.
1.25. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту, дополнительно включающий стабилизацию нуклеиновой кислоты, например, путем сушки раствора, содержащего нуклеиновую кислоту, с одним или более из буфера (например, боратного буфера), антиоксиданта, увлажнителя, например, полиола, и необязательно хелатора, например, как описано в US 8283165 B2, включенной в настоящее описание в качестве ссылки; или путем формирования матрикса между нуклеиновой кислотой и полимером, таким как блок-сополимер полиэтиленгликоль-поли(l-лизин) (PEG-PLL) типа AB; или путем присоединения комплементарной цепи нуклеиновой кислоты или белка, который связывает ДНК.1.25. Any of the above methods, where the polymer is a nucleic acid, further comprising stabilizing the nucleic acid, for example, by drying a solution containing the nucleic acid with one or more of a buffer (for example, a borate buffer), an antioxidant, a humectant, for example, a polyol, and optionally a chelator, for example as described in US 8283165 B2, incorporated herein by reference; or by forming a matrix between the nucleic acid and a polymer such as a polyethylene glycol-poly(l-lysine) (PEG-PLL) type AB block copolymer; or by attaching a complementary strand of nucleic acid or protein that binds DNA.
1.26. Любой из вышеуказанных способов, включающий:1.26. Any of the above, including:
(i) реакцию нуклеиновой кислоты с 3'-защищенным нуклеотидом в камере для присоединения в присутствии полимеразы, которая катализирует присоединение 3'-защищенного нуклеотида к 3'-концу нуклеиновой кислоты;(i) reacting the nucleic acid with the 3' protected nucleotide in the attachment chamber in the presence of a polymerase that catalyzes the attachment of the 3' protected nucleotide to the 3' end of the nucleic acid;
(ii) втягивание по меньшей мере 3'-конца 3'-защищенной нуклеиновой кислоты, полученной таким образом, из камеры для присоединения через по меньшей мере одну нанопору в резервную камеру, где прохождение полимеразы через нанопору затруднено (например, вследствие ее размера или вследствие связывания с подложкой в первой камере);(ii) drawing at least the 3' end of the 3' protected nucleic acid thus obtained from the attachment chamber through the at least one nanopore into a reserve chamber where passage of the polymerase through the nanopore is hindered (e.g., due to its size or due to binding to the substrate in the first chamber);
(iii) удаление защитной группы из 3'-защищенной нуклеиновой кислоты, например, химически или ферментативно; и(iii) removing the protecting group from the 3'-protected nucleic acid, for example, chemically or enzymatically; and
(iv) если желательно присоединение к олигонуклеотиду дополнительного 3'-защищенного dNTP, втягивание 3'-конца олигонуклеотида в ту же или отличающуюся камеру для присоединения для повторения стадий (i)-(iii), или если это не является желательным, обеспечение нахождения 3'-конца нуклеиновой кислоты в резервной камере до следующего цикла, где в камеру для присоединения поступает желаемый 3'-защищенный dNTP; и(iv) if it is desired to attach an additional 3'-protected dNTP to the oligonucleotide, pull the 3' end of the oligonucleotide into the same or different attachment chamber to repeat steps (i)-(iii), or if this is not desired, provide a 3 the '-end of the nucleic acid in the reserve chamber until the next cycle, where the desired 3'-protected dNTP enters the attachment chamber; and
(v) повторение цикла стадий (i)- (iv) до тех пор, пока не будет получена желаемая последовательность нуклеиновой кислоты.(v) repeating the cycle of steps (i)-(iv) until the desired nucleic acid sequence is obtained.
1.27. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой одноцепочечную ДНК (оцДНК) и одна или более нанопор имеют диаметр, позволяющий проходить оцРНК, но двухцепочечной ДНК (дцДНК), например, диаметр приблизительно 2 нм.1.27. Any of the above methods, where the polymer is single-stranded DNA (ssDNA) and one or more nanopores have a diameter that allows passage of ssRNA, but double-stranded DNA (dsDNA), for example, a diameter of approximately 2 nm.
1.28. Любой из вышеуказанных способов, где мономер представляет собой 3'-защищенный нуклеотид, например, дезоксинуклеотидтрифосфат (dNTP), например, выбранный из дезоксиаденозинтрифосфата (dATP), дезоксигуанозинтрифосфата (dGTP), дезоксицитидинтрифосфата (dCTP), дезокситимидинтрифосфата (dTTP), например, dATP или dCTP.1.28. Any of the above methods wherein the monomer is a 3'-protected nucleotide, e.g. 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. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту и присоединение нуклеотида к нуклеиновой кислоте катализируется полимеразой, например, независимой от матрицы полимеразой, например, концевой дезоксинуклеотидилтрансферазой (TdT), или полинуклеотидфосфорилазой, например, где полимераза катализирует включение дезоксинуклеотида на 3'-гидроксильный конец ДНК.1.29. Any of the above methods, where the polymer is a nucleic acid and the attachment of the nucleotide to the nucleic acid is catalyzed by a polymerase, e.g., a template-independent polymerase, e.g., a terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT), or a polynucleotide phosphorylase, e.g. end of DNA.
1.30. Любой из вышеуказанных способов, где мембрана содержит множество нанопор и множество полимеров, каждый из которых связан с поверхностью вблизи нанопоры, например, множество нуклеиновых кислот, каждая из которых связана через ее 5'-конец с поверхностью вблизи нанопоры.1.30. Any of the above methods, where the membrane contains a plurality of nanopores and a plurality of polymers, each of which is associated with a surface near the nanopore, for example, a plurality of nucleic acids, each of which is associated through its 5'end with a surface near the nanopore.
1.31. Любой из вышеуказанных способов, где множество полимеров, каждый из которых связан с поверхностью вблизи нанопоры, например, множество нуклеиновых кислот, каждая из которых связана 5'-концом с поверхностью вблизи нанопоры, синтезируются независимо, где каждая нанопора имеет ассоциированную с ней пару электродов, где один электрод в паре расположен вблизи одного конца нанопоры, а другой электрод расположен вблизи другого конца нанопоры, так что каждый полимер может независимо перемещаться между первой и второй камерами под действием электрического тока, обеспечиваемого парой электродов.1.31. Any of the above methods, where a plurality of polymers, each of which is associated with a surface near the nanopore, for example, a plurality of nucleic acids, each of which is 5'-linked to the surface near the nanopore, are synthesized independently, where each nanopore has an associated pair of electrodes, where one electrode in the pair is located near one end of the nanopore, and the other electrode is located near the other end of the nanopore, so that each polymer can independently move between the first and second chambers under the influence of an electric current provided by a pair of electrodes.
1.32. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой 3'-защищенную нуклеиновую кислоту, связанную 5'-концом с поверхностью вблизи нанопоры, и 3'-конец 3'-защищенной нуклеиновой кислоты втягивается через нанопору с использованием электрической силы, например, с использованием электрической силы, применяемой через электрод, в соседнюю камеру.1.32. Any of the above methods, wherein the polymer is a 3'-protected nucleic acid 5'-linked to a surface near the nanopore, and the 3'-terminus of the 3'-protected nucleic acid is drawn through the nanopore using electrical force, e.g. force applied through the electrode into the adjacent chamber.
1.33. Способ 1.20, где новый 3'-защищенный dNTP является таким же или отличается от первого 3'-защищенного dNTP.1.33. Method 1.20, where the new 3'-protected dNTP is the same or different from the first 3'-protected dNTP.
1.34. Способ 1.20, где 3'-защищенный dNTP, используемый на стадии (i) цикла, чередуется каждый цикл между 3'-защищенным dATP и 3'-защищенным dCTP.1.34. Method 1.20 wherein the 3'-protected dNTP used in cycle step (i) alternates each cycle between 3'-protected dATP and 3'-protected dCTP.
1.35. Любой из вышеуказанных способов, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту и удаление защитной группы из нуклеиновой кислоты осуществляется посредством фермента, который удаляет 3'-защитную группу на оцДНК, но не на 3'-защищенном dNTP.1.35. Any of the above methods where the polymer is a nucleic acid and deprotection of the nucleic acid is carried out by an enzyme that removes the 3' protecting group on ssDNA but not on the 3' protected dNTP.
[0101] Например, изобретение относится к способу синтеза нуклеиновой кислоты в наночипе, содержащем по меньшей мере первую камеру и вторую камеру, разделенные мембраной, содержащей по меньшей мере одну нанопору, причем синтез осуществляется в буферном растворе посредством цикла присоединения нуклеотидов к первому концу нуклеиновой кислоты, имеющей первый конец и второй конец, где первый конец нуклеиновой кислоты перемещается под действием электрического притяжения между одной или более камерами для присоединения (которые содержат реагенты, способные присоединять нуклеотиды) и одной или более резервными камерами (которые не содержат реагенты, необходимыми для присоединения нуклеотидов), причем камеры разделены одной или более мембранами, каждая из которых содержит одну или более нанопор, где нанопора является достаточно крупной, чтобы обеспечить прохождение нуклеиновой кислоты, но слишком мелкой, чтобы обеспечить прохождение по меньшей мере одного реагента, необходимого для присоединения нуклеотида, например, где способ соответствует любому из способа 1 и т.д.[0101] For example, the invention relates to a method for synthesizing a nucleic acid in a nanochip comprising at least a first chamber and a second chamber separated by a membrane containing at least one nanopore, wherein the synthesis is carried out in a buffer solution by a loop of nucleotide addition to the first end of the nucleic acid having a first end and a second end, wherein the first end of the nucleic acid is moved by electrical attraction between one or more attachment chambers (which contain reagents capable of nucleotide attachment) and one or more spare chambers (which do not contain reagents necessary for nucleotide attachment ), the chambers being separated by one or more membranes, each containing one or more nanopores, where the nanopore is large enough to allow the passage of the nucleic acid, but too small to allow the passage of at least one reagent required for attachment i nucleotide, for example, where mode matches any of
[0102] В определенных вариантах осуществления последовательность полимера соответствует двоичному коду, например, где полимер представляет собой нуклеиновую кислоту и последовательность соответствует двоичному коду, где каждый бит (0 или 1) соответствуют основанию, например, A или C.[0102] In certain embodiments, the polymer sequence corresponds to a binary code, for example, where the polymer is a nucleic acid and the sequence corresponds to a binary code, where each bit (0 or 1) corresponds to a base, for example, A or C.
[0103] В определенных вариантах осуществления полимер представляет собой ДНК.[0103] In certain embodiments, the polymer is DNA.
[0104] В некоторых других вариантах осуществления каждому биту соответствует короткая последовательность мономеров, а не один мономер. Например, в одном таком варианте осуществления синтезируются блоки ДНК, где каждый блок генерирует уникальный сигнал через нанопору и соответствует нулю или единице. Этот вариант осуществления имеет определенные преимущества, состоящие в том, что единичные нуклеотиды труднее детектировать в нанопорах, особенно в твердофазных нанопорах, так что использование блоков менее подвержено ошибкам считывания, хотя плотность информации в полимере соответственно снижается.[0104] In some other embodiments, each bit corresponds to a short sequence of monomers rather than a single monomer. For example, in one such embodiment, blocks of DNA are synthesized, where each block generates a unique signal through the nanopore and corresponds to zero or one. This embodiment has certain advantages in that single nucleotides are more difficult to detect in nanopores, especially in solid phase nanopores, so that the use of blocks is less prone to read errors, although the density of information in the polymer is correspondingly reduced.
[0105] Например, блоки (двухцепочечных) нуклеотидов можно присоединять с использованием сайт-специфических рекомбиназ, т.е. ферментов, которые самопроизвольно распознают и расщепляют по меньшей мере одну цепь двойной цепи нуклеиновых кислот в сегменте последовательности, известном как последовательность сайт-специфической рекомбинации. В одном таком варианте осуществления сайт-специфическая рекомбиназа представляет собой топоизомеразу, используемую для лигирования блока сопряженного с топоизомеразой дцДНК-олигонуклеотида с последовательностью. Эти олигонуклеотиды сами по себе не имеют структуру, совместимую с дальнейшим лигированием, если они не расщеплены ферментом рестрикции. Топоизмераза I вируса коровьей оспы специфически распознает последовательность ДНК 5´-(C/T)CCTT-3'. Топоизомераза связывается с двухцепочечной ДНК и расщепляет ее в участке расщепления 5´-(C/T)CCTT-3'. Следует отметить, что расщепление является неполным, поскольку топоизомераза расщепляет только одну цепь ДНК (хотя наличие вблизи разрыва одной цепи вызывает некий двухцепочечный разрыв), и при расщеплении топоизомераза ковалентно связывается с 3'-фосфатом 3'-нуклеотида. Затем фермент остается ковалентно связанным с 3'-концом ДНК и может либо религировать ковалентно удерживаемую цепь по той же связи, которая была первоначально расщеплена (как происходит в ходе релаксации ДНК), либо он может религировать с гетерологичной акцепторной ДНК, имеющей совместимые выступающие концы, создавая рекомбинантную молекулу. В этом варианте осуществления создаются донорные олигонуклеотиды на основе дц-ДНК (например, содержащие одну из по меньшей мере двух различных последовательностей, одной для "0", а другой для "1"), фланкированных участком рекомбинации топоизомеразой и участком рестрикции, который создает участок лигирования топоизомеразы. Кассеты являются заряженными топоизомеразой; т.е. они ковалентно связаны с топоизомеразой, которая будет связывать их с участком лигирования топоизомеразы на принимающем олигонуклеотиде. Когда растущая цепь принимающей ДНК расщепляется ферментом рестрикции, она становится способной к лигированию с нагруженной топоизомеразой кассетой. Так что необходимо только последовательно осуществлять цикл для растущей ДНК от фермента рестрикции до нагруженной топоизомеразы кассеты, причем на каждом цикле присоединяется другой донорный олигонуклеотид. Сходный подход описан для клонирования, см., например, Shuman S., Novel approach to molecular cloning and polynucleotide synthesis using vaccinia DNA topoisomerase. J Biol Chem. (1994); 269(51):32678-84, содержание которой включено в качестве ссылки.[0105] For example, blocks of (double-stranded) nucleotides can be added using site-specific recombinases, ie. enzymes that spontaneously recognize and cleave at least one strand of a double strand of nucleic acids in a sequence segment known as a site-specific recombination sequence. In one such embodiment, the site-specific recombinase is a topoisomerase used to ligate a topoisomerase-coupled dsDNA oligonucleotide block to the sequence. These oligonucleotides themselves do not have a structure compatible with further ligation unless they are cleaved with a restriction enzyme. Vaccinia topomerase I specifically recognizes the DNA sequence 5'-(C/T)CCTT-3'. Topoisomerase binds to double-stranded DNA and cleaves it at the 5'-(C/T)CCTT-3' cleavage site. It should be noted that the cleavage is incomplete because the topoisomerase cleaves only one DNA strand (although the presence of a single strand near the break causes some double-strand break), and upon cleavage, the topoisomerase covalently binds to the 3'-phosphate of the 3'-nucleotide. The enzyme then remains covalently bound to the 3' end of the DNA and can either re-relate the covalently retained strand at the same bond that was originally cleaved (as occurs during DNA relaxation) or it can re-ligate to a heterologous acceptor DNA having compatible overhangs, creating a recombinant molecule. In this embodiment, dsDNA-based donor oligonucleotides (e.g., containing one of at least two different sequences, one for "0" and the other for "1"), flanked by a topoisomerase recombination site and a restriction site that creates a ligation of topoisomerase. The cassettes are loaded with topoisomerase; those. they are covalently linked to the topoisomerase, which will bind them to the topoisomerase ligation site on the receiving oligonucleotide. When the growing host DNA strand is cleaved by a restriction enzyme, it becomes capable of ligation with the topoisomerase-loaded cassette. So it is only necessary to sequentially cycle the growing DNA from the restriction enzyme to the loaded topoisomerase cassette, with a different donor oligonucleotide added at each cycle. A similar approach is described for cloning, see, for example, Shuman S., Novel approach to molecular cloning and polynucleotide synthesis using vaccinia DNA topoisomerase. J Biol Chem. (1994); 269(51):32678-84, the contents of which are incorporated by reference.
[0106] Единичные основания можно присоединять с использованием сходной стратегии. В присутствии подходящей одноцепочечной "акцепторной" ДНК "с удаленной защитной группой", нагруженная топоизомеразой ДНК ферментативно и ковалентно лигируется ("присоединяется") с акцептором топоизомеразой, которая в этом процессе удаляется из ДНК. Затем фермент рестрикции типа IIS может расщеплять все присоединяемые ДНК за исключением одного основания (основания, которое "добавляется"). Этот процесс удаления защитной группы-присоединения можно повторять для присоединения дополнительных оснований (бит). Как продемонстрировано в примерах настоящего описания, является возможным использовать комбинацию топоизомераза/фермент рестрикции типа IIS для присоединения одного нуклеотида к 5'-концу одноцепочечной ДНК-мишени. Использование фермента рестрикции типа IIS позволяет расщепление ДНК в положении, отличающемся от положения последовательности распознавания (другие ферменты рестрикции типа IIS могут быть найдены на https://www.neb.com/tools-and-resources/selectioncharts/type-iis-restriction-enzymes). Использование остатков инозина (который выступает в качестве "универсального основания" и образует пару с любым другим основанием) в этой системе позволяет протекание этой реакции без каких-либо конкретных требований к последовательности ДНК-мишени. Нуклеотид, присоединяемый к одноцепочечной ДНК-мишени, представляет собой 3'-нуклеотид, с которым топоизомераза вируса коровьей оспы конъюгирована через 3'-фосфат. Поскольку последовательность распознавания топоизомеразы вируса коровьей оспы представляет собой (C/T)CCTT, авторы изобретения использовали эту систему для присоединения "T" к ДНК-мишени. Существует родственная топоизомераза, SVF, которую можно использовать для распознавания последовательности CCCTG (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446). Таким образом SVF можно использовать для присоединения "G" вместо "T". В паре с топоизомеразой вируса коровьей оспы двоичные данные могут быть закодированы посредством T и G.[0106] Single bases can be attached using a similar strategy. In the presence of an appropriate "deprotected" single-stranded "acceptor" DNA, the topoisomerase-loaded DNA is enzymatically and covalently ligated ("attached") to the acceptor topoisomerase, which is removed from the DNA in this process. The type IIS restriction enzyme can then cleave all of the added DNA except for one base (the base that is "added"). This deprotection-addition process can be repeated to add additional bases (bits). As demonstrated in the examples of the present description, it is possible to use a combination of topoisomerase/restriction enzyme type IIS to attach a single nucleotide to the 5' end of a single stranded DNA target. The use of a type IIS restriction enzyme allows cleavage of DNA at a position different from that of 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 residues (which acts as a "universal base" and pairs with any other base) in this system allows this reaction to proceed without any specific target DNA sequence requirements. The nucleotide attached to the single-stranded target DNA is the 3'-nucleotide to which the vaccinia topoisomerase is conjugated via a 3'-phosphate. Because the vaccinia virus topoisomerase recognition sequence is (C/T)CCTT, the inventors used this system to attach "T" to the target DNA. There is a related topoisomerase, SVF, that can be used to recognize the CCCTG sequence (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446). So SVF can be used to append "G" instead of "T". When paired with vaccinia topoisomerase, binary data can be encoded with T and G.
[0107] В другом подходе для присоединения одного основания на 5'-фосфате предоставлена блокирующая группа для обеспечения добавления одного основания в направлении от 3' к 5'. Реакция нагрузки обеспечивает нагрузку топоизомеразы T (или G, или другим нуклеотидом при необходимости), имеющим 5'-фосфатную группа. Когда нагруженная топоизомераза "видит" свободную 5'-неблокированную (нефосфорилированную) одноцепочечную цепь ДНК, она присоединяет T к этой цепи, обеспечивая ДНК с T, добавленным к 5'-концу. Это присоединение облегчается присутствием адаптерной ДНК, имеющей последовательности, с которыми может связываться топоизомераза и одноцепочечная акцепторная ДНК (следует отметить, что адаптерная ДНК является каталитической - ее можно вновь использовать в качестве матрицы в повторных реакциях). Присоединенный нуклеотид имеет 5'-фосфат на нем, так что он не будет субстратом для дальнейшего присоединения пока не подвергнется воздействию фосфатазы, которая удаляет 5'-фосфат. Этот процесс повторяется с использованием топоизомеразы вируса коровьей оспы для присоединения одного "T" к 5'-концу одноцепочечной ДНК-мишени и топоизомеразы SVF для присоединения одного "G", таким образом, позволяя конструирование последовательности, кодирующей двоичную информацию посредством T и G. Другие топоизомеразы можно использовать для присоединения A или C, хотя эта реакция является менее эффективной.[0107] In another approach for attaching one base on the 5'-phosphate, a blocking group is provided to ensure that one base is added in the 3' to 5' direction. The loading response provides loading of the topoisomerase T (or G, or other nucleotide as needed) having a 5'-phosphate group. When the loaded topoisomerase "sees" a free 5'-unblocked (non-phosphorylated) single strand of DNA, it adds a T to that strand, providing DNA with a T added to the 5' end. This attachment is facilitated by the presence of adapter DNA having sequences to which topoisomerase and single strand acceptor DNA can bind (note that adapter DNA is catalytic - it can be reused as a template in repeated reactions). The attached nucleotide has a 5'-phosphate on it, so it will not be a substrate for further attachment until exposed to phosphatase, which removes the 5'-phosphate. This process is repeated using vaccinia topoisomerase to attach one "T" to the 5' end of the single-stranded DNA target and SVF topoisomerase to attach one "G", thus allowing the construction of a sequence encoding binary information by T and G. Others topoisomerases can be used to attach A or C, although this reaction is less efficient.
[0108] Одним преимуществом использования опосредуемой топоизомеразой стратегии является то, что мономер ковалентно связан с топоизомеразой, и, таким образом, не может "вырваться" для препятствования другим реакциям. Когда используют полимеразу мономеры могут диффундировать, так что полимеразы и/или деблокирующие агенты должны быть специфическими (например, селективными в отношении A против C, например) или альтернативно мономеры предоставляются посредством потока, так что они не имеют возможности смешаться.[0108] One advantage of using a topoisomerase-mediated strategy is that the monomer is covalently bound to the topoisomerase, and thus cannot "escape" to interfere with other reactions. When a polymerase is used, the monomers can diffuse, so the polymerases and/or deblocking agents must be specific (eg, selective for A versus C, for example) or alternatively the monomers are provided via a stream so that they do not have the opportunity to mix.
[0109] В одном аспекте изобретение относится к топоизомеразе, нагруженной одним нуклеотидом, т.е. к топоизомеразе, конъюгированной с одним нуклеотидом, например, где топоизомераза конъюгирована через 3'-фосфат нуклеотида, и нуклеотид является защищенным, например, фосфорилированным, в 5'-положении.[0109] In one aspect, the invention relates to a topoisomerase loaded with one nucleotide, i.e. to a topoisomerase conjugated to a single nucleotide, eg, wherein the topoisomerase is conjugated via the 3'-phosphate of the nucleotide and the nucleotide is protected, eg, phosphorylated, at the 5' position.
[0110] В другом аспекте изобретение относится к способу (Способ A) синтеза молекулы ДНК с использованием опосредуемого топоизомеразой лигирования путем присоединения единичных нуклеотидов или олигомеров к цепи ДНК в направлении от 3' к 5', включающему (i) реакцию молекулы ДНК с топоизомеразой, нагруженной желаемым нуклеотидом или олигомером, где нуклеотид или олигомер блокирован от дальнейшего присоединения на 5'-конце, затем (ii) деблокирование 5'-конца ДНК, полученной таким образом, и повторение стадий (i) и (ii) до тех пор, пока не будет получена желаемая нуклеотидная последовательность, например:[0110] In another aspect, the invention relates to a method (Method A) for synthesizing a DNA molecule using topoisomerase-mediated ligation by adding single nucleotides or oligomers to a DNA strand in a 3' to 5' direction, comprising (i) reacting a DNA molecule with a topoisomerase, loaded with the desired nucleotide or oligomer, where the nucleotide or oligomer is blocked from further attachment at the 5' end, then (ii) deblocking the 5' end of the DNA thus obtained and repeating steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence will not be obtained, for example:
A1.1. Способ A, который представляет собой способ синтеза молекулы ДНК путем присоединения единичных нуклеотидов в направлении от 3' к 5', включающий (i) реакцию молекулы ДНК с топоизомеразой, нагруженной желаемым нуклеотидом в 5'-защищенной форме, например, 5'-фосфорилированной форме, так что желаемый нуклеотид в 5'-защищенной форме присоединяется к 5'-концу ДНК, затем (ii) удаление защитной группы из 5'-конца ДНК, образовавшейся таким образом, с использованием фермента фосфатазы и повторение стадий (i) и (ii) до тех пор, пока не будет получена желаемая нуклеотидная последовательность; илиA1.1. Method A, which is a method for synthesizing a DNA molecule by adding single nucleotides in the 3' to 5' direction, comprising (i) reacting the DNA molecule with a topoisomerase loaded with the desired nucleotide in a 5'-protected form, e.g., a 5'-phosphorylated form , so that the desired nucleotide in the 5' protected form is attached to the 5' end of the DNA, then (ii) removing the protecting group from the 5' end of the DNA thus formed using the phosphatase enzyme and repeating steps (i) and (ii ) until the desired nucleotide sequence is obtained; or
A1.2. Способ A, который представляет собой способ синтеза молекулы ДНК путем добавления олигомеров в направлении от 3' к 5', включающий (i) реакцию молекулы ДНК с топоизомеразой, нагруженной желаемым олигомером, тем самым лигируя олигомер с молекулой ДНК, затем (ii) использование фермента рестрикции для предоставления 5'-участка для опосредуемого топоизомеразой лигирования с другим олигомером и повторение стадий (i) и (ii) до тех пор, пока не будет получена желаемая последовательность олигомера.A1.2. Method A, which is a method for synthesizing a DNA molecule by adding oligomers in the 3' to 5' direction, comprising (i) reacting the DNA molecule with a topoisomerase loaded with the desired oligomer, thereby ligating the oligomer to the DNA molecule, then (ii) using an enzyme restriction to provide a 5' site for topoisomerase mediated ligation to another oligomer and repeating steps (i) and (ii) until the desired oligomer sequence is obtained.
A1.3. Любой из вышеуказанных способов, включающий предоставление лигазы и ATP для устранения разрывов в ДНК [примечание: лигирование посредством топоизомеразы лигирует только одну цепь].A1.3. Any of the above methods, including the provision of ligase and ATP to repair breaks in the DNA [note: ligation with topoisomerase ligates only one strand].
A1.4. Любой из вышеуказанных способов, где нагруженный топоизомеразой донорный олигонуклеотид содержит 5'-выступающий конец на одной цепи, комплементарный цепи, имеющей топоизомеразу, содержащий последовательность полиинозина [примечание: остатки инозина выступают в качестве "универсальных оснований" и образуют пару с любым другим основанием].A1.4. Any of the above methods, wherein the topoisomerase-loaded donor oligonucleotide contains a 5' overhang on one strand complementary to the strand bearing the topoisomerase containing a polyinosine sequence [note: inosine residues act as "universal bases" and pair with any other base].
A1.5. Любой из вышеуказанных способов, где фермент рестрикции представляет собой фермент рестрикции типа IIS, который может отщеплять всю присоединенную ДНК за исключением одного основания (основания, которое "присоединяется").A1.5. Any of the above methods wherein the restriction enzyme is a type IIS restriction enzyme that can cleave all of the attached DNA except for one base (the base that is "attached").
A1.6. Любой из вышеуказанных способов, где топоизомераза выбрана из топоизомеразы вируса коровьей оспы и топоизомеразы I SVF.A1.6. Any of the above methods wherein the topoisomerase is selected from vaccinia topoisomerase and SVF topoisomerase I.
A1.7. Любой из вышеуказанных способов, где топоизомераза вируса коровьей оспы (которая распознает (C/T)CCTT) используется для присоединения нуклеотидов dTTP, и топоизомераза I SVF (которая распознает CCCTG) используется для присоединения нуклеотидов dGTP, например, для обеспечения двоичного кода.A1.7. Any of the above methods where vaccinia topoisomerase (which recognizes (C/T)CCTT) is used to attach dTTP nucleotides and SVF topoisomerase I (which recognizes CCCTG) is used to attach dGTP nucleotides, e.g. to provide a binary code.
A1.8. Любой из вышеуказанных способов, где ДНК является двухцепочечной и резервная камера дополнительно содержит лигазу и ATP для репарации цепи ДНК, не связанной с топоизомеразой.A1.8. Any of the above methods, where the DNA is double-stranded and the spare chamber additionally contains ligase and ATP to repair the DNA strand not bound to topoisomerase.
A1.9. Любой из вышеуказанных способов, включающий использование ингибитора топоизомеразы для подавления связывания и активности свободной топоизомеразы в отношении ДНК-олигомера, например, где ингибиторы выбраны из новобиоцина и коумермицина.A1.9. Any of the above methods, including the use of a topoisomerase inhibitor to inhibit the binding and activity of free topoisomerase in relation to the DNA oligomer, for example, where the inhibitors are selected from novobiocin and coumermicin.
A1.10. Любой из вышеуказанных способов, где цепь ДНК, предоставленная таким образом, имеет последовательность, содержащую тимидиновые (T) нуклеозиды и дезоксигуаниновые (G) нуклеозиды.A1.10. Any of the above methods, wherein the DNA strand thus provided has a sequence containing thymidine (T) nucleosides and deoxyguanine (G) nucleosides.
A1.11. Любой из вышеуказанных способов, где топоизомераза присоединяет одно основание, однако фермент рестрикции осуществляет расщепление в положении, которое находится на расстоянии одного нуклеотида в 5'-направлении от основания, присоединенного топоизомеразой.A1.11. Any of the above methods, where the topoisomerase adds one base, however, the restriction enzyme cleaves at a position that is one nucleotide in the 5' direction from the base attached by the topoisomerase.
A1.12. Любой из вышеуказанных способов, где цепь ДНК, предоставленная таким образом, имеет последовательность, содержащую последовательность динуклеотидов "TT" и "TG".A1.12. Any of the above methods, wherein the DNA strand thus provided has a sequence containing the dinucleotide sequence "TT" and "TG".
A1.13. Любой из вышеуказанных способов, где ДНК является одноцепочечной.A1.13. Any of the above methods where the DNA is single stranded.
A1.14. Любой из вышеуказанных способов, где ДНК является двухцепочечной.A1.14. Any of the above methods, where the DNA is double-stranded.
A1.15. Любой из вышеуказанных способов, где ДНК находится на подложке или магнитной грануле, где она при необходимости может селективно подвергаться воздействию или удаляться от реагентов для предоставления желаемой последовательности.A1.15. Any of the above methods, where the DNA is on a support or magnetic bead, where it can be selectively exposed to or removed from reagents, if necessary, to provide the desired sequence.
A1.16. Любой из вышеуказанных способов, где некоторые или все реагенты для присоединения или деблокирования ДНК предоставляются посредством потока и удаляются путем промывания.A1.16. Any of the above methods, wherein some or all of the DNA addition or deblocking reagents are provided via flow and removed by washing.
A1.17. Любой из вышеуказанных способов, где присоединение единственных нуклеотидов или олигомеров к одноцепочечной ДНК облегчается присутствием адаптерной ДНК, имеющей последовательности, с которыми может связываться топоизомераза и одноцепочечная акцепторная ДНК.A1.17. Any of the above methods wherein the attachment of single nucleotides or oligomers to the single stranded DNA is facilitated by the presence of an adapter DNA having sequences to which topoisomerase and the single stranded acceptor DNA can bind.
A1.18. Любой из вышеуказанных способов, проводимый в системе, где нанопора отделяет камеру, содержащую топоизомеразу, от камеры, содержащей фосфатазу или фермент рестрикции, где нанопора позволяет движение ДНК под действием электрического притяжения, но не позволяет движение ферментов, например, как описано для любого из способа 2 и т.д.A1.18. Any of the above methods carried out in a system where the nanopore separates the chamber containing the topoisomerase from the chamber containing the phosphatase or restriction enzyme, where the nanopore allows the movement of DNA by electrical attraction, but does not allow the movement of enzymes, for example, as described for any of the
[0111] Одной возможной проблемой является то, что последовательности поли-G могут образовывать вторичные структуры G-кватета. Путем смещения фермента рестрикции назад на одно основание (в 5'-направлении от последовательности топоизомеразы) и следуя сходной стратегии топоизомераза/IIS можно присоединять "TT" или "TG", каждый из которых может соответствовать отдельному биту. Хотя это требует 2 основания для кодирования бита, это имеет преимущество избегания последовательностей поли-G. В других вариантах осуществления другие основания на 3'-конце последовательности распознавания топоизомеразой - хотя и менее эффективные, чем (C/T)CCTT, могут позволить конъюгацию с использованием топоизомеразы поксвируса с (C/T)CCTA, (C/T)CCTC и (C/T)CCTG (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17462694). Для повышения эффективности этих реакций также можно использовать способы белковой инженерии/селекции и для присоединения неканонических оснований можно использовать сходные подходы.[0111] One possible problem is that poly-G sequences can form G-quatet secondary structures. By shifting the restriction enzyme back one base (5' from the topoisomerase sequence) and following a similar topoisomerase/IIS strategy, "TT" or "TG" can be attached, each of which can correspond to a different bit. Although it requires 2 bases to encode a bit, it has the advantage of avoiding poly-G sequences. In other embodiments, other bases at the 3' end of the topoisomerase recognition sequence - although less efficient than (C/T)CCTT - may allow poxvirus topoisomerase conjugation to (C/T)CCTA, (C/T)CCTC and (C/T)CCTG (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17462694). Protein engineering/selection techniques can also be used to increase the efficiency of these reactions, and similar approaches can be used to attach non-canonical bases.
[0112] В определенных вариантах осуществления способ синтеза ДНК с использованием этого способа включает обработку ДНК лигазой и ATP. Топоизомераза соединяет только одну сторону ДНК (другая по существу разорвана). Лигаза репарирует разрыв и гарантирует, что сама по себе топоизомераза не разрежет продукт реакции вновь и не расщепит его.[0112] In certain embodiments, a method for synthesizing DNA using this method includes treating DNA with a ligase and ATP. Topoisomerase joins only one side of the DNA (the other is essentially broken). The ligase repairs the gap and ensures that the topoisomerase itself does not cut the reaction product again and cleave it.
[0113] В определенных вариантах осуществления способ включает использование ингибитора топоизомеразы для подавления связывания и активности свободной топоизомеразы в отношении ДНК-олигомера. Подходящие ингибиторы включают новобиоцин и коумермицин. Следует отметить, что полное ингибирование нежелательно, поскольку низкий уровень активности топоизомеразы может помочь "релаксировать" скрученную ДНК, что является особенно полезным при синтезе длинных цепей ДНК.[0113] In certain embodiments, the method includes using a topoisomerase inhibitor to inhibit free topoisomerase binding and activity to the DNA oligomer. Suitable inhibitors include novobiocin and comermicin. It should be noted that complete inhibition is undesirable because low levels of topoisomerase activity can help "relax" coiled DNA, which is especially useful in the synthesis of long DNA strands.
[0114] Таким образом, в другом варианте осуществления изобретение относится к способу (Способ 2) синтеза ДНК в наночипе, содержащем одну или более камер для присоединения, содержащих нагруженный топоизомеразой олигонуклеотид (т.е. олигонуклеотид, связанный 3'-концом с топоизомеразой), и одну или более резервных камер, содержащих фермент рестрикции и деблокирующий агент, например, фосфатазу, причем указанные камеры также содержат совместимый буферный раствор и отделены мембраной, содержащей по меньшей мере одну нанопору, где прохождение топоизомеразы и фермента рестрикции затруднено (например, поскольку они являются слишком большими и/или поскольку они связаны с субстратом в первой и второй камерах, соответственно), синтез проводится за один цикл присоединения единичных нуклеотидов или коротких олигонуклеотидных блоков к первому концу нуклеиновой кислоты, имеющей первый конец и второй конец, где первый конец нуклеиновой кислоты двигается под действием электрического притяжения между камерами для присоединения и резервной камерой, например в одном варианте осуществления следующим образом:[0114] Thus, in another embodiment, the invention relates to a method (Method 2) for synthesizing DNA in a nanochip containing one or more attachment chambers containing a topoisomerase-loaded oligonucleotide (i.e., an oligonucleotide 3'-linked to a topoisomerase) , and one or more reserve chambers containing a restriction enzyme and a deblocking agent, for example, phosphatase, and these chambers also contain a compatible buffer solution and are separated by a membrane containing at least one nanopore where the passage of topoisomerase and restriction enzyme is difficult (for example, because they are too large and/or because they are associated with the substrate in the first and second chambers, respectively), the synthesis is carried out in one cycle of attachment of single nucleotides or short oligonucleotide blocks to the first end of the nucleic acid having a first end and a second end, where the first end of the nucleic acid moves under the influence of electrical attraction between the connection points and a back-up camera, for example in one embodiment as follows:
(i) движение 5'-конца принимающей ДНК (например, двухцепочечной ДНК) в первую камеру для присоединения под действием электрической силы,(i) driving the 5' end of the host DNA (eg, double-stranded DNA) into the first chamber for attachment under the action of an electrical force,
(ii) предоставление в первой камере для присоединения нагруженного топоизомеразой донорного олигонуклеотида, где донорный олигонуклеотид содержит участок связывания топоизомеразы, информационную последовательность (например, выбранную из по меньшей мере двух различных нуклеотидов или последовательностей, например, где одна последовательность соответствует "0", а другая соответствует "1" в двоичном коде) и участок рестрикции, который при расщеплении ферментом рестрикции предоставляет участок лигирования топоизомеразы;(ii) providing in the first attachment chamber a topoisomerase-loaded donor oligonucleotide, wherein the donor oligonucleotide contains a topoisomerase binding site, an information sequence (e.g., selected from at least two different nucleotides or sequences, e.g., where one sequence corresponds to "0" and the other corresponds to "1" in binary) and a restriction site which, when cleaved with a restriction enzyme, provides a topoisomerase ligation site;
(iii) предоставление достаточного количества времени для лигирования донорного олигонуклеотида и, тем самым, продления приемной ДНК;(iii) allowing sufficient time to ligate the donor oligonucleotide and thereby extend the recipient DNA;
(iv) продвижение 5'-конца приемной ДНК, удлиненной таким образом, в резервную камеру, под действием электрической силы, например так, что фермент рестрикции расщепляет приемную ДНК, предоставляя участок лигирования топоизомеразы, или в случае присоединения единичного нуклеотида, деблокирующий агент, например фосфатаза, образует 5'-неблокированный нуклеотид на одноцепочечной ДНК; и(iv) advancing the 5' end of the recipient DNA thus extended into the reserve chamber by electrical force, such as so that the restriction enzyme cleaves the recipient DNA, providing a topoisomerase ligation site, or in the case of a single nucleotide addition, a deblocking agent, for example phosphatase, forms a 5'-unblocked nucleotide on single-stranded DNA; and
(v) повторение стадий (i)-(iv) цикла, присоединяя олигонуклеотиды, имеющие ту же или отличающуюся информационную последовательность до тех пор, пока не получат желаемую последовательность или последовательности ДНК.(v) repeating steps (i)-(iv) of the cycle by adding oligonucleotides having the same or different sequence information until the desired DNA sequence or sequences is obtained.
[0115] Например, изобретение относится к следующему[0115] For example, the invention relates to the following
2.1. Способ 2, где 3'-конец приемной ДНК связан вблизи нанопоры и 5'-конец приемного олигонуклеотида содержит участок лигирования топоизомеразы, и включающий стадию после стадии (iv), состоящую в присоединении дополнительного олигонуклеотида к 5'-концу приемной ДНК путем промывания первой камеры для присоединения и подачи нового нагруженного топоизомеразой донорного олигонуклеотида в первую камеру для присоединения, где новый донорный олигонуклеотид имеет информационную последовательность, отличающуюся от предшествующего донорного олигонуклеотида; и, если желательно, чтобы новый донорный олигонуклеотид присоединился к приемной ДНК, втягивание 5'-конца приемной нуклеиновой кислоты обратно в первую камеру и повторение стадий (i)-(iii), или, если не желательно, обеспечения возможности приемной ДНК оставаться во второй камере до тех пор, пока в первую камеру не поступит желаемый донорный олигонуклеотид.2.1.
2.2. Любой из вышеуказанных способов, где множество приемных молекул ДНК синтезируется независимо параллельно, так что молекулы ДНК, имеющие различные последовательности, получают путем контроля по отдельности, присутствуют ли они в первой камере.2.2. Any of the above methods, where a plurality of receiving DNA molecules are synthesized independently in parallel, so that DNA molecules having different sequences are obtained by checking separately whether they are present in the first chamber.
2.3. Любой из вышеуказанных способов, где множество приемных молекул ДНК, каждая из которых связана на 3'-конце с поверхностью вблизи нанопоры, синтезируется независимо, где каждая нанопора имеет ассоциированную с ней пару электродов, где один электрод в паре расположен вблизи одного конца нанопоры, а другой электрод расположен вблизи другого конца нанопоры, так что каждая приемная молекула ДНК независимо может перемещаться между первой и второй камерой под действием электрического тока, обеспечиваемого парой электродов.2.3. Any of the above methods, where a plurality of receiving DNA molecules, each of which is connected at the 3'-end to the surface near the nanopore, is synthesized independently, where each nanopore has a pair of electrodes associated with it, where one electrode in the pair is located near one end of the nanopore, and the other electrode is located near the other end of the nanopore, so that each receiving DNA molecule can independently move between the first and second chambers under the influence of an electric current provided by a pair of electrodes.
2.4. Любой из вышеуказанных способов, где донорные олигонуклеотиды, используемые на стадии (i) цикла, чередуются в каждом цикле между донорными олигонуклеотидами, содержащими первую информационную последовательность, и донорными олигонуклеотидами, содержащими вторую информационную последовательность.2.4. Any of the above methods wherein the donor oligonucleotides used in step (i) of the cycle alternate in each cycle between donor oligonucleotides containing a first information sequence and donor oligonucleotides containing a second information sequence.
2.5. Способ 2, включающий стадию присоединения дополнительного олигонуклеотида на 5'-конец принимающей ДНК путем возвращения 5'-конца принимающей ДНК в первую камеру для присоединения для добавления олигонуклеотида, имеющего ту же информационную последовательность, или перемещения 5'-конца принимающей ДНК во вторую камеру для присоединения, имеющую донорный олигонуклеотид, связанный на 3'-конце с топоизомеразой, где донорной олигонуклеотид во второй камере для присоединения имеет информационную последовательность, отличную от донорного олигонуклеотида в первой камере для присоединения.2.5.
2.6. Любой из вышеуказанных способов, где донорный олигонуклеотид содержит следующую структуру:2.6. Any of the above methods, where the donor oligonucleotide contains the following structure:
5' CGAAGGG <информационная последовательность A или B> GTCGACNNNNN5' CGAAGGG <data sequence A or B> GTCGACNNNNN
3' GCTTCCC <---------комплементарная последовательность----------> CAGCTGNNNNN3' GCTTCCC <---------complementary sequence----------> CAGCTGNNNNN
где N относится к любому нуклеотиду и фермент рестрикции представляет собой Acc1, который может разрезать ДНК (например, GTCGAC в вышеуказанной последовательности), обеспечивая подходящий выступающий конец.where N refers to any nucleotide and the restriction enzyme is Acc1, which can cut DNA (eg GTCGAC in the sequence above) to provide a suitable overhang.
2.7. Любой из вышеуказанных способов, где донорный олигонуклеотид имеет шпилечную структуру, например, 2.6, где группы NNNNN на верхней и нижней цепях соединены.2.7. Any of the above methods, where the donor oligonucleotide has a hairpin structure, for example, 2.6, where the NNNNN groups on the upper and lower strands are connected.
2.8. Любой из вышеуказанных способов, где по меньшей мере один из нагруженных топоизомеразой олигонуклеотидов имеет следующую структуру:2.8. Any of the above methods, wherein at least one of the topoisomerase-loaded oligonucleotides has the following structure:
5' CGAAGGG <информационная последовательность A или B> GTCGACNNNNN5' CGAAGGG <data sequence A or B> GTCGACNNNNN
3' *TTCCC <---------комплементарная последовательность----------> CAGCTGNNNNN3' *TTCCC <---------complementary sequence----------> CAGCTGNNNNN
(*=топоизомераза)(*=topoisomerase)
2.9. Любой из вышеуказанных способов, где по меньшей мере один из нагруженных топоизомеразой олигонуклеотидов имеет следующую структуру:2.9. Any of the above methods, wherein at least one of the topoisomerase-loaded oligonucleotides has the following structure:
5' pCACGTCAGGCGTATCCATCCCTT*5'pCACGTCAGGCGTATCCATCCCTT*
3' GTGCAGTCCGCATAGGTAGGGAAGCGC3' GTGCAGTCCGCATAGGTAGGGAAGGCGC
2.10. Предшествующий способ, где нагруженный топоизомеразой олигонуклеотид2.10. The foregoing method, wherein the topoisomerase-loaded oligonucleotide
2.11. Любой из вышеуказанных способов, где последовательность синтезированной ДНК определяется после каждого цикла путем детектирования изменения электрического потенциала, тока, сопротивления, емкости и/или импеданса по мере прохождения олигонуклеотида через нанопору.2.11. Any of the above methods, where the sequence of the synthesized DNA is determined after each cycle by detecting changes in electrical potential, current, resistance, capacitance and/or impedance as the oligonucleotide passes through the nanopore.
2.12. Любой из вышеуказанных способов, где синтез ДНК происходит в буферном растворе, например, растворе, содержащем буфер с pH 7-8,5, например приблизительно pH 8, например, буфер, содержащий трис(гидроксиметил)аминометан (Tris), подходящую кислоту и необязательно хелатор, например, этилендиаминтетрауксусную кислоту (EDTA), например, буфер TAE, содержащий смесь основания Tris, уксусной кислоты и EDTA, или буфер TBE, содержащий смесь основания Tris, борной кислоты и EDTA; например, раствор, содержащий 10 мМ Tris, pH 8, 1 мМ EDTA, 150 мМ KCl, или например, 50 мМ ацетат калия, 20 мМ Tris-ацетат, 10 мМ ацетат магния, pH 7,9 при 25°C.2.12. Any of the above methods wherein DNA synthesis takes place in a buffer solution, e.g. a solution containing a pH 7-8.5 buffer, e.g. approximately
2.13. Любой из вышеуказанных способов, дополнительно включающий удаление ДНК из наночипа.2.13. Any of the above methods, additionally including the removal of DNA from the nanochip.
2.14. Любой из вышеуказанных способов, включающий амплификацию ДНК, синтезированной таким образом.2.14. Any of the above methods, including amplification of the DNA thus synthesized.
2.15. Любой из вышеуказанных способов, дополнительно включающий удаление ДНК из наночипа и кристаллизацию ДНК.2.15. Any of the above methods, additionally including DNA removal from the nanochip and DNA crystallization.
2.16. Любой из вышеуказанных способов, дополнительно включающий стабилизацию ДНК, например, путем высушивания раствора, содержащего ДНК вместе с одним или более из буфера (например, боратный буфер), антиоксиданта, увлажнителя, например полиола, и необязательно хелатора, например, как описано в US 8283165 B2, включенной в настоящее описание в качестве ссылки, или путем формирования матрикса между нуклеиновой кислотой и полимером, таким как блок-сополимер полиэтиленгликоль-поли(l-лизин) (PEG-PLL) типа AB.2.16. Any of the above methods, further comprising stabilizing the DNA, for example by drying a solution containing the DNA together with one or more of a buffer (eg, borate buffer), an antioxidant, a humectant, such as a polyol, and optionally a chelator, for example, as described in US 8283165 B2, incorporated herein by reference, or by forming a matrix between the nucleic acid and a polymer such as a polyethylene glycol-poly(l-lysine) (PEG-PLL) type AB block copolymer.
2.17. Любой из вышеуказанных способов, включающий предоставление лигазы и ATP для устранения разрывов в ДНК [примечание: лигирование топоизомеразой лигирует только одну цепь].2.17. Any of the above methods, including the provision of ligase and ATP to repair DNA breaks [note: topoisomerase ligation only ligates one strand].
2.18. Любой из вышеуказанных способов, где нагруженный топоизомеразой донорный олигонуклеотид содержит 5'-выступающий конец на цепи, комплементарной цепи, имеющей топоизомеразу, содержащий последовательность полиинозина [примечание: остатки инозина выступают в качестве "универсальных оснований" и образуют пару с любым другим основанием].2.18. Any of the above methods wherein the topoisomerase-loaded donor oligonucleotide contains a 5' overhang on a strand complementary to the strand bearing the topoisomerase containing a polyinosine sequence [note: inosine residues act as "universal bases" and pair with any other base].
2.19. Любой из вышеуказанных способов, где фермент рестрикции представляет собой фермент рестрикции типа IIS, который может отщеплять всю присоединенную ДНК за исключением одного основания (основания, которое "присоединяется").2.19. Any of the above methods wherein the restriction enzyme is a type IIS restriction enzyme that can cleave all of the attached DNA except for one base (the base that is "attached").
2.20. Любой из вышеуказанных способов, где топоизомераза выбрана из топоизомеразы вируса коровьей оспы и топоизомеразы I SVF.2.20. Any of the above methods wherein the topoisomerase is selected from vaccinia topoisomerase and SVF topoisomerase I.
2.21. Любой из вышеуказанных способов, где топоизомераза вируса коровьей оспы (которая распознает (C/T)CCTT) используется для присоединения нуклеотидов dTTP, и топоизомераза I SVF (которая распознает CCCTG) используется для присоединения нуклеотидов dGTP, например, для обеспечения двоичного кода.2.21. Any of the above methods where vaccinia topoisomerase (which recognizes (C/T)CCTT) is used to attach dTTP nucleotides and SVF topoisomerase I (which recognizes CCCTG) is used to attach dGTP nucleotides, e.g. to provide a binary code.
2.22. Любой из вышеуказанных способов, где резервная камера дополнительно содержит лигазу и ATP для репарации цепи ДНК, не связанной с топоизомеразой.2.22. Any of the above methods, where the reserve chamber additionally contains a ligase and ATP for the repair of a DNA strand not associated with topoisomerase.
2.23. Любой из вышеуказанных способов, включающий применение ингибитора топоизомеразы ингибитор для подавления связывания и активности свободной топоизомеразы в отношении ДНК-олигомера, например, где ингибиторы выбраны из новобиоцина и коумермицина.2.23. Any of the above methods, comprising the use of a topoisomerase inhibitor inhibitor to inhibit the binding and activity of free topoisomerase against a DNA oligomer, for example, where the inhibitors are selected from novobiocin and coumermicin.
2.24. Любой из вышеуказанных способов, где цепь ДНК, предоставленная таким образом, имеет последовательность, содержащую тимидиновые (T) нуклеозиды и дезоксигуаниновые (G) нуклеозиды.2.24. Any of the above methods, wherein the DNA strand thus provided has a sequence containing thymidine (T) nucleosides and deoxyguanine (G) nucleosides.
2.25. Любой из вышеуказанных способов, где топоизомераза присоединяет одно основание, однако фермент рестрикции осуществляет расщепление в положении, которое находится на расстоянии одного нуклеотида в 5'-направлении от основания, присоединенного топоизомеразой.2.25. Any of the above methods, where the topoisomerase adds one base, however, the restriction enzyme cleaves at a position that is one nucleotide in the 5' direction from the base attached by the topoisomerase.
2.26. Любой из вышеуказанных способов, где цепь ДНК, предоставленная таким образом, имеет последовательность, содержащую последовательность динуклеотидов "TT" и "TG".2.26. Any of the above methods, wherein the DNA strand thus provided has a sequence containing the dinucleotide sequence "TT" and "TG".
2.27. Любой из вышеуказанных способов, который представляет собой способ синтеза молекулы ДНК путем присоединения единичных нуклеотидов в направлении от 3' к 5', включающий (i) реакцию молекулы ДНК c топоизомеразой, нагруженной желаемым нуклеотидом в 5'-защищенной форме, например, 5'-фосфорилированной форме, так что желаемый нуклеотид в 5'-защищенной форме присоединяется к 5'-концу ДНК, затем (ii) удаление защитной группы из 5'-конца ДНК, образованной таким образом, с использованием фермента фосфатазы, и повторение стадий (i) и (ii) до тех пор, пока не будет получена желаемая нуклеотидная последовательность.2.27. Any of the above methods, which is a method of synthesizing a DNA molecule by adding single nucleotides in the 3' to 5' direction, comprising (i) reacting the DNA molecule with a topoisomerase loaded with the desired nucleotide in a 5'-protected form, e.g., 5'- phosphorylated form so that the desired nucleotide in the 5' protected form is attached to the 5' end of the DNA, then (ii) removing the protecting group from the 5' end of the DNA thus formed using the phosphatase enzyme and repeating steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence is obtained.
2.28. Любой из вышеуказанных способов, который представляет собой способ синтеза молекулы ДНК путем присоединения олигомеров в направлении от 3' к 5', включающий (i) реакцию молекулы ДНК с топоизомеразой, нагруженной желаемым олигомером, тем самым лигируя олигомер с молекулой ДНК, затем (ii) использование фермента рестрикции для предоставления 5'-участка для опосредуемого топоизомеразой лигирования другого олигомера, и повторение стадий (i) и (ii) до тех пор, пока не будет получена желаемая нуклеотидная последовательность.2.28. Any of the above methods, which is a method for synthesizing a DNA molecule by adding oligomers in the 3' to 5' direction, comprising (i) reacting the DNA molecule with a topoisomerase loaded with the 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 nucleotide sequence is obtained.
2.29. Любой из вышеуказанных способов, который представляет собой способ согласно любому из способа A и т.д.2.29. Any of the above methods, which is the method according to any of Method A, etc.
[0116] Продукт реакций синтеза можно детектировать, изучать для контроля качества и считывать для извлечения данных, закодированных в полимере. Например, ДНК можно амплифицировать и секвенировать общепринятыми способами для подтверждения того, что секвенирование в нанопоре является надежным.[0116] The product of the synthesis reactions can be detected, studied for quality control, and read to extract data encoded in the polymer. For example, DNA can be amplified and sequenced by conventional methods to confirm that nanopore sequencing is reliable.
[0117] В другом варианте осуществления изобретение относится к олигонуклеотиду, содержащему участок связывания топоизомеразы, информационную последовательность (например, выбранную по меньшей мере из двух различных последовательностей, например, где одна последовательность соответствует "0", а другая соответствует "1" в двоичном коде), и участок рестрикции, который при расщеплении ферментом рестрикции обеспечивает участок лигирования топоизомеразой, например, содержащий следующую последовательность:[0117] In another embodiment, the invention relates to an oligonucleotide containing a topoisomerase binding site, an information sequence (for example, selected from at least two different sequences, for example, where one sequence corresponds to "0" and the other corresponds to "1" in binary code ), and a restriction site which, when cleaved with a restriction enzyme, provides a topoisomerase ligation site, for example, containing the following sequence:
5' CGAAGGG <информационная последовательность A или B> GTCGAC5' CGAAGGG <data sequence A or B> GTCGAC
3' GCTTCCC <---------комплементарная последовательность----------> CAGCTG3' GCTTCCC <---------complementary sequence----------> CAGCTG
где информационная последовательность A или B представляет собой последовательность из 3-12, например, приблизительно 8 нуклеотидов.where the information sequence A or B is a sequence of 3-12, for example, approximately 8 nucleotides.
[0118] В другом варианте осуществления изобретение относится к нагруженному топоизомеразой олигонуклеотиду, где олигонуклеотид содержит участок связывания топоизомеразы, информационную последовательность (например, выбранную по меньшей мере из двух различных последовательностей, например, где одна последовательность соответствует "0", а другая соответствует "1" в двоичном коде), и участок рестрикции, который при расщеплении ферментом рестрикции обеспечивает участок лигирования топоизомеразой; например, к нагруженному топоизомеразой олигонуклеотиду, имеющему следующую структуру:[0118] In another embodiment, the invention relates to a topoisomerase-loaded oligonucleotide, wherein the oligonucleotide contains a topoisomerase binding site, an information sequence (e.g., selected from at least two different sequences, e.g., where one sequence corresponds to "0" and the other corresponds to "1 " in binary code), and a restriction site which, when cleaved by a restriction enzyme, provides a ligation site for topoisomerase; for example, to a topoisomerase-loaded oligonucleotide having the following structure:
5' CGAAGGG <информационная последовательность A или B> GTCGACNNNNN5' CGAAGGG <data sequence A or B> GTCGACNNNNN
3' *TTCCC <---------комплементарная последовательность----------> CAGCTGNNNNN3' *TTCCC <---------complementary sequence----------> CAGCTGNNNNN
где информационная последовательность A или B представляет собой последовательность из 3-12, например, приблизительно 8 нуклеотидов и * представляет собой топоизомеразу, ковалентно связанную с олигонуклеотидом; например, где топоизомераза представляет собой топоизомеразу I вируса коровьей оспы.where the information sequence A or B is a sequence of 3-12, for example, approximately 8 nucleotides and * is a topoisomerase covalently linked to the oligonucleotide; for example, where the topoisomerase is vaccinia topoisomerase I.
[0119] В другом варианте осуществления изобретение относится к одноцепочечной или двухцепочечной молекуле ДНК, как описано выше, где единичная цепь или кодирующая последовательность по существу состоит из негибридизующихся оснований, например, остатков аденина и цитозина (A и C), которые организованы в виде последовательности, соответствующей двоичному коду, например, для применения в способе хранения данных. Например, изобретение относится к ДНК (ДНК 1), где ДНК является одноцепочечной или двухцепочечной, имеющей длину по меньшей мере 1000 нуклеотидов, например, 1000-1000000 нуклеотидов или, например, от 5000 до 20000 нуклеотидов, где последовательность нуклеотидов соответствует двоичному коду; например,[0119] In another embodiment, the invention relates to a single-stranded or double-stranded DNA molecule as described above, wherein the single strand or coding sequence is essentially composed of non-hybridizing bases, e.g., adenine and cytosine residues (A and C), which are organized as a sequence , corresponding to the binary code, for example, for use in a data storage method. For example, the invention relates to DNA (DNA 1), where the DNA is single-stranded or double-stranded, having a length of at least 1000 nucleotides, for example, 1000-1000000 nucleotides or, for example, from 5000 to 20000 nucleotides, where the nucleotide sequence corresponds to the binary code; For example,
1.1. ДНК 1, где ДНК является одноцепочечной.1.1.
1.2. ДНК 1, где ДНК является двухцепочечной.1.2.
1.3. Любая из вышеуказанных ДНК, где нуклеотиды в единичной цепи или в кодирующей цепи выбраны из адениновых, тиминовых и цитозиновых нуклеотидов, например, выбраны из адениновых и цитозиновых нуклеотидов или тиминовых и цитозиновых нуклеотидов.1.3. Any of the above DNA wherein the nucleotides in the single strand or in the coding strand are selected from adenine, thymine and cytosine nucleotides, for example, selected from adenine and cytosine nucleotides or thymine and cytosine nucleotides.
1.4. Любая из вышеуказанных ДНК, состоящая в основном из негибридизующихся нуклеотидов, так что она не образует существенные вторичные структуры в форме единичной цепи.1.4. Any of the above DNA consisting primarily of non-hybridizing nucleotides, so that it does not form significant secondary structures in the form of a single strand.
1.5. Любая из вышеуказанных ДНК, где нуклеотиды по меньшей мере на 95%, например на 99%, например, на 100% представляют собой адениновые и цитозиновые нуклеотиды.1.5. Any of the above DNA wherein the nucleotides are at least 95%, eg 99%, eg 100% adenine and cytosine nucleotides.
1.6. Любая из вышеуказанных ДНК, содержащая нуклеотид или последовательность нуклеотидов, добавляемую для разделения или прерывания нуклеотидов, соответствующих двоичному коду, например, для разделения 1-ц и 0-ей или групп 1-ц и 0-ей, так чтобы последовательные 1-цы или 0-и было легче считывать.1.6. Any of the above DNA containing a nucleotide or sequence of nucleotides added to separate or interrupt nucleotides corresponding to a binary code, for example, to separate 1s and 0s, or groups of 1s and 0s, so that consecutive 1s or 0 was easier to read.
1.7. Любая из вышеуказанных ДНК, где (a) каждый бит в двоичном коде соответствует одному нуклеотиду, например, каждый из 1 и 0 соответствует A или C; или (b) каждый бит в двоичном коде соответствует серии из более чем 1 нуклеотида, например, из 2, 3 или 4 нуклеотидов, например, AAA или CCC.1.7. Any of the above DNA, where (a) each bit in the binary code corresponds to one nucleotide, for example, each of 1 and 0 corresponds to A or C; or (b) each bit in the binary code corresponds to a series of more than 1 nucleotide, eg 2, 3 or 4 nucleotides, eg AAA or CCC.
1.8. Любая из вышеуказанных ДНК, которая является кристаллизованной.1.8. Any of the above DNA that is crystallized.
1.9. Любая из вышеуказанных ДНК, которая предоставлена в сухой форме вместе с одним или более из буферной соли (например, боратный буфер), антиоксиданта, увлажнителя, например, полиола, и необязательно хелатора, например, как описано в US 8283165 B2, включенной в настоящее описание в качестве ссылки; и/или в матриксе между нуклеиновой кислотой и полимером, таким как блок-сополимер полиэтиленгликоль-поли(l-лизин) (PEG-PLL) типа AB; и/или вместе с комплементарной цепью нуклеиновой кислоты или белком, который связывает ДНК.1.9. Any of the above DNA that is provided in dry form along with one or more of a buffer salt (eg, borate buffer), an antioxidant, a humectant, such as a polyol, and optionally a chelator, such as those described in US 8,283,165 B2, incorporated herein as a reference; and/or in a matrix between the nucleic acid and a polymer such as a polyethylene glycol-poly(l-lysine) (PEG-PLL) type AB block copolymer; and/or together with a complementary nucleic acid strand or protein that binds DNA.
1.10. Любая из вышеуказанных ДНК, полученная любым из способа 1 и т.д., или способа 2 и т.д, или способа A и т.д.1.10. Any of the above DNA obtained by any of
[0120] Наночипы можно изготавливать, например, как изображено на фиг.23-29. Например, в одном формате каждая цепь полимера ассоциирована с двумя или четырьмя камерами для присоединения, где формат с двумя камерами для присоединения пригоден для кодирования двоичного кода в полимере и формат с четырьмя камерами для присоединения является особенно пригодным для получения специализированных последовательностей ДНК. Каждая камера для присоединения содержит отдельно контролируемый электрод. Камеры для присоединения содержат реагенты для присоединения мономеров к полимеру в буфере. Камеры для присоединения разделены мембраной, содержащей одну или более нанопор, от резервной камеры, которая может быть общей для нескольких камер для присоединения и которая содержит реагенты для удаления защитной группы и буфер, для удаления защитной группы из защищенных мономеров или олигомеров, присоединенных в камерах для присоединения. Наночипы содержат множество групп камер для присоединения, чтобы обеспечить параллельный синтез множества полимеров.[0120] Nanochips can be made, for example, as shown in Fig.23-29. For example, in one format, each polymer strand is associated with two or four attachment chambers, where the two attachment chamber format is suitable for encoding a binary code in the polymer and the four attachment chamber format is particularly suitable for obtaining specialized DNA sequences. Each attachment chamber contains a separately controlled electrode. Attachment chambers contain reagents for attaching monomers to polymer in a buffer. Attachment chambers are separated by a membrane containing one or more nanopores from a reserve chamber which may be common to several attachment chambers and which contains deprotection reagents and a buffer to deprotect protected monomers or oligomers attached in attachment chambers. accessions. The nanochips contain multiple groups of attachment chambers to enable parallel synthesis of multiple polymers.
[0121] Для разрешения, соответствующего одному основанию ДНК, важен высокоскоростной и малошумный сенсор с нанопорами и электроника для детектирования. В определенных вариантах осуществления наночип электрически связан с дополняющим полупроводниковым металл-оксидным чипом (CMOS). Твердофазные нанопоры могут быть интегрированы в платформу CMOS вблизи электродов смещения и специализированной усиливающей электроники, например, как описано в Uddin, et al., ʺIntegration of solid-state nanopores in a 0,5 μm cmos foundry processʺ, Nanotechnology (2013) 24(15): 155501, содержание которых включено в настоящее описание в качестве ссылки.[0121] For resolution corresponding to one DNA base, a high-speed and low-noise nanopore sensor and detection electronics are important. In certain embodiments, the nanochip is electrically coupled to a complementary semiconductor metal oxide (CMOS) chip. Solid-state nanopores can be integrated into a CMOS platform near bias electrodes and dedicated gain electronics, for example, 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 into the present description by reference.
[0122] В другом варианте осуществления изобретение относится к наночипу (наночип 1) для синтеза и/или секвенирования электрически заряженного полимера, например ДНК, содержащего по меньшей мере два различных мономера, причем наночип содержит по меньшей мере первую и вторую реакционные камеры, разделенные мембраной, содержащей одну или более нанопор, где каждая реакционная камера содержит один или более электродов для втягивания электрически заряженного полимера в камеру и, кроме того, содержит электролитную среду и необязательно реагенты для присоединения мономеров к полимеру, например,[0122] In another embodiment, the invention relates to a nanochip (nanochip 1) for the synthesis and/or sequencing of an electrically charged polymer, such as DNA, containing at least two different monomers, the nanochip comprising at least first and second reaction chambers separated by a membrane containing one or more nanopores, where each reaction chamber contains one or more electrodes for drawing an electrically charged polymer into the chamber and, in addition, contains an electrolyte medium and optional reagents for attaching monomers to the polymer, for example,
1.1. Наночип 1, где нанопора имеет диаметр 2-20 нм, например 2-10 нм, например 2-5 нм.1.1.
1.2. Любой из вышеуказанных наночипов, где некоторые или все из стенок реакционных камер наночипа содержат кремниевый материал, например, кремний, диоксид кремния, нитрид кремния или их комбинации, например, нитрид кремния.1.2. Any of the above nanochips, where some or all of the walls of the reaction chambers of the nanochip contain silicon material, such as silicon, silicon dioxide, silicon nitride, or combinations thereof, such as silicon nitride.
1.3. Любой из вышеуказанных наночипов, где некоторые или все из стенок реакционных камер наночипа содержат кремниевый материал, например, кремния, диоксид кремния, нитрид кремния или их комбинации, например, нитрид кремния, и некоторые или все из нанопор изготовлены посредством бомбардировки ионами.1.3. Any of the above nanochips, where some or all of the walls of the reaction chambers of the nanochip contain silicon material, such as silicon, silicon dioxide, silicon nitride, or combinations thereof, such as silicon nitride, and some or all of the nanopores are made by ion bombardment.
1.4. Любой из вышеуказанных наночипов, где некоторые или все из нанопор состоят из порообразующего белка, α-гемолизина, в мембране, например, липидном бислое.1.4. Any of the above nanoarrays, where some or all of the nanopores are composed of a pore-forming protein, α-hemolysin, in a membrane, such as a lipid bilayer.
1.5. Любой из вышеуказанных наночипов, где некоторые или все из стенок реакционных камер являются покрытыми для минимизации взаимодействий с реагентами, например, покрыты полимером, таким как полиэтиленгликоль, или белком, таким как бычий сывороточный альбумин.1.5. Any of the above nanochips, where some or all of the walls of the reaction chambers are coated to minimize interactions with reagents, for example coated with a polymer such as polyethylene glycol or a protein such as bovine serum albumin.
1.6. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий электролитную среду.1.6. Any of the above nanochips containing an electrolyte medium.
1.7. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий электролитную среду, содержащую буфер, например, буфер с pH 7-8,5, например, приблизительно pH 8, например, буфер, содержащий трис(гидроксиметил)аминометан (Tris), подходящую кислоту и необязательно хелатор, например, этилендиаминтетрауксусную кислоту (EDTA), например, буфер TAE, содержащий смесь основания Tris, уксусной кислоты и EDTA, или буфер TBE, содержащий смесь оснований Tris, борной кислоты и EDTA; например, раствор, содержащий 10 мМ Tris pH 8, 1 мМ EDTA, 150 мМ KCl, или, например, 50 мМ ацетат калия, 20 мМ Tris-ацетат, 10 мМ ацетат магния, pH 7,9, при 25°C.1.7. Any of the above nanochips containing an electrolyte medium containing a buffer, e.g. a buffer with pH 7-8.5, e.g. approximately
1.8. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий реагенты для присоединения мономеров к полимеру.1.8. Any of the above nanochips containing reagents for attaching monomers to a polymer.
1.9. Любой из вышеуказанных наночипов, способный как синтезировать (ʺзаписыватьʺ, например, посредством последовательного присоединения мономеров или групп мономеров к полимеру) и секвенирования (ʺсчитыванияʺ, например, путем измерения изменений тока и/или индуктивности по мере прохождения мономеров через нанопору) полимера.1.9. Any of the above nanochips capable of both synthesizing ('writing', for example, by sequentially attaching monomers or groups of monomers to a polymer) and sequencing ('reading', for example, by measuring changes in current and/or inductance as monomers pass through a nanopore) of a polymer.
1.10. Любой из вышеуказанных наночипов, где мембрана, содержащая одну или более нанопор, содержит металлическую поверхность на обеих сторонах, причем металлическая поверхность разделена изолирующим материалом, например, мембраной из нитрида кремния, причем поверхности металла организованы, например, способами литографии, для предоставления электродов на каждой стороне каждой нанопоры, например, так что в электролитной среде может быть сгенерирован электрический ток через нанопору, например, так что ток может втянуть полимер через нанопору и по мере прохождения полимера через нанопору изменение электрического потенциала через нанопору может быть измерено и использовано для идентификации последовательности мономеров в полимере.1.10. Any of the above nanochips, where the membrane containing one or more nanopores contains a metal surface on both sides, and the metal surface is separated by an insulating material, for example, a silicon nitride membrane, and the metal surfaces are organized, for example, by lithography techniques, to provide electrodes on each side of each nanopore, for example, so that in the electrolyte environment an electrical current can be generated through the nanopore, for example, so that the current can draw the polymer through the nanopore and as the polymer passes through the nanopore, the change in electrical potential through the nanopore can be measured and used to identify the sequence of monomers in polymer.
1.11. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий электрически заряженный полимер, который представляет собой ДНК.1.11. Any of the above nanochips containing an electrically charged polymer, which is DNA.
1.12. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий электрически заряженный полимер, который представляет собой одноцепочечную ДНК (оцДНК).1.12. Any of the above nanochips containing an electrically charged polymer that is single-stranded DNA (ssDNA).
1.13. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий электрически заряженный полимер, который представляет собой ДНК, содержащую определенный участок рестрикции.1.13. Any of the above nanochips containing an electrically charged polymer, which is DNA containing a specific restriction site.
1.14. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий электрически заряженный полимер, который представляет собой ДНК, где ДНК представляет собой ДНК, как описано для любой из ДНК 1 и т.д., выше.1.14. Any of the above nanochips containing an electrically charged polymer that is DNA, where DNA is DNA, as described for any of
1.15. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий электрически заряженный полимер, который представляет собой ДНК, где ДНК по меньшей мере на 95%, например на 99%, например, на 100% состоит из остатков аденина и цитозина.1.15. Any of the above nanochips containing an electrically charged polymer, which is DNA, where the DNA is at least 95%, for example 99%, for example 100% consists of adenine and cytosine residues.
1.16. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий электрически заряженный полимер, который представляет собой ДНК, где ДНК содержит только остатки аденина и цитозина.1.16. Any of the above nanochips containing an electrically charged polymer, which is DNA, where the DNA contains only adenine and cytosine residues.
1.17. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий одно или более отверстий для возможности подачи и слива буфера и реагентов.1.17. Any of the above nanochips containing one or more holes for the possibility of supplying and draining the buffer and reagents.
1.18. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий буферный раствор, например, раствор, содержащий буфер для pH 7-8,5, например, приблизительно pH 8, например, буфер, содержащий трис(гидроксиметил)аминометан (Tris), подходящую кислоту и необязательно хелатор, например, этилендиаминтетрауксусную кислоту (EDTA), например, буфер TAE, содержащий смесь основания Tris, уксусной кислоты и EDTA, или буфер TBE, содержащий смесь оснований Tris, борной кислоты и EDTA; например, раствор, содержащий 10 мМ Tris pH 8, 1 мМ EDTA, 150 мМ KCl, или, например, 50 мМ ацетат калия, 20 мМ Tris-ацетат, 10 мМ ацетат магния, pH 7,9, при 25°C.1.18. Any of the above nanochips containing a buffer solution, for example, a solution containing a buffer for pH 7-8.5, for example, approximately
1.19. Любой из вышеуказанных наночипов, который представляет собой или способен к лиофилизации для хранения, а затем регидратации, например, структура наночипа содержит гидратируемый или водопроницаемый полимер.1.19. Any of the above nanochips that is or is capable of being lyophilized for storage and then rehydration, for example, the nanochip structure contains a hydratable or water-permeable polymer.
1.20. Любой из вышеуказанных наночипов, который синтезирован в сухой форме, например, где структура наночипа содержит гидратируемый или водопроницаемый полимер, с последующей гидратацией перед применением, необязательно с последующей лиофилизацией для длительного хранения после завершения процесса записывания.1.20. Any of the above nanochips that are synthesized in dry form, for example, where the nanochip structure contains a hydratable or water-permeable polymer, followed by hydration before use, optionally followed by lyophilization for long-term storage after the writing process is complete.
1.21. Любой из вышеуказанных наночипов, где электрически заряженный полимер, например, ДНК, стабилизирован гистоном.1.21. Any of the above nanochips where an electrically charged polymer such as DNA is stabilized with a histone.
1.22. Любой из вышеуказанных наночипов, где внутренняя поверхность положительно заряжена.1.22. Any of the above nanochips where the inner surface is positively charged.
1.23. Любой из вышеуказанных наночипов, где электроды функционально соединены в емкостной цепи, способной обеспечивать радиочастотный пульсирующий прямой ток, например, с частотой от 1 МГц до 1 ГГц, например 50-200 МГц, например приблизительно 100 МГц, через нанопору, например, где пульсирующий прямой ток может втягивать заряженный полимер через нанопору и последовательность мономеров может быть определена путем измерения изменения емкости через нанопору по мере прохождения заряженного полимера через нанопору.1.23. Any of the above nanochips where the electrodes are operatively connected in a capacitive circuit capable of delivering RF pulsating direct current, e.g., 1 MHz to 1 GHz, e.g. 50-200 MHz, e.g. approximately 100 MHz, through a nanopore, e.g. a current can draw a charged polymer through the nanopore, and the sequence of monomers can be determined by measuring the change in capacitance through the nanopore as the charged polymer passes through the nanopore.
1.24. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий резервную или деблокирующую камеру, которая содержит реагенты для удаления защитной группы из полимера после присоединения мономера или олигомера в одной из камер для присоединения.1.24. Any of the above nanochips containing a backup or deblocking chamber that contains reagents for deprotecting the polymer after the attachment of a monomer or oligomer in one of the attachment chambers.
1.25. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий множество пар камер для присоединения.1.25. Any of the above nanochips containing multiple pairs of chambers to attach.
1.26. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий слой электрорегулирования, флюидный слой и слой заземления, например, как представлено на фиг.24, соединенные сращиванием.1.26. Any of the above nanochips containing an electrical control layer, a fluid layer and a ground layer, for example, as shown in Fig.24, connected by splicing.
1.27. Любой из вышеуказанных наночипов, где нанопора выполнена просверливанием посредством FIB, TEM, влажной или сухой гравировки.1.27. Any of the above nanochips where the nanopore is drilled through FIB, TEM, wet or dry engraving.
1.28. Любой из вышеуказанных наночипов, где мембрана, содержащая нанопоры, имеет толщину от 1 атомного слоя до 30 нм.1.28. Any of the above nanochips, where the membrane containing nanopores has a thickness from 1 atomic layer to 30 nm.
1.29. Любой из вышеуказанных наночипов, где мембрана, содержащая нанопоры, изготовлена из SiN, BN, SiOx, графена, дихалькогенидов переходных металлов, например, WS2 или MoS2.1.29. Any of the above nanochips, where the membrane containing nanopores is made of SiN, BN, SiOx, graphene, transition metal dichalcogenides, such as WS 2 or MoS 2 .
1.30. Любой из вышеуказанных наночипов, содержащий проводку, изготовленную из металла или поликремния.1.30. Any of the above nanochips containing wires made of metal or polysilicon.
1.31. Любой из вышеуказанных наночипов, где плотность проводки увеличена путем 3D-укладки, причем электрическая изоляция обеспечивается покрытием диэлектриком (например, через PECVD, распыление, ALD и т.д.).1.31. Any of the above nanochips where the wiring density is increased by 3D stacking, with electrical isolation provided by dielectric coating (eg via PECVD, sputtering, ALD, etc.).
1.32. Любой из вышеуказанных наночипов, где контакт с электродом в камере для присоединения осуществляется с использованием переходных отверстий в кремнии (TSV) посредством глубокой гравировки реактивными ионами (DRIE), например. с использованием крио-процесса или процесса BOSC, или посредством влажной кремниевой гравировки.1.32. Any of the above nanochips where contact with the electrode in the attachment chamber is made using silicon vias (TSV) via reactive ion deep engraving (DRIE), for example. using cryo process or BOSC process, or wet silicon engraving.
1.33. Любой из вышеуказанных наночипов, где индивидуальный контроль напряжения для электрода в каждой камере для присоединения позволяет индивидуальный контроль и мониторинг электрода в каждой камере для присоединения.1.33. Any of the above nanochips where individual voltage control for the electrode in each attachment chamber allows individual control and monitoring of the electrode in each attachment chamber.
1.34. Любой из вышеуказанных наночипов, где каждый полимер ассоциирован с первой камерой для присоединения, второй камерой для присоединения и деблокирующей камерой.1.34. Any of the above nanochips, where each polymer is associated with a first attachment chamber, a second attachment chamber, and a deblocking chamber.
1.35. Любой из вышеуказанных наночипов, где одна или более камер имеют поток жидкости.1.35. Any of the above nanochips where one or more chambers have fluid flow.
1.36. Любой из вышеуказанных наночипов, где одна или более камер изолированы в отношении жидкостей.1.36. Any of the above nanochips, where one or more chambers are sealed against liquids.
1.37. Любой из вышеуказанных наночипов, где деблокирующая камера имеет поток жидкости.1.37. Any of the above nanochips where the deblocking chamber has a fluid flow.
1.38. Любой из вышеуказанных наночипов, где камеры для присоединения имеют общий поток жидкости.1.38. Any of the above nanochips where the attachment chambers share a common fluid flow.
1.39. Любой из вышеуказанных наночипов, где проводка между камерами является общей для камер сходного типа (например, для первых камер для присоединения, для вторых камер для присоединения и для деблокирующих камер).1.39. Any of the above nanochips where the wiring between the chambers is common to chambers of a similar type (eg, first attachment chambers, second attachment chambers, and deblocking chambers).
1.40. Любой из вышеуказанных наночипов, где камеры для присоединения имеют индвидуальный контроль напряжения и деблокирующие камеры имеют общее заземление.1.40. Any of the above nanochips where the attachment chambers have individual voltage control and the deblocking chambers share a common ground.
1.41. Любой из вышеуказанных наночипов, где деблокирующие камеры имеют индивидуальный контроль напряжения, первые камеры для присоединения имеют общее заземление, и вторые камеры для присоединения имеют общее заземление.1.41. Any of the above nanochips where the deblocking chambers have individual voltage control, the first attachment chambers have a common ground, and the second attachment chambers have a common ground.
1.42. Любой из вышеуказанных наночипов, где наночип изготовлен путем сращивания слоев, и камеры предварительно заполняют желаемыми реагентами перед сращиванием.1.42. Any of the above nanochips where the nanochip is made by layer splicing and the chambers are pre-filled with desired reagents prior to splicing.
1.43. Любой из вышеуказанных наночипов, где одна или более внутренних поверхностей являются силанизированными.1.43. Any of the above nanochips where one or more internal surfaces are silanized.
1.44. Любой из вышеуказанных наночипов, который имеет одно или более отверстий для подачи или извлечения жидкости.1.44. Any of the above nanochips that has one or more openings for fluid inlet or outlet.
1.45. Любой из вышеуказанных наночипов, где контакт электродов в камерах с полимером ограничен, например, где электрод помещен слишком далеко от нанопоры, чтобы его достиг заряженный полимер, связанный с поверхностью рядом с нанопорой, или где электрод защищен материалом, который позволяет прохождение воды и одноатомных ионов (например, ионов Na+, K+ и Cl-), но не прохождение полимера, или мономерных или олигомерных реагентов, подлежащих связыванию с полимером.1.45. Any of the above nanochips where the contact of the electrodes in the chambers with the polymer is limited, such as where the electrode is placed too far from the nanopore to be reached by the charged polymer bound to the surface next to the nanopore, or where the electrode is protected by a material that allows the passage of water and monatomic ions (eg Na+, K+ and Cl- ions), but not the passage of the polymer, or monomeric or oligomeric reagents to be bound to the polymer.
1.46. Любой из вышеуказанных наночипов, который электрически связан с дополняющим полупроводниковым металл-оксидным чипом (CMOS).1.46. Any of the above nanochips that is electrically coupled to a complementary semiconductor metal oxide (CMOS) chip.
[0123] Например, в одном варианте осуществления изобретение относится к наночипу, например, согласно любому из наночипа 1 и т.д., для секвенирования электрически заряженного полимера, например ДНК, содержащего по меньшей мере два различных мономера, причем наночип содержит по меньшей мере первую и вторую реакционные камеры, содержащие электролитную среду и разделенные мембраной, содержащей одну или более нанопор, где каждая реакционная камера содержит по меньшей мере одну пару электродов, размещенную на противоположных сторонах мембраны, где электроды функционально соединены в емкостном контуре, способном генерировать радиочастотный пульсирующий прямой ток, например, с частотой от 1 МГц до 1 ГГц, например 50-200 МГц, например, приблизительно 100 МГц, через нанопору, например, где пульсирующий прямой ток может втягивать заряженный полимер через нанопору и последовательность мономеров может быть определена путем измерения изменения емкости через нанопору по мере прохождения заряженного полимера через нанопору.[0123] For example, in one embodiment, the invention relates to a nanochip, for example, according to any of
[0124] В другом варианте осуществления, изобретение относится к способу считывания последовательности мономеров заряженного полимера, содержащего по меньшей мере два различных типа мономеров, например, молекулы ДНК, включающему применение радиочастотного пульсирующего прямого тока, например, с частотой от 1 МГц до 1 ГГц, например 50-200 МГц, например, приблизительно 100 МГц, через нанопору, где пульсирующий прямой ток втягивает заряженный полимер через нанопору и последовательность мономеров считывается путем измерения изменения емкости через нанопору по мере прохождения полимера через нанопору.[0124] In another embodiment, the invention relates to a method for reading the monomer sequence of a charged polymer containing at least two different types of monomers, for example, DNA molecules, including the use of radio frequency pulsed direct current, for example, with a frequency of from 1 MHz to 1 GHz, eg 50-200 MHz, eg approximately 100 MHz, through a nanopore where a pulsating forward current draws a charged polymer through the nanopore and the sequence of monomers is read by measuring the change in capacitance through the nanopore as the polymer passes through the nanopore.
[0125] В другом варианте осуществления, изобретение относится к применению любой из ДНК 1 и т.д. в способе хранения информации.[0125] In another embodiment, the invention relates to the use of any of
[0126] В другом варианте осуществления изобретение относится к применению одноцепочечной ДНК в способе хранения информации, например, где последовательность по существу не является самогибридизующейся.[0126] In another embodiment, the invention relates to the use of single-stranded DNA in a method for storing information, for example, where the sequence is essentially not self-hybridizing.
[0127] В другом варианте осуществления, изобретение относится к способу хранения данных и к устройству с использованием наночипа, например, любого из наночипа 1 и т.д., для получения электрически заряженного полимера, например ДНК, содержащего по меньшей мере два различных мономера или олигомера, где мономеры или олигомеры организованы в виде последовательности, соответствующей двоичному коду, например, в соответствии с любым из вышеуказанных способов 1 и/или 2 и т.д.[0127] In another embodiment, the invention relates to a data storage method and apparatus using a nanochip, such as any of
[0128] Например, в одном варианте осуществления наночип, содержащий полимер, синтезированный таким образом, обеспечивает устройство хранения данных, поскольку наночип может быть активирован и последовательность полимера может быть определена путем пропускания его через нанопору в любой момент времени. В других вариантах осуществления полимер извлекается из наночипа, или амплифицируется и амплифицированный полимер извлекается из наночипа, хранится до тех пор, пока не потребуется, а затем считывается с использованием общепринятого секвенатора, например, общепринятого секвенирующего устройства с нанопорами.[0128] For example, in one embodiment, a nanochip containing a polymer thus synthesized provides a storage device because the nanochip can be activated and the sequence of the polymer can be determined by passing it through the nanopore at any time. In other embodiments, the polymer is extracted from the nanoarray, or amplified and the amplified polymer is extracted from the nanoarray, stored until needed, and then read using a conventional sequencer, such as a conventional nanopore sequencing device.
[0129] В другом варианте осуществления, изобретение относится к способу хранения информации, включающему синтез любой из ДНК 1 и т.д., например, в соответствии с любым из способов 1 и т.д. или способов 2 и т.д.[0129] In another embodiment, the invention relates to a method for storing information, including the synthesis of any of the
[0130] В другом варианте осуществления, изобретение относится к способу считывания двоичного кода, например, кодируемого любой из ДНК 1 и т.д., с использованием секвенатора с нанопорами, например с использованием наночипа 1 и т.д., как описано в настоящем описании.[0130] In another embodiment, the invention relates to a method for reading a binary code, e.g., encoded by any of
[0131] Любой из вышеуказанных способов, где наночип стирается с использованием фермента, который лизирует заряженный полимер, например, дезоксирибонуклеазы (ДНК-азы) для гидролиза ДНК.[0131] Any of the above methods, where the nanochip is erased using an enzyme that lyses the charged polymer, such as deoxyribonuclease (DNAse) to hydrolyze DNA.
ПРИМЕРЫEXAMPLES
Пример 1. Иммобилизация одного конца ДНК рядом с нанопорой и контролируемое движение ДНК с одну и в другую сторону с помощью электрического токаExample 1. Immobilization of one end of DNA next to a nanopore and controlled movement of DNA from one side to the other using an electric current
[0132] Разработаны экспериментальные методики для демонстрации того, что ДНК перемещается в одну и в другую стороны между двумя камерами, разделенными нанопорой, при помощи электрического тока в условиях, в которых соответствующий белок не перемещается между камерами.[0132] Experimental techniques have been developed to demonstrate that DNA moves back and forth between two chambers separated by a nanopore using electric current under conditions in which the corresponding protein does not move between chambers.
[0133] Наночип, содержащий две камеры, изготавливают из нитрида кремния. Нанопоры размером <4 нм (для дцДНК или оцДНК) и 2 нм (только для оцДНК) получают, как описано в Briggs K, et al. Automated fabrication of 2-nm solid-state nanopores for nucleic acid analysis, Small (2014)10(10):2077-86. Эти две камеры обозначены как "ближняя" и "дальняя" камера, причем дальняя камера представляет собой камеру, в которой 3'-конец ДНК конъюгирован.[0133] A nanochip containing two chambers is made from silicon nitride. Nanopores <4 nm (for dsDNA or ssDNA) and 2 nm (for ssDNA only) are 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. These two chambers are referred to as "near" and "far" chamber, with the far chamber being the chamber in which the 3' end of the DNA is conjugated.
[0134] Показано, что оцДНК (пора размером 2 нм) и оцДНК+дцДНК (пора размером 4 нм), но не белок проходят через нанопору. Прохождение через нанопоры детектируют по прекращению электрического тока.[0134] ssDNA (2 nm pore) and ssDNA+dsDNA (4 nm pore), but not protein, have been shown to pass through the nanopore. Passage through the nanopores is detected by the termination of the electric current.
[0135] Конъюгация ДНК с поверхностью поры: Присоединение 5'-амино-модифицированной ДНК к покрытым карбоксигруппами полистироловым гранулам (карбоксилатные микросферы Fluoresbrite® BB, 0,05мкм, от Polysciences, Inc.) посредством карбодиимид-опосредуемого присоединения. 3'-конец ДНК метят биотином. ДНК имеет заданную длину.[0135] Pore Surface DNA Conjugation: Attachment of 5'-amino-modified DNA to carboxy-coated polystyrene beads (Fluoresbrite® BB carboxylate microspheres, 0.05 µm, from Polysciences, Inc.) via carbodiimide-mediated attachment. The 3' end of the DNA is labeled with biotin. DNA has a given length.
[0136] Конъюгация со стрептавидином: Конъюгацию проводили на проводили на "дальней" стороне нанопоры из нитрида кремния, конъюгируя стрептавидин с поверхностью, как описано в Arafat, A. Covalent Biofunctionalization of Silicon Nitride Surfaces. Langmuir (2007) 23 (11): 6233-6244.[0136] Streptavidin Conjugation: Conjugation was performed on the "far" side of the silicon nitride nanopore, conjugating streptavidin to the surface as described in Arafat, A. Covalent Biofunctionalization of Silicon Nitride Surfaces. Langmuir (2007) 23(11): 6233-6244.
[0137] Иммобилизация ДНК вблизи нанопоры: Конъюгированные с ДНК полистироловые гранулы в буфере добавляют в "ближнюю" камеру и буфер добавляют в "дальнюю" камеру (стандартный буфер: 10 мМ Tris pH 8, 1 мМ EDTA, 150 мМ KCl). Напряжение (~100 мВ) применяют до тех пор, пока не наблюдают прерывистого тока (с использованием усилителя с фиксацией потенциала Axon Nanopatch200B). 50-нм гранулы не могут проходить через нанопору, так что, когда ДНК прошла и гранула надавила на конец нанопоры, ток становится в высокой степени прерывистым. Ток сохраняется 1-2 мин до тех пор, пока ДНК не свяжется необратимо с иммобилизованным стрептавидином на дальней стороне посредством связывания биотина. Для подтверждения иммобилизации ДНК ток изменяют на обратный. Различный ток наблюдают, если ДНК находится внутри и вне поры. Если оказывается, что ДНК не иммобилизована, тогда процесс повторяют.[0137] Immobilization of DNA near the nanopore: DNA-conjugated polystyrene beads in buffer are added to the "near" chamber and buffer is added to the "far" chamber (standard buffer: 10
[0138] Высвобождение гранулы эндонуклеазой: Фермент рестрикции в буфере для фермента рестрикции добавляют в камеру, где связана ДНК. В одном варианте осуществления ДНК является одноцепочечной и содержит участок рестрикции, расщепляемый ферментом, который расщепляет одноцепочечную ДНК. См., например, Nishigaki, K., Type II restriction endonuclease cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13(16): 5747-5760. В альтернативном варианте осуществления комплементарный олигонуклеотид добавляют в камеру, где связана ДНК, и позволяют ему гибридизоваться в течение 30 минут для образования дцДНК, а затем добавляют фермент рестрикции. После высвобождения гранулы, она смывается. Ток переключают между прямым и обратным для подтверждения того, что ДНК проходит в/через и из поры.[0138] Endonuclease bead release: 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 is cleavable by an enzyme that cleaves the single stranded DNA. See, for example, Nishigaki, K., Type II restriction endonuclease cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13(16): 5747-5760. In an alternative embodiment, the complementary oligonucleotide is added to the chamber where the DNA is bound and allowed to hybridize for 30 minutes to form dsDNA, and then the restriction enzyme is added. After the release of the granule, it is washed off. The current is switched between forward and reverse to confirm that DNA is passing in/through and out of the pore.
[0139] Демонстрация контролируемого движения вперед и назад: С использованием стандартного буфера применяют ток в прямом направлении до тех пор, пока не наблюдают прерывание сигнала, а затем возвращается к "нормальному" после прохождения ДНК. Обратный ток применяют до тех пор, пока не наблюдают прерывание сигнала. Наблюдают, что сигнал не возвращается к нормальному, пока ДНК остается в поре. Применение тока в прямом и в обратном направлении повторяют на протяжении нескольких циклов для подтверждения того, что ДНК проходит через нанопору вперед и назад.[0139] Controlled Forward and Backward Demonstration: Using a standard buffer, current is applied in the forward direction until a signal interruption is observed, and then returns to "normal" after passing through the DNA. The reverse current is applied until an interruption of the signal is observed. It is observed that the signal does not return to normal as long as the DNA remains in the pore. The application of current in the forward and reverse direction is repeated for several cycles to confirm that the DNA passes through the nanopore back and forth.
Пример 1a: Иммобилизация цепи ДНК рядом с нанопорой в чипе из диоксида кремнияExample 1a: Immobilization of a DNA strand next to a nanopore in a silicon dioxide chip
[0140] Внутреннюю стенку наночипа изготавливают из диоксида кремния. Обе стороны силанизируют, однако олигонуклеотид конъюгируют только с одной стороной стенки чипа, а затем формируют нанопору.[0140] The inner wall of the nanochip is made of silicon dioxide. Both sides are silanized, however, the oligonucleotide is conjugated to only one side of the chip wall and then a nanopore is formed.
[0141] Силанирование: Поверхность стенки чипа очищают раствором Piranha (различные коммерчески доступные торговые марки, обычно содержащие смесь серной кислоты (H2SO4) и пероксида водорода (H2O2), которая удаляет органические остатки с поверхности) при 30°C, и промывают дважды дистиллированной водой. Получают исходный раствор (3-аминопропил)триэтоксисилана (APTES) с 50% метанолом (MeOH), 47,5% APTES, 2,5% наночистой H2O, и выдерживают >1 часа при 4°C. Затем исходный раствор APTES разбавляют 1:500 в MeOH и наносят на стенку чипа и инкубируют при комнатной температуре. Затем стенку чипа ополаскивают MeOH и сушат при 110°C в течение 30 минут.[0141] Silanation: The surface of the chip wall is cleaned with a Piranha solution (various commercially available brands, usually containing a mixture of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), which removes organic residues from the surface) at 30°C and washed twice with distilled water. Prepare a stock solution of (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) with 50% methanol (MeOH), 47.5% APTES, 2.5% nanopure H2O and incubate >1 hour at 4°C. The APTES stock solution is then diluted 1:500 in MeOH and applied to the chip wall and incubated at room temperature. The chip wall is then rinsed with MeOH and dried at 110° C. for 30 minutes.
[0142] Конъюгация: Затем стенку чипа инкубируют в течение 5 часов при комнатной температуре в 0,5% масс./об. растворе 1,4-фенилендиизотиоцианата (PDC) в диметилсульфоксиде (DMSO). Его два раза кратковременно промывают DMSO и два раза кратковременно промывают дважды дистиллированной водой. Затем стенку чипа инкубируют со 100 нМ амин-модифицированными одноцепочечными ДНК-олигомерами (приблизительно 50-меры) в дважды дистиллированной воде (pH 8) в течение ночи при 37°C. Затем стенку чипа промывают два раза 28% раствором аммиака для инактивации любого не вступившего в реакцию материала и промывают два раза дважды дистиллированной водой. Затем в стенке формируют одну или более нанопор.[0142] Conjugation: The chip wall is then incubated for 5 hours at room temperature in 0.5% w/v. a solution of 1,4-phenylenediisothiocyanate (PDC) in dimethyl sulfoxide (DMSO). It is washed briefly twice with DMSO and washed twice briefly with double-distilled water. The chip wall is then incubated with 100 nM amine-modified single-stranded DNA oligomers (approximately 50-mers) in double-distilled water (pH 8) overnight at 37°C. The chip wall is then washed twice with 28% ammonia to inactivate any unreacted material and washed twice with double distilled water. Then one or more nanopores are formed in the wall.
[0143] После завершения изготовления наночипа внутреннюю стенку покрывают ДНК-олигомерами длиной приблизительно 50 п.о. Это позволяет одноцепочечной ДНК, имеющей концевую последовательность, комплементарную связанной с поверхностью ДНК, локализоваться у нанопоры путем связывания оцДНК с относительно объемной структурой (например гранула, белок или структура ДНК-оригами, имеющая слишком большой диаметр для вхождения в нанопору), где последовательность, комплементарная связанной с поверхностью ДНК, является дистальной относительно объемной структуры, втягивания заряженного полимера через нанопору с использованием электрического тока, что позволяет оцДНК связаться с комплементарным связанным с поверхностью ДНК-олигомером рядом с нанопорой, и отщепления объемной структуры.[0143] After completion of the nanochip fabrication, the inner wall is coated with approximately 50 bp DNA oligomers. This allows single-stranded DNA having a terminal sequence complementary to the DNA surface bound to be localized to the nanopore by binding the ssDNA to a relatively bulky structure (e.g., a granule, protein, or DNA origami structure that is too large in diameter to fit into the nanopore), where the sequence complementary to surface-bound DNA is distal to the bulk structure, drawing the charged polymer through the nanopore using electric current, allowing the ssDNA to bind to the complementary surface-bound DNA oligomer adjacent to the nanopore, and cleaving off the bulk structure.
Пример 2. Синтез ДНК- присоединение единичного нуклеотидаExample 2 DNA Synthesis - Attachment of a Single Nucleotide
[0144] ДНК перемещается в "резервную" камеру посредством применения соответствующего тока и детектирования движения ДНК.[0144] The DNA is moved to the "backup" chamber by applying an appropriate current and detecting the movement of the DNA.
[0145] В камеру "для присоединения" добавляют фермент концевую трансферазу (TdT, New England Biolabs) в подходящем буфере (50 мМ ацетат калия, 20 мМ Tris-ацетат, 10 мМ ацетат магния, pH 7,9 при 25°C), и обратимо блокированный dATP*. Также в "резервную" камеру добавляют буфер.[0145] Into the "attachment" chamber, add the 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 at 25° C.), and reversibly blocked dATP*. A buffer is also added to the "backup" camera.
[0146] Для присоединения нуклеотидов к ДНК используют dNTP, которые имеют обратимые блоки на 3'-OH. При присоединении к цепи ДНК следующий dNTP не может быть добавлен до тех пор, пока блокированный dNTP не будет разблокирован.[0146] To attach nucleotides to DNA, dNTPs are used that have reversible blocks on the 3'-OH. When attached to a DNA strand, the next dNTP cannot be added until the blocked dNTP is unblocked.
[0147] Деблокирование может быть химическим или ферментативным. Используют различные подходы:[0147] Deblocking can be chemical or enzymatic. Various approaches are used:
[0148] a. 3'-O-аллил: аллил удаляют посредством Pd-катализируемого деаллилирования в водном буферном растворе, как описано в 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; или с использованием йода (10 моль.%) в полиэтиленгликоле-400, как описано в Shankaraiah G., et al., Rapid and selective deallylation of allyl ethers and esters using iodine in polyethylene glycol-400. Green Chem. (2011)13: 2354-2358.[0148] a. 3'-O-allyl: allyl is 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 U S A. (2006);103(52):19635-40; or 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 glycol-400. Green Chem. (2011)13: 2354-2358.
[0149] b. 3' O-NH2: амин удаляют в забуференном NaNO2, как описано в US 8034923.[0149] b. 3' O-NH2: The amine is removed in buffered NaNO 2 as described in US 8034923.
[0150] c. 3'-фосфат. фосфат гидролизуют эндонуклеазой IV (New England Biolabs). Другие возможные 3'-модификации, которые также можно удалять эндонуклеазой IV, включают фосфогликоальдегид и дезоксирибоза-5-фосфат.[0150] c. 3'-phosphate. phosphate is hydrolyzed with endonuclease IV (New England Biolabs). Other possible 3' modifications that can also be removed by endonuclease IV include phosphoglycoaldehyde and deoxyribose-5-phosphate.
[0151] d. 3'-O-Ac: ацетат удаляют ферментативным гидролизом, как описано в Ud-Dean, A theoretical model for template-free synthesis of long DNA sequence. Syst Synth Biol (2008) 2:67-73.[0151] d. 3'-O-Ac:acetate 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.
[0152] Затем ДНК перемещается в "дальнюю" камеру с использованием соответствующего тока и детектирования движения ДНК. Защитную группу ДНК удаляют путем смены буферов и добавления деблокирующего буфера/раствора, как описано в a.- d. выше.[0152] The DNA is then moved to the "far" chamber using the appropriate current and DNA motion detection. The DNA protecting group is removed by changing buffers and adding a deblocking buffer/solution as described in a.-d. above.
[0153] Способ при желании повторяют для получения представляющей интерес последовательности.[0153] The method is repeated, if desired, to obtain a sequence of interest.
Пример 3. Синтез ДНК: присоединение блокированного олигонуклеотидаExample 3 DNA Synthesis: Attachment of a Blocked Oligonucleotide
[0154] 3'-конец двухцепочечной ДНК связывают рядом с нанопорой с отверстием размером 4 нм. 5'-конец ДНК имеет выступающий конец CG (считывание от 5' к 3').[0154] The 3' end of the double-stranded DNA is tied adjacent to the nanopore with a 4 nm opening. The 5' end of the DNA has an overhanging CG end (reading from 5' to 3').
[0155] Олигонуклеотидные кассеты A и B получают следующим образом:[0155] Oligonucleotide cassettes A and B are prepared as follows:
5' CGAAGGG <КОД A ИЛИ B> GTCGACNNNNN5' CGAAGGG <CODE A OR B> GTCGACNNNNN
3' GCTTCCC <КОМПЛЕМЕНТАРНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ> CAGCTGNNNNN3' GCTTCCC <COMPLEMENTARY SEQUENCE> CAGCTGNNNNN
[0156] Каждый из кода A и кода B соответствует информационной последовательности. N обозначает любой нуклеотид. 5'-последовательность содержит участок распознавания топоизомеразой и 3'-последовательность содержит участок рестрикции Acc1. Олигонуклеотид подвергается воздействию топоизомеразы и топоизомераза связывается с 3'-тимидином:[0156] Each of the A code and the B code corresponds to an information sequence. N stands for any nucleotide. The 5' sequence contains the topoisomerase recognition site and the 3' sequence contains the Acc1 restriction site. The oligonucleotide is exposed to topoisomerase and the topoisomerase binds to 3'-thymidine:
5' CGAAGGG <КОД A ИЛИ B> GTCGACNNNNN5' CGAAGGG <CODE A OR B> GTCGACNNNNN
3' *TTCCC <КОМПЛЕМЕНТАРНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ> CAGCTGNNNNN (*=топоизомераза)3' *TTCCC <COMPLEMENTARY SEQUENCE> CAGCTGNNNNN (*=topoisomerase)
[0157] ДНК перемещается в "ближнюю" камеру посредством применения соответствующего тока и детектирования движения ДНК. Нагруженный топоизомеразой олигонуклеотид "код A" предоставляется в камере "для присоединения". ДНК перемещается в камеру для присоединения посредством применения соответствующего тока и детектирования движения ДНК, в результате чего олигонуклеотид кода A связывается с ДНК, в "резервную" камеру добавляют Acc1, где он осуществляет расщепление в участке рестрикции, обеспечивая участок лигирования топоизомеразы.[0157] The DNA is moved to the "near" chamber by applying an appropriate current and detecting the movement of the DNA. The topoisomerase-loaded "code A" oligonucleotide is provided in the "attachment" chamber. The DNA is moved into the attachment chamber by applying an appropriate current and detecting movement of the DNA, whereby the Code A oligonucleotide binds to the DNA, Acc1 is added to the "reserve" chamber where it cleaves at the restriction site to provide a topoisomerase ligation site.
[0158] Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута желаемая последовательность, присоединяя другой "код A" или "код B". Следует отметить, что не требуется непрерывное добавление нового Acc1 в "резервную камеру"; требуется только вымывание олигонуклеотидов кода A или кода B в камере для "присоединения" при переключении с кода A или кода B.[0158] This process is repeated until the desired sequence is reached by adding another "Code A" or "Code B". It should be noted that the continuous addition of a new Acc1 to the "backup chamber" is not required; only washout of code A or code B oligonucleotides in the "attachment" chamber when switching from code A or code B is required.
[0159] Для секвенирования в поре, которая позволяет прохождение только оцДНК, необходимы некоторые модификации протокола, описанного выше. Уже известно, что, когда дцДНК встречает небольшую пору (2 нм), только оцДНК пройдет и комплементарная последовательность "отделится". Таким образом, при проведении этого синтеза с использованием поры размером 2 нм необходимо убедиться, что надлежащая дцДНК способна "вновь образоваться" на другой стороне. Для этого можно добавлять ʺCGAAGGG <КОД A ИЛИ B> GTCGACNNNNNʺ в ближнюю камеру (чтобы гарантировать внесение участка рестрикции) и ʺCGAAGGG <КОД A ИЛИ B> GTʺ в дальнюю камеру (чтобы гарантировать образование участка, совместимого с топоизомеразой).[0159] Pore sequencing that only allows passage of ssDNA requires some modifications to the protocol described above. It is already known that when dsDNA encounters a small pore (2 nm), only the ssDNA will pass through and the complementary sequence will "split". Thus, when performing this synthesis using a 2 nm pore, it must be ensured that the proper dsDNA is able to "re-form" on the other side. This can be done by adding 'CGAAGGG <CODE A OR B> GTCGACNNNNN' to the near chamber (to ensure the insertion of a restriction site) and 'CGAAGGG <CODE A OR B> GT' to the far chamber (to ensure the formation of a topoisomerase compatible site).
[0160] Описывая вышеуказанный способ, авторы изобретения демонстрируют последовательное "присоединение" закодированной в ДНК информации в растущую цепь ДНК с ≥2 последовательных присоединений (соответствующих 2 битам данных), каждое из которых включает стадию "присоединения" и "удаления защитной группы". Первоначальные эксперименты для оптимизации и подтверждения концепции проводят в микропробирках.[0160] Describing the above method, the inventors demonstrate the sequential "attachment" of DNA-encoded information into a growing DNA strand with ≥2 consecutive attachments (corresponding to 2 data bits), each of which includes the stage of "attachment" and "deprotection". Initial experiments for optimization and proof of concept are carried out in microtubes.
[0161] В подходе, описанном в этом примере, один бит информации кодируется в нити нуклеотидов. "Присоединяемый" ДНК-бит представляет собой короткую последовательность дцДНК, конъюгированную с топоизомеразой I вируса коровьей оспы (topo). В присутствии подходящей "акцепторной" ДНК "с удаленной защитной группой", нагруженный топоизомеразой ДНК-"бит" ферментативно и ковалентно связывается ("присоединяется") с акцептором посредством топоизомеразы, которая в этом процессе удаляется из ДНК. Затем фермент рестрикции может отщеплять добавленный бит для "удаления защитной группы" и создания подходящей "акцепторной" последовательности для присоединения следующего бита.[0161] In the approach described in this example, one bit of information is encoded into strands of nucleotides. The "attached" DNA bit is a short dsDNA sequence conjugated to vaccinia virus topoisomerase I (topo). In the presence of a suitable "acceptor" "deprotected" DNA, the topoisomerase-loaded DNA "bit" enzymatically and covalently binds ("attaches") to the acceptor via the topoisomerase, which is removed from the DNA in this process. The restriction enzyme can then cleave off the added bit to "remove the protecting group" and create a suitable "acceptor" sequence to attach the next bit.
[0162] Нагрузка топоизомеразой: Общая схема нагрузки является следующей, как схематично представлено на фиг.22 и ниже, где N обозначает любой нуклеотид, и A, T, G и C соответствуют нуклеотиды с адениновым, тиминовым, гуаниновым и цитозиновым основаниями, соответственно. N друг на другом являются комплементарными. В то время как в этом примере используется фермент рестрикции HpyCH4III, основная стратегия будет работать с другими ферментами рестрикции, например, как продемонстрировано в примере 4.[0162] Topoisomerase Loading: The general loading scheme is as follows, as schematically represented in Figures 22 and below, where N is any nucleotide and A, T, G, and C correspond to nucleotides with adenine, thymine, guanine, and cytosine bases, respectively. N on top of each other are complementary. While the restriction enzyme HpyCH4III is used in this example, the general strategy will work with other restriction enzymes, for example as demonstrated in example 4.
++
Топоизомераза *Topoisomerase *
==
++
(нагруженный топоизомеразой)(loaded with topoisomerase)
(N друг над другом являются комплементарными)(N above each other are complementary)
ПрисоединениеAccession
Общая реакция "присоединения":General "addition" reaction:
(акцептор)(acceptor)
++
(нагруженный топоизомеразой)(loaded with topoisomerase)
==
++
**
(свободная топоизомераза)(free topoisomerase)
Удаление защитной группыRemoval of the protecting group
Общая реакция "удаления защитной группы":The general "deprotection" reaction is:
++
HpyCH4IIIHpyCH4III
(фермент рестрикции)(restriction enzyme)
==
(с удаленной защитной группой)(with the protective group removed)
++
(побочный продукт)(by-product)
[0163] Следующие олигонуклеотиды заказаны от Integrated DNA Technologies (IDT). ʺBʺ на конце некоторых из олигонуклеотидов указывает на биотин:[0163] The following oligonucleotides are ordered from Integrated DNA Technologies (IDT). ʺBʺ at the end of some of the oligonucleotides indicates biotin:
BAB: CGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTGTCCGTGTCGCCCTTATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACGBAB: CGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTGTCCGTGTCGCCCTTATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACG
B1: b-CACGTACTCGCAATGCTGTATGATCTCTTAAGTAGATAB1: b-CACGTACTCGCAATGCTGTATGATCTCTTAAGTAGATA
B2: ATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACGB2: ATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACG
TA1: b-CACACTCATGCCGCTGTAGTCACTATCGGAATTA1: b-CACACTCATGCCCGCTGTAGTCACTATCGGAAT
TA2: AGGGCGACACGGACAGTTTGAATCATACCGTA2: AGGGCGACACGGACAGTTTTGAATCATACCG
TA3b: AACTTAGTATGACGGTATGATTCAAACTGTCCGTGTCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAGTA3b: AACTTAGTATGACGGTATGATTCAAACTGTCCGTGTCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
TB1: b-CACACTCATGCCGCTGTAGTCACTATCGGAATTB1: b-CACACTCATGCCCGCTGTAGTCACTATCGGAAT
TB2: AGGGCGCAGCAAACAGTGCCTAGACTATCGTB2: AGGGCGCAGCAAAACAGTGCCTAGACTATCG
TB3b:TB3b:
AACTTAGTATGACGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAGAACTTAGTATGACGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
FP1: CACGTACTCGCAATGCTFP1: CACGTACTCGCAATGCT
FP2: CGGTATGATTCAAACTGTCCGFP2: CGGTATGATTCAAACTGTCCG
FP3: GCCCTTGTCCGTGTCFP3: GCCCTTGTCCGTGTC
[0164] Олигонуклеотиды растворяют до концентрации 100 мкМ в буфере TE и хранят при -20°C.[0164] Oligonucleotides are dissolved to a concentration of 100 μm in TE buffer and stored at -20°C.
[0165] Гибридизованные олигонуклеотиды получают смешением олигонуклеотидов, как описано ниже, нагреванием до 95°C в течение 5 минут, а затем снижением температуры на 5°C каждые 3 минуты до достижения температурой 20°C. Гибридизованные олигонуклеотиды хранят при 4°C или -20°C. Комбинации олигонуклеотидов являются следующими:[0165] Hybridized oligonucleotides are prepared by mixing the oligonucleotides as described below, heating to 95°C for 5 minutes, and then lowering the temperature by 5°C every 3 minutes until the temperature reaches 20°C. Hybridized oligonucleotides are stored at 4°C or -20°C. The combinations of oligonucleotides are as follows:
B1/2B1/2
48 мкл B148 µl B1
48 мкл B248 µl B2
4 мкл 5 M NaCl4 µl 5 M NaCl
A5A5
20 мкл TA120 µl TA1
20 мкл TA220 µl TA2
5 мкл TA3b5 µl TA3b
4 мкл 5 M NaCl4 µl 5 M NaCl
51 мкл TE51 µl TE
B5B5
20 мкл TB120 µl TB1
20 мкл TB220 µl TB2
5 мкл TB3b5 µl TB3b
4 мкл 5 M NaCl4 µl 5 M NaCl
51 мкл TE51 µl TE
[0166] В этом ферменте используют следующие буферы и ферменты:[0166] The following buffers and enzymes are used in this enzyme:
TE: 10 M Tris pH 8,0, 1 мМ EDTA, pH 8,0TE: 10 M Tris pH 8.0, 1 mM EDTA, pH 8.0
WB: 1 M NaCl, 10 мМ Tris pH8,0, 1 мМ EDTA, pH 8,0WB: 1 M NaCl, 10 mM Tris pH8.0, 1 mM EDTA, pH 8.0
1x Topo: 20 мМ Tris, pH7,5, 100 мМ NaCl, 2 мМ DTT, 5 мМ MgCl2 1x Topo: 20 mM Tris, pH7.5, 100 mM NaCl, 2 mM DTT, 5 mM MgCl 2
1x RE: 50 мМ ацетат K, 20 мМ Tris-ацетат, 10 мМ ацетат Mg, 100мкг/мл BSA, pH 7,9, при 25°C.1x RE: 50 mM K acetate, 20 mM Tris acetate, 10 mM Mg acetate, 100 μg/ml BSA, pH 7.9, at 25°C.
ДНК-топоизомеразу I вируса коровьей оспы (topo) приобретают от Monserate Biotech (10000 Е/мл)Vaccinia virus topoisomerase I (topo) DNA was purchased from Monserate Biotech (10,000 U/mL)
HypCH4III приобретают от NEBHypCH4III purchased from NEB
Покрытые стрептавидином магнитные гранулы (s-MagBeads) приобретают от ThermoFisher.Streptavidin coated magnetic beads (s-MagBeads) were purchased from ThermoFisher.
[0167] Акцептор получают следующим образом: 5 мкл s-magbeads промывают один раз 200 мкл WB (время связывания 1 минута). К гранулам добавляют 5 мкл B1/2+195 мкл WB и инкубируют в течение 15 минут при комнатной температуре, а затем промывают один раз посредством 200 мкл WB, затем промывают один раз посредством 200 мкл 1× Topo, и ресуспендируют в 150мкл 1× Topo.[0167] The acceptor is prepared as follows: 5 μl of s-magbeads are washed once with 200 μl of WB (
[0168] Нагруженный топоизомеразой A5 (см. фиг.20) получают следующим образом: 4 мкл 10× буфера для топоизомеразы+23 мкл воды+8мкл A5+5 мкл топоизомеразы инкубируют при 37°C в течение 30 минут, добавляют к 5 мкл s-magbeads (промытым 1× посредством 200 мкл WB, 1× посредством 200 мкл 1× Topo, ресуспендированные в 150мкл 1× topo), и позволяют связываться в течение 15 минут при комнатной температуре.[0168] Topoisomerase-loaded A5 (see FIG. 20) is prepared as follows: 4 µl 10x topoisomerase buffer+23 µl water+8 µl A5+5 µl topoisomerase incubated at 37°C for 30 minutes, added to 5 µl s -magbeads (washed 1× with 200 μl WB, 1× with 200
[0169] "Присоединение" нагруженного A5 к акцептору: s-magbeads извлекают из нагруженного топоизомеразой A5, добавляют к акцептору и инкубируют при 37°C в течение 60 минут. Аликвоту извлекают, разбавляют 1/200 в TE и хранят при -20°C.[0169] "Attachment" loaded A5 to the acceptor: s-magbeads are removed from loaded with topoisomerase A5, added to the acceptor and incubated at 37°C for 60 minutes. An aliquot is removed, diluted 1/200 in TE and stored at -20°C.
[0170] Удаление защитной группы: материал промывают один раз посредством 200 мкл WB, затем промывают один раз посредством 200 мкл 1× RE и ресуспендируют в 15 мкл 10× RE и 120 мкл воды. Добавляют 15 мкл HypCH4III. Смесь инкубируют при 37°C в течение 60 минут, затем промывают один раз посредством 200 мкл WB, промывают один раз посредством 200 мкл 1× topo, с получением продукта, который назвали "акцептором-A5".[0170] Removal of the protecting group: the material is washed once with 200 μl of WB, then washed once with 200 μl of 1x RE and resuspended in 15 μl of 10x RE and 120 μl of water. Add 15 µl of HypCH4III. The mixture is incubated at 37° C. for 60 minutes, then washed once with 200 μl of WB, washed once with 200 μl of 1x topo, to obtain a product, which was called "acceptor-A5".
[0171] Нагруженный топоизомеразой B5 (см. фиг.21) получают следующим образом: 4 мкл 10× буфера для топоизомеразы+23 мкл воды+8мкл B5+5 мкл топоизомеразы комбинируют и инкубируют при 37°C в течение 30 минут. Продукт добавляют к 5 мкл s-magbeads (промытым 1× посредством 200 мкл WB, 1× посредством 200 мкл 1× Topo, ресуспендированные в 15 0мкл 1× topo), и позволяют связываться в течение 15 минут при комнатной температуре.[0171] Topoisomerase loaded B5 (see FIG. 21) is prepared as follows: 4 µl 10x topoisomerase buffer+23 µl water+8 µl B5+5 µl topoisomerase are combined and incubated at 37° C. for 30 minutes. The product is added to 5 µl s-magbeads (washed 1× with 200 µl WB, 1× with 200
[0172] "Присоединение" нагруженного B5 к акцептору-A5: s-magbeads извлекают из нагруженного топоизомеразой B5, добавляют к акцептору-A5 и инкубируют при 37°C в течение 60 минут. Аликвоту извлекают, разбавляют 1/200 в TE и хранят при -20°C.[0172] "Attaching" loaded B5 to acceptor-A5: s-magbeads are removed from topoisomerase-loaded B5, added to acceptor-A5 and incubated at 37°C for 60 minutes. An aliquot is removed, diluted 1/200 in TE and stored at -20°C.
[0173] Deprotection: материал промывают один раз посредством 200 мкл WB, затем промывают один раз посредством 200 мкл 1× RE и ресуспендируют в 15 мкл 10× RE и 120 мкл воды. Добавляют 15 мкл HypCH4III. Смесь инкубируют при 37°C в течение 60 минут.[0173] Deprotection: The material is washed once with 200 μl WB, then washed once with 200 μl 1x RE and resuspended in 15 μl 10x RE and 120 μl water. Add 15 µl of HypCH4III. The mixture is incubated at 37°C for 60 minutes.
[0174] Подтверждение того, что описанные выше реакции работают, предоставляют посредством амплификации способом ПЦР аликвот A5 (акцептор с присоединенным A5: стадия iii, на схеме "присоединенный A5") и B5 (акцептор-A5 с присоединенным B5: стадия vi, на схеме "присоединенный B5"). "Без матрицы" используют в качестве отрицательного контроля для A5, A5 используют в качестве отрицательного контроля для B5, олигонуклеотид BAB используют в качестве положительного контроля для B5. Ожидаемый размер продукта для ПЦР A5 составляет 68 п.н., ожидаемый размер продукта для ПЦР B5 составляет 57 п.н. (Также на геле разделяют B1/2, ожидаемый размер составляет ~47 п.н., однако это может быть приблизительным, поскольку существуют выступающие концы и он биотинилирован). Реакции ПЦР (30 циклов 95/55/68 (по 1 минуте в каждом случае) проводят следующим образом:[0174] Confirmation that the above reactions are working is provided by PCR amplification of aliquots of A5 (acceptor with A5 attached: step iii, in Scheme "A5 attached") and B5 (acceptor-A5 with B5 attached: step vi, in Scheme "attached B5"). "No template" is used as negative control for A5, A5 is used as negative control for B5, BAB oligonucleotide is used as positive control for B5. The expected product size for A5 PCR is 68 bp, the expected product size for B5 PCR is 57 bp. (Also separate B1/2 on the gel, expected size is ~47 bp, however this may be approximate as there are overhangs and it is biotinylated). PCR reactions (30 cycles 95/55/68 (1 minute each) are performed as follows:
[0175] SDS-PAGE с использованием 4-20% гелей с Tris-глицином используют для подтверждения того, что продуцируются олигонуклеотиды ожидаемого размера. Загрузку проводят, как описано выше, однако сразу после загрузки (стадия инкубации при 37°C), примешивают буфер для загрузки и образцы нагревают до 70°C на 2 минуты и позволяют им остыть перед разделением на геле. Гель окрашивают Кумасси. Для отрицательного контроля в реакционную смесь вместо топоизомеразы добавляют воду. На фиг.30 представлены результаты, отчетливо демонстрирующие полосы, соответствующие ожидаемым размерам продуктов для ПЦР A5 и для ПЦР B5.[0175] SDS-PAGE using 4-20% Tris-glycine gels is used to confirm that oligonucleotides of the expected size are being produced. Loading is carried out as described above, however immediately after loading (37° C. incubation step), loading buffer is mixed in and the samples are heated to 70° C. for 2 minutes and allowed to cool before gel separation. The gel is stained with Coomassie. For a negative control, water is added to the reaction mixture instead of topoisomerase. Figure 30 shows the results clearly showing the bands corresponding to the expected product sizes for A5 PCR and for B5 PCR.
[0176] Таким образом показано, что присоединение ДНК-бита посредством нагруженных топоизомеразой кассет ДНК и удаление защитной группы, проводимое ферментом рестрикции, является осуществимым. В этих экспериментах для подтверждения концепции ДНК иммобилизуют посредством конъюгированных со стрептавидином магнитных гранул и помещают последовательно в различные реакционные смеси, однако в формате чипа с нанопорами авторы изобретения создали отдельные реакционные камеры и использовали электрический ток для перемещения ДНК в эти различные реакционные камеры.[0176] It has thus been shown that attachment of a DNA bit via topoisomerase-loaded DNA cassettes and removal of the protecting group by a restriction enzyme is feasible. In these proof-of-concept experiments, DNA is immobilized via streptavidin-conjugated magnetic beads and placed sequentially in different reaction mixtures, however, in the nanopore chip format, the inventors created separate reaction chambers and used electrical current to move the DNA into these different reaction chambers.
[0177] Наконец, ПЦР демонстрирует, что ожидаемые последовательности ДНК создаются при проведения последовательного присоединения последовательностей ДНК, соответствующих "битам" информации. Эти реакции работали намеченным образом даже с минимальной оптимизацией.[0177] Finally, PCR demonstrates that the expected DNA sequences are generated by sequentially attaching DNA sequences corresponding to the "bits" of information. These reactions worked as intended even with minimal optimization.
[0178] ДНК, полученную, как описано в примерах 2 и 3, выделяют и секвенируют с использованием коммерческого секвенатора с нанопорами (MinION от Oxford Nanopore), подтверждая получение желаемой последовательности.[0178] The DNA prepared as described in Examples 2 and 3 was isolated and sequenced using a commercial nanopore sequencer (MinION from Oxford Nanopore), confirming the desired sequence.
Пример 4. Синтез ДНК: присоединение блокированного олигонуклеотида с использованием другого фермента рестрикцииExample 4 DNA Synthesis: Attachment of a Blocked Oligonucleotide Using Another Restriction Enzyme
[0179] Следующий синтез проводят аналогично примеру 3, но с использованием фермента рестрикции MluI, который разрезает "ACGCGT" с образованием:[0179] The following synthesis is carried out analogously to example 3, but using the restriction enzyme MluI, which cuts "ACGCGT" with the formation:
В этом примере топоизомеразу загружают для формирования комплекса с комплементарностью последовательности, которая обеспечит загруженной топоизомеразе переносить ДНК в ДНК, расщепленную посредством MluI:In this example, the topoisomerase is loaded to form a complex with sequence complementarity that will allow the loaded topoisomerase to transfer DNA to DNA cleaved with MluI:
++
топоизомеразаtopoisomerase
==
("*" указывает на топоизомеразу, связанную с 3'-фосфатом)("*" indicates 3'-phosphate bound topoisomerase)
++
(b=биотин. Он может быть удален стрептавидином)(b=biotin. It can be removed with streptavidin)
[0180] Посредством процесса, аналогичного предшествующему примеру, затем загруженную топоизомеразу используют для присоединения олигомера к 5'-концу синтезируемой цепи, имеющей комплементарную акцепторную последовательность, тем самым высвобождая топоизомеразу, а затем из цепи ʺудаляют защитную группуʺ с использованием MluI, и цикл повторяют до тех пор, пока не получают желаемую последовательность олигомеров.[0180] Through a process similar to the previous example, the loaded topoisomerase is then used to attach the oligomer to the 5' end of the synthesized chain having a complementary acceptor sequence, thereby releasing the topoisomerase, and then the chain is "deprotected" using MluI, and the cycle is repeated until until the desired sequence of oligomers is obtained.
Пример 5. Присоединение единичного основания с использованием стратегии с топоизомеразойExample 5 Single Base Attachment Using the Topoisomerase Strategy
[0181] Авторы изобретения обнаружили, что система топоизомеразы также может быть предназначена для присоединения единичных оснований к одноцепочечной цепи ДНК (по сравнению с примером 3, в котором описано присоединение "кассет"). ДНК-бит, подлежащий "присоединению" находится в короткой последовательности ДНК, конъюгированной с топоизомеразой I вируса коровьей оспы (topo). В присутствии подходящей "акцепторной" ДНК "с удаленной защитной группой", нагруженная топоизомеразой ДНК ферментативно и ковалентно лигируется ("присоединяется") с акцептором посредством топоизомеразы, которая в этом процессе удаляется из ДНК. Затем фермент рестрикции типа IIS может отщеплять добавленную ДНК, за исключением одного основания (основания, которое "присоединяется"). Этот процесс удаления защитной группы-присоединения повторяют для присоединения дополнительных оснований (бит).[0181] The inventors have found that the topoisomerase system can also be designed to attach single bases to a single-stranded DNA strand (compared to Example 3, which describes the addition of "cassettes"). The DNA bit to be "attached" is in a short DNA sequence conjugated to vaccinia topoisomerase I (topo). In the presence of a suitable "acceptor" "deprotected" DNA, the topoisomerase-loaded DNA is enzymatically and covalently ligated ("attached") to the acceptor via the topoisomerase, which is removed from the DNA in this process. The type IIS restriction enzyme can then cleave off the added DNA except for one base (the base that "attaches"). This deprotection-addition process is repeated to add additional bases (bits).
[0182] Нагрузка топоизомеразой: Общий протокол нагрузки является следующим, аналогично примеру 3:[0182] Topoisomerase loading: The general loading protocol is as follows, similar to example 3:
++
Топоизомераза (*)Topoisomerase (*)
==
N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-NN-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N
N-N-N-N-N-N-N-N-N…биотинN-N-N-N-N-N-N-N-N…biotin
(побочный продукт)(by-product)
++
(нагруженный топоизомеразой)(loaded with topoisomerase)
Как и в примере 3, N друг на другом являются комплементарными. I представляет собой инозин. Биотин используется для удаления не вступившего в реакцию продукта и побочного продукта. Присоединение единичного основания проводят следующим образом.As in example 3, N on top of each other are complementary. I is inosine. Biotin is used to remove unreacted product and by-product. Attaching a single base is carried out as follows.
N-N-N-N-N-N-N-N-N-N…N-N-N-N-N-N-N-N-N-N…
(нуклеотиды акцепторной последовательности указаны курсивом)(acceptor sequence nucleotides are in italics)
++
(нагруженный топоизомеразой)(loaded with topoisomerase)
==
++
**
(свободная топоизомераза)(free topoisomerase)
Ниже иллюстрируется удаление защитной группы с использованием фермента рестрикции BciVI (участок выделен полужирным шрифтом):The deprotection using the restriction enzyme BciVI is illustrated below (section in bold):
...N-G-T-A-T-C-C-N-N-C-C-C-T-T-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N…...N-G-T-A-T-C-C-N-N-C-C-C-T-T-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N…
...N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-I-I-I-I-I...N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-I-I-I-I-I
++
BciVIBciVI
(фермент рестрикции)(restriction enzyme)
==
T-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N…T-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N…
(следует отметить, что "T" добавлен к 5'-концу акцепторной ДНК)(note that "T" is added to the 5' end of the acceptor DNA)
++
N-N-I-I-I-I-IN-N-I-I-I-I-I
(диссоциированный*)(dissociated*)
++
...N-G-T-A-T-C-C-N-N-C-C-C-T...N-G-T-A-T-C-C-N-N-C-C-C-T
...N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N...N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N
----------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------
==
T-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N…+N-N-I-I-I-I-IT-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N…+N-N-I-I-I-I-I
(NNIIIII диссоциирует от единой цепи с присоединенным основанием)(NNIIIIII dissociates from a single chain with an attached base)
[0183] Следующие олигонуклеотиды синтезированы коммерчески (B=биотин, P-фосфат, I=инозин):[0183] The following oligonucleotides have been synthesized commercially (B=biotin, P-phosphate, I=inosine):
NAT1 CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGATNAT1 CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGAT
NAT1b P-CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGAT-BNAT1b P-CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGAT-B
NAT9cI P-IIIIIAAGGGATGGATACGCCTGACGTGNAT9cI P-IIIIIAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
NAT9x P-ATCGCCATACAGCATTGCGAGNAT9x P-ATCGCCATACAGCATTGCGAG
NAT9 ACGTGAAGGGATGGATACGCCTGACGTGNAT9 ACGTGAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
Nat9Acc CACGTAGCAGCAAACAGTGCCTAGACTATCGNat9Acc CACGTAGCAGCAAAACAGTGCCTAGACTATCG
Nat1P CACGTCAGGCGTATCCATCCNat1P CACGTCAGGCGTATCCATCC
FP4 CGATAGTCTAGGCACTGTTTGFP4 CGATAGTCTAGGCACTGTTTG
[0184] Олигонуклеотиды растворяют до 100 мкМ в буфере TE и хранят при -20°C.[0184] Oligonucleotides are dissolved to 100 μM in TE buffer and stored at -20°C.
[0185] Гибридизация: следующие гибридизованные олигонуклеотиды получают путем смешения олигонуклеотидов, как описано, нагревания до 95°C в течение 5 минут, а затем снижения температуры на 5°C каждые 3', пока температура не достигнет 20°C. Гибридизованные олигонуклеотиды хранят при 4°C или -20°C.[0185] Hybridization: The following hybridized oligonucleotides are obtained by mixing the oligonucleotides as described, heating to 95°C for 5 minutes, and then lowering the temperature by 5°C every 3' until the temperature reaches 20°C. Hybridized oligonucleotides are stored at 4°C or -20°C.
NAT1b/NAT9cI/NAT9xNAT1b/NAT9cI/NAT9x
8 мкл NAT1B8 µl NAT1B
10 мкл NAT9cI10 µl NAT9cI
10 мкл NAT9x10 µl NAT9x
48 мкл TE48 µl TE
4 мкл 5M NaCl4 µl 5M NaCl
NAT1/NAT9cINAT1/NAT9cI
10 мкл NAT110 µl NAT1
10 мкл NAT9cI10 µl NAT9cI
80 мкл PBS80 µl PBS
NAT1/NAT9NAT1/NAT9
10 мкл NAT110 µl NAT1
10 мкл NAT910 µl NAT9
80 мкл PBS80 µl PBS
[0186] Буферы и ферменты: используют следующие буферы:[0186] Buffers and enzymes: The following buffers are used:
TE: 10 M Tris, pH 8,0, 1 мМ EDTA, pH 8,0TE: 10 M Tris, pH 8.0, 1 mM EDTA, pH 8.0
PBS: фосфатно-солевой буфер (137 мМ NaCl, 2,7 мМ KCl, 10 мМ Na2HPO4, 1,8 мМ KH2PO4)(pH 7,4)PBS: phosphate buffered saline (137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, 1.8 mM KH2PO4) (pH 7.4)
10× Cutsmart: 500 мМ KAc, 200 мМ Tris-Ac, 100 мМ Mg-Ac, 1 мг/мл BSA pH 7,9.10× Cutsmart: 500 mM KAc, 200 mM Tris-Ac, 100 mM Mg-Ac, 1 mg/ml BSA pH 7.9.
BciVI приобретают от NEB и покрытые стрептавидином магнитные гранулы (s-MagBeads) приобретают от ThermoFisherBciVI was purchased from NEB and streptavidin-coated magnetic beads (s-MagBeads) were purchased from ThermoFisher.
[0187] Реакцию присоединения проводят следующим образом.[0187] The addition reaction is carried out as follows.
[0188] 1. Нагрузка топоизомеразой: реагенты объединяют согласно таблице:[0188] 1. Topoisomerase loading: Reagents are combined according to the table:
Затем реагенты инкубируют при 37°C в течение 30 минут. Побочные продукты удаляют с использованием магнитных гранул со стрептавидином (5 мкл) в 1× буфере для топоизомеразы после 10 минут при комнатной температуре для обеспечения связывания.The reagents are then incubated at 37° C. for 30 minutes. By-products are removed using streptavidin magnetic beads (5 μl) in 1x topoisomerase buffer after 10 minutes at room temperature to ensure binding.
[0189] 2. Реакция: реагенты собирают в соответствии с таблицей:[0189] 2. Reaction: reagents are collected according to the table:
Затем реагенты инкубируют при 37°C в течение 30 минут. Ожидается, что реакция присоединения будет протекать следующим образом:The reagents are then incubated at 37° C. for 30 minutes. The addition reaction is expected to proceed as follows:
[0190] Звездочкой (*) обозначена топоизомераза. Следует отметить, что NAT9cI является фосфорилированным, однако это не показано для целей иллюстрации.[0190] An asterisk (*) denotes a topoisomerase. It should be noted that NAT9cI is phosphorylated, however this is not shown for purposes of illustration.
[0191] Когда с загруженной топоизомеразой присутствует акцепторная последовательность, она подвергается следующей реакции:[0191] When an acceptor sequence is present with the loaded topoisomerase, it undergoes the following reaction:
[0192] ПЦР-амплификация и измерение молекулярной массы продукта на агарозном геле подтверждает образование ожидаемого продукта. См. фиг.30, на которой представлена полоса правильногоразмера на дорожке 1 (эксперимент), и отсутствие полос в отрицательных контролях.[0192] PCR amplification and measurement of the molecular weight of the product on agarose gel confirms the formation of the expected product. See FIG. 30 for the correct size band in lane 1 (experiment) and the absence of bands in the negative controls.
[0193] B. Реакция удаления защитной группы: реагенты объединяют согласно таблице:[0193] B. Deprotection reaction: Reagents are combined according to the table:
Реагенты инкубируют при 37°C в течение 90 минут. Для реакции удаления защитной группы репрезентативный продукт реакции присоединения получают с использованием приобретенных олигонуклеотидов и исследуют в отношении расщепления ферментом рестрикции BciVI:The reagents are incubated at 37°C for 90 minutes. For the deprotection reaction, a representative addition reaction product was prepared using purchased oligonucleotides and examined for cleavage with restriction enzyme BciVI:
Не было известно, будет ли фермент рестрикции разрезать ДНК намеченным образом, учитывая, что 3'-конец участка разрезания представляет собой серию остатков инозина в противоположность "обычным" основаниям. В качестве положительного контроля получают эквивалент NAT1/NAT9cI с "соответствующим образом" спаренными основаниями (NAT1/NAT9c):It was not known whether the restriction enzyme would cut the DNA in the intended manner, given that the 3' end of the cut site is a series of inosine residues as opposed to "normal" bases. As a positive control, the equivalent of NAT1/NAT9cI with "correspondingly" base pairs (NAT1/NAT9c) is obtained:
Амплификация продукта способом ПЦР с последующим измерением молекулярной массы на агарозных гелях (фиг.31) демонстрирует, что фермент работает предполагаемым образом. Для положительного контроля в нерасщепленном состоянии наблюдают более крупную полосу (дорожка 1), однако при распщеплении наблюдают меньшую полосу/ы. Ту же картину наблюдают для NAT1/NAT9cI, демонстрируя, что присутствие остатков инозина не подавляет или не препятствует расщеплению. Как оказалось, небольшое количество нерасщепленного продукта остается в случае NAT1/NAT9cI, что указывает на то, что расщепление не является настолько же эффективным, по меньшей мере в этих условиях, как в случае NAT1/NAT9c. Эффективность расщепления может быть увеличена пуетм изменения условий буфера и/или добавления большего количества остатков инозина на 5'-конец NAT9cI.Amplification of the product by PCR followed by measurement of molecular weight on agarose gels (FIG. 31) demonstrates that the enzyme works as expected. For the positive control, a larger band is observed in the uncleaved state (lane 1), however, when digested, a smaller band/s are observed. The same pattern is observed for NAT1/NAT9cI, demonstrating that the presence of inosine residues does not suppress or prevent cleavage. As it turns out, a small amount of uncleaved product remains with NAT1/NAT9cI, indicating that cleavage is not as effective, at least under these conditions, as with NAT1/NAT9c. Cleavage efficiency can be increased by changing buffer conditions and/or adding more inosine residues to the 5' end of NAT9cI.
[0194] Вышеуказанный пример демонстрирует, что можно использовать комбинацию топоизомераза/фермент рестрикции типа IIS для присоединения одного нуклеотида к 5'-концу одноцепочечной ДНК-мишени. Сходную топоизомеразу, SVF, которая распознает последовательность CCCTG (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446), используют для присоединения "G" вместо "T", с использованием аналогичного процесса, таким образом, позволяя конструирование последовательности, кодирующей двоичную информацию, с T и G.[0194] The above example demonstrates that a topoisomerase/type IIS restriction enzyme combination can be used to add a single nucleotide to the 5' end of a single stranded DNA target. A similar topoisomerase, SVF, which recognizes the CCCTG sequence (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446) is used to attach "G" instead of "T", using a similar process, thus allowing the construction sequence encoding binary information with T and G.
[0195] Как отмечалось выше, когда дцДНК получают с использованием стратегий топоизомеразы, разрывы ДНК на противоположной цепи можно репарировать с использованием лигазы вместе с ATP. Однако при присоединении одного нуклеотида, как в этом примере, авторы изобретения конструировали одноцепочечную ДНК, так что отсутствовали разрывы, которые необходимо было репарировать, и отсутствовала необходимость использовать лигазу.[0195] As noted above, when dsDNA is produced using topoisomerase strategies, DNA breaks on the opposite strand can be repaired using ligase along with ATP. However, when adding a single nucleotide, as in this example, the inventors designed single-stranded DNA, so that there were no breaks that needed to be repaired, and there was no need to use a ligase.
Пример 6. Присоединением единичного основания с использованием стратегии с топоизомеразой в сочетании со связыванием 5'-фосфатаExample 6 Single base attachment using a topoisomerase strategy coupled with 5'-phosphate binding
[0196] В другом подходе для присоединения одного основания авторы изобретения используют 5'-фосфат в качестве блокирующей группы для обеспечения присоединения одной пары оснований в направлении от 3' к 5'. Реакция нагрузки нагружает топоизомеразу одним T (или G, или при желании другим нуклеотидом), имеющим 5'-фосфатную группу. Когда нагруженная топоизомераза "видит" свободную 5'-неблокированную (нефосфорилированную) цепь одноцепочечной ДНК, она добавляет к этой цепи T, обеспечивая ДНК с T, добавленным на 5'-конец. Это присоединение облегчается присутствием адаптерной ДНК, имеющей последовательности, с которыми может связываться топоизомераза и одноцепочечная акцепторная ДНК. (Следует отметить, что адаптерная ДНК является каталитической, ее можно вновь использовать в качестве матрицы в повторных реакциях). Добавленный нуклеотид имеет 5'-фосфат на нем, так что он не будет субстратом для дальнейшего присоединения до тех пор, пока он не будет подвергнут воздействию фосфатазы, которая удаляет 5'-фосфат. Этот процесс повтояют с использованием топоизомеразы для присоединения одного ʺTʺ к 5'-концу одноцепочечной ДНК-мишени и топоизомеразы SVF для присоединения одного "G", таким образом, позволяя конструирование последовательности, кодирующей двоичную информацию, с T и G. Этот процесс схематично представлен далее:[0196] In another approach for attaching one base, the inventors use 5'-phosphate as a blocking group to allow attachment of one base pair in the 3' to 5' direction. The loading reaction loads the topoisomerase with one T (or G, or other nucleotide if desired) having a 5'-phosphate group. When the loaded topoisomerase "sees" a free 5' non-blocked (non-phosphorylated) strand of single-stranded DNA, it adds T to that strand, providing DNA with a T added to the 5' end. This attachment is facilitated by the presence of an adapter DNA having sequences to which a topoisomerase and a single stranded acceptor DNA can bind. (It should be noted that adapter DNA is catalytic and can be reused as a template in repeated reactions). The added nucleotide has a 5'-phosphate on it, so it will not be a substrate for further addition until it is exposed to phosphatase, which removes the 5'-phosphate. This process is repeated using topoisomerase to attach one 'T' to the 5' end of the single-stranded target DNA and SVF topoisomerase to attach one 'G', thus allowing the construction of a sequence encoding binary information with T and G. This process is schematically presented below :
В общем:Generally:
Нагрузка:Load:
АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕХАНИЗМ ПЕРЕНОСАALTERNATIVE TRANSFER MECHANISM
Пример 7. Использование ДНК-оригами для облегчения присоединения ДНК рядом с нанопоройExample 7 Using DNA Origami to Facilitate DNA Attachment Near the Nanopore
[0197] Цепь ДНК с крупной структурой оригами на одном конце улавливают в нанопоре и иммобилизуют на конъюгированном с поверхностью стрептавидине через концевую часть биотина на ДНК. После отщепления ферментом рестрикции структуры оригами иммобилизованная ДНК может перемещаться в одну и в другую сторону через пору, что подтверждается прерыванием тока. Иммобилизация позволяет контролируемое перемещение одной молекулы ДНК через пору, что в свою очередь обеспечивает как "считывание", так и "записывание" информации на ДНК.[0197] A DNA strand with a large origami structure at one end is trapped in the nanopore and immobilized on surface-conjugated streptavidin through the biotin end on the DNA. After the restriction enzyme cleaves the origami structure, the immobilized DNA can move back and forth through the pore, as evidenced by the interruption of the current. Immobilization allows controlled movement of a single DNA molecule through a pore, which in turn provides both "reading" and "writing" information on DNA.
[0198] Как представлено на фиг.35, образуется объемный двухцепочечный элемент ДНК, который является слишком крупным, чтобы вместиться в нанопору, с одноцепочечной областью, связанной с объемной частью двумя короткими двухцепочечными областями, которые служат для заякоривания ДНК, подлежащей присоединению в ходе синтеза. Затем одноцепочечная область может отделяться и заякориваться на поверхности, соседней с нанопорой, и структура оригами может высвобождаться. См. фиг.33.[0198] As shown in Figure 35, a bulky double-stranded DNA element is formed that is too large to fit into a nanopore, with a single-stranded region connected to the bulky portion by two short double-stranded regions that serve to anchor the DNA to be attached during synthesis . The single stranded region can then detach and anchor to the surface adjacent to the nanopore and the origami structure can be released. See Fig.33.
[0199] Нанопоры формируют в 3-мм чипах с 20 нм SiO2, с окнами 50 * 50 мкм. Чипы предоставляются Nanopore Solutions. Держатели кассет с нанопорами и проочные ячейки предоставляются Nanopore Solutions. Усилитель представляет собой усилитель Tecella Pico 2. Этот усилитель представляет собой усилитель с питанием через usb, который использует usb-компьютерный интерфейс для контроля. Tecella предоставляет программное обеспечение (Windows) для контроля усилителя. Мультиметр представляет собой цифровой мультиметр FLUKE 17B+, способный детектировать электрический ток всего 0,1 мкА. Для скрининга радиочастотных помех авторы изобретения используют Concentric Technology Solutions TC-5916A Shield Box (Faraday Cage) с USB-интерфейсом. Олигонуклеотиды получают от IDT.com. ʺPSʺ представляет собой пропаргилсилан - O-(ПРОПАРГИЛ)-N-(ТРИЭТОКСИСИЛИЛПРОПИЛ)КАРБАМАТ от http://www.gelest.com/product/o-пропаргил-n-триэтоксисилилпропилкарбамат-90/.[0199] Nanopores are formed in 3 mm chips with 20 nm SiO2, with windows of 50*50 µm. The chips are provided by Nanopore Solutions. Nanopore cassette holders and flow cells are provided by Nanopore Solutions. The amplifier is a
[0200] Структура оригами основана на одноцепочечной m13 со структурой оригами в виде "соты", сторона которой равна ~20 нм. Рядом с сотой существуют двухцепочечные области, каждая из которых содержит уникальный участок рестрикции. Один из этих участков используется для прикрепления модифицированной ДНК для обеспечения прикрепления вблизи нанопоры, а другой используется для отщепления структуры ДНК.[0200] The origami structure is based on a single strand m13 with a honeycomb origami structure whose side is ~20 nm. Near the cell, there are double-stranded regions, each containing a unique restriction site. One of these sites is used to attach the modified DNA to ensure attachment near the nanopore, and the other is used to cleave the DNA structure.
[0201] Формирование нанопор: Нанопоры формируют в чипах с использованием диэлектрического пробоя следующим образом:[0201] Formation of nanopores: Nanopores are formed in chips using dielectric breakdown as follows:
1. Чипы осторожно устанавливают в кассеты1. Chips are carefully placed in cassettes
2. Смачивание: 100% этанол осторожно наносят пипеткой на чип. Пузырьки должны быть удалены. Однако прямого пипетирования раствора на чипе следует избегать или чип может треснуть (SiO2 составляет только 20 нм).2. Wetting: 100% ethanol is gently pipetted onto the chip. Bubbles must be removed. However, direct pipetting of the solution on the chip should be avoided or the chip may crack (SiO2 is only 20 nm).
3. Обработка поверхности: этанол удаляют и свежеприготовленный раствор Piranah (75% серная acid, 25% пероксид водорода (30%)) наносят пипеткой на чип. (раствору Piranha позволяют достигнуть комнатной температуры). Оставляют на 30 минут.3. Surface treatment: Ethanol is removed and a freshly prepared Piranah solution (75% sulfuric acid, 25% hydrogen peroxide (30%)) is pipetted onto the chip. (The Piranha solution is allowed to reach room temperature). Leave for 30 minutes.
4. Ополоснуть 4 раза дистиллированной водой.4. Rinse 4 times with distilled water.
5. Ополоснуть 2 раза буфером HK (10 мМ HEPES, pH 8, 1 M KCl)5. Rinse 2x with HK buffer (10 mM HEPES,
6. Собрать кассету в проточную ячейку.6. Assemble the cassette into the flow cell.
7. Добавить 700 мкл буфера HK в каждую камеру проточной ячейки.7. Add 700 µl HK buffer to each chamber of the flow cell.
8. Вставить серебряные электроды, подсоединенные к амплификатору, и закрыть клетку Фарадея.8. Insert the silver electrodes connected to the cycler and close the Faraday cage.
9. Протестировать сопротивление при 300 мВ. Ток не должен детектироваться. Если он детектируется, чип, вероятно, треснул и необходимо начать сначала.9. Test resistance at 300 mV. The current must not be detected. If it is detected, the chip is probably cracked and you need to start over.
10. Подсоединить электроды к току DC 6В и тестировать ток с использованием мультиметра. Ток должен быть низким и не должен меняться. Увеличить напряжение на 1,5 В и удерживать напряжение до тех пор, пока сопротивление не возрастет. Если сопротивление не возрастает через 5-10 минут, увеличить напряжение еще на 1,5 В и попробовать вновь. Повторять до тех пор, пока сопротивление не возрастет, и в этот момент применяемое напряжение следует сразу остановить (при достаточном напряжении происходит диэлектрический пробой и в мембране из SiO2 образуется "отверстие". Когда изначально созданное отверстие является малым, его размер увеличиться при поддержании напряжения).10. Connect the electrodes to DC 6V current and test the current using a multimeter. The current should be low and should not change. Increase the voltage by 1.5 V and hold the voltage until the resistance rises. If the resistance does not increase after 5-10 minutes, increase the voltage by another 1.5 V and try again. Repeat until the resistance rises, at which point the applied voltage should be immediately stopped (with sufficient voltage, a dielectric breakdown occurs and a "hole" is formed in the SiO2 membrane. When the initially created hole is small, its size will increase while maintaining the voltage) .
11. Протестировать пору с использованием усилителя. При 300 мВ должен определяться ток от малого количества до нескольких нА. Чем больше ток, тем крупнее пора.11. Test the pore using an amplifier. At 300 mV, current from a small amount to several nA should be determined. The greater the current, the larger the pore.
[0202] На фиг.34 представлена основа функционировния нанопоры. На каждой панели ось y представляет собой ток (нА) и ось x представляет собой время (с). На левой панели "скрининг шума RF" иллюстрирует пригодность клетки Фарадея. Чип без нанопоры помещают в проточную ячейку и применяют 300 мВ. Когда крышка клетки Фарадея закрыта (первая стрелка), можно наблюдать снижение шума. Небольшой импульс возникает, когда защелка закрыта (вторая стрелка). Следует отметить, что ток составляет ~0 нМ. После формирования поры (средняя панель), применение 300 мВ (стрелка) приводит к току ~3,5 нМ. Когда ДНК помещают в камеру заземления и применяют +300 мВ можно наблюдать перемещение ДНК (правая панель) в качестве временного снижения тока (следует отметить, что в этом случае используют буфер TS: 50 мМ Tris, pH 8, 1 M NaCl). Для этого эксперимента по перемещению ДНК используют лямбда-ДНК.[0202] FIG. 34 shows the basis of the functioning of a nanopore. On each panel, the y-axis represents current (nA) and the x-axis represents time (s). In the left panel, "RF noise screening" illustrates the usefulness of the Faraday cage. The chip without the nanopore is placed in the flow cell and 300 mV is applied. When the Faraday cage cover is closed (first arrow), noise reduction can be observed. A small pulse occurs when the latch is closed (second arrow). It should be noted that the current is ~0 nM. After pore formation (middle panel), application of 300 mV (arrow) results in a current of ~3.5 nM. When DNA is placed in the ground chamber and +300 mV is applied, DNA movement can be observed (right panel) as a temporary decrease in current (note that buffer TS is used in this case: 50 mM Tris,
[0203] Электроды из хлорида серебра:[0203] Silver chloride electrodes:
1. Серебряную проволоку припаивают к изолированной медной проволоке.1. The silver wire is soldered to the insulated copper wire.
2. Медную проволоку заземляют, а серебряную погружают в свежий 30% гипохлорит натрия на 30 минут.2. The copper wire is grounded and the silver wire is immersed in fresh 30% sodium hypochlorite for 30 minutes.
3. Серебро должно приобретать темно-серое покрытие (хлорид серебра).3. Silver should acquire a dark gray coating (silver chloride).
4. Серебряную проволоку ополаскивают тщательно дистилированной водой и сушат.4. The silver wire is rinsed thoroughly with distilled water and dried.
5. Теперь она готова для применения.5. Now it is ready for application.
[0204] Силанирование гранул: Способ силанирования первоначально разрабатывают/тестируют на покрытых SiO2 магнитных гранулах (GBioscience). Используют следующий протокол:[0204] Silanation of Beads: The silanation method is initially developed/tested on SiO 2 coated magnetic beads (GBioscience). The following protocol is used:
1. Предварительно нагреть гранулы в свежем растворе Pirannah в течение 30 минут.1. Preheat pellets in fresh Pirannah solution for 30 minutes.
2. Промыть 3× дистиллированной водой.2. Rinse 3× with distilled water.
3. Промыть 2× метанолом.3. Rinse 2× with methanol.
4. Разбавить исходный раствор APTES 1:500 в метаноле.4. Dilute APTES stock solution 1:500 in methanol.
5. Добавить разбавленный APTES к гранулам, инкубировать при к.т. в течение 45 минут.5. Add diluted APTES to beads, incubate at rt. within 45 minutes.
6. Ополоснуть метанолом.6. Rinse with methanol.
7. 100°C в течение 30 минут.7. 100°C for 30 minutes.
8. Хранить в вакууме.8. Store under vacuum.
[0205] Силанирование кремниевого чипа[0205] Silanation of the silicon chip
1. Установить чип с нанопорой в кассету.1. Install the nanopore chip into the cassette.
2. Ополоснуть метанолом, осторожно удаляя какие-либо пузырьки воздуха.2. Rinse with methanol, carefully removing any air bubbles.
3. Добавить свежий раствор Pirannah (уравновешенный до комнатной температуры) и инкубировать в течение 30 минут.3. Add fresh Pirannah solution (equilibrated to room temperature) and incubate for 30 minutes.
4. Промыть 4× дистиллированной водой.4. Rinse 4× with distilled water.
5. Промыть 3× метанолом.5.
6. Разбавить исходный раствор APTES 1:500 в метаноле и использовать для промывания чипа 2×. Инкубировать при к.т. в течение 45 минут.6. Dilute APTES stock solution 1:500 in methanol and use to wash the
7. Ополоснуть 2× метанолом.7. Rinse 2× with methanol.
8. Сушить в потоке воздуха.8. Air dry.
9. Хранить в вакууме в течение ночи.9. Store under vacuum overnight.
[0206] Конъюгация гранул со стрептавидином: конъюгация со стрептавидином конъюгация первоначально разработана/протестирована на силанированных гранулах, полученных, как описано выше.[0206] Streptavidin Bead Conjugation: Streptavidin Conjugation The conjugation was originally developed/tested on silanated beads prepared as described above.
1. Промыть силанированные гранулы модифицированным фосфатно-солевым буфером (MPBS)1. Wash the silanated beads with modified phosphate buffered saline (MPBS)
2. Получить свежий раствор 1,25% глутаральдегида в MPBS (с использованием 50% исходного раствора глутаральдегида, хранящегося замороженным).2. Prepare a fresh solution of 1.25% glutaraldehyde in MPBS (using a 50% stock solution of glutaraldehyde stored frozen).
3. Добавить к гранулам 1,25% глутаральдегид и оставить стоять на 60' при осторожном пипетировании вверх и вниз каждые 15 минут.3. Add 1.25% glutaraldehyde to the beads and leave to stand at 60' while gently pipetting up and down every 15 minutes.
4. Промыть 2× посредством MPBS.4.
5. Промыть 2× водой.5. Rinse 2× with water.
6. Оставить сушиться в вакууме.6. Leave to dry under vacuum.
7. Добавить к гранулам стрептавидин (500 мкг/мл в MPBS) и инкубировать в течение 60 минут (для гранул отрицательного контроля использовать бычий сывороточный альбумин (BSA) (2 мг/мл в MPBS) вместо стрептавидина).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. Удалить стрептавидин и добавить BSA (2 мг/мл в MPBS). Инкубировать в течение 60 минут.8. Remove streptavidin and add BSA (2 mg/ml in MPBS). Incubate for 60 minutes.
9. Промыть 2× посредством MPBS.9.
10. Хранить при 4°C.10. Store at 4°C.
[0207] Конъюгация кремниевого чичпа со стрептавидином[0207] Conjugation of silicon chichpa with streptavidin
1. Ополоснуть силанированный чип этанолом 2×1. Rinse the silanated chip with
2. Ополоснуть силанированный чип MPBS 2×2. Rinse the
3. Получить свежий раствор 1,25% глутаральдегида в MPBS (с использованием 50% исходного раствора глутаральдегида, хранящегося замороженным).3. Prepare a fresh solution of 1.25% glutaraldehyde in MPBS (using a 50% stock solution of glutaraldehyde stored frozen).
4. Ополоснуть чип 1,25% глутаральдегидом 2×, оставить стоять на 60' при осторожном пипетировании вверх и вниз каждые 15 минут.4. Rinse the chip with 1.25
5. Промыть 2× посредством MPBS5.
6. Промыть 2× водой.6. Rinse 2× with water.
7. Оставить сушиться в вакууме.7. Leave to dry under vacuum.
8. На одну половину чипа добавить BSA (2 мг/мл в MPBS), а на другую добавить стрептавидин (500 мкг/мл в MPBS). Инкубировать в течение 60 минут. Сделать маркировку на кассете, указав какая половина чипа модифицирована стрептавидином.8. Add BSA (2 mg/ml in MPBS) to one half of the chip and streptavidin (500 µg/ml in MPBS) to the other half. Incubate for 60 minutes. Make a marking on the cassette indicating which half of the chip is modified with streptavidin.
9. Ополоснуть обе половины чипа BSA (2 мг/мл в MPBS). Инкубировать в течение 60 минут.9. Rinse both halves of the BSA chip (2 mg/mL in MPBS). Incubate for 60 minutes.
10. Промыть MPBS.10. Rinse with MPBS.
[0208] Буферы, используемые в этом примере, получают следующим образом:[0208] The buffers used in this example are obtained as follows:
MPBS: 8 г/л NaCl, 0,2 г/л KCl, 1,44 г/л динатрий фосфата, 0,240 г/л фосфата калия, 0,2 г/л полисорбата-20 (pH 7,2)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 г/л NaCl, 0,2 г/л KCl, 1,44 г/л динатрий-фосфата, 0,240 г/л фосфата калияPBS: 8 g/l NaCl, 0.2 g/l KCl, 1.44 g/l disodium phosphate, 0.240 g/l potassium phosphate
TS: 50 мМ Tris, pH 8,0, 1 M NaClTS: 50 mM Tris, pH 8.0, 1 M NaCl
HK: 10 мМ HEPES, pH 8,0, 1M KClHK: 10 mM HEPES, pH 8.0, 1M KCl
TE: 10 мМ Tris, 1 мМ EDTA, pH 8,0TE: 10 mM Tris, 1 mM EDTA, pH 8.0
Раствор Pirannah: 75% пероксид водорода (30%)+25% серная кислотаPirannah solution: 75% hydrogen peroxide (30%)+25% sulfuric acid
Исходный раствор APTES: 50% метанол, 47,5% APTES, 2,5% наночистая вода. Выдерживать при 4°C в течение по меньшей мере 1 часа. Хранить при 4°C.APTES stock solution: 50% methanol, 47.5% APTES, 2.5% nanopure water. Maintain at 4°C for at least 1 hour. Store at 4°C.
Исходный раствор PDC: 0,5% масс./об. 1,4-фенилен диизотиоцианат в DMSO.PDC Stock Solution: 0.5% w/
[0209] Заказывают олигонуклеотиды (от 5' до 3'):[0209] Order oligonucleotides (from 5' to 3'):
o1 CTGGAACGGTAAATTCAGAGACTGCGCTTTCCATTCTGGCTTTAATGo1 CTGGAACGGTAAATTCAGAGACTGCGCTTTCCATTCTGGCTTTAATG
o3 GGAAAGCGCAGTCTCTGAATTTACo3 GGAAAGCGCAGTCTCTGAATTTAC
N1 CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGAN1 CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
BN1 Биотин-CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGABN1 Biotin-CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
N2 GTCCTGCTGCGATATCGATAGCCGTTCCAGTAAGN2 GTCCTGCTGCGATATCGATAGCCGTTCCAGTAAG
[0210] Гибридизацию пар олигонуклеотидов проводят следующим образом:[0210] Hybridization of pairs of oligonucleotides is carried out as follows:
1. Получить исходные растворы олигонуклеотидов в концентрации 100 мкМ в буфере TE1. Prepare stock solutions of oligonucleotides at a concentration of 100 μM in TE buffer
2. Разбавить олигонуклеотиды до 10 мкМ в PBS2. Dilute oligonucleotides to 10 µM in PBS
3. Нагревать до 85°C в течение 5' в термоциклере3. Heat to 85°C for 5' in a thermal cycler
4. Постепенно снижать температуру на 5°C каждые 3' до 25°C4. Gradually lower the temperature by 5°C every 3' to 25°C
5. Хранить при 4°C или -20°C.5. Store at 4°C or -20°C.
[0211] Конъюгация со стрептавидином: конъюгация стрептавидина с SiO2 разработана и протестирована с использованием покрытых SiO2 магнитных гранул, а затем протоколы были адаптированы для чипов SiO2. Тестируют связывание биотинилированных олигонуклеотидов с гранулами, конъюгированными как со стрептавидином, так и с BSA. Как и ожидалось в случае конъюгированных с BSA гранул наблюдают ничтожно малое связывание, в то время как в случае конъюгированных со стрептавидином гранул наблюдают высокое связывание. См. фиг.38. Поскольку более удобно проводить конъюгацию в высокой концентрации соли (движение ДНК осуществляют в высокой концентрации соли), также тестируют способность гранул связываться в буфере HK. Связывание в буфере HK сравнимо со связыванием в буфере MPBS (фиг.39).[0211] Streptavidin Conjugation: Streptavidin SiO 2 conjugation was developed and tested using
[0212] Получают конструкции оригами и подтверждают их функционирование, как описано выше на фиг.35-37. Биотинилирование структуры оригами тестируют с использованием олигонуклеотидов. Уже известно из результатов для "оригами", описанных выше для фиг.37 что участок AlwNI является активным. Ниже используется пара олигонуклеотидов, которая воспроизводит сегмент точной последовательности ДНК-оригами (o1/o3). Молекулу оригами изображают следующим образом:[0212] Obtain origami designs and confirm their operation, as described above in Fig.35-37. Biotinylation of the origami structure is tested using oligonucleotides. It is already known from the "origami" results described above for FIG. 37 that the AlwNI region is active. Below, a pair of oligonucleotides is used that reproduces a segment of the exact origami DNA sequence (o1/o3). An origami molecule is depicted as follows:
[0213] Пара олигонуклеотидов o1/o3 представляет собой[0213] The o1/o3 oligonucleotide pair is
[0214] ДНК расщепляют посредством AlwNI в присутствии ДНК-лигазы T4 и биотинилированного олигонуклеотида, комплементарного выступающему концу на 3'-стороне последовательности оригами (которая сама по себе связана с длинной последовательностью оцДНК, которая сама по себе связывана с другой стороной оригами), в соответствии со следующей реакцией:[0214] DNA is digested with AlwNI in the presence of T4 DNA ligase and a biotinylated oligonucleotide complementary to the overhang on the 3' side of the origami sequence (which is itself linked to a long ssDNA sequence, which is itself linked to the other side of the origami), to according to the following reaction:
В этой стратегии AlwN1 расщепляет ДНК-мишень. При добавлении лигазы возможно религирование этой ДНК, однако фермент рестрикции вновь осуществит расщепление. Однако, если/когда (правильный) фрагмент (o1/o3) связывается с BN1/N2, участок рестрикции не воссоздается, таким образом, этот продукт не будет расщеплен. Специфическое присоединение подтверждают путем тестирования с ферментом рестрикции и без него:In this strategy, AlwN1 cleaves the target DNA. When a ligase is added, this DNA can be ligated, but the restriction enzyme will cleave again. However, if/when the (correct) fragment (o1/o3) binds to BN1/N2, the restriction site is not recreated, thus this product will not be cleaved. Specific attachment is confirmed by testing with and without restriction enzyme:
Добавляют все реагенты за исключением лигазы и раствор инкубируют при 37°C в течение 60 минут. Добавляют лигазу и раствор инкубируют в течение ночи при 16°C. 10× буфер для лигирования относится к 10× буферу ДНК-лигазы T4 NEB. Лигаза представляет собой ДНК-лигазу T4NEB. o1/o3 и n1/n2 относятся к гибридизованной паре олигонуклеотидов, как изображено выше. Единицы представляют собой микролитры. Анализ в агарозном геле подтверждает, что в присутствии AlwNI образуется более крупный продукт, соответствующий биотинилированному олигонуклеотиду, связанному с длинным плечом оцДНК, связанным со структурой оригами. Сходную стратегию используют для 3'-биотинилирования, когда это желательно.Add all reagents except ligase and the solution is incubated at 37°C for 60 minutes. Add ligase and the solution is incubated overnight at 16°C. 10x ligation buffer refers to 10x T4 NEB DNA ligase buffer. The ligase is T4NEB DNA ligase. o1/o3 and n1/n2 refer to a hybridized pair of oligonucleotides as shown above. Units are microliters. Agarose gel analysis confirms that in the presence of AlwNI, a larger product is formed corresponding to the biotinylated oligonucleotide associated with the long arm of ssDNA associated with the origami structure. A similar strategy is used for 3'-biotinylation when desired.
[0215] Выше продемонстрирована способность формировать и использовать нанопору для детектирования индуцированного напряжением перемещения ДНК через пору, создание молекулы оригами, длинная оц-область которой связана ее дальним концом с биотином, и конъюгация стрептавидина с диоксидом кремния и применение его для улавливания биотинилированной ДНК. Эти инструменты используют для присоединения и контроля движения одной молекулы ДНК рядом с нанопорой.[0215] Demonstrated above is the ability to form and use a nanopore to detect voltage-induced DNA movement through the pore, create an origami molecule whose long oc region is bound to biotin at its far end, and conjugate streptavidin to silica and use it to trap biotinylated DNA. These tools are used to attach and control the movement of a single DNA molecule near the nanopore.
[0216] Первая стадия представляет собой конъюгацию стрептавидина с одной поверхностью нанопоры из SiO2 (и BSA с другой стороны). Это осуществляют в соответствии с описанным выше протоколом. Полученные поры имеют тенденцию к более низкому току, чем они имеют первоначально. После нескольких кратковременных импульсов величиной 6 В, ток возвращается практически к исходному току. Функционирование нанопоры в этот момент представлено на фиг.40.[0216] The first step is the conjugation of streptavidin to one surface of the SiO2 nanopore (and BSA on the other side). This is carried out in accordance with the protocol described above. The resulting pores tend to have lower current than they originally had. After several short pulses of 6 V, the current returns to almost the original current. The functioning of the nanopore at this point is shown in Fig.40.
[0217] Далее добавляют ДНК-оригами. Когда ДНК-оригами добавляется в подходящую камеру и ток включается, оригами входит в камеру. Иллюстрация этого показана на фиг.41. Результаты эксперимента, когда оригами подают в конечной концентрации 50 пМ, подтверждают, что ДНК с орагами входит в пору относительно быстро (как правило, в течение секунд), что детектируется результирующим снижением тока через нанопору (например, в этих экспериментах ток до вхождения оригами составляет ~3 нА и ~2,5 нА после вхождения). Если току позволить проходить в течение более длительного периода времени, можно наблюдать двойное вхождение. Если использовать более высокие концентрации вхождение происходит слишком быстро, чтобы его можно было наблюдать.[0217] Next add DNA origami. When DNA origami is added to a suitable chamber and the current is turned on, the origami enters the chamber. An illustration of this is shown in Fig.41. The results of the experiment, when origami is applied at a final concentration of 50 pM, confirm that DNA with origami enters the pore relatively quickly (typically within seconds), which is detected by the resulting decrease in current through the nanopore (for example, in these experiments, the current before origami entry is ~3 nA and ~2.5 nA after entry). If the current is allowed to pass for a longer period of time, a double entry can be observed. If higher concentrations are used, entry is too fast to be observed.
[0218] Связывание вошедшей ДНК с чипом. После вхождения оригами в нанопору напряжение вновь применяют через 15 минут после этого. Конец области в виде оц-ДНК в оригами содержит биотин, и с поверхностью нанопоры конъюгирован стрептавидин. Стрептавидин связывается с авидином с константой аффинности, близкой к ковалентной связи. Период 15 минут позволяет ДНК диффундировать и концу с биотином найти и связаться с стрептавидином. Если ДНК в действительности связалась с поверхностью, то, когда напряжение изменяют на обратное, наблюдаемый ток должен быть несколько меньшим, чем наблюдался ранее. Также переключение тока в одну и в другую сторону должно приводить к току в обоих направлениях, который является более низким, чем в случае свободной поры. В примере, представленном здесь, свободная пора демонстрирует ток ~3 нА. На фиг.42 представлено изображение присоединенной ДНК, и на фиг.43 представлены результаты эксперимента по переключению напряжения для прикрепленной ДНК-оригами. Следует отметить, что ток, наблюдаемый в обоих направлениях, составляет ~+/-2,5 нА, что ниже, чем ~+/-3 нА, наблюдаемые для свободной поры. Если ДНК не связалась с поверхностью, исходный ток восстановится при переключении напряжения (фиг.44).[0218] Linking the entered DNA to the chip. After the origami enters the nanopore, the voltage is applied again 15 minutes later. The end of the region in the form of ss-DNA in origami contains biotin, and streptavidin is conjugated to the surface of the nanopore. Streptavidin binds to avidin with an affinity constant close to a covalent bond. A period of 15 minutes allows the DNA to diffuse and end up with biotin to find and bind to streptavidin. If the DNA has indeed bound to the surface, then when the voltage is reversed, the observed current should be somewhat less than previously observed. Also, switching the current in one direction and the other should result in a current in both directions, which is lower than in the case of a free pore. In the example presented here, the free pore exhibits a current of ~3 nA. Fig. 42 shows an image of the attached DNA, and Fig. 43 shows the results of the voltage switching experiment for the attached DNA origami. It should be noted that the current observed in both directions is ~+/-2.5 nA, which is lower than the ~+/-3 nA observed for the free pore. If the DNA is not bound to the surface, the original current will be restored when the voltage is switched (FIG. 44).
[0219] Для удаления структуры оригами буфер в камере с проточной ячейкой, содержащей структур оригами, удаляли и заменяли 1× буфером Swa1 с 1 мкл Swa1/20 °L. Буфер в другой проточной камере заменяют на 1× буфер Swa1 без Swa1. Затем проводят инкубацию при комнатной температуре в течение 60 минут, а затем промывают буфером HK, и применяют напряжение. Движение ДНК вперед и назад, как представлено на фиг.45, подтверждается экспериментальными данными, представленными на фиг.46, демонстрирующими контролируемое движение иммобилизованной ДНК через нанопору из SiO2.[0219] To remove the origami structure, the buffer in the flow cell chamber containing the origami structures was removed and replaced with 1× Swa1 buffer with 1 μl Swa1/20°L. The buffer in the other flow chamber is replaced with 1x Buffer Swa1 without Swa1. Then, incubation is carried out at room temperature for 60 minutes, and then washed with HK buffer, and a voltage is applied. The forward and backward movement of DNA as shown in Fig. 45 is confirmed by the experimental data presented in Fig. 46 showing the controlled movement of immobilized DNA through the SiO2 nanopore.
Пример 8. Альтернативный способ присоединения полимера к поверхности рядом с нанопоройExample 8 Alternative way of attaching a polymer to a surface next to a nanopore
[0220] В приведенных выше примерах описано прикрепление ДНК к поверхности рядом с нанопорой посредством биотинилирования ДНК и покрытия поверхности для прикрепления стрептавидином. Некоторые альтернативные способы прикрепления полимера представлены на фиг.47.[0220] The above examples describe attachment of DNA to a surface adjacent to a nanopore by DNA biotinylation and surface coating for attachment with streptavidin. Some alternative methods of attaching the polymer are presented in Fig.47.
[0221] a) Гибридизация ДНК: в одном способе ДНК, которая удлиняется в способах по изобретению, гибридизуют с коротким олигонуклеотидом, прикрепленным вблизи нанопоры. После завершения синтеза синтезированная ДНК может быть без труда удалена без необходимости в ферментах рестрикции, или альтернативно двойная цепь может быть образована связанным олигонуклеотидом и синтезированная ДНК может предоставлять субстрат для фермента рестрикции. В этом примере короткие олигомеры конъюгируют с поверхностью с использованием биотина-стрептавидина, или лигируют с использованием 1,4-фенилендиизотиоцианата следующим образом:[0221] a) DNA hybridization: In one method, DNA that is elongated in the methods of the invention is hybridized to a short oligonucleotide attached near the nanopore. After synthesis is complete, the synthesized DNA can be readily removed without the need for restriction enzymes, or alternatively, the double strand can be formed by a linked oligonucleotide and the synthesized DNA can provide a substrate for the restriction enzyme. In this example, short oligomers are surface-conjugated using biotin-streptavidin, or ligated using 1,4-phenylenediisothiocyanate as follows:
Конъюгация биотинилированной ДНК с SiO2:Conjugation of biotinylated DNA with SiO 2 :
A. СИЛАНИРОВАНИЕ:A. SILANATION:
1. Предварительная обработка: раствор nha в течение 30 минут, промывание дважды дистиллированной H2O (ddH2O)1. Pretreatment: nha solution for 30 minutes, washing with double distilled H 2 O (ddH 2 O)
2. Получение исходного раствора APTES: 50% MeOH, 47,5% APTES, 2,5% наночистая H2O: выдерживание >1 ч при 4°C2. APTES stock solution preparation: 50% MeOH, 47.5% APTES, 2.5% nanopure H 2 O: holding >1 h at 4°C
3. Разбавление исходного раствора APTES 1:500 в MeOH3. Dilution of APTES stock solution 1:500 in MeOH
4. Инкубация чипов при комнатной температуре4. Incubation of chips at room temperature
5. Ополаскивание MeOH5. MeOH rinse
6. Сушка6. Drying
7. Нагревание при 110°C в течение 30 минут7. Heating at 110°C for 30 minutes
КОНЪЮГАЦИЯ:CONJUGATION:
1. Обработка чипа исходным раствором PDC в течение 5 ч (комнатная температура) (исходный раствор PDC: 0,5% масс./об. 1,4-фенилендиизотиоцианат в DMSO)1. Chip treatment with PDC stock solution for 5 hours (room temperature) (PDC stock solution: 0.5% w/
2. 2 промывания в DMSO (кратковременно!)2. 2 washes in DMSO (short!)
3. 2 промывания в ddH2O (кратковременно!)3. 2 washes in ddH 2 O (short!)
4. 100 нМ амино-модифицированная ДНК в ddH2O (pH 8) O/N 37°C4. 100 nM amino-modified DNA in ddH 2 O (pH 8) O/N 37°C
5. 2 промывания 28% раствором аммиака (деактивация)5. 2 washes with 28% ammonia solution (deactivation)
6. 2 промывания ddH2O.6. 2 washes with ddH 2 O.
[0222] Одноцепочечную ДНК, имеющую концевую последовательность, комплементарную присоединенным олигонуклеотидам, вносят, как описано выше, и позволяют ей гибридизоваться с присоединенными олигонуклеотидами.[0222] Single-stranded DNA having a terminal sequence complementary to the attached oligonucleotides is introduced as described above and allowed to hybridize to the attached oligonucleotides.
[0223] b) Клик-химия: клик-химия является общим термином для реакций, которые являются простыми и термодинамически эффективными, не образуют токсических или высокореакционноспособных побочных продуктов, и осуществляются в воде или биосовместимых растворителях и часто используются для связывания выбранных субстратов с определенными биомолекулами. В клик-конъюгации в этом случае используется химия, сходная с химией, используемой в a) для прикрепления олигонуклеотидов, только в данном случае она используется для прикрепления полимера, который удлиняется в ходе синтеза в способах по изобретению. В то время как в этом примере полимером является ДНК, эта химия может прикреплять другие полимеры, функционализированные посредством присоединения совместимой азидной группы.[0223] b) Click chemistry: Click chemistry is a general term for reactions that are simple and thermodynamically efficient, do not form toxic or highly reactive by-products, and are carried out in water or biocompatible solvents and are often used to couple selected substrates to specific biomolecules. . Click conjugation in this case uses a chemistry similar to that used in a) to attach oligonucleotides, only in this case it is used to attach a polymer that is elongated during synthesis in the methods of the invention. While the polymer is DNA in this example, this chemistry can attach other polymers functionalized through the addition of a compatible azide group.
A. СИЛАНИРОВАНИЕ:A. SILANATION:
1. Предварительная обработка: раствор Piranha в течение 30э, промывание ddH2O1. Pretreatment: Piranha solution for 30e, washing with ddH 2 O
2. Получение исходного раствора PS (пропаргилсилан): 50% MeOH, 47,5% PS, 2,5% наночистая H2O: выдерживание >1 ч при 4C2. Preparation of stock solution PS (propargylsilane): 50% MeOH, 47.5% PS, 2.5% nanopure H2O: hold >1 h at 4°C
3. Разбавление исходного раствора APTES 1:500 в MeOH3. Dilution of APTES stock solution 1:500 in MeOH
4. Инкубация чипов при комнатной температуре4. Incubation of chips at room temperature
5. Ополаскивание MeOH5. MeOH rinse
6. Сушка6. Drying
7. Нагревание при 110°C в течение 30 минут7. Heating at 110°C for 30 minutes
[0224] ДНК, терминированная азидной функциональной группой, ковалентно связывается с этой поверхностью (как показано на фиг.47). Терминированные азидом олигонуклеотидов приобретают на заказ и связывают с более длинной ДНК-оригами, как описано выше для присоединения биотина к ДНК.[0224] DNA terminated with an azide functional group covalently binds to this surface (as shown in FIG. 47). Azide-terminated oligonucleotides are custom made and linked to a longer DNA origami as described above for attaching biotin to DNA.
Claims (18)
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201662301538P | 2016-02-29 | 2016-02-29 | |
| US62/301,538 | 2016-02-29 | ||
| US201662415430P | 2016-10-31 | 2016-10-31 | |
| US62/415,430 | 2016-10-31 | ||
| PCT/US2017/020044 WO2017151680A2 (en) | 2016-02-29 | 2017-02-28 | Methods, compositions, and devices for information storage |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2022101599A Division RU2022101599A (en) | 2016-02-29 | 2017-02-28 | METHODS, COMPOSITIONS AND DEVICES FOR INFORMATION STORAGE |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2018134197A RU2018134197A (en) | 2020-04-01 |
| RU2018134197A3 RU2018134197A3 (en) | 2021-07-02 |
| RU2765308C2 true RU2765308C2 (en) | 2022-01-28 |
Family
ID=59743186
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018134197A RU2765308C2 (en) | 2016-02-29 | 2017-02-28 | Methods, compositions and devices for storing information |
| RU2022101599A RU2022101599A (en) | 2016-02-29 | 2017-02-28 | METHODS, COMPOSITIONS AND DEVICES FOR INFORMATION STORAGE |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2022101599A RU2022101599A (en) | 2016-02-29 | 2017-02-28 | METHODS, COMPOSITIONS AND DEVICES FOR INFORMATION STORAGE |
Country Status (13)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP3423597A4 (en) |
| JP (2) | JP7546345B2 (en) |
| KR (2) | KR20180123062A (en) |
| CN (1) | CN109415766A (en) |
| AU (2) | AU2017227608B2 (en) |
| BR (1) | BR112018067903A2 (en) |
| CA (1) | CA3016037A1 (en) |
| IL (1) | IL261424B (en) |
| MX (2) | MX2018010388A (en) |
| PH (1) | PH12018501843A1 (en) |
| RU (2) | RU2765308C2 (en) |
| SG (1) | SG11201807334SA (en) |
| WO (1) | WO2017151680A2 (en) |
Families Citing this family (29)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10712334B2 (en) | 2016-01-28 | 2020-07-14 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Massively parallel DNA sequencing apparatus |
| WO2017132586A1 (en) | 2016-01-28 | 2017-08-03 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Methods and apparatus for measuring analytes using large scale molecular electronics sensor arrays |
| KR102734671B1 (en) | 2016-02-09 | 2024-11-25 | 로스웰 엠이 아이엔씨. | Electronically labeled DNA and genome sequencing |
| US10597767B2 (en) | 2016-02-22 | 2020-03-24 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Nanoparticle fabrication |
| US10438662B2 (en) * | 2016-02-29 | 2019-10-08 | Iridia, Inc. | Methods, compositions, and devices for information storage |
| US9829456B1 (en) | 2016-07-26 | 2017-11-28 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Method of making a multi-electrode structure usable in molecular sensing devices |
| WO2018132457A1 (en) | 2017-01-10 | 2018-07-19 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Methods and systems for dna data storage |
| US11656197B2 (en) | 2017-01-19 | 2023-05-23 | Roswell ME Inc. | Solid state sequencing devices comprising two dimensional layer materials |
| CN110546276A (en) | 2017-04-25 | 2019-12-06 | 罗斯威尔生命技术公司 | Enzyme circuits for molecular sensors |
| US10508296B2 (en) | 2017-04-25 | 2019-12-17 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Enzymatic circuits for molecular sensors |
| EP3622086A4 (en) | 2017-05-09 | 2021-04-21 | Roswell Biotechnologies, Inc | Binding probe circuits for molecular sensors |
| US11174512B2 (en) | 2017-05-31 | 2021-11-16 | Molecular Assemblies, Inc. | Homopolymer encoded nucleic acid memory |
| US11612873B2 (en) | 2017-05-31 | 2023-03-28 | Molecular Assemblies, Inc. | Homopolymer encoded nucleic acid memory |
| EP3630350A4 (en) | 2017-05-31 | 2021-03-31 | Molecular Assemblies, Inc. | Homopolymer encoded nucleic acid memory |
| WO2019046589A1 (en) | 2017-08-30 | 2019-03-07 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Processive enzyme molecular electronic sensors for dna data storage |
| US11100404B2 (en) * | 2017-10-10 | 2021-08-24 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Methods, apparatus and systems for amplification-free DNA data storage |
| CN120485344A (en) * | 2018-01-04 | 2025-08-15 | 特韦斯特生物科学公司 | DNA-based digital information storage |
| GB201801768D0 (en) | 2018-02-02 | 2018-03-21 | Oxford Nanopore Tech Ltd | Synthesis method |
| EP3547315B1 (en) * | 2018-03-26 | 2021-01-27 | IMEC vzw | Method of storing data |
| EP3847649B1 (en) * | 2018-09-07 | 2025-10-29 | Iridia, Inc. | Improved systems and methods for writing and reading data stored in a polymer |
| CN113646073B (en) | 2019-03-29 | 2024-09-24 | 帕洛根公司 | Nanopore device and biosynthesis method using the same |
| US11655465B1 (en) | 2019-05-02 | 2023-05-23 | Iridia, Inc. | Enzymes and systems for synthesizing DNA |
| TWI860366B (en) * | 2019-06-19 | 2024-11-01 | 美商伊路米納有限公司 | Reagent exchange in an instrument |
| US11837302B1 (en) | 2020-08-07 | 2023-12-05 | Iridia, Inc. | Systems and methods for writing and reading data stored in a polymer using nano-channels |
| CN114196661B (en) * | 2021-11-04 | 2023-08-11 | 北京全式金生物技术股份有限公司 | Recombinant topoisomerase and application thereof in construction of sequencing library |
| US11892445B2 (en) * | 2021-12-08 | 2024-02-06 | Western Digital Technologies, Inc. | Devices, systems, and methods of using smart fluids to control translocation speed through a nanopore |
| CN117079689A (en) * | 2022-05-10 | 2023-11-17 | 密码子(杭州)科技有限公司 | Molecular module assembling device and molecular module assembling method |
| US12461064B2 (en) | 2023-06-23 | 2025-11-04 | Western Digital Technologies, Inc. | Magnetic control of molecule translocation speed through a nanopore |
| WO2025212833A2 (en) * | 2024-04-03 | 2025-10-09 | Catalog Technologies, Inc. | Liquid formulations for dna writing |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060286024A1 (en) * | 2005-06-15 | 2006-12-21 | Baker R Terry K | Synthesis and cleaving of carbon nanochips |
| RU2359038C2 (en) * | 2003-10-16 | 2009-06-20 | Хай Кан Лайф Корпорейшн Лимитед | Device and methods for revealing nucleic acid in biological samples |
| US20120058468A1 (en) * | 2009-01-30 | 2012-03-08 | Oxford Nanopore Technolgies Limited | Adaptors for nucleic acid constructs in transmembrane sequencing |
| US20120322109A1 (en) * | 1997-06-12 | 2012-12-20 | Stewart Shuman | Covalent Joining of DNA Strands to RNA Strands Catalyzed by Vaccinia Topoisomerase |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5681702A (en) * | 1994-08-30 | 1997-10-28 | Chiron Corporation | Reduction of nonspecific hybridization by using novel base-pairing schemes |
| CN101173276A (en) * | 2000-12-08 | 2008-05-07 | 茵维特罗根公司 | Compositions and methods for rapidly generating recombinant nucleic acid molecules |
| US20040001371A1 (en) * | 2002-06-26 | 2004-01-01 | The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Information storage and retrieval device using macromolecules as storage media |
| EP2366705A1 (en) * | 2003-12-17 | 2011-09-21 | Praecis Pharmaceuticals Incorporated | Methods for synthesis of encoded libraries |
| WO2006122317A2 (en) * | 2005-05-11 | 2006-11-16 | The Regents Of The University Of California | Nanofabrication processes and devices for the controlled assembly of functionalized nanostructures |
| BR122022001846B1 (en) * | 2007-09-28 | 2022-12-27 | Portola Pharmaceuticals, Inc. | USE OF TWO-CHAIN POLYPEPTIDE FOR DRUG PREPARATION TO REDUCE BLEEDING |
| US20140051068A1 (en) * | 2010-09-07 | 2014-02-20 | The Regents Of The University Of California | Control of dna movement in a nanopore at one nucleotide precision by a processive enzyme |
| JP6333179B2 (en) * | 2012-01-20 | 2018-05-30 | ジニア テクノロジーズ, インコーポレイテッド | Nanopore-based molecular detection and sequencing |
| US9322820B2 (en) * | 2013-03-14 | 2016-04-26 | Wisconsin Alumni Research Foundation | System and apparatus for nanopore sequencing |
-
2017
- 2017-02-28 RU RU2018134197A patent/RU2765308C2/en active
- 2017-02-28 BR BR112018067903-8A patent/BR112018067903A2/en not_active Application Discontinuation
- 2017-02-28 EP EP17760661.3A patent/EP3423597A4/en active Pending
- 2017-02-28 RU RU2022101599A patent/RU2022101599A/en unknown
- 2017-02-28 KR KR1020187028197A patent/KR20180123062A/en not_active Ceased
- 2017-02-28 CN CN201780025380.6A patent/CN109415766A/en active Pending
- 2017-02-28 CA CA3016037A patent/CA3016037A1/en active Pending
- 2017-02-28 MX MX2018010388A patent/MX2018010388A/en unknown
- 2017-02-28 KR KR1020257002997A patent/KR20250024857A/en active Pending
- 2017-02-28 AU AU2017227608A patent/AU2017227608B2/en active Active
- 2017-02-28 WO PCT/US2017/020044 patent/WO2017151680A2/en not_active Ceased
- 2017-02-28 SG SG11201807334SA patent/SG11201807334SA/en unknown
- 2017-02-28 JP JP2018546548A patent/JP7546345B2/en active Active
-
2018
- 2018-08-28 IL IL261424A patent/IL261424B/en unknown
- 2018-08-29 MX MX2022010682A patent/MX2022010682A/en unknown
- 2018-08-29 PH PH12018501843A patent/PH12018501843A1/en unknown
-
2022
- 2022-03-22 JP JP2022045490A patent/JP2022095695A/en active Pending
- 2022-11-09 AU AU2022268325A patent/AU2022268325B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120322109A1 (en) * | 1997-06-12 | 2012-12-20 | Stewart Shuman | Covalent Joining of DNA Strands to RNA Strands Catalyzed by Vaccinia Topoisomerase |
| RU2359038C2 (en) * | 2003-10-16 | 2009-06-20 | Хай Кан Лайф Корпорейшн Лимитед | Device and methods for revealing nucleic acid in biological samples |
| US20060286024A1 (en) * | 2005-06-15 | 2006-12-21 | Baker R Terry K | Synthesis and cleaving of carbon nanochips |
| US20120058468A1 (en) * | 2009-01-30 | 2012-03-08 | Oxford Nanopore Technolgies Limited | Adaptors for nucleic acid constructs in transmembrane sequencing |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2018134197A (en) | 2020-04-01 |
| MX2018010388A (en) | 2019-03-06 |
| AU2017227608B2 (en) | 2023-06-01 |
| AU2017227608A1 (en) | 2018-09-27 |
| BR112018067903A2 (en) | 2019-04-16 |
| CA3016037A1 (en) | 2017-09-08 |
| CN109415766A (en) | 2019-03-01 |
| RU2022101599A (en) | 2022-02-25 |
| WO2017151680A2 (en) | 2017-09-08 |
| KR20250024857A (en) | 2025-02-19 |
| MX2022010682A (en) | 2022-09-23 |
| JP7546345B2 (en) | 2024-09-06 |
| EP3423597A4 (en) | 2020-03-04 |
| IL261424A (en) | 2018-10-31 |
| SG11201807334SA (en) | 2018-09-27 |
| JP2022095695A (en) | 2022-06-28 |
| JP2019512480A (en) | 2019-05-16 |
| IL261424B (en) | 2021-08-31 |
| AU2022268325B2 (en) | 2024-09-19 |
| EP3423597A2 (en) | 2019-01-09 |
| PH12018501843A1 (en) | 2019-05-15 |
| RU2018134197A3 (en) | 2021-07-02 |
| AU2022268325A1 (en) | 2022-12-15 |
| KR20180123062A (en) | 2018-11-14 |
| WO2017151680A3 (en) | 2017-10-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2765308C2 (en) | Methods, compositions and devices for storing information | |
| JP7112394B2 (en) | Methods, compositions, and devices for information storage | |
| US11505825B2 (en) | Methods of synthesizing DNA | |
| US10859562B2 (en) | Methods, compositions, and devices for information storage | |
| JP6456816B2 (en) | Method for preparing nanopores and uses thereof | |
| TWI827559B (en) | Systems and methods for writing, reading, and controlling data stored in a polymer | |
| CN103282518B (en) | DNA sequencing by synthesis using modified nucleotides and nanopore detection | |
| US20250101493A1 (en) | Spatial omics platforms and systems | |
| CN116334198A (en) | Analyte determination and characterization methods and kits | |
| AU2014354726A1 (en) | Compositions and methods for polynucleotide sequencing | |
| KR20150119353A (en) | Methods and compositions for nanostructure-based nucleic acid sequencing | |
| WO2015167972A1 (en) | Methods for nucleic acid base determination | |
| HK40003918A (en) | Methods, compositions, and devices for information storage | |
| HK40015963A (en) | Methods, compositions, and devices for information storage |