EA039806B1 - Dna-based digital information storage - Google Patents

Dna-based digital information storage Download PDF

Info

Publication number
EA039806B1
EA039806B1 EA202091489A EA202091489A EA039806B1 EA 039806 B1 EA039806 B1 EA 039806B1 EA 202091489 A EA202091489 A EA 202091489A EA 202091489 A EA202091489 A EA 202091489A EA 039806 B1 EA039806 B1 EA 039806B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
cases
polynucleotides
synthesis
polynucleotide
loci
Prior art date
Application number
EA202091489A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA202091489A1 (en
Inventor
Брайан Уэйн Брамлетт
Билл Джэймс Пек
Original Assignee
Твист Байосайенс Корпорейшн
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Твист Байосайенс Корпорейшн filed Critical Твист Байосайенс Корпорейшн
Priority claimed from PCT/US2019/012218 external-priority patent/WO2019136175A1/en
Publication of EA202091489A1 publication Critical patent/EA202091489A1/en
Publication of EA039806B1 publication Critical patent/EA039806B1/en

Links

Abstract

Provided herein are compositions, devices, systems and methods for generation and use of biomolecule-based information for storage. Further provided are devices comprising addressable electrodes controlling polynucleotide synthesis (deprotection, extension or cleavage, etc.) The compositions, devices, systems and methods described herein provide improved storage, density and retrieval of biomolecule-based information.

Description

Уровень техникиState of the art

Системы хранения информации на основе биомолекул, например на основе ДНК, характеризуются большой емкостью хранения и стабильностью во времени. Однако существует потребность в масштабируемых, автоматизированных, высокоточных и высокоэффективных системах для получения биомолекул с целью хранения информации.Information storage systems based on biomolecules, such as DNA, are characterized by high storage capacity and stability over time. However, there is a need for scalable, automated, high-precision and high-performance systems for obtaining biomolecules for the purpose of storing information.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

В настоящем документе представлены устройства для хранения информации, предусматривающие твердую подложку, причем твердая подложка содержит множество лунок, причем каждая из лунок содержит адресуемый локус, содержащий поверхность для синтеза, расположенную в нижней области каждой из лунок; нижний электрод, находящийся в адресуемом сообщении с поверхностью для синтеза; и по меньшей мере один боковой электрод, расположенный на боковой стенке каждой из лунок, причем по меньшей мере один боковой электрод находится на расстоянии от 50 до 200 нм от нижней области. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где твердая подложка содержит адресуемые локусы с плотностью по меньшей мере 100x106 адресуемых локусов на 1 см2. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где твердая подложка содержит адресуемые локусы с плотностью от 100x106 до 100x107 адресуемых локусов на 1 см2. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где адресуемый локус содержит диаметр до около 750 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где каждая из лунок содержит глубину до около 1000 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где каждая из лунок содержит глубину от 100 до 1000 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где каждая из лунок содержит наибольший диаметр поперечного сечения от 100 до 800 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где каждая из лунок является цилиндрической. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где нижний электрод содержит наибольшую площадь поперечного сечения от 104 до 105 нм2. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где по меньшей мере один боковой электрод находится на расстоянии от 50 до 200 нм от нижней области. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где по меньшей мере один боковой электрод содержит высоту от 5 до 25 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, содержащие по меньшей мере два боковых электрода. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где по меньшей мере один боковой электрод и нижний электрод являются независимо адресуемыми.Provided herein are information storage devices comprising a solid support, the solid support comprising a plurality of wells, each of the wells comprising an addressable locus comprising a synthesis surface located in the lower region of each of the wells; a bottom electrode in addressable communication with the synthesis surface; and at least one side electrode located on the side wall of each of the wells, with at least one side electrode located at a distance of 50 to 200 nm from the lower region. Also provided herein are devices where the solid support contains addressable loci at a density of at least 100x106 addressable loci per cm 2 . Also provided herein are devices where the solid support contains addressable loci at a density of 100x106 to 100x107 addressable loci per cm 2 . Also provided herein are devices where the targeted locus contains a diameter of up to about 750 nm. Also provided herein are devices where each of the wells contains a depth of up to about 1000 nm. Also provided herein are devices where each of the wells contains a depth of 100 to 1000 nm. In addition, devices are presented herein, where each of the wells contains the largest cross-sectional diameter from 100 to 800 nm. In addition, devices are presented herein where each of the wells is cylindrical. In addition, this document presents devices where the bottom electrode contains the largest cross-sectional area from 10 4 to 105 nm 2 . Also provided herein are devices where at least one side electrode is between 50 and 200 nm from the bottom region. Also provided herein are devices where at least one side electrode comprises a height of 5 to 25 nm. Also provided herein are devices comprising at least two ground electrodes. Also provided herein are devices where at least one side electrode and bottom electrode are independently addressable.

В настоящем документе представлены устройства для хранения информации, предусматривающие твердую подложку, причем твердая подложка содержит множество лунок, причем каждая из лунок содержит адресуемый локус, содержащий поверхность для синтеза, расположенную в нижней области каждой из лунок; нижний электрод, находящийся в адресуемом сообщении с поверхностью для синтеза; по меньшей мере один боковой электрод, расположенный на боковой стенке каждой из лунок, причем поверхность для синтеза в каждом адресуемом локусе содержит по меньшей мере один полинуклеотид, удлиняющийся от поверхности для синтеза, и причем содержащие разные последовательности полинуклеотиды на твердой подложке присутствуют с плотностью по меньшей мере 100x106 полинуклеотидов на 1 см2. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где твердая подложка содержит полинуклеотиды с разными последовательностями с плотностью по меньшей мере 100x107 полинуклеотидов на 1 см2. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где твердая подложка содержит адресуемые локусы с плотностью от 100x106 до 100x107 полинуклеотидов/см2. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где каждая из лунок содержит глубину до около 1000 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где каждая из лунок содержит глубину от 100 до 1000 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где адресуемый локус содержит диаметр до около 750 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где каждая из лунок содержит наибольший диаметр поперечного сечения от 100 нм до 800 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где каждая из лунок является цилиндрической. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где нижний электрод содержит наибольшую площадь поперечного сечения от 104 до 105 нм2. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где по меньшей мере один боковой электрод находится на расстоянии от 50 до 200 нм от нижней области. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где по меньшей мере один боковой электрод имеет высоту от 5 до 25 нм. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, содержащие по меньшей мере два боковых электрода. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где по меньшей мере один боковой электрод и основной электрод являются независимо адресуемыми.Provided herein are information storage devices comprising a solid support, the solid support comprising a plurality of wells, each of the wells comprising an addressable locus comprising a synthesis surface located in the lower region of each of the wells; a bottom electrode in addressable communication with the synthesis surface; at least one side electrode located on the side wall of each of the wells, and the surface for synthesis in each addressable locus contains at least one polynucleotide extending from the surface for synthesis, and moreover, polynucleotides containing different sequences on a solid support are present with a density of at least measure 100x106 polynucleotides per 1 cm 2 . Also provided herein are devices wherein the solid support contains polynucleotides of different sequences at a density of at least 100 x 107 polynucleotides per cm 2 . Also provided herein are devices where the solid support contains addressable loci at a density of 100x106 to 100x107 polynucleotides/cm 2 . Also provided herein are devices where each of the wells contains a depth of up to about 1000 nm. Also provided herein are devices where each of the wells contains a depth of 100 to 1000 nm. Also provided herein are devices where the targeted locus contains a diameter of up to about 750 nm. Also provided herein are devices where each of the wells has a largest cross-sectional diameter of 100 nm to 800 nm. In addition, devices are presented herein where each of the wells is cylindrical. In addition, this document presents devices where the bottom electrode contains the largest cross-sectional area from 10 4 to 105 nm 2 . Also provided herein are devices where at least one side electrode is between 50 and 200 nm from the bottom region. Also provided herein are devices where at least one ground electrode has a height of 5 to 25 nm. Also provided herein are devices comprising at least two ground electrodes. Also provided herein are devices where at least one side electrode and the main electrode are independently addressable.

- 1 039806- 1 039806

В настоящем документе представлены способы хранения информации, предусматривающие (а) обеспечение описанного в настоящем документе устройства; (b) обеспечение инструкций для синтеза полинуклеотидов; (с) внесение по меньшей мере одного нуклеозида на поверхность для синтеза, причем по меньшей мере один нуклеозид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности для синтеза; и (d) повторение стадии с) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности для синтеза, причем инструкции предусматривают по меньшей мере одну последовательность, кодирующую множество полинуклеотидов. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, дополнительно предусматривающие отщепление по меньшей мере одного полинуклеотида от поверхности, причем полинуклеотид растворен в капле. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, дополнительно предусматривающие секвенирование по меньшей мере одного полинуклеотида с поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых нуклеозид предусматривает амидофосфит нуклеозида. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, дополнительно включающие стадию отщепления, причем стадия отщепления включает приложение электрического потенциала к нижнему электроду с целью генерации реагента для отщепления. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает высушивание поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, дополнительно предусматривающие смывание нуклеозидов с поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию кэпирования. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию окисления. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию деблокирования, причем стадия деблокирования включает приложение электрического потенциала по меньшей мере к одному боковому электроду с целью генерации реагента для снятия защитных групп.This document presents methods for storing information, including (a) providing the device described herein; (b) providing instructions for the synthesis of polynucleotides; (c) introducing at least one nucleoside onto the synthesis surface, the at least one nucleoside being coupled to the polynucleotide attached to the synthesis surface; and (d) repeating step c) to synthesize a plurality of polynucleotides on a synthesis surface, the instructions providing for at least one sequence encoding the plurality of polynucleotides. Also provided herein are methods further comprising cleaving at least one polynucleotide from a surface, wherein the polynucleotide is dissolved in the droplet. Also provided herein are methods further comprising sequencing at least one polynucleotide from a surface. Also provided herein are methods in which the nucleoside provides for a nucleoside amidophosphite. Also provided herein are methods further comprising a cleavage step, wherein the cleavage step comprises applying an electrical potential to the bottom electrode to generate a cleavage reagent. In addition, methods are presented herein, said method further comprising drying the surface. Also provided herein are methods further comprising washing nucleosides from a surface. In addition, methods are presented herein, said method further comprising a capping step. In addition, methods are provided herein, said method further comprising an oxidation step. Also provided herein are methods, said method further comprising a deblocking step, the deblocking step comprising applying an electrical potential to at least one side electrode to generate a deprotectant.

В настоящем документе представлены способы хранения информации, предусматривающие (а) обеспечение твердой подложки, содержащей поверхность; (b) внесение по меньшей мере одного нуклеозида на поверхность, причем по меньшей мере один нуклеозид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности; и (с) повторение стадии b) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности, причем полинуклеотиды, имеющие разные последовательности, присутствуют на поверхности с плотностью по меньшей мере 100х106 полинуклеотидов/см2. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых плотность адресуемых локусов на твердой подложке составляет по меньшей мере 100х107 полинуклеотидов/см2. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых плотность адресуемых локусов на твердой подложке составляет от 100х106 до 100х107 полинуклеотидов/см2. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает отщепление по меньшей мере одного полинуклеотида от поверхности, причем полинуклеотид растворен в капле. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает секвенирование по меньшей мере одного полинуклеотида с поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых нуклеозид предусматривает амидофосфит нуклеозида. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает высушивание поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает смывание нуклеозидов с поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию кэпирования. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию окисления. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию деблокирования.This document presents methods for storing information, including (a) providing a solid substrate containing a surface; (b) introducing at least one nucleoside onto the surface, the at least one nucleoside being coupled to the polynucleotide attached to the surface; and (c) repeating step b) to synthesize a plurality of polynucleotides on the surface, wherein polynucleotides having different sequences are present on the surface at a density of at least 100 x 10 6 polynucleotides/cm 2 . Also provided herein are methods in which the density of addressable loci on a solid support is at least 100 x 10 7 polynucleotides/cm 2 . Also provided herein are methods in which the density of addressable loci on a solid support is from 100x10 6 to 100x10 7 polynucleotides/cm 2 . Also provided herein are methods, said method further comprising cleaving at least one polynucleotide from a surface, the polynucleotide being dissolved in the droplet. Also provided herein are methods, said method further comprising sequencing at least one polynucleotide from a surface. Also provided herein are methods in which the nucleoside provides for a nucleoside amidophosphite. In addition, methods are presented herein, said method further comprising drying the surface. In addition, methods are provided herein, said method further comprising flushing nucleosides from a surface. In addition, methods are presented herein, said method further comprising a capping step. In addition, methods are presented herein, said method further comprising an oxidation step. In addition, methods are presented herein, said method further comprising a deblocking step.

В настоящем документе представлены способы хранения информации, предусматривающие (а) обеспечение твердой подложки, содержащей поверхность; (b) внесение на поверхность капли, содержащей по меньшей мере один нуклеозид, причем по меньшей мере один нуклеозид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности; и (с) повторение стадии b) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности, причем объем капли составляет менее чем около 100 фемтолитров. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых объем капли составляет менее чем около 50 фемтолитров. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых объем капли составляет от менее чем около 25 до 100 фемтолитров. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает отщепление по меньшей мере одного полинуклеотида от поверхности, причем полинуклеотид растворен в капле. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает секвенирование по меньшей мере одного полинуклеотида с поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых нуклеозид предусматривает амидофосфит нуклеозида. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает высушивание поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает смывание нуклеозидов с поверхности. Кроме того, вThis document presents methods for storing information, including (a) providing a solid substrate containing a surface; (b) applying to the surface of a droplet containing at least one nucleoside, wherein at least one nucleoside reacts with a polynucleotide attached to the surface; and (c) repeating step b) to effect the synthesis of a plurality of polynucleotides on the surface, wherein the droplet volume is less than about 100 femtoliters. Also provided herein are methods in which the droplet volume is less than about 50 femtoliters. Also provided herein are methods in which the droplet volume is less than about 25 to 100 femtoliters. Also provided herein are methods, said method further comprising cleaving at least one polynucleotide from a surface, the polynucleotide being dissolved in the droplet. Also provided herein are methods, said method further comprising sequencing at least one polynucleotide from a surface. Also provided herein are methods in which the nucleoside provides for a nucleoside amidophosphite. In addition, methods are presented herein, said method further comprising drying the surface. In addition, methods are provided herein, said method further comprising rinsing nucleosides from a surface. Besides, in

- 2 039806 настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию кэпирования. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию окисления. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию деблокирования.- 2 039806 the present document presents the methods, and the specified method further includes the step of capping. In addition, methods are provided herein, said method further comprising an oxidation step. In addition, methods are presented herein, said method further comprising a deblocking step.

В настоящем документе представлены способы хранения информации, предусматривающие (а) обеспечение твердой подложки, содержащей поверхность; (b) внесение по меньшей мере одного нуклеозида на поверхность, причем по меньшей мере один нуклеозид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности; и (с) повторение стадии b) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности, причем время для повтора стадии b) с применением четырех разных нуклеотидов составляет менее чем около 100 мс. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых время для повтора стадии b) с применением четырех разных нуклеотидов составляет менее чем около 50 мс. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых время для повтора стадии b) с применением четырех разных нуклеотидов составляет от 25 до 100 мс. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает отщепление по меньшей мере одного полинуклеотида от поверхности, причем полинуклеотид растворен в капле. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, дополнительно предусматривающие секвенирование по меньшей мере одного полинуклеотида с поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых нуклеозид предусматривает амидофосфит нуклеозида. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает высушивание поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает смывание нуклеозидов с поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию кэпирования. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию окисления. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает стадию деблокирования.This document presents methods for storing information, including (a) providing a solid substrate containing a surface; (b) introducing at least one nucleoside onto the surface, the at least one nucleoside being coupled to the polynucleotide attached to the surface; and (c) repeating step b) to synthesize a plurality of surface polynucleotides, wherein the time to repeat step b) using four different nucleotides is less than about 100 ms. Also provided herein are methods in which the time to repeat step b) using four different nucleotides is less than about 50 ms. Also provided herein are methods in which the time to repeat step b) using four different nucleotides is between 25 and 100 ms. Also provided herein are methods, said method further comprising cleaving at least one polynucleotide from a surface, the polynucleotide being dissolved in the droplet. Also provided herein are methods further comprising sequencing at least one polynucleotide from a surface. Also provided herein are methods in which the nucleoside provides for a nucleoside amidophosphite. In addition, methods are presented herein, said method further comprising drying the surface. In addition, methods are provided herein, said method further comprising rinsing nucleosides from a surface. In addition, methods are presented herein, said method further comprising a capping step. In addition, methods are provided herein, said method further comprising an oxidation step. In addition, methods are presented herein, said method further comprising a deblocking step.

Включение посредством ссылкиInclusion by reference

Все публикации, патенты и заявки на патенты, упомянутые в настоящем описании, включены в настоящий документ посредством ссылки в той же степени, как если бы каждая отдельная публикация, патент или заявка на патент были конкретно и индивидуально указаны для включения посредством ссылки.All publications, patents, and patent applications referred to in this specification are incorporated herein by reference to the same extent as if each individual publication, patent, or patent application were specifically and individually designated for inclusion by reference.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Новые признаки настоящего изобретения подробно изложены в прилагаемой формуле изобретения. Лучшее понимание признаков и преимуществ настоящего изобретения будет обеспечено со ссылкой на следующее подробное описание, в котором изложены иллюстративные варианты осуществления, в которых используются принципы настоящего изобретения, и прилагаемые чертежи, в числе которых:New features of the present invention are detailed in the appended claims. A better understanding of the features and advantages of the present invention will be provided with reference to the following detailed description, which sets forth illustrative embodiments that use the principles of the present invention and the accompanying drawings, including:

на фиг. 1 показана иллюстративная последовательность выполняемых действий для хранения данных на основе нуклеиновых кислот;in fig. 1 shows an exemplary workflow for storing nucleic acid data;

на фиг. 2 показан планшет, выполненный с возможностью синтеза полинуклеотидов, содержащий 24 области, или субполей, каждое из которых содержит массив из 256 кластеров;in fig. 2 shows a plate capable of synthesizing polynucleotides containing 24 regions, or subfields, each containing an array of 256 clusters;

на фиг. 3 показано увеличенное изображение субполей из фиг. 2 с кластерами 16x16, причем каждый кластер содержит 121 отдельный локус;in fig. 3 shows an enlarged view of the subfields of FIG. 2 with 16x16 clusters, with each cluster containing 121 distinct loci;

на фиг. 4 показано детализированное изображение кластера из фиг. 2, где кластер содержит 121 локус;in fig. 4 shows a detailed view of the cluster from FIG. 2, where the cluster contains 121 loci;

на фиг. 5А показан вид спереди планшета с множеством каналов;in fig. 5A is a front view of a tablet with multiple channels;

на фиг. 5В показан вид в разрезе планшета с множеством каналов;in fig. 5B is a sectional view of a plate with multiple channels;

на фиг. 6А, 6В представлена непрерывная петля и катушечные форматы для гибких структур;in fig. 6A, 6B show continuous loop and coil formats for flexible structures;

на фиг. 6C, 6D представлены схемы высвобождения и экстракции синтезированных полинуклеотидов;in fig. 6C, 6D are schemes for the release and extraction of the synthesized polynucleotides;

на фиг. 7А-7С представлено увеличенное изображение гибкой структуры, содержащей пятна, каналы или лунки соответственно;in fig. 7A-7C are enlarged views of a flexible structure containing spots, channels, or pits, respectively;

на фиг. 8 показан пример компьютерной системы;in fig. 8 shows an example computer system;

фиг. 9 представляет собой блок-схему, на которой показана архитектура компьютерной системы;fig. 9 is a block diagram showing the architecture of a computer system;

фиг. 10 представляет собой схему, на которой показана сеть, предназначенная для объединения множества компьютерных систем, множества мобильных телефонов и карманных персональных компьютеров, и сетевое устройство хранения данных (NAS);fig. 10 is a diagram showing a network for connecting a plurality of computer systems, a plurality of mobile phones and personal digital assistants, and a network attached storage (NAS);

фиг. 11 представляет собой блок-схему многопроцессорной компьютерной системы, в которой применяется общее пространство памяти виртуальной адресации;fig. 11 is a block diagram of a multiprocessor computer system using a shared virtual address memory space;

фиг. 12А представляет собой переднюю сторону иллюстративного массива на твердой подложке;fig. 12A is the front side of an exemplary array on a solid substrate;

фиг. 12В представляет собой заднюю сторону иллюстративного массива на твердой подложке;fig. 12B is the back of an exemplary array on a solid substrate;

фиг. 13 представляет собой схему твердой подложки, содержащей активную область и микрожидкостную поверхность контакта;fig. 13 is a diagram of a solid substrate containing an active region and a microfluidic contact surface;

на фиг. 14 представлен пример прибора в формате стойки;in fig. 14 shows an example of an instrument in rack format;

на фиг. 15 представлена твердая подложка, содержащая адресуемые области для синтеза или хране- 3 039806 ния нуклеиновых кислот;in fig. 15 shows a solid support containing addressable regions for the synthesis or storage of nucleic acids;

на фиг. 16А представлен массив для синтеза с применением электрохимических процессов;in fig. 16A shows an array for synthesis using electrochemical processes;

на фиг. 16В представлен массив для синтеза с применением электрохимических процессов;in fig. 16B shows an array for synthesis using electrochemical processes;

на фиг. 17 представлены лунки для синтеза или хранения нуклеиновых кислот и величина шага между лунками;in fig. 17 shows wells for the synthesis or storage of nucleic acids and the spacing between wells;

на фиг. 18 показан пример твердой подложки, содержащей адресуемый массив;in fig. 18 shows an example of a hard substrate containing an addressable array;

на фиг. 19 показан пример массива на твердой подложке, где шаг приблизительно равен длине 240-мерного полинуклеотида.in fig. 19 shows an example of an array on a solid support, where the pitch is approximately equal to the length of a 240-mer polynucleotide.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Существует потребность в системах памяти большей емкости, поскольку количество генерируемой и хранимой информации увеличивается экспоненциально. Традиционные носители данных имеют ограниченную емкость, и для их производства требуются специализированные технологии, которые со временем меняются, что требует постоянного переноса данных на новые носители, зачастую с большими затратами. Биомолекула, такая как молекула ДНК, обеспечивает подходящий хост для хранения информации частично благодаря своей стабильности во времени и способности к четырехбитному кодированию информации, в отличие от традиционного бинарного кодирования информации. Таким образом, большие объемы данных кодируются в ДНК в относительно меньшем объеме физического пространства в сравнении с таковым, применяемым коммерчески доступными устройствами хранения информации. В настоящем документе представлены способы повышения производительности синтеза ДНК за счет увеличения плотности последовательностей и уменьшения оборотного времени.There is a need for larger memory systems as the amount of information generated and stored increases exponentially. Traditional storage media have limited capacity and require specialized technologies that change over time, requiring constant transfer of data to new media, often at great cost. A biomolecule, such as DNA, provides a suitable host for information storage, in part due to its stability over time and its ability to encode information in four bits, as opposed to traditional binary encoding of information. Thus, large amounts of data are encoded in DNA in a relatively smaller amount of physical space compared to that used by commercially available information storage devices. This document provides methods for improving the throughput of DNA synthesis by increasing sequence density and reducing turnaround time.

ОпределенияDefinitions

Если не указано иное, все применяемые в настоящем документе технические и научные термины имеют те же значения, которые обычно понятны рядовому специалисту в данной области, к которой относятся настоящие изобретения.Unless otherwise indicated, all technical and scientific terms used herein have the same meanings as would be commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present inventions relate.

Во всем настоящем раскрытии количественные признаки представлены в формате диапазона. Следует понимать, что описание в формате диапазона предназначено лишь для удобства и краткости и не должно истолковываться как негибкое ограничение объема каких-либо вариантов осуществления. Соответственно, описание диапазона следует рассматривать как конкретно раскрывающее все возможные поддиапазоны, а также отдельные числовые значения в пределах диапазона до десятой доли единицы нижнего предела, если контекстом явно не указано иное. Например, описание диапазона, такого как от 1 до 6, следует рассматривать как конкретно раскрывающее поддиапазоны, такие как от 1 до 3, от 1 до 4, от 1 до 5, от 2 до 4, от 2 до 6, от 3 до 6 и т.п., а также отдельные значения в пределах такого диапазона, например 1,1, 2, 2,3, 5 и 5,9. Этот принцип применим независимо от ширины диапазона. Верхние и нижние пределы таких промежуточных диапазонов могут быть независимо включены в меньшие диапазоны и также охватываются настоящим изобретением, с учетом любого специально исключенного предела в указанном диапазоне. В случаях, когда указанный диапазон включает один или оба из пределов, диапазоны, исключающие один из или оба из таких включенных пределов, также включены в настоящее изобретение, если контекстом явно не указано иное.Throughout the present disclosure, quantitative characteristics are presented in range format. It should be understood that the description in range format is for convenience and brevity only and should not be construed as an inflexible limitation on the scope of any embodiments. Accordingly, a description of a range should be construed as specifically disclosing all possible subranges, as well as individual numerical values within a range up to a tenth of a lower limit unit, unless the context clearly indicates otherwise. For example, a description of a range such as 1 to 6 should be considered as specifically disclosing subranges such as 1 to 3, 1 to 4, 1 to 5, 2 to 4, 2 to 6, 3 to 6. and the like, as well as individual values within such a range, such as 1.1, 2, 2.3, 5, and 5.9. This principle applies regardless of the range width. The upper and lower limits of such intermediate ranges can be independently included in the smaller ranges and are also covered by the present invention, subject to any specifically excluded limit in the specified range. In cases where the specified range includes one or both of the limits, ranges excluding one or both of such included limits are also included in the present invention, unless the context clearly indicates otherwise.

Применяемая в настоящем документе терминология предназначена только для описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения какого-либо варианта осуществления. Подразумевается, что в контексте настоящего документа формы единственного числа включают также формы множественного числа, если контекстом явно не указано иное. Кроме того, следует понимать, что термины включает (содержит, предусматривает) и/или включающий (содержащий, предусматривающий) при применении в настоящем описании определяют наличие указанных признаков, целых чисел, стадий, действий, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более других признаков, целых чисел, стадий, действий, элементов, компонентов и/или их групп. В контексте настоящего документа термин и/или включает любые комбинации одного или более из связанных с ним перечисленных позиций.The terminology used herein is only intended to describe specific embodiments and is not intended to limit any embodiment. In the context of this document, the singular is intended to include the plural as well, unless the context clearly indicates otherwise. In addition, it should be understood that the terms includes (contains, provides for) and / or including (containing, providing) when used in the present description determine the presence of the specified features, integers, steps, actions, elements and / or components, but do not exclude the presence or adding one or more other features, integers, steps, actions, elements, components, and/or groups thereof. In the context of this document, the term and/or includes any combination of one or more of its associated listed items.

Если специально не указано или не очевидно из контекста, в контексте настоящего документа термин приблизительно по отношению к числу или диапазону чисел следует понимать как означающий указанные число и числа ±10% от них или на 10% меньше нижнего указанного предела и на 10% больше верхнего указанного предела для значений, перечисленных в диапазоне.Unless specifically stated or obvious from the context, in the context of this document, the term approximately in relation to a number or range of numbers should be understood to mean the specified number and numbers ± 10% of them, or 10% less than the lower specified limit and 10% greater than the upper the specified limit for the values listed in the range.

В контексте настоящего документа термины предварительно выбранная последовательность, предопределенная последовательность или заданная последовательность применяют взаимозаменяемо. Указанные термины означают, что последовательность полимера является известной и выбранной перед синтезом или сборкой полимера. В частности, различные аспекты настоящего изобретения описаны в настоящем документе, главным образом, по отношению к получению молекул нуклеиновых кислот, причем последовательность полинуклеотида известна и выбрана до синтеза или сборки молекул нуклеиновых кислот.In the context of this document, the terms preselected sequence, predetermined sequence, or predetermined sequence are used interchangeably. These terms mean that the sequence of the polymer is known and chosen before the synthesis or assembly of the polymer. In particular, various aspects of the present invention are described herein primarily with respect to the production of nucleic acid molecules, wherein the sequence of the polynucleotide is known and selected prior to the synthesis or assembly of the nucleic acid molecules.

В настоящем документе представлены способы и композиции для получения синтетических (т.е. синтезированных de novo или химически синтезированных) полинуклеотидов. Полинуклеотиды также могут называться олигонуклеотидами или олиго. Полинуклеотидные последовательности, описанные вProvided herein are methods and compositions for the production of synthetic (ie, de novo synthesized or chemically synthesized) polynucleotides. Polynucleotides may also be referred to as oligonucleotides or oligos. Polynucleotide sequences described in

- 4 039806 настоящем документе, если не указано иное, могут предусматривать ДНК или РНК.- 4 039806 herein, unless otherwise indicated, may include DNA or RNA.

Синтез и хранение нуклеиновых кислот на твердой подложке.Synthesis and storage of nucleic acids on a solid substrate.

В настоящем документе описаны устройства, композиции, системы и способы для синтеза и хранения нуклеиновых кислот на чипе. В некоторых случаях полинуклеотиды синтезируют de novo с применением способов с использованием твердой подложки, как описано в настоящем документе. В некоторых случаях полинуклеотиды после синтеза хранят на твердой подложке. В некоторых случаях описанные в настоящем документе способы с использованием твердой подложки применяют исключительно для хранения.This document describes devices, compositions, systems and methods for synthesizing and storing nucleic acids on a chip. In some instances, polynucleotides are synthesized de novo using solid support methods as described herein. In some cases, the polynucleotides are stored on a solid support after synthesis. In some instances, the solid support methods described herein are used solely for storage.

В настоящем документе описаны устройства, композиции, системы и способы для синтеза и хранения нуклеиновых кислот на твердой подложке, причем один или более компонентов синтезатора нуклеиновых кислот интегрированы в твердую подложку. Компоненты или функциональные эквиваленты компонентов могут предусматривать контроллеры температуры, адресуемые электроды, полупроводящие поверхности, резервуары для текучих сред, струйные элементы, поверхности для синтеза, источники питания или другой компонент, применяемый для синтеза полинуклеотидов. Любая комбинация интегрированных компонентов подходит для применения с описанными в настоящем документе устройствами, композициями, системами и способами. В некоторых случаях один или более компонентов находятся за пределами (не являются интегрированными) твердой подложки.The present document describes devices, compositions, systems, and methods for synthesizing and storing nucleic acids on a solid support, wherein one or more nucleic acid synthesizer components are integrated into the solid support. The components or functional equivalents of the components may include temperature controllers, addressable electrodes, semi-conductive surfaces, fluid reservoirs, inkjet elements, synthesis surfaces, power supplies, or other component used for polynucleotide synthesis. Any combination of integrated components is suitable for use with the devices, compositions, systems, and methods described herein. In some cases, one or more components are outside (not integrated) of the solid support.

Плотность уникальных локусов для синтеза полинуклеотидов на поверхности зачастую контролируется за счет пространственного разрешения, обеспечиваемого внесением реагентов. Кроме того, для внесения реагентов в уникальные сайты требуется перемещение либо устройства для внесения реагентов, либо принимающей поверхности для перемещения сайта внесения реагентов от одного участка к другому. В качестве альтернативы сочетание оснований локально контролируется в определенных сайтах на поверхности для синтеза без перемещения поверхности или устройства для внесения реагентов. Локальный контроль достигается благодаря массиву адресуемых электродов 1503, причем каждый электрод контролирует сочетание нуклеозидов (амидофосфитов нуклеозидов) посредством электрохимических процессов в определенных локусах на поверхности 1505. В некоторых случаях электрод представляет собой расположенный в нижней области основной электрод (или нижний электрод), находящийся в адресуемом сообщении с поверхностью для синтеза. В некоторых случаях электроды представляют собой боковые электроды, расположенные на боковой стенке лунки. Однако традиционный электрохимический метод на двумерной матрице в некоторых случаях ограничен величиной шага (см. фиг. 19). При высоких показателях плотности (например, в случае малого шага 1507) длина растущих ДНК-олигонуклеотидов 1601 может достигать расстояния от одного сайта синтеза до смежных сайтов синтеза, что приводит к смешиванию дискретных продуктов реакции. Во избежание смешивания смежных продуктов реакции, величину шага 1507, согласно некоторым вариантам осуществления, увеличивают. Диффузия через реакционную среду 1901 является дополнительным фактором, который влияет на пространственный контроль синтеза полинуклеотидов. Таким образом, целесообразно изолировать активные сайты с целью достижения более высоких показателей плотности массива. Контроль сочетания нуклеозидов осуществляется с помощью локальных электродов посредством любого числа манипуляций, таких как генерация локальных реагентов, локальное удаление реагентов, отталкивание реагентов, ограничение объема растворителя, притяжение растворителя, или другой электрохимической или физической манипуляции, которая влияет на одну или более стадий в процессе сочетания оснований. В некоторых случаях для синтеза полинуклеотидов применяют устройство 1500, предусматривающее планшет 1501 с лунками 1502 (см. фиг. 15). Дно 1505 каждой лунки содержит электрод 1503, с которого синтезируются полинуклеотиды. Каждая лунка характеризуется диаметром поперечного сечения 1506 и величиной шага 1507 между любыми двумя лунками. Боковые стенки 1504 лунки в некоторых случаях содержат один или более боковых электродов (не показано).The density of unique loci for polynucleotide synthesis on the surface is often controlled by the spatial resolution provided by the addition of reagents. In addition, applying reagents to unique sites requires moving either the reagent application device or the receiving surface to move the reagent application site from one site to another. Alternatively, the combination of bases is locally controlled at certain sites on the surface for synthesis without moving the surface or the device for introducing reagents. Local control is achieved through an array of addressable electrodes 1503, with each electrode controlling a combination of nucleosides (nucleoside amidophosphites) through electrochemical processes at specific loci on the surface 1505. communication with the surface for synthesis. In some cases, the electrodes are side electrodes located on the side wall of the well. However, the traditional electrochemical method on a two-dimensional matrix is in some cases limited by the step size (see Fig. 19). At high density values (for example, in the case of a small step 1507), the length of growing DNA oligonucleotides 1601 can reach a distance from one synthesis site to adjacent synthesis sites, which leads to mixing of discrete reaction products. In order to avoid mixing of adjacent reaction products, step size 1507 is increased in some embodiments. Diffusion through the 1901 reaction medium is an additional factor that affects the spatial control of polynucleotide synthesis. Thus, it is advisable to isolate active sites in order to achieve higher array density values. Nucleoside coupling is controlled by local electrodes through any number of manipulations, such as generation of local reactants, local removal of reactants, reactant repulsion, solvent volume limitation, solvent attraction, or other electrochemical or physical manipulation that affects one or more steps in the coupling process. grounds. In some cases, a device 1500 is used for the synthesis of polynucleotides, providing a plate 1501 with wells 1502 (see Fig. 15). The bottom 1505 of each well contains an electrode 1503 from which polynucleotides are synthesized. Each well is characterized by a cross-sectional diameter 1506 and a step size 1507 between any two wells. The side walls 1504 of the well, in some cases, contain one or more side electrodes (not shown).

Контроль сочетания в некоторых случаях осуществляется напрямую посредством контроля стадии добавления нуклеозида, стадии снятия защитных групп или другой стадии, которая влияет на эффективность реакции сочетания нуклеозидов. В некоторых случаях паттерн электродов заряжают с целью создания градиента концентрации ионов Н+ 1602 на определенных сайтах вблизи поверхности для синтеза (см. фиг. 16А); полинуклеотиды 1601 в таких сайтах являются незаблокированными (где полинуклеотид блокируют с помощью отщепляемой под действием кислоты блокирующей группы) и будут доступны для сочетания с нуклеозидами.Coupling control is in some cases carried out directly by controlling the nucleoside addition step, the deprotection step, or another step that affects the efficiency of the nucleoside coupling reaction. In some cases, the pattern of electrodes is charged to create a concentration gradient of H + 1602 ions at certain sites near the surface for synthesis (see Fig. 16A); the 1601 polynucleotides at such sites are unblocked (where the polynucleotide is blocked with an acid-cleavable blocking group) and will be available for coupling with nucleosides.

В настоящем документе описаны устройства, предусматривающие твердую подложку, причем твердая подложка содержит множество лунок, причем каждая из лунок содержит адресуемый локус, содержащий: поверхность для синтеза, расположенную в нижней области каждой из лунок; и по меньшей мере один боковой электрод, расположенный на боковой стенке каждой из лунок, причем электрохимическая генерация реагентов отделена в пространстве от точки присоединения полинуклеотида к поверхности для синтеза. В некоторых случаях описанные в настоящем документе устройства также содержат нижний электрод, находящийся в адресуемом сообщении с поверхностью для синтеза. Например, боковые электроды 1603 можно применять для контроля адгезии субстратов или реагентов (см. фиг. 16В). В некоторых случаях реагенты предусматривают протоны или другую кислую молекулу. В некоторых слуDevices are described herein that provide a solid support, the solid support comprising a plurality of wells, each of the wells containing an addressable locus comprising: a synthesis surface located in the lower region of each of the wells; and at least one side electrode located on the side wall of each of the wells, and the electrochemical generation of reagents is separated in space from the point of attachment of the polynucleotide to the synthesis surface. In some instances, the devices described herein also include a bottom electrode in addressable communication with the synthesis surface. For example, ground electrodes 1603 can be used to control adhesion of substrates or reagents (see FIG. 16B). In some cases, the reactants provide for protons or another acidic molecule. In some services

- 5 039806 чаях боковые электроды 1603 расположены в определенных местах по краям поверхности лунки (см. фиг. 16В) в случае лунки, характеризующейся глубиной 1604. В некоторых случаях боковые электроды обеспечивают контроль химических реакций, протекающих вблизи поверхности для синтеза. Например, если кислота или другой реагент генерируются вблизи поверхности для синтеза, часть полинуклеотида 1601, связанного с такой поверхностью, будет контактировать с более высокой концентрацией кислоты, чем часть полинуклеотида, который является дистальным по отношению к сайту генерации кислоты. Это может приводить к разрушению части полинуклеотида, который подвергнут воздействию более высоких концентраций кислоты. Боковые электроды 1603 в некоторых случаях создают градиент концентрации протонов 1602 или осуществляют его контроль, что обеспечивает в результате равномерное или направленное воздействие кислоты на часть полинуклеотида 1601. Сайты вблизи незаряженных электродов не сочетаются с нуклеозидами, внесенными на поверхность для синтеза, и паттерн заряженных электродов изменяется до добавления следующего нуклеозида. Благодаря нанесению на поверхность серий контролируемых с помощью электродов масок требуемые полинуклеотиды синтезируются в точных местоположениях на поверхности. Кроме того, локальный контроль сочетания в некоторых случаях обеспечивает сокращение стадий синтеза, уменьшение количества реагентов/материалов (благодаря более высокой плотности полинуклеотидов и уменьшенному масштабу) и сокращение времени синтеза (отсутствие перемещения поверхности для синтеза). Лунки в некоторых случаях содержат один, два, три, четыре или более четырех боковых электродов. В некоторых случаях лунки содержат два боковых электрода. В некоторых случаях каждый боковой электрод является независимо адресуемым. Например, к двум или более разным боковым электродам прикладывают разное напряжение. Такие схемы в некоторых случаях обеспечивают содействие диффузии реагентов или полинуклеотидов в определенной плоскости между двумя боковыми электродами. Такие боковые электроды в некоторых случаях являются кольцеобразными или расположены непрерывно по окружности поперечного сечения лунки. В некоторых случаях боковые электроды являются прерывистыми или только частично покрывают часть поверхности боковой стенки. Например, боковой электрод расположен непрерывно по около 5, 10 15, 30, 50, 75 или около 90% окружности поперечного сечения лунки. Такие боковые электроды в некоторых случаях характеризуются высотой, около равной высоте лунки или составляющей около 5, 10 15, 30, 50, 75 или около 90% от высоты лунки. В некоторых случаях приложение разного напряжения независимо к двум или более прерывистым боковым электродам обусловливает диффузию реагентов или полинуклеотидов в горизонтальной плоскости. В некоторых случаях приложение разного напряжения независимо к двум или более прерывистым боковым электродам обусловливает диффузию реагентов или полинуклеотидов в вертикальной плоскости.In some cases, the ground electrodes 1603 are located at specific locations along the edges of the well surface (see FIG. 16B) in the case of a well having a depth of 1604. In some cases, the ground electrodes provide control of the chemical reactions occurring near the synthesis surface. For example, if an acid or other reagent is generated near a synthesis surface, the portion of the 1601 polynucleotide bound to that surface will contact a higher concentration of acid than the portion of the polynucleotide that is distal to the site of acid generation. This may result in degradation of the portion of the polynucleotide that is exposed to higher concentrations of acid. The side electrodes 1603 in some cases create or control a proton concentration gradient 1602, resulting in a uniform or directed effect of the acid on a portion of the 1601 polynucleotide. before adding the next nucleoside. By applying a series of electrode-controlled masks to the surface, the desired polynucleotides are synthesized at precise locations on the surface. In addition, local coupling control in some cases allows for shorter synthesis steps, fewer reagents/materials (due to higher polynucleotide density and reduced scale), and reduced synthesis time (no surface movement for synthesis). The wells in some cases contain one, two, three, four or more than four ground electrodes. In some cases, the wells contain two side electrodes. In some cases, each side electrode is independently addressable. For example, different voltages are applied to two or more different side electrodes. Such schemes, in some cases, facilitate the diffusion of reagents or polynucleotides in a certain plane between two side electrodes. Such ground electrodes are in some cases annular or arranged continuously around the circumference of the well's cross section. In some cases, the side electrodes are discontinuous or only partially cover part of the side wall surface. For example, the side electrode is located continuously over about 5%, 10%, 10%, 30%, 50%, 75%, or about 90% of the circumference of the well's cross section. Such ground electrodes are in some cases characterized by a height about equal to the height of the well, or about 5, 10 15, 30, 50, 75, or about 90% of the height of the well. In some cases, applying different voltages independently to two or more discontinuous ground electrodes causes the reagents or polynucleotides to diffuse in the horizontal plane. In some cases, applying different voltages independently to two or more discontinuous side electrodes causes the reagents or polynucleotides to diffuse in the vertical plane.

Для синтеза полинуклеотидов в целом требуется повторяющееся внесение жидкостей (струйные элементы) на поверхность для синтеза и удаление указанного с нее. В некоторых случаях массовое перемещение текучей среды приводит к потере текучей среды (потери на смачивание, объема, расходуемого на пути перемещения или реакционные лунки), что приводит к низкой эффективности использования реагентов и увеличению продолжительности цикла за счет перемещения текучих сред. Альтернативой струйным элементам, обеспечивающим массовое перемещение текучих сред, в процессе синтеза является применение струйных элементов с цифровым управлением, причем реагенты или реакционные резервуары представлены в виде дискретных капель. Капли в некоторых случаях смешивают, перемещают (погружают, осуществляют реакцию), разделяют, хранят, добавляют, удаляют или анализируют в дискретных объемах путем манипуляции через поверхность, содержащую изолированные (или покрытые полупроводником) электроды, или посредством электрохимического смачивания. Электрохимическое смачивание обеспечивает локальный контроль взаимодействия текучая среда-поверхность; например, активация электрода вблизи капли приводит к разделению капли. В некоторых случаях описанные в настоящем документе капли имеют небольшой объем. Например, объем капли составляет до 10, 20, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 500, 800 или более 1000 фемтолитров. В некоторых случаях объем капли составляет от около 50 до около 200 фемтолитров. В некоторых случаях струйные элементы с цифровым управлением обеспечивают в результате сокращение длительности цикла по меньшей мере в 2, 3, 4, 7, 10 или более 10 раз по сравнению со струйными элементами, обеспечивающими массовое перемещение текучих сред. В некоторых случаях струйные элементы с цифровым управлением обеспечивают в результате сокращение длительности цикла по меньшей мере в 2-10 раз по сравнению со струйными элементами, обеспечивающими массовое перемещение текучих сред. В некоторых случаях время выполнения одного цикла (последовательное сочетание 4 оснований, включая промывки) составляет около 1, 2, 3, 5, 7, 10, 12, 15, 17, 20, 30, 50, 100 или около 200 мс. В некоторых случаях время выполнения одного цикла составляет до 1, 2, 3, 5, 7, 10, 12, 15, 17, 20, 30, 50, 100 или до 200 мс. В некоторых случаях время выполнения одного цикла составляет от около 10 до около 50 мс.The synthesis of polynucleotides in general requires the repeated application of liquids (fluid elements) to and from the synthesis surface. In some instances, bulk fluid movement results in fluid loss (loss by wetting, volume flow, or reaction wells), resulting in low reagent efficiency and increased cycle times due to fluid movement. An alternative to jet elements that provide mass movement of fluids in the synthesis process is the use of jet elements with digital control, and the reagents or reaction tanks are presented in the form of discrete drops. Droplets are sometimes mixed, moved (dipped, reacted), separated, stored, added, removed, or analyzed in discrete volumes by manipulation through a surface containing insulated (or semiconductor coated) electrodes, or by electrochemical wetting. Electrochemical wetting provides local control of the fluid-surface interaction; for example, activation of an electrode near a drop results in separation of the drop. In some cases, the droplets described herein have a small volume. For example, the drop volume is up to 10, 20, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 500, 800 or more than 1000 femtoliters. In some cases, the droplet volume is from about 50 to about 200 femtoliters. In some instances, digitally controlled fluid elements result in a cycle time reduction of at least 2, 3, 4, 7, 10, or more than 10 times compared to bulk fluid fluid elements. In some instances, digitally controlled fluid elements result in a cycle time reduction of at least 2 to 10 times compared to fluid mass transfer fluid elements. In some cases, the execution time of one cycle (sequential combination of 4 bases, including washes) is about 1, 2, 3, 5, 7, 10, 12, 15, 17, 20, 30, 50, 100, or about 200 ms. In some cases, the execution time of one cycle is up to 1, 2, 3, 5, 7, 10, 12, 15, 17, 20, 30, 50, 100, or up to 200 ms. In some cases, the execution time of one cycle is from about 10 to about 50 ms.

Перемещение жидкостей на описанных в настоящем документе поверхностях или за их пределами может предусматривать модификации или условия, которые предотвращают нежелательное перемещение текучей среды или другое явление. Например, перемещение текучей среды в некоторых случаях приводит в результате к образованию пузырьков или скоплений газа, что ограничивает контакт текучих сред с компонентами, такими как поверхности или полинуклеотиды. Описанные в настоящем документеThe movement of fluids on or off the surfaces described herein may include modifications or conditions that prevent undesirable fluid movement or other phenomena. For example, the movement of a fluid in some cases results in the formation of bubbles or accumulations of gas, which limits the contact of fluids with components such as surfaces or polynucleotides. Described in this document

- 6 039806 способы, системы и композиции предусматривают различные способы контроля или сведения к минимуму образования пузырьков. Такие способы включают контроль давления текучей среды, геометрию лунок или материалы/покрытия поверхностей. Определенная геометрия лунок может обеспечивать сведение к минимуму образование пузырьков. Например, сужение лунок, каналов или другой поверхности может обеспечивать снижение степени или предотвращение образования пузырьков в ходе движения текучей среды. Материалы поверхности, обладающие специфическими свойствами в отношении смачиваемости, могут обеспечивать снижение степени или предотвращение образования пузырьков. Например, описанные в настоящем документе поверхности содержат гидрофобные материалы. В некоторых случаях описанные в настоящем документе поверхности содержат гидрофильные материалы. Для контроля образования пузырьков в ходе перемещения текучей среды можно применять давление. Давление в некоторых случаях локально прикладывают к компоненту, площади поверхности, капилляру/каналу, или его прикладывают ко всей системе. В некоторых случаях давление прикладывают либо позади области перемещения текучей среды, либо перед ней. В некоторых случаях для предотвращения образования пузырьков прикладывают обратное давление. Подходящие показатели давления, применяемые для предотвращения образования пузырьков, могут варьироваться в зависимости от текучей среды, масштаба, геометрии потока и применяемых материалов. Например, в системе поддерживают давление от 5 до 10 атм. В некоторых случаях прикладывают давление по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15, 20 или более 50 атм. В некоторых случаях прикладывают давление до 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15, 20 или до 50 атм. В некоторых случаях прикладывают давление от около 2 до около 10, от около 2 до около 8, от около 2 до около 5, от около 4 до около 10, от около 4 до около 12, от около 5 до около 15, от около 5 до около 7, от около 7 до около 20, от около 8 до около 15 или от около 10 до около 20 атм.- 6 039806 methods, systems and compositions provide various ways to control or minimize the formation of bubbles. Such methods include fluid pressure control, well geometry, or surface materials/coatings. The specific geometry of the wells can minimize the formation of bubbles. For example, constriction of the wells, channels, or other surface may reduce or prevent the formation of bubbles during fluid movement. Surface materials having specific wettability properties can reduce or prevent bubbling. For example, the surfaces described herein contain hydrophobic materials. In some cases, the surfaces described herein contain hydrophilic materials. Pressure can be applied to control the formation of bubbles during the movement of the fluid. The pressure is in some cases locally applied to the component, surface area, capillary/channel, or it is applied to the entire system. In some cases, pressure is applied either behind or in front of the fluid transfer region. In some cases, back pressure is applied to prevent bubble formation. Suitable pressures used to prevent bubble formation may vary depending on the fluid, scale, flow geometry, and materials used. For example, the system maintains a pressure of 5 to 10 atm. In some cases, a pressure of at least 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15, 20 or more than 50 atm is applied. In some cases, pressures up to 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15, 20 or up to 50 atm are applied. In some cases, pressure is applied from about 2 to about 10, from about 2 to about 8, from about 2 to about 5, from about 4 to about 10, from about 4 to about 12, from about 5 to about 15, from about 5 to about 7, from about 7 to about 20, from about 8 to about 15, or from about 10 to about 20 atm.

В описанных в настоящем документе устройствах могут использоваться контроллеры для регуляции окружающих условий, таких как температура. Контроллеры температуры зачастую применяют для создания или поддержания условий для хранения твердых подложек, содержащих полинуклеотиды. Условия хранения нуклеиновых кислот могут влиять на их долгосрочную стабильность, которая напрямую влияет на качество извлекаемой информации, хранимой в цифровой форме. Полинуклеотиды необязательно хранят при низкой температуре (например, 10, 4, 0°С или ниже) на твердой подложке, при этом такую температуру твердой подложки поддерживает контроллер температуры. Среда для хранения полинуклеотидов на твердой подложке, как, например, в сольватированной или сухой форме, также влияет на стабильность при хранении. В некоторых случаях полинуклеотиды хранят в растворе, таком как водный раствор или буфер, в виде капель. В некоторых случаях полинуклеотиды хранят в лиофилизированной форме (сухой). Контроллеры температуры в некоторых случаях повышают температуру чипа для содействия высушиванию присоединенных на нем полинуклеотидов. В некоторых случаях контроллеры температуры также обеспечивают локальный контроль нагревания в адресуемых местоположениях на твердой подложке. В некоторых случаях после добавления на твердую подложку содержащих полинуклеотиды капель твердую подложку сушат. В некоторых случаях содержимое высушенной твердой подложки впоследствии подвергают повторной сольватации. В некоторых случаях твердую подложку хранят для последующего применения. В некоторых случаях твердая подложка дополнительно содержит карту-схему полинуклеотидов. В некоторых случаях твердая подложка дополнительно предусматривает метаданные.The devices described herein may use controllers to control environmental conditions such as temperature. Temperature controllers are often used to create or maintain storage conditions for solid supports containing polynucleotides. Storage conditions for nucleic acids can affect their long-term stability, which directly affects the quality of retrieved information stored in digital form. The polynucleotides are optionally stored at a low temperature (eg, 10, 4, 0° C. or below) on a solid support, with a temperature controller maintaining the temperature of the solid support. The storage medium for polynucleotides on a solid support, such as in solvated or dry form, also affects storage stability. In some cases, the polynucleotides are stored in a solution, such as an aqueous solution or buffer, in the form of drops. In some cases, the polynucleotides are stored in lyophilized (dry) form. Temperature controllers in some cases raise the temperature of the chip to help dry the polynucleotides attached to it. In some cases, the temperature controllers also provide local control of heating at targeted locations on the solid substrate. In some cases, after addition of droplets containing polynucleotides to the solid support, the solid support is dried. In some cases, the contents of the dried solid support are subsequently resolvated. In some cases, the solid support is stored for later use. In some cases, the solid support further comprises a polynucleotide map. In some cases, the solid support further provides metadata.

Описанные в настоящем документе устройства могут содержать источники питания, применяемые для подачи питания на различные компоненты устройства. Компоненты для синтеза на твердой подложке необязательно запитаны от внешнего источника питания, или источник питания интегрирован в твердую подложку. Источники питания могут включать батареи, солнечные батареи, термоэлектрогенераторы, индукционные (беспроводные) блоки питания, кинетическое зарядное устройство, сотовые телефоны, планшеты или другой источник питания, подходящий для применения с описанными в настоящем документе компонентами для синтеза или устройствами. В некоторых случаях описанные в настоящем документе компоненты для синтеза, поверхности или устройства являются портативными.The devices described in this document may include power supplies used to supply power to various components of the device. The components for synthesis on a solid substrate are optionally powered by an external power supply, or the power supply is integrated into the solid substrate. Power sources may include batteries, solar panels, thermoelectric generators, induction (wireless) power supplies, kinetic charger, cell phones, tablets, or other power source suitable for use with the synthesis components or devices described herein. In some instances, the synthesis components, surfaces, or devices described herein are portable.

Текучие среды, содержащие реагенты, растворители для промывки или другие компоненты для синтеза, вносят на поверхность для синтеза. Неиспользованная текучая среда (до контакта с поверхностью для синтеза) или отработанная текучая среда (после контакта с поверхностью для синтеза) в некоторых случаях хранится в одном или более ячейках, интегрированных в твердую подложку. В качестве альтернативы, или в комбинации, полинуклеотиды помещают на твердую подложку или извлекают из нее для внешнего анализа или хранения. Например, синтезированные полинуклеотиды отщепляют от локусов на твердой подложке в виде капли, причем полученную каплю перемещают за пределами участка синтеза на твердой подложке. В случае хранения каплю необязательно высушивают. В некоторых случаях текучие среды хранят за пределами твердой подложки. В некоторых случаях описанное в настоящем документе устройство содержит твердую подложку с множеством отверстий для текучей среды, которые обеспечивают перемещение текучих сред на твердую подложку или за ее пределы. В некоторых случаях отверстия упорядочены на боковых стенках твердой подложки, однако другие конфигурации также подходят для доставки текучих сред к поверхности для синтеза. Такое устройство зачастую содержит, например, по меньшей мере 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000 или по меньшейFluids containing reagents, wash solvents, or other synthesis components are applied to the synthesis surface. Unused fluid (before contact with the synthesis surface) or spent fluid (after contact with the synthesis surface) is in some cases stored in one or more cells integrated into the solid support. Alternatively, or in combination, polynucleotides are placed on or removed from a solid support for external analysis or storage. For example, synthesized polynucleotides are cleaved from loci on a solid support in the form of a drop, and the resulting drop is moved outside the synthesis site on the solid support. If stored, the drop is optionally dried. In some cases, fluids are stored outside of the solid support. In some instances, the apparatus described herein includes a solid support with a plurality of fluid ports that allow fluids to move into or out of the solid support. In some cases, the holes are arranged on the side walls of the solid support, however, other configurations are also suitable for delivering fluids to the surface for synthesis. Such a device often contains, for example, at least 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000 or at least

- 7 039806 мере 10000 отверстий/мм длины твердой подложки. В некоторых случаях описанное в настоящем документе устройство содержит от около 100 до около 5000 отверстий/мм длины твердой подложки.- 7 039806 measure 10,000 holes/mm of the length of the solid substrate. In some cases, the device described herein contains from about 100 to about 5000 holes/mm of the length of the solid substrate.

В настоящем документе описаны адресуемые электроды, интегрированные в твердую подложку. Электроды без ограничения предусматривают проводники, изоляторы или полупроводники, и они выполнены из хорошо известных в данной области материалов. Материалы могут предусматривать металлы, неметаллы, смешанные оксиды металлов, нитриды, карбиды, материалы на кремниевой основе или другой материал. В некоторых случаях оксиды металлов включают TiO2, Ta2O5, Nb2O5, Al2O3, BaO, Y2O3, HfO2, SrO или другой известный в данной области оксид металла. В некоторых случаях карбиды металлов включают TiC, WC, ThC2, ThC, VC, W2C, ZrC, HfC, NbC, TaC, Ta2C или другой известный в данной области карбид металла. В некоторых случаях нитриды металлов включают GaN, InN, BN, Be3N2, Cr2N, MoN, Si3N4, TaN, Th2N2, VN, ZrN, TiN, HfN, NbC, WN, TaN или другой известный в данной области нитрид металла. В некоторых случаях раскрытое в настоящем документе устройство изготовлено с использованием комбинации материалов, перечисленных в настоящем документе, или любого другого известного в данной области подходящего материала.This document describes addressable electrodes integrated into a solid substrate. The electrodes, without limitation, include conductors, insulators, or semiconductors, and are made from materials well known in the art. The materials may include metals, non-metals, mixed metal oxides, nitrides, carbides, silicon-based materials, or other material. In some cases, metal oxides include TiO2, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 , BaO, Y 2 O 3 , HfO 2 , SrO or other metal oxide known in the art. In some cases, metal carbides include TiC, WC, ThC 2 , ThC, VC, W2C, ZrC, HfC, NbC, TaC, Ta 2 C, or other metal carbide known in the art. In some cases, metal nitrides include GaN, InN, BN, Be 3 N2, Cr2N, MoN, Si 3 N 4 , TaN, Th 2 N 2 , VN, ZrN, TiN, HfN, NbC, WN, TaN or other known in this metal nitride region. In some instances, the device disclosed herein is made using a combination of the materials listed herein or any other suitable material known in the art.

Электроды могут быть любой формы, включая форму дисков, стержней, лунок, столбиков, практически плоскую форму или любую другую форму, подходящую для синтеза нуклеиновых кислот. Площадь поперечного сечения каждого электрода варьируется в зависимости от размера локусов для синтеза полинуклеотидов, при этом в некоторых случаях она составляет до 500, 200, 100, 75, 50, 25, 10, менее 5 мкм2. В некоторых случаях площадь поперечного сечения каждого электрода составляет от около 500 до 10 мкм2, от около 100 до 25 мкм2 или от около 150 до 50 мкм2. В некоторых случаях площадь поперечного сечения каждого электрода составляет от около 150 до 50 мкм2. Представленные в настоящем документе устройства включают электроды с диаметром, который варьируется в зависимости от размера локусов для синтеза полинуклеотидов. Иллюстративные диаметры электрода включают, без ограничения, значения до 500, 200, 100, 75, 50, 25, 10, менее 5 мкм. В некоторых случаях диаметр каждого электрода составляет от около 500 до 10 мкм, от около 100 до 25 мкм, от около 100 до около 200 мкм, от около 50 до около 200 мкм или от около 150 до 50 мкм. В некоторых случаях диаметр каждого электрода составляет от около 200 до 50 мкм. В некоторых случаях диаметр каждого электрода составляет от около 200 до 100 мкм. В некоторых случаях диаметр каждого электрода составляет до 500, 200, 100, 75, 50, 25, 10, менее 5 нм. В некоторых случаях диаметр каждого электрода составляет от около 500 до 10 нм, от около 100 до 25 нм, от около 100 до около 200 нм, от около 50 до около 200 нм или от около 150 до 50 нм. В некоторых случаях диаметр каждого электрода составляет от около 200 до 50 нм. В некоторых случаях диаметр каждого электрода составляет от около 200 до 100 нм. Толщина каждого электрода варьируется в зависимости от размера локусов для синтеза полинуклеотидов, при этом в некоторых случаях она составляет около 50, 100, 200, 500, 750, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000 или около 3500 нм. В некоторых случаях толщина электрода составляет по меньшей мере 50, 100, 200, 500, 750, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000 или по меньшей мере 3500 нм. В некоторых случаях толщина электрода составляет по меньшей мере 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 30, 50 или по меньшей мере 75 мкм. В некоторых случаях толщина электрода составляет около 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 30, 50 или около 75 мкм. В некоторых случаях толщина электрода составляет до 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 30, 50 или до 75 мкм. В некоторых случаях толщина электрода составляет до 50, 100, 200, 500, 750, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000 или до 3500 нм. В некоторых случаях толщина электрода составляет от около 20 до 3000 нм, от около 50 до 2500, от около 100 до 750 нм, от около 400 до 750 нм, от около 500 до 3000 нм или от около 1000 до 3000 нм. В некоторых случаях толщина электрода составляет от около 10 до около 20 мкм. В некоторых случаях толщина электрода составляет от около 5 до около 50 мкм, от около 10 до около 30 мкм, от около 15 до около 25 мкм или от около 30 до около 50 мкм. В некоторых случаях электроды покрыты дополнительными материалами, такими как полупроводники или изоляторы. В некоторых случаях электроды покрыты материалами для присоединения и синтеза полинуклеотидов. В некоторых случаях размер, форма, паттерн или ориентация электродов подбираются с целью сведения к минимуму вредных побочных реакций, обусловленных электрохимически генерируемыми реагентами. В некоторых случаях применяют комбинации электродов, как, например, сетку адресуемых электродов и обычный электрод. В некоторых случаях электроды представляют собой катоды или аноды. Электроды или массивы электродов могут быть расположены в любом месте на поверхности с полинуклеотидами или вблизи нее. В некоторых случаях электроды размещены на дне локусов для синтеза, как, например, на дне лунки или канала. В некоторых случаях электроды размещены на боковых стенках лунки или канала (боковые электроды). В некоторых случаях множество боковых электродов находятся на стенках лунки. Находящиеся в разных местоположениях электроды в устройстве могут выполнять разные функции и могут быть независимо или одновременно адресуемыми. В некоторых случаях электрод на дне лунки применяют для отщепления полинуклеотидов от поверхности в одном или более локусах, а боковой электрод применяют с целью генерации кислоты для снятия защитных групп с полинуклеотидов. В некоторых случаях электрод на дне лунки применяют для отщепления полинуклеотидов от поверхности в одном или более локусах, и первый боковой электрод применяют с целью генерации кислоты для снятия защитных групп с полинуклеотидов, и второй боковой электрод применяют для перемещения полинуклеотидов из лунки после от- 8 039806 щепления. В иллюстративных конфигурациях боковые электроды расположены на расстоянии около 10, около 25, около 50, около 75, около 100, около 125 или около 200 нм над поверхностью для синтеза. В некоторых случаях боковые электроды расположены на расстоянии от около 10 до около 100 нм, от около 50 до около 150 нм, от около 40 до 100 нм, от около 75 до около 125 нм, от около 100 до 300 нм над поверхностью для синтеза. В некоторых случаях несколько боковых электродов расположены на разной высоте над поверхностью для синтеза. Например, локус содержит по меньшей мере один боковой электрод, по меньшей мере 2 боковых электрода, по меньшей мере 3 боковых электрода или более 3 боковых электродов. В иллюстративных конфигурациях боковые электроды имеют высоту около 1, около 5, около 10, около 20, около 25, около 30, около 40 или около 50 нм. В некоторых случаях боковые электроды имеют высоту от 1 до 20 нм, от 2 до 30 нм, от 5 до 20 нм, от 10 до 40 нм или от 5 до 25 нм.The electrodes may be of any shape, including discs, rods, wells, posts, a substantially flat shape, or any other shape suitable for nucleic acid synthesis. The cross-sectional area of each electrode varies depending on the size of the loci for the synthesis of polynucleotides, while in some cases it is up to 500, 200, 100, 75, 50, 25, 10, less than 5 μm 2 . In some cases, the cross-sectional area of each electrode is from about 500 to 10 µm 2 , from about 100 to 25 µm 2 , or from about 150 to 50 µm 2 . In some cases, the cross-sectional area of each electrode is from about 150 to 50 µm 2 . The devices provided herein include electrodes with a diameter that varies depending on the size of the loci for polynucleotide synthesis. Exemplary electrode diameters include, without limitation, values up to 500, 200, 100, 75, 50, 25, 10, less than 5 microns. In some cases, the diameter of each electrode is about 500 to 10 microns, about 100 to 25 microns, about 100 to about 200 microns, about 50 to about 200 microns, or about 150 to 50 microns. In some cases, the diameter of each electrode is from about 200 to 50 microns. In some cases, the diameter of each electrode is from about 200 to 100 microns. In some cases, the diameter of each electrode is up to 500, 200, 100, 75, 50, 25, 10, less than 5 nm. In some cases, the diameter of each electrode is about 500 to 10 nm, about 100 to 25 nm, about 100 to about 200 nm, about 50 to about 200 nm, or about 150 to 50 nm. In some cases, the diameter of each electrode is from about 200 to 50 nm. In some cases, the diameter of each electrode is from about 200 to 100 nm. The thickness of each electrode varies depending on the size of the polynucleotide synthesis loci, being about 50, 100, 200, 500, 750, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000 or about 3500 nm in some cases. In some cases, the thickness of the electrode is at least 50, 100, 200, 500, 750, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000 or at least 3500 nm. In some cases, the thickness of the electrode is at least 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 30, 50 or at least 75 microns. In some cases, the thickness of the electrode is about 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 30, 50, or about 75 microns. In some cases, the thickness of the electrode is up to 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 30, 50 or up to 75 microns. In some cases, the thickness of the electrode is up to 50, 100, 200, 500, 750, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000 or up to 3500 nm. In some cases, the electrode thickness is about 20 to 3000 nm, about 50 to 2500, about 100 to 750 nm, about 400 to 750 nm, about 500 to 3000 nm, or about 1000 to 3000 nm. In some cases, the thickness of the electrode is from about 10 to about 20 microns. In some instances, the thickness of the electrode is about 5 to about 50 microns, about 10 to about 30 microns, about 15 to about 25 microns, or about 30 to about 50 microns. In some cases, the electrodes are coated with additional materials such as semiconductors or insulators. In some cases, the electrodes are coated with materials for the attachment and synthesis of polynucleotides. In some cases, the size, shape, pattern, or orientation of the electrodes is chosen to minimize harmful side reactions caused by electrochemically generated reagents. In some cases, combinations of electrodes are used, such as a grid of addressable electrodes and a conventional electrode. In some cases, the electrodes are cathodes or anodes. The electrodes or electrode arrays can be located anywhere on or near the polynucleotide surface. In some cases, electrodes are placed at the bottom of the synthesis loci, such as at the bottom of a well or channel. In some cases, the electrodes are placed on the side walls of the well or channel (side electrodes). In some cases, a plurality of side electrodes are located on the walls of the well. The electrodes located in different locations in the device may perform different functions and may be independently or simultaneously addressable. In some cases, an electrode at the bottom of the well is used to cleave polynucleotides from the surface at one or more loci, and a side electrode is used to generate acid to deprotect the polynucleotides. In some cases, the electrode at the bottom of the well is used to cleave polynucleotides from the surface at one or more loci, and the first side electrode is used to generate acid to deprotect the polynucleotides, and the second side electrode is used to move the polynucleotides out of the well after cleavage. splitting. In exemplary configurations, the side electrodes are located about 10, about 25, about 50, about 75, about 100, about 125, or about 200 nm above the synthesis surface. In some cases, the side electrodes are located at a distance of about 10 to about 100 nm, about 50 to about 150 nm, about 40 to 100 nm, about 75 to about 125 nm, about 100 to 300 nm above the synthesis surface. In some cases, several side electrodes are located at different heights above the synthesis surface. For example, the locus contains at least one ground electrode, at least 2 ground electrodes, at least 3 ground electrodes, or more than 3 ground electrodes. In exemplary configurations, the side electrodes are about 1, about 5, about 10, about 20, about 25, about 30, about 40, or about 50 nm high. In some cases, the side electrodes are 1 to 20 nm, 2 to 30 nm, 5 to 20 nm, 10 to 40 nm, or 5 to 25 nm in height.

Поверхности электрода могут содействовать перемещению, поддержанию конформации, синтезу, росту и высвобождению полинуклеотидов. В некоторых случаях электроды покрыты одним или более слоями. В некоторых случаях слой представляет собой монослой, который облегчает присоединение линкера. В некоторых случаях электрод заряжают с целью оказания воздействия на участок монослоя, подлежащего функционализации линкером. Это позволяет маскировать определенные участки для химической функционализации, такой как модификация поверхности гидрофобными или гидрофильными химическими группами. В некоторых случаях электрод заряжают с целью оказания воздействия на участок монослоя, где будет осуществляться удлинение с использованием нуклеозида в качестве мономера. В некоторых случаях такое воздействие включает обеспечение генерации реагентов для содействия или препятствия сочетанию мономеров с поверхностями для синтеза вблизи электрода. В некоторых случаях электрод заряжают с целью оказания воздействия на участок монослоя, из которого высвобождаются полинуклеотиды. В некоторых случаях такое контролируемое высвобождение определенных полинуклеотидов в определенном порядке применяют для контроля сборки синтезированных мономеров в более крупные полинуклеотиды. Например, процесс итеративной сборки полинуклеотидов оптимизируют путем изучения различных комбинаций полинуклеотидов, которые высвобождаются и могут гибридизоваться для сборки с использованием ПЦР с перекрыванием.The electrode surfaces can assist in the movement, conformation, synthesis, growth, and release of polynucleotides. In some cases, the electrodes are coated with one or more layers. In some cases, the layer is a monolayer, which facilitates the attachment of the linker. In some cases, the electrode is charged to affect the portion of the monolayer to be functionalized with the linker. This allows certain areas to be masked for chemical functionalization, such as surface modification with hydrophobic or hydrophilic chemical groups. In some cases, the electrode is charged to affect the area of the monolayer where the extension will be carried out using the nucleoside as the monomer. In some cases, such action includes providing the generation of reagents to promote or prevent the combination of monomers with surfaces for synthesis near the electrode. In some cases, the electrode is charged to affect the area of the monolayer from which the polynucleotides are released. In some cases, such controlled release of certain polynucleotides in a certain order is used to control the assembly of synthesized monomers into larger polynucleotides. For example, the process of iterative assembly of polynucleotides is optimized by examining different combinations of polynucleotides that are released and can hybridize for assembly using overlap PCR.

Каждый электрод может осуществлять контроль в отношении одного или множества разных локусов для синтеза, причем каждый локус для синтеза характеризуется определенной плотностью полинуклеотидов. В некоторых случаях плотность составляет по меньшей мере 1 олигонуклеотид на 10 нм2, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000 или по меньшей мере 1 олигонуклеотид на 10000 нм2. В некоторых случаях плотность составляет от около 1 олигонуклеотида на 10 нм2 до около 1 олигонуклеотида на 5000 нм2, от около 1 олигонуклеотида на 50 нм2 до около 1 олигонуклеотида на 500 нм2 или от около 1 олигонуклеотида на 25 нм2 до около 1 олигонуклеотида на 75 нм2. В некоторых случаях плотность полинуклеотидов составляет от около 1 олигонуклеотида на 25 нм2 до около 1 олигонуклеотида на 75 нм2.Each electrode can control one or a plurality of different synthesis loci, with each synthesis locus having a specific density of polynucleotides. In some cases, the density is at least 1 oligonucleotide per 10 nm 2 , 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, or at least 1 oligonucleotide per 10,000 nm 2 . In some cases, the density is from about 1 oligonucleotide per 10 nm 2 to about 1 oligonucleotide per 5000 nm 2 , from about 1 oligonucleotide per 50 nm 2 to about 1 oligonucleotide per 500 nm 2 , or from about 1 oligonucleotide per 25 nm 2 to about 1 oligonucleotide at 75 nm 2 . In some cases, the density of polynucleotides is from about 1 oligonucleotide per 25 nm 2 to about 1 oligonucleotide per 75 nm 2 .

В настоящем документе представлены устройства для синтеза полинуклеотидов с различными типами электродов. В некоторых случаях устройство содержит эталонный электрод. Эталонные электроды размещают вблизи поверхности для синтеза или, в случае лунки или канала, например, над лункой или каналом. В некоторых случаях эталонный электрод находится на расстоянии от около 1 до около 50 мкм, от около 2 до около 40 мкм, от около 3 до около 30 мкм, от около 5 до около 20 мкм, от около 10 до около 20 мкм, от около 15 до около 50 мкм, от около 30 до около 50 мкм, от около 5 до около 30 мкм или от около 7 до около 25 мкм над поверхностью для синтеза. В некоторых случаях эталонный электрод находится на расстоянии около 1, 2, 5, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 или более 26 мкм над поверхностью для синтеза. В некоторых случаях эталонный электрод находится на расстоянии до 1, 2, 5, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 или до 26 мкм над поверхностью для синтеза. В некоторых случаях эталонный электрод находится на расстоянии по меньшей мере 1, 2, 5, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 или по меньшей мере 26 мкм над поверхностью для синтеза. Эталонные электроды в некоторых случаях примыкают к поверхностям для синтеза, как, например, примыкают к лунке или каналу. В некоторых случаях каждый локус имеет один соответствующий эталонный электрод. В некоторых случаях каждый локус имеет общий эталонный электрод с одним или более смежными локусами. Описанные в настоящем документе устройства могут содержать любое число эталонных электродов. В некоторых случаях эталонный электрод представляет собой одиночную однородную пластинку. В некоторых случаях устройства содержат множество эталонных электродов. Эталонный электрод может быть связан с множеством локусов, например 2, 3, 4, 5, 10 или более локусами.This document presents devices for the synthesis of polynucleotides with various types of electrodes. In some cases, the device contains a reference electrode. The reference electrodes are placed near the synthesis surface or, in the case of a well or channel, eg above the well or channel. In some instances, the reference electrode is at a distance of about 1 to about 50 µm, about 2 to about 40 µm, about 3 to about 30 µm, about 5 to about 20 µm, about 10 to about 20 µm, about 15 to about 50 microns, about 30 to about 50 microns, about 5 to about 30 microns, or about 7 to about 25 microns above the synthesis surface. In some cases, the reference electrode is about 1, 2, 5, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, or more than 26 µm above the synthesis surface. In some cases, the reference electrode is up to 1, 2, 5, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, or up to 26 µm above the synthesis surface. In some cases, the reference electrode is at least 1, 2, 5, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, or at least 26 µm above the synthesis surface . The reference electrodes are in some cases adjacent to the synthesis surfaces, such as adjacent to a well or a channel. In some cases, each locus has one corresponding reference electrode. In some cases, each locus shares a common reference electrode with one or more adjacent loci. The devices described herein may comprise any number of reference electrodes. In some cases, the reference electrode is a single homogeneous plate. In some cases, the devices contain a plurality of reference electrodes. The reference electrode may be associated with multiple loci, such as 2, 3, 4, 5, 10 or more loci.

В настоящем документе описаны устройства, композиции, системы и способы синтеза и хранения нуклеиновых кислот на твердой подложке, при этом твердая подложка характеризуется различными размерами. В некоторых случаях размер твердой подложки составляет от около 40 до 120 мм на от около 25 до 100 мм. В некоторых случаях размер твердой подложки составляет около 80 мм на около 50 мм. В некоторых случаях ширина твердой подложки составляет по меньшей мере или около 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500 или более 500 мм. В некоторых случаях высота твердой подложки составляет по меньшей мере или около 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500 или более 500 мм. В некоторых случаях твердая подложка характеризуется площадью плоской поверхности по меньшей мере или около 100; 200; 500; 1000; 2000; 4500; 5000; 10000; 12000; 15000; 20000; 30000; 40000; 50000 мм2 или больше. ВThis document describes devices, compositions, systems and methods for the synthesis and storage of nucleic acids on a solid support, while the solid support is characterized by various sizes. In some cases, the size of the solid substrate is from about 40 to 120 mm by about 25 to 100 mm. In some cases, the size of the solid substrate is about 80 mm by about 50 mm. In some cases, the width of the solid substrate is at least or about 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500 or more than 500 mm. In some cases, the height of the solid substrate is at least or about 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500 or more than 500 mm. In some cases, the solid substrate has a flat surface area of at least or about 100; 200; 500; 1000; 2000; 4500; 5000; 10000; 12000; 15000; 20000; 30000; 40000; 50000 mm2 or more. AT

- 9 039806 некоторых случаях толщина твердой подложки составляет от около 50 до около 2000 мм, от около 50 до около 1000 мм, от около 100 до около 1000 мм, от около 200 до около 1000 мм или от около 250 до около 1000 мм. Неограничивающие примеры значений толщины твердой подложки включают 275, 375, 525, 625, 675, 725, 775 и 925 мм. В некоторых случаях толщина твердой подложки составляет по меньшей мере или около 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0 или более 4,0 мм.In some cases, the thickness of the solid substrate is about 50 to about 2000 mm, about 50 to about 1000 mm, about 100 to about 1000 mm, about 200 to about 1000 mm, or about 250 to about 1000 mm. Non-limiting examples of solid substrate thicknesses include 275, 375, 525, 625, 675, 725, 775, and 925 mm. In some cases, the thickness of the solid substrate is at least or about 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, or greater than 4.0 mm.

В настоящем документе описаны устройства, где две или более твердые подложки являются сборными. В некоторых случаях твердые подложки соединены вместе на более крупном элементе. Соединение может предусматривать обмен текучими средами, электрическими сигналами или обмен другими средами между твердыми подложками. Этот элемент может взаимодействовать с любым числом серверов, компьютеров или сетевых устройств. Например, множество твердых подложек интегрированы в стойко-место, которое удобно вставляется в серверную стойку или убирается из нее. Стойко-место может содержать любое число твердых подложек. В некоторых случаях стойко-место содержит по меньшей мере 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 20000, 50000, 100000 или более 100000 твердых подложек. В некоторых случаях две или более твердые подложки не соединены друг с другом. Стойко-место может обеспечивать доступ к нуклеиновым кислотам (и хранимой в них информации), находящимся на твердых подложках, см., например, фиг. 14. Доступ включает извлечение полинуклеотидов из твердых подложек, прямой анализ полинуклеотидов на твердой подложке или любой другой способ, который позволяет осуществлять манипуляции или идентификацию в отношении информации, хранимой в нуклеиновых кислотах. В некоторых случаях информация является доступной из множества стоек, одной стойки, одной твердой подложки из стойки, части твердой подложки или одного локуса на твердой подложке. В различных случаях доступ предусматривает обеспечение взаимодействия нуклеиновых кислот с дополнительными устройствами, такими как масс-спектрометры, приборы для HPLC, приборы для секвенирования, ПЦР-амплификаторы или другое устройство для манипуляций с нуклеиновыми кислотами. В некоторых случаях доступ к хранимой в нуклеиновых кислотах информации обеспечивается за счет отщепления полинуклеотидов от всей или части твердой подложки. В некоторых случаях отщепление предусматривает воздействие реагентов (аммиака или другого реагента), электрического потенциала, излучения, тепла, света, звука или другой формы энергии, способной воздействовать на химические связи. В некоторых случаях отщепление происходит в результате зарядки одного или более электродов вблизи полинуклеотидов. В некоторых случаях для отщепления полинуклеотидов применяют электромагнитное излучение в форме УФ-света. В некоторых случаях для отщепления полинуклеотидов применяют лампу, а маска обеспечивает места воздействия УФ-света на поверхность. В некоторых случаях для отщепления полинуклеотидов применяют лазер, а открытый/закрытый режим затвора обеспечивает контроль воздействия УФ-света на поверхность. В некоторых случаях доступ к хранимой в нуклеиновых кислотах информации (включая удаление/добавление стоек, твердых подложек, реагентов, нуклеиновых кислот или другого компонента) является полностью автоматизированным.This document describes devices where two or more solid substrates are assembled. In some cases, solid substrates are bonded together on a larger element. The connection may involve the exchange of fluids, electrical signals or other media between solid substrates. This element can interact with any number of servers, computers, or network devices. For example, a plurality of solid substrates are integrated into a rack space that can be conveniently inserted into or removed from a server rack. A rack space may contain any number of solid substrates. In some cases, a rack space contains at least 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10,000, 20,000, 50,000, 100,000, or more than 100,000 solid substrates. In some cases, two or more solid substrates are not connected to each other. The rack space may provide access to nucleic acids (and information stored therein) residing on solid substrates, see, for example, FIG. 14. Access includes extraction of polynucleotides from solid supports, direct analysis of polynucleotides on a solid support, or any other method that allows manipulation or identification of information stored in nucleic acids. In some cases, information is available from a plurality of racks, a single rack, one solid support from a rack, a portion of a solid support, or a single locus on a solid support. In various cases, access involves the interaction of nucleic acids with additional devices such as mass spectrometers, HPLC instruments, sequencing instruments, PCR amplifiers, or other nucleic acid manipulation device. In some cases, access to information stored in nucleic acids is provided by cleaving polynucleotides from all or part of the solid support. In some cases, splitting involves the action of reagents (ammonia or another reagent), electric potential, radiation, heat, light, sound, or other form of energy that can affect chemical bonds. In some cases, cleavage occurs as a result of charging one or more electrodes near the polynucleotides. In some cases, electromagnetic radiation in the form of UV light is used to cleave polynucleotides. In some cases, a lamp is used to cleave the polynucleotides, and the mask provides sites for exposure of the surface to UV light. In some cases, a laser is used to cleave polynucleotides, and the open/closed shutter mode provides control over the exposure of the surface to UV light. In some cases, access to information stored in nucleic acids (including the removal/addition of racks, solid supports, reagents, nucleic acids, or other component) is fully automated.

Описанные в настоящем документе твердые подложки содержат активный участок. В некоторых случаях активный участок содержит адресуемые области или локусы для синтеза нуклеиновых кислот. В некоторых случаях активный участок содержит адресуемые области или локусы для хранения нуклеиновых кислот.The solid substrates described herein comprise an active site. In some cases, the active site contains addressable regions or loci for nucleic acid synthesis. In some cases, the active site contains addressable regions or loci for storing nucleic acids.

Активный участок предусматривает различные размеры. Например, размер активного участка составляет от около 1 до около 50 мм на от около 1 до около 50 мм. В некоторых случаях активный участок предусматривает ширину по меньшей мере или около 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 5,5, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80 или более 80 мм. В некоторых случаях активный участок предусматривает высоту по меньшей мере или около 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 5,5, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80 или более 80 мм. Иллюстративный активный участок в пределах твердой подложки показан на фиг. 13. Блок 1307 содержит активный участок 1305 в пределах твердой подложки 1303. Блок 1307 также содержит микрожидкостную поверхность контакта 1301.The active site provides various sizes. For example, the size of the active site is from about 1 to about 50 mm by about 1 to about 50 mm. In some cases, the active region provides a width of at least or about 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 5.5, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80 or more than 80 mm. In some cases, the active site provides a height of at least or about 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 5.5, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80 or more than 80 mm. An exemplary active site within a solid substrate is shown in FIG. 13. Block 1307 includes an active site 1305 within a solid substrate 1303. Block 1307 also includes a microfluidic interface 1301.

В настоящем документе описаны устройства, композиции, системы и способы синтеза и хранения нуклеиновых кислот на твердой подложке, при этом твердая подложка характеризуется определенным числом сайтов (например, пятен) или положений для синтеза или хранения. В некоторых случаях твердая подложка предусматривает до или около 10000 на 10000 положений в данном участке. В некоторых случаях твердая подложка предусматривает от около 1000 до 20000 на от около 1000 до 20000 положений в данном участке. В некоторых случаях твердая подложка предусматривает по меньшей мере или около 10, 30, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000 положений на по меньшей мере или около 10, 30, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000 положений в данном участке. В некоторых случаях площадь участка составляет до 0,25, 0,5, 0,75, 1,0, 1,25, 1,5 или 2,0 квадратных дюйма. В некоторых случаях твердая подложка содержит адресуемые локусы с величиной шага по меньшей мере или около 0,1, 0,2, 0,25, 0,3, 0,4, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или более 10 мкм. В некоторых случаях твердая подложка содержит адресуемые локусы с величиной шага около 5 мкм. В некоторых случаях твердая подложка содержит адресуемые локусы с величиной шага около 2 мкм. В некоторых случаях твердая подложка содержит адресуемые локусы с величинойDevices, compositions, systems and methods for the synthesis and storage of nucleic acids on a solid support are described herein, wherein the solid support is characterized by a certain number of sites (eg, spots) or positions for synthesis or storage. In some cases, the solid substrate provides up to or about 10,000 per 10,000 positions in a given area. In some cases, the solid substrate provides from about 1,000 to 20,000 by about 1,000 to 20,000 positions in a given area. In some cases, the solid support provides at least or about 10, 30, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 12000 , 14000, 16000, 18000, 20000 positions at least or about 10, 30, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000 , 10000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000 positions in this section. In some cases, the area of the site is up to 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 1.25, 1.5 or 2.0 square inches. In some cases, the solid support contains addressable loci with a step size of at least or about 0.1, 0.2, 0.25, 0.3, 0.4, 0.5, 1.0, 1.5, 2, 0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more than 10 µm. In some cases, the solid support contains addressable loci with a step size of about 5 μm. In some cases, the solid support contains addressable loci with a step size of about 2 μm. In some cases, the solid support contains addressable loci with a value

- 10 039806 шага около 1 мкм. В некоторых случаях твердая подложка содержит адресуемые локусы с величиной шага около 0,2 мкм. В некоторых случаях твердая подложка содержит адресуемые локусы с величиной шага от около 0,2 до около 10 мкм, от около 0,2 до около 8 мкм, от около 0,5 до около 10 мкм, от около 1 до около 10 мкм, от около 2 до около 8 мкм, от около 3 до около 5 мкм, от около 1 до около 3 мкм или от около 0,5 до около 3 мкм. В некоторых случаях твердая подложка содержит адресуемые локусы с величиной шага от около 0,1 до около 3 мкм, см, например, фиг. 15, 16А и 16В.- 10 039806 steps about 1 µm. In some cases, the solid support contains addressable loci with a step size of about 0.2 μm. In some instances, the solid support contains addressable loci in increments of about 0.2 to about 10 µm, about 0.2 to about 8 µm, about 0.5 to about 10 µm, about 1 to about 10 µm, from about 2 to about 8 microns, about 3 to about 5 microns, about 1 to about 3 microns, or about 0.5 to about 3 microns. In some cases, the solid support contains addressable loci with a step size of about 0.1 to about 3 µm, see, for example, FIG. 15, 16A and 16B.

Описанная в настоящем документе твердая подложка для синтеза или хранения нуклеиновых кислот обладает высокой емкостью для хранения данных. Например, емкость твердой подложки составляет по меньшей мере или около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 40θ, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 или более 1000 петабайт. В некоторых случаях емкость твердой подложки составляет от около 1 до около 10 петабайт или от около 1 до около 100 петабайт. В некоторых случаях емкость твердой подложки составляет около 100 петабайт. В некоторых случаях данные хранят в виде адресуемых массивов блоков данных в виде капель. В некоторых случаях данные хранят в виде адресуемых массивов блоков данных в виде капель на пятне. В некоторых случаях данные хранят в виде адресуемых массивов блоков данных в высушенных лунках. В некоторых случаях адресуемые массивы содержат по меньшей мере или около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200 или более 200 ГБ данных. В некоторых случаях адресуемые массивы содержат по меньшей мере или около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200 или более 200 терабайт данных. В некоторых случаях элемент информации хранится в составе исходных данных. Например, в элементе информации закодировано от около 10 до около 100 мегабайт данных, и он хранится в 1 петабайте исходных данных. В некоторых случаях в элементе информации закодировано по меньшей мере или около 1, 10, 20, 30, 40, 50, 6θ, 70, 80, 90, 100, 150, 2θ0, 300, 400, 500 или более 500 МБ данных, и он хранится в 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 300, 400, 500 или более 500 ПБ исходных данных.The solid support for nucleic acid synthesis or storage described herein has a high data storage capacity. For example, the capacitance of the solid support is at least or about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 40θ, 500, 600, 700, 800 , 900, 1000 or more than 1000 petabytes. In some cases, the storage capacity of the solid substrate is from about 1 to about 10 petabytes, or from about 1 to about 100 petabytes. In some cases, the capacity of a solid substrate is about 100 petabytes. In some cases, data is stored as addressable arrays of data blocks in the form of blobs. In some cases, the data is stored as addressable arrays of data blocks in the form of drops on a spot. In some cases, data is stored as addressable arrays of data blocks in dried wells. In some cases, addressable arrays contain at least or about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, or more than 200 GB of data. In some cases, addressable arrays contain at least or about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, or more than 200 terabytes of data. In some cases, the information item is stored as part of the source data. For example, an information element encodes between about 10 and about 100 megabytes of data and is stored in 1 petabyte of raw data. In some cases, at least or about 1, 10, 20, 30, 40, 50, 6θ, 70, 80, 90, 100, 150, 2θ0, 300, 400, 500, or more than 500 MB of data are encoded in the information element, and it is stored in 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 300, 400, 500, or more than 500 PB of original data.

В настоящем документе представлены устройства, композиции, системы и способы для синтеза и хранения нуклеиновых кислот на твердой подложке, причем после синтеза полинуклеотиды собраны в блоки данных в виде одной или более капель. В некоторых случаях полинуклеотиды собраны в блоки данных в виде одной или более капель и хранят. В некоторых случаях число капель составляет по меньшей мере или около 1, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 500, 1000, 2500, 5000, 75000, 10000, 25000, 50000, 75000, 100000, 1 млн, 5 млн, 10 млн, 25 млн, 50 млн, 75 млн, 100 млн, 250 млн, 500 млн, 750 млн или более 750 млн капель. В некоторых случаях размер капли составляет 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100 или более 100 мкм в диаметре. В некоторых случаях размер капли составляет 1-100 мкм, 10-90 мкм, 20-80 мкм, 30-70 мкм или 40-50 мкм в диаметре.Devices, compositions, systems, and methods are provided herein for synthesizing and storing nucleic acids on a solid support, wherein, after synthesis, polynucleotides are assembled into data blocks in the form of one or more droplets. In some cases, the polynucleotides are assembled into data blocks in the form of one or more droplets and stored. In some cases, the number of drops is at least or about 1, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 500, 1000, 2500, 5000, 75000, 10000, 25000, 50000, 75000, 100000, 1 million, 5 million , 10 million, 25 million, 50 million, 75 million, 100 million, 250 million, 500 million, 750 million or more than 750 million drops. In some cases, the droplet size is 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100 or more than 100 microns in diameter. In some cases, the droplet size is 1-100 µm, 10-90 µm, 20-80 µm, 30-70 µm or 40-50 µm in diameter.

В некоторых случаях полинуклеотиды, собранные в блоки данных, содержат одинаковую последовательность. В некоторых случаях полинуклеотиды также содержат неидентичную последовательность, применяемую в качестве метки или штрихкода. Например, неидентичную последовательность применяют для обозначения полинуклеотидов, хранимых на твердой подложке, и для последующего поиска конкретных полинуклеотидов по отличающейся последовательности. Иллюстративная длина метки или штрихкода включает последовательности штрихкода, длина которых составляет без ограничения около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25 или более оснований. В некоторых случаях длина метки или штрихкода составляет по меньшей мере или около 10, 50, 75, 100, 200, 300, 400 или более 400 пар оснований.In some cases, the polynucleotides assembled into data blocks contain the same sequence. In some cases, the polynucleotides also contain a non-identical sequence used as a label or barcode. For example, a non-identical sequence is used to designate polynucleotides stored on a solid support and to subsequently search for specific polynucleotides by a different sequence. An exemplary label or barcode length includes barcode sequences that are, without limitation, about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25 or more bases in length. In some cases, the length of the label or barcode is at least or about 10, 50, 75, 100, 200, 300, 400, or more than 400 base pairs.

В настоящем документе представлены устройства, композиции, системы и способы для синтеза и хранения нуклеиновых кислот на твердой подложке, причем полинуклеотиды собраны в блоки данных, характеризующиеся избыточностью. Например, блоки данных содержат от около 100 до около 1000 копий каждого полинуклеотида. В некоторых случаях блоки данных содержат по меньшей мере или около 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000 или более 2000 копий каждого полинуклеотида. В некоторых случаях блоки данных характеризуются от около 1000Х до около 5000Х избыточностью синтеза. В некоторых случаях избыточность синтеза составляет по меньшей мере или около 500Х, 1000Х, 1500Х, 2000Х, 2500Х, 3000Х, 3500Х, 4000Х, 5000Х, 6000Х, 7000Х, 8000Х или более 8000Х. Полинуклеотиды, синтезированные с применением способов с использованием твердой подложки, как описано в настоящем документе, предусматривают различную длину. В некоторых случаях полинуклеотиды синтезируют и дополнительно хранят на твердой подложке. В некоторых случаях длина полинуклеотида находится в диапазоне от около 100 до около 1000 оснований. В некоторых случаях длина полинуклеотидов составляет по меньшей мере или около 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300, 325, 350, 375, 400, 425, 450, 475, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000 или более 2000 оснований.This document provides devices, compositions, systems and methods for the synthesis and storage of nucleic acids on a solid support, and polynucleotides are collected in blocks of data characterized by redundancy. For example, data blocks contain from about 100 to about 1000 copies of each polynucleotide. In some cases, data blocks contain at least or about 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000 or more than 2000 copies of each polynucleotide . In some cases, data blocks have about 1000X to about 5000X synthesis redundancy. In some cases, the synthesis redundancy is at least or about 500X, 1000X, 1500X, 2000X, 2500X, 3000X, 3500X, 4000X, 5000X, 6000X, 7000X, 8000X, or more than 8000X. Polynucleotides synthesized using solid support methods as described herein come in various lengths. In some cases, polynucleotides are synthesized and additionally stored on a solid support. In some cases, the length of the polynucleotide is in the range from about 100 to about 1000 bases. In some cases, the length of the polynucleotides is at least or about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300, 325, 350 , 375, 400, 425, 450, 475, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000 or more than 2000 bases.

Хранение информации на основе нуклеиновых кислот.Storage of information based on nucleic acids.

В настоящем документе представлены устройства, композиции, системы и способы для хранения информации (данных) на основе нуклеиновых кислот. Иллюстративная последовательность выполняемых действий представлена на фиг. 1. На первой стадии получают 101 последовательность в цифровом виде, в которой закодирован элемент информации (т.е. цифровая информация в форме бинарного кода для обработки компьютером). Схему шифрования 103 применяют для преобразования последовательноThis document presents devices, compositions, systems and methods for storing information (data) based on nucleic acids. An exemplary workflow is shown in FIG. 1. At the first stage, 101 sequences are obtained in digital form, in which the element of information (ie, digital information in the form of a binary code for computer processing) is encoded. Encryption scheme 103 is used to convert sequentially

- 11 039806 сти в цифровом виде из бинарного кода в последовательность нуклеиновой кислоты 105. Подбирают 107 материал поверхности для удлинения нуклеиновой кислоты, конструкцию локусов для удлинения нуклеиновой кислоты (иначе, расположенные в определенном порядке пятна) и реагенты для синтеза нуклеиновых кислот. Готовят 108 поверхность структуры для синтеза нуклеиновых кислот. Осуществляют синтез 109 полинуклеотидов de novo. Синтезированные полинуклеотиды хранятся 111 и являются доступными для последующего высвобождения 113, целиком или частично. После высвобождения полинуклеотиды, целиком или частично, поддают секвенированию 115, подвергают дешифрованию 117 с целью обратного преобразования последовательности нуклеиновой кислоты в последовательность в цифровом виде. Последовательность в цифровом виде затем собирают 119 с получением продукта выравнивания, в котором закодирован исходный элемент информации.- 11 039806 digitally from a binary code to a nucleic acid sequence 105. Select 107 a surface material for nucleic acid extension, a design of loci for nucleic acid extension (otherwise arranged spots) and reagents for nucleic acid synthesis. Prepare 108 the surface of the structure for the synthesis of nucleic acids. Carry out the synthesis of 109 de novo polynucleotides. Synthesized polynucleotides are stored 111 and are available for subsequent release 113, in whole or in part. After release, the polynucleotides, in whole or in part, are amenable to sequencing 115, subjected to decoding 117 in order to reverse convert the nucleic acid sequence into a digital sequence. The digital sequence is then assembled 119 to produce an alignment product in which the original information element is encoded.

Элементы информации.Information elements.

Необязательно, начальная стадия процесса сохранения данных, раскрытого в настоящем документе, включает получение или прием одного или более элементов информации в форме исходного кода. Элементы информации включают, без ограничения, текстовую, аудио- и визуальную информацию. Иллюстративные источники элементов информации включают, без ограничения, книги, периодические издания, электронные базы данных, медицинскую документацию, письма, формы, записи речи, записи, связанные с животными, биологические профили, записи телерадиовещания, фильмы, короткие видео, электронные письма, бухгалтерию, журналы звонков, журналы данных, полученных в ходе пользования информационными ресурсами интернета, рисунки, картины, печати, фотографии, пиксельную графику и программный код. Иллюстративные источники элементов информации в случае биологического профиля включают, без ограничения, библиотеки генов, геномы, данные по экспрессии генов и данные по активности белков. Иллюстративные форматы элементов информации включают, без ограничения, .txt, .PDF, .doc, .docx, .ppt, .pptx, .xls, .xlsx, .rtf, jpg, .gif, .psd, .bmp, .tiff, .png и .mpeg. Размеры отдельных файлов, в которых закодирован элемент информации, или множества файлов, в которых закодированы элементы информации, в цифровом формате, включают, без ограничения, размеры до 1024 байт (что равняется 1 КБ), 1024 КБ (что равняется 1 МБ), 1024 МБ (что равняется 1 ГБ), 1024 ГБ (что равняется 1 ТБ), 1024 ТБ (что равняется 1 ПБ), 1 эксабайта, 1 зеттабайта, 1 йоттабайта, 1 ксеноттабайта или больше. В некоторых случаях количество цифровой информации составляет по меньшей мере 1 гигабайт (ГБ). В некоторых случаях количество цифровой информации составляет по меньшей мере 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 60о, 700, 80о, 900, 1000 или более 1000 ГБ. В некоторых случаях количество цифровой информации составляет по меньшей мере 1 терабайт (ТБ). В некоторых случаях количество цифровой информации составляет по меньшей мере 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 или более 1000 ТБ. В некоторых случаях количество цифровой информации составляет по меньшей мере 1 петабайт (ПБ). В некоторых случаях количество цифровой информации составляет по меньшей мере 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 или более 1000 ПБ.Optionally, the initial stage of the data storage process disclosed herein includes obtaining or receiving one or more pieces of information in source code form. Information elements include, without limitation, textual, audio, and visual information. Illustrative sources of information items include, without limitation, books, periodicals, electronic databases, medical records, letters, forms, speech recordings, animal records, biological profiles, broadcast recordings, films, short videos, emails, accounting, call logs, data logs obtained during the use of Internet information resources, drawings, paintings, prints, photographs, pixel art and program code. Exemplary sources of information elements in the case of a biological profile include, without limitation, gene libraries, genomes, gene expression data, and protein activity data. Exemplary information element formats include, without limitation, .txt, .PDF, .doc, .docx, .ppt, .pptx, .xls, .xlsx, .rtf, jpg, .gif, .psd, .bmp, .tiff, .png and .mpeg. The sizes of individual files in which the information item is encoded, or multiple files in which the information items are encoded in digital format, include, without limitation, sizes up to 1024 bytes (which equals 1 KB), 1024 KB (which equals 1 MB), 1024 MB (which equals 1 GB), 1024 GB (which equals 1 TB), 1024 TB (which equals 1 PB), 1 exabyte, 1 zettabyte, 1 yottabyte, 1 xenottabyte or more. In some cases, the amount of digital information is at least 1 gigabyte (GB). In some cases, the amount of digital information is at least 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 60o, 700, 80o, 900, 1000 or more than 1000 GB. In some cases, the amount of digital information is at least 1 terabyte (TB). In some cases, the amount of digital information is at least 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 or more than 1000 TB. In some cases, the amount of digital information is at least 1 petabyte (PB). In some cases, the amount of digital information is at least 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 or more than 1000 PB.

Структуры для синтеза полинуклеотидов.Structures for the synthesis of polynucleotides.

В настоящем документе представлены жесткие или гибкие структуры для синтеза полинуклеотидов. В случае жестких структур, в настоящем документе представлены устройства, имеющее структуру для создания библиотеки полинуклеотидов. В некоторых случаях структура представляет собой планшет. Иллюстративная структура 200 показана на фиг. 2, причем структура 200 характеризуется около такими же размерами, что и стандартный 96-луночный планшет: 140 мм на 90 мм. Структура 200 содержит кластеры, сгруппированные по 24 области или субполя 205, причем каждое субполе 205 содержит массив из 256 кластеров 210. Развернутый вид иллюстративного субполя 205 представлен на фиг. 3. В развернутом виде четырех кластеров (фиг. 3), единичный кластер 210 характеризуется шагом кластера по оси Y (расстояние от центра до центра смежных кластеров) 1079,210 мкм или 1142,694 мкм и шагом кластера по оси X 1125 мкм. Иллюстративный кластер 210 показан на фиг. 4, где шаг локусов по оси Y (расстояние от центра до центра смежных локусов) составляет 63,483 мкм, а шаг локусов по оси X составляет 75 мкм. Ширина локуса в самой длинной части, например, диаметр круглого локуса, составляет 50 мкм, а расстояние между локусами составляет 24 мкм. Число локусов 405 в иллюстративном кластере на фиг. 4 составляет 121. Локусы могут представлять собой плоскую поверхность, лунки или каналы. Иллюстративное расположение каналов показано на фиг. 5А, 5В, на которых показано, что планшет 505 содержит основной канал 510 и множество каналов 515, соединенных с основным каналом 510. Соединение между основным каналом 510 и множеством каналов 515 обеспечивает сообщение по текучей среде для путей потока от основного канала 510 к каждому из множества каналов 515. Описанный в настоящем документе планшет 505 может содержать множество основных каналов 510. Множество каналов 515 совместно образуют кластер в пределах основного канала 510.This document presents rigid or flexible structures for the synthesis of polynucleotides. In the case of rigid structures, this document provides a device having a structure for creating a library of polynucleotides. In some cases, the structure is a tablet. An exemplary structure 200 is shown in FIG. 2, structure 200 having about the same dimensions as a standard 96 well plate: 140 mm by 90 mm. Structure 200 contains clusters grouped into 24 regions or subfields 205, with each subfield 205 containing an array of 256 clusters 210. An expanded view of an illustrative subfield 205 is shown in FIG. 3. In the expanded view of the four clusters (FIG. 3), a single cluster 210 has a Y-axis cluster pitch (center-to-center distance of adjacent clusters) of 1079.210 µm or 1142.694 µm and an X-axis cluster pitch of 1125 µm. An exemplary cluster 210 is shown in FIG. 4, where the loci pitch along the Y axis (distance from the center to the center of adjacent loci) is 63.483 μm, and the loci pitch along the X axis is 75 μm. The width of the locus in the longest part, for example, the diameter of the round locus, is 50 µm, and the distance between the loci is 24 µm. The number of loci 405 in the exemplary cluster in FIG. 4 is 121. Loci can be flat, wells, or channels. An exemplary channel arrangement is shown in FIG. 5A, 5B, which show that the plate 505 includes a main channel 510 and a plurality of channels 515 connected to the main channel 510. The connection between the main channel 510 and the plurality of channels 515 provides fluid communication for the flow paths from the main channel 510 to each of a plurality of channels 515. The tablet 505 described herein may comprise a plurality of main channels 510. The plurality of channels 515 collectively form a cluster within the main channel 510.

В случае гибких структур в настоящем документе представлены устройства, где гибкая структура представляет собой непрерывную петлю 601, намотанный вокруг одной или более зафиксированных структур, например пары роликов 603, или прерывающуюся гибкую структуру 607, намотанную вокруг отдельных зафиксированных структур, например пары катушек 605, см. фиг. 6А, 6В. В некоторых случаях структуры содержат множество областей для синтеза полинуклеотидов. Иллюстративная структураIn the case of flexible structures, this document presents devices where the flexible structure is a continuous loop 601 wound around one or more fixed structures, such as a pair of rollers 603, or an interrupted flexible structure 607 wound around individual fixed structures, such as a pair of coils 605, see Fig. 6A, 6B. In some cases, the structures contain multiple regions for polynucleotide synthesis. Illustrative Structure

- 12 039806 показана на фиг. 6С, где планшет содержит отдельные области 609 для синтеза полинуклеотидов. Отдельные области 609 могут быть разделены 611 путем отламывания или разрезания. Каждую из отдельных областей можно также высвобождать, подвергать секвенированию, дешифрованию и считывать 613 или хранить 615. Альтернативная структура показана на фиг. 6D, на которой лента содержит отдельные области 617 для синтеза полинуклеотидов. Отдельные области 617 могут быть разделены 619 путем отламывания или разрезания. Каждую из отдельных областей можно также высвобождать, подвергать секвенированию, дешифрованию и считывать 621 или хранить 623. В настоящем документе представлены гибкие структуры, содержащие поверхность с множеством локусов для удлинения полинуклеотидов. На фигурах 7А-7С показано увеличенное изображение локуса в составе гибкой структуры. Каждый локус на участке гибкой структуры 701 может представлять собой практически плоское пятно 703 (например, плоскую поверхность), канал 705 или лунку 707. В некоторых случаях ширина каждого локуса структуры составляет около 10 мкм, а расстояние между центрами каждой структуры составляет около 21 мкм. Локусы могут иметь без ограничения круглую, прямоугольную, коническую или закругленную формы. В качестве альтернативы, или в комбинации, структуры являются жесткими. В некоторых случаях жесткие структуры содержат локусы для синтеза полинуклеотидов. В некоторых случаях жесткие структуры содержат практически плоские области, каналы или лунки для синтеза полинуклеотидов.- 12 039806 is shown in FIG. 6C, where the plate contains separate regions 609 for polynucleotide synthesis. Separate areas 609 can be separated 611 by breaking off or cutting. Each of the individual regions may also be released, sequenced, decrypted, and read 613 or stored 615. An alternative structure is shown in FIG. 6D, in which the ribbon contains separate regions 617 for polynucleotide synthesis. Separate areas 617 can be separated 619 by breaking off or cutting. Each of the individual regions can also be released, sequenced, decoded and read 621 or stored 623. Flexible structures are provided herein containing a multi-loci surface for polynucleotide extension. Figures 7A-7C show an enlarged view of a locus within a flexible structure. Each locus in the region of the flexible structure 701 may be a substantially flat spot 703 (e.g., a flat surface), a channel 705, or a dimple 707. In some cases, the width of each locus of the structure is about 10 microns, and the distance between the centers of each structure is about 21 microns. The loci may be, without limitation, round, rectangular, conical, or rounded. Alternatively, or in combination, the structures are rigid. In some cases, rigid structures contain loci for polynucleotide synthesis. In some cases, rigid structures contain substantially flat regions, channels, or wells for polynucleotide synthesis.

В некоторых случаях описанная в настоящем документе лунка характеризуется соотношением ширины и глубины (или высоты) от 1 до 0,01, причем ширина является показателем ширины в самом узком сегменте лунки. В некоторых случаях описанная в настоящем документе лунка характеризуется соотношением ширины и глубины (или высоты) от 0,5 до 0,01, причем ширина является показателем ширины в самом узком сегменте лунки. В некоторых случаях описанная в настоящем документе лунка характеризуется соотношением ширины и глубины (или высоты) около 0,01, 0,05, 0,1, 0,15, 0,16, 0,2, 0,5 или 1. В настоящем документе представлены структуры для синтеза полинуклеотидов, содержащие множество дискретных локусов для синтеза полинуклеотидов. Иллюстративные структуры для локусов включают, без ограничения, практически плоские области, каналы, лунки или выступы. Описанные в настоящем документе структуры могут содержать множество кластеров, причем каждый кластер содержит множество лунок, локусов или каналов. В качестве альтернативы описанные в настоящем документе структуры могут предусматривать равномерное расположение лунок, локусов или каналов. Представленные в настоящем документе структуры могут содержать лунки с высотой или глубиной от около 5 до около 500 мкм, от около 5 до около 400 мкм, от около 5 до около 300 мкм, от около 5 до около 200 мкм, от около 5 до около 100 мкм, от около 5 до около 50 мкм или от около 10 до около 50 мкм. В некоторых случаях высота лунки составляет менее 100, менее 80, менее 60, менее 40 или менее 20 мкм. В некоторых случаях высота лунки составляет около 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500 мкм или больше. В некоторых случаях высота или глубина лунки составляет по меньшей мере 10, 25, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 или более 1000 нм. В некоторых случаях высота или глубина лунки находится в диапазоне от около 10 до около 1000 нм, от около 25 до около 900 нм, от около 50 до около 800 нм, от около 75 до около 700 нм, от около 100 до около 600 нм или от около 200 до около 500 нм. В некоторых случаях высота или глубина лунки находится в диапазоне от около 50 нм до около 1 мкм. В некоторых случаях высота лунки составляет около 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 700, 800, 900 или около 1000 нм.In some instances, a well as described herein has a width to depth (or height) ratio of 1 to 0.01, with width being a measure of the width at the narrowest segment of the well. In some instances, a well as described herein has a width to depth (or height) ratio of 0.5 to 0.01, with width being a measure of the width at the narrowest segment of the well. In some cases, the well described herein has a width to depth (or height) ratio of about 0.01, 0.05, 0.1, 0.15, 0.16, 0.2, 0.5, or 1. As used herein, This document presents structures for the synthesis of polynucleotides containing a plurality of discrete loci for the synthesis of polynucleotides. Exemplary structures for loci include, without limitation, substantially flat regions, channels, pits, or projections. The structures described herein may contain multiple clusters, with each cluster containing multiple wells, loci, or channels. Alternatively, the structures described herein may provide for a uniform arrangement of wells, loci, or channels. The structures provided herein may comprise wells with a height or depth of about 5 to about 500 µm, about 5 to about 400 µm, about 5 to about 300 µm, about 5 to about 200 µm, about 5 to about 100 µm, about 5 to about 50 µm, or about 10 to about 50 µm. In some cases, the well height is less than 100, less than 80, less than 60, less than 40, or less than 20 microns. In some cases, the well height is about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500 microns or more. In some cases, the height or depth of the well is at least 10, 25, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 or more than 1000 nm. In some instances, the height or depth of the well is in the range of about 10 to about 1000 nm, about 25 to about 900 nm, about 50 to about 800 nm, about 75 to about 700 nm, about 100 to about 600 nm, or from about 200 to about 500 nm. In some cases, the height or depth of the well is in the range from about 50 nm to about 1 μm. In some cases, the well height is about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 700, 800, 900 or about 1000 nm.

Представленные в настоящем документе структуры для синтеза полинуклеотидов могут содержать каналы. Каналы могут характеризоваться соотношением ширины и глубины (или высоты) от 1 до 0,01, причем ширина является показателем ширины в самом узком сегменте микроканала. В некоторых случаях описанный в настоящем документе канал характеризуется соотношением ширины и глубины (или высоты) от 0,5 до 0,01, причем ширина является показателем ширины в самом узком сегменте микроканала. В некоторых случаях описанный в настоящем документе канал характеризуется соотношением ширины и глубины (или высоты) около 0,01, 0,05, 0,1, 0,15, 0,16, 0,2, 0,5 или 1.Presented in this document structures for the synthesis of polynucleotides may contain channels. Channels may have a width to depth (or height) ratio of 1 to 0.01, with width being a measure of the width at the narrowest segment of the microchannel. In some cases, the channel described herein has a width to depth (or height) ratio of 0.5 to 0.01, with the width being a measure of the width at the narrowest segment of the microchannel. In some cases, the channel described herein has a width to depth (or height) ratio of about 0.01, 0.05, 0.1, 0.15, 0.16, 0.2, 0.5, or 1.

В настоящем документе описаны структуры для синтеза полинуклеотидов, содержащие множество дискретных локусов. Структуры, без ограничения, содержат практически плоские области, каналы, выступы или лунки для синтеза полинуклеотидов. В некоторых случаях предусматривается, что описанные в настоящем документе структуры содержат множество каналов, причем высота или глубина канала составляет от около 5 до около 500 мкм, от около 5 до около 400 мкм, от около 5 до около 300 мкм, от около 5 до около 200 мкм, от около 5 до около 100 мкм, от около 5 до около 50 мкм или от около 10 до около 50 мкм. В некоторых случаях высота канала составляет менее 100, менее 80, менее 60, менее 40 или менее 20 мкм. В некоторых случаях высота канала составляет около 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500 мкм или больше. В некоторых случаях высота или глубина канала составляет по меньшей мере 10, 25, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 или более 1000 нм. В некоторых случаях высота или глубина канала находится в диапазоне от около 10 до около 1000 нм, от около 25 до около 900 нм, от около 50 до около 800 нм, от около 75 до около 700 нм, от около 100 до около 600 нм или от около 200 до около 500. Описанные в настоящем документе каналы могут быть расположены на поверхности в пределах кластеров или в виде однородного поля.The present document describes structures for the synthesis of polynucleotides containing many discrete loci. Structures, without limitation, contain essentially flat areas, channels, ledges or wells for the synthesis of polynucleotides. In some cases, it is contemplated that the structures described herein comprise a plurality of channels, wherein the height or depth of the channel is from about 5 to about 500 microns, from about 5 to about 400 microns, from about 5 to about 300 microns, from about 5 to about 200 µm, about 5 to about 100 µm, about 5 to about 50 µm, or about 10 to about 50 µm. In some cases, the channel height is less than 100, less than 80, less than 60, less than 40, or less than 20 microns. In some cases, the channel height is about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500 microns or more. In some cases, the channel height or depth is at least 10, 25, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 or more than 1000 nm. In some instances, the channel height or depth is in the range of about 10 to about 1000 nm, about 25 to about 900 nm, about 50 to about 800 nm, about 75 to about 700 nm, about 100 to about 600 nm, or from about 200 to about 500. The channels described herein may be located on the surface within clusters or as a uniform field.

Ширина локуса на поверхности описанной в настоящем документе структуры для синтезаWidth of the locus on the surface of the structure for synthesis described herein

- 13 039806 полинуклеотидов может составлять от около 0,1 до около 500 мкм, от около 0,5 до около 500 мкм, от около 1 до около 200 мкм, от около 1 мкм до около 100 мкм, от около 5 мкм до около 100 мкм или от около 0,1 мкм до около 100 мкм, например, около 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1 или 0,5 мкм. В некоторых случаях ширина локуса составляет менее чем около 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 или 10 мкм. В некоторых случаях ширина локуса составляет по меньшей мере 10, 25, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 или более 1000 нм. В некоторых случаях ширина локуса находится в диапазоне от около 10 до около 1000 нм, от около 25 до около 900 нм, от около 50 до около 800 нм, от около 75 до около 700 нм, от около 100 до около 600 нм или от около 200 до около 500 нм. В некоторых случаях ширина локуса находится в диапазоне от около 50 до около 1000 нм. В некоторых случаях расстояние между центрами двух смежных локусов составляет от около 0,1 до около 500 мкм, от 0,5 до около 500 мкм, от около 1 до около 200 мкм, от около 1 до около 100 мкм, от около 5 до около 200 мкм, от около 5 до около 100 мкм, от около 5 до около 50 мкм или от около 5 до около 30 мкм, например, около 20 мкм. В некоторых случаях общая ширина локуса составляет около 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 мкм. В некоторых случаях общая ширина локуса составляет от около 1 до 100 мкм, от 30 до 100 мкм или от 50 до 70 мкм. В некоторых случаях расстояние между центрами двух смежных локусов составляет от около 0,5 до около 2 мкм, от 0,5 до около 2 мкм, от около 0,75 до около 2 мкм, от около 1 до около 2 мкм, от около 0,2 до около 1 мкм, от около 0,5 до около 1,5 мкм, от около 0,5 до около 0,8 мкм или от около 0,5 до около 1 мкм, например, около 1 мкм. В некоторых случаях общая ширина локуса составляет около 50 нм, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 или 1,5 мкм. В некоторых случаях общая ширина локуса составляет от около 0,5 до 2 мкм, от 0,75 до 1 мкм или от 0,9 до 2 мкм.- 13 039806 polynucleotides can be from about 0.1 to about 500 µm, from about 0.5 to about 500 µm, from about 1 to about 200 µm, from about 1 µm to about 100 µm, from about 5 µm to about 100 µm or from about 0.1 µm to about 100 µm, for example, about 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, or 0.5 µm. In some instances, the locus width is less than about 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, or 10 microns. In some cases, the locus width is at least 10, 25, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 or more than 1000 nm. In some instances, the locus width is in the range of about 10 to about 1000 nm, about 25 to about 900 nm, about 50 to about 800 nm, about 75 to about 700 nm, about 100 to about 600 nm, or about 200 to about 500 nm. In some cases, the locus width is in the range of about 50 to about 1000 nm. In some cases, the distance between the centers of two adjacent loci is from about 0.1 to about 500 microns, from 0.5 to about 500 microns, from about 1 to about 200 microns, from about 1 to about 100 microns, from about 5 to about 200 µm, about 5 to about 100 µm, about 5 to about 50 µm, or about 5 to about 30 µm, for example, about 20 µm. In some cases, the total locus width is about 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, or 100 µm. In some cases, the total locus width is about 1 to 100 µm, 30 to 100 µm, or 50 to 70 µm. In some cases, the distance between the centers of two adjacent loci is from about 0.5 to about 2 µm, from 0.5 to about 2 µm, from about 0.75 to about 2 µm, from about 1 to about 2 µm, from about 0 2 to about 1 µm, about 0.5 to about 1.5 µm, about 0.5 to about 0.8 µm, or about 0.5 to about 1 µm, such as about 1 µm. In some cases, the total locus width is about 50 nm, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1 .1, 1.2, 1.3, 1.4 or 1.5 µm. In some cases, the total locus width is about 0.5 to 2 µm, 0.75 to 1 µm, or 0.9 to 2 µm.

В некоторых случаях каждый локус является основой для синтеза популяции полинуклеотидов, имеющих последовательность, отличную от таковой у популяции полинуклеотидов, наращенных на другом локусе. В настоящем документе представлены поверхности, которые содержат по меньшей мере 10, 100, 256, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, 15000, 20000, 30000, 40000, 50000 или более кластеров. В настоящем документе представлены поверхности, которые содержат более 2000; 5000; 10000; 20000; 30000; 50000; 100000; 200000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 5000000 или 10000000 или более отдельных локусов. В некоторых случаях каждый кластер включает 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 130, 150, 200, 500 или более локусов. В некоторых случаях каждый кластер включает от 50 до 500, от 50 до 200, от 50 до 150 или от 100 до 150 локусов. В некоторых случаях каждый кластер включает от 100 до 150 локусов. В некоторых случаях каждый кластер включает 109, 121, 130 или 137 локусов.In some cases, each locus is the basis for the synthesis of a population of polynucleotides having a different sequence from that of a population of polynucleotides grown at a different locus. This document presents surfaces that contain at least 10, 100, 256, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, 15000, 20000 , 30000, 40000, 50000 or more clusters. This document presents surfaces that contain more than 2000; 5000; 10000; 20000; 30000; 50000; 100000; 200000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 5000000 or 10000000 or more individual loci. In some cases, each cluster includes 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 130, 150, 200, 500 or more loci. In some cases, each cluster includes 50 to 500, 50 to 200, 50 to 150, or 100 to 150 loci. In some cases, each cluster includes from 100 to 150 loci. In some cases, each cluster includes 109, 121, 130, or 137 loci.

В настоящем документе представлены локусы с шириной в самом длинном сегменте от 5 до 100 мкм. В некоторых случаях локусы имеют ширину в самом длинном сегменте около 30, 35, 40, 45, 50, 55 или 60 мкм. В некоторых случаях локусы представляют собой каналы с несколькими сегментами, причем расстояние между центрами каждого сегмента составляет от 5 до 50 мкм. В некоторых случаях расстояние между центрами каждого сегмента составляет около 5, 10, 15, 20 или 25 мкм.This document presents loci with a width in the longest segment from 5 to 100 µm. In some cases, the loci are about 30, 35, 40, 45, 50, 55, or 60 µm wide at their longest segment. In some cases, the loci are channels with several segments, with the distance between the centers of each segment being from 5 to 50 μm. In some cases, the distance between the centers of each segment is about 5, 10, 15, 20 or 25 microns.

В некоторых случаях число отдельных полинуклеотидов, синтезированных на поверхности описанной в настоящем документе структуры, зависит от числа отдельных локусов, доступных на подложке. В некоторых случаях плотность локусов в пределах кластера подложки составляет по меньшей мере или или около 1, 10, 25, 50, 65, 75, 100, 130, 150, 175, 200, 300, 400, 500, 1000, 104, 105, 106 локусов/мм2 больше. В от от от от около около околоIn some cases, the number of individual polynucleotides synthesized on the surface of the structure described herein depends on the number of individual loci available on the substrate. In some cases, the density of loci within a substrate cluster is at least or about 1, 10, 25, 50, 65, 75, 100, 130, 150, 175, 200, 300, 400, 500, 1000, 10 4 , 105 , 10 6 loci/mm 2 more. In from from from from about about about

100 некоторых до до до случаях подложка содержит от около около около около100 some up to up to cases backing contains from about about about about about

400 локусов/мм2,400 loci/ mm2 ,

500 локусов/ мм2,500 loci/ mm2 ,

250 локусов/мм2, до около 500 локусов/мм2, от от от около около около250 loci/ mm2 , up to about 500 loci/ mm2 , from from from about about about

150 до до до около150 up to up to about

500 локусов/мм2, около 500 локусов/мм2, около 250 локусов/мм2, около 10 до около 200 локусов/мм2 или от около 50 до около 200 локусов/мм2. В некоторых случаях подложка содержит от около 104 до около 105локусов/мм2. В некоторых случаях подложка содержит от около 105 до около 107 локусов/мм2. В некоторых случаях подложка содержит по меньшей мере 105 локусов/мм2. В некоторых случаях подложка содержит по меньшей мере 106 локусов/мм2. В некоторых случаях подложка содержит по меньшей мере 107 локусов/мм2. В некоторых случаях подложка содержит от около 104 до около 105 локусов/мм2. В некоторых случаях плотность локусов в пределах кластера подложки составляет по меньшей мере или около 1, 10, 25, 50, 65, 75, 100, 130, 150, 175, 200, 300, 400, 500, 1000 локусов/мкм2 или больше. В некоторых случаях подложка содержит от около 10 до около 500 локусов/мкм2, от около 25 до около 400 локусов/мкм2, от около 50 до около 500 локусов/мкм2, от около 100 до около 500 локусов/мкм2, от около 10 до около 250 локусов/мкм2, от около 150 до около 500 локусов/мкм2, от около 50 до около 250 локусов/мкм2, от около 10 до около 200 локусов/мкм2 или от около 50 до около 200 локусов/мкм2.500 loci/mm 2 , about 500 loci/mm 2 , about 250 loci/mm 2 , about 10 to about 200 loci/mm 2 , or about 50 to about 200 loci/mm 2 . In some cases, the substrate contains from about 10 4 to about 10 5 loci/mm 2 . In some cases, the substrate contains from about 105 to about 10 7 loci/mm 2 . In some cases, the substrate contains at least 105 loci/mm 2 . In some cases, the substrate contains at least 106 loci/mm 2 . In some cases, the substrate contains at least 10 7 loci/mm 2 . In some cases, the substrate contains from about 10 4 to about 105 loci/mm 2 . In some cases, the density of loci within a substrate cluster is at least or about 1, 10, 25, 50, 65, 75, 100, 130, 150, 175, 200, 300, 400, 500, 1000 loci/µm 2 or more . In some cases, the substrate contains from about 10 to about 500 loci/µm 2 from about 25 to about 400 loci/µm 2 from about 50 to about 500 loci/µm 2 from about 100 to about 500 loci/µm 2 from about 10 to about 250 loci/µm 2 , about 150 to about 500 loci/µm 2 , about 50 to about 250 loci/µm 2 , about 10 to about 200 loci/µm 2 , or about 50 to about 200 loci / µm 2 .

В некоторых случаях расстояние между центрами двух смежных локусов в пределах кластера составляет от около 10 до 500 мкм, от около 10 до 200 мкм или от около 10 до 100 мкм. В некоторых случаях расстояние между центрами двух смежных локусов превышает около 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 мкм. В некоторых случаях расстояние между центрами двух смежных локусов составляет менее чем около 200, 150, 100, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 или 10 мкм. В некоторых случаях расстояние междуIn some instances, the distance between the centers of two adjacent loci within a cluster is about 10 to 500 µm, about 10 to 200 µm, or about 10 to 100 µm. In some cases, the distance between the centers of two adjacent loci exceeds about 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 or 100 microns. In some cases, the distance between the centers of two adjacent loci is less than about 200, 150, 100, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, or 10 microns. In some cases, the distance between

- 14 039806 центрами двух смежных локусов составляет менее чем около 10000, 8000, 6000, 4000, 2000 1000, 800,- 14 039806 centers of two adjacent loci is less than about 10000, 8000, 6000, 4000, 2000 1000, 800,

600, 400, 200, 150, 100 нм, 80 мкм, 70, 60, 50, 40, 30, 20 или 10 нм. В некоторых случаях каждый квадратный метр описанной в настоящем документе структуры обеспечивает по меньшей мере 107, 108, 109, 1010,600, 400, 200, 150, 100 nm, 80 µm, 70, 60, 50, 40, 30, 20 or 10 nm. In some cases, each square meter of the structure described herein provides at least 10 7 , 10 8 , 10 9 , 10 10 ,

1011 локусов, где каждый локус несет один полинуклеотид. В некоторых случаях 109 полинуклеотидов содержатся на менее чем около 6, 5, 4, 3, 2 или 1 м2 описанной в настоящем документе структуре.10 11 loci, where each locus carries one polynucleotide. In some instances, 10 9 polynucleotides are contained in less than about 6, 5, 4, 3, 2, or 1 m 2 of the structure described herein.

В некоторых случаях описанная в настоящем документе структура обеспечивает основу для синтеза более 2000; 5000; 10000; 20000; 30000; 50000; 100000; 200000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 1200000; 1400000; 1600000; 1800000; 2000000; 2500000; 3000000; 3500000; 4000000; 4500000; 5000000; 10000000 или более неидентичных полинуклеотидов. В некоторых случаях структура обеспечивает основу для синтеза более 2000; 5000; 10000; 20000; 50000; 100000; 200000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 1200000; 1400000; 1600000; 1800000; 2000000; 2500000; 3000000; 3500000; 4000000; 4500000; 5000000; 10000000 или более полинуклеотидов, кодирующих отдельные последовательности. В некоторых случаях по меньшей мере часть полинуклеотидов имеет идентичную последовательность или сконструирована с возможностью синтеза с идентичной последовательностью. В некоторых случаях структура обеспечивает поверхностные условия для роста полинуклеотидов, имеющих по меньшей мере 50, 60, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 175, 200, 225, 250, 275, 300, 325, 350, 375, 400, 425, 450, 475, 500 или более оснований. В некоторых форматах описанные в настоящем документе структуры для синтеза полинуклеотидов содержат сайты для синтеза полинуклеотидов, расположенные равномерно.In some cases, the structure described herein provides the basis for the synthesis of more than 2000; 5000; 10000; 20000; 30000; 50000; 100000; 200000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 1200000; 1400000; 1600000; 1800000; 2000000; 2500000; 3000000; 3500000; 4000000; 4500000; 5000000; 10,000,000 or more non-identical polynucleotides. In some cases, the structure provides the basis for the synthesis of more than 2000; 5000; 10000; 20000; 50000; 100000; 200000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 1200000; 1400000; 1600000; 1800000; 2000000; 2500000; 3000000; 3500000; 4000000; 4500000; 5000000; 10,000,000 or more polynucleotides encoding individual sequences. In some cases, at least a portion of the polynucleotides have an identical sequence or are designed to be synthesized with an identical sequence. In some cases, the structure provides surface conditions for the growth of polynucleotides having at least 50, 60, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 175, 200, 225 , 250, 275, 300, 325, 350, 375, 400, 425, 450, 475, 500 or more bases. In some formats, the polynucleotide synthesis structures described herein comprise polynucleotide synthesis sites that are evenly spaced.

В некоторых случаях полинуклеотиды синтезируют на отдельных локусах структуры, причем на каждом локусе синтезируется популяция полинуклеотидов. В некоторых случаях на каждом локусе синтезируется популяция полинуклеотидов с последовательностью, отличной от таковой в случае популяции полинуклеотидов, выращенных на другом локусе. В некоторых случаях локусы структуры расположены в пределах множество кластеров. В некоторых случаях структура содержит по меньшей мере 10, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, 15000, 20000, 30000, 40000, 50000 или более кластеров. В некоторых случаях структура содержит более 2000; 5000; 10000; 100000; 200000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 1100000; 1200000; 1300000; 1400000; 1500000; 1600000; 1700000; 1800000; 1900000; 2000000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 1200000; 1400000; 1600000; 1800000; 2000000; 2500000; 3000000; 3500000; 4000000; 4500000; 5000000 или 10000000 или более отдельных локусов. В некоторых случаях каждый кластер включает 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 130, 150 или более локусов. В некоторых случаях каждый кластер включает от 50 до 500, от 100 до 150 или от 100 до 200 локусов. В некоторых случаях каждый кластер включает 109, 121, 130 или 137 локусов. В некоторых случаях каждый кластер включает 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 или 12 локусов. В некоторых случаях полинуклеотиды из отдельных локусов в пределах одного кластера имеют последовательности, которые, после сборки, кодируют непрерывный более длинный полинуклеотид с заданной последовательностью.In some cases, polynucleotides are synthesized at separate loci of the structure, with a population of polynucleotides being synthesized at each locus. In some cases, a population of polynucleotides is synthesized at each locus with a sequence different from that of a population of polynucleotides grown at a different locus. In some cases, structure loci are located within a plurality of clusters. In some cases, the structure contains at least 10, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, 15000, 20000, 30000.0 more clusters. In some cases, the structure contains more than 2000; 5000; 10000; 100000; 200000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 1100000; 1200000; 1300000; 1400000; 1500000; 1600000; 1700000; 1800000; 1900000; 2000000; 300000; 400000; 500000; 600000; 700000; 800000; 900000; 1000000; 1200000; 1400000; 1600000; 1800000; 2000000; 2500000; 3000000; 3500000; 4000000; 4500000; 5000000 or 10000000 or more individual loci. In some cases, each cluster includes 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 130, 150, or more loci. In some cases, each cluster includes 50 to 500, 100 to 150, or 100 to 200 loci. In some cases, each cluster includes 109, 121, 130, or 137 loci. In some cases, each cluster includes 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, or 12 loci. In some cases, polynucleotides from separate loci within the same cluster have sequences that, when assembled, encode for a contiguous longer polynucleotide with a given sequence.

Размер структуры.Structure size.

В некоторых случаях размер описанной в настоящем документе структуры около соответствует размеру пластинки (например, чипа), например, от около 40 до 120 мм на около 25-100 мм. В некоторых случаях описанная в настоящем документе структура имеет диаметр менее чем или равный около 1000, 500, 450, 400, 300 мм, 250 нм, 200, 150, 100 или 50 мм. В некоторых случаях диаметр подложки составляет от около 25 до 1000 мм, от около 25 до около 800 мм, от около 25 до около 600 мм, от около 25 до около 500 мм, от около 25 до около 400 мм, от около 25 до около 300 мм или от около 25 до около 200. Неограничивающие примеры размеров подложки включают около 300, 200, 150, 130, 100, 84, 76, 54, 51 и 25 мм. В некоторых случаях подложка характеризуется площадью плоской поверхности по меньшей мере 100; 200; 500; 1000; 2000; 4500; 5000; 10000; 12000; 15000; 20000; 30000; 40000; 50000 мм2 или больше. В некоторых случаях толщина составляет от около 50 до около 2000 мм, от около 50 до около 1000 мм, от около 100 до около 1000 мм, от около 200 до около 1000 мм или от около 250 до около 1000 мм. Неограничивающие примеры толщины включают 275, 375, 525, 625, 675, 725, 775 и 925 мм. В некоторых случаях толщина составляет по меньшей мере или около 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0 мм или более 4,0 мм. В некоторых случаях толщина варьируется в зависимости от диаметра и зависит от состава подложки. Например, толщина структуры, содержащей материалы, отличные от кремния, может отличаться от толщины структуры из кремния того же диаметра. Толщина структуры может определяться механической прочностью применяемого материала, и структура должна быть достаточно толстой, чтобы выдерживать собственный вес без растрескивания в ходе осуществления манипуляций. В некоторых случаях размер структуры составляет более чем около 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 30, 40, 50 футов в любом направлении.In some cases, the size of the structure described herein about corresponds to the size of the plate (eg, chip), for example, from about 40 to 120 mm by about 25 to 100 mm. In some cases, the structure described herein has a diameter less than or equal to about 1000, 500, 450, 400, 300 mm, 250 nm, 200, 150, 100, or 50 mm. In some cases, the diameter of the substrate is from about 25 to 1000 mm, from about 25 to about 800 mm, from about 25 to about 600 mm, from about 25 to about 500 mm, from about 25 to about 400 mm, from about 25 to about 300 mm, or about 25 to about 200. Non-limiting examples of substrate sizes include about 300, 200, 150, 130, 100, 84, 76, 54, 51, and 25 mm. In some cases, the substrate has a flat surface area of at least 100; 200; 500; 1000; 2000; 4500; 5000; 10000; 12000; 15000; 20000; 30000; 40000; 50000 mm2 or more. In some cases, the thickness is about 50 to about 2000 mm, about 50 to about 1000 mm, about 100 to about 1000 mm, about 200 to about 1000 mm, or about 250 to about 1000 mm. Non-limiting examples of thicknesses include 275, 375, 525, 625, 675, 725, 775, and 925 mm. In some cases, the thickness is at least or about 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 mm, or greater than 4.0 mm. In some cases, the thickness varies depending on the diameter and depends on the composition of the substrate. For example, the thickness of a structure containing materials other than silicon may be different from the thickness of a silicon structure of the same diameter. The thickness of the structure may be determined by the mechanical strength of the material used, and the structure must be thick enough to support its own weight without cracking during handling. In some cases, the size of the structure is more than about 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 30, 40, 50 feet in any direction.

Материалы.Materials.

В настоящем документе представлены устройства, содержащие поверхность, причем поверхность модифицирована для обеспечения синтеза полинуклеотидов в заданных местоположениях и с итоговой низкой частотой ошибок, низким коэффициентом отсева, высоким выходом и высокой представленно- 15 039806 стью олигонуклеотидов. В некоторых случаях поверхности устройств для представленного в настоящем документе синтеза полинуклеотидов выполнены из различных материалов, которые можно модифицировать для обеспечения реакции синтеза полинуклеотидов de novo. В некоторых случаях устройства являются достаточно проводящими, например, способны образовывать однородные электрические поля по всему устройству или его части. Описанные в настоящем документе устройства могут содержать гибкий материал. Иллюстративные гибкие материалы включают, без ограничения, модифицированный нейлон, немодифицированный нейлон, нитроцеллюлозу и полипропилен. Описанные в настоящем документе устройства могут содержать жесткий материал. Иллюстративные жесткие материалы включают, без ограничения, стекло, кварцевое стекло, кремний, диоксид кремния, нитрид кремния, пластмассы (например, политетрафторэтилен, полипропилен, полистирол, поликарбонат и их смеси, а также металлы (например, золото, платина). Раскрытые в настоящем документе устройства могут быть выполнены из материала, включающего кремний, полистирол, агарозу, декстран, полимеры на основе целлюлозы, полиакриламиды, полидиметилсилоксан (PDMS), стекло или любую их комбинацию. В некоторых случаях раскрытые в настоящем документе устройства изготовлены с использованием комбинации материалов, перечисленных в настоящем документе, или любого другого подходящего материала, известного в данной области.Disclosed herein are devices containing a surface where the surface is modified to allow polynucleotide synthesis at desired locations and resulting in low error rates, low dropout rates, high yields, and high oligonucleotide representation. In some cases, the surfaces of the devices for the synthesis of polynucleotides presented herein are made of various materials that can be modified to provide a de novo polynucleotide synthesis reaction. In some cases, the devices are sufficiently conductive, such as being able to generate uniform electric fields throughout the device or part of it. The devices described herein may include a flexible material. Exemplary flexible materials include, without limitation, modified nylon, unmodified nylon, nitrocellulose, and polypropylene. The devices described herein may contain rigid material. Exemplary rigid materials include, without limitation, glass, quartz glass, silicon, silicon dioxide, silicon nitride, plastics (eg, polytetrafluoroethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, and mixtures thereof), and metals (eg, gold, platinum). In this document, devices may be made from a material including silicon, polystyrene, agarose, dextran, cellulose-based polymers, polyacrylamides, polydimethylsiloxane (PDMS), glass, or any combination thereof.In some instances, the devices disclosed herein are made using a combination of the materials listed herein, or any other suitable material known in the art.

Описанные в настоящем документе устройства могут содержать материал, характеризующийся диапазоном значений прочности на разрыв. Иллюстративные материалы, характеризующиеся диапазоном значений прочности на разрыв, включают, без ограничения, нейлон (70 МПа), нитроцеллюлозу (1,5 МПа), полипропилен (40 МПа), кремний (268 МПа), полистирол (40 МПа), агарозу (1-10 МПа), полиакриламид (1-10 МПа), полидиметилсилоксан (PDMS) (3,9-10,8 МПа). Описанные в настоящем документе твердые подложки могут характеризоваться прочностью на разрыв 1-300, 1-40, 1-10, 1-5 или 3-11 МПа. Описанные в настоящем документе твердые подложки могут характеризоваться прочностью на разрыв около 1, 1,5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 20, 25, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 270 МПа или более. В некоторых случаях описанное в настоящем документе устройство содержит твердую подложку для синтеза полинуклеотидов, выполненную из гибкого материала, который можно хранить в виде непрерывной петли или рулона, например ленты или гибкого листового материала.The devices described herein may comprise a material having a range of tensile strengths. Exemplary materials having a range of tensile strengths include, but are not limited to, nylon (70 MPa), nitrocellulose (1.5 MPa), polypropylene (40 MPa), silicon (268 MPa), polystyrene (40 MPa), agarose (1 -10 MPa), polyacrylamide (1-10 MPa), polydimethylsiloxane (PDMS) (3.9-10.8 MPa). The solid substrates described herein may have a tensile strength of 1-300, 1-40, 1-10, 1-5, or 3-11 MPa. The solid substrates described herein may have tensile strengths of about 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 20, 25, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 270 MPa or more. In some instances, the device described herein comprises a solid polynucleotide synthesis support made of a flexible material that can be stored as a continuous loop or roll, such as a tape or flexible sheet material.

Модуль Юнга определяет способность материала к сопротивлению упругой (обратимой) деформации под нагрузкой. Иллюстративные материалы, характеризующиеся диапазоном значений модуля Юнга для жесткости, включают, без ограничения, нейлон (3 ГПа), нитроцеллюлозу (1,5 ГПа), полипропилен (2 ГПа), кремний (150 ГПа), полистирол (3 ГПа), агарозу (1-10 ГПа), полиакриламид (1-10 ГПа), полидиметилсилоксан (PDMS) (1-10 ГПа). Описанные в настоящем документе твердые подложки могут характеризоваться значениями модуля Юнга 1-500, 1-40, 1-10, 1-5 или 3-11 ГПа. Описанные в настоящем документе твердые подложки могут характеризоваться значениями модуля Юнга около 1, 1,5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 20, 25, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 400, 500 ГПа или больше. Поскольку соотношение между гибкостью и жесткостью обратно пропорционально друг другу, гибкий материал характеризуется низким значением модуля Юнга и значительно меняет свою форму под нагрузкой. В некоторых случаях описанная в настоящем документе твердая подложка имеет поверхность с гибкостью, обеспечиваемой по меньшей мере нейлоном.Young's modulus determines the ability of a material to resist elastic (reversible) deformation under load. Exemplary materials having a range of Young's modulus for stiffness include, but are not limited to, nylon (3 GPa), nitrocellulose (1.5 GPa), polypropylene (2 GPa), silicon (150 GPa), polystyrene (3 GPa), agarose ( 1-10 GPa), polyacrylamide (1-10 GPa), polydimethylsiloxane (PDMS) (1-10 GPa). The solid substrates described herein may have Young's modulus values of 1-500, 1-40, 1-10, 1-5, or 3-11 GPa. The solid substrates described herein may have Young's modulus values of about 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 20, 25, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 400, 500 GPa or more. Since the relationship between flexibility and stiffness is inversely proportional to each other, the flexible material has a low Young's modulus and changes its shape significantly under load. In some cases, the solid substrate described herein has a surface with the flexibility provided by at least nylon.

В некоторых случаях раскрытые в настоящем документе устройства содержат основу из диоксида кремния и поверхностный слой из оксида кремния. В качестве альтернативы, устройства могут иметь основу из оксида кремния. Поверхность представленного в настоящем документе устройства может быть текстурированной, что приводит к увеличению общей площади поверхности для синтеза полинуклеотидов. В некоторых случаях раскрытые в настоящем документе устройства могут содержать по меньшей мере 5, 10, 25, 50, 80, 90, 95 или 99% кремния. В некоторых случаях раскрытые в настоящем документе устройства выполнены из пластины, изготовленной по технологии кремний на изоляторе (SOI).In some cases, the devices disclosed herein comprise a silica backbone and a silica surface layer. Alternatively, the devices may have a silicon oxide backbone. The surface of the device provided herein may be textured, resulting in an increase in the total surface area for polynucleotide synthesis. In some cases, devices disclosed herein may contain at least 5%, 10%, 25%, 50%, 80%, 90%, 95%, or 99% silicon. In some cases, the devices disclosed herein are made from silicon-on-insulator (SOI) wafer technology.

Структура может быть выполнена из ряда материалов, подходящих для описанных в настоящем документе способов и композиций по настоящему изобретению. В определенных случаях материалы, из которых выполнены подложки/твердые подложки по настоящему изобретению, характеризуются низким уровнем связывания полинуклеотидов. В некоторых ситуациях можно использовать материал, который является проницаемым для видимого и/или УФ-света. Можно использовать материалы, которые являются достаточно проводящими, например таковые, способные образовывать однородные электрические поля по всей площади описанных в настоящем документе подложек/твердых подложек или ее части. В некоторых случаях такие материалы могут быть соединены с заземляющим устройством. В некоторых случаях подложка или твердая подложка могут быть теплопроводящими или изолированными. Материалы могут быть химически инертными и термоустойчивыми для обеспечения протекания химических или биохимических реакций, таких как серия реакций синтеза полинуклеотидов. В случае гибких материалов, представляющие интерес материалы могут включать: нейлон, как модифицированный, так и немодифицированный, нитроцеллюлозу, полипропилен и т.д.The structure can be made from a variety of materials suitable for the methods and compositions of the present invention described herein. In certain cases, the materials from which the substrates/solid substrates of the present invention are made are characterized by a low level of binding of polynucleotides. In some situations, it is possible to use a material that is transparent to visible and/or UV light. You can use materials that are sufficiently conductive, such as those capable of forming uniform electric fields over the entire area of the substrates/solid substrates described herein or part of it. In some cases, such materials may be connected to a grounding device. In some cases, the substrate or solid substrate may be thermally conductive or insulating. The materials may be chemically inert and thermally stable to allow chemical or biochemical reactions to take place, such as a series of polynucleotide synthesis reactions. In the case of flexible materials, materials of interest may include: nylon, both modified and unmodified, nitrocellulose, polypropylene, etc.

В случае жестких материалов конкретные представляющие интерес материалы включают стекло; кварцевое стекло; кремний, пластмассы (например, политетрафторэтилен, полипропилен, полистирол, поликарбонат и их смеси, и т. д); металлы (например, золото, платина и т.д.). Структура может быть вы- 16 039806 полнена из материала, выбранного из группы, состоящей из кремния, полистирола, агарозы, декстрана, полимеров на основе целлюлозы, полиакриламидов, полидиметилсилоксана (PDMS) и стекла. Подложки/твердые подложки или микроструктуры, реакторы в них могут быть изготовлены из комбинации материалов, перечисленных в настоящем документе, или любого другого известного в данной области подходящего материала.In the case of rigid materials, specific materials of interest include glass; quartz glass; silicon, plastics (eg polytetrafluoroethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate and mixtures thereof, etc.); metals (eg gold, platinum, etc.). The structure may be made from a material selected from the group consisting of silicon, polystyrene, agarose, dextran, cellulose-based polymers, polyacrylamides, polydimethylsiloxane (PDMS), and glass. The substrates/solid substrates or microstructures, reactors therein, may be made from a combination of the materials listed herein or any other suitable material known in the art.

В некоторых случаях раскрытая в настоящем документе подложка содержит машиночитаемый объект. Машиночитаемые объекты включают, без ограничения, магнитный носитель, катушечную ленту, кассетную ленту, магнитную ленту, дискету, бумажный носитель, пленку, микрофишу, бесконечную ленту (например, конвейерную ленту) и любой носитель, подходящий для хранения электронных инструкций. В некоторых случаях подложка содержит магнитную катушечную ленту или магнитную полосу. В некоторых случаях подложка содержит гибкую печатную плату.In some cases, the substrate disclosed herein contains a machine-readable object. Machine-readable objects include, without limitation, magnetic media, reel-to-reel tape, cassette tape, magnetic tape, floppy disk, paper media, film, microfiche, endless tape (eg, conveyor belt), and any media suitable for storing electronic instructions. In some cases, the substrate contains a magnetic reel tape or a magnetic stripe. In some cases, the substrate contains a flexible circuit board.

Описанные в настоящем документе структуры могут быть проницаемыми для видимого и/или УФ-света. В некоторых случаях описанные в настоящем документе структуры являются достаточно проводящими, чтобы образовывать однородные электрические поля по всей структуре или ее части. В некоторых случаях описанные в настоящем документе структуры являются теплопроводящими или изолированными. В некоторых случаях структуры являются химически инертными и термоустойчивыми для обеспечения протекания химической реакции, такой как синтез полинуклеотидов. В некоторых случаях подложка является магнитной. В некоторых случаях структуры содержат металл или металлический сплав.The structures described herein may be transparent to visible and/or UV light. In some cases, the structures described herein are conductive enough to generate uniform electric fields throughout the structure or part of it. In some cases, the structures described herein are thermally conductive or insulated. In some cases, the structures are chemically inert and thermally stable to allow a chemical reaction to proceed, such as the synthesis of polynucleotides. In some cases, the substrate is magnetic. In some cases, the structures contain a metal or metal alloy.

Длина структур для синтеза полинуклеотидов может составлять более 1, 2, 5, 10, 30, 50 или более футов в любом направлении. В случае гибкой структуры, гибкую структуру необязательно хранят в намотанном состоянии, например, в виде рулона. В случае крупной жесткой структуры, длиной, например, более 1 фута, жесткую структуру можно хранить вертикально или горизонтально.Polynucleotide synthesis structures may be greater than 1, 2, 5, 10, 30, 50 or more feet in length in any direction. In the case of a flexible structure, the flexible structure is optionally stored in a wound state, for example in the form of a roll. In the case of a large rigid structure, eg more than 1 foot long, the rigid structure can be stored vertically or horizontally.

Подготовка поверхности.Surface preparation.

В настоящем документе представлены способы содействия иммобилизации биомолекулы на подложке, где поверхность описанной в настоящем документе структуры содержит материал и/или покрыта материалом, который способствует реакции сочетания с биомолекулой с целью присоединения. Для подготовки структуры с целью иммобилизации биомолекулы можно использовать модификации поверхности, которые химически и/или физически изменяют поверхность подложки с помощью аддитивного или субтрактивного процесса с целью изменения одного или более химических и/или физических свойств поверхности подложки или выбранного сайта или области поверхности. Например, модификация поверхности включает (1) изменение смачиваемости поверхности, (2) функционализирование поверхности, т.е. внесение, модификацию или замену поверхностных функциональных групп, (3) дефункционализирование поверхности, т.е. удаление поверхностных функциональных групп, (4) другое изменение химического состава поверхности, например, посредством травления, (5) увеличение или уменьшение шероховатости поверхности, (6) нанесение покрытия на поверхность, например, покрытия, которое характеризуется смачиваемостью, отличной от смачиваемости поверхности, и/или (7) осаждение частиц на поверхности. В некоторых случаях поверхность структуры подвергают избирательной функционализации с целью получения двух или более отдельных участков на структуре, причем по меньшей мере один участок характеризуется поверхностью или химическим свойством, которые отличаются от таковых другого участка в пределах той же структуры. Такие свойства включают, без ограничения, поверхностную энергию, концевые группы химических веществ, концентрацию определенного химического вещества и т. д.Provided herein are methods of facilitating the immobilization of a biomolecule on a substrate, where the surface of the structure described herein contains a material and/or is coated with a material that promotes a coupling reaction with the biomolecule for attachment. To prepare the structure for the purpose of immobilizing the biomolecule, surface modifications can be used that chemically and/or physically change the surface of the substrate using an additive or subtractive process in order to change one or more chemical and/or physical properties of the surface of the substrate or a selected site or surface area. For example, surface modification includes (1) changing the wettability of the surface, (2) functionalizing the surface, i.e. introduction, modification or replacement of surface functional groups, (3) defunctionalization of the surface, i.e. removal of surface functional groups, (4) other alteration of the chemical composition of the surface, such as by etching, (5) increase or decrease in surface roughness, (6) coating the surface, for example, a coating that has a different wettability than that of the surface, and /or (7) deposition of particles on the surface. In some cases, the surface of a structure is selectively functionalized to produce two or more distinct regions on the structure, at least one region having a surface or chemical property that is different from that of another region within the same structure. Such properties include, without limitation, surface energy, chemical end groups, concentration of a particular chemical, etc.

В некоторых случаях поверхность раскрытой в настоящем документе структуры модифицируют так, чтобы она содержала одну или более функционализированных активными средствами поверхностей, сконфигурированных с возможностью связывания как с поверхностью подложки, так и с биомолекулой, что обеспечивает возможность реакции сочетания с поверхностью. В некоторых случаях поверхность также подвергают функционализации с использованием пассивного материала, который не связывает эффективно биомолекулу, за счет чего предотвращается присоединение биомолекулы в сайтах, где связано пассивное средство для функционализации. В некоторых случаях поверхность содержит активный слой, определяющий границы только отдельных локусов, на которых будут содержаться биомолекулы.In some instances, the surface of the structure disclosed herein is modified to include one or more active agent-functionalized surfaces configured to bind to both the surface of the substrate and the biomolecule to allow coupling to the surface. In some cases, the surface is also functionalized using a passive material that does not effectively bind the biomolecule, thereby preventing attachment of the biomolecule at sites where the passive functionalization agent is bound. In some cases, the surface contains an active layer that defines the boundaries of only individual loci, which will contain biomolecules.

В некоторых случаях поверхность приводят в контакт со смесью групп для функционализации, которые находятся в разном соотношении. В некоторых случаях смесь содержит по меньшей мере 2, 3, 4, 5 или более разных типов средств для функционализации. В некоторых случаях соотношение в смеси по меньшей мере двух типов средств для функционализации поверхности составляет около 1:1, 1:2, 1:5, 1:10, 2:10, 3:10, 4:10, 5:10, 6:10, 7:10, 8:10, 9:10 или представляет собой любое другое соотношение для достижения требуемого представления поверхностей двух групп. В некоторых случаях требуемые показатели поверхностного натяжения, смачиваемости, угла смачивания водой и/или угла смачивания для других подходящих растворителей достигаются путем обеспечения поверхности подложки средствами для функционализации в подходящем соотношении. В некоторых случаях средства в смеси выбирают из подходящих реакционноспособных и инертных веществ, разбавляя тем самым плотность реакционноспособных групп на поверхности до требуемого уровня для осуществления последующих реакций. В некоторых случаях смесь реагентов для функционализации содержит один или более реагентов, которыеIn some cases, the surface is brought into contact with a mixture of groups for functionalization, which are in different ratios. In some cases, the mixture contains at least 2, 3, 4, 5 or more different types of functionalization agents. In some cases, the mixture ratio of at least two types of surface functionalizers is about 1:1, 1:2, 1:5, 1:10, 2:10, 3:10, 4:10, 5:10, 6 :10, 7:10, 8:10, 9:10, or any other ratio to achieve the desired representation of the surfaces of the two groups. In some cases, the desired surface tension, wettability, water contact angle, and/or contact angle for other suitable solvents are achieved by providing the surface of the substrate with functionalization agents in the appropriate ratio. In some cases, the agents in the mixture are selected from suitable reactive and inert materials, thereby diluting the density of reactive groups on the surface to the required level for subsequent reactions to take place. In some cases, the mixture of functionalization reagents contains one or more reagents that

- 17 039806 связываются с биомолекулой и одним или более реагентами, которые не связываются с биомолекулой.- 17 039806 bind to the biomolecule and one or more reagents that do not bind to the biomolecule.

Следовательно, модуляция в отношении реагентов позволяет контролировать степень связывания биомолекулы, которое происходит в отдельном участке функционализации.Therefore, modulation in relation to the reactants allows you to control the degree of binding of the biomolecule, which occurs in a particular site of functionalization.

В некоторых случаях способ функционализации подложки предусматривает нанесение на поверхность подложки молекул силана. Молекулы силана могут быть нанесены на области подложки с высокой поверхностной энергией. В некоторых случаях область с высокой поверхностной энергией включает пассивный реагент для функционализации. В описанных в настоящем документе способах предусматривается, что силановая группа связывается с поверхностью, тогда как остальная часть молекулы обеспечивает некоторое расстояние от поверхности и наличие свободной гидроксильной группы на конце, к которой присоединяется биомолекула. В некоторых случаях силан представляет собой молекулу органофункционального алкоксисилана.In some cases, the method of functionalization of the substrate involves the deposition of silane molecules on the surface of the substrate. Silane molecules can be deposited on areas of the substrate with high surface energy. In some cases, the high surface energy region includes a passive functionalization reagent. The methods described herein provide that the silane group binds to the surface while the rest of the molecule provides some distance from the surface and a free hydroxyl group at the end to which the biomolecule is attached. In some cases, the silane is an organofunctional alkoxysilane molecule.

Неограничивающие примеры молекул органофункциональных алкоксисиланов включают хлордиметилоктадецилсилан, дихлорметилоктадецилсилан, трихлороктадецилсилан и триметилоктадецилсилан, триэтилоктадецилсилан. В некоторых случаях силан представляет собой аминосилан. Примеры аминосиланов включают, без ограничения, 11-ацетоксиундецилтриэтоксисилан, н-децилтриэтоксисилан, (3 -аминопропил)триметоксисилан, (3 -аминопропил)триэтоксисилан, глицидилоксипропил/триметоксисилан и N-(3-триэтоксисилилпропил)-4-гидроксибутирамид. В некоторых случаях силан предусматривает 11-ацетоксиундецилтриэтоксисилан, н-децилтриэтоксисилан, (3-аминопропил)триметоксисилан, (3 -аминопропил)триэтоксисилан, глицидилоксипропил/триметоксисилан, N-(3-триэтоксисилилпропил)4-гидроксибутирамид или любую их комбинацию. В некоторых случаях активное средство для функционализации предусматривает 11-ацетоксиундецилтриэтоксисилан. В некоторых случаях активное средство для функционализации предусматривает н-децилтриэтоксисилан. В некоторых случаях активное средство для функционализации предусматривает глицидилоксипропилтриэтоксисилан (GOPS). В некоторых случаях силан представляет собой фторсилан. В некоторых случаях силан представляет собой углеводород-содержащий силан. В некоторых случаях силан представляет собой 3-йодпропилтриметоксисилан. В некоторых случаях силан представляет собой октилхлорсилан.Non-limiting examples of organofunctional alkoxysilane molecules include chlorodimethyloctadecylsilane, dichloromethyloctadecylsilane, trichlorooctadecylsilane and trimethyloctadecylsilane, triethyloctadecylsilane. In some cases, the silane is an aminosilane. Examples of aminosilanes include, without limitation, 11-acetoxyundecyltriethoxysilane, n-decyltriethoxysilane, (3-aminopropyl)trimethoxysilane, (3-aminopropyl)triethoxysilane, glycidyloxypropyl/trimethoxysilane, and N-(3-triethoxysilylpropyl)-4-hydroxybutyramide. In some cases, the silane includes 11-acetoxyundecyltriethoxysilane, n-decyltriethoxysilane, (3-aminopropyl)trimethoxysilane, (3-aminopropyl)triethoxysilane, glycidyloxypropyl/trimethoxysilane, N-(3-triethoxysilylpropyl)4-hydroxybutyramide, or any combination thereof. In some cases, the functionalizing active agent is 11-acetoxyundecyltriethoxysilane. In some instances, the active functionalization agent is n-decyltriethoxysilane. In some cases, the functionalizing active agent is glycidyloxypropyltriethoxysilane (GOPS). In some cases, the silane is a fluorosilane. In some cases, the silane is a hydrocarbon-containing silane. In some cases, the silane is 3-iodopropyltrimethoxysilane. In some cases, the silane is octylchlorosilane.

В некоторых случаях силанизация осуществляется на поверхности посредством самосборки молекул органофункционального алкоксисилана. Органофункциональные алкоксисиланы классифицируются в соответствии с их функциями, свойственными органическим соединениям. Неограничивающие примеры реагентов для функционализации на основе силоксана включают гидроксиалкилсилоксаны (силилирование поверхности, функционализирование с использованием диборана и окисление спирта с помощью пероксида водорода), (дигидроксиалкил)-силоксандиолы (силилирование поверхности и гидролиз с образованием диола), аминоалкилсилоксаны (в случае аминов не требуется промежуточная стадия функционализирования), глицидоксисиланы (3-глицидоксипропил-диметил-этоксисилан, глицидокситриметоксисилан), меркаптосиланы (3-меркаптопропил-триметоксисилан, 3-4-эпоксициклогексилэтилтриметоксисилан или 3-меркаптопропил-метил-диметоксисилан), бициклогептенил-трихлорсилан, бутил-альдегид-триметоксисилан или димерные вторичные аминоалкилсилоксаны. Иллюстративные гидроксиалкилсилоксаны включают аллилтрихлорсилан, превращающийся в 3-гидроксипропил, или 7-окт-1-енилтрихлорсилан, превращающийся в 8-гидроксиоктил. (Дигидроксиалкил)-силоксандиолы включают глицидилтриметоксисилан-производный (2,3-дигидроксипропилокси)пропил (GOPS). Аминоалкилсилоксаны включают 3-аминопропилтриметоксисилан, превращающийся в 3-аминопропил (3-аминопропил-триэтоксисилан, 3-аминопропил-диэтокси-метилсилан, 3-аминопропил-диметилэтоксисилан или 3-аминопропил-триметоксисилан). В некоторых случаях димерный вторичный аминоалкилсилоксан представляет собой бис-(3-триметоксисилилпропил)амин, превращающийся в бис-(силилоксипропил)амин.In some cases, silanization is carried out on the surface through self-assembly of organofunctional alkoxysilane molecules. Organofunctional alkoxysilanes are classified according to their functions attributable to organic compounds. Non-limiting examples of siloxane-based functionalization reagents include hydroxyalkylsiloxanes (surface silylation, diborane functionalization, and alcohol oxidation with hydrogen peroxide), (dihydroxyalkyl)-siloxanediols (surface silylation and hydrolysis to form a diol), aminoalkylsiloxanes (in the case of amines, no intermediate is required). functionalization step), glycidoxysilanes (3-glycidoxypropyl-dimethyl-ethoxysilane, glycidoxytrimethoxysilane), mercaptosilanes (3-mercaptopropyl-trimethoxysilane, 3-4-epoxycyclohexylethyltrimethoxysilane or 3-mercaptopropyl-methyl-dimethoxysilane), bicycloheptenyltrichlorosilane, butylaldehyde-trimethoxysilane or dimeric secondary aminoalkylsiloxanes. Exemplary hydroxyalkylsiloxanes include allyltrichlorosilane converting to 3-hydroxypropyl or 7-oct-1-enyltrichlorosilane converting to 8-hydroxyoctyl. (Dihydroxyalkyl)-siloxanediols include glycidyltrimethoxysilane derivative of (2,3-dihydroxypropyloxy)propyl (GOPS). Aminoalkylsiloxanes include 3-aminopropyltrimethoxysilane, which converts to 3-aminopropyl (3-aminopropyl-triethoxysilane, 3-aminopropyl-diethoxy-methylsilane, 3-aminopropyl-dimethylethoxysilane or 3-aminopropyl-trimethoxysilane). In some cases, the dimeric secondary aminoalkylsiloxane is bis-(3-trimethoxysilylpropyl)amine, which converts to bis-(silyloxypropyl)amine.

Участки функционализации активными средствами могут содержать один или более разных видов силанов, например, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или более видов силана. В некоторых случаях один из одного или более видов силанов присутствует в составе композиции для функционализации в количестве, превышающем таковое другого вида силана. Например, смешанный раствор силанов, содержащий два вида силанов, предусматривает соотношение одного вида силана и другого вида силана 99:1, 98:2, 97:3, 96:4, 95:5, 94:6, 93:7, 92:8, 91:9, 90:10, 89:11, 88:12, 87:13, 86:14, 85:15, 84:16, 83:17, 82:18, 81:19, 80:20, 75:25, 70:30, 65:35, 60:40, 55:45. В некоторых случаях активное средство для функционализации предусматривает 11-ацетоксиундецилтриэтоксисилан и н-децилтриэтоксисилан. В некоторых случаях активное средство для функционализации предусматривает 11-ацетоксиундецилтриэтоксисилан и н-децилтриэтоксисилан в соотношении от около 20:80 до около 1:99, или от около 10:90 до около 2:98, или около 5:95.Active agent functionalization sites may contain one or more different types of silanes, for example, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more types of silane. In some instances, one of one or more silane species is present in the functionalization composition in an amount greater than that of the other silane species. For example, a mixed solution of silanes containing two types of silanes provides a ratio of one type of silane and another type of silane 99:1, 98:2, 97:3, 96:4, 95:5, 94:6, 93:7, 92: 8, 91:9, 90:10, 89:11, 88:12, 87:13, 86:14, 85:15, 84:16, 83:17, 82:18, 81:19, 80:20, 75:25, 70:30, 65:35, 60:40, 55:45. In some cases, the functionalizing active agent comprises 11-acetoxyundecyltriethoxysilane and n-decyltriethoxysilane. In some instances, the functionalizing active agent comprises 11-acetoxyundecyltriethoxysilane and n-decyltriethoxysilane in a ratio of about 20:80 to about 1:99, or about 10:90 to about 2:98, or about 5:95.

В некоторых случаях функционализация предусматривает нанесение средства для функционализации на структуру с помощью любой методики нанесения, включая, без ограничения, химическое осаждение из газовой фазы (CVD), осаждение атомных слоев (ALD), плазменное CVD (PECVD), плазменное ALD (PEALD), CVD для осаждения металлорганических соединений (MOCVD), каталитическое CVD (HWCVD), инициированное CVD (iCVD), модифицированное CVD (MCVD), осевое осаждение из газовой фазы (VAD), внешнее осаждение из газовой фазы (OVD), физическое осаждение из газовой фазы (например, осаждение методом распыления, осаждение из паровой фазы) и молекулярно-слоевое осаж- 18 039806 дение (MLD).In some cases, functionalization involves applying a functionalizing agent to a structure using any application technique, including, without limitation, chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), plasma CVD (PECVD), plasma ALD (PEALD), CVD for metal organic deposition (MOCVD), catalytic CVD (HWCVD), initiated CVD (iCVD), modified CVD (MCVD), axial vapor deposition (VAD), external vapor deposition (OVD), physical vapor deposition (eg sputter deposition, vapor deposition) and molecular layer deposition (MLD).

Любая стадия или компонент в нижеследующем способе функционализации могут быть пропущены или изменены в соответствии со свойствами, требуемыми для конечной функционализированной подложки. В некоторых случаях к изложенным в настоящем документе последовательностям действий в рамках способа добавляют дополнительные компоненты и/или стадии способа. В некоторых случаях подложку сперва очищают, например, с применением раствора пиранья. Пример процесса очистки включает замачивание подложки в растворе пиранья (например, 90% H2SO4, 10% Н2О2) при повышенной температуре (например, 120°С) и промывку (например, водой) и высушивание подложки (например, с использованием газообразного азота). Процесс необязательно включает обработку после очистки раствором пиранья, предусматривающую замачивание обработанной раствором пиранья подложки в основном растворе (например, NH4OH) с последующей промывкой водной средой (например, водой). В некоторых случаях поверхность структуры подвергают плазмохимической очистке, необязательно с последующим замачиванием в растворе пиранья и необязательной обработкой после очистки раствором пиранья. Пример процесса плазмохимической очистки предусматривает травление в кислородной плазме. В некоторых случаях на поверхность наносят активное средство для функционализации с последующим выпариванием. В некоторых случаях подложку подвергают функционализации активными средствами до очистки, например, путем обработки раствором пиранья и/или плазмохимической очистки.Any step or component in the following functionalization method may be omitted or modified according to the properties required for the final functionalized substrate. In some cases, additional components and/or method steps are added to the process sequences set forth herein. In some cases, the substrate is first cleaned, for example, using a solution of piranha. An example cleaning process includes soaking the substrate in a piranha solution (eg 90% H2SO 4 , 10% H2O2) at elevated temperature (eg 120°C) and rinsing (eg water) and drying the substrate (eg using nitrogen gas). The process optionally includes post-treatment with a piranha solution, comprising soaking the piranha-treated substrate in a basic solution (eg, NH4OH) followed by washing with an aqueous medium (eg, water). In some cases, the surface of the structure is subjected to plasma-chemical cleaning, optionally followed by soaking in piranha solution and optionally post-cleaning with piranha solution. An example of a plasma-chemical cleaning process involves etching in oxygen plasma. In some cases, an active functionalization agent is applied to the surface, followed by evaporation. In some cases, the substrate is functionalized with active agents prior to purification, for example, by treatment with a piranha solution and/or plasma-chemical purification.

Способ функционализации поверхности необязательно предусматривает покрытие резистом и снятие резиста. В некоторых случаях после функционализации поверхности активными средствами подложку путем центрифугирования покрывают резистом, например позитивным фоторезистом SPR™ 3612. В различных случаях способ функционализации поверхности предусматривает литографию с функционализацией поверхности в виде паттерна. В некоторых случаях фотолитографию осуществляют после покрытия резистом. В некоторых случаях после литографии поверхность визуально проверяют на наличие дефектов литографии. В некоторых случаях способ функционализации поверхности предусматривает стадию очистки, посредством которой удаляются остатки из подложки, например, путем плазмохимической очистки или травления. В некоторых случаях стадию плазмохимической очистки осуществляют в ходе одной из стадий после осуществления стадии литографии.The surface functionalization method optionally includes resist coating and resist stripping. In some cases, after surface functionalization with active agents, the substrate is spin-coated with a resist, such as SPR™ 3612 positive photoresist. In various cases, the surface functionalization method involves lithography with surface functionalization in the form of a pattern. In some cases, photolithography is carried out after coating with a resist. In some cases, after lithography, the surface is visually inspected for lithographic defects. In some cases, the surface functionalization method includes a cleaning step, whereby residues are removed from the substrate, for example, by plasma chemical cleaning or etching. In some cases, the stage of plasma-chemical purification is carried out during one of the stages after the implementation of the stage of lithography.

В некоторых случаях поверхность, покрытую резистом, обрабатывают с целью удаления резиста, например, после функционализации и/или после литографии. В некоторых случаях резист удаляют с помощью растворителя, например, с помощью раствора для снятия резиста, содержащего N-метил-2пирролидон. В некоторых случаях снятие резиста предусматривает обработку соникацией или ультразвуком. В некоторых случаях резист наносят и снимают, после чего проводят функционализацию активными средствами экспонированных участков для создания требуемого дифференциального паттерна функционализации.In some cases, the resist-coated surface is treated to remove the resist, such as after functionalization and/or after lithography. In some cases, the resist is removed with a solvent, such as a stripping solution containing N-methyl-2-pyrrolidone. In some cases, the removal of the resist involves treatment with sonication or ultrasound. In some cases, the resist is applied and removed, followed by active functionalization of the exposed areas to create the desired differential functionalization pattern.

В некоторых случаях описанные в настоящем документе способы и композиции предусматривают нанесение фоторезиста для получения модифицированных свойств поверхности в выбранных участках, причем нанесение фоторезиста основывается на свойствах поверхности в отношении взаимодействия с текучей средой, определяющих пространственное распределение фоторезиста. Не вдаваясь в теорию, эффекты поверхностного натяжения, связанные с наносимой текучей средой, могут определять характеристики потока фоторезиста. Например, поверхностное натяжение и/или капиллярные эффекты могут содействовать проникновению фоторезиста в маленькие структуры контролируемым образом до испарения растворителей резиста. В некоторых случаях точки контакта резиста фиксируются при взаимодействии с острыми краями, за счет чего обеспечивается контроль продвижения текучей среды. Базовые структуры могут быть сконструированы исходя из требуемых паттернов потока, которые применяются для нанесения фоторезиста в ходе процессов изготовления и функционализации. Твердый органический слой, остающийся после испарения растворителей, можно применять для проведения последующих стадий процесса изготовления. Структуры могут быть сконструированы так, чтобы обеспечивался контроль потока текучих сред за счет содействия или ингибирования эффектов капиллярного затекания в соседние пути потока текучих сред. Например, структура сконструирована так, чтобы избегалось перекрытие между верхним и нижним краями, что содействует удержанию текучей среды в верхних структурах, что обеспечивает возможность определенного расположения резиста. Согласно альтернативному примеру верхний и нижний края перекрываются, что приводит к капиллярному затеканию нанесенной текучей среды в нижние структуры. Соответствующие конструкции могут быть соответственно выбраны в зависимости от требуемого применения резиста.In some instances, the methods and compositions described herein involve the application of a photoresist to obtain modified surface properties in selected areas, the application of the photoresist being based on the fluid properties of the surface that determine the spatial distribution of the photoresist. Without being bound by theory, surface tension effects associated with the applied fluid can determine the flow characteristics of the photoresist. For example, surface tension and/or capillary effects can promote the penetration of photoresist into small structures in a controlled manner before the solvents of the resist evaporate. In some cases, the contact points of the resist are fixed when interacting with sharp edges, thereby providing control over the progress of the fluid. Base structures can be designed based on the desired flow patterns that are used to deposit the photoresist during fabrication and functionalization processes. The solid organic layer remaining after the solvents have evaporated can be used for subsequent steps in the manufacturing process. Structures can be designed to control fluid flow by promoting or inhibiting the effects of capillary wicking into adjacent fluid flow paths. For example, the structure is designed to avoid overlap between the top and bottom edges, which assists in retaining fluid in the top structures, which allows for a specific location of the resist. In an alternative example, the top and bottom edges overlap, causing the applied fluid to wick into the underlying structures. Appropriate designs can be appropriately selected depending on the desired application of the resist.

В некоторых случаях описанная в настоящем документе структура имеет поверхность, которая содержит материал толщиной по меньшей мере или около 0,1, 0,5, 1, 2, 5, 10 или 25 нм, который предусматривает реакционноспособную группу, способную к связыванию нуклеозидов. Примеры включают, без ограничения, стекло и кремний, как, например, диоксид кремния и нитрид кремния. В некоторых случаях иллюстративные поверхности включают нейлон и РММА.In some cases, the structure described herein has a surface that contains a material with a thickness of at least or about 0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10, or 25 nm, which provides a reactive group capable of binding nucleosides. Examples include, without limitation, glass and silicon, such as silicon dioxide and silicon nitride. In some instances, exemplary surfaces include nylon and PMMA.

В некоторых случаях для нанесения на поверхность паттерна применяют электромагнитное излучеIn some cases, electromagnetic radiation is used to apply a pattern to the surface.

- 19 039806 ние в форме УФ-света. В некоторых случаях для нанесения на поверхность паттерна применяют лампу, а маска обеспечивает места воздействия УФ-света на поверхность. В некоторых случаях для нанесения на поверхность паттерна применяют лазер, а открытый/закрытый режим затвора обеспечивает контроль воздействия УФ-света на поверхность. Расположение лазера можно применять в сочетании с гибкой структурой, которая способна перемещаться. В таком формате, координацию воздействия лазера и перемещения гибкой структуры применяют для создания паттернов из одного или более средств с отличающимися способностями в отношении сочетания нуклеозидов.- 19 039806 in the form of UV light. In some cases, a lamp is used to apply the pattern to the surface, and the mask provides points of exposure to UV light on the surface. In some cases, a laser is used to pattern the surface, and the open/closed shutter mode provides control over the UV light exposure to the surface. The location of the laser can be used in combination with a flexible structure that is able to move. In this format, the coordination of laser exposure and movement of the flexible structure is used to create patterns from one or more agents with differing nucleoside coupling abilities.

В настоящем документе описаны поверхности для синтеза полинуклеотидов, которые можно использовать повторно. После синтеза и/или отщепления полинуклеотидов поверхность можно обмывать, промывать, чистить, обжигать, подвергать травлению или иному способу функционального восстановления до состояния, подходящего для последующего синтеза полинуклеотидов. Количество раз повторного использования поверхности и способов возвращения в повторный цикл/подготовки поверхности для повторного использования варьируется в зависимости от последующих применений. Подготовленные к повторному использованию поверхности в некоторых случаях используют повторно по меньшей мере 1, 2, 3, 5, 10, 20, 50, 100, 1000 или более раз. В некоторых случаях определяют или прогнозируют оставшийся срок службы поверхности или количество раз, подходящее для повторного использования поверхности.This document describes polynucleotide synthesis surfaces that can be reused. Following synthesis and/or cleavage of polynucleotides, the surface may be washed, washed, cleaned, fired, etched, or otherwise functionally restored to a condition suitable for subsequent polynucleotide synthesis. The number of times a surface is reused and how the surface is recycled/prepared for reuse varies depending on subsequent applications. Surfaces prepared for reuse are in some cases reused at least 1, 2, 3, 5, 10, 20, 50, 100, 1000 or more times. In some cases, the remaining life of a surface or the number of times a surface is suitable for reuse is determined or predicted.

Системы для внесения материалов.Systems for making materials.

В некоторых случаях синтезированные полинуклеотиды хранят на подложке, например твердой подложке. Реагенты-нуклеиновые кислоты можно вносить на поверхность подложки методом прерывающейся подачи или методом подачи по требованию. Примеры таких методов включают электромеханический метод переноса, электротермический метод переноса и метод на основе электростатического притяжения. В случае электромеханического метода переноса, пьезоэлектрические элементы, деформируемые электрическими импульсами, обусловливают выталкивание капель. В случае электротермического метода переноса, в камере устройства образуются пузырьки, и силы расширения пузырьков обусловливают выталкивание капель. В случае метода на основе электростатического притяжения, для выталкивания капель на подложку используется электростатическая сила притяжения. В некоторых случаях частота каплеобразования составляет от около 5 до около 500 кГц; от около 5 до около 100 кГц; от около 10 до около 500 кГц; от около 10 до около 100 кГц или от около 50 до около 500 кГц. В некоторых случаях частота составляет менее чем около 500, 200, 100 или 50 кГц.In some cases, synthesized polynucleotides are stored on a support, such as a solid support. The nucleic acid reagents can be applied to the surface of the support by the intermittent feed method or the demand feed method. Examples of such methods include the electromechanical transfer method, the electrothermal transfer method, and the electrostatic attraction method. In the case of the electromechanical transfer method, piezoelectric elements, deformed by electrical impulses, cause droplets to be ejected. In the case of the electrothermal transfer method, bubbles are formed in the chamber of the device, and the expansion forces of the bubbles cause the droplets to be pushed out. In the case of the method based on electrostatic attraction, an electrostatic attraction force is used to push droplets onto the substrate. In some cases, the droplet frequency is from about 5 to about 500 kHz; about 5 to about 100 kHz; about 10 to about 500 kHz; about 10 kHz to about 100 kHz, or about 50 kHz to about 500 kHz. In some cases, the frequency is less than about 500, 200, 100, or 50 kHz.

Размер вносимых капель зависит от разрешения устройства. В некоторых случаях устройства обеспечивают внесение капель реагентов размером от около 0,01 до около 20 пл, от около 0,01 до около 10 пл, от около 0,01 до около 1 пл, от около 0,01 до около 0,5 пл, от около 0,01 до около 0,01 пл или от около 0,05 до около 1 пл. В некоторых случаях размер капли составляет менее чем около 1, 0,5, 0,2, 0,1 или 0,05 пл.Droplet size depends on device resolution. In some cases, the devices provide droplets of reagents with a size of from about 0.01 to about 20 pl, from about 0.01 to about 10 pl, from about 0.01 to about 1 pl, from about 0.01 to about 0.5 pl , from about 0.01 to about 0.01 pl, or from about 0.05 to about 1 pl. In some cases, the droplet size is less than about 1, 0.5, 0.2, 0.1, or 0.05 pl.

В некоторых форматах конфигурация системы синтеза полинуклеотидов обеспечивает непрерывный процесс синтеза полинуклеотидов, в котором используется гибкость подложки для перемещения в процессе типа с катушки на катушку. Такой процесс синтеза происходит в режиме непрерывной поточной линии, при этом подложка перемещается в ходе различных стадий синтеза полинуклеотидов с помощью одной или более катушек с изменением положения подложки. В иллюстративном случае реакция синтеза полинуклеотидов предусматривает прокручивание подложки: через ванну с растворителем, под устройством для внесения реагентов с целью внесения амидофосфитов, через ванну с окислительным средством, через ванну для промывки ацетонитрилом и через ванну для деблокирования. Необязательно лента также проходит через ванну с реагентами для кэпирования. Процесс типа с катушки на катушку позволяет без труда собирать конечный продукт с подложки, содержащей синтезированные полинуклеотиды, на приемную катушку, откуда он может быть транспортирован для дальнейшей обработки или хранения.In some formats, the polynucleotide synthesis system is configured to provide a continuous polynucleotide synthesis process that utilizes the flexibility of the support to move in a reel-to-reel type process. Such a synthesis process takes place in a continuous flow line, with the substrate being moved during the various steps of polynucleotide synthesis by means of one or more spools to change the position of the substrate. In an exemplary case, the polynucleotide synthesis reaction involves rolling the support through: through a solvent bath, under an adder to add amidophosphites, through an oxidizing agent bath, through an acetonitrile wash bath, and through a deblocking bath. Optionally, the tape also passes through the bath of capping reagents. The spool-to-spool process allows the end product to be easily collected from the substrate containing the synthesized polynucleotides to a take-up spool, from where it can be transported for further processing or storage.

В некоторых форматах синтез полинуклеотидов протекает в рамках непрерывного процесса, в ходе которого непрерывная гибкая лента перемещается по конвейерной системе. Подобно процессу типа с катушки на катушку, синтез полинуклеотидов на непрерывной ленте происходит в режиме непрерывной поточной линии, при этом подложка перемещается в ходе различных стадий синтеза полинуклеотидов в процессе конвейерного передвижения. Однако в процессе с конвейерной системой непрерывная лента снова включается в стадию синтеза полинуклеотидов без накручивания и раскручивания ленты, как в процессе типа с катушки на катушку. В некоторых форматах стадии синтеза полинуклеотидов разделены на зоны и непрерывная лента в конвейерном режиме проходит через каждую зону один или более раз за цикл. Например, реакция синтеза полинуклеотидов может предусматривать (1) прохождение подложки в конвейерном режиме через ванну с растворителем, под устройством для внесения реагентов с целью внесения амидофосфитов, через ванну с окислительным средством, через ванну для промывки ацетонитрилом и через ванну для снятия блокирующих групп за цикл; а затем (2) повторение циклов с получением синтезированных полинуклеотидов заданной длины. После синтеза полинуклеотидов гибкую подложку убирают с конвейерной системы и необязательно наматывают для хранения. Для хранения наматывание может осуществляться на катушку. В некоторых случаях гибкую подложку, содержащую терIn some formats, the synthesis of polynucleotides takes place in a continuous process, during which a continuous flexible belt moves along a conveyor system. Similar to a reel-to-reel type process, the synthesis of polynucleotides on a continuous belt occurs in a continuous production line, with the substrate moving during the various stages of polynucleotide synthesis in a conveying process. However, in the process with a conveyor system, the continuous tape is again included in the stage of polynucleotide synthesis without winding and unwinding the tape, as in a reel-to-reel type process. In some formats, the polynucleotide synthesis steps are divided into zones and a continuous belt is conveyed through each zone one or more times per cycle. For example, a polynucleotide synthesis reaction may involve (1) conveying the support through a solvent bath, under an amidophosphite adder, through an oxidizing agent bath, through an acetonitrile wash bath, and through a deblocking bath per cycle. ; and then (2) repeating cycles to obtain synthesized polynucleotides of a given length. Following polynucleotide synthesis, the flexible support is removed from the conveyor system and optionally wound up for storage. For storage, winding can be carried out on a reel. In some cases, a flexible substrate containing ter

- 20 039806 мопластический материал, покрывают реагентом для сочетания нуклеозидов. Покрытие наносят в виде паттерна на локусы так, что каждый локус имеет диаметр около 10 мкм, при этом расстояние между центрами двух смежных локусов составляет около 21 мкм. В этом случае размер локуса достаточен для размещения неподвижной капли объемом 0,2 пл в ходе стадии синтеза полинуклеотидов с внесением реагентов. В некоторых случаях плотность локусов составляет около 2,2 миллиарда локусов/м2 (1 локус/441х10’12 м2). В некоторых случаях подложка площадью 4,5 м2 содержат около 10 миллиардов локусов, каждый диаметром 10 мкм.- 20 039806 moplastic material, coated with a nucleoside coupling reagent. The coating is applied in a pattern to the loci so that each loci has a diameter of about 10 µm, with the distance between the centers of two adjacent loci being about 21 µm. In this case, the size of the locus is sufficient to accommodate a fixed droplet with a volume of 0.2 pl during the stage of polynucleotide synthesis with the introduction of reagents. In some cases, the density of loci is about 2.2 billion loci/m 2 (1 locus/441 x 10' 12 m 2 ). In some cases, a 4.5 m 2 substrate contains about 10 billion loci, each 10 µm in diameter.

В некоторых форматах устройство для нанесения на подложку в ходе реакции синтеза одного или более реагентов выполнено с возможностью внесения реагентов и/или нуклеозидов в качестве мономеров для синтеза на основе использования амидофосфитов нуклеозидов. Реагенты для синтеза полинуклеотидов включают реагенты для удлинения полинуклеотидов и промывочные буферы. В качестве неограничивающих примеров, устройство обеспечивает внесение реагентов для чистки, реагентов для реакций сочетания, реагентов для кэпирования, окислителей, средств для снятия блокирующих групп, ацетонитрила, газов, таких как газообразный азот, и любой их комбинации. Кроме того, устройство необязательно обеспечивает внесение реагентов для подготовки и/или поддержания целостности подложки. В некоторых случаях синтезатор полинуклеотидов обеспечивает внесение капли с диаметром менее чем около 200, 100 или 50 мкм в объеме менее чем около 1000, 500, 100, 50 или 20 пл. В некоторых случаях синтезатор полинуклеотидов обеспечивает внесение от около 1 до 10000, от 1 до 5000, от 100 до 5000 или от 1000 до 5000 капель/с.In some formats, the device for applying one or more reactants to the substrate during the synthesis reaction is configured to introduce the reactants and/or nucleosides as monomers for synthesis based on the use of nucleoside amidophosphites. Polynucleotide synthesis reagents include polynucleotide extension reagents and wash buffers. As non-limiting examples, the apparatus provides for the application of cleaning agents, coupling agents, capping agents, oxidizing agents, deblockers, acetonitrile, gases such as nitrogen gas, and any combination thereof. In addition, the device optionally provides for the introduction of reagents to prepare and/or maintain the integrity of the substrate. In some instances, the polynucleotide synthesizer provides droplets less than about 200, 100, or 50 µm in diameter in a volume of less than about 1000, 500, 100, 50, or 20 pl. In some instances, the polynucleotide synthesizer provides an application of about 1 to 10,000, 1 to 5,000, 100 to 5,000, or 1,000 to 5,000 drops/sec.

В настоящем документе описаны устройства, способы, системы и композиции, где реагенты для синтеза полинуклеотидов возвращаются в повторный цикл или применяются повторно. Возвращение реагентов в повторный цикл может предусматривать сбор, хранение и применением неиспользованных реагентов или очистку/преобразование применяемых реагентов. Например, ванну с реагентами возвращают в повторный цикл и применяют для осуществления стадии синтеза полинуклеотидов на той же или на другой поверхности. Описанные в настоящем документе реагенты можно возвращать в повторный цикл 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 раз или более. В качестве альтернативы, или в комбинации, раствор реагента, содержащий побочный продукт реакции, фильтруют с целью удаления побочного продукта, и раствор реагента применяют для дополнительных реакций синтеза полинуклеотидов.Devices, methods, systems and compositions are described herein wherein polynucleotide synthesis reagents are recycled or reused. Recycling of reagents may involve the collection, storage and use of unused reagents, or the purification/conversion of used reagents. For example, the reagent bath is recycled and used to perform the polynucleotide synthesis step on the same or different surface. Reagents described herein can be recycled 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 times or more. Alternatively, or in combination, the reagent solution containing the reaction by-product is filtered to remove the by-product and the reagent solution is used for additional polynucleotide synthesis reactions.

В системах синтеза полинуклеотидов зачастую применяется множество интегрированных или неинтегрированных элементов. В некоторых случаях система синтеза полинуклеотидов содержит один или более элементов, пригодных для последующей обработки синтезированных полинуклеотидов. В качестве примера система содержит элемент с контролем температуры, такой как термоциклер. В некоторых случаях элемент с контролем температуры применяют в отношении множества отдельных реакторов для осуществления сборки нуклеиновых кислот, например, с помощью РСА и/или амплификации нуклеиновых кислот, например, с помощью ПЦР.Polynucleotide synthesis systems often use multiple integrated or non-integrated elements. In some cases, the polynucleotide synthesis system contains one or more elements suitable for subsequent processing of the synthesized polynucleotides. As an example, the system includes a temperature controlled element such as a thermal cycler. In some instances, a temperature controlled element is applied to a plurality of individual reactors for performing nucleic acid assembly, eg, by X-ray analysis and/or nucleic acid amplification, eg, by PCR.

Синтез полинуклеотидов de novo.Synthesis of polynucleotides de novo.

В настоящем документе представлены системы и способы для синтеза полинуклеотидов на подложке с высокой плотностью за короткие промежутки времени. В некоторых случаях подложка представляет собой гибкую подложку. В некоторых случаях за один день синтезируется по меньшей мере 1010, 1011, 1012, 1013, 1014 или 1015 оснований.This document provides systems and methods for synthesizing polynucleotides on a high density support in short periods of time. In some cases, the substrate is a flexible substrate. In some cases, at least 10 10 , 10 11 , 10 12 , 10 13 , 10 14 or 10 15 bases are synthesized in one day.

В некоторых случаях за один день синтезируется по меньшей мере 10x108, 10x109, 10х1010, 10x1011 или 10х1012 полинуклеотидов. В некоторых случаях каждый синтезированный полинуклеотид содержит по меньшей мере 20, 50, 100, 200, 300, 400 или 500 азотистых оснований. В некоторых случаях эти основания синтезируются с общей средней частотой ошибок менее чем около 1 на 100; 200; 300; 400; 500; 1000; 2000; 5000; 10000; 15000; 20000 оснований. В некоторых случаях такие значения частоты ошибок наблюдаются по меньшей мере для 50, 60, 70, 80, 90, 95, 98, 99, 99,5% или более синтезированных полинуклеотидов. В некоторых случаях такие по меньшей мере 90, 95, 98, 99, 99,5% или более синтезированных полинуклеотидов не отличаются от заданной последовательности, которую они кодируют. В некоторых случаях частота ошибок для полинуклеотидов, синтезированных на подложке с применением описанных в настоящем документе способов и систем, составляет менее чем около 1 на 200. В некоторых случаях частота ошибок для полинуклеотидов, синтезированных на подложке с применением описанных в настоящем документе способов и систем, составляет менее чем около 1 на 1000. В некоторых случаях частота ошибок для полинуклеотидов, синтезированных на подложке с применением описанных в настоящем документе способов и систем, составляет менее чем около 1 на 2000. В некоторых случаях частота ошибок для полинуклеотидов, синтезированных на подложке с применением описанных в настоящем документе способов и систем, составляет менее чем около 1 на 3000. В некоторых случаях частота ошибок для полинуклеотидов, синтезированных на подложке с применением описанных в настоящем документе способов и систем, составляет менее чем около 1 на 5000. Отдельные типы ошибок включают ошибочные спаривания, делеции, вставки и/или замены в полинуклеотидах, синтезированных на подложке. Термин частота ошибок относится к сравнению общего количества синтезированных полинуклеотидов с совокупностью заданных полинуклеотидных последовательностей. В некоторых случаях рас- 21 039806 крытые в настоящем документе синтезированные полинуклеотиды содержат привязку длиной от 12 до оснований. В некоторых случаях привязка содержит 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,In some cases, at least 10x108, 10x109, 10x10 10 , 10x1011 or 10x10 12 polynucleotides are synthesized in one day. In some cases, each synthesized polynucleotide contains at least 20, 50, 100, 200, 300, 400, or 500 nitrogenous bases. In some cases, these bases are synthesized with an overall mean error rate of less than about 1 in 100; 200; 300; 400; 500; 1000; 2000; 5000; 10000; 15000; 20,000 bases. In some cases, such error rates are observed for at least 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, 99%, 99.5% or more of the synthesized polynucleotides. In some instances, at least 90%, 95%, 98%, 99%, 99.5% or more of the synthesized polynucleotides do not differ from the target sequence they encode. In some cases, the error rate for polynucleotides synthesized on a support using the methods and systems described herein is less than about 1 in 200. In some cases, the error rate for polynucleotides synthesized on a support using the methods and systems described herein, is less than about 1 in 1000. In some cases, the error rate for polynucleotides synthesized on a support using the methods and systems described herein is less than about 1 in 2000. In some cases, the error rate for polynucleotides synthesized on a support using methods and systems described herein is less than about 1 in 3,000. In some cases, the error rate for polynucleotides synthesized on a support using the methods and systems described herein is less than about 1 in 5,000. mating, deletion twists and/or substitutions in polynucleotides synthesized on a support. The term error rate refers to the comparison of the total number of synthesized polynucleotides with a population of given polynucleotide sequences. In some instances, the synthesized polynucleotides disclosed herein contain a 12 to base binding. In some cases, the binding contains 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,

24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 или более оснований.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 or more bases.

В настоящем документе описаны способы, системы, устройства и композиции, где контроль химических реакций, применяемых в синтезе полинуклеотидов, осуществляется с применением электрохимических процессов. В некоторых случаях контроль электрохимических реакций осуществляется с использованием любого источника энергии, такого как свет, тепло, излучение или электричество. Например, электроды применяют для контроля химических реакций во всех или части дискретных локусов на поверхности. В некоторых случаях электроды заряжают путем приложения электрического потенциала к электроду с целью контроля одной или более стадий химических реакций в процессе синтеза полинуклеотидов. В некоторых случаях такие электроды являются адресуемыми. В некоторых случаях с помощью одного или более электродов осуществляется контроль любого числа стадий химических реакций, описанных в настоящем документе. Электрохимические реакции могут предусматривать реакции окисления, восстановления, кислотно-основные реакции или другие реакции, контроль которых осуществляется с помощью электрода. В некоторых случаях электроды генерируют электроны или протоны, которые используются в качестве реагентов для химических превращений. В некоторых случаях электроды напрямую генерируют реагент, такой как кислота. В некоторых случаях кислота представляет собой протон. В некоторых случаях электроды напрямую генерируют реагент, такой как основание. Кислоты или основания зачастую применяют для отщепления защитных групп или оказания воздействия на кинетику различных реакций синтеза полинуклеотидов, например, путем корректировки рН раствора для реакций. В некоторых случаях электрохимически контролируемые реакции синтеза полинуклеотидов предусматривают редокс-активные металлы или другие редокс-активные органические вещества. В некоторых случаях для таких электрохимических реакций используют металлические или органические катализаторы. В некоторых случаях кислоты генерируются в результате окисления хинонов.This document describes methods, systems, devices and compositions, where the control of chemical reactions used in the synthesis of polynucleotides, is carried out using electrochemical processes. In some cases, the control of electrochemical reactions is carried out using any source of energy, such as light, heat, radiation or electricity. For example, electrodes are used to monitor chemical reactions at all or part of discrete loci on a surface. In some cases, electrodes are charged by applying an electrical potential to the electrode in order to control one or more of the chemical reactions involved in the synthesis of polynucleotides. In some cases, such electrodes are addressable. In some cases, one or more electrodes control any number of chemical reaction steps described herein. Electrochemical reactions may include oxidation, reduction, acid-base reactions, or other reactions controlled by an electrode. In some cases, the electrodes generate electrons or protons, which are used as reagents for chemical transformations. In some cases, the electrodes directly generate a reactant such as acid. In some cases, the acid is a proton. In some cases, the electrodes directly generate a reactant such as a base. Acids or bases are often used to cleave protecting groups or influence the kinetics of various reactions in polynucleotide synthesis, for example by adjusting the pH of the reaction solution. In some cases, electrochemically controlled polynucleotide synthesis reactions involve redox active metals or other redox active organic substances. In some cases, metal or organic catalysts are used for such electrochemical reactions. In some cases, acids are generated from the oxidation of quinones.

Контроль химических реакций не ограничивается электрохимической генерацией реагентов; на реакционную способность можно повлиять косвенно путем биофизических изменений субстратов или реагентов посредством электрических полей (или градиентов), генерируемых электродами. В некоторых случаях субстраты включают, без ограничения, нуклеиновые кислоты. В некоторых случаях генерируются электрические поля, которые отталкивают определенные реагенты или субстраты от электрода или поверхности или притягивают определенные реагенты или субстраты к электроду или поверхности. В некоторых случаях такие поля генерируются за счет приложения электрического потенциала к одному или более электродам. Например, отрицательно заряженные нуклеиновые кислоты отталкиваются от отрицательно заряженной поверхности электрода. В некоторых случаях такие отталкивания или притяжения полинуклеотидов или других реагентов, обусловленные действием локальных электрических полей, обеспечивают перемещение полинуклеотидов или других реагентов в область устройства или структуры для синтеза, или из нее. В некоторых случаях электроды генерируют электрические поля, которые отталкивают полинуклеотиды от поверхности для синтеза, структуры, или устройства. В некоторых случаях электроды генерируют электрические поля, которые притягивают полинуклеотиды к поверхности для синтеза, структуре, или устройству. В некоторых случаях протоны отталкиваются от положительно заряженной поверхности с ограничением контакта протонов с подложками или их частями. В некоторых случаях силы отталкивания или притяжения используются для обеспечения или блокировки поступления реагентов или субстратов в определенные участки поверхности для синтеза. В некоторых случаях обеспечивают предотвращение контакта нуклеозидов в качестве мономеров с полинуклеотидной цепью путем приложения электрического поля вблизи одного или обоих компонентов. Такие схемы обеспечивают введение определенных реагентов, что может устранять необходимость в защитных группах, поскольку осуществляется контроль концентрации или степени контакта между реагентами и/или субстратами. В некоторых случаях для синтеза полинуклеотидов применяют нуклеозиды в качестве мономеров без защитных групп. В качестве альтернативы, приложение электрического поля вблизи одного или обоих компонентов стимулирует контакт нуклеозидов в качестве мономеров с полинуклеотидной цепью. Кроме того, приложение электрических полей к подложке может обеспечивать изменение реакционной способности или конформации субстратов. Согласно иллюстративному варианту применения электрические поля, генерируемые электродами, используются для предотвращения взаимодействия полинуклеотидов из смежных локусов. В некоторых случаях субстратом является полинуклеотид, необязательно присоединенный к поверхности. В некоторых случаях приложение электрического поля обеспечивает изменение трехмерной структуры полинуклеотида. Такие изменения предусматривают сворачивание или разворачивание различных структур, таких как спирали, шпильки, петли или другие 3-мерные структуры нуклеиновой кислоты. Такие изменения являются пригодными для проведения манипуляций с нуклеиновыми кислотами внутри лунок, каналов или других структур. В некоторых случаях электрические поля прикладывают к нуклеиновым кислотам в качестве субстрата для предотвращения образования вторичных структур. В некоторых случаях электрические поля устраняют необходимость в линкерах или присоединении к твердой подложке в ходе синтеза полинуклеотидов.The control of chemical reactions is not limited to the electrochemical generation of reagents; reactivity can be influenced indirectly by biophysical alterations of substrates or reactants via electrical fields (or gradients) generated by the electrodes. In some cases, substrates include, without limitation, nucleic acids. In some cases, electric fields are generated that repel certain reactants or substrates from the electrode or surface, or attract certain reactants or substrates to the electrode or surface. In some cases, such fields are generated by applying an electrical potential to one or more electrodes. For example, negatively charged nucleic acids are repelled by a negatively charged electrode surface. In some cases, such repulsions or attractions of polynucleotides or other reactants, due to the action of local electric fields, move the polynucleotides or other reactants into or out of the region of the device or structure for synthesis. In some cases, the electrodes generate electric fields that repel polynucleotides from a surface for synthesis, structure, or device. In some cases, the electrodes generate electric fields that attract polynucleotides to a synthesis surface, structure, or device. In some cases, protons are repelled from a positively charged surface with limited contact of protons with substrates or their parts. In some cases, repulsive or attractive forces are used to ensure or block the flow of reagents or substrates to certain areas of the surface for synthesis. In some cases, the nucleosides as monomers are prevented from contacting the polynucleotide chain by applying an electric field in the vicinity of one or both components. Such schemes provide for the introduction of certain reagents, which may eliminate the need for protecting groups, since the concentration or degree of contact between the reagents and/or substrates is controlled. In some cases, nucleosides are used for the synthesis of polynucleotides as monomers without protective groups. Alternatively, the application of an electric field in the vicinity of one or both components stimulates the contact of nucleosides as monomers with the polynucleotide chain. In addition, the application of electric fields to the substrate may change the reactivity or conformation of the substrates. In an exemplary application, electric fields generated by electrodes are used to prevent interaction between polynucleotides from adjacent loci. In some cases, the substrate is a polynucleotide, optionally attached to a surface. In some cases, the application of an electric field provides a change in the three-dimensional structure of the polynucleotide. Such changes involve the folding or unfolding of various structures such as helices, hairpins, loops, or other 3-dimensional nucleic acid structures. Such modifications are useful for manipulation of nucleic acids within wells, channels, or other structures. In some cases, electric fields are applied to nucleic acids as a substrate to prevent the formation of secondary structures. In some cases, electric fields eliminate the need for linkers or attachment to a solid support during polynucleotide synthesis.

- 22 039806- 22 039806

Подходящий способ синтеза полинуклеотидов на подложке по настоящему раскрытию представляет собой амидофосфитный способ, включающий контролируемое добавление амидофосфита в качестве структурного звена, т.е. амидофосфита нуклеозида, для наращивания полинуклеотидной цепи в ходе стадии сочетания, в результате которой образуется фосфитная триэфирная связь между амидофосфитом в качестве структурного звена и нуклеозидом, связанным с подложкой. В некоторых случаях амидофосфит нуклеозида вносится на активированную подложку. В некоторых случаях амидофосфит нуклеозида вносится на подложку с активатором. В некоторых случаях амидофосфиты нуклеозидов вносятся на подложку в 1,5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100-кратном избытке или более по сравнению с количеством связанных с подложкой нуклеозидов. В некоторых случаях добавление амидофосфита нуклеозида осуществляют в безводной среде, например, в безводном ацетонитриле. После добавления и присоединения амидофосфита нуклеозида на стадии сочетания подложку необязательно промывают. В некоторых случаях стадию сочетания повторяют один или более дополнительных раз, необязательно со стадией промывки в промежутке между добавлениями на подложку амидофосфита нуклеозида. В некоторых случаях способ синтеза полинуклеотидов, применяемый в настоящем документе, предусматривает 1, 2, 3 или более последовательных стадий сочетания. Во многих случаях перед сочетанием нуклеозид, связанный с подложкой, подвергают снятию защитных групп путем удаления защитной группы, причем функция защитной группы состоит в предотвращении полимеризации. Защитные группы могут представлять собой любую химическую группу, которая препятствует удлинению полинуклеотидной цепи. В некоторых случаях защитную группу отщепляют (или удаляют) в присутствии кислоты. В некоторых случаях защитную группу отщепляют в присутствии основания. В некоторых случаях защитную группу удаляют под действием электромагнитного излучения, как, например, под действием света, тепла или другого источника энергии. В некоторых случаях защитную группу удаляют посредством реакции окисления или восстановления. В некоторых случаях защитная группа представляет собой триарилметильную группу. В некоторых случаях защитная группа представляет собой арильный эфир. В некоторых случаях защитная группа представляет собой дисульфид. В некоторых случаях защитная группа представляет собой неустойчивый к действию кислот силан. В некоторых случаях защитная группа представляет собой ацеталь. В некоторых случаях защитная группа представляет собой кеталь. В некоторых случаях защитная группа представляет собой енольный эфир. В некоторых случаях защитная группа представляет собой метоксибензильную группу. В некоторых случаях защитная группа представляет собой азид. В некоторых случаях защитная группа представляет собой 4,4'-диметокситритил (DMT). В некоторых случаях защитная группа представляет собой третбутилкарбонат. В некоторых случаях защитная группа представляет собой трет-бутиловый сложный эфир. В некоторых случаях защитная группа представляет собой неустойчивую к действию оснований группу.A suitable method for synthesizing supported polynucleotides according to the present disclosure is the amidophosphite method, comprising the controlled addition of amidophosphite as a building block, i.e. nucleoside amidophosphite, for extending the polynucleotide chain during the coupling step, which results in the formation of a phosphite triester bond between the amidophosphite as a structural unit and the nucleoside bound to the substrate. In some cases, the nucleoside amidophosphite is applied to the activated support. In some cases, the nucleoside amidophosphite is supported on a support with an activator. In some cases, nucleoside amidophosphites are added to the substrate at 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 , 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100-fold excess or more compared to the amount of nucleosides bound to the substrate. In some cases, the addition of the nucleoside amidophosphite is carried out in an anhydrous medium, such as anhydrous acetonitrile. After the addition and attachment of the nucleoside amidophosphite in the coupling step, the support is optionally washed. In some cases, the coupling step is repeated one or more additional times, optionally with a washing step in between additions to the nucleoside amidophosphite support. In some instances, the method for synthesizing polynucleotides used herein involves 1, 2, 3 or more consecutive coupling steps. In many cases, prior to coupling, the support-bound nucleoside is deprotected by deprotection, the function of the protecting group being to prevent polymerization. Protecting groups can be any chemical group that prevents the elongation of the polynucleotide chain. In some cases, the protecting group is cleaved off (or removed) in the presence of an acid. In some cases, the protecting group is cleaved off in the presence of a base. In some cases, the protecting group is removed by exposure to electromagnetic radiation, such as by exposure to light, heat, or other source of energy. In some cases, the protecting group is removed by an oxidation or reduction reaction. In some cases, the protecting group is a triarylmethyl group. In some cases, the protecting group is an aryl ether. In some cases, the protecting group is a disulfide. In some cases, the protecting group is an acid-labile silane. In some cases, the protecting group is an acetal. In some cases, the protecting group is a ketal. In some cases, the protecting group is an enol ether. In some cases, the protecting group is a methoxybenzyl group. In some cases, the protecting group is an azide. In some cases, the protecting group is 4,4'-dimethoxytrityl (DMT). In some cases, the protecting group is tert-butyl carbonate. In some cases, the protecting group is a tert-butyl ester. In some cases, the protecting group is a base-labile group.

После сочетания амидофосфитные способы синтеза полинуклеотидов необязательно включают стадию кэпирования. На стадии кэпирования растущий полинуклеотид обрабатывают кэпирующим средством. Стадия кэпирования обычно предназначена для блокировки непрореагировавших связывающихся с подложкой 5'-ОН-групп после сочетания от дальнейшего удлинения цепи, что обеспечивает предотвращение образования полинуклеотидов с внутренними делециями оснований. Кроме того, амидофосфиты, активированные 1H-тетразолом, зачастую в небольшой степени вступают в реакцию по O6-положению гуанозина. Не вдаваясь в теорию, при окислении 12/водой, этот побочный продукт, вероятно, посредством О67-миграции, подвергается депуринизации. Апуриновые сайты могут в конечном итоге подвергаться расщеплению в ходе окончательного снятия защитных групп с полинуклеотида, тем самым обусловливая снижение выхода полноразмерного продукта. О6-модификации могут быть устранены путем обработки реагентом для кэпирования перед окислением 12/водой. В некоторых случаях включение стадии кэпирования в ходе синтеза полинуклеотидов обеспечивает уменьшение частоты ошибок в сравнении с синтезом без кэпирования. В качестве примера, стадия кэпирования включает обработку связанного с подложкой полинуклеотида смесью ангидрида уксусной кислоты и 1-метилимидазола. После стадии кэпирования подложку необязательно промывают.Following the coupling, amidophosphite methods for synthesizing polynucleotides optionally include a capping step. In the capping step, the growing polynucleotide is treated with a capping agent. The capping step is generally designed to block unreacted support-binding 5'-OH groups after coupling from further chain extension, thereby preventing the formation of polynucleotides with internal base deletions. In addition, amidophosphites activated with 1H-tetrazole often react to a small extent at the O6 position of guanosine. Without going into theory, when 1 2 /water is oxidized, this by-product, probably through O 6 -K 7 migration, undergoes depurination. The apurine sites may eventually be cleaved during the final deprotection of the polynucleotide, thereby causing a reduction in the yield of the full length product. The O 6 modifications can be removed by treatment with a capping agent prior to oxidation with 1 2 /water. In some cases, the inclusion of a capping step during polynucleotide synthesis provides a reduction in the error rate compared to synthesis without capping. By way of example, the capping step includes treating the supported polynucleotide with a mixture of acetic anhydride and 1-methylimidazole. After the capping step, the support is optionally washed.

После добавления амидофосфита нуклеозида и необязательно после осуществления кэпирования и одной или более стадий промывки, описанная в настоящем документе подложка содержит связанную растущую нуклеиновую кислоту, которую можно подвергать окислению. Стадия окисления включает окисление триэфира фосфитной кислоты до четырехкоординированного триэфира фосфатной кислоты, защищенного предшественника для образования встречающейся в природе фосфодиэфирной межнуклеозидной связи. В некоторых случаях триэфиры фосфитной кислоты окисляют электрохимически. В некоторых случаях окисление растущего полинуклеотида достигается путем обработки йодом и водой, необязательно в присутствии слабого основания, такого как пиридин, лутидин или коллидин. Иногда окисление осуществляют в безводных условиях с применением трет-бутилгидропероксида или (1S)-(+)-(10-камфорсульфонил)оксазиридина (CSO). В некоторых способах стадию кэпирования осуществляют после окисления. Вторая стадия кэпирования позволяет высушивать подложку, поскольку остаточная вода после окисления, которая может сохранятся, может препятствовать последующему сочетанию. После окисления подложку и растущий полинуклеотид необязательно промывают. В некоторыхAfter addition of the nucleoside amidophosphite, and optionally after capping and one or more washing steps, the support described herein contains bound nascent nucleic acid that can be oxidized. The oxidation step comprises the oxidation of a phosphite triester to a four-coordinate phosphate triester, a protected precursor to form a naturally occurring phosphodiester internucleoside bond. In some cases, triesters of phosphite acid are oxidized electrochemically. In some cases, oxidation of the growing polynucleotide is achieved by treatment with iodine and water, optionally in the presence of a weak base such as pyridine, lutidine, or collidine. Sometimes the oxidation is carried out under anhydrous conditions using tert-butyl hydroperoxide or (1S)-(+)-(10-camphorsulfonyl)oxaziridine (CSO). In some methods, the capping step is carried out after the oxidation. The second capping step allows the substrate to dry out, since residual water after oxidation, which may remain, may interfere with subsequent coupling. After oxidation, the support and the growing polynucleotide are optionally washed. In some

- 23 039806 случаях стадию окисления заменяют стадией сульфуризации с целью получения тиофосфатов полинуклеотидов, причем любые стадии кэпирования можно осуществлять после сульфуризации. К эффективному переносу серы способны многие реагенты, включая, без ограничения,- 23 039806 cases, the oxidation step is replaced by a sulfurization step in order to obtain polynucleotide thiophosphates, and any capping steps can be carried out after sulfurization. Many reagents are capable of efficiently transferring sulfur, including, without limitation,

-(диметиламинометилиден)амино)-3Н-1,2,4-дитиазоле-3-тион, DDTT, 1,1 -диоксид 3Н-1,2-бензодитиол3-она, также известный как реагент Бокажа, и дисульфид N,N,NΓN'-тетраэтилтиурама (TETD).-(dimethylaminomethylidene)amino)-3H-1,2,4-dithiazole-3-thione, DDTT, 3H-1,2-benzodithiol3-one 1,1-dioxide, also known as Bocage's reagent, and N,N disulfide, NΓN'-tetraethylthiuram (TETD).

Чтобы последующий цикл включения нуклеозидов происходил посредством сочетания, защищенный 5'-конец (или З'-конец, если синтез проводят в направлении от 5' к 3') связанного с подложкой растущего полинуклеотида удаляют, так что первичная гидроксильная группа может вступать в реакцию со следующим амидофосфитом нуклеозида. В некоторых случаях защитная группа представляет собой DMT, а деблокирование происходит с использованием трихлоруксусной кислоты в дихлорметане. В некоторых случаях защитная группа представляет собой DMT, а деблокирование происходит под действием электрохимически генерируемых протонов. Проведение детритилирования в течение более длительного промежутка времени или с использованием более сильных, чем рекомендуемые, растворов кислот, может приводить к повышенной степени депуринизации связанного с твердой подложкой полинуклеотида, и, таким образом, приводит к снижению выхода требуемого полноразмерного продукта. Способы и композиции, описанные в настоящем документе, обеспечивают контролируемые условия деблокирования, ограничивающие нежелательные реакции депуринизации. В некоторых случаях связанный на подложке полинуклеотид после деблокирования промывают. В некоторых случаях эффективная промывка после деблокирования способствует тому, что синтезированные полинуклеотиды характеризуются низкой частотой ошибок.In order for the subsequent nucleoside incorporation cycle to occur via coupling, the protected 5' end (or 3' end if the synthesis is carried out in the 5' to 3' direction) of the support-bound nascent polynucleotide is removed so that the primary hydroxyl group can react with following nucleoside amidophosphite. In some cases, the protecting group is DMT and deprotection occurs using trichloroacetic acid in dichloromethane. In some cases, the protecting group is DMT and the deprotection occurs under the action of electrochemically generated protons. Conducting detritylation for longer periods of time, or using stronger than recommended acid solutions, may result in increased depurination of the solid support bound polynucleotide, and thus reduce the yield of the desired full length product. The methods and compositions described herein provide controlled deblocking conditions that limit unwanted depurination reactions. In some cases, the supported polynucleotide is washed after release. In some cases, efficient washing after deblocking results in the synthesized polynucleotides having a low error rate.

Описанные в настоящем документе способы синтеза полинуклеотидов на подложке могут включать повторяющуюся последовательность следующих стадий: внесение защищенного мономера на поверхность элемента подложки для связывания либо с поверхностью, либо с линкером, либо с мономером, с которого предварительно были сняты защитные группы; снятие защитных групп с внесенного мономера так, чтобы он мог вступать в реакцию с последующим внесенным защищенным мономером; и внесение другого защищенного мономера для связывания. Одна или более промежуточных стадий включают окисление и/или сульфуризацию. В некоторых случаях одну или более стадий промывки осуществляют до или после проведения одной или всех стадий.The methods described herein for synthesizing supported polynucleotides may include a repeating sequence of the following steps: depositing a protected monomer on the surface of the support element to bind to either the surface, a linker, or a previously deprotected monomer; deprotection of the introduced monomer so that it can react with the subsequently introduced protected monomer; and introducing another protected monomer for binding. One or more intermediate steps include oxidation and/or sulfurization. In some cases, one or more washing steps are performed before or after one or all of the steps.

Описанные в настоящем документе способы синтеза полинуклеотидов на подложке могут включать стадию окисления. Например, способы включают повторяющуюся последовательность следующих стадий: внесение защищенного мономера на поверхность элемента подложки для связывания либо с поверхностью, либо с линкером, либо с мономером, с которого предварительно были сняты защитные группы; снятие защитных групп с внесенного мономера так, чтобы он мог вступать в реакцию с последующим внесенным защищенным мономером; внесение другого защищенного мономера для связывания и окисление и/или сульфуризация. В некоторых случаях одну или более стадий промывки осуществляют до или после проведения одной или всех стадий.The methods described herein for synthesizing supported polynucleotides may include an oxidation step. For example, the methods include a repeating sequence of the following steps: depositing a protected monomer on the surface of a support element to bind either to the surface, or to a linker, or to a deprotected monomer; deprotection of the introduced monomer so that it can react with the subsequently introduced protected monomer; introducing another protected monomer for binding and oxidation and/or sulfurization. In some cases, one or more washing steps are performed before or after one or all of the steps.

Описанные в настоящем документе способы синтеза полинуклеотидов на подложке могут дополнительно включать повторяющуюся последовательность следующих стадий: внесение защищенного мономера на поверхность элемента подложки для связывания либо с поверхностью, либо с линкером, либо с мономером, с которого предварительно были сняты защитные группы; снятие защитных групп с внесенного мономера так, чтобы он мог вступать в реакцию с последующим внесенным защищенным мономером; и окисление и/или сульфуризация. В некоторых случаях одну или более стадий промывки осуществляют до или после проведения одной или всех стадий.The methods described herein for synthesizing supported polynucleotides may further comprise a repeating sequence of the following steps: depositing a protected monomer on the surface of the support element to bind to either the surface, a linker, or a previously deprotected monomer; deprotection of the introduced monomer so that it can react with the subsequently introduced protected monomer; and oxidation and/or sulfurization. In some cases, one or more washing steps are performed before or after one or all of the steps.

Описанные в настоящем документе способы синтеза полинуклеотидов на подложке могут дополнительно включать повторяющуюся последовательность следующих стадий: внесение защищенного мономера на поверхность элемента подложки для связывания либо с поверхностью, либо с линкером, либо с мономером, с которого предварительно были сняты защитные группы; и окисление и/или сульфуризация. В некоторых случаях одну или более стадий промывки осуществляют до или после проведения одной или всех стадий.The methods described herein for synthesizing supported polynucleotides may further comprise a repeating sequence of the following steps: depositing a protected monomer on the surface of the support element to bind to either the surface, a linker, or a previously deprotected monomer; and oxidation and/or sulfurization. In some cases, one or more washing steps are performed before or after one or all of the steps.

Описанные в настоящем документе способы синтеза полинуклеотидов на подложке могут дополнительно включать повторяющуюся последовательность следующих стадий: внесение защищенного мономера на поверхность элемента подложки для связывания либо с поверхностью, либо с линкером, либо с мономером, с которого предварительно были сняты защитные группы; снятие защитных групп с внесенного мономера так, чтобы он мог вступать в реакцию с последующим внесенным защищенным мономером; и окисление и/или сульфуризация. В некоторых случаях одну или более стадий промывки осуществляют до или после проведения одной или всех стадий.The methods described herein for synthesizing supported polynucleotides may further comprise a repeating sequence of the following steps: depositing a protected monomer on the surface of the support element to bind to either the surface, a linker, or a previously deprotected monomer; deprotection of the introduced monomer so that it can react with the subsequently introduced protected monomer; and oxidation and/or sulfurization. In some cases, one or more washing steps are performed before or after one or all of the steps.

В некоторых случаях полинуклеотиды синтезируют с использованием фотолабильных защитных групп, при этом гидроксильные группы, образующиеся на поверхности, блокируют с помощью фотолабильных защитных групп. При воздействии на поверхность УФ-света, например, через фотолитографическую маску можно получить паттерн свободных гидроксильных групп на поверхности. Такие гидроксильные группы могут вступать в реакцию с фотозащищенными амидофосфитами нуклеозидов, в соответствии с амидофосфитной химией. Можно наносить вторую фотолитографическую маску, и поверх- 24 039806 ность можно подвергать воздействию УФ-света с получением второго паттерна гидроксильных групп, с последующим сочетанием с 5'-фотозащищенным амидофосфитом нуклеозида. Аналогичным образом, можно получать паттерны и удлинять олигомерные цепи. Не вдаваясь в теорию, лабильность фоторасщепляемой группы зависит от длины волны и полярности используемого растворителя, а скорость фоторасщепления может зависеть от продолжительности воздействия и интенсивности света. В этом способе может учитываться ряд факторов, таких как точность выравнивания масок, эффективность удаления фотозащитных групп и выход на стадии сочетания амидофосфитов. Кроме того, можно свести к минимуму непредвиденное проникновение света на соседние сайты. Плотность синтезированных олигомеров на пятне можно контролировать, регулируя загрузку лидерного нуклеозида на поверхность для синтеза.In some cases, polynucleotides are synthesized using photolabile protecting groups, while the hydroxyl groups formed on the surface are blocked using photolabile protecting groups. By exposing the surface to UV light, for example through a photolithographic mask, a pattern of free hydroxyl groups can be obtained on the surface. Such hydroxyl groups can react with photoprotected nucleoside amidophosphites, in accordance with amidophosphite chemistry. A second photolithographic mask may be applied and the surface may be exposed to UV light to form a second pattern of hydroxyl groups, followed by coupling with the 5'-photoprotected nucleoside amidophosphite. Similarly, oligomeric chains can be patterned and extended. Without being bound by theory, the lability of the photocleavable group depends on the wavelength and polarity of the solvent used, and the rate of photocleavage may depend on the duration of exposure and light intensity. This method can take into account a number of factors, such as the accuracy of mask alignment, the efficiency of removing photoprotective groups, and the yield at the amidophosphite coupling step. In addition, unanticipated light penetration into neighboring sites can be minimized. The density of the synthesized oligomers on the spot can be controlled by adjusting the loading of the leader nucleoside onto the synthesis surface.

Поверхность описанной в настоящем документе подложки, которая обеспечивает основу для синтеза полинуклеотидов, может быть химически модифицирована для обеспечения возможности отщепления синтезированной полинуклеотидной цепи от поверхности. В некоторых случаях полинуклеотидная цепь отщепляется одновременно со снятием с полинуклеотида защитных групп. В некоторых случаях полинуклеотидная цепь отщепляется после снятия с полинуклеотида защитных групп. Согласно иллюстративной схеме, триалкоксисилиламин, такой как (СНзСН2О)зSi-(CH2)2-NH2, вступает в реакцию с поверхностными SiOH-группами подложки, после чего осуществляется реакция янтарного ангидрида с амином с образованием амидной связи и свободной -ОН, на которой происходит рост цепи нуклеиновой кислоты. Отщепление включает отщепление с применением газа с использованием аммиака или метиламина. В некоторых случаях отщепление включает отщепление линкера с помощью генерируемых под действием электрического поля реагентов, таких как кислоты или основания. В некоторых случаях после высвобождения с поверхности полинуклеотиды подвергают сборке в более крупные нуклеиновые кислоты, которые подвергают секвенированию и дешифрованию для извлечения хранимой информации.The surface of the support described herein, which provides the basis for the synthesis of polynucleotides, can be chemically modified to allow the synthesized polynucleotide chain to be cleaved from the surface. In some cases, the polynucleotide chain is cleaved off simultaneously with the deprotection of the polynucleotide. In some cases, the polynucleotide chain is cleaved off after deprotection of the polynucleotide. In an illustrative scheme, a trialkoxysilylamine, such as (CH3CH 2 O)3Si-(CH 2 ) 2 -NH 2 , reacts with the surface SiOH groups of the support, followed by the reaction of succinic anhydride with an amine to form an amide bond and a free -OH on which the nucleic acid chain grows. Cleavage includes gas-assisted cleavage using ammonia or methylamine. In some cases, cleavage includes cleavage of the linker with electrically generated reagents such as acids or bases. In some cases, after being released from the surface, the polynucleotides are assembled into larger nucleic acids, which are sequenced and decoded to extract the stored information.

Описанные в настоящем документе поверхности после отщепления полинуклеотидов можно использовать повторно для проведения дополнительных циклов синтеза полинуклеотидов. Например, линкер можно использовать повторно без дополнительной обработки/химических модификаций. В некоторых случаях линкер связан с поверхностью подложки или полинуклеотидом нековалентно. Согласно некоторым вариантам осуществления линкер остается присоединенным к полинуклеотиду после его отщепления от поверхности. Согласно некоторым вариантам осуществления линкеры содержат обратимые ковалентные связи, например, предусматривают сложные эфиры, амиды, кетали, бета-замещенные кетоны, гетероциклы или другие группы, которые можно обратимо отщеплять. В некоторых случаях контроль протекания таких обратимых реакций отщепления обеспечивается посредством добавления или удаления реагентов или за счет электрохимических процессов, контролируемых с помощью электродов. Необязательно химические линкеры или связанные с поверхностью химические группы регенерируют после проведения определенного числа циклов с целью восстановления реакционной способности и устранения образования нежелательных побочных продуктов на таких линкерах или связанных с поверхностью химических группах.The surfaces described herein, after polynucleotide cleavage, can be reused to carry out additional rounds of polynucleotide synthesis. For example, the linker can be reused without further processing/chemical modifications. In some cases, the linker is non-covalently bonded to the surface of the support or polynucleotide. In some embodiments, the linker remains attached to the polynucleotide after it has been cleaved from the surface. In some embodiments, linkers contain reversible covalent bonds, such as esters, amides, ketals, beta-substituted ketones, heterocycles, or other groups that can be reversibly cleaved off. In some cases, such reversible cleavage reactions are controlled by the addition or removal of reagents, or by electrode-controlled electrochemical processes. Optionally, chemical linkers or surface-bound chemical groups are regenerated after a certain number of cycles to restore reactivity and eliminate the formation of unwanted by-products on such linkers or surface-bound chemical groups.

Сборка.Assembly.

Полинуклеотиды могут быть сконструированы так, чтобы совместно они охватывали большую область заданной последовательности, в которой закодирована информация. В некоторых случаях более крупные полинуклеотиды получают посредством реакций лигирования с соединением синтезированных полинуклеотидов. Одним из примеров реакции лигирования является полимеразная циклическая сборка (PCA). В некоторых случаях по меньшей мере часть полинуклеотидов сконструированы так, что они включают дополнительную область, которая является субстратом для связывания универсальных праймеров. В случае РСА-реакций, предварительно синтезированные полинуклеотиды включают области перекрытия друг с другом (например, перекрывающаяся последовательность составляет 4, 20, 40 или более оснований). В ходе циклов полимеразной реакции полинуклеотиды подвергаются отжигу с комплементарными фрагментами, а гэпы затем заполняются с помощью полимеразы. Таким образом, каждый цикл обеспечивает увеличение длины различных фрагментов случайным образом в зависимости от того, какие полинуклеотиды находят друг друга. Комплементарность между фрагментами обеспечивает образование полноразмерной двунитевой ДНК. В некоторых случаях после завершения РСА-реакции проводят стадию исправления ошибок с применением ферментов, вовлеченных в обнаружение и репарацию ошибочно спаренных нуклеотидов, с целью удаления ошибочно спаренных нуклеотидов из последовательности. После получения более крупных фрагментов целевой последовательности, они могут быть амплифицированы. В некоторых случаях, например, целевую последовательность, содержащую 5'- и 3'-концевые адаптерные последовательности, амплифицируют с помощью полимеразной цепной реакции (ПНР), которая включает модифицированные праймеры, которые гибридизируются с адаптерными последовательностями. В некоторых случаях модифицированные праймеры содержат одно или более урациловых оснований. Применение модифицированных праймеров позволяет удалять праймеры посредством ферментативных реакций, основывающихся на нацеливании на модифицированное основание и/или гэпы, оставляемые ферментами, которые отщепляют пару модифицированных оснований от фрагмента. В результате остается двунитевой продукт амплификации, в котором отсутствуют остатки адаптерной последовательности. Таким образом, множество продуктов амплификации можно получатьPolynucleotides can be designed so that together they cover a large region of a given sequence in which information is encoded. In some cases, larger polynucleotides are obtained through ligation reactions with the connection of the synthesized polynucleotides. One example of a ligation reaction is polymerase cyclic assembly (PCA). In some instances, at least a portion of the polynucleotides are designed to include an additional region that is a substrate for binding universal primers. In the case of PCA reactions, pre-synthesized polynucleotides include areas of overlap with each other (eg, the overlapping sequence is 4, 20, 40 or more bases). During polymerase reaction cycles, polynucleotides are annealed with complementary fragments, and the gaps are then filled with polymerase. Thus, each cycle provides an increase in the length of different fragments in a random way, depending on which polynucleotides find each other. Complementarity between fragments ensures the formation of full-length double-stranded DNA. In some cases, after completion of the X-ray reaction, an error correction step is carried out using enzymes involved in the detection and repair of mismatched nucleotides in order to remove the mismatched nucleotides from the sequence. After obtaining larger fragments of the target sequence, they can be amplified. In some cases, for example, a target sequence containing 5' and 3' adapter sequences is amplified by a polymerase chain reaction (PCR) that includes modified primers that hybridize to the adapter sequences. In some cases, the modified primers contain one or more uracil bases. The use of modified primers allows the removal of primers by enzymatic reactions based on targeting the modified base and/or gaps left by enzymes that cleave the modified base pair from the fragment. The result is a double-stranded amplification product that lacks adapter sequence residues. Thus, many amplification products can be obtained

- 25 039806 параллельно с использованием одного и того же набора праймеров для получения разных фрагментов двунитевой ДНК.- 25 039806 in parallel using the same set of primers to obtain different fragments of double-stranded DNA.

Исправление ошибок можно осуществлять в отношении синтезированных полинуклеотидов и/или продуктов после сборки. Иллюстративная стратегия исправления ошибок включает сайт-направленный мутагенез с помощью ПЦР с перекрывающимися праймерами для исправления ошибок, которая необязательно сочетается с двумя или более раундами клонирования и секвенирования. В определенных случаях двунитевые нуклеиновые кислоты с ошибочно спаренными нуклеотидами, выпетливаниями и небольшими петлями, химически измененными основаниями и/или другими гетеродуплексами избирательно удаляют из популяций правильно синтезированных нуклеиновых кислот. В некоторых случаях исправление ошибок осуществляют с применением белков/ферментов, которые распознают и связываются с ошибочно спаренными или неспаренными основаниями или вблизи них в пределах двунитевых нуклеиновых кислот для создания одно- или двунитевого разрыва или для инициации события переноса цепи. Неограничивающие примеры белков/ферментов для исправления ошибок включают эндонуклеазы (эндонуклеаза I Т7, эндонуклеаза V Е. coli, эндонуклеаза VII Т4, нуклеаза золотистой фасоли, Celi, эндонуклеаза IV Е. coli, UVDE), ферменты рестрикции, гликозилазы, рибонуклеазы, ферменты, вовлеченные в репарацию ошибочно спаренных нуклеотидов, резольвазы, хеликазы, лигазы, антитела, специфические в отношении ошибочно спаренных нуклеотидов и их варианты. Примеры конкретных ферментов для исправления ошибок включают эндонуклеазу 7 Т4, эндонуклеазу 1 Т7, S1, нуклеазу золотистой фасоли, MutY, MutS, MutH, MutL, Cleavase, CELI и HINF1. В некоторых случаях с целью удаления из популяции синтезированных продуктов неудачных продуктов применяют связывающий ошибочно спаренные нуклеотиды белок MutS (Thermus aquaticus). В некоторых случаях исправление ошибок осуществляют с применением фермента Correctase. В некоторых случаях исправление ошибок осуществляют с применением эндонуклеазы SURVEYOR (Transgenomic), специфичной в отношении ошибочно спаренных нуклеотидов эндонуклеазы ДНК, которая сканирует гетеродуплекс ДНК на наличие известных и неизвестных мутаций и полиморфизмов.Error correction can be performed on synthesized polynucleotides and/or post-assembly products. An exemplary error correction strategy includes site-directed mutagenesis by PCR with overlapping error correction primers, which is optionally combined with two or more rounds of cloning and sequencing. In certain instances, double-stranded nucleic acids with nucleotide mismatches, loops and small loops, chemically altered bases, and/or other heteroduplexes are selectively removed from correctly synthesized nucleic acid populations. In some cases, error correction is performed using proteins/enzymes that recognize and bind to or near mismatched or mismatched bases within double stranded nucleic acids to create a single or double strand break or to initiate a strand transfer event. Non-limiting examples of error correction proteins/enzymes include endonucleases (T7 endonuclease I, E. coli endonuclease V, T4 endonuclease VII, mung bean nuclease, Celi, E. coli endonuclease IV, UVDE), restriction enzymes, glycosylases, ribonucleases, enzymes involved in the repair of mismatched nucleotides, resolvases, helicases, ligases, antibodies specific for mismatched nucleotides and their variants. Examples of specific error correction enzymes include T4 endonuclease 7, T7 endonuclease 1, S1, mung bean nuclease, MutY, MutS, MutH, MutL, Cleavase, CELI, and HINF1. In some cases, mismatched nucleotide binding protein MutS (Thermus aquaticus) is used to remove unsuccessful products from the population of synthesized products. In some cases, error correction is carried out using the Correctase enzyme. In some cases, error correction is performed using the SURVEYOR endonuclease (Transgenomic), a mismatch-specific DNA endonuclease that scans the DNA heteroduplex for known and unknown mutations and polymorphisms.

Секвенирование.Sequencing.

После экстракции и/или амплификации полинуклеотидов с поверхности структуры можно использовать подходящую технологию секвенирования для секвенирования полинуклеотидов. В некоторых случаях ДНК-последовательность прочитывают на подложке или в пределах элемента структуры. В некоторых случаях полинуклеотиды, хранящиеся на подложке, экстрагируют, необязательно подвергают сборке в более крупные нуклеиновые кислоты, а затем секвенируют.After extraction and/or amplification of polynucleotides from the surface of the structure, a suitable sequencing technology can be used to sequence the polynucleotides. In some cases, the DNA sequence is read on a support or within a structural element. In some cases, the polynucleotides stored on the support are extracted, optionally assembled into larger nucleic acids, and then sequenced.

В полинуклеотидах, синтезированных и хранящихся на описанных в настоящем документе структурах, закодированы данные, которые могут быть расшифрованы с помощью прочтения последовательности синтезированных полинуклеотидов и преобразования последовательности в машиночитаемый бинарный код. В некоторых случаях для последовательностей требуется сборка, и может быть необходимо, чтобы стадия сборки осуществлялась на уровне последовательности нуклеиновой кислоты или на уровне последовательности в цифровом виде.The polynucleotides synthesized and stored on the structures described herein encode data that can be deciphered by reading the sequence of the synthesized polynucleotides and converting the sequence into a machine-readable binary code. In some cases, sequences require assembly, and it may be necessary for the assembly step to be performed at the nucleic acid sequence level or at the digital sequence level.

В настоящем документе представлены системы обнаружения, содержащие устройство, способное секвенировать хранящиеся полинуклеотиды или прямо на структуре, и/или после удаления из основной структуры. В тех случаях, когда структура представляет собой катушечную ленту из гибкого материала, система обнаружения содержит устройство для удержания и продвижения структуры через область обнаружения и детектор, расположенный рядом с областью обнаружения, для обнаружения сигнала, исходящего от отрезка ленты, когда указанный отрезок ленты находится в области обнаружения. В некоторых случаях сигнал указывает на наличие полинуклеотида. В некоторых случаях сигнал указывает на наличие последовательности полинуклеотида (например, флуоресцентный сигнал). В некоторых случаях информация, закодированная в полинуклеотидах на непрерывной ленте, считывается компьютером по мере того, как лента в конвейерном режиме проходит через детектор, функционально соединенный с компьютером. В некоторых случаях система обнаружения содержит компьютерную систему, содержащую устройство для секвенирования полинуклеотидов, базу данных для хранения и поиска данных, относящихся к полинуклеотидной последовательности, программное обеспечение для преобразования ДНК-кода полинуклеотидной последовательности в бинарный код, компьютер для чтения бинарного кода или любую комбинацию перечисленного.This document provides discovery systems containing a device capable of sequencing stored polynucleotides either directly on the structure and/or after removal from the main structure. In cases where the structure is a reel tape of flexible material, the detection system includes a device for holding and advancing the structure through the detection area and a detector located adjacent to the detection area to detect a signal emanating from a piece of tape when the specified piece of tape is in detection areas. In some cases, the signal indicates the presence of a polynucleotide. In some cases, a signal indicates the presence of a polynucleotide sequence (eg, a fluorescent signal). In some cases, the information encoded in the polynucleotides on the continuous tape is read by the computer as the tape is conveyed through a detector operatively connected to the computer. In some cases, the detection system comprises a computer system containing a polynucleotide sequencing device, a database for storing and retrieving data related to the polynucleotide sequence, software for converting the DNA code of the polynucleotide sequence into binary code, a computer for reading the binary code, or any combination of the above. .

В настоящем документе представлены системы секвенирования, которые могут быть интегрированы в описанные в настоящем документе устройства. Различные способы секвенирования хорошо известны в данной области и включают распознавание азотистых оснований, при котором определяется идентичность основания в целевом полинуклеотиде. В некоторых случаях полинуклеотиды, синтезированные с применением описанных в настоящем документе способов, устройств, композиций и систем, секвенируют после отщепления от поверхности для синтеза. В некоторых случаях секвенирование происходит в ходе или одновременно с синтезом полинуклеотидов, причем распознавание азотистых оснований происходит сразу же после или непосредственно перед добавлением нуклеозида в качестве мономера в растущую полинуклеотидную цепь. Способы распознавания азотистых оснований включают измерение электрического тока, генерируемого в результате катализируемого полимеразой добавленияThis document presents sequencing systems that can be integrated into the devices described herein. Various sequencing methods are well known in the art and include nitrogenous base recognition, which determines the identity of the base in the target polynucleotide. In some instances, polynucleotides synthesized using the methods, devices, compositions, and systems described herein are sequenced after cleavage from a synthesis surface. In some cases, sequencing occurs during or simultaneously with the synthesis of polynucleotides, with recognition of nitrogenous bases occurring immediately after or immediately before the addition of the nucleoside as a monomer to the growing polynucleotide chain. Methods for recognizing nitrogenous bases include measuring the electric current generated as a result of polymerase-catalyzed addition

- 26 039806 оснований к нити матрицы. В некоторых случаях поверхности для синтеза содержат ферменты, такие как полимеразы. В некоторых случаях такие ферменты связаны с электродами или с поверхностью для синтеза.- 26039806 bases to the thread of the matrix. In some cases, surfaces for synthesis contain enzymes such as polymerases. In some cases, such enzymes are associated with electrodes or surfaces for synthesis.

Компьютерные системы.Computer systems.

Согласно различным аспектам любые из описанных в настоящем документе систем функционально связаны с компьютером и необязательно автоматизированы за счет компьютера либо локально, либо удаленно. В различных случаях способы и системы по настоящему изобретению могут дополнительно предусматривать программы системы программного обеспечения для компьютерных систем и их применение. Соответственно, компьютеризированное управление для синхронизации функций дозирования/вакуума/пополнения, таких как управление и синхронизация движений устройства для внесения материала, осуществление дозирования и включения вакуума, находятся в пределах объема настоящего изобретения. В некоторых случаях компьютерные системы запрограммированы на соответствие между указанной пользователем нуклеотидной последовательностью и положением устройства для внесения материала для доставки надлежащих реагентов в указанные области подложки.In various aspects, any of the systems described herein are operatively linked to a computer and optionally automated by a computer, either locally or remotely. In various instances, the methods and systems of the present invention may further provide for computer system software programs and their use. Accordingly, computerized control for synchronizing dosing/vacuum/replenishment functions such as controlling and synchronizing applicator movements, performing dosing and activating vacuum are within the scope of the present invention. In some instances, computer systems are programmed to match between a user-specified nucleotide sequence and the position of an applicator to deliver the appropriate reagents to specified areas of the substrate.

Компьютерная система 800, проиллюстрированная на фиг. 8, может пониматься как логическое устройство, которое может считывать команды с носителя информации 811 и/или сетевого порта 805, который необязательно может быть соединен с сервером 809, содержащий несъемный носитель 812. Система может включать ЦПУ 801, дисковод 803, необязательное устройство ввода, такое как клавиатура 815 и/или компьютерная мышь 816, и необязательный монитор 807. Передача данных может обеспечиваться через указанный канал связи на сервер в локальном или удаленном местоположении. Канал связи может включать любые средства передачи и/или приема данных. Например, канал связи может представлять собой сетевое подключение, беспроводное подключение или подключение к сети Интернет. Такое подключение может обеспечить связь через всемирную паутину. Предполагается, что данные, относящиеся к настоящему раскрытию, могут передаваться через такие сети или соединения для приема и/или просмотра пользователем 822.Computer system 800 illustrated in FIG. 8 may be understood as a logical device that can read instructions from storage media 811 and/or network port 805, which may optionally be connected to a server 809 containing non-removable media 812. The system may include a CPU 801, a disk drive 803, an optional input device, such as a keyboard 815 and/or a computer mouse 816, and an optional monitor 807. Data transmission may be provided through the specified communication channel to a server at a local or remote location. The communication channel may include any means of transmitting and/or receiving data. For example, the communication channel may be a network connection, a wireless connection, or an Internet connection. Such a connection can provide communication through the World Wide Web. It is contemplated that data related to the present disclosure may be transmitted over such networks or connections for reception and/or viewing by user 822.

Фиг. 9 представляет собой блок-схему, на которой проиллюстрирован первый пример архитектуры компьютерной системы, которую можно использовать применительно к примерам настоящего изобретения. Как показано на фиг. 5, иллюстративная компьютерная система может включать процессор 902 для обработки команд. Неограничивающие примеры процессоров включают Процессор Intel Xeon™, процессор AMD Opteron™, процессор 32-битной RISC-архитектуры ARM 1176JZ(F)-S v1.0™ от Samsung, процессор ARM Cortex-A8 Samsung S5PC100™, процессор ARM Cortex-A8 Apple A4™, процессор Marvell PXA 930™ или функционально эквивалентный процессор. Для параллельной обработки можно применять множество потоков выполнения. В некоторых случаях можно также применять несколько процессоров или процессоры с несколькими ядрами, будь то в одной компьютерной системе, в кластере или распределенные по системам в пределах сети, состоящей из множества компьютеров, мобильных телефонов и/или карманных персональных компьютеров.Fig. 9 is a block diagram illustrating a first example of a computer system architecture that can be used with examples of the present invention. As shown in FIG. 5, an exemplary computer system may include a processor 902 for processing instructions. Non-limiting examples of processors include: Intel Xeon™ Processor, AMD Opteron™ Processor, Samsung ARM 1176JZ(F)-S v1.0™ 32-bit RISC Processor, Samsung S5PC100™ ARM Cortex-A8 Processor, Apple ARM Cortex-A8 Processor A4™, Marvell PXA 930™ processor, or functionally equivalent processor. Multiple threads of execution can be used for parallel processing. In some cases, multiple processors or processors with multiple cores may also be used, whether in a single computer system, in a cluster, or distributed across systems within a network of multiple computers, mobile phones, and/or PDAs.

Как проиллюстрировано на фиг. 9, кэш 904 может быть соединен с процессором 902 или может входить в его состав для обеспечения быстродействующей памяти для команд или данных, которые применялись недавно или которые часто применяются процессором 902. Процессор 902 соединен с северным мостом 906 посредством шины процессора 908. Северный мост 906 соединен с запоминающим устройством с произвольным доступом (RAM) 910 посредством шины памяти 912 и управляет доступом к RAM 910 процессора 902. Северный мост 906 также соединен с южным мостом 914 посредством внутренней шины 916. Южный мост 914, в свою очередь, соединен с периферийной шиной 918. Периферийная шина может представлять собой, например, PCI, PCI-X, PCI Express или другую периферийную шину. Северный мост и южный мост часто называют чипсетом для процессора, и они управляют передачей данных между процессором, RAM и периферийными компонентами на периферийной шине 918. В некоторых альтернативных архитектурах функционал северного моста может быть включен в процессор, вместо применения отдельного северного моста.As illustrated in FIG. 9, cache 904 may be coupled to or included with processor 902 to provide high-speed memory for instructions or data that have been recently or frequently used by processor 902. Processor 902 is coupled to northbridge 906 via processor bus 908. Northbridge 906 connected to random access memory (RAM) 910 via memory bus 912 and controls access to RAM 910 of processor 902. Northbridge 906 is also connected to southbridge 914 via internal bus 916. Southbridge 914, in turn, is connected to the peripheral bus 918. The peripheral bus may be, for example, PCI, PCI-X, PCI Express, or another peripheral bus. The northbridge and southbridge are often referred to as the chipset for the processor, and they control the communication between the processor, RAM, and peripheral components on the 918 peripheral bus. In some alternative architectures, the northbridge functionality may be included in the processor instead of using a separate northbridge.

В некоторых случаях система 900 может включать акселератор 922, присоединенный к периферийной шине 918. Акселератор может включать программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) или другие аппаратные средства для ускорения определенной обработки. Например, акселератор можно применять для адаптивной реструктуризации данных или для вычисления алгебраических выражений, применяемых при обработке расширенных множеств.In some cases, system 900 may include an accelerator 922 coupled to a peripheral bus 918. The accelerator may include field programmable gate arrays (FPGAs) or other hardware to speed up certain processing. For example, the accelerator can be used for adaptive data restructuring or for evaluating algebraic expressions used in processing extended sets.

Программное обеспечение и данные хранятся на внешнем запоминающем устройстве 924, и могут быть загружены в RAM 910 и/или кэш 904 для применения процессором. Система 900 включает операционную систему для управления системными ресурсами; неограничивающие примеры операционных систем включают Linux, Windows™, MACOS™, Blackberry OS™, iOS™ и другие функционально эквивалентны операционные системы, а также прикладное программное обеспечение, запускаемое на базе операционной системы, для управления хранением и оптимизацией данных в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления настоящего изобретения.Software and data is stored on external storage 924 and may be loaded into RAM 910 and/or cache 904 for use by the processor. System 900 includes an operating system for managing system resources; non-limiting examples of operating systems include Linux, Windows™, MACOS™, Blackberry OS™, iOS™, and other functionally equivalent operating systems, as well as operating system-based application software for data storage management and optimization, in accordance with exemplary embodiments. of the present invention.

Согласно этому примеру система 900 также включает сетевые платы (NIC) 920 и 921, соединенныеAccording to this example, system 900 also includes network cards (NICs) 920 and 921 connected

- 27 039806 с периферийной шиной, для обеспечения сетевых интерфейсов для внешнего запоминающего устройства, такого как сетевое устройство хранения данных (NAS), и других компьютерных систем, которые можно применять для распределенной параллельной обработки.- 27 039806 with a peripheral bus, to provide network interfaces for external storage, such as a network attached storage device (NAS), and other computer systems that can be used for distributed parallel processing.

Фиг. 10 представляет собой схему, на которой показана сеть 1000 со множеством компьютерных систем 1002а и 1002b, множеством мобильных телефонов и карманных персональных компьютеров 1002с и сетевым устройством хранения данных (NAS) 1004а и 1004b. Согласно иллюстративным вариантам осуществления системы 1002а, 1002b и 1002с могут обеспечивать управление хранением данных и оптимизацию доступа к данным в случае данных, хранящихся на сетевом устройстве хранения данных (NAS) 1004а и 1004b. Для данных можно применять математическую модель и вычислять с применением распределенной параллельной обработки в пределах компьютерных систем 1002а и 1002b и систем с использованием мобильных телефонов и карманных персональных компьютеров 1002с. Компьютерные системы 1002а и 1002b и системы с использованием мобильных телефонов и карманных персональных компьютеров 1002с также могут обеспечивать параллельную обработку для адаптивной реструктуризации данных для данных, хранящихся на сетевом устройстве хранения данных (NAS) 1004а и 1004b. На фиг. 10 представлен лишь пример, и по отношению к различным вариантам осуществления настоящего изобретения можно применять большое разнообразие других компьютерных архитектур и систем. Например, для обеспечения параллельной обработки можно применять блейд-сервер. Блейд-серверы с процессорами могут быть соединены посредством объединительной платы для обеспечения параллельной обработки. Запоминающее устройство также может быть соединено с объединительной платой или, в виде сетевого устройства хранения данных (NAS), через отдельный сетевой интерфейс.Fig. 10 is a diagram showing a network 1000 with multiple computer systems 1002a and 1002b, multiple mobile phones and personal digital assistants 1002c, and a network attached storage (NAS) 1004a and 1004b. According to exemplary embodiments, systems 1002a, 1002b, and 1002c can provide data storage management and data access optimization for data stored on a network-attached storage device (NAS) 1004a and 1004b. The data may be mathematically modeled and computed using distributed parallel processing within computer systems 1002a and 1002b and systems using mobile phones and personal digital assistants 1002c. Computer systems 1002a and 1002b and systems using mobile phones and personal digital assistants 1002c can also provide parallel processing for adaptive data restructuring for data stored on network attached storage (NAS) 1004a and 1004b. In FIG. 10 is only an example, and a wide variety of other computer architectures and systems can be applied to various embodiments of the present invention. For example, a blade server can be used to provide parallel processing. Blade servers with processors can be connected via a backplane to provide parallel processing. The storage device can also be connected to the backplane or, as a Network Attached Storage (NAS) device, through a separate network interface.

Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления процессоры могут содержать отдельные пространства памяти и передавать данные через сетевые интерфейсы, объединительную плату или другие соединители для параллельной обработки другими процессорами. Согласно другим вариантам осуществления некоторые или все из процессоров могут применять общее пространство памяти виртуальной адресации.According to some exemplary embodiments, the processors may contain separate memory spaces and communicate data through network interfaces, a backplane, or other connectors for parallel processing by other processors. In other embodiments, some or all of the processors may use a shared virtual address memory space.

Фиг. 11 представляет собой блок-схему многопроцессорной компьютерной системы 1100, в которой применяется общее пространство памяти виртуальной адресации в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления. Система включает множество процессоров 1102a-f, которые могут иметь доступ к общей подсистеме памяти 1104. Система включает в себя множество программируемых процессоров для алгоритмического управления аппаратной памятью (MAP) 1106a-f в подсистеме памяти 1104. Каждый MAP 1106a-f может содержать память 1108a-f и одну или более программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA) 1110a-f. MAP обеспечивает настраиваемый функциональный узел и конкретные алгоритмы, или части алгоритмов могут быть предоставлены FPGA 1110а-f для обработки в тесной координации с соответствующим процессором. Например, MAP можно применять для вычисления алгебраических выражений в отношении модели данных и для осуществления адаптивной реструктуризации данных в иллюстративных вариантах осуществления. Согласно этому примеру каждый MAP доступен всем процессорам для этих целей. В одной конфигурации, каждый MAP может применять прямой доступ к памяти (DMA) для доступа к ассоциативной памяти 1108a-f, что позволяет ему выполнять задачи независимо и асинхронно от соответствующего микропроцессора 1102a-f. В этой конфигурации MAP может передавать результаты напрямую к другому MAP для конвейеризации и параллельного выполнения алгоритмов.Fig. 11 is a block diagram of a multiprocessor computer system 1100 utilizing shared virtual address memory space in accordance with an exemplary embodiment. The system includes a plurality of processors 1102a-f that may have access to a common memory subsystem 1104. The system includes a plurality of programmable processors for algorithmic control of hardware memory (MAP) 1106a-f in the memory subsystem 1104. Each MAP 1106a-f may contain memory 1108a -f and one or more Field Programmable Gate Arrays (FPGA) 1110a-f. The MAP provides a configurable functional node and specific algorithms, or portions of the algorithms, can be provided to the FPGA 1110a-f for processing in close coordination with the respective processor. For example, MAP can be used to evaluate algebraic expressions against a data model and to perform adaptive data restructuring in exemplary embodiments. According to this example, each MAP is available to all processors for these purposes. In one configuration, each MAP may use direct memory access (DMA) to access associative memory 1108a-f, allowing it to perform tasks independently and asynchronously from the associated microprocessor 1102a-f. In this configuration, a MAP can pass results directly to another MAP for pipelining and parallel execution of algorithms.

Вышеприведенные компьютерные архитектуры и системы являются только примерами, и по отношению к иллюстративным вариантам осуществления можно применять большое разнообразие других архитектур и систем с использованием компьютеров, мобильных телефонов и карманных персональных компьютеров, включая системы с применением любой комбинации универсальных процессоров, сопроцессоров, FPGA и других программируемых логических устройств, систем на кристалле (SOC), интегральных схем специального назначения (ASIC) и других обрабатывающих и логических элементов. Согласно некоторым вариантам осуществления вся или часть компьютерной системы может быть реализована программно или аппаратно. По отношению к иллюстративным вариантам осуществления можно применять любые различные носители данных, включая запоминающее устройство с произвольным доступом, жесткие диски, флэш-память, ленточные накопители, массив дисков, сетевое устройство хранения данных (NAS) и другие локальные или распределенные устройства и системы хранения данных.The above computer architectures and systems are exemplary only, and a wide variety of other architectures and systems using computers, mobile phones, and personal digital assistants, including systems using any combination of general purpose processors, coprocessors, FPGAs, and other programmable logic devices, systems on a chip (SOC), application-specific integrated circuits (ASICs), and other processing and logic elements. In some embodiments, all or part of the computer system may be implemented in software or hardware. With respect to the exemplary embodiments, any of a variety of storage media can be used, including random access storage, hard drives, flash memory, tape drives, disk array, network attached storage (NAS), and other local or distributed storage devices and systems. .

Согласно иллюстративным вариантам осуществления компьютерная система может быть реализована с применением модулей программного обеспечения, работающих в рамках любой из вышеприведенных или других компьютерных архитектур и систем. Согласно другим вариантам осуществления функции системы могут быть реализованы частично или полностью во встроенном программном обеспечении, программируемых логических устройствах, таких как программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA), системы на кристалле (SOC), интегральные схемы специального назначения (ASIC) и другие обрабатывающие и логические элементы. Например, группа процессоров и оптимизатор могут быть реализованы с аппаратным ускорением посредством применения аппаратного акселератора.In exemplary embodiments, the computer system may be implemented using software modules operating within any of the above or other computer architectures and systems. In other embodiments, the functions of the system may be implemented partially or entirely in firmware, programmable logic devices such as field programmable gate arrays (FPGAs), systems on a chip (SOCs), application specific integrated circuits (ASICs), and other processing and logic devices. elements. For example, the processor group and optimizer can be implemented with hardware acceleration through the use of a hardware accelerator.

Варианты осуществления.Embodiments.

В настоящем документе представлены способы хранения информации, включающие а) обеспечениеThis document presents methods for storing information, including a) providing

- 28 039806 структуры, содержащей поверхность; b) внесение по меньшей мере одного нуклеотида на поверхность, причем по меньшей мере один нуклеотид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности; и с) повторение стадии b) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности, причем плотность размещения уникальных полинуклеотидов на поверхности составляет по меньшей мере 100х106 полинуклеотидов/см2. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает отщепление по меньшей мере одного полинуклеотида от поверхности, причем полинуклеотид растворен в капле. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает секвенирование по меньшей мере одного полинуклеотида с поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает высушивание поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает смывание нуклеотидов с поверхности. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых поверхность представляет собой твердую подложку. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, в которых поверхность содержит стекло, кварцевое стекло, кремний, диоксид кремния, нитрид кремния, пластмассы, металлы или комбинации перечисленного.- 28 039806 structure containing the surface; b) introducing at least one nucleotide onto the surface, wherein at least one nucleotide reacts with a polynucleotide attached to the surface; and c) repeating step b) to synthesize a plurality of polynucleotides on the surface, wherein the density of unique polynucleotides on the surface is at least 100 x 10 6 polynucleotides/cm 2 . Also provided herein are methods, said method further comprising cleaving at least one polynucleotide from a surface, the polynucleotide being dissolved in the droplet. Also provided herein are methods, said method further comprising sequencing at least one polynucleotide from a surface. In addition, methods are presented herein, said method further comprising drying the surface. In addition, methods are provided herein, said method further comprising washing nucleotides from a surface. In addition, methods are presented herein in which the surface is a solid substrate. In addition, methods are presented herein in which the surface contains glass, quartz glass, silicon, silicon dioxide, silicon nitride, plastics, metals, or combinations of the above.

В настоящем документе представлены способы хранения информации, включающие а) обеспечение структуры, содержащей поверхность; b) внесение на поверхность капли, содержащей по меньшей мере один нуклеотид, причем по меньшей мере один нуклеотид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности; и с) повторение стадии b) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности, причем объем капли составляет менее чем около 100 фемтолитров.This document presents methods for storing information, including a) providing a structure containing a surface; b) applying to the surface of a droplet containing at least one nucleotide, wherein at least one nucleotide reacts with a polynucleotide attached to the surface; and c) repeating step b) to effect the synthesis of a plurality of polynucleotides on the surface, wherein the droplet volume is less than about 100 femtoliters.

В настоящем документе представлены способы хранения информации, включающие а) обеспечение структуры, содержащей поверхность; b) внесение по меньшей мере одного нуклеотида на поверхность, причем по меньшей мере один нуклеотид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности; и с) повторение стадии b) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности, причем время для повтора стадии b) с применением четырех разных нуклеотидов составляет менее чем около 100 мс. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает одну или более стадий промывки. Кроме того, в настоящем документе представлены способы, причем указанный способ дополнительно включает деблокирование, окисление, промывку, кэпирование или любую их комбинацию.This document presents methods for storing information, including a) providing a structure containing a surface; b) introducing at least one nucleotide onto the surface, wherein at least one nucleotide reacts with a polynucleotide attached to the surface; and c) repeating step b) to synthesize a plurality of surface polynucleotides, wherein the time to repeat step b) using four different nucleotides is less than about 100 ms. Also provided herein are methods, said method further comprising one or more washing steps. In addition, methods are provided herein, said method further comprising deblocking, oxidizing, washing, capping, or any combination thereof.

В настоящем документе представлены устройства для хранения информации, содержащие чип, содержащий массив адресуемых локусов, причем один или более адресуемых локусов содержат по меньшей мере один электрод, поверхность для синтеза и по меньшей мере одно отверстие для текучей среды, причем поверхность для синтеза в каждом из адресуемых локусов содержит по меньшей мере один полинуклеотид, удлиняющийся от поверхности, причем плотность адресуемых локусов на чипе составляет по меньшей мере 100х106 полинуклеотидов/см2. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где длина по меньшей мере одного полинуклеотида составляет от около 150 до около 500 оснований. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где длина по меньшей мере одного полинуклеотида составляет около 200 оснований. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, причем указанное устройство дополнительно содержит резервуар для реагентов. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, причем указанное устройство дополнительно содержит нагревательный или охладительный элемент. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где по меньшей мере один адресуемый локус содержит каплю. Кроме того, в настоящем документе представлены устройства, где диаметр капли составляет менее 50 мкм.Provided herein are information storage devices comprising a chip containing an array of addressable loci, wherein one or more addressable loci comprise at least one electrode, a synthesis surface, and at least one fluid port, with the synthesis surface in each of addressable loci contains at least one polynucleotide extending from the surface, and the density of addressable loci on the chip is at least 100x10 6 polynucleotide/cm 2 . Also provided herein are devices wherein the length of at least one polynucleotide is from about 150 to about 500 bases. Also provided herein are devices where at least one polynucleotide is about 200 bases in length. In addition, devices are presented herein, said device further comprising a reagent reservoir. In addition, devices are presented herein, said device further comprising a heating or cooling element. Also provided herein are devices where at least one addressable locus contains a droplet. In addition, this document presents devices where the droplet diameter is less than 50 microns.

В настоящем документе представлены способы хранения информации, причем способ включает а) преобразование по меньшей мере одного элемента информации в форме по меньшей мере одной последовательности в цифровом виде по меньшей мере в одну последовательность нуклеиновой кислоты; b) синтезирование множества полинуклеотидов с заданными последовательностями, совместно кодирующими по меньшей мере одну последовательность нуклеиновой кислоты; с) внесение на поверхность капли, содержащей по меньшей мере один нуклеотид, причем по меньшей мере один нуклеотид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности; d) повторение стадии с) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности и е) хранение множества полинуклеотидов, причем объем капли составляет менее чем около 100 фемтолитров.Provided herein are methods for storing information, the method comprising: a) converting at least one piece of information in the form of at least one sequence in digital form into at least one nucleic acid sequence; b) synthesizing a plurality of polynucleotides with given sequences co-coding for at least one nucleic acid sequence; c) applying to the surface of a droplet containing at least one nucleotide, wherein at least one nucleotide reacts with a polynucleotide attached to the surface; d) repeating step c) to effect synthesis of a plurality of polynucleotides on the surface; and e) storing a plurality of polynucleotides with a droplet volume of less than about 100 femtoliters.

В настоящем документе представлены способы хранения информации, причем способ включает а) преобразование по меньшей мере одного элемента информации в форме по меньшей мере одной последовательности в цифровом виде по меньшей мере в одну последовательность нуклеиновой кислоты; b) синтезирование множества полинуклеотидов с заданными последовательностями, совместно кодирующими по меньшей мере одну последовательность нуклеиновой кислоты; с) внесение на поверхность капли, содержащей по меньшей мере один нуклеотид, причем по меньшей мере один нуклеотид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности; d) повторение стадии с) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности и е) хранение множества полинуклеотидов, причем время для повтора стадии с) с применением четырех разных нуклеотидов составляетProvided herein are methods for storing information, the method comprising: a) converting at least one piece of information in the form of at least one sequence in digital form into at least one nucleic acid sequence; b) synthesizing a plurality of polynucleotides with given sequences co-coding for at least one nucleic acid sequence; c) applying to the surface of a droplet containing at least one nucleotide, wherein at least one nucleotide reacts with a polynucleotide attached to the surface; d) repeating step c) to effect synthesis of a plurality of polynucleotides on the surface; and e) storing a plurality of polynucleotides, wherein the time to repeat step c) using four different nucleotides is

- 29 039806 менее чем около 100 мс.- 29 039806 less than about 100 ms.

В настоящем документе представлены способы синтезирования полинуклеотидов, включающие а) обеспечение структуры, содержащей поверхность, причем поверхность содержит множество локусов для удлинения полинуклеотидов; и b) синтезирование множества полинуклеотидов, удлиняющихся от поверхности, причем синтезирование включает внесение одного или более реагентов за счет приложения к поверхности потенциала. Также представлены способы, в которых потенциал представляет собой электрический потенциал. Кроме того, в документе представлены способы, в которых поверхность представляет собой твердую подложку.Provided herein are methods for synthesizing polynucleotides comprising a) providing a structure containing a surface, the surface containing a plurality of polynucleotide extension loci; and b) synthesizing a plurality of surface-extending polynucleotides, the synthesizing comprising introducing one or more reagents by applying a potential to the surface. Methods are also presented in which the potential is an electrical potential. In addition, the document presents methods in which the surface is a solid substrate.

В настоящем документе представлены устройства для хранения информации с применением любого из описанных в настоящем документе способов. В настоящем документе представлены системы для хранения информации с применением любого из описанных в настоящем документе способов.This document provides information storage devices using any of the methods described herein. This document provides systems for storing information using any of the methods described herein.

Нижеследующие примеры изложены для более ясной иллюстрации принципа и осуществления на практике раскрытых в настоящем документе вариантов осуществления для специалистов в данной области, и не должны истолковываться как ограничивающие объем какого-либо из заявленных вариантов осуществления. Если не указано иное, все части и процентные доли представлены по весу.The following examples are set forth to more clearly illustrate the principle and practice of the embodiments disclosed herein for those skilled in the art, and should not be construed as limiting the scope of any of the claimed embodiments. Unless otherwise noted, all parts and percentages are by weight.

ПримерыExamples

Пример 1. Функционализация поверхности устройства.Example 1. Functionalization of the surface of the device.

Устройство функционализировали для обеспечения присоединения и синтеза библиотеки полинуклеотидов. Поверхность устройства сначала подвергали влажной очистке с применением раствора пиранья, содержащего 90% H2SO4 и 10% Н2О2 в течение 20 мин. Устройство промывали в нескольких лабораторных стаканах с DI-водой, выдерживали под водопроводным краном со струей DI-воды в течение 5 мин и сушили N2. Устройство затем замачивали в NH4OH (1:100; 3 мл:300 мл) в течение 5 мин, промывали DI-водой с применением ручного дозатора-пистолета, последовательно замачивали в трех лабораторных стаканах с DI-водой в течение 1 мин каждый раз, а затем снова промывали DI-водой с применением ручного дозатора-пистолета. Затем устройство подвергали плазмохимической очистке путем воздействия на поверхность устройства О2. Прибор SAMCO РС-300 применяли для травления О2-плазмой при 250 Вт в течение 1 мин в нисходящем режиме.The device was functionalized to allow the attachment and synthesis of a library of polynucleotides. The surface of the device was first wet cleaned using a piranha solution containing 90% H2SO4 and 10% H2O2 for 20 minutes. The device was washed in several beakers with DI-water, kept under a tap with a stream of DI-water for 5 min and dried with N2. The device was then soaked in NH4OH (1:100; 3 ml:300 ml) for 5 min, rinsed with DI-water using a manual dispenser gun, soaked successively in three beakers with DI-water for 1 min each time, and then washed again with DI-water using a manual dispenser gun. Then the device was subjected to plasma-chemical cleaning by exposing the surface of the device to O 2 . A SAMCO PC-300 instrument was used for etching with O 2 plasma at 250 W for 1 min in a downward mode.

Очищенную поверхность устройства подвергали функционализации активными средствами с использованием раствора, содержащего N-(3-триэтоксисилилпропил)-4-гидроксибутирамид, с применением системы YES-1224P для осаждения из газовой фазы с использованием следующих параметров: 0,5-1 торр, 60 мин, 70°С, температура испарителя 135°С. Поверхность устройства покрывали резистом с применением прибора для нанесения растворов центрифугированием Brewer Science 200Х. Устройство путем центрифугирования покрывали фоторезистом SPRx 3612 при 2500 об/мин в течение 40 с. Устройство предварительно обжигали в течение 30 мин при 90°С на нагревательной пластине прибора Brewer. Устройство подвергали фотолитографии с применением масочного фотолитографа Karl Suss MA6. Устройство экспонировали в течение 2,2 с и проявляли в течение 1 мин в MSF 26A. Оставшийся проявитель вымывали с помощью ручного дозатора-пистолета и устройство замачивали в воде в течение 5 мин. Устройство обжигали в течение 30 мин при 100°С в сушильном шкафу с последующей визуальной проверкой на наличие дефектов литографии с применением Nikon L200. Процесс очистки применяли для удаления остаточного резиста с применением прибора SAMCO РС-300 для травления О2-плазмой при 250 Вт в течение 1 мин.The cleaned surface of the device was functionalized with active agents using a solution containing N-(3-triethoxysilylpropyl)-4-hydroxybutyramide using a YES-1224P system for vapor deposition using the following parameters: 0.5-1 torr, 60 min, 70°C, evaporator temperature 135°C. The surface of the device was coated with resist using a Brewer Science 200X spin coater. The device was spin coated with SPRx 3612 photoresist at 2500 rpm for 40 seconds. The device was pre-fired for 30 min at 90° C. on a Brewer heating plate. The device was photolithographed using a Karl Suss MA6 mask photolithograph. The device was exposed for 2.2 seconds and developed for 1 minute in MSF 26A. The remaining developer was washed out with a manual dispenser gun and the device was soaked in water for 5 minutes. The device was fired for 30 min at 100° C. in an oven followed by a visual check for lithographic defects using a Nikon L200. A cleaning process was used to remove residual resist using a SAMCO PC-300 O 2 plasma etcher at 250 W for 1 minute.

Поверхность устройства подвергали функционализации пассивными средствами с использованием 100 мкл раствора перфтороктилтрихлорсилана, смешанного с 10 мкл легкого минерального масла. Устройство помещали в камеру, прокачивали в течение 10 мин, а затем клапан, ведущий к насосу, перекрывали и оставляли устройство на 10 мин. Камера вентилировалась воздухом. Устройство подвергали процедуре снятия резиста путем осуществления двух замачиваний в течение 5 мин в 500 мл NMP при 70°С с ультразвуковой обработкой при максимальной мощности (9 в системе Crest). Затем устройство замачивали в течение 5 мин в 500 мл изопропанола при комнатной температуре с ультразвуковой обработкой при максимальной мощности. Устройство погружали в 300 мл этанола крепостью 200 пруф и продували N2. Функционализированная поверхность была активирована для функционирования в качестве подложки для синтеза полинуклеотидов.The surface of the device was functionalized by passive means using 100 μl of a solution of perfluorooctyltrichlorosilane mixed with 10 μl of light mineral oil. The device was placed in the chamber, pumped for 10 minutes, and then the valve leading to the pump was closed and the device was left for 10 minutes. The chamber was ventilated with air. The device was subjected to a stripping procedure by performing two soaks for 5 min in 500 ml NMP at 70° C. with ultrasonication at maximum power (9 in the Crest system). Then the device was soaked for 5 min in 500 ml of isopropanol at room temperature with ultrasonication at maximum power. The device was immersed in 300 ml of 200 proof ethanol and purged with N 2 . The functionalized surface was activated to function as a scaffold for polynucleotide synthesis.

Пример 2. Высокоточное хранение и сборка информации на основе ДНК.Example 2. High-precision storage and assembly of information based on DNA.

Цифровая информация, выбранная в форме бинарных данных общим объемом около 0,2 ГБ, включала содержание Всеобщей декларации прав человека более чем на 100 языках, топ-100 книг из проекта Гутенберг и базу данных семян. Цифровая информация была зашифрована в последовательность нуклеиновой кислоты и разделена на строки. На жесткой кремниевой поверхности было синтезировано более 10 миллионов неидентичных полинуклеотидов, каждый из которых соответствует определенной строке. Длина каждого неидентичного полинуклеотида равнялась 200 или менее основаниям. Синтезированные полинуклеотиды собирали и секвенировали и дешифровали обратно в цифровой код, при этом при сравнении с исходной по меньшей мере одной последовательностью в цифровом виде, точность исходной цифровой информации составляла 100%.Digital information, selected in the form of binary data with a total volume of about 0.2 GB, included the contents of the Universal Declaration of Human Rights in more than 100 languages, the top 100 books from Project Gutenberg, and a seed database. The digital information was encrypted into a nucleic acid sequence and divided into lines. More than 10 million non-identical polynucleotides have been synthesized on a rigid silicon surface, each corresponding to a specific string. Each non-identical polynucleotide was 200 bases or less in length. The synthesized polynucleotides were collected and sequenced and decoded back into a digital code, and when compared with the original at least one sequence in digital form, the accuracy of the original digital information was 100%.

- 30 039806- 30 039806

Пример 3. Система хранения информации высокой плотности.Example 3 High Density Storage System.

Полинуклеотиды синтезируют de novo с помощью описанных в настоящем документе способов. После синтеза полинуклеотиды собирают в виде одной капли и переносят для хранения на твердую подложку из кремния. Твердая подложка имеет размеры 86x54 мм, а ее толщина составляет 1-2 мм. Емкость твердой подложки составляет 1-10 петабайт (ПБ), представленных в виде адресуемого массива блоков данных по 10 ГБ. Физическое разделение на блоки данных избыточно кодируется в виде ведущей последовательности, причем каждый полинуклеотид в блоке данных имеет общую начальную последовательность и любую другую информацию о последовательности для обозначения или поиска. Блоки данных представлены в виде капель воды с растворенными полинуклеотидами, с физической избыточностью 100-1000 копий каждого полинуклеотида. Длина полинуклеотидов находится в диапазоне 100-1000 оснований. Объем капли эквивалентен сферам диаметром 40-50 мкм. Твердая подложка также предусматривает до 10000x10000 положений на участке площадью менее 1 кв. дюйма.Polynucleotides are synthesized de novo using the methods described herein. After synthesis, the polynucleotides are collected as a single droplet and transferred to a solid silicon support for storage. The solid substrate measures 86x54 mm and is 1-2 mm thick. The capacity of a solid substrate is 1-10 petabytes (PB), represented as an addressable array of 10 GB data blocks. The physical division into data blocks is redundantly encoded as a leading sequence, with each polynucleotide in the data block having a common start sequence and any other sequence information for designation or retrieval. Data blocks are presented as water drops with dissolved polynucleotides, with a physical redundancy of 100-1000 copies of each polynucleotide. The length of polynucleotides is in the range of 100-1000 bases. The volume of a drop is equivalent to spheres with a diameter of 40–50 µm. The solid substrate also allows for up to 10000x10000 positions in less than 1 sq. inches.

Иллюстративная твердая подложка показана на фиг. 12А, 12В. На фиг. 12А показана передняя сторона твердой подложки, выполненная из стекла и содержащая прозрачное окно для массива и отверстий для текучей среды. На фиг. 12В показана задняя сторона твердой подложки, которая представляет собой электронную схему, содержащую электрические контакты (LGA с шагом между контактами 1 мм) и поверхность теплового контакта под участком, соответствующим твердой подложке.An exemplary solid support is shown in FIG. 12A, 12V. In FIG. 12A shows the front side of a solid substrate made of glass and containing a transparent window for the array and fluid holes. In FIG. 12B shows the rear side of the solid substrate, which is an electronic circuit containing electrical contacts (LGA with 1 mm pitch) and a thermal contact surface under the solid substrate region.

После добавления на твердую подложку капель, твердую подложку можно подвергать сушке, а позже повторной сольватации для последующих применений. В качестве альтернативы, твердую подложку сушат и хранят. Поскольку капли в пределах каждого блока данных содержат информацию о последовательности для обозначения или поиска, определенные блоки данных извлекают из множества блоков данных на основе информации о последовательности.After droplets are added to the solid support, the solid support can be dried and later resolvated for subsequent applications. Alternatively, the solid support is dried and stored. Since the blobs within each data block contain sequence information for designation or retrieval, certain data blocks are extracted from the plurality of data blocks based on the sequence information.

Пример 4. Система хранения информации высокой плотности с доступом.Example 4 Access High Density Storage System.

Полинуклеотиды синтезировали de novo с помощью описанных в настоящем документе способов. После синтеза полинуклеотиды собирали в виде одной капли и переносили для хранения на твердую подложку из бумаги. Твердая подложка имеет размеры 3,5x2,5 дюйма. Емкость твердой подложки составляет 1 петабайт, представленных в виде адресуемого массива 32x32, содержащего 1024 пятен. Каждое пятно содержит пул объемом 1 терабайт, см., например, фиг. 17 и 18.Polynucleotides were synthesized de novo using the methods described herein. After synthesis, the polynucleotides were collected as a single drop and transferred to a solid paper support for storage. The solid backing measures 3.5x2.5 inches. The capacity of a solid substrate is 1 petabyte, represented as a 32x32 addressable array containing 1024 spots. Each spot contains a 1 terabyte pool, see, for example, FIG. 17 and 18.

По меньшей мере один элемент информации объемом 10-100 МБ закодирован в ДНК и хранится в 1 ПБ данных. Далее 10-100 МБ закодированной ДНК извлекают посредством произвольного доступа к закодированной ДНК и извлечения закодированной ДНК из пула объемом 1 ТБ.At least one 10-100 MB piece of information is encoded in DNA and stored in 1 PB of data. Next, 10-100 MB of encoded DNA is extracted by random accessing the encoded DNA and extracting the encoded DNA from a 1 TB pool.

Пример 5. Локальный контроль синтеза полинуклеотидов на твердой подложке.Example 5 Local control of polynucleotide synthesis on a solid support.

Полинуклеотиды длиной 240 оснований синтезируют на твердой подложке с применением описанных в настоящем документе способов. Длина полинуклеотидов, представляющих собой днДНК, составляет приблизительно 80 нм, а длина полинуклеотидов, представляющих собой онДНК, составляет приблизительно 160 нм. Твердая подложка содержит массив лунок с параметрами 500 нм (глубина) x 400 нм (диаметр) (объем составляет приблизительно 0,628 фемтолитра). Каждая из лунок содержит адресуемый локус, адресуемые электроды внутри боковых стенок каждой лунки (площадь составляет 50000 нм2/электрод) и 250 нм (диаметр) поверхность для синтеза/присоединения полинуклеотидов в адресуемом сообщении с 250 нм (диаметр) адресуемым нижним электродом. Электроды являются независимо адресуемыми.Polynucleotides of 240 bases are synthesized on a solid support using the methods described herein. The dsDNA polynucleotides are approximately 80 nm long and the ssDNA polynucleotides are approximately 160 nm long. The solid support contains an array of wells with parameters of 500 nm (depth) x 400 nm (diameter) (the volume is approximately 0.628 femtoliter). Each of the wells contains an addressable locus, addressable electrodes within the side walls of each well (area is 50,000 nm 2 /electrode) and a 250 nm (diameter) polynucleotide synthesis/attachment surface in an addressable message with a 250 nm (diameter) addressable bottom electrode. The electrodes are independently addressable.

Полинуклеотиды присутствуют на поверхности для синтеза с плотностью 1 полинуклеотид на 50 нм2. Лунки разделены с шагом в 1,0 мкм. Боковые электроды толщиной 10 нм (расположенные на расстоянии около 100 нм над поверхностью с полинуклеотидами) заряжают с целью создания градиента концентрации ионов Н+, которые обеспечивают удаление защитных групп (где полинуклеотид блокируют с помощью отщепляемой под действием кислоты блокирующей группы) с 5'-ОН-групп на определенных полинуклеотидах в локусах на поверхности для синтеза. Ионы Н+ затем удаляют. (См. фиг. 16В). Добавляют амидофосфит нуклеозида в качестве мономера, и полинуклеотиды будут доступны для сочетания с нуклеозидами по незаблокированным сайтам. Для синтеза полинуклеотидов осуществляют повтор циклов снятия защитных групп и сочетания. Благодаря нанесению перед добавлением на поверхность каждого типа мономера серий контролируемых с помощью электродов масок требуемые полинуклеотиды синтезируются в точных местоположениях на поверхности в контролируемой последовательности.The polynucleotides are present on the synthesis surface at a density of 1 polynucleotide per 50 nm 2 . The wells are separated in 1.0 µm increments. 10 nm thick side electrodes (located about 100 nm above the polynucleotide surface) are charged to create an H + ion concentration gradient that removes the protecting groups (where the polynucleotide is capped with an acid cleavable blocking group) from the 5'-OH -groups on certain polynucleotides at loci on the surface for synthesis. The H + ions are then removed. (See Fig. 16B). The nucleoside amidophosphite is added as a monomer and the polynucleotides will be available for coupling with the nucleosides at the unblocked sites. For the synthesis of polynucleotides, the cycles of deprotection and combination are repeated. By applying a series of electrode-controlled masks prior to addition to the surface of each monomer type, the desired polynucleotides are synthesized at precise locations on the surface in a controlled sequence.

Пример 6. Локальный контроль синтеза полинуклеотидов на твердой подложке с помощью электрических полей.Example 6. Local control of polynucleotide synthesis on a solid support using electric fields.

Полинуклеотиды длиной 240 оснований синтезируют на твердой подложке с применением описанных в настоящем документе способов. Твердая подложка содержит массив лунок с параметрами 500 нм (глубина) x 500 нм (диаметр). Каждая из лунок содержит адресуемый локус, адресуемые электроды внутри боковых стенок каждой лунки (площадь составляет 50000 нм2/электрод) и 250 нм (диаметр) поверхность для синтеза/присоединения полинуклеотидов в адресуемом сообщении с 250 нм (диаметр) адресуемым нижним электродом. Электроды являются независимо адресуемыми.Polynucleotides of 240 bases are synthesized on a solid support using the methods described herein. The solid support contains an array of wells with parameters of 500 nm (depth) x 500 nm (diameter). Each of the wells contains an addressable locus, addressable electrodes within the side walls of each well (area is 50,000 nm 2 /electrode) and a 250 nm (diameter) polynucleotide synthesis/attachment surface in an addressable message with a 250 nm (diameter) addressable bottom electrode. The electrodes are independently addressable.

- 31 039806- 31 039806

Полинуклеотиды присутствуют на поверхности для синтеза с плотностью 1 полинуклеотид на 50 нм2. Лунки разделены с шагом в 1,0 мкм. Добавляют амидофосфит нуклеозида в качестве мономера, и полинуклеотиды будут доступны для сочетания с нуклеозидами по незаблокированным сайтам. Для синтеза полинуклеотидов осуществляют повтор циклов снятия защитных групп и сочетания. Благодаря нанесению перед добавлением на поверхность каждого типа мономера серий контролируемых с помощью электродов масок требуемые полинуклеотиды синтезируются в точных местоположениях на поверхности в контролируемой последовательности. Нижние электроды на дне лунки активируются, в результате чего индуцируется высвобождение присоединенных к ней полинуклеотидов. Боковые электроды заряжают с целью генерации электрического поля, которое обеспечивает перемещение полинуклеотидов за пределы лунки. Затем добавляют амидофосфиты нуклеозидов в качестве мономеров, которые наращиваются на линкеры с возможностью повторного использования, присоединенные к поверхности, и синтез повторяется.The polynucleotides are present on the synthesis surface at a density of 1 polynucleotide per 50 nm 2 . The wells are separated in 1.0 µm increments. The nucleoside amidophosphite is added as a monomer and the polynucleotides will be available for coupling with the nucleosides at the unblocked sites. For the synthesis of polynucleotides, the cycles of deprotection and combination are repeated. By applying a series of electrode-controlled masks prior to addition to the surface of each monomer type, the desired polynucleotides are synthesized at precise locations on the surface in a controlled sequence. The lower electrodes at the bottom of the well are activated, resulting in the release of polynucleotides attached to it. The side electrodes are charged to generate an electric field that moves the polynucleotides out of the well. Nucleoside amidophosphites are then added as monomers, which grow onto reusable linkers attached to the surface, and the synthesis is repeated.

Пример 7. Локальный контроль синтеза полинуклеотидов на твердой подложке.Example 7 Local control of polynucleotide synthesis on a solid support.

Полинуклеотиды длиной 240 оснований синтезируют на твердой подложке с применением описанных в настоящем документе способов. Длина полинуклеотидов, представляющих собой днДНК, составляет приблизительно 80 нм, а длина полинуклеотидов, представляющих собой онДНК, составляет приблизительно 160 нм. Твердая подложка содержит массив адресуемых электродов диаметром 100 нм на поверхности для синтеза/присоединения полинуклеотидов (см. фиг. 19).Polynucleotides of 240 bases are synthesized on a solid support using the methods described herein. The dsDNA polynucleotides are approximately 80 nm long and the ssDNA polynucleotides are approximately 160 nm long. The solid support contains an array of addressable electrodes with a diameter of 100 nm on the surface for the synthesis/attachment of polynucleotides (see Fig. 19).

Полинуклеотиды присутствуют на поверхности для синтеза с плотностью 1 полинуклеотид на 39,27 нм2. Лунки разделены с шагом в 0,25 мкм. Электроды заряжают с целью создания градиента концентрации ионов Н+, которые обеспечивают удаление защитных групп (где полинуклеотид блокируют с помощью отщепляемой под действием кислоты блокирующей группы) с 5'-ОН-групп на определенных полинуклеотидах в локусах на поверхности для синтеза. Ионы Н+ затем удаляют. Добавляют амидофосфит нуклеозида в качестве мономера, и полинуклеотиды будут доступны для сочетания с нуклеозидами по незаблокированным сайтам. Для синтеза полинуклеотидов осуществляют повтор циклов снятия защитных групп и сочетания. Благодаря нанесению перед добавлением на поверхность каждого типа мономера серий контролируемых с помощью электродов масок требуемые полинуклеотиды синтезируются в точных местоположениях на поверхности в контролируемой последовательности.The polynucleotides are present on the synthesis surface at a density of 1 polynucleotide per 39.27 nm 2 . The wells are separated in 0.25 µm increments. The electrodes are charged to create an H + ion concentration gradient that removes protecting groups (where the polynucleotide is blocked by an acid-cleavable blocking group) from the 5'-OH groups on certain polynucleotides at the synthesis surface loci. The H + ions are then removed. The nucleoside amidophosphite is added as a monomer and the polynucleotides will be available for coupling with the nucleosides at the unblocked sites. For the synthesis of polynucleotides, the cycles of deprotection and combination are repeated. By applying a series of electrode-controlled masks prior to addition to the surface of each monomer type, the desired polynucleotides are synthesized at precise locations on the surface in a controlled sequence.

Хотя в настоящем документе были показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалистов в данной области будет очевидно, что такие варианты осуществления приведены исключительно в качестве примера. Многочисленные вариации, изменения и замены будут приходить на ум специалистам в данной области без отступления от настоящего изобретения. Следует понимать, что при применении настоящего изобретения на практике можно использовать различные альтернативы описанным в настоящем документе вариантам осуществления настоящего изобретения. Подразумевается, что нижеследующая формула изобретения определяет объем настоящего изобретения, и что способы и структуры в пределах объема этой формулы изобретения и их эквиваленты также охватываются ею.While preferred embodiments of the present invention have been shown and described herein, it will be apparent to those skilled in the art that such embodiments are provided by way of example only. Numerous variations, modifications and substitutions will occur to those skilled in the art without departing from the present invention. It should be understood that in the practice of the present invention, various alternatives to the embodiments of the present invention described herein may be used. It is intended that the following claims define the scope of the present invention, and that methods and structures within the scope of this claim and their equivalents are also covered by it.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM

Claims (19)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Устройство для хранения информации, содержащее твердую подложку, причем твердая подложка содержит множество лунок, причем каждая из лунок содержит адресуемый локус, содержащий поверхность для синтеза полинуклеотидов, расположенную в нижней области каждой из лунок;1. An information storage device comprising a solid support, the solid support comprising a plurality of wells, each of the wells containing an addressable locus containing a surface for polynucleotide synthesis located in the lower region of each of the wells; нижний электрод, находящийся в адресуемом сообщении с поверхностью для синтеза полинуклеотидов; и по меньшей мере один боковой электрод, расположенный на боковой стенке каждой из лунок, причем по меньшей мере один боковой электрод находится на расстоянии от 50 до 200 нм от нижней области.a bottom electrode in addressable communication with the surface for polynucleotide synthesis; and at least one side electrode located on the side wall of each of the wells, with at least one side electrode located at a distance of 50 to 200 nm from the lower region. 2. Устройство по п.1, где твердая подложка содержит адресуемые локусы с плотностью по меньшей мере 100x106 адресуемых локусов/см2.2. Device according to claim 1, wherein the solid support contains addressable loci with a density of at least 100x106 addressable loci/cm 2 . 3. Устройство по п.1, где лунки разделены с шагом не более чем 250 нм.3. The device according to claim 1, where the wells are separated with a step of not more than 250 nm. 4. Устройство по п.1, где каждая из лунок содержит глубину от 100 до 1000 нм.4. The device according to claim 1, where each of the wells contains a depth of from 100 to 1000 nm. 5. Устройство по п.1, где каждая из лунок содержит наибольший диаметр поперечного сечения от 100 до 800 нм.5. The device according to claim 1, where each of the wells contains the largest cross-sectional diameter from 100 to 800 nm. 6. Устройство по п.1, где нижний электрод предусматривает наибольшую площадь поперечного сечения от 104 до 105 нм2.6. The device according to claim 1, where the lower electrode provides the largest cross-sectional area from 10 4 to 105 nm 2 . 7. Устройство по п.1, где по меньшей мере один боковой электрод находится на расстоянии от 75 до 125 нм от нижней области.7. The device according to claim 1, wherein at least one side electrode is located at a distance of 75 to 125 nm from the lower region. 8. Устройство по п.1, где по меньшей мере один боковой электрод предусматривает высоту от 5 до 25 нм.8. The device according to claim 1, wherein at least one side electrode provides a height of 5 to 25 nm. 9. Устройство по п.1, содержащее по меньшей мере два боковых электрода.9. The device according to claim 1, containing at least two side electrodes. - 32 039806- 32 039806 10. Устройство по п.1, где по меньшей мере один боковой электрод и нижний электрод являются независимо адресуемыми.10. The apparatus of claim 1, wherein at least one side electrode and the bottom electrode are independently addressable. 11. Способ хранения информации, включающий:11. A method of storing information, including: a) обеспечение устройства по п.1;a) providing the device according to claim 1; b) обеспечение инструкций для синтеза полинуклеотидов;b) providing instructions for the synthesis of polynucleotides; c) внесение по меньшей мере одного нуклеозида на поверхность для синтеза, причем по меньшей мере один нуклеозид вступает в реакцию сочетания с полинуклеотидом, присоединенным к поверхности для синтеза; иc) introducing at least one nucleoside onto the synthesis surface, the at least one nucleoside being coupled to the polynucleotide attached to the synthesis surface; and d) повторение стадии с) для осуществления синтеза множества полинуклеотидов на поверхности для синтеза, причем инструкции предусматривают по меньшей мере одну последовательность, кодирующую множество полинуклеотидов.d) repeating step c) to synthesize a plurality of polynucleotides on a synthesis surface, the instructions providing for at least one sequence encoding the plurality of polynucleotides. 12. Способ по п.11, где способ дополнительно включает отщепление по меньшей мере одного полинуклеотида от поверхности, причем полинуклеотид растворен в капле.12. The method of claim 11, wherein the method further comprises cleaving at least one polynucleotide from the surface, the polynucleotide being dissolved in the droplet. 13. Способ по п.11, где способ дополнительно включает секвенирование по меньшей мере одного полинуклеотида с поверхности.13. The method of claim 11, wherein the method further comprises sequencing at least one polynucleotide from the surface. 14. Способ по п.11, в котором нуклеозид предусматривает амидофосфит нуклеозида.14. The method of claim 11 wherein the nucleoside comprises a nucleoside amidophosphite. 15. Способ по п.11, где способ дополнительно включает высушивание поверхности.15. The method of claim 11, wherein the method further comprises drying the surface. 16. Способ по п.11, где способ дополнительно включает стадию отщепления, причем стадия отщепления включает приложение электрического потенциала к нижнему электроду с целью генерации реагента для отщепления.16. The method of claim 11, wherein the method further comprises a cleavage step, the cleavage step comprising applying an electrical potential to the bottom electrode to generate a cleavage reagent. 17. Способ по п.11, где способ дополнительно включает стадию кэпирования.17. The method of claim 11, wherein the method further comprises the step of capping. 18. Способ по п.11, где способ дополнительно включает стадию окисления.18. The method of claim 11, wherein the method further comprises an oxidation step. 19. Способ по п.11, где способ дополнительно включает стадию деблокирования, причем стадия деблокирования включает приложение электрического потенциала по меньшей мере к одному боковому электроду с целью генерации реагента для снятия защитных групп.19. The method of claim 11, wherein the method further comprises a deblocking step, wherein the deblocking step includes applying an electrical potential to at least one side electrode to generate a deprotectant.
EA202091489A 2018-03-29 2019-01-03 Dna-based digital information storage EA039806B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862650231P 2018-03-29 2018-03-29
PCT/US2019/012218 WO2019136175A1 (en) 2018-01-04 2019-01-03 Dna-based digital information storage

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA202091489A1 EA202091489A1 (en) 2021-01-29
EA039806B1 true EA039806B1 (en) 2022-03-16

Family

ID=74222464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA202091489A EA039806B1 (en) 2018-03-29 2019-01-03 Dna-based digital information storage

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA039806B1 (en)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6017434A (en) * 1995-05-09 2000-01-25 Curagen Corporation Apparatus and method for the generation, separation, detection, and recognition of biopolymer fragments
US6728129B2 (en) * 2002-02-19 2004-04-27 The Regents Of The University Of California Multistate triple-decker dyads in three distinct architectures for information storage applications
US20040219663A1 (en) * 2003-04-30 2004-11-04 Page Robert D. Biopolymer array fabrication using different drop deposition heads
US20050112679A1 (en) * 2001-10-31 2005-05-26 Joel Myerson Use of ionic liquids for fabrication of polynucleotide arrays
US6969449B2 (en) * 2000-07-10 2005-11-29 Vertex Pharmaceuticals (San Diego) Llc Multi-well plate and electrode assemblies for ion channel assays
US8500979B2 (en) * 2009-12-31 2013-08-06 Intel Corporation Nanogap chemical and biochemical sensors
US20150293102A1 (en) * 2013-04-13 2015-10-15 Jung-Uk Shim Detecting low-abundant analyte in microfluidic droplets
US20160289758A1 (en) * 2007-04-04 2016-10-06 The Regents Of The University Of California Compositions, Devices, Systems, and Methods for Using a Nanopore
US20160318016A1 (en) * 2013-12-31 2016-11-03 IIIumina, Inc. Addressable flow cell using patterned electrodes

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6017434A (en) * 1995-05-09 2000-01-25 Curagen Corporation Apparatus and method for the generation, separation, detection, and recognition of biopolymer fragments
US6969449B2 (en) * 2000-07-10 2005-11-29 Vertex Pharmaceuticals (San Diego) Llc Multi-well plate and electrode assemblies for ion channel assays
US20050112679A1 (en) * 2001-10-31 2005-05-26 Joel Myerson Use of ionic liquids for fabrication of polynucleotide arrays
US6728129B2 (en) * 2002-02-19 2004-04-27 The Regents Of The University Of California Multistate triple-decker dyads in three distinct architectures for information storage applications
US20040219663A1 (en) * 2003-04-30 2004-11-04 Page Robert D. Biopolymer array fabrication using different drop deposition heads
US20160289758A1 (en) * 2007-04-04 2016-10-06 The Regents Of The University Of California Compositions, Devices, Systems, and Methods for Using a Nanopore
US8500979B2 (en) * 2009-12-31 2013-08-06 Intel Corporation Nanogap chemical and biochemical sensors
US20150293102A1 (en) * 2013-04-13 2015-10-15 Jung-Uk Shim Detecting low-abundant analyte in microfluidic droplets
US20160318016A1 (en) * 2013-12-31 2016-11-03 IIIumina, Inc. Addressable flow cell using patterned electrodes

Also Published As

Publication number Publication date
EA202091489A1 (en) 2021-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10936953B2 (en) DNA-based digital information storage with sidewall electrodes
US11562103B2 (en) Nucleic acid based data storage
US20230193383A1 (en) Flexible substrates for nucleic acid synthesis
CN110892485B (en) Nucleic acid-based data storage
US20220064206A1 (en) Devices and methods for synthesis
CA3184821A1 (en) Devices and methods for light-directed polymer synthesis
WO2022204301A1 (en) Electrochemical polynucleotide synthesis
EA039806B1 (en) Dna-based digital information storage