JP2016504593A - ナノポアアレイ - Google Patents

Abstract

チップに組み込まれた複数のセルを含むナノポアアレイを用いて分子を分析する方法を開示する。複数のセルの少なくとも一部にナノポアを形成する。ナノポアの第１の物理的測定値を評価する。分子をナノポアと相互作用させるかどうかを決定する。ナノポアの少なくとも一部を分子と相互作用させる。分子の特性を示す、ナノポアに関する第２の物理的測定値を評価する。セルを再利用して別の分子と相互作用させるためにナノポアを再形成するかどうかを決定する。【選択図】図１

Description

[0001]半導体産業で近年微細化が進展したことにより、生物工学者は、ますます小型化した形状の素子、いわゆるバイオチップに従来の嵩高の検出機器を組み込むことができるようになってきた。このようなバイオチップにおいては、より堅牢かつ効率的でありながら経済性に優れた技法の開発が望まれている。

[0002]本発明の種々の態様を以下の詳細な説明及び添付図面に開示する。
[0003]
ナノポア装置を用いて分子を分析するシステム１００の態様を説明するブロック図である。 [0004] ナノポアアレイ１０２内のセルに電圧刺激を印加する態様を説明するブロック図である。 [0005] ナノポアアレイ１０２を構成するセル内のナノポア装置３００の態様を説明する図である。 [0006] 脂質二重層がまだ形成されていない状態のナノポア装置３００を説明する図である。 [0007] 脂質二重層３０２が形成された状態のナノポア装置３００を説明する図である。 [0008] ナノポア３１０を備えるナノポア構造体３０８が脂質二重層３０２に挿入された状態のナノポア装置３００を説明する図である。 [0009] ナノポア装置を用いて分子を分析するプロセス５００の態様を説明するフロー図である。

[0010]本発明は、プロセス、装置、システム、組成物、コンピュータ読み取り可能な記録媒体で具現化されたコンピュータプログラム製品及び／または処理装置（処理装置に接続されたメモリによって格納されている命令及び／またはそのようなメモリによって提供される命令を実行するように構成された処理装置など）を含む多くの様式で実装することができる。本明細書では、これらの実装形態、または本発明が取ることができる任意の他の形態を技法と呼ぶ。一般に、開示するプロセスの工程の順序は、本発明の範囲内で変更することが可能である。特に指定のない限り、タスクを行うように構成されているものとして述べる処理装置やメモリなどの構成要素は、そのタスクを所与の時間に行うように一時的に構成された汎用構成要素として実装することも、そのタスクを行うために製造された専用構成要素として実装することもできる。本明細書中用いられる用語「処理装置」は、コンピュータプログラム命令などのデータを処理するように構成された１つ以上の装置、回路及び／または処理コアを指す。

[0011]種々の態様では、本明細書に述べる技法が、様々なシステムあるいは形態で実装される。ある態様では、本技法は、特定用途向け集積回路（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ：ＡＳＩＣ）またはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ）としてハードウェアに実装される。ある態様では、処理装置（例えば、ＡＲＭコアなどの組み込み型処理装置）を用いるが、この処理装置には、本明細書に述べる技法を行うための命令が提供され、あるいは読み込まれる。ある態様では、コンピュータ読み取り可能な記録媒体で具現化され、コンピュータ命令を含むコンピュータプログラム製品として本技法が実装される。

[0012]以下、本発明の１つ以上の態様の詳細な説明を、本発明の原理を図示する添付図面と共に提供する。かかる態様に関連付けて本発明を説明しているが、本発明はいかなる態様にも限定されない。本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定され、本発明は多くの代替形態、修正形態及び均等形態を包含する。本発明を完全に理解できるように、以下の説明において多くの具体的な詳細事項を記載する。これらの詳細事項は例示目的で提示されるものであり、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てを用いなくても、特許請求の範囲に従って実施することが可能である。分かりやすくするため、本発明に関係する技術分野で知られている技術項目は詳細に説明していないが、これは本発明が必要以上に分かりにくくならないようにするためである。

[0013]半導体産業で近年微細化が進展したことにより、生物工学者は、ますます小型化した形状の素子、いわゆるバイオチップに、従来の嵩高の検出機器を組み込むことができるようになってきた。これらのチップは、本質的に、数百あるいは数千の生化学反応を行うことができる小型の実験室であるといえる。バイオチップを用いることにより、研究者は、疾病診断から生物テロ兵器の検出に至るまでの様々な目的で、大量の生物学的分析物を素早くふるい分けることができる。

[0014]典型的には、バイオチップは多数のセルを含む。例えば、ヌクレオチドをシーケンス処理するバイオチップは、１つのアレイ内に数千あるいは数百万の単一セルを含み得る。各セルは、複数のモノマーで構成される分子複合体を含み、これらのモノマーによってオリゴマーのナノポアが形成される。各セルはさらに、１本鎖ＤＮＡ及び１本鎖ＤＮＡに結合した任意の物質を含み得る。ナノポアは、電気的絶縁膜に開いた小さな穴であり、単分子検出器として用いることができる。ナノポアは、アルファヘモリジンまたはＭｓｐＡなどの生物学的材料を用いて形成してもよい。また、ナノポアは、半導体材料などの固体材料を用いて形成してもよい。ナノポアを含有する分子複合体に小さな電圧を印加すると、その分子複合体にイオン電流が流れ、この電流を測定することによって分子複合体を通過する分子の構造についての情報を得ることができる。アレイを構成する１つのセル内に電気回路を用いることにより、ナノポアを含有する脂質二重層に印加される電気的刺激を制御すると共に、ナノポアを通過する分子の電気的パターンや特徴を検出及び分析することができるようにしてもよい。

[0015]図１は、ナノポア装置を用いて分子を分析するシステム１００の態様を説明するブロック図である。システム１００は、ナノポアアレイ１０２、主制御部１０４、温度制御部１０６、流体システム１０８、抽出した結果を格納する記憶装置１１０、及びメモリ１１２を含む。ある態様では、一部のモジュールを１つのモジュールとして組み合わせてもよく、一部のモジュールを必要に応じて用いてもよい。ある態様では、ナノポアアレイ１０２の各セル及び各セル内のナノポア装置は、主制御部１０４、温度制御部１０６及び流体システム１０８を含むシステム１００の他のモジュールによりそれぞれ制御可能かつアドレス指定可能である。ある態様では、各セルに対応する性能データまたは他のデータを、ナノポアアレイ１０２からシステム１００内の他のモジュールに送ってもよい。制御データ信号、アドレスデータ信号、性能データ信号または他のデータ信号を、ナノポアアレイ１０２とシステム１００内の他のモジュールの間で信号線１１４、１１６及び１１８Ａを介して伝達してもよい。

[0016]ある態様では、ナノポアアレイ１０２の各セル及び各セル内のナノポア装置は、主制御部１０４によってそれぞれ制御可能かつアドレス指定可能である。これにより、主制御部１０４がナノポアアレイ１０２内の各セルまたは各セル群を制御して、特定のセルまたは特定のセル群に独立して異なる機能を行わせ、あるいは異なる状態を介して遷移させることが可能となるが、これがナノポアアレイ１０２内の他のセルまたは他のセル群の作動または経過に影響を及ぼすことはない。１つの実施例では、主制御部１０４が、ナノポアアレイ１０２内の作動不良セルをある状態（例えば、使用禁止状態）に移行させることにより、その作動不良セルがナノポアアレイ１０２内の他のセルの作動に影響を及ぼさないようにしてもよい。例えば、特定のセル内に脂質二重層を形成することができなかった場合には、そのセルを使用禁止にして、当該セルに電気的刺激が印加されないようにしてもよい。さもなけなければ、当該セルに大きな電流が流れて、ナノポアアレイ１０２内の他のセルの性能に影響を及ぼす恐れがある。

[0017]別の実施例では、主制御部１０４がナノポアアレイ１０２に制御信号を送って、異なるセルまたは異なるセル群に異なる刺激を加えるようにしてもよい。例えば、第１の刺激（例えば、電圧）を第１のセル群に、第２の刺激を第２のセル群に、それぞれ時刻ｔ_１に加える。第１の刺激は、セルの特定の状態に対応する刺激としてよく、第２の刺激は、セルのそれとは異なる状態に対応する刺激としてよい。第１のセル群がある状態から別の状態に遷移するのに伴って、第１のセル群に加える刺激を経時的に変化させてもよい。図２は、ナノポアアレイ１０２内のセルに電圧刺激を印加する態様を説明するブロック図である。図２に示すように、主制御部１０４からの制御信号を多重変換器２０２への入力に用いて２つの電圧のうちの一方を選択することが可能であり、その選択された電圧をナノポアアレイ１０２内のセルに印加することができる。

[0018]ある態様では、各セルに対応する性能データまたは他のデータを主制御部１０４で受け取ってもよい。各セルの性能データまたは他のデータを監視することにより、主制御部１０４は、各セルのいかなる状態遷移も決定し得る。主制御部１０４は、メモリ１１２内に各セルの状態情報を格納してもよい。加えて、ナノポアアレイ１０２の全体的な性能がある閾値を下回った場合には、主制御部１０４は、ナノポアアレイ１０２を初期状態に戻して再初期化することにより、ナノポアアレイ１０２で動作する任意のプロセスを終了し、あるいは再起動するようにしてもよい。ある態様では、ナノポアアレイ１０２をさらに複数回再利用してもよい。例えば、ナノポアアレイ１０２を用いて、異なる実験時に異なる種類の試料を分析するようにしてもよい。別の実施例では、ナノポアアレイ１０２を再利用して、１種類の試料を複数回の実験にわたって分析するようにしてもよい。ある態様では、ナノポアアレイ１０２を再利用する前に、主制御部１０４及び流体システム１０８が、ナノポアアレイ１０２の内容物を流し出し、あるいは洗い流すようにしてもよい。

[0019]ある態様では、ナノポアアレイ１０２の各セルは、温度制御部１０６により信号線１１６を介してそれぞれ制御可能かつアドレス指定可能である。セルに対応する温度データまたは他のデータを、信号線１１６を介して温度制御部１０６で受け取ってもよい。特定のセルまたは特定のセル群の状態または状況に応じて、温度制御部１０６は、異なる温度刺激をそのセルまたはそのセル群に加えてもよい。ある態様では、温度制御部１０６は、信号線１２０を介して各セルの状態情報を受け取り、少なくとも部分的にその状態情報に基づいてナノポアアレイ１０２内の各セルに適切な温度刺激を加える。ある態様では、温度制御部１０６は、信号線１２０を介して主制御部１０４から制御信号を受け取り、次いで、受け取った制御信号に基づいてナノポアアレイ１０２内の各セルに適切な温度刺激を加える。

[0020]ある態様では、ナノポアアレイ１０２のセルは、流体システム１０８によりそれぞれ制御可能かつアドレス指定可能である。制御情報及びアドレス情報は、ナノポアアレイ１０２と流体システム１０８の間を、信号線１１８Ａを介して伝達される。チャネル１１８Ｂを介して、ナノポアアレイ１０２の各セルの内外に異なる内容物を移送してもよい。この内容物は、ナノポアアレイ１０２の各セル内の運用に用いられる任意の流体または試薬であってよく、洗浄用食塩水、ナノポアアレイ１０２で分析すべき試料、脂質二重層形成試薬、ナノポア形成試薬、ガス触媒などが含まれる。ナノポアアレイ１０２の外部に移送される内容物は、ナノポアアレイ１０２で分析された試料から抽出される任意の分子であってよく、抽出された分子をさらに、流体システム１０８で記憶装置１１０に移送してもよい。この内容物は、液体またはガスを含む任意の形態であってよい。特定のセルまたは特定のセル群の状態または状況に応じて、流体システム１０８は、異なる流体をそのセルまたはそのセル群に移送し、あるいはそこから移送してもよい。ある態様では、流体システム１０８は、信号線１２２を介して各セルの状態情報を受け取り、少なくとも部分的にその状態情報に基づいて適切な流体をナノポアアレイ１０２内の各セルに移送し、あるいは各セルから移送する。ある態様では、流体システム１０８は、信号線１２２を介して主制御部１０４から制御信号を受け取り、次いで、受け取った制御信号に基づいて適切な流体をナノポアアレイ１０２内の各セルに移送し、あるいは各セルから移送する。ある態様では、ナノポアアレイ１０２を再利用する前に、主制御部１０４及び流体システム１０８でナノポアアレイ１０２の内容物を流し出し、あるいは洗い流すようにしてもよい。

[0021]ナノポアアレイ１０２は、多数のセルを含む。各セルは、分子を分析して特徴付けるためのナノポア装置を含む。ナノポア装置内部には、脂質二重層が形成され、次いで、その脂質二重層上にナノポア構造体が形成される。ナノポア構造体はナノポアを有する。このナノポアは、分析される分子の少なくとも一部を囲み、あるいは分子の少なくとも一部を脂質二重層の２面間に通すのに十分な大きさを持っている。ナノポア装置はまた、分析される分子の溶液を保持する試料室も含む。この溶液を脂質二重層の上部に供給して、分析により特徴付けられる分子を導入するようにしてもよい。ナノポア装置は、電気的刺激を与え、電気的特性を感知し、ナノポア装置の信号を検出及び処理する手段をさらに含む。

[0022]図３は、ナノポアアレイ１０２を構成するセル内のナノポア装置３００の態様を説明する図である。ナノポア装置３００は、導電性固体基板３０６の脂質二重層適合性表面３０４上に形成された脂質二重層３０２を含む。脂質二重層不適合性表面３０５によって脂質二重層適合性表面３０４を隔離してもよく、絶縁部材３０７によって導電性固体基板３０６を電気的に絶縁してもよい。脂質二重層不適合性表面３０５上に形成された無定型脂質３０３によって脂質二重層３０２を囲んでもよい。

[0023]ある態様では、脂質二重層３０２には、ナノポア３１０を有する１つのナノポア構造体３０８が埋め込まれている。このナノポア３１０は、特徴付けられる分子３１２の少なくとも一部及び／または小さなイオン（例えば、Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋、Ｃｌ⁻）を脂質二重層３０２の２面間に通すのに十分な大きさを持っている。水分子層３１４（水被膜３１４とも呼ばれる）を脂質二重層適合性表面３０４に吸着させて、脂質二重層３０２と脂質二重層適合性表面３０４の間に挟んでもよい。親水性の脂質二重層適合性表面３０４に吸着した水被膜３１４により、脂質分子の秩序化を促進し、脂質二重層適合性表面３０４に脂質二重層３０２を形成しやすくすることが可能である。

[0024]脂質二重層３０２の上部に試料室３１６を設けて、特徴付けられる試料を導入するようにしてもよい。この試料は、特徴付けられる分子３１２の溶液であってよい。この溶液は、電解質を含有し、最適なイオン濃度に緩衝され、ナノポア３１０を開いておくために最適なｐＨに維持された水溶液であってよい。ある態様では、試料室３１６は、流体システム１０８から試料を受け取る。さらに、試料の特徴付けが行われた後に、流体システム１０８で当該試料をナノポア装置３００から流し出してもよい。さらに、流体システム１０８で試料室３１６を食塩水で洗浄して、ナノポア装置３００をもう一度再利用できるようにしてもよい。

[0025]ナノポア装置３００は、可変電圧源３２０に接続された一対の電極３１８（陰極３１８ａ及び陽極３１８ｂを含む）を含み、これによって脂質二重層３０２に電気的刺激（例えば、電圧偏位）を与え、脂質二重層３０２の電気的特性（例えば、抵抗、容量及びイオン電流）を感知できるようになっている。陽極３１８ｂの表面は、脂質二重層適合性表面３０４の一部であり、あるいは脂質二重層適合性表面３０４の一部を形成する。導電性固体基板３０６は、電極３１８の片方の一部に接続されてよく、あるいは電極３１８の片方の一部を形成してよい。ナノポア装置３００はまた、電気的刺激を制御し、検出された信号を処理する電気回路３２２を含んでもよい。ある態様では、可変電圧源３２０が電気回路３２２の一部に含まれている。電気回路３２２は、増幅器、積分器、ノイズフィルタ、フィードバック制御論理回路及び／または種々の他の構成要素を含んでよい。ある態様では、電気回路３２２は、シリコン基板３２８に内蔵された集積電気回路であってよく、さらに、メモリ３２６に接続されたコンピュータ処理装置３２４に接続されてもよい。例えば、コンピュータ処理装置３２４は、主制御部１０４の一部であってよく、メモリ３２６は、主制御部１０４に接続されているメモリ１１２であってよい。主制御部１０４は、ナノポア装置３００の種々の構成要素を、電気回路３２２を介して制御することが可能である。主制御部１０４はまた、ナノポア装置３００によって収集されたデータを、電気回路３２２を介して受け取ってもよい。

[0026]脂質二重層適合性表面３０４は、脂質二重層の形成を促進するためのイオン交換及びガス生成に適した種々の材料から形成することができる。ある態様では、絶縁性の親水性材料ではなく、導電性または半導電性の親水性材料が好ましい。なぜなら、これによって脂質二重層の電気的特性の変化をより良好に検出することができるためである。例示的な材料としては、Ａｇ−ＡｇＣｌ、Ａｇ−Ａｕ合金、Ａｇ−Ｐｔ合金またはドープ済みシリコンもしくは他の半導体材料が挙げられる。

[0027]脂質二重層不適合性表面３０５は、脂質二重層の形成に適していない種々の材料から形成することができるが、これらは典型的には疎水性である。ある態様では、非導電性の疎水性材料が好ましい。なぜなら、この材料を用いることにより、脂質二重層の各領域が電気的に絶縁され、さらに互いに分離されるためである。例示的な脂質二重層不適合性材料としては、窒化ケイ素（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）及びテフロン（登録商標）が挙げられる。

[0028]１つの特定の実施例では、図３のナノポア装置３００は、アルファヘモリジン（αＨＬ）のナノポア装置である。このナノポア装置３００は、ジフィタノイルホスファチジルコリン（ＤＰｈＰＣ）の脂質二重層３０２に埋め込まれた１つのαＨＬタンパク質を有し、この脂質二重層３０２は、銅材料３０６に塗布された脂質二重層適合性の銀−金合金表面３０４の上部に形成されている。脂質二重層適合性の銀−金合金表面３０４は、脂質二重層不適合性の窒化ケイ素表面３０５によって隔離されており、銅材料３０６は、窒化ケイ素材料３０７によって電気的に絶縁されている。銅３０６は、シリコン基板３２８に内蔵された電気回路３２２に接続されている。チップ上に配置され、あるいは被せ板から下に延在する銀−塩化銀電極が、ｄｓＤＮＡ分子を含有する水溶液に接触している。

[0029]αＨＬナノポアは、７個の個別ペプチドの集合体である。αＨＬナノポアの入り口または前庭は直径が約２６Åであり、これはｄｓＤＮＡ分子の一部を収容するのに十分な広さである。αＨＬナノポアは、まず前庭から広くなっており、次いで直径約１５Åの胴部に向かって狭くなる。この直径は、１つのｓｓＤＮＡ分子が通過できる程度の広さであるが、ｄｓＤＮＡ分子が通過できる程度には広くない。所与の時間に、約１〜２０個のＤＮＡ塩基がαＨＬナノポアの胴部を占有することができる。

[0030]ＤＰｈＰＣに加えて、ナノポア装置の脂質二重層は、種々の考慮事項に基づいて選択された種々の他の好適な両親媒性材料による集合体とすることができる。このような考慮事項としては、使用されるナノポアの種類、特徴付けられる分子の種類、並びに形成された脂質二重層の種々の物理的、化学的並びに／または電気的特性（形成された脂質二重層の安定性及び透過性、抵抗並びに容量など）などがある。例示的な両親媒性材料としては、種々のリン脂質類が挙げられる。例えば、パルミトイル−オレオイル−ホスファチジル−コリン（ＰＯＰＣ）及びジオレオイル−ホスファチジル−メチルエステル（ＤＯＰＭＥ）、ジフィタノイルホスファチジルコリン（ＤＰｈＰＣ）、ジパルミトイルホスファチジルコリン（ＤＰＰＣ）、ホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジル酸、ホスファチジルイノシトール、ホスファチジルグリセロール並びにスフィンゴミエリンなどである。

[0031]上記のαＨＬナノポアに加えて、ナノポアは、様々な他の種類のナノポアの１つであってよい。例えば、γ−ホモリジン、ロイコシジン、メリチン、並びに様々な他の天然由来ナノポア、変性天然ナノポア及び合成ナノポアが挙げられる。ナノポアは、分析物分子の種々の特性に基づいて選択されることが好ましい。このような特性としては、ナノポアのポア径に対する分析物分子の大きさなどがある。例えば、αＨＬナノポアは、ポア径が約１５Åに制限されたナノポアであるが、このことはＤＮＡ分子を分析するのに好適である。なぜなら、この制限により、２本鎖ＤＮＡ（ｄｓＤＮＡ）の通過を制限しつつ、１本鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）を通過させることができるためである。

[0032]図４Ａ〜図４Ｃは、ナノポア装置３００の３つの異なる状態を説明する図である。図４Ａは、脂質二重層がまだ形成されていない状態のナノポア装置３００を説明する図である。図４Ｂは、脂質二重層３０２が形成された状態のナノポア装置３００を説明する図である。図４Ｃは、ナノポア３１０を備えるナノポア構造体３０８が脂質二重層３０２に挿入された状態のナノポア装置３００を説明する図である。

[0033]図５は、ナノポア装置を用いて分子を分析するプロセス５００の態様を説明するフロー図である。ある態様では、プロセス５００は、図１のシステム１００によって行われるプロセスである。

[0034]５０２では、システム１００の種々の機能を検証する。ある態様では、主制御部１０４は、ナノポアアレイ１０２、温度制御部１０６及び流体システム１０８を含むシステム１００の各モジュールにテスト信号を送ってもよい。応答時、各モジュールがそれぞれの検証工程を行ってもよい。例えば、ナノポアアレイ１０２は、特定のナノポア装置に流れる電流を測定してもよい。各モジュールで検証工程が行われた後に、それぞれのモジュールが主制御部１０４に確認用の応答を送り返してもよい。種々のモジュールから受け取った応答に応じて、主制御部１０４は、さらに検証が必要かどうかを決定してもよい。ある態様では、検証結果を記録ファイルに格納してもよい。ある態様では、主制御部１０４が何らかの異常を検出した場合、警告を発してもよく、プロセス５００を終了してもよい。

[0035]ある態様では、種々のモジュールの検証を異なる水準で行ってもよく、その水準を設定可能としてもよい。例えば、主制御部１０４は、ナノポアアレイ１０２の各機能を、プリント回路基板の水準で、あるいは半導体チップの水準で検証してもよい。ある態様では、主制御部１０４は、セル群の各機能を検証してもよい。群内で正常に作動しているセルの数がある閾値を下回った場合、主制御部１０４は、そのセル群が作動不良であり、当該セル群の使用を禁止すべきであると決定してもよい。

[0036]５０４では、脂質二重層を集合形成する。ある態様では、主制御部１０４は、流体システム１０８からナノポアアレイ１０２の各セルに脂質形成試薬を移送するようにしてもよい。次いで、脂質形成試薬を、セル内の脂質二重層適合性表面３０４に堆積させる。前述のように、種々の両親媒性材料を含む種々の材料を用いて脂質二重層を形成してよい。形成すべき脂質二重層の種類に応じて、主制御部１０４は、異なる刺激（例えば、電気的刺激、温度刺激、化学的刺激またはガス刺激）をセルに加えて、脂質二重層の集合形成を促進するようにしてもよい。

[0037]５０６では、脂質二重層が正常に形成されているかどうかを決定する。形成すべき脂質二重層の種類に応じて、異なる物理的特性または電気的特性を各セルで測定し（例えば、抵抗、電流または容量の測定）、次いで、その測定値を主制御部１０４に信号線１１４を介して送ることにより、脂質二重層が正常に集合形成されているかどうかを決定するようにしてもよい。ある態様では、ナノポアアレイ１０２内の最小個数のセルで脂質二重層が正常に集合形成されたことを主制御部１０４が決定するまで、工程５０４と５０６を繰り返す。ある態様では、脂質二重層が正常に集合形成されたセルの数が一定時間後にある閾値を下回っていた場合、主制御部１０４はプロセス５００を終了してもよい。加えて、警告を発してもよく、異常メッセージを記録ファイルに書き込んでもよい。ある態様では、脂質二重層が正常に集合形成されたセルの数がある閾値を上回った場合、主制御部１０４は、システム１００を工程５０８に進めてもよい。

[0038]５０８では、ナノポアを備えたナノポア構造体を挿入する。ある態様では、主制御部１０４は、流体システム１０８からナノポアアレイ１０２の各セルにナノポア形成試薬（例えば、アルファヘモリジン含有溶液）を移送するようにしてもよい。主制御部１０４は、種々の刺激（例えば、電気的刺激、温度刺激、化学的刺激またはガス刺激）をセルに加えて、脂質二重層へのナノポア構造体の挿入を促進するようにしてもよい。

[0039]５１０では、ナノポア構造体が正常に形成されているかどうかを決定する。形成すべきナノポアの種類に応じて、異なる測定（例えば、抵抗、電流または容量の測定）を各セルで行い、次いで、その測定値を主制御部１０４に信号線１１４を介して送ることにより、ナノポアが正常に挿入されているかどうかを決定するようにしてもよい。ある態様では、ナノポアアレイ１０２内の最小個数のセルでナノポアが正常に挿入されたことを主制御部１０４が決定するまで、工程５０８と５１０を繰り返す。ある態様では、ナノポアが正常に挿入されたセルの数が一定時間後にある閾値を下回っていた場合、主制御部１０４はプロセス５００を終了してもよい。加えて、警告を発してもよく、異常メッセージを記録ファイルに書き込んでもよい。ある態様では、ナノポアが正常に挿入されたセルの数がある閾値を上回った場合、主制御部１０４は、システム１００を工程５１２に進めてもよい。

[0040]５１２では、ナノポアアレイ１０２内のナノポアを用いて試料を分析する。ある態様では、主制御部１０４は、流体システム１０８からナノポアアレイ１０２内の試料室３１６に試料を移送するようにしてもよい。分析される試料の種類や形成されるナノポアを含む種々の要因に応じて、主制御部１０４は、異なる刺激（例えば、電気的刺激、温度刺激、化学的刺激またはガス刺激）を各セルに加えることにより、ナノポア内の分子の操作、検出、相関付け、特徴付け、分析及び／または順序付けを促進するようにしてもよい。種々の測定（例えば、抵抗、電流または容量の測定）を各セルで行い、次いで、その測定値を主制御部１０４に信号線１１４を介して送ってもよい。主制御部１０４は、受け取った測定値を用いて、分子がナノポア内部にとどまり、ナノポアを通り抜け、あるいはナノポアと相互作用する際に当該分子の種々の構造的及び化学的特徴の検出、相関付け、同定、特徴付け、順序付け及び／または区別を行うことが可能である。

[0041]５１４では、繰り返して利用できるようにナノポアアレイを初期状態に戻して再初期化する。ある態様では、ナノポアアレイ１０２をさらに複数回再利用してもよい。例えば、ナノポアアレイ１０２を用いて、異なる実験時に異なる種類の試料を分析するようにしてもよい。別の実施例では、ナノポアアレイ１０２を再利用して、１種類の試料を複数回の実験にわたって分析するようにしてもよい。新たなナノポアをナノポアアレイ１０２内に再形成することにより、ナノポアアレイ１０２を再利用するようにしてもよい。新たなナノポアをナノポアアレイ１０２内に再形成する前に、主制御部１０４及び流体システム１０８が、ナノポアアレイ１０２内の内容物（例えば、ナノポアが挿入された脂質二重層、ナノポアが挿入されていない脂質二重層、及び試料）を流し出し、あるいは洗い流す（例えば、食塩水を用いて）ようにしてもよい。

[0042]ある態様では、主制御部１０４は、ナノポアアレイ１０２の各セル内に任意の対象分子または他の対象内容物が残留しているかどうかを検出及び決定してもよい。主制御部１０４及び流体システム１０８は、対象分子または他の対象内容物が見つからなかったセル内の内容物（例えば、脂質二重層）を選択的に洗い流してもよい。残りのセル内の対象分子または他の対象内容物を回収してもよい。１つの実施例では、分子を手動で抽出してもよい。別の実施例では、主制御部１０４及び流体システム１０８が、対象分子または他の対象内容物を記憶装置１１０に移送し、その後、残りの内容物を洗い流してもよい。５１４の後に、さらに繰り返して利用できるようにナノポアアレイ１０２を準備し、次いでプロセス５００を５０２から再開してもよい。ある態様では、ステップ５１４を行ってからナノポアアレイ１０２を初めて利用する。例えば、ナノポアアレイ１０２を食塩水で洗浄してからシステム１００の各機能を５０２で確認する。

[0043]上述の態様について、理解しやすくするために本明細書で詳細に説明してきたが、本発明は提示された詳細事項に限定されるものではなく、本発明を実施する多くの代替方法が存在する。開示された態様は例示的であり、限定的ではない。

Claims (44)

1. チップに組み込まれた複数のセルを含むナノポアアレイを用いて分子を分析する方法であって、
   複数のセルの少なくとも一部にナノポアを形成すること、
   ナノポアに関する第１の物理的測定値を評価すること、
   分子をナノポアと相互作用させることを決定すること、
   ナノポアの少なくとも一部を分子と相互作用させること、
   分子の特性を示す、ナノポアに関する第２の物理的測定値を評価すること、及び
   セルを再利用して別の分子と相互作用させるためにナノポアを再形成することを決定すること、を含む方法。
2. ナノポアの少なくとも一部を分子と相互作用させることは、主制御部からチップに信号を送ることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 複数のセルの少なくとも一部にナノポアを形成することは、
   脂質二重層を形成すること、
   セルに関する物理的測定値を評価すること、及び
   ナノポアを形成する際にはナノポアを脂質二重層の少なくとも一部に形成することを決定すること、を含む請求項１に記載の方法。
4. 脂質二重層を形成することは、複数のセル内に脂質二重層形成試薬を堆積させることを含む、請求項３に記載の方法。
5. ナノポアを形成することを決定することは、少なくとも部分的にセルに関する物理的測定値の評価に基づいて、少なくとも閾数のセルにおける脂質二重層の形成を検証することを含む、請求項３に記載の方法。
6. 各セルの状態を決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 各セルの状態は、脂質二重層が形成されていないこと、脂質二重層が形成されていること、及びナノポアが形成されていることのうちの１つを含む、請求項６に記載の方法。
8. 各セルの状態を決定することは、少なくとも部分的にナノポアアレイから受け取った測定値に基づいている、請求項６に記載の方法。
9. 特定のセルが作動不良であると決定すること、及び
   セルを使用禁止とし、少なくとも一部の他のセルを作動可能のままとすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 第１の刺激を第１のセル群に加え、第２の刺激を第２のセル群に加えることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 分子をナノポアと相互作用させることを決定することは、少なくとも部分的にナノポアに関する第１の物理的測定値の評価に基づいて、少なくとも閾数のセルにおけるナノポアの形成を検証することを含む、請求項１に記載の方法。
12. ナノポアを形成することは、複数のセル内にナノポア形成試薬を堆積させることを含む、請求項１に記載の方法。
13. ナノポアの少なくとも一部を分子と相互作用させることは、複数のセル内に分子を堆積させることを含む、請求項１に記載の方法。
14. ナノポアを再形成することは、１つ以上のセル内の内容物をセルから流し出すことを含む、請求項１に記載の方法。
15. ナノポアを再形成することは、１つ以上のセルを洗浄することを含む、請求項１に記載の方法。
16. セル内の任意の対象内容物を検出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 検出された対象内容物をセルから抽出することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. チップに組み込まれた複数のセルを含むナノポアアレイを用いて分子を分析するシステムであって、
    複数のセルの少なくとも一部にナノポアを形成し、
    ナノポアに関する第１の物理的測定値を評価し、
    分子をナノポアと相互作用させることを決定し、
    ナノポアの少なくとも一部を分子と相互作用させ、
    分子の特性を示す、ナノポアに関する第２の物理的測定値を評価し、
    セルを再利用して別の分子と相互作用させるためにナノポアを再形成することを決定するように構成された処理装置と、
    処理装置に接続され、処理装置に命令を送るように構成されたメモリと、を備えるシステム。
19. ナノポアの少なくとも一部を分子と相互作用させることは、処理装置がチップに信号を送ることを含む、請求項１８に記載のシステム。
20. 複数のセルの少なくとも一部にナノポアを形成することは、
    脂質二重層を形成すること、
    セルに関する物理的測定値を評価すること、及び
    ナノポアを形成する際にはナノポアを脂質二重層の少なくとも一部に形成することを決定すること、を含む請求項１８に記載のシステム。
21. 脂質二重層を形成することは、複数のセル内に脂質二重層形成試薬を堆積させることを含む、請求項２０に記載のシステム。
22. ナノポアを形成することを決定することは、少なくとも部分的にセルに関する物理的測定値の評価に基づいて、少なくとも閾数のセルにおける脂質二重層の形成を検証することを含む、請求項２０に記載のシステム。
23. 処理装置がさらに、各セルの状態を決定するように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
24. 各セルの状態は、脂質二重層が形成されていないこと、脂質二重層が形成されていること、及びナノポアが形成されていることのうちの１つを含む、請求項２３に記載のシステム。
25. 各セルの状態を決定することは、少なくとも部分的にナノポアアレイから受け取った測定値に基づいている、請求項２３に記載のシステム。
26. 処理装置がさらに、特定のセルが作動不良であることを決定して、セルを使用禁止とし、少なくとも一部の他のセルを作動可能のままとするように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
27. 処理装置がさらに、第１の刺激を第１のセル群に加え、第２の刺激を第２のセル群に加えるように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
28. 分子をナノポアと相互作用させることを決定することは、少なくとも部分的にナノポアに関する第１の物理的測定値の評価に基づいて、少なくとも閾数のセルにおけるナノポアの形成を検証することを含む、請求項１８に記載のシステム。
29. ナノポアを形成することは、複数のセル内にナノポア形成試薬を堆積させることを含む、請求項１８に記載のシステム。
30. ナノポアの少なくとも一部を分子と相互作用させることは、複数のセル内に分子を堆積させることを含む、請求項１８に記載のシステム。
31. ナノポアを再形成することは、１つ以上のセル内の内容物をセルから流し出すことを含む、請求項１８に記載のシステム。
32. ナノポアを再形成することは、１つ以上のセルを洗浄することを含む、請求項１８に記載のシステム。
33. 処理装置がさらに、セル内の任意の対象内容物を検出するように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
34. 処理装置がさらに、検出された対象内容物をセルから抽出するように構成されている、請求項３３に記載のシステム。
35. チップに組み込まれた複数のセルを含むナノポアアレイを用いて分子を分析するコンピュータプログラム製品であって、コンピュータプログラム製品が有形のコンピュータ読み取り可能な記録媒体で具現化され、
    複数のセルの少なくとも一部にナノポアを形成すること、
    ナノポアに関する第１の物理的測定値を評価すること、
    分子をナノポアと相互作用させることを決定すること、
    ナノポアの少なくとも一部を分子と相互作用させること、
    分子の特性を示す、ナノポアに関する第２の物理的測定値を評価すること、及び
    セルを再利用して別の分子と相互作用させるためにナノポアを再形成することを決定すること、を行うコンピュータ命令を含むコンピュータプログラム製品。
36. チップに組み込まれた複数のセルを含むナノポアアレイを用いて分子を分析するシステムであって、
    複数のセルの状態を決定する主制御部であって、ナノポアアレイに入力を送る時をさらに決定する主制御部と、
    ナノポアアレイに試薬を送るように流体システムに指示する流体システムインターフェースと、
    複数のセルから測定値を受け取るデータインターフェースと、
    セルまたはセル群をアドレス指定するアドレスラインと、
    制御信号を複数のセルに送る制御インターフェースと、を備えるシステム。
37. 複数のセルの状態についての情報を格納するメモリをさらに備える、請求項３６に記載のシステム。
38. 主制御部がさらに、ナノポアアレイから測定値を受け取る時を決定する、請求項３６に記載のシステム。
39. 複数のセルの状態の決定は、ナノポアアレイから受け取った測定値の少なくとも一部に少なくとも部分的に基づいている、請求項３８に記載のシステム。
40. ナノポアアレイからの測定値の少なくとも一部が分子を分析するのに用いられる、請求項３８に記載のシステム。
41. ナノポアアレイに入力を送る時を決定することは、異なる状態を介したセルの遷移が容易になるようにナノポアアレイへの入力を決定することを含む、請求項３６に記載のシステム。
42. 各セルの状態は、脂質二重層が形成されていないこと、脂質二重層が形成されていること、及びナノポアが形成されていることのうちの１つを含む、請求項３６に記載のシステム。
43. 試薬は分子を含む、請求項３６に記載のシステム。
44. 主制御部がさらに、セルを再利用して別の分子と相互作用させるために１つ以上のセルの内容物を流し出す時を決定する、請求項３６に記載のシステム。

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