JP2019512480A - Methods, compositions and devices for information storage - Google Patents

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Abstract

本開示は、荷電ポリマー(例えばDNA)を用いて情報を保存する新規システム、ここで荷電ポリマーのモノマーは機械可読コード(例えばバイナリコード)に対応し、荷電ポリマーはナノポアを含む新規なナノチップデバイスを用いて合成および/または読み取ることができる;ナノチップのフォーマットでオリゴヌクレオチドを合成する新規方法およびデバイス;トポイソメラーゼを用いて3’から5’への方向でDNAを合成する新規方法;荷電ポリマー(例えばDNA)がナノポアを通過する際の容量変動を測定することによって、該ポリマーの配列を読み取る新規方法およびデバイスを提供し、さらに、それらにおいて有用な化合物、組成物、方法およびデバイスを提供する。The present disclosure is a novel system that stores information using a charged polymer (eg, DNA), where the charged polymer monomer corresponds to a machine readable code (eg, binary code) and the charged polymer comprises a novel nanotip device comprising nanopores. Novel methods and devices for synthesizing oligonucleotides in nanochip format; novel methods for synthesizing DNA in a 3 'to 5' direction using topoisomerases; charged polymers (eg DNA The present invention provides novel methods and devices for reading the sequence of the polymer by measuring the volume fluctuation when passing through the nanopore, and further provides compounds, compositions, methods and devices useful in them.

Description

関連出願の相互参照
本願は、2016年2月29日に出願された米国仮特許出願第62/301,538号、および2016年10月31日に出願された同第62/415,430号に対する優先権を主張し、これらの各内容は参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application Ser. No. 62 / 301,538 filed Feb. 29, 2016 and Ser. No. 62 / 415,430 filed Oct. 31, 2016. Priority is claimed, each of which is incorporated herein by reference in its entirety.

分野
本発明は、ポリマー(例えば核酸)を合成および配列決定するナノポアデバイスを用いた、情報の保存および取り出しに有用な新規の方法、組成物およびデバイスに関する。
The present invention relates to novel methods, compositions and devices useful for storing and retrieving information using nanopore devices to synthesize and sequence polymers (eg nucleic acids).

今まで以上に多いデータを、今まで以上に小さいが、その容量はより大きい保存デバイスを用いて、物理媒体上または物理媒体内に保存するという継続的な要望がある。保存されるデータの量は2年毎に2倍のサイズになることが報告されており、ある研究によると、2020年までに我々が作製およびコピーするデータの量は年間44ゼタバイト、即ち44兆ギガバイトに達する。さらに、既存のデータ記憶媒体(ハードドライブ、光学式メディアおよび磁気テープなど)は相対的に不安定であり、長期保存後に破損する。   There is a continuing need to store more data than ever on physical media or within physical media using smaller storage devices, although smaller than ever. The amount of data stored has been reported to double in size every two years, and according to one study, the amount of data we create and copy by 2020 is 44 zetabytes per year, or 44 trillion. Reach the gigabyte. In addition, existing data storage media (such as hard drives, optical media and magnetic tapes) are relatively unstable and will fail after long-term storage.

長期間(例えば数十年または数百年)大容量のデータを保存するための代替の手法が緊急に必要とされている。   There is an urgent need for alternative approaches to storing large amounts of data for extended periods of time (eg, decades or hundreds of years).

DNAを用いてデータを保存することが提案されている。DNAは極めて安定であり、理論上は膨大なデータをコードでき、非常に長期間データを保存できる。例えば、Bancroft, C., et al., Long-Term Storage of Information in DNA, Science (2001) 293: 1763-1765を参照のこと。さらに、保存媒体としてのDNAは従来のデジタル保存媒体のセキュリティリスクの影響を受けない。しかし、この着想を実行するための実用的な手法はない。   It has been proposed to store data using DNA. DNA is extremely stable, can theoretically encode vast amounts of data, and can store data for very long periods of time. See, for example, Bancroft, C., et al., Long-Term Storage of Information in DNA, Science (2001) 293: 1763-1765. Furthermore, DNA as a storage medium is not affected by the security risks of conventional digital storage media. However, there is no practical way to carry out this idea.

例えば、WO2014/014991はDNAオリゴヌクレオチド上にデータを保存する方法を記述し、ここで情報は1つのヌクレオチドを1ビットとするバイナリ形式で、96ビット(96ヌクレオチド)のデータブロック、19ヌクレオチドのアドレス配列、並びに増幅および配列決定のための隣接配列を用いてコードされている。次いでコードは、配列をPCRを用いて増幅し、高速シークエンサー(Illumina HiSeq装置など)を用いて配列決定することによって読み取られる。その後、データブロック配列がアドレスタグを用いて正しい順序で配置され、アドレス配列および隣接配列が除去され、配列データがバイナリコードに翻訳される。このような手法にはかなりの制約がある。例えば、96ビットのデータブロックは(1文字毎またはスペース毎に従来の1バイトまたは8ビットを用いて)12文字しかコードできない。「ハウスキーピングな」情報に対する保存されている有用な情報の割合が低く、約40%の配列情報がアドレスおよび隣接DNAに使われる。該明細書は、54,898個のオリゴヌクレオチドを用いて一冊の本をコードすることを記述している。オリゴヌクレオチドを合成するのに使用されている、インクジェット印刷される高忠実度のDNAマイクロチップはオリゴのサイズを制限した(記述された159ヌクレオチド長が上限であった)。さらに、オリゴヌクレオチドの読み取りは増幅および単離を必要とし、これはエラーのさらなる可能性を導入する。WO2004/088585A2;WO03/025123A2;C. BANCROFT: "Long-Term Storage of Information in DNA", Science (2001) 293 (5536): 1763c-1765; COX J P L: "Long-term data storage in DNA", Trends in Biotechnology (2001)19(7): 247-250も参照のこと。   For example, WO 2014/014991 describes a method for storing data on DNA oligonucleotides, where the information is in binary format with one nucleotide per bit, a 96 bit (96 nucleotide) data block, an address of 19 nucleotides Sequences are encoded using flanking sequences for amplification and sequencing. The code is then read by amplifying the sequence using PCR and sequencing using a high speed sequencer (such as an Illumina HiSeq device). Thereafter, the data block array is arranged in the correct order using the address tag, the address array and the adjacent array are removed, and the array data is translated into binary code. Such an approach has significant limitations. For example, a 96 bit data block can only encode 12 characters (using a conventional 1 byte or 8 bits per character or space). The proportion of stored useful information to "housekeeping" information is low, and about 40% of the sequence information is used for the address and flanking DNA. The specification states that 54,898 oligonucleotides are used to encode one book. Ink jet printed high fidelity DNA microchips used to synthesize oligonucleotides limited the size of the oligo (the upper limit was 159 nucleotides described). Furthermore, the reading of the oligonucleotide requires amplification and isolation, which introduces a further possibility of error. C. BANCROFT: "Long-term Storage of Information in DNA", Science (2001) 293 (5536): 1763c-1765; COX JPL: "Long-term data storage in DNA", Trends See also in Biotechnology (2001) 19 (7): 247-250.

25年間以上認識されているように、DNAの潜在的な情報密度および安定性は、DNAをデータ保存のための魅力的な媒体にしているが、大量のデータをこの形式で書き込み、読み取るための実用的な手法は未だない。   As recognized for over 25 years, the potential information density and stability of DNA make it an attractive medium for data storage, but for writing and reading large amounts of data in this format There is no practical method yet.

我々は、核酸配列を合成するナノ流体システムおよび配列を読み取るナノポアリーダーを用いた、核酸保存のための新規な手法を開発した。我々の手法は、数百、数千または数数百万塩基長のDNA鎖の合成、保存および読み取りを可能にする。配列が長いため、情報密度が上述の手法よりもはるかに高くなるように、相対的に小さな割合の配列のみが同定情報に使われる。さらに、いくつかの実施態様において、合成された核酸はナノチップ上の特定の位置を有し、従って配列は同定情報なしで特定され得る。ナノチャンバーにおいて実行される配列決定は非常に迅速であり、ナノポアを介した配列の読み取りは極めて迅速であり得、最大で1秒毎に百万塩基の桁数であり得る。2種類の塩基のみを必要とするため、この配列決定は、4種類の塩基(アデニン、チミン、シトシン、グアニン)間を区別しなければならない配列決定の手段よりも迅速かつ正確であり得る。特定の実施態様において、2つの塩基は互いに対にならず、二次構造を形成せず、異なるサイズのものである。例えばこの目的のために、アデニンとシトシンは、ハイブリダイズする傾向があるアデニンとチミン、または類似のサイズであるアデニンとグアニンより良好である。   We have developed new approaches for nucleic acid storage using nanofluidic systems that synthesize nucleic acid sequences and nanopore readers that read sequences. Our approach allows the synthesis, storage and readout of hundreds, thousands or millions of bases long. Because of the long sequence, only a relatively small percentage of sequences are used for identification information, such that the information density is much higher than the above-described approach. Furthermore, in some embodiments, the synthesized nucleic acid has a specific position on the nanochip, so the sequence can be identified without identification information. The sequencing performed in the nanochamber is very rapid, the reading of the sequences through the nanopore can be very rapid, and can be up to an order of one million bases per second. Because only two bases are required, this sequencing may be faster and more accurate than the means of sequencing that must distinguish between the four bases (adenine, thymine, cytosine, guanine). In certain embodiments, the two bases are not paired with each other, do not form a secondary structure, and are of different sizes. For example, for this purpose, adenine and cytosine are better than adenine and thymine, which tend to hybridize, or similar sizes adenine and guanine.

いくつかの実施態様において、このシステムはデータをコードする長いポリマーを合成するのに使用され得、このポリマーは増幅および/または放出され得、次いで異なるシークエンサー上で配列決定され得る。他の実施態様において、該システムはカスタムDNA配列を提供するために使用され得る。さらなる他の実施態様において、該システムはDNA配列を読み取るために使用され得る。   In some embodiments, this system can be used to synthesize long polymers encoding data, which can be amplified and / or released and then sequenced on different sequencers. In another embodiment, the system can be used to provide custom DNA sequences. In yet another embodiment, the system can be used to read DNA sequences.

ある実施態様において使用されるナノチップは、少なくとも1つのナノポアによって連結されている少なくとも2つの別々の反応区画を含み、これは少なくともいくつかの成分が混合するのを妨げるが、DNAまたは他の荷電ポリマー(例えばRNAまたはペプチド核酸(PNA))の単一の分子のみを、ある反応区画から別の反応区画に制御可能な様式で通過させる。ポリマー(またはモノマーが付加されたポリマーの少なくとも末端)のある区画から別の区画への移行は、例えば大きすぎるために、または、基板または嵩高い部分に係留されているためにナノポアの通過を妨げられる酵素を使用して、ポリマーに連続的な操作/反応(塩基の付加など)を行うことを可能にする。ナノポアセンサーは、ポリマーの移動または位置およびその状態、例えばその配列や、試みた反応が成功したか否かを、折り返し報告する。これはデータを書き込み、保存し、読み取ることを可能にし、例えば、ここで、塩基配列は機械可読コード(例えば各塩基または塩基の群が1または0に対応する、バイナリコード)に対応する。   The nanochip used in one embodiment comprises at least two separate reaction compartments linked by at least one nanopore, which prevents mixing of at least some components, but DNA or other charged polymers Only a single molecule (eg, RNA or peptide nucleic acid (PNA)) is passed in a controllable manner from one reaction compartment to another. The transition from one compartment of the polymer (or at least the end of the polymer to which the monomer is added) to another compartment prevents passage of the nanopore, for example because it is too large or because it is anchored to the substrate or bulky part The enzyme can be used to perform continuous manipulation / reaction (addition of base, etc.) to the polymer. The nanopore sensor reports back the movement or position of the polymer and its state, eg its sequence, and whether the attempted reaction was successful or not. This allows data to be written, stored and read, eg, where the base sequence corresponds to a machine readable code (eg, a binary code where each base or group of bases correspond to 1 or 0).

従って、本発明は特に以下の実施態様を含む。
・少なくとも2つの異なるモノマーを含む荷電ポリマー(例えばDNA)の合成のためのナノチップ、ここで該ナノチップは1以上のナノポアによって分離されている2以上の反応チャンバーを含み、各反応チャンバーは、電解液、荷電ポリマーをチャンバー内に引き込むための1以上の電極、および、モノマーまたはオリゴマーのポリマーへの付加を促進する1以上の試薬を含む。ナノチップは、場合により、DNAをガイドし、運び、かつ/または制御する機能的要素と共に構成され得、場合によりDNAの円滑な流れを可能とするように、またはDNAに結合するように選択された物質で被覆または作成されていてもよく、ナノポアに近接した電極を提供および制御するナノ回路要素を含み得る。例えば、1以上のナノポアは、場合によりそれぞれが、ナノポアを通したポリマーの移動を制御でき、かつ/または、ナノポアとポリマーの境界面における電位、電流、抵抗または静電容量の変化を検出できる電極に結合していてもよく、それにより、ポリマーが1以上のナノポアを通過する際にその配列を検出し得る。特別な実施態様では、ポリメラーゼまたは部位特異的リコンビナーゼを用いてオリゴマーが合成される。いくつかの実施態様では、ポリマーは合成中に配列決定され、検出および場合により誤りの修正を可能にする。いくつかの実施態様では、かくして得られたポリマーはナノチップ上に保存され、ポリマーの配列中にコードされた情報にアクセスすることが望まれるときに配列決定され得る。
Therefore, the present invention especially includes the following embodiments.
A nanotip for the synthesis of a charged polymer (eg DNA) comprising at least two different monomers, wherein the nanotip comprises two or more reaction chambers separated by one or more nanopores, each reaction chamber comprising an electrolyte And one or more electrodes for drawing the charged polymer into the chamber, and one or more reagents that facilitate the addition of the monomer or oligomer to the polymer. The nanotips can optionally be configured with functional elements that guide, carry and / or control the DNA, and are optionally selected to allow smooth flow of the DNA or to bind to the DNA It may be coated or made with a substance and may include nanocircuitry to provide and control the electrode in close proximity to the nanopore. For example, one or more nanopores optionally can each control migration of the polymer through the nanopore and / or can detect changes in potential, current, resistance or capacitance at the nanopore-polymer interface. Or the like, whereby the sequence can be detected as the polymer passes through one or more nanopores. In a particular embodiment, the oligomer is synthesized using a polymerase or a site specific recombinase. In some embodiments, the polymer is sequenced during synthesis to allow for detection and possibly correction of errors. In some embodiments, the polymer thus obtained is stored on the nanotip and can be sequenced when it is desired to access the information encoded in the sequence of the polymer.

・上記のナノチップを用いて、ポリマー、例えばDNAを合成する方法。
・配列が本質的にハイブリダイズしないヌクレオチド、例えばアデニンおよびシトシンヌクレオチド(AおよびC)のみからなり、例えばデータ保存の方法における使用のために、バイナリコードに対応する順番で配列されている一本鎖DNA分子。
・バイナリコードに対応する一連のヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA、ここで、二本鎖DNAはさらに含む
・ナノポアシークエンサーを使用することを含む、DNAにコードされたバイナリコードを読み取る方法。
・上記ナノチップを用いて、少なくとも2つの異なるモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAを作成する、データ保存の方法およびそのためのデバイス、ここで、該モノマーはバイナリコードに対応する順番で配列される。
-A method of synthesizing a polymer, eg, DNA, using the above-described nanotip.
· Single strands consisting only of nucleotides which essentially do not hybridize, eg adenine and cytosine nucleotides (A and C), eg arranged in an order corresponding to the binary code, eg for use in the method of data storage DNA molecule.
-A double stranded DNA comprising a series of nucleotide sequences corresponding to the binary code, wherein the double stranded DNA further comprises-A method of reading a binary code encoded in DNA, comprising using a nanopore sequencer.
Method of data storage and devices therefor for producing a charged polymer comprising at least two different monomers, eg DNA, using the above nanotip, wherein the monomers are arranged in order corresponding to the binary code.

本発明の適用性のさらなる態様および範囲は、以下に提供される詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明および特定の実施例は好ましい実施態様を示すが、説明のみを目的とし、本発明の範囲を限定することを意図しないことが理解されるべきである。   Further aspects and ranges of applicability of the present invention will become apparent from the detailed description provided below. Although the detailed description and specific examples show preferred embodiments, it should be understood that they are for the purpose of illustration only and are not intended to limit the scope of the present invention.

本発明は、詳細な説明および添付の図面からより十分に理解される。
図1は、ナノポアによって穿孔された分離膜および膜の両側に電極を有する、単純な2つのチャンバーのナノチップの設計を示す。 図2は、荷電ポリマー、例えばDNAが、どのようにして陽極に引き寄せられるかを示す。 図3は、荷電ポリマー、例えばDNAが、どのようにして陽極に引き寄せられるかを示す。 図4は、電極の極性を反転させることにより、ポリマーが後退し得ることを示す。 図5は、電極の極性を反転させることにより、ポリマーが後退し得ることを示す。 図6は、DNA合成のための2つのチャンバーのナノチップの設計を示し、ポリメラーゼ酵素が一方のチャンバーに位置し、脱ブロック化酵素が他方のチャンバーに位置し、これらはいずれもナノポアを通過できない。 図7は、3’ブロック化dATP(A)が左のチャンバーに流入した際のアデニンヌクレオチドの付加を示し、電流はDNAを左のチャンバーに導くために「順方向」に設定されている。 図8は、オリゴヌクレオチドの脱保護を示し、従って、さらなるヌクレオチドが付加され得る。例えば、電流を「逆方向」に設定することによってDNAをそのチャンバーに移動させた後、脱保護が生じる。 図9は、3’ブロック化dCTP(C)の付加を示す。ある実施態様では、流体の流動を用いてこのチャンバーの内容物を交換する。例えば、図示されるように、以前にはこのチャンバーには「A」があった。 図10は、フローチャンバーが試薬を提供する単一のレーンとなる一方で、どのように複数の分離された保持チャンバーが提供され得るかを示す。
The invention will be more fully understood from the detailed description and the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a simple two-chamber nanotip design with separation membranes perforated by nanopores and electrodes on both sides of the membrane. FIG. 2 shows how charged polymers, such as DNA, are attracted to the anode. FIG. 3 shows how charged polymers, such as DNA, are attracted to the anode. FIG. 4 shows that by reversing the polarity of the electrodes, the polymer can be retracted. FIG. 5 shows that by reversing the polarity of the electrodes, the polymer can be retracted. FIG. 6 shows a two-chamber nanotip design for DNA synthesis, with polymerase enzyme located in one chamber and deblocked enzyme in the other chamber, none of which can pass through the nanopore. FIG. 7 shows the addition of adenine nucleotides as 3 'blocked dATP (A) flows into the left chamber, with the current set in the “forward” direction to direct DNA into the left chamber. FIG. 8 shows the deprotection of the oligonucleotide, so additional nucleotides can be added. For example, after moving the DNA into the chamber by setting the current in the reverse direction, deprotection occurs. FIG. 9 shows the addition of 3 'blocked dCTP (C). In one embodiment, fluid flow is used to change the contents of the chamber. For example, as shown, previously this chamber had an "A". FIG. 10 shows how multiple separate holding chambers can be provided while the flow chamber becomes a single lane providing the reagents.

図11は、DNAをチャンバーに結合することによって(図中、上のDNAフラグメント)、または、ナノポアを通過できない嵩高い基とDNAを共役することによって(図中、下のDNAフラグメント)、DNAをそのチャンバーに留まらせる手法を示す。この系において、DNAの一端は未だフローチャンバーに移動でき、さらなるヌクレオチドを受け取ることができるが、他端は保持チャンバーに留まる。FIG. 11 shows DNA by binding DNA to a chamber (upper DNA fragment in the figure) or by conjugating DNA with bulky groups that can not pass through the nanopore (lower DNA fragment in the figure) The method of staying in the chamber is shown. In this system, one end of the DNA can still move to the flow chamber and receive additional nucleotides while the other end remains in the holding chamber. 図12は、DNAがチャンバーの壁に結合し、複数の電極によって制御される構成を示す。FIG. 12 shows a configuration in which DNA binds to the chamber wall and is controlled by multiple electrodes. 図13は、単純に電極の極性を制御することによって、所望の場合にどのようにDNAがチャンバー中に保持され得るかを示す。FIG. 13 shows how DNA can be retained in the chamber if desired simply by controlling the polarity of the electrodes. 図14は、DNAがチャンバーの表面に結合し、試薬が両側を自由に流動するアレイを示す。FIG. 14 shows an array in which DNA is bound to the surface of the chamber and reagents flow freely on both sides. 図15は、分離膜に隣接する側に電極を有する代替的な設計を示し、これはより安価な製品を可能にする。FIG. 15 shows an alternative design having electrodes on the side adjacent to the separation membrane, which allows for a cheaper product. 図16は、3つの区画の配置を示し、DNAは電極によって区画から区画へ移動され得る。この系は、合成中に試薬の有意な流動を必要としない。FIG. 16 shows an arrangement of three compartments, where DNA can be transferred from compartment to compartment by an electrode. This system does not require significant flow of reagents during synthesis. 図17は、3つの区画の配置において、試薬がどのように配置され得るかの例を示す。FIG. 17 shows an example of how reagents may be arranged in a three compartment arrangement. 図18は、ナノポアに隣接して係留されているオリゴヌクレオチドを示し、ナノポアは膜の両側に電極素子を有する。FIG. 18 shows the oligonucleotide anchored adjacent to the nanopore, which has electrode elements on both sides of the membrane.

図19は、ナノポアを含む膜に沿って結合している一連のDNA分子を示し、それぞれはナノポアに隣接する電極の制御下にあり、膜の両側にフローレーンを伴う。例えば、図示されているように、左のフローレーンはバッファー洗浄/3’ブロック化dATP(A)/バッファー洗浄/3’ブロック化dCTP(C)/バッファー洗浄の流れを与え、ここでDNA分子は所望のヌクレオチドが存在する場合にのみフローチャンバー中に導かれる。右のレーンは脱ブロック化試薬を与え、ヌクレオチドの3’末端を脱保護し、さらなるヌクレオチドの付加を可能にする。ある実施態様では、左のレーンがバッファーで洗浄されている際に、脱ブロック化試薬が流れる。別の実施態様では、脱保護化剤は非常に嵩高く、ナノポアを通って左のレーンに渡れない。FIG. 19 shows a series of DNA molecules bound along a membrane containing nanopores, each under the control of an electrode adjacent to the nanopore, with flow lanes on either side of the membrane. For example, as shown, the left flow lane provides a flow of buffer wash / 3 'blocked dATP (A) / buffer wash / 3' blocked dCTP (C) / buffer wash, where the DNA molecule is It is directed into the flow chamber only when the desired nucleotide is present. The right lane provides the deblocking reagent to deprotect the 3'end of the nucleotide and allow addition of additional nucleotides. In one embodiment, the deblocking reagent flows while the left lane is being washed with buffer. In another embodiment, the deprotecting agent is very bulky and can not cross the nanopore into the left lane. 図20は、概念実証実験を模式的に示し、ここでデータをコードするのに使用されるビットは、トポイソメラーゼにより結合した短いオリゴマーである。FIG. 20 schematically illustrates a proof of concept experiment where the bits used to encode the data are short oligomers linked by topoisomerase. 図21は、概念実証実験を模式的に示し、ここでデータをコードするのに使用されるビットは、トポイソメラーゼにより結合した短いオリゴマーである。FIG. 21 schematically illustrates a proof of concept experiment where the bits used to encode the data are short oligomers linked by topoisomerase. 図22は、概念実証実験を模式的に示し、ここでデータをコードするのに使用されるビットは、トポイソメラーゼにより結合した短いオリゴマーである。FIG. 22 schematically illustrates a proof of concept experiment where the bits used to encode the data are short oligomers linked by topoisomerase.

図23は、ナノポアシークエンサーのためのフォーマットを示し、ここでポリマー配列は容量変動を用いて読み取られる。この静電容量の読み出しのスキームにおいて、電極はコンデンサの上下のプレートを形成し、これはナノポアを含む膜によって分離されている。コンデンサは共振回路に埋め込まれ、ここで直流を振動させて荷電ポリマーをナノポアから引き出し得る。ポリマー、例えばDNAがナノポアを通過する際に、高周波インピーダンス分光法を用いて、静電容量の変化が測定される。特にDNAを用いるとき、この手法の大きな利点は、測定頻度が非常に高く(各サイクルに1測定が有効なので、100MHzの周波数は毎秒1億回の測定に相当する)、ナノポアを介するモノマーの移行よりもはるかに速くなり得ることである(例えば、DNAは、何らかの形で抑制されない限り、電流に応答して毎秒100万個のヌクレオチドの桁数の速度でナノポアを通過する)。FIG. 23 shows a format for the nanopore sequencer, where polymer sequences are read using volume variation. In this capacitance readout scheme, the electrodes form the plates above and below the capacitor, which are separated by a membrane containing nanopores. A capacitor is embedded in the resonant circuit where the direct current can be oscillated to extract the charged polymer from the nanopore. As the polymer, eg DNA, passes through the nanopore, high frequency impedance spectroscopy is used to measure the change in capacitance. A major advantage of this approach, especially when using DNA, is that the frequency of measurements is very high (100 MHz frequency corresponds to 100 million measurements per second, since one measurement is valid for each cycle), and monomer migration through the nanopore It can be much faster than (for example, DNA passes through the nanopore at a rate of the order of a million nucleotides per second in response to current unless it is suppressed in some way).

図24は、例えば2ビットまたはバイナリコード化のための、2つの異なる種類のモノマーまたはオリゴマーを付加するのに適した、二重の付加チャンバーの配置を示す。図の上部は上面図を示す。下部は側面の断面図を示す。この実施態様における完全なデバイスは、最大で3つの独立して製造された層から組み立てられてウエハー接合により接合され得るか、または、単一の基板をエッチングすることによって形成され得る。チップは、電気制御層(1)、保存チャンバーの上に2つの付加チャンバーを含み、第1および第2の付加チャンバーへのナノポア導入部の間に荷電ポリマー(例えばDNA)が係留されるフルイディクス層(2)、および、電気的アース層(3)を含む。FIG. 24 shows an arrangement of dual addition chambers suitable for adding two different types of monomers or oligomers, for example for 2 bit or binary coding. The upper part of the figure shows a top view. The lower part shows a side sectional view. The complete device in this embodiment may be assembled from up to three independently fabricated layers and bonded by wafer bonding or may be formed by etching a single substrate. The chip includes an electrical control layer (1), a fluidics including two additional chambers above the storage chamber, and wherein a charged polymer (eg, DNA) is anchored between the nanopore introductions to the first and second additional chambers. It comprises a layer (2) and an electrical ground layer (3).

図25は、図24の二重の付加チャンバーの配置の操作を示す。各付加チャンバーの底部にナノポアがあることが観察される(4)。ナノポアは、例えばFIB、TEM、ウェットエッチングもしくはドライエッチングを用いて、または誘電破壊により、穿孔することによって作成される。ナノポアを含む膜(5)は、例えば、1原子層から数十nmの厚さである。この膜は、例えば、SiN、BN、SiOx、グラフェン、遷移金属ジカルコゲナイド、例えばWSまたはMoSから作成される。ナノポア膜(5)の下に、保存チャンバーまたは脱ブロック化チャンバー(6)があり、これは、付加チャンバーの1つにおいてモノマーまたはオリゴマーが付加された後にポリマーを脱保護するための試薬を含む(1回に1つのモノマーまたはオリゴマーのみが付加されるように、モノマーまたはオリゴマーは末端が保護された形式で付加されることが想起される)。ポリマー(7)は、電気制御層(1)において電極の極性を変化させることにより、付加チャンバーから出し入れできる。FIG. 25 illustrates the operation of the dual additional chamber arrangement of FIG. The presence of nanopores at the bottom of each additional chamber is observed (4). The nanopores are made by drilling, for example using FIB, TEM, wet etching or dry etching or by dielectric breakdown. The membrane (5) containing nanopores is, for example, one atomic layer to several tens of nm thick. This film is made, for example, of SiN, BN, SiOx, graphene, transition metal dichalcogenides such as WS 2 or MoS 2 . Below the nanopore membrane (5) there is a storage chamber or deblocking chamber (6), which contains reagents for deprotecting the polymer after the monomer or oligomer has been added in one of the addition chambers ( It is envisaged that the monomers or oligomers are added in a terminally protected fashion, so that only one monomer or oligomer is added at a time). The polymer (7) can be moved in and out of the addition chamber by changing the polarity of the electrodes in the electrical control layer (1).

図26は、図24および図25と類似した配置の上面図を示すが、ここでは共通の保存チャンバーまたは脱ブロック化チャンバーを共有する4つの付加チャンバーがあり、ポリマーは4つの各チャンバーにアクセスできる位置(9)に係留される。この配置の断面図は図24および図25に示された通りであり、荷電ポリマーは、電気制御層(図24における1)における電極を操作することによって、4つの各付加チャンバーに移動させ得る。FIG. 26 shows a top view of an arrangement similar to FIGS. 24 and 25, but here there are four additional chambers sharing a common storage or deblocking chamber, with polymer access to each of the four chambers It is moored to position (9). The cross sections of this arrangement are as shown in FIGS. 24 and 25 and the charged polymer can be transferred to each of the four additional chambers by manipulating the electrodes in the electrical control layer (1 in FIG. 24).

図27は、複数の組の図24および図25に示される二重の付加チャンバーを有するナノポアチップの上面図を示し、これは複数のポリマーを並行して合成することを可能にする。モノマー(ここではAおよびGで表されるdATPおよびdGTPヌクレオチド)は、連続的な流路を通って各チャンバーにロードされる。1以上の共通の脱ブロック化剤のフローセルは、付加チャンバーの1つにおけるモノマーまたはオリゴマーの付加後に、ポリマーを脱保護することを可能にする。これはまた、ポリマーを要求に応じて分離し(例えば、DNAの場合に制限酵素を用いて、またはナノポアに隣接する表面からの化学的分離)、外部に集めることを可能にする。この特別な実施態様において、脱ブロック化剤のフローセルは、付加チャンバーを満たすために使用される流体ロードチャネルに対して垂直である。FIG. 27 shows a top view of a nanopore chip with multiple sets of FIG. 24 and the dual addition chamber shown in FIG. 25, which allows multiple polymers to be synthesized in parallel. Monomers (dATP and dGTP nucleotides, here designated A and G) are loaded into each chamber through a continuous flow path. The flow cell of one or more common deblocking agents makes it possible to deprotect the polymer after addition of the monomers or oligomers in one of the addition chambers. This also allows the polymer to be separated on demand (eg, using restriction enzymes in the case of DNA, or chemically separated from the surface adjacent to the nanopore) and collected externally. In this particular embodiment, the flow cell of deblocking agent is perpendicular to the fluid loading channel used to fill the loading chamber.

図28は、二重の付加チャンバーの配置のための配線のさらなる詳細を示す。電気制御層(1)は、金属またはポリシリコンで作られた配線を含む。配線の密度は、誘電体堆積(例えば、PECVD、スパッタリング、ALDなどによる)によって与えられる電気的隔離を伴う3次元スタッキングによって増大する。ある実施態様における付加チャンバーによる上部の電極との接触(11)は、深堀り反応性イオンエッチング(DRIE)(クライオ処理またはBOSCH処理)によるシリコン貫通電極(TSV)を用いてなされる。個々の電圧制御(12)は各付加チャンバーを個々に処理することを可能にし、これは複数のポリマーの配列を並列して微細制御することを可能にする。図の右側は複数の付加セルのための配線を図示する上面図を示す。電気アース層(3)は(示されるように)共通でもよく、またはセル間のクロスカップリングを減少させるために分割されていてもよい。FIG. 28 shows further details of the wiring for the dual additional chamber arrangement. The electrical control layer (1) comprises a wire made of metal or polysilicon. The density of interconnects is increased by three-dimensional stacking with electrical isolation provided by dielectric deposition (eg, by PECVD, sputtering, ALD, etc.). Contact (11) with the top electrode by the additional chamber in an embodiment is made using a through silicon via (TSV) by deep reactive ion etching (DRIE) (cryo or BOSCH treatment). Individual voltage control (12) allows each additional chamber to be processed individually, which allows fine control of multiple polymer arrays in parallel. The right side of the figure shows a top view illustrating the wiring for a plurality of additional cells. The electrical ground layer (3) may be common (as shown) or may be split to reduce cross coupling between cells.

図29は、付加チャンバーの制御電極(13)が、チャンバーの上部にある代わりにチャンバーの側面に巻き付ける形で配置されていてもよい、代替の構成を示す。FIG. 29 shows an alternative configuration in which the control electrode (13) of the additional chamber may be arranged to be wound on the side of the chamber instead of at the top of the chamber.

図30は、実施例3に記述されるトポイソメラーゼ付加プロトコールが機能することを確認するSDS−PAGEゲルを示し、予想されるA5およびB5産物に対応するバンドが明確に視認できる。FIG. 30 shows an SDS-PAGE gel confirming that the topoisomerase addition protocol described in Example 3 works, the bands corresponding to the expected A5 and B5 products are clearly visible.

図31は、実施例5のPCR産物が正しいサイズであることを確認するアガロースゲルを示す。レーン0は25塩基対のラダーである;レーン1は実験の産物であり、線は予想される分子量に対応する;レーン2は負の対照#1である;レーン3は負の対照#2である;レーン4は負の対照#4である。FIG. 31 shows an agarose gel confirming that the PCR product of Example 5 is the correct size. Lane 0 is a 25 base pair ladder; lane 1 is the product of the experiment and the line corresponds to the expected molecular weight; lane 2 is negative control # 1; lane 3 is negative control # 2 Lane 4 is negative control # 4.

図32は、実施例5に記載の制限酵素が予想される産物を生成することを確認するアガロースゲルを示す。左のラダーは100塩基対のラダーである。レーン1は切断されていないNAT1/NAT9cであり、レーン2は切断されたNAT1/NAT9cである。レーン3は切断されていないNAT1/NAT9clであり、レーン4は切断されたNAT1/NAT9clである。FIG. 32 shows an agarose gel that confirms that the restriction enzymes described in Example 5 produce the expected product. The left ladder is a 100 base pair ladder. Lane 1 is NAT1 / NAT9c which has not been disconnected, and Lane 2 is NAT1 / NAT9c which has been disconnected. Lane 3 is NAT1 / NAT9cl not disconnected, and lane 4 is NAT1 / NAT9cl disconnected.

図33はDNAのナノポア付近への固定を示す。パネル(1)は、左のチャンバーにおいて、一端にオリガミ構造を有するDNAを示す(実際のナノチップにおいて、このような多数のオリガミ構造が左のチャンバー内に最初に存在する)。パネル(2)は右に陽極がある系を説明し、これはDNAをナノポアに導く。DNA鎖はナノポアを通過できるが、オリガミ構造は大きすぎて通過できず、従ってDNAは「はまり込む」。電流を止めるとDNAは拡散できる(パネル3)。DNA鎖の末端がナノポア付近の表面に接触すると、適切な化学により結合できる。パネル(4)では、制限酵素が添加され、これはDNAからオリガミ構造を切り取る。チャンバーを洗浄し、酵素および残留しているDNAを除去する。最終的な結果はナノポア付近に結合した単一のDNA分子であり、これはナノポアを通って行き来できる。FIG. 33 shows the immobilization of DNA in the vicinity of the nanopore. Panel (1) shows, in the left chamber, the DNA having an origami structure at one end (in an actual nanotip, many such origami structures are initially present in the left chamber). Panel (2) describes a system with an anode on the right, which directs the DNA to the nanopore. The DNA strand can pass through the nanopore, but the origami structure is too large to pass through, so the DNA "sticks in". The DNA can diffuse when the current is turned off (panel 3). When the ends of the DNA strands come in contact with the surface near the nanopore, they can be linked by appropriate chemistry. In panel (4), a restriction enzyme is added, which cuts out the origami structure from the DNA. The chamber is washed to remove the enzyme and any residual DNA. The end result is a single DNA molecule bound near the nanopore, which can travel back and forth through the nanopore.

図34は基本的な機能性のナノポアを示す。各パネルにおいて、y軸は電流(nA)であり、x軸は時間(秒)である。左のパネル「RFノイズのスクリーニング」はファラデーケージの有用性を示す。ナノポアを有さないチップをフローセル内に配置し、300mVをかける。ファラデーケージの蓋を閉じると(最初の矢印)、ノイズの減少が見られる。ラッチを閉じると(2番目の矢印)、小さなスパイクが生じる。電流は約0nAであることが分かる。ポアの作製後(中央のパネル)、300mVの適用(矢印)は約3.5nAの電流をもたらす。DNAをアースチャンバーに適用し、+300mVをかけると、DNAの移行(右のパネル)が電流の一過性の減少として観察され得る。(注釈、この場合にTSバッファーが使用されている:50mM Tris、pH8、1M NaCl。)ラムダDNAがこのDNA移行実験に使用されている。FIG. 34 shows basic functional nanopores. In each panel, the y-axis is current (nA) and the x-axis is time (seconds). The left panel "RF noise screening" demonstrates the utility of the Faraday cage. Place the chip without nanopore in the flow cell and apply 300 mV. When the lid of the Faraday cage is closed (first arrow), noise reduction is observed. Closing the latch (second arrow) produces a small spike. It can be seen that the current is about 0 nA. After pore creation (middle panel), application of 300 mV (arrow) results in a current of about 3.5 nA. When DNA is applied to the ground chamber and applied at +300 mV, DNA migration (right panel) can be observed as a transient decrease in current. (Note, in this case TS buffer is used: 50 mM Tris, pH 8, 1 M NaCl.) Lambda DNA is used for this DNA transfer experiment.

図35は、DNAオリガミ構造の主要な特徴を図示する簡略化した図を示す:大きな一本鎖領域、立方体のオリガミ構造、および、オリガミ構造付近の2つの制限部位(SwaIおよびAlwN1)の存在。FIG. 35 shows a simplified diagram illustrating the main features of the DNA origami structure: a large single stranded region, a cube origami structure and the presence of two restriction sites (SwaI and AlwN1) near the origami structure.

図36は、作製されたDNAオリガミ構造の電子顕微鏡像を示し、予想されるトポロジーを立証する。オリガミを5mM Trisベース、1mM EDTA、5mM NaCl、5mM MgCl2中で作製した。オリガミ構造を維持するために、約5mMのMg++濃度または約1MのNa/K濃度を有することが好ましい。オリガミ構造を500nMにて4℃で保存する。FIG. 36 shows an electron microscopy image of the generated DNA origami structure, demonstrating the expected topology. Origami was made in 5 mM Tris base, 1 mM EDTA, 5 mM NaCl, 5 mM MgCl2. It is preferred to have an Mg ++ concentration of about 5 mM or a Na + / K + concentration of about 1 M in order to maintain the origami structure. Store the Origami structure at 500 nM at 4 ° C.

図37は、正しい組み立ておよび機能を確認するDNAオリガミの制限酵素切断を示す。左端のレーンはMWスタンダードを与える。オリガミをAlwN1およびSwa1で切断することによって、制限部位を試験する。4つの試験レーンは以下の試薬を含む(単位はマイクロリットル):

Figure 2019512480
試験レーン(1)は負の対照である;(2)はSwa1での切断である;(3)はAlwN1での切断である;(4)はSwa1/AlwN1での二重切断である。切断は室温で60分間行い、その後37℃で90分間行った。エチジウムブロマイド染色で可視化されたアガロースゲル1/2x TBE−Mg(5mM MgCl2を含む1/2x TBE)。いずれかの酵素での個々の切断はゲルにおいて移動度の効果を示さないが、両方の酵素での切断(レーン4)は、予想されるように異なる長さの2つのフラグメントをもたらす。 FIG. 37 shows restriction enzyme cleavage of DNA origami that confirms correct assembly and function. The leftmost lane gives the MW standard. The restriction sites are tested by cleaving origami with AlwN1 and Swa1. The four test lanes contain the following reagents (unit: microliter):
Figure 2019512480
Test lane (1) is a negative control; (2) is a cut at Swa1; (3) is a cut at AlwN1; (4) is a double cut at Swa1 / AlwN1. The cleavage was performed for 60 minutes at room temperature and then for 90 minutes at 37 ° C. Agarose gel 1 / 2x TBE-Mg (1 / 2x TBE with 5 mM MgCl2) visualized by ethidium bromide staining. While individual cleavage with either enzyme does not show the effect of mobility in the gel, cleavage with both enzymes (lane 4) results in two fragments of different lengths as expected.

図38は、ビオチン標識されたオリゴヌクレオチドのストレプトアビジンで被覆されたビーズへの結合を、対照のBSAで被覆されたビーズへの結合と比較して示す。y軸は蛍光の単位である。「結合前」はビーズに結合する前の試験溶液からのオリゴの蛍光である。(−)対照は、BSAを結合したビーズの2種のバッチへの結合後に見られる蛍光である。SA−1およびSA−2は、ストレプトアビジンを結合したビーズの2種のバッチへの結合後に見られる蛍光である。見かけ上の少量の結合がBSAを結合したビーズで観察されるが、はるかに大きい結合がストレプトアビジンを結合したビーズで見られる。FIG. 38 shows the binding of a biotin-labeled oligonucleotide to streptavidin-coated beads as compared to the binding to control BSA-coated beads. The y-axis is a unit of fluorescence. "Before binding" is the fluorescence of the oligo from the test solution prior to binding to the beads. (-) Control is the fluorescence seen after binding to 2 batches of BSA-conjugated beads. SA-1 and SA-2 are the fluorescence seen after binding to two batches of streptavidin conjugated beads. An apparent small amount of binding is observed with BSA-conjugated beads, but much larger binding is seen with streptavidin-conjugated beads.

図39は、異なるバッファー系(MPBSおよびHKバッファー)における、ビオチン標識されたオリゴヌクレオチドのストレプトアビジンで被覆されたビーズへの結合を、対照のBSAで被覆されたビーズへの結合と比較して示す。左のバー「負の対照」は、ビーズに結合する前の試験溶液からのオリゴの蛍光である。中央のカラムはBSAビーズと結合した後の「BSAビーズ」の蛍光を示し、右のカラムはストレプトアビジンビーズと結合した後の「SAビーズ」の蛍光を示す。両方のバッファー系において、対照と比較してストレプトアビジンビーズによって蛍光が減少し、これはビオチン標識されたオリゴヌクレオチドが種々のバッファー系においてストレプトアビジンで被覆されたビーズによく結合していることを示す。FIG. 39 shows the binding of biotin-labeled oligonucleotides to streptavidin-coated beads in different buffer systems (MPBS and HK buffer) compared to that of control BSA-coated beads . The left bar "negative control" is the fluorescence of the oligo from the test solution before binding to the beads. The middle column shows the fluorescence of "BSA beads" after binding to BSA beads, the right column shows the fluorescence of "SA beads" after binding to streptavidin beads. In both buffer systems, the fluorescence is reduced by the streptavidin beads compared to the control, which indicates that the biotin-labeled oligonucleotide is well bound to the streptavidin-coated beads in the various buffer systems .

図40は機能性の共役したSiOナノポアを示し、ここで表面は一方の側がストレプトアビジンで被覆され、他方がBSAで被覆されている。x軸は時間であり、y軸は電流である。ドットは電流を逆転させた時点を示す。電流を逆転すると短時間のオーバーシュートがあり、その後電流はおよそ同じ絶対値に落ち着く。ナノポアは200mVで約+3nAの電流を示し、−200mVで約−3nAの電流を示す。FIG. 40 shows functional conjugated SiO 2 nanopores, where the surface is coated with streptavidin on one side and the other with BSA. The x-axis is time and the y-axis is current. The dots indicate when the current is reversed. Reversing the current has a short overshoot, after which the current settles to about the same absolute value. The nanopore exhibits a current of about +3 nA at 200 mV and a current of about -3 nA at -200 mV.

図41は、ナノポアに挿入されたオリガミDNA構造を表示する。FIG. 41 displays the Origami DNA structure inserted into the nanopore. 図42は、一本鎖DNAのナノポアに隣接するストレプトアビジンで被覆された表面への結合を表示する。FIG. 42 displays the binding of single stranded DNA to a streptavidin-coated surface adjacent to the nanopore.

図43は、ナノポア付近の表面に結合しているオリガミDNAの実験結果を示す。電流は双方向において+または−約2.5nAであり、これは元の+/−約3nAの電流よりも低く、オリガミ構造による部分的な閉塞を反映している。x軸は時間(秒)であり、y軸は電流(nA)であり、円は電圧を切り換えた時点を示す。FIG. 43 shows experimental results of origami DNA bound to the surface near the nanopore. The current is + or-about 2.5 nA in both directions, which is lower than the original +/- about 3 nA current, reflecting partial occlusion by the origami structure. The x-axis is time (seconds), the y-axis is current (nA), and the circles indicate when the voltage is switched.

図44はオリガミDNAの挿入を示し、これは電流のわずかな低下をもたらす。電流を解除すると、オリガミはナノポアから即座に抜け出る。x軸は時間(秒)であり、y軸は電流(nA)であり、円は電圧を切り換えた時点を示す。Figure 44 shows the insertion of Origami DNA, which results in a slight drop in current. When the current is released, Origami immediately escapes from the nanopore. The x-axis is time (seconds), the y-axis is current (nA), and the circles indicate when the voltage is switched.

図45は、電流の適用による、ナノポアを通したDNA鎖の前後の移動の制御を表示する。左側では、DNAはポア内にあるため、観察される電流はDNAがポア内にない場合よりも低い。電流を逆転させる(右側)と、ポア内にDNAはないため、電流は変化しない。FIG. 45 displays the control of migration back and forth of the DNA strand through the nanopore by application of current. On the left side, since the DNA is in the pore, the observed current is lower than when the DNA is not in the pore. When the current is reversed (right side), the current does not change because there is no DNA in the pore.

図46は、この表示を確認する実験結果である。正の電圧をかけると電流は約3nAであり、これはポアが開いている場合に通常観察される電流と同等である。電圧を逆転させると、電流は約−2.5nAである。これはポアが開いている場合に通常見られる電流よりも低く、ポアがDNA鎖によって遮断された場合に通常観察される電流に対応する。数回の連続的な電圧の切り換えは一貫性のある結果を示し、これはDNAが図45に示される配置を交互に起こしていることを示唆する。FIG. 46 shows an experimental result confirming this display. When a positive voltage is applied, the current is about 3 nA, which is equivalent to the current normally observed when the pore is open. When the voltage is reversed, the current is about -2.5 nA. This is lower than the current normally seen when the pore is open and corresponds to the current normally observed when the pore is blocked by a DNA strand. Several successive voltage switches show consistent results, suggesting that the DNA alternates with the arrangement shown in FIG. 図47は、DNAをナノポアに隣接する表面に連結するための種々の共役化学を示す。FIG. 47 shows various conjugation chemistries for linking DNA to the surface adjacent to the nanopore.

以下の好ましい実施態様の説明は本来単なる例示であり、いかなる方法においても本発明、その出願または使用を限定することを意図しない。   The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention, its application or uses in any way.

あらゆる箇所で使用される場合において、範囲は範囲内のあらゆる値を記載するための省略表現として使用される。範囲内のあらゆる値が範囲の終端として選択され得る。さらに、本明細書において引用される全ての参考文献は、参照されることによってその全体が本明細書に組み込まれる。本開示における定義と引用された参考文献の定義における矛盾の場合、本開示が支配する。   When used everywhere, a range is used as a shorthand to describe every value within the range. Any value within the range may be selected as the end of the range. In addition, all references cited herein are incorporated herein by reference in their entirety. In the case of inconsistencies in the definitions in the present disclosure and the references cited, the present disclosure controls.

他に明記されない限り、本明細書および本明細書の他の場所において表される全ての割合および量は、重量による割合を指すものとして理解されるべきである。所定の量は、物質の有効な重量に基づく。   Unless stated otherwise, all percentages and amounts expressed herein and elsewhere in the specification should be understood as referring to percentages by weight. The predetermined amount is based on the effective weight of the substance.

本明細書における「ナノチップ」はナノ流体デバイスを指し、これは流体を含む複数のチャンバーおよび場合により流体の流動を可能にするチャンネルを含み、ここでナノチップの特徴(例えばチャンバーを互いに分離する要素の幅)の限界寸法は、1原子から10ミクロンの厚さであり、例えば1ミクロン(例えば0.01〜1ミクロン)よりも小さい。ナノチップにおける物質の流動は電極によって調節され得る。例えば、DNAおよびRNAは負に帯電しているため、これらは正に荷電した電極に引き寄せられる。例えば、Gershow, M, et al., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore, Nat Nanotechnol. (2007) 2(12): 775-779を参照のこと、これは参照によって本明細書に組み込まれる。流体の流動は場合により、ゲート要素によって、そして、流体をナノチップ内部または外部へ流し、注入し、かつ/または吸引することによっても調節され得る。この系は、核酸(DNA/RNA)の正確な多重分析ができる。ある実施態様において、ナノチップはシリコン材料(例えば二酸化ケイ素または窒化ケイ素)で作製され得る。窒化ケイ素(例えばSi)は化学的に相対的に不活性であり、わずか数nmの厚さの場合でさえ、水およびイオンの拡散に対して有効な障壁を与えるため、この目的のために特に望ましい。二酸化ケイ素は化学修飾するのに優れた表面であるため、(本明細書の実施例で使用されるように)二酸化ケイ素もまた有用である。あるいは、ある実施態様において、ナノチップは、単一分子と同程度の薄さのシートを形成できる材料(単層材料とも呼ばれる)で全体的または部分的に作製されてもよい(例えばグラフェン(例えばHeerema, SJ, et al, Graphene nanodevices for DNA sequencing, Nature Nanotechnology (2016) 11: 127-136; Garaj S et al., Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane, Nature (2010) 467 (7312), 190-193に記載され、各内容は参照によって本明細書に組み込まれる)または例えば二硫化モリブデン(MoS)(Feng, et al., Identification of single nucleotides in MoS2 Nanopores, Nat Nanotechnol. (2015) 10(12):1070-1076に記載され、この内容は参照によって本明細書に組み込まれる)もしくは窒化ホウ素(Gilbert, et al. Fabrication of Atomically Precise Nanopores in Hexagonal Boron Nitride, eprint arXiv:1702.01220 (2017)に記載されている)などの遷移金属ジカルコゲナイド)。 A "nanotip" as used herein refers to a nanofluidic device, which comprises a plurality of chambers containing fluid and optionally channels that allow the flow of fluid, wherein the features of the nanotip (e.g. of elements that separate the chambers from one another) The critical dimension of width is a thickness of 1 atom to 10 microns, eg smaller than 1 micron (eg 0.01 to 1 micron). The flow of material in the nanotip can be regulated by electrodes. For example, because DNA and RNA are negatively charged, they are attracted to positively charged electrodes. See, for example, Gershow, M, et al., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore, Nat Nanotechnol. (2007) 2 (12): 775-779, which is incorporated herein by reference. . The flow of fluid may optionally be regulated by the gate element and also by flowing, injecting and / or aspirating fluid into or out of the nanotip. This system is capable of accurate multiplex analysis of nucleic acids (DNA / RNA). In certain embodiments, the nanotips can be made of silicon material (eg, silicon dioxide or silicon nitride). Silicon nitride (eg, Si 3 N 4 ) is relatively inert chemically and, even with only a few nm thickness, provides an effective barrier to the diffusion of water and ions. Especially desirable for Silicon dioxide (as used in the examples herein) is also useful because silicon dioxide is an excellent surface for chemical modification. Alternatively, in certain embodiments, the nanotips may be made wholly or partially of a material (also referred to as a single layer material) that can form sheets as thin as single molecules (eg, graphene (eg, Heerema, etc.) , SJ, et al, Graphene nanodevices for DNA sequencing, Nature Nanotechnology (2016) 11: 127-136; Garaj S et al., Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane, Nature (2010) 467 (7312), 190-193 , The contents of which are incorporated herein by reference) or, for example, molybdenum disulfide (MoS 2 ) (Feng, et al., Identification of single nucleotides in MoS 2 Nanopores, Nat Nanotechnol. (2015) 10 (12) ): 1070-1076, the contents of which are incorporated herein by reference or boron nitride (Gilbert, et al. Fabrication of Atomically Precise Nanopores in Hexagonal Boron Nitride, eprint arXiv: 1702.01220 (2017). Yes) Which transition metal dichalcogenide).

いくつかの実施態様において、ナノチップは相対的に堅く、不活性であるそのような単層材料(例えばMoSなどの少なくともグラフェンと同程度に不活性で堅い単層材料)を含む。単層材料は、例えばナノポアを含む膜の全部または一部として使用され得る。ナノチップは金属と共に部分的に一列に並べられ得る(例えば、壁は層状にされ得(例えば金属−窒化ケイ素−金属)、次いで核酸が起電力によってナノポアを通って前後に移動でき、ナノポアを通過した際の電位の変化を測定することによって配列決定され得るように、金属はナノポアの付近に制御可能な電極対を与えるように配置される)。 In some embodiments, the nanotips comprise such monolayer materials that are relatively rigid and inert (eg, at least as inert and rigid monolayer materials as graphene such as MoS 2 ). A monolayer material can be used, for example, as all or part of a membrane comprising nanopores. The nanotips can be partially aligned with the metal (eg, the walls can be layered (eg, metal-silicon nitride-metal), and then the nucleic acid can move back and forth through the nanopore by electromotive force and pass through the nanopore The metal is arranged to give a controllable electrode pair in the vicinity of the nanopore, so that it can be sequenced by measuring the change in potential during the process).

DNAを配列決定するナノチップナノ流体デバイスは一般的に知られており、例えば、Li, J., et al, Solid-state nanopore for detecting individual biopolymers, Methods Mol Biol. (2009)544:81-93; Smeets RM, et al. Noise in solid-state nanopores, PNAS (2008)105(2):417-21; Venta K, et al., Differentiation of short, single-stranded DNA homopolymers in solid-state nanopores, ACS Nano. (2013)7(5):4629-36; Briggs K, et al. Automated fabrication of 2-nm solid-state nanopores for nucleic acid analysis, Small (2014)10(10):2077-86;およびChen Z, DNA translocation through an array of kinked nanopores, Nat Mater. (2010)9(8):667-75に記載され、例えばナノポアを含むナノチップの設計および製造に対する教示のために、各内容の全体が参照によって本明細書に組み込まれる。   Nanochip nanofluidic devices for sequencing DNA are generally known, for example, Li, J., et al, Solid-state nanopore for detecting individual biopolymers, Methods Mol Biol. (2009) 544: 81-93; Smeets RM, et al. Noise in solid-state nanopores, PNAS (2008) 105 (2): 417-21; Venta K, et al., Differentiation of short, single-stranded DNA homopolymers in solid-state nanopores, ACS Nano Briggs K, et al. Automated fabrication of 2-nm solid-state nanopores for nucleic acid analysis, Small (2014) 10 (10): 2077-86; and Chen Z (2013) 7 (5): 4269-36; (2010) 9 (8): 667-75, for example for the teaching of the design and manufacture of nanotips including nanopores, the entire contents of each being incorporated by reference. Incorporated herein.

本明細書における「ナノポア」は、1ミクロン未満の直径(例えば2〜20nmの直径、例えば2〜5nmのオーダー)を有するポアである。一本鎖DNAは2nmのナノポアを通過できる;一本鎖または二本鎖DNAは4nmのナノポアを通過できる。非常に小さいナノポア(例えば2〜5nm)を有することは、DNAは通過できるが、より大きなタンパク質酵素は通過できず、これによってDNA(または他の荷電ポリマー)の制御された合成を可能にする。より大きなナノポア(またはより小さなタンパク質酵素)を使用する場合、タンパク質酵素がナノポアを通過することを妨げる基質(例えばより大きなタンパク質などのより大きな分子、ビーズまたはチャンバー内の表面)にタンパク質酵素をコンジュゲートさせてもよい。種々のナノポアが公知である。例えば、生物学的ナノポアは膜(脂質二重膜など)中のポア形成タンパク質の会合によって形成される。例えば、α−ヘモリジンおよび類似のタンパク質ポアが細胞膜中において天然に見出されており、これらはイオンまたは分子を細胞内および細胞外に輸送するチャネルとして働き、このようなタンパク質はナノチャネルとして別の目的で使用され得る。固体のナノポアは、例えばフィードバック制御された低エネルギーイオンビームスカルプティング(IBS)または高エネルギー電子ビーム照射を用いて、例えば合成膜に穴を形成することによって、合成材料(窒化ケイ素またはグラフェンなど)において形成される。ハイブリッドのナノポアは、ポア形成タンパク質を合成材料中に埋め込むことによって作製され得る。金属表面または電極がナノポアの両末端または両側にある場合、ナノポアに沿った電流が電解質媒体を介してナノポアを通って確立され得る。電極は、あらゆる伝導性材料(例えば銀、金、白金、銅、二酸化チタン、例えば塩化銀で被覆された銀)で作製され得る。   A "nanopore" herein is a pore having a diameter of less than 1 micron (e.g. 2 to 20 nm diameter, e.g. on the order of 2 to 5 nm). Single stranded DNA can pass through the 2 nm nanopore; single stranded or double stranded DNA can pass through the 4 nm nanopore. Having a very small nanopore (e.g. 2-5 nm) allows DNA to pass but not larger protein enzymes, thereby allowing controlled synthesis of DNA (or other charged polymers). When using larger nanopores (or smaller protein enzymes), conjugate the protein enzyme to a substrate (eg, a larger molecule such as a larger protein, a surface in a bead or chamber) that prevents the protein enzyme from passing through the nanopore You may Various nanopores are known. For example, biological nanopores are formed by the association of pore-forming proteins in a membrane (such as a lipid bilayer membrane). For example, alpha-hemolysin and similar protein pores are found naturally in cell membranes, which serve as channels for transporting ions or molecules into and out of cells, such proteins serving as nanochannels It can be used for the purpose. Solid-state nanopores are produced in synthetic materials (such as silicon nitride or graphene) by, for example, forming holes in the synthetic membrane using, for example, feedback-controlled low energy ion beam sculpting (IBS) or high energy electron beam irradiation It is formed. Hybrid nanopores can be made by embedding pore forming proteins in synthetic materials. When the metal surface or electrode is at both ends or both sides of the nanopore, a current along the nanopore can be established through the nanopore via the electrolyte medium. The electrodes can be made of any conductive material (eg silver, gold, platinum, copper, titanium dioxide, eg silver coated with silver chloride).

固体(窒化ケイ素、膜)においてナノポアを形成する方法は公知である。ある手法において、シリコン基板を膜材料(例えば窒化ケイ素)で被覆し、膜の全体の形状をフォトリソグラフィーおよびウェット化学エッチングを用いて作成し、ナノチップに組み込むのに望ましいサイズ(例えば約25x25ミクロン)の窒化ケイ素膜を与える。最初の0.1ミクロンの直径の穴または空洞を窒化ケイ素膜に集束イオンビーム(FIB)を用いて開ける。イオンビームスカルプティングは、より大きなポアを収縮させること(例えばイオンビームによって誘導される膜表面上の横方向の質量輸送によって)、または空洞が最終的につながったときに縁の鋭いナノポアとなるように、膜材料を反対側からの空洞を含む膜の平坦面からイオンビームスカルプティングによって層ごとに除去することのいずれかによってナノポアを形成し得る。イオンビームの露光が消えると、ポアを通って伝達されるイオン電流は、所望のポアのサイズに適している。例えば、Li, J., et al., Solid-state nanopore for detecting individual biopolymers, Methods Mol Biol. (2009)544:81-93参照のこと。あるいはナノポアは、TEMにおける高エネルギー(200〜300keV)電子ビーム照射を用いて形成され得る。半導体加工技術、電子ビームリソグラフィー、SiO2マスク層の反応性イオンエッチングおよびSiの異方性KOHエッチングを用いて、ピラミッド形の20x20nmおよびそれよりも大きいポアを40nmの厚さの膜に作成する。TEMにおける電子ビームを用いて、より大きい20nmのポアをより小さいポアに縮小する。TEMは縮小する過程をリアルタイムで観察することを可能にする。より薄い膜(例えば<10nmの厚さ)を用いて、ナノポアはTEMにおける高エネルギー集束電子ビームで穿孔され得る。一般的に、Storm AJ, et al. Fabrication of solid-state nanopores with single-nanometre precision. Nature Materials (2003) 2:537-540; Storm AJ, et al. Translocation of double-stranded DNA through a silicon oxide nanopore. Phys. Rev. E (2005)71:051903; Heng JB, et al. Sizing DNA Using a Nanometer-Diameter Pore. Biophys. J (2004) 87(4):2905-11を参照すること、ここで各内容は参照によって本明細書に組み込まれる。   Methods for forming nanopores in solids (silicon nitride, membranes) are known. In one approach, a silicon substrate is coated with a membrane material (e.g. silicon nitride) and the overall shape of the membrane is made using photolithography and wet chemical etching and of the desired size (e.g. about 25 x 25 microns) to be incorporated into a nanotip Give a silicon nitride film. The first 0.1 micron diameter holes or cavities are drilled into the silicon nitride film using a focused ion beam (FIB). Ion beam sculpting causes the larger pores to shrink (eg, by lateral mass transport on the membrane surface induced by the ion beam), or the cavities become sharp nanopores when the cavities are finally connected Alternatively, nanopores can be formed by either removing the membrane material from the flat side of the membrane, including the cavities from the opposite side, layer by layer by ion beam sculpting. When the ion beam exposure disappears, the ion current transmitted through the pore is suitable for the desired pore size. See, for example, Li, J., et al., Solid-state nanopore for detecting individual biopolymers, Methods MoI Biol. (2009) 544: 81-93. Alternatively, nanopores can be formed using high energy (200-300 keV) electron beam irradiation in a TEM. Pyramidal 20 × 20 nm and larger pores are made in 40 nm thick films using semiconductor processing techniques, electron beam lithography, reactive ion etching of the SiO 2 mask layer and anisotropic KOH etching of Si. The electron beam in the TEM is used to reduce the larger 20 nm pores into smaller ones. TEM makes it possible to observe the shrinking process in real time. With thinner films (e.g. <10 nm thickness), the nanopores can be perforated with a high energy focused electron beam in a TEM. In general, Storm AJ, et al. Fabrication of solid-state nanopores with single-nanometry precision. Nature Materials (2003) 2: 537-540; Storm AJ, et al. Translocation of double-stranded DNA through a silicon oxide nanopore Rev. E (2005) 71: 051903; Heng JB, et al. Sizing DNA Using a Nanometer-Diameter Pore. Biophys. J (2004) 87 (4): 2905-11, each here The contents are incorporated herein by reference.

他の実施態様において、Kwok, et al., "Nanopore Fabrication by Controlled Dielectric Breakdown," PLOS ONE (2014) 9(3): e92880に記載される(この内容は参照によって本明細書に組み込まれる)ように、ナノポアは、膜の比較的高い電位差を利用して、誘電破壊によって作製され、ここで電流が検出されるまで電位を上昇させる。   In another embodiment, as described in Kwok, et al., "Nanopore Fabrication by Controlled Dielectric Breakdown," PLOS ONE (2014) 9 (3): e92880, which is incorporated herein by reference. In addition, nanopores are created by dielectric breakdown, taking advantage of the relatively high potential difference of the membrane, where they raise the potential until a current is detected.

これらの技術を用いて、かつ当然だが使用される実際の技術並びに膜の厚さおよび実際の組成に依存して、窒化ケイ素などの固体材料におけるナノポアの全体の形状は、最も狭い点(即ち実際のナノポア)で先端が一体となっている2つの漏斗に大まかに似ていてもよい。そのような一対の円錐の形状は伝導性であり、ナノポアを介してポリマーを出入りさせる。イメージング技術(例えば原子間力顕微鏡(AFM)または透過型電子顕微鏡(TEM)、特にTEM)が、ナノ膜(nanomembrane)のサイズ、位置および形状、FIBの穴または空洞、並びに最終的なナノポアを検証および測定するのに使用され得る。   With these techniques, and of course depending on the actual technique used and the thickness and composition of the membrane, the overall shape of the nanopore in a solid material such as silicon nitride is the narrowest point (ie The nanopore may be roughly similar to two funnels whose tips are united. The shape of such a pair of cones is conductive, letting the polymer in and out through the nanopore. Imaging techniques (eg atomic force microscopy (AFM) or transmission electron microscopy (TEM), in particular TEM) validate the size, position and shape of the nanomembrane, the holes or cavities in the FIB, and the final nanopore And can be used to measure.

いくつかの実施態様において、ポリマー(例えばDNA)の一端はナノポア付近またはナノポアに通じる漏斗の内壁に係留される。ポリマーの一端がナノポアの近くに係留されている場合、ポリマーは拡散によって最初にナノポアに近づき、次いで電気的勾配によって導かれるため、勾配によって導かれる運動は最大化され、拡散の運動は最小化され、これによって速度および効率が増強される。例えば、Wanunu M, Electrostatic focusing of unlabelled DNA into nanoscale pores using a salt gradient, Nat Nanotechnol. (2010) 5(2):160-5; Gershow M., Recapturing and trapping single molecules with a solid-state nanopore. Nat Nanotechnol. (2007) 2(12):775-9; Gershow, M., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore. Nat Nanotechnol. (2007) 2(12): 775-779参照のこと。   In some embodiments, one end of the polymer (eg, DNA) is anchored near the nanopore or on the inner wall of the funnel leading to the nanopore. If one end of the polymer is anchored near the nanopore, the polymer will first approach the nanopore by diffusion and then be guided by the electrical gradient so that the gradient induced motion is maximized and the diffusion motion is minimized , Which enhances speed and efficiency. For example, Wanunu M, Electrostatic focusing of unlabelled DNA into nanoscale using a salt gradient, Nat Nanotechnol. (2010) 5 (2): 160-5; Gershow M., Recapturing and trapping single molecules with a solid-state nanopore. Nat. See Nanotechnol. (2007) 2 (12): 775-9; Gershow, M., Recapturing and Trapping Single Molecules with a Solid State Nanopore. Nat Nanotechnol. (2007) 2 (12): 775-779.

ある実施態様において、ポリマー(例えばDNA)の一端をビーズに結合させ、ポリマーをポアに通す。ビーズとの結合は、ポリマーが隣接するチャンバーの分離膜の反対側にあるナノポアを最後まで通って移動するのを妨げる。次に電流を止め、ポリマー(例えばDNA)を、分離膜の反対側のチャンバーにおけるナノポアに隣接する表面に結合させる。例えば、ある実施態様において、ssDNAの一端を50nmのビーズに共有結合させ、他端をビオチン化する。ストレプトアビジンを、分離膜の反対側のチャンバーの領域に所望の結合点で結合させる。DNAは電位差によってナノポアから引き出され、ビオチンはストレプトアビジンと結合する。ビーズおよび/またはナノポアに隣接する表面との結合は、共有結合または強い非共有結合(ビオチン−ストレプトアビジン結合など)のいずれかであり得る。次にビーズを酵素で切り離し、洗い流す。いくつかの実施態様において、K. Nishigaki, Type II restriction endonucleases cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13(16): 5747-5760に記載される(これは参照によって本明細書に組み込まれる)ように、一本鎖DNAは一本鎖DNAを切断する酵素で切断される。他の実施態様において、相補的なオリゴヌクレオチドが二本鎖制限部位を作製するために与えられ、これは次に対応する制限酵素で切断され得る。   In one embodiment, one end of a polymer (eg, DNA) is attached to a bead and the polymer is passed through a pore. Bonding with the beads prevents the polymer from migrating through the nanopores on the opposite side of the separation membrane of the adjacent chamber to the end. The current is then turned off and a polymer (eg, DNA) is attached to the surface adjacent to the nanopore in the opposite chamber of the separation membrane. For example, in one embodiment, one end of ssDNA is covalently attached to 50 nm beads and the other end is biotinylated. Streptavidin is bound to the area of the chamber opposite the separation membrane at the desired attachment point. DNA is pulled out of the nanopore by potential difference and biotin binds to streptavidin. Binding to the surface adjacent to the beads and / or nanopores can be either covalent or strong non-covalent (such as biotin-streptavidin binding). The beads are then cleaved off with enzyme and washed away. In some embodiments, K. Nishigaki, Type II restriction endonuclease cleavage single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13 (16): 5747-5760, which is incorporated herein by reference. Single-stranded DNA is cleaved with an enzyme that cleaves single-stranded DNA. In another embodiment, complementary oligonucleotides are provided to create a double stranded restriction site which can then be cleaved with the corresponding restriction enzyme.

ポリマーがナノポアを通過する際に、ポリマーが通過する際のナノポアの部分的な閉塞によって生じるナノポアにかかる電位差または電流の変化を検出でき、異なるモノマーはそれらの異なるサイズおよび静電ポテンシャルによって区別できるため、ポリマー内のモノマーの配列を同定するのに使用できる。   As the polymer passes through the nanopore, changes in the potential difference or current across the nanopore caused by the partial blockage of the nanopore as the polymer passes through can be detected, and different monomers can be distinguished by their different size and electrostatic potential , Can be used to identify the sequence of monomers within the polymer.

本明細書に記載されるように、DNAの製造方法におけるナノポアを含むナノチップの使用は当分野で開示されていないが、そのようなチップは周知であり、DNAの迅速な配列決定のために市販されている。例えば、MinION(Oxford Nanopore Technologies, Oxford, UK)は小さく、ノートパソコンに取り付けることができる。一本鎖DNAがタンパク質ナノポアを1秒毎に30塩基通過する際、MinIONは電流を測定する。ポア内のDNA鎖はイオン流を妨害し、これは配列内のヌクレオチドに対応する電流の変化をもたらす。Mikheyev, AS, et al. A first look at the Oxford Nanopore MinION 配列r, Mol. Ecol. Resour. (2014)14, 1097-1102。MinION の精度は不十分であり、繰り返しの配列決定を必要とするが、読み取られるDNAが容易に区別できる2つの塩基(例えばAとC)のみを含む場合、本発明のナノチップを用いた配列決定の速度と精度は著しく改善され得る。   As described herein, the use of nanotips containing nanopores in methods of producing DNA is not disclosed in the art, but such chips are well known and commercially available for rapid sequencing of DNA. It is done. For example, the MinION (Oxford Nanopore Technologies, Oxford, UK) is small and can be attached to a laptop. MinION measures current as single-stranded DNA passes through the protein nanopore 30 bases per second. The DNA strands in the pore interfere with the ion flow, which results in changes in the current corresponding to the nucleotides in the sequence. Mikheyev, AS, et al. A first look at the Oxford Nanopore MinION sequence r, Mol. Ecol. Resour. (2014) 14, 1097-1102. The accuracy of MinION is insufficient and requires repeated sequencing, but if the DNA being read contains only two easily distinguishable bases (eg A and C), sequencing using the nanotip of the invention Speed and accuracy can be significantly improved.

いくつかの実施態様において、ナノポアを含む膜は、絶縁コア材料(例えば窒化ケイ素膜)の両側に金属表面を含む、3層の形態を有し得る。この実施態様において、例えばナノポアを流れる電流が電極間に電解質媒体を介してナノポアを通って確立され得、この電流がポリマーをナノポアに通らせ得、極性を反転させることによってポリマーを引き戻し得るように、金属表面は例えばリソグラフィーの手段によって形成され、各ナノポアの各末端における対の電極を含むマイクロ回路を与える。ポリマーがナノポアを通過する際、電極はナノポアにかかる電位の変化を測定し得、ポリマー内のモノマーの配列を同定する。   In some embodiments, the membrane comprising nanopores can have a three-layer morphology, including metal surfaces on both sides of the insulating core material (eg, a silicon nitride membrane). In this embodiment, for example, a current flowing through the nanopore can be established between the electrodes through the electrolyte via the nanopore, which current can cause the polymer to pass through the nanopore and reverse the polarity so that the polymer can be pulled back. The metal surface is formed, for example, by means of lithography, giving a microcircuit comprising a pair of electrodes at each end of each nanopore. As the polymer passes through the nanopore, the electrodes can measure the change in potential across the nanopore and identify the sequence of monomers within the polymer.

いくつかの実施態様において、ポリマーの配列はデータを保存するために設計される。いくつかの実施態様において、データはバイナリコード(1と0)で保存される。いくつかの実施態様において、各塩基は1または0に対応する。他の実施態様において、2以上の塩基の容易に認識される配列が1に対応し、他の2以上の塩基の容易に認識される配列が0に対応する。他の実施態様において、データは3進コード、4進コードまたは他のコードで保存され得る。特別な実施態様において、ポリマーはDNA(例えば一本鎖DNA)であり、ここでDNAは2種の塩基のみを含み、いかなる自己ハイブリダイズできる塩基も含まない(例えばDNAは、アデニンとグアニン、アデニンとシトシン、チミジンとグアニン、またはチミジンとシトシンを含む)。いくつかの実施態様において、2種の塩基には、1以上の追加の塩基が点在してもよく、例えばAとCは、例えばコード配列中に中断を示すことによって配列を「分断する」ために、有意な自己ハイブリダイゼーションをもたらさない頻度で、Tを含み得る。他の実施態様において、例えば核酸が二本鎖である場合、いくつかまたは全ての利用可能な塩基が用いられ得る。   In some embodiments, the sequence of the polymer is designed to store data. In some embodiments, data is stored in binary code (1 and 0). In some embodiments, each base corresponds to 1 or 0. In another embodiment, the readily recognized sequence of two or more bases corresponds to one and the readily recognized sequence of the other two or more bases corresponds to zero. In other embodiments, the data may be stored in ternary code, quaternary code or other code. In a particular embodiment, the polymer is DNA (eg single stranded DNA), wherein the DNA comprises only two bases and does not comprise any self-hybridizable bases (eg DNA is adenine with guanine, adenine And cytosine, thymidine and guanine, or thymidine and cytosine). In some embodiments, the two bases may be interspersed with one or more additional bases, for example, A and C "split" the sequence, for example by showing breaks in the coding sequence. And T may be included at a frequency that does not result in significant self hybridization. In other embodiments, eg, where the nucleic acid is double stranded, some or all of the available bases may be used.

ヌクレオチド塩基は天然であってもよく、またはいくつかの実施態様において、例えばMalyshev, D. et al. "A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet", Nature (2014) 509: 385-388に記載される(これは参照によって本明細書に組み込まれる)ように、非天然塩基からなってもよく、または非天然塩基を含んでもよい。   The nucleotide base may be naturally occurring or, in some embodiments, described, for example, in Malyshev, D. et al. "A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet", Nature (2014) 509: 385-388. It may consist of a non-naturally occurring base, as it is, which is incorporated herein by reference, or may contain a non-naturally occurring base.

ある実施態様において、データは単一のモノマー(例えばDNAの場合、単一のヌクレオチド)のポリマーへの付加によって保存される。ある実施態様において、ポリマーはDNAであり、モノマーはアデニン(A)およびシトシン(C)残基である。(i)AとCは大きなサイズの違いを有し、従ってナノポアによる区別が容易となるはずであり、(ii)AとCは互いに対形成しないため、ナノポアの信号の解釈を複雑にし得る有意な二次構造を形成せず、(iii)Gはグアニン四重鎖を形成することが知られているため、同様の理由のためにあまり好ましくないことから、AおよびC残基が有利である。ヌクレオチドは末端トランスフェラーゼ(またはポリヌクレオチドホスホリラーゼ)によって付加されるが、単一のヌクレオチドのみが一度に付加されるように、ヌクレオチドは3’ブロック化されている。ブロック化は次のヌクレオチドの付加の前に除去される。   In one embodiment, the data is preserved by the addition of a single monomer (eg, a single nucleotide in the case of DNA) to the polymer. In one embodiment, the polymer is DNA and the monomers are adenine (A) and cytosine (C) residues. (I) A and C have large size differences, so they should be easy to distinguish by nanopores, and (ii) A and C do not pair with each other, which may complicate the interpretation of the nanopore signal A and C residues are favored because they do not form any secondary structures and (iii) G is known to form guanine quadruplexes, so less preferred for the same reasons. . Nucleotides are added by terminal transferase (or polynucleotide phosphorylase), but the nucleotides are 3 'blocked such that only single nucleotides are added at one time. Blocking is removed prior to the addition of the next nucleotide.

いくつかの実施態様において、DNAはナノチップ内に置かれる。他の実施態様において、DNAは取り出され、例えば長期間の安定性を増強するために、場合により二本鎖DNAに変換され、かつ/または、場合により結晶形に変換される。さらなる他の実施態様において、DNAは増幅され得、増幅されたDNAは長期間の保存のために取り出されるが、元の鋳型DNA(例えばナノチップ内のチャンバーの壁に結合しているDNA)はナノチップ内に残され得、これは読み取られ得、かつ/または追加のDNAを作製するために鋳型として使用され得る。   In some embodiments, the DNA is placed in a nanochip. In another embodiment, the DNA is removed, eg, optionally converted to double stranded DNA and / or optionally converted to a crystalline form, to enhance long term stability. In yet another embodiment, the DNA can be amplified and the amplified DNA is removed for long-term storage, but the original template DNA (e.g. DNA bound to the wall of the chamber in the nanotip) is a nanotip It can be left inside, it can be read out and / or used as a template to make additional DNA.

いくつかの実施態様において、DNAまたは他のポリマーは合成中にナノポアに近接した表面に係留されている。例えば、ある実施態様において、DNA分子の3’末端が、保持チャンバーから、ナノポアを通して、3’保護されたdNTPを付加するポリメラーゼまたは末端トランスフェラーゼ酵素と共に3’保護されたdNTPの流れを含むフローチャンバーに引き出され得るように、または、dNTPを付加しないようにナノポアが酵素を排除している保持チャンバーに保持され得るように、一本鎖DNA分子は各5’末端がナノポアに近接した表面に結合されており、各ナノポアにおける電流はそのナノポアのための電極によって独立して調節され得る。例えば図12〜16並びに図18および図19の描写を参照すること。他の実施態様において、一本鎖DNAは、下記により詳細に記述されるように、トポイソメラーゼを用いて(結合された3’末端を伴う)5’末端への付加によって構築される。各DNA分子が各サイクルに関与するか否かを制御することによって、各DNA分子の配列が、例えば以下のように正確に制御され得る:

Figure 2019512480
Aを流す=3’保護されたdATP
Cを流す=3’保護されたdCTP In some embodiments, the DNA or other polymer is tethered to the surface adjacent to the nanopore during synthesis. For example, in one embodiment, the 3 'end of the DNA molecule passes from the holding chamber through the nanopore into a flow chamber containing a stream of 3' protected dNTPs with a polymerase or terminal transferase enzyme that adds 3 'protected dNTPs. Single-stranded DNA molecules are attached at their 5 'end to the surface in close proximity to the nanopore so that the nanopore can be retained in the holding chamber excluding the enzyme so as to be withdrawn or not add dNTPs The current in each nanopore can be independently regulated by the electrode for that nanopore. See, for example, the depictions of Figures 12-16 and Figures 18 and 19. In another embodiment, single stranded DNA is constructed by addition to the 5 'end (with a bound 3' end) using topoisomerase, as described in more detail below. By controlling whether each DNA molecule is involved in each cycle, the sequence of each DNA molecule can be precisely controlled, for example as follows:
Figure 2019512480
Run A = 3 'protected dATP
Flow C = 3 'protected dCTP

この図式におけるナノポア1およびナノポア2は異なるDNA鎖と結合しており、その位置(フローチャンバー内または外)は別々に制御できる。DNAは、保持チャンバー内の特異的な酵素によって、または、フローチャンバー内の流れを変化させ、酵素的手段、化学的手段、光触媒の手段または他の手段によって脱保護をもたらすことによって、脱保護され得る。ある実施態様において、脱ブロック化試薬が基本単位のヌクレオチドを脱保護しないように、脱ブロック化試薬はAを流すサイクルとCを流すサイクルの間(例えば、フローチャンバーがバッファーで洗浄されている時)に流れる。他の実施態様において、脱保護剤は非常に嵩高いため、ナノポアを通ってフローチャンバーに渡ることはできない。   The nanopore 1 and nanopore 2 in this scheme are bound to different DNA strands and their position (in or out of the flow chamber) can be controlled separately. The DNA is deprotected by specific enzymes in the holding chamber or by altering the flow in the flow chamber and causing deprotection by enzymatic means, chemical means, photocatalyst means or other means obtain. In certain embodiments, the deblocking reagent is between a cycle of flowing A and a cycle of flowing C, such as when the flow chamber is being washed with buffer, such that the deblocking reagent does not deprotect the base unit nucleotide. Flows to In another embodiment, the deprotecting agent is so bulky that it can not pass through the nanopore into the flow chamber.

上述の例の最終結果は、AおよびCがナノポア1のDNAに付加され、CおよびCがナノポア2のDNAに付加されることであろう。   The end result of the above example would be that A and C be added to the DNA of nanopore 1 and C and C be added to the DNA of nanopore 2.

他の実施態様において、チャンバーの配置は類似しているが、ナノポアに近接した表面に係留されている二本鎖DNAを用いて、それぞれバイナリコードに対応している(例えば2以上の種類の)オリゴヌクレオチドフラグメントが、例えば部位特異的リコンビナーゼ(即ち、部位特異的組換え配列として知られる配列セグメント中の核酸の二本鎖の少なくとも一方の鎖を自発的に認識および切断する酵素)を用いて、例えば以下に記述されるトポイソメラーゼを装填された(topoisomerase-charged)オリゴヌクレオチドを用いて、連続的に付加される。   In another embodiment, the arrangement of the chambers is similar, but with double-stranded DNA anchored to the surface close to the nanopore, each corresponding to a binary code (eg of two or more types) The oligonucleotide fragment is, for example, using a site-specific recombinase (ie, an enzyme that spontaneously recognizes and cleaves at least one strand of a double-stranded nucleic acid in a sequence segment known as a site-specific recombination sequence). For example, it is sequentially added using topoisomerase-charged oligonucleotides described below.

ある実施態様において、荷電ポリマー(例えばDNA)を合成後に凝集状態で保持することが望ましい場合がある。これにはいくつかの理由がある:
・ポリマーはこの形状においてより安定であるはずである、
・ポリマーを凝集させることはクラウディングを低く保ち、小さな体積でより長いポリマーの使用を可能にする、
・秩序のある凝集は、ポリマーがノットまたはもつれを形成する可能性を減少させ得る、
・任意のチャンバーが相互接続されている場合、電流が適用された場合に想定されているポアとは異なるポアをポリマーが通過して長くなることを防ぐのに役立つ、
・凝集はポリマーを電極から離すのに役立ち、ここで電気化学はポリマーを損傷させ得る。
In certain embodiments, it may be desirable to keep the charged polymer (eg, DNA) in an aggregated state after synthesis. There are several reasons for this:
The polymer should be more stable in this form,
Agglomerating the polymer keeps the crowding low and allows the use of longer polymers in small volumes,
Ordered aggregation can reduce the likelihood of the polymer forming knots or tangles,
If any chambers are interconnected, it helps to prevent the polymer from passing through a pore different from the one that is supposed to be when the current is applied,
• Aggregation helps to move the polymer away from the electrode, where the electrochemistry can damage the polymer.

ヒト細胞は約10ミクロンであるが、80億塩基対のDNAを含む。このDNAを伸ばすと1メートルを超える。DNAはヒストンタンパク質に巻き付いているため、細胞に収まっている。ある実施態様において、ヒストンまたは類似のタンパク質は本発明のナノチップにおいて類似の機能を提供する。いくつかの実施態様において、ナノチップの内部表面は、荷電ポリマー(例えばDNA)がそれらに弱く張り付く傾向を持つように、わずかに正に帯電している。   Human cells are approximately 10 microns but contain 8 billion base pairs of DNA. This DNA stretches over 1 meter. DNA is contained in cells because it is wound around histone proteins. In one embodiment, histones or similar proteins provide similar functions in the nanochips of the invention. In some embodiments, the inner surface of the nanotips is slightly positively charged such that charged polymers (eg, DNA) have a tendency to stick weakly to them.

ある実施態様において、荷電ポリマー、例えば一本鎖または二本鎖DNAは、ナノポアに近接した表面に結合している。これは様々な方法で達成され得る。一般に、ナノポアを通過できないほど大きな直径(例えば>10nm、例えば20〜50nm)を有する相対的に嵩高い構造体(例えばビーズ、タンパク質、または(以下に記述される)DNAオリガミ構造)にポリマーを結合し、電流を用いて荷電ポリマーをナノポアを通して引っ張り、嵩高い構造から遠いポリマーの末端をナノポアに隣接する表面に係留し、嵩高い構造を切り離すことによって、ポリマーをナノポアに局在化させる。   In one embodiment, the charged polymer, eg, single stranded or double stranded DNA, is attached to the surface in proximity to the nanopore. This can be achieved in various ways. Generally, the polymer is attached to a relatively bulky structure (eg, a bead, a protein, or a DNA origami structure (described below)) having a large diameter (eg,> 10 nm, eg, 20-50 nm) that can not pass through the nanopore Current is used to pull the charged polymer through the nanopore, anchoring the end of the polymer far from the bulky structure to the surface adjacent to the nanopore and localizing the polymer into the nanopore by breaking up the bulky structure.

嵩高い構造から遠いポリマーの末端をナノポアに隣接する表面に係留する工程は様々な方法で達成され得る。ある実施態様において、ポリマーは一本鎖DNAであり、一本鎖DNAの一部と相補的な予め結合しているDNA鎖(約50bp)が存在し、一本鎖DNAと予め結合しているDNA鎖は塩基対形成を介して結合できる。この塩基対形成が十分強い場合、DNAを操作している間でさえ係留し続けるのに十分である。この結合方法の利点は、DNAの長期間の保存のために望まれる場合、DNAをナノポアチップから取り出せることである。あるいは、この鎖は、結合化学(例えば、下記の実施例1に記載されるストレプトアビジン−ビオチン共役)または「クリック」ケミストリー(Kolb, et al. Angew. Chem. Int. Ed. (2001)40: 2004-2021参照のこと、これは参照によって本明細書に組み込まれる)のいずれか、および/または酵素的結合(例えば、オリゴを遠い表面にあらかじめ共有結合させ、次にDNAリガーゼを用いてそれらを結合させることによる)を用いて、表面に共有結合される。   The step of anchoring the end of the polymer far from the bulky structure to the surface adjacent to the nanopore can be accomplished in various ways. In one embodiment, the polymer is single-stranded DNA, and a pre-bound DNA strand (about 50 bp) complementary to a portion of single-stranded DNA is present and pre-bound to single-stranded DNA. DNA strands can be linked via base pairing. If this base pairing is strong enough, it is sufficient to keep tethering even while manipulating the DNA. An advantage of this conjugation method is that the DNA can be removed from the nanopore chip if desired for long-term storage of the DNA. Alternatively, this strand can be conjugated chemistry (e.g., streptavidin-biotin conjugate described in Example 1 below) or "click" chemistry (Kolb, et al. Angew. Chem. Int. Ed. (2001) 40: See, 2004-2021, any of which is incorporated herein by reference, and / or enzymatic conjugation (eg, precovalently attach oligos to distant surfaces, and then using DNA ligase to The bond is covalently attached to the surface.

鎖の遠い末端がナノポアに隣接する表面に結合すると、嵩高い構造は、例えば嵩高い構造付近の制限部位を切断するエンドヌクレアーゼを用いて切断される。   When the far end of the strand is attached to the surface adjacent to the nanopore, the bulky structure is cleaved using, for example, an endonuclease that cleaves a restriction site near the bulky structure.

嵩高い構造は、ビーズ、嵩高い分子(例えばDNA鎖に可逆的に結合するタンパク質)、またはDNAオリガミ構造であり得る。DNAオリガミは3次元DNA構造を作製するための塩基対形成の使用を含む。DNAオリガミ技術は一般にBell, et al, Nano Lett. (2012)12: 512-517に記述され、これは参照によって本明細書に組み込まれる。例えば、本発明において、DNAオリガミは、単一のDNA分子をナノポアに隣接する表面に結合させるために使用され得る。ある実施態様において、この構造は「ハニカム状の立方体」(例えば各辺が約20nm)である。これは、この部分のDNAが(添付書類にある通り)ナノポアを通過するのを妨げる。オリガミ構造に結合する長鎖の(一本鎖または二本鎖)DNAが存在する。オリガミ構造がナノポアに直面し、さらなる進行を阻害するまで、DNA鎖はナノポアを通って進む。その後電流を止め、鎖をナノポアに隣接する表面に結合させる。   The bulky structure may be a bead, a bulky molecule (eg, a protein that reversibly binds to a DNA strand), or a DNA origami structure. DNA origami involves the use of base pairing to generate three-dimensional DNA structures. The DNA Origami technology is generally described in Bell, et al, Nano Lett. (2012) 12: 512-517, which is incorporated herein by reference. For example, in the present invention, DNA origami can be used to attach a single DNA molecule to the surface adjacent to the nanopore. In one embodiment, the structure is a "honeycomb cube" (e.g., about 20 nm on each side). This prevents this portion of DNA from passing through the nanopore (as in the package insert). There is a long (single-stranded or double-stranded) DNA that binds to the origami structure. The DNA strand travels through the nanopore until the Origami structure faces the nanopore and inhibits further progression. The current is then turned off and the chains are attached to the surface adjacent to the nanopore.

別の実施態様において、オリガミ構造を伴う荷電ポリマー(例えばDNA)は、3つのチャンバー配置の中央のチャンバーにある。オリガミはDNAが他の2つのチャンバー(または2つのチャンバーの例において他の1つのチャンバー)に完全に入るのを防ぐ。従って、この例において、ポリマーは表面に係留されることを必要としない。これはポリマーが結び目を作るリスクを減少させ、ポリマーの一端を表面に結合する工程、および他端の嵩高い部分を切断する工程の必要性を回避する。オリガミを含むチャンバーの体積は、ポリマーが相対的にポアの近くに留まるようにできるだけ小さくするべきであり、これは電流がかけられた場合にポリマーが迅速に移動するのを確実にするのに役立つ。ポリマーのオリガミ部分を含む中央のチャンバーは他の中央のチャンバーと相互接続できない(そうでなければ種々のポリマーが混合する)が、他のチャンバー(または3つのチャンバーの例ではチャンバーの組)は相互接続できることを注記しておく。DNAが他のチャンバーに移動する際、ポリマーは必ずポアの近くにある(実際にはその一部はポアの内部にある)ため、これらの他のチャンバーは、所望により、より大きな体積を有してもよい。   In another embodiment, a charged polymer (eg, DNA) with an origami structure is in the central chamber of a three chamber arrangement. Origami prevents DNA from completely entering the other two chambers (or one other chamber in the two chamber example). Thus, in this example, the polymer does not need to be anchored to the surface. This reduces the risk of the polymer knotting and avoids the need to bond one end of the polymer to the surface and cut the bulky part of the other end. The volume of the chamber containing the origami should be as small as possible so that the polymer remains relatively close to the pore, which helps to ensure that the polymer moves quickly when current is applied . While the central chamber containing the polymer segment is not interconnected with the other central chambers (otherwise the various polymers mix), the other chambers (or sets of chambers in the example of three chambers) are mutually Note that you can connect. These other chambers have larger volumes if desired, as the polymer is always near the pore (in fact some of it is inside the pore) as the DNA moves into the other chambers May be

いくつかの実施態様において、デバイスは3つの直列のチャンバーを含み、ここで付加チャンバーは流れを可能にするために連続しており、共通の電極を有するが、「脱保護」チャンバーはナノポアを通る流れ以外は流体的に隔離されており、固有の電極を有する。   In some embodiments, the device comprises three chambers in series, where the addition chamber is continuous to allow flow and has a common electrode, but the "deprotection" chamber passes through the nanopore It is fluidly isolated except in flow and has its own electrode.

他の実施態様において、DNAまたは他の荷電ポリマーは係留されないが、合成チャンバーと脱保護チャンバーとの間をチャンバー内の電極の制御下で移動でき、一方ポリメラーゼおよび脱保護化剤はチャンバーを接続するナノポアを通過できないほど嵩高く、かつ/または、チャンバー内の表面に係留されているため、チャンバー間の移動を制限される。例えば図1〜9および16〜17を参照のこと。   In another embodiment, the DNA or other charged polymer is not tethered but can be moved between the synthesis chamber and the deprotection chamber under the control of the electrodes in the chamber, while the polymerase and the deprotection agent connect the chamber Movement between the chambers is restricted because they are bulky so that they can not pass through the nanopore and / or are anchored to the surface in the chambers. See, for example, Figures 1-9 and 16-17.

荷電ポリマーをナノポアを通して移動させるために必要とされる電流は、例えばポリマーの性質、ナノポアのサイズ、ナノポアを含む膜の材料および塩濃度に依存し、要求に応じて特定のシステムに最適化される。本明細書の実施例において使用されるDNAの場合、電圧および電流の例は、例えば100mM〜1Mの桁数の塩濃度で、50〜500mV(通常100〜200mV)および1〜10nA(例えば約4nA)である。   The current required to move the charged polymer through the nanopore depends on, for example, the nature of the polymer, the size of the nanopore, the material of the membrane containing the nanopore and the salt concentration, and is optimized for the particular system according to the requirements . In the case of DNA used in the Examples herein, examples of voltages and currents are, for example, 50 to 500 mV (usually 100 to 200 mV) and 1 to 10 nA (eg, about 4 nA) at a salt concentration of 100 mM to 1 M, for example. ).

荷電ポリマー、例えばDNAのナノポアを通る移動は、通常、非常に速く、例えば1塩基毎に1〜5μs、即ち1秒毎に100万塩基の桁数(周波数の用語を採用する場合、1MHz)であり、これはシステムにおいてノイズと区別される正確な読み取りを得るための課題を示す。本方法を使用して、(i)測定可能な特徴的な変化をもたらすために、ヌクレオチドは、配列中で、例えば連続して約100回、繰り返される必要がある、または、(ii)アルファヘモリジン(αHL)またはマイコバクテリウム・スメグマチス(Mycobacterium smegmatis)ポリンA(MspA)などのタンパク質のポアを使用すること、これは、塩基がポリマーを通過する際に複数の読み取りの可能性のある比較的長いポアを提供し、いくつかの場合では、そのポアを通して1回に1個の塩基に制御されたDNAの供給をもたらすように調整でき、いくつかの場合では、各塩基が通過する際にそれを切断するエキソヌクレアーゼを使用する。様々なアプローチが可能であり、例えば、
・ポリマーの速度を、約1MHzから約100〜200Hzに落とすこと、例えば、電圧をかけるとより粘性が増し、それにより、ナノポアを通過するポリマーの速度を落とす電気粘性流体を含む媒体、または、媒体の粘性を光により制御できるプラズモンの流体系;または、分子モーターまたはラチェットを使用する;
・ポリマー中、例えば一本鎖DNA中に、ナノポアにはまるために直鎖状にされなければならない嵩高い二次構造、例えば、「ヘアピン」、「ハンマーヘッド」または「ダンベル」の配置を形成する配列を提供し、それにより、情報の密度を薄くし、長い期間を有するシグナルを提供する;
・同じ配列の多数の読み取りを提供すること、例えば、急速に変化する電流を使用して、同じ配列フレームの多数の読み取りを可能にし、分子を次の配列フレームに引き出す直接的な電流の短いバーストと組み合わせることにより、配列全体を複数回読み取ることにより、または、複数の同一配列を並行して読み取ることによる。各場合で読み取りをまとめて、シグナルを増幅する共通の読み取りを提供する;
・電流または抵抗の変化を直接測定するよりも、むしろ、モノマー(例えば、ヌクレオチド)がナノポアを通過する際の静電容量の変化により誘導される高周波数のシグナルにおけるインピーダンスの変化を測定すること;
・異なる塩基間の電流、抵抗または静電容量の差異を増強すること、例えば、サイズがより大きく異なるか、または、その他の方法で修飾されて異なるシグナルを与える非天然塩基を使用することにより、または、大きいサイズのために増強されたシグナルをもたらす「ヘアピン」、「ハンマーヘッド」または「ダンベル」配置などのより大きい二次構造をDNA中に形成することによる;
・光学的読み取りシステムを使用すること、例えば、その内容が参照によって本明細書に組み込まれるNam, et al., "Graphene Nanopore with a Self-Integrated Optical Antenna", Nano Lett. (2014)14: 5584-5589に記載されるものなどの、光トランスデューサー(または光シグナルエンハンサー)として作用して標準的イオン電流測定を補足または代替する、ナノポアに隣接した集積化光アンテナを使用すること。いくつかの実施態様では、それぞれ異なるモノマーが、ナノポアとその光学アンテナのジャンクションを通過するときにシグネチャー強度で蛍光を発するように、モノマー、例えばDNAヌクレオチドを蛍光染料で標識する。いくつかの実施態様では、例えば、各内容が参照によって本明細書に組み込まれるMcNally et al., "Optical recognition of converted DNA nucleotides for single molecule DNA sequencing using nanopore arrays", Nano Lett. (2010)10(6): 2237-2244, および Meller A., "Towards Optical DNA Sequencing Using Nanopore Arrays", J Biomol Tech. (2011) 22(Suppl): S8-S9に記載されるように、ポリマーが高速でナノポアを通過するときに、固相のナノポアが蛍光標識をはがし、一連の検出可能な光子のバーストを導く。
The movement of charged polymers, for example DNA, through nanopores is usually very fast, for example 1 to 5 μs per base, ie in the order of one million bases per second (1 MHz if the term frequency is employed) This presents a challenge for obtaining an accurate reading that is distinguished from noise in the system. Using this method, (i) the nucleotides need to be repeated in the sequence, eg about 100 times consecutively, in order to bring about a measurable characteristic change, or (ii) alpha hemo Using a pore of a protein such as lysine (αHL) or Mycobacterium smegmatis porin A (MspA), which is relatively large with multiple reading possibilities as the base passes through the polymer It can be tuned to provide a long pore, and in some cases to provide a controlled supply of DNA to one base at a time through the pore, and in some cases as each base passes Use exonuclease to cleave. Various approaches are possible, for example:
A medium or media comprising an electrorheological fluid that reduces the velocity of the polymer from about 1 MHz to about 100 to 200 Hz, for example, the viscosity increases with the application of voltage, thereby slowing the velocity of the polymer through the nanopore Using a fluid system of plasmons whose light viscosity can be controlled by light; or using a molecular motor or a ratchet;
Forming a bulky secondary structure which has to be linearized in order to fit in the nanopore, eg in single stranded DNA, in a polymer, eg an arrangement of “hairpin”, “hammerhead” or “dumbbell” Provide an array, thereby reducing the density of information and providing a signal with a long duration;
Providing multiple reads of the same sequence, eg, using a rapidly changing current to enable multiple reads of the same sequence frame, drawing short molecules of direct current to draw the molecule to the next sequence frame , By reading the entire sequence multiple times, or by reading multiple identical sequences in parallel. Bring together the readings in each case to provide a common reading that amplifies the signal;
-Measuring the change in impedance in high frequency signals induced by the change in capacitance as the monomer (e.g. nucleotide) passes through the nanopore, rather than directly measuring the change in current or resistance;
By enhancing the difference in current, resistance or capacitance between different bases, eg by using non-natural bases which differ in size or are otherwise modified to give different signals, Or by forming larger secondary structures in the DNA, such as “hairpins”, “hammerheads” or “dumbbells” arrangements that provide enhanced signals for large size;
Using an optical reading system, eg, Nam, et al., "Graphene Nanopore with a Self-Integrated Optical Antenna", Nano Lett. (2014) 14: 5584, the contents of which are incorporated herein by reference. Using an integrated light antenna adjacent to the nanopore that acts as a light transducer (or light signal enhancer), such as that described in 5589, to supplement or replace standard ion current measurements. In some embodiments, different monomers are labeled with a fluorescent dye, such as a DNA nucleotide, such that each different monomer fluoresces at a signature intensity as it passes through the junction of the nanopore and its optical antenna. In some embodiments, for example, McNally et al., "Optical recognition of converted DNA nucleotides for sequencing of each molecule", Nano Lett. (2010) 10 (2010) 10 (10), the contents of each being incorporated herein by reference. 6): 2237-2244, and Meller A., "Towards Optical DNA Sequencing Using Nanopore Arrays", J Biomol Tech . (2011) 22 (Suppl): Polymers Nanopores at High Speed as Described in S8-S9 As it passes, the solid phase nanopore removes the fluorescent label, leading to a series of detectable photon bursts.

ある実施態様では、荷電ポリマーは核酸、例えば一本鎖DNAであり、その配列が二次構造をもたらす。参照により本明細書に組み込まれるBell, et al., Nat Nanotechnol.(2016)11(7):645-51は、固相ナノポア形式で検出可能なダンベル配置の比較的短い配列を使用して免疫アッセイの抗原を標識することを記載している。Bellらに使用されたナノポアは、ダンベル構造全体がポアを通過できるように比較的大きかったが、ダンベル配置の直径よりも小さいナノポアを使用すると、DNAは「ファスナーを開かれ(unzip)」、直鎖状になる。より複雑な配置、例えば、各ビットがtRNAに似た配列に対応する配置を使用できる(例えば、参照により本明細書に組み込まれるHenley, et al. Nano Lett. (2016)16: 138-144を参照されたい)。従って、本発明は、少なくとも2種類の二次構造を有し、その二次構造がデータ(例えば、1つのタイプの二次構造が1であり、第2の二次構造が0であるバイナリデータ)をコードする荷電ポリマー、例えば一本鎖DNAを提供する。他の実施態様では、二次構造を使用して、DNAのナノポア通過を減速するか、または、配列に中断をもたらし、配列の読み取りを容易にする。   In one embodiment, the charged polymer is a nucleic acid, such as single stranded DNA, the sequence of which results in secondary structure. Bell, et al., Nat Nanotechnol. (2016) 11 (7): 645-51, which is incorporated herein by reference, uses a relatively short sequence of detectable dumbbell placement in the solid phase nanopore format to immunize It is described to label the antigen of the assay. The nanopores used by Bell et al. Were relatively large so that the entire dumbbell structure could pass through the pore, but with nanopores smaller than the diameter of the dumbbell configuration, the DNA "unzips" and straightens It becomes chained. More complex arrangements can be used, eg, arrangements in which each bit corresponds to a sequence similar to tRNA (eg, Henley, et al. Nano Lett. (2016) 16: 138-144, which is incorporated herein by reference). See for reference). Thus, the present invention has binary structure having at least two types of secondary structures, wherein the secondary structure is data (e.g., one type of secondary structure is 1 and second secondary structure is 0). Provided), such as single stranded DNA. In other embodiments, secondary structure is used to slow down the nanopore passage of DNA or to provide a break in the sequence to facilitate reading of the sequence.

他の実施態様では、本発明は一連の少なくとも2つの異なるDNAモチーフを含むDNA分子を利用し、各モチーフは特定のリガンド(例えば二本鎖DNAに対する遺伝子調節タンパク質、または、一本鎖DNAに対するtRNA)に特異的に結合し、少なくとも2つの異なるDNAモチーフが(例えば1つのモチーフが1であり、第2のモチーフが0であるバイナリコードで)情報をコードし、例えば、リガンドは、DNAがナノポアを通過する際にナノポアにかかるシグナルの差異(例えば電流または静電容量の変化)を増強する。   In another embodiment, the invention utilizes DNA molecules comprising a series of at least two different DNA motifs, each motif being a specific ligand (eg, a gene regulatory protein for double stranded DNA, or a tRNA for single stranded DNA). And specifically binding information, wherein at least two different DNA motifs encode information (eg in a binary code where one motif is one and the second motif is zero), eg a ligand is a DNA nanopore Enhance the difference in signal (eg, change in current or capacitance) applied to the nanopore as it passes through.

上記で論じた通り、異なるモノマーがナノポアを通過するとき、それらは、主としてナノポアを物理的に塞ぎ、ナノポアのコンダクタンスを変化させることにより、ナノポアを通る電流に影響を与える。既存のナノポアシステムでは、この電流の変化を直接測定する。現行の読み取りシステムの問題は、システムにかなりのノイズがあり、DNAの場合、例えば、異なるヌクレオチドユニットがナノポアを通過する際の電流変動を測定するときに、異なるモノマー間、例えば異なる塩基間の差異を正確に検出するには、100分の1秒の桁数で、比較的長い積分時間が必要とされることである。最近、インピーダンスおよび静電容量の変化が、塩および生体分子の複雑な相互作用の可能性にも拘わらず、細胞および生物システムを研究するのに有用であり得ることが示された。例えば、Laborde, et al. Nat Nano. (2015)10(9):791-5(参照により本明細書に組み込まれる)は、高周波インピーダンス分光法を、生理的塩条件下で静電容量の小さい変化を検出し、微粒子および生きている細胞をデバイの限界(Debye limit)を超えて画像化するのに使用できることを立証している。   As discussed above, when different monomers pass through the nanopore, they affect the current through the nanopore primarily by physically blocking the nanopore and changing the conductance of the nanopore. The existing nanopore system directly measures this change in current. The problem with current reading systems is that there is considerable noise in the system, and in the case of DNA, for example, when measuring current fluctuations as different nucleotide units pass through the nanopore, differences between different monomers, eg different bases In order to detect accurately, a relatively long integration time is required with a digit number of one hundredth of a second. Recently, it has been shown that changes in impedance and capacitance can be useful to study cells and biological systems despite the potential for complex interactions of salts and biomolecules. For example, Laborde, et al. Nat Nano. (2015) 10 (9): 791-5 (incorporated herein by reference) is a high-frequency impedance spectroscopy that has low capacitance under physiological salt conditions. Changes have been detected and demonstrated that they can be used to image microparticles and live cells beyond the Debye limit.

従って、本発明のある実施態様では、電流の変動を直接測定するよりも、むしろ、容量変動を測定し、例えば、モノマー(例えば、ヌクレオチド)がナノポアを通過する際の静電容量の変化により誘導される無線周波シグナルの相変化を測定することにより、荷電ポリマーの配列を同定する。   Thus, in one embodiment of the present invention, rather than measuring the fluctuation of the current directly, measuring the capacity fluctuation, for example, induced by the change in capacitance as the monomer (eg, nucleotide) passes through the nanopore The sequence of the charged polymer is identified by measuring the phase change of the radio frequency signal.

簡潔に述べると、静電容量は、一方の電気伝導体と他方の電気伝導体の間にギャップがあるいかなる回路にも存在する。電流は静電容量と共に直接的に変動するが、静電容量と同時には変動しない。例えば、交流電流の容量回路で電流と電圧を経時的にプロットする場合、電流と電圧の両方がそれぞれ正弦波を形成するが、波の位相は不一致であるとわかるであろう。電流に変化があるとき、静電容量に変化があり、それはシグナルの位相の変化に反映される。無線周波交流電流は一定の周波数と振幅のシグナルをもたらすが、シグナルの位相は回路の静電容量に伴って変動する。本願のシステムでは、荷電ポリマーがナノポアを通って(DNAの場合は陽極に向かって)引き出されるように、交流電流よりも、むしろ、脈流直流電流(即ち、極性が維持され、一方の電極は陽極のままであり、他方は陰極のままであるように、電圧は2つの値の間で変化するが、「ゼロ」のラインを超えない)を使用する。ナノポア中に何もない場合、静電容量は1つの値であり、それはポリマーの異なるモノマーがナノポアを通過するときに変化する。適する周波数の範囲は、無線周波数の範囲にあり、例えば1MHz〜1GHz、例えば50〜200MHz、例えば約100MHzであり、例えば、媒体の有意な誘電加熱を引き起こし得る高マイクロ波の周波数より低い。干渉の可能性を低減するために、複数のナノポアを1つの無線周波数の入力ラインで同時に測定できるように、異なるナノポアに異なる周波数を適用できる。   Briefly stated, capacitance exists in any circuit where there is a gap between one electrical conductor and the other electrical conductor. The current fluctuates directly with the capacitance, but not with the capacitance. For example, if current and voltage are plotted over time in an alternating current capacity circuit, both current and voltage will each form a sine wave, but the phases of the waves will be seen to be out of phase. When there is a change in current, there is a change in capacitance, which is reflected in the change in phase of the signal. Radio frequency alternating current produces a signal of constant frequency and amplitude, but the phase of the signal varies with the capacitance of the circuit. In the system of the present application, as the charged polymer is drawn through the nanopore (toward the anode in the case of DNA), rather than alternating current, pulsed direct current (ie polarity is maintained and one electrode is The voltage changes between the two values, but does not exceed the "zero" line so that it remains an anode and the other remains a cathode. If nothing is in the nanopore, the capacitance is a single value, which changes as different monomers of the polymer pass through the nanopore. A range of suitable frequencies is in the range of radio frequencies, for example 1 MHz to 1 GHz, for example 50 to 200 MHz, for example about 100 MHz, for example below the high microwave frequency that can cause significant dielectric heating of the medium. Different frequencies can be applied to different nanopores so that multiple nanopores can be measured simultaneously with one radio frequency input line to reduce the possibility of interference.

インピーダンスの変化(例えば、静電容量の変化に起因するもの)を高周波数で測定することは、1/fノイズ、即ち、電気的測定回路に内在する「ピンク」ノイズの影響を低減するので、ある一定の期間に利用できるシグナル対ノイズを高める。所定の期間内に多くの測定が行われるので、高周波数のシグナルの使用はシグナル対ノイズ比を高め、環境またはデバイスの変動およびゆらぎに起因するインピーダンス変化と容易に区別される、より安定なシグナルをもたらす。   Measuring high frequency changes in impedance (eg, due to changes in capacitance) reduces the effects of 1 / f noise, ie, “pink” noise inherent in the electrical measurement circuit. Increase the signal to noise available for a certain period of time. The use of high frequency signals increases the signal to noise ratio as more measurements are made within a given period of time, a more stable signal that is easily distinguished from impedance changes due to environmental or device fluctuations and fluctuations Bring

これらの原理を本発明に応用して、本発明は、ある実施態様では、モノマー(例えば、ヌクレオチド)がナノポアを通過する際の静電容量の変化により誘導される高周波数のシグナルにおけるインピーダンスの変化を測定する方法を提供する。例えば、少なくとも2つの異なる種類のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNA分子のモノマー配列を読み取る方法を提供し、これは、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz〜1GHz、例えば50〜200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにかけ、脈流直流電流が荷電ポリマーをナノポアを通して引き出し、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を読み取ることを含む。   Applying these principles to the present invention, the present invention, in one embodiment, changes in impedance in high frequency signals induced by changes in capacitance as the monomer (eg, nucleotide) passes through the nanopore Provide a way to measure For example, there is provided a method of reading a charged polymer comprising at least two different types of monomers, such as a monomer sequence of a DNA molecule, which may generate radio frequency pulsed direct current, such as 1 MHz to 1 GHz, such as 50 to 200 MHz, for example. Directing the nanopore into the nanopore at a frequency of about 100 MHz, including reading the monomer sequence by measuring the volume fluctuation of the nanopore as the pulsating direct current draws the charged polymer through the nanopore and the charged polymer passes through the nanopore.

いくつかの実施態様では、本発明は、少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAの配列決定用のナノチップを提供する。そのナノチップは、少なくとも第1および第2の反応チャンバーを含み、これらはそれぞれ電解質媒体を含み、1以上のナノポアを含む膜により分離されており、回路に(例えば向かい合うプレートの形態で)連結された電極対が1以上のナノポアを含む膜のいずれかの側に配置されており、電極は1〜30ミクロン、例えば約10ミクロン離されていて、荷電ポリマーを、ナノポアを通して、例えば1つのチャンバーから次のチャンバーに引き出すために、無線周波数の脈流直流電流、例えば1MHz〜1GHzが電極にかけられたときに、電極間のギャップが静電容量を有するように、そして、脈流直流無線周波数電流の位相が、荷電ポリマーがナノポアを通過する際の静電容量の変化に伴って変化し、それにより、荷電ポリマーのモノマー配列の検出を可能にするようになっている。ある種の実施態様では、ナノチップは複数のセットの反応チャンバーを含み、1セット内の反応チャンバーは、1以上のナノポアを有する膜により分離されており、これらの反応チャンバーのセットは、反応チャンバーのセット間の電気的干渉を最小にし、かつ/または、複数の線状ポリマーを分離してそれらが並行して配列決定されることを可能にする、スクリーニング層により分離されている。   In some embodiments, the invention provides a charged polymer comprising at least two separate monomers, such as a nanotip for sequencing DNA. The nanotip comprises at least a first and a second reaction chamber, each comprising an electrolyte medium, separated by a membrane comprising one or more nanopores, and connected to the circuit (eg in the form of opposite plates) An electrode pair is disposed on either side of the membrane containing one or more nanopores, the electrodes are separated by 1 to 30 microns, eg about 10 microns, and the charged polymer is passed through the nanopores, eg from one chamber to the next Such that when the radio frequency pulsating direct current, for example 1 MHz to 1 GHz, is applied to the electrodes, so that the gap between the electrodes has capacitance, and the phase of the pulsating direct current radio frequency current Changes with the change in capacitance as the charged polymer passes through the nanopore, thereby causing the monolith of the charged polymer to It is adapted to enable detection of over sequence. In certain embodiments, the nanochip comprises a plurality of sets of reaction chambers, wherein the reaction chambers in one set are separated by a membrane having one or more nanopores, the set of reaction chambers being of the reaction chambers Separated by screening layers that minimize electrical interference between the sets and / or separate multiple linear polymers to allow them to be sequenced in parallel.

例えば、ある実施態様では、電極は、共振回路に埋め込まれたコンデンサの上下のプレートを形成し、DNAがプレート間のポアを通過する際に静電容量の変化が測定される。   For example, in one embodiment, the electrodes form the upper and lower plates of a capacitor embedded in a resonant circuit, and changes in capacitance are measured as DNA passes through the pores between the plates.

ある種の実施態様では、ナノチップは、例えば、下記のナノチップ1のいずれかに従って、ポリマー、例えばDNAを合成するための試薬をさらに含む。   In certain embodiments, the nanochip further comprises a polymer, eg, a reagent for synthesizing DNA, according to, for example, any of the following nanochips 1.

従って、ある実施態様では、本発明は少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマー[例えば、核酸(例えば、DNAまたはRNA)]をナノチップ中で合成する方法(方法1)を提供し、このナノチップは、
単一のモノマーまたはオリゴマーのみが1つの反応サイクルにおいて付加され得るように、1以上のモノマー[例えばヌクレオチド]またはオリゴマー[例えば、オリゴヌクレオチド]を、緩衝液中で、末端が保護された形態で、荷電ポリマーに付加するための試薬を含む、1以上の付加チャンバー;および、
緩衝液を含むが、1以上のモノマーまたはオリゴマーの付加に必要な全ての試薬を含むわけではない、1以上の保存チャンバー
(ここで、チャンバーは、1以上のナノポアを含む1以上の膜により分離されており、
荷電ポリマーはナノポアを通過できるが、1以上のモノマーまたはオリゴマーの付加用の試薬の少なくとも1つは通過できない)
を含み、
この方法は、
a)第1の末端と第2の末端を有する荷電ポリマーの第1の末端を、電気的引力により付加チャンバーに移動させ、それによりモノマーまたはオリゴマーをブロック化された形態で第1の末端に付加すること、
b)荷電ポリマーの第1の末端を、ブロック化された形態で付加されたモノマーまたはオリゴマーと共に、保存チャンバーへ移動させること、
c)付加されたモノマーまたはオリゴマーを脱ブロック化すること、および、
d)所望のポリマー配列が得られるまで、工程a〜cを繰り返すこと、ここで、工程a)で付加されるモノマーまたはオリゴマーは、同じであるか、または異なる、
を含む。
Thus, in one embodiment, the invention provides a method (Method 1) for synthesizing a charged polymer [eg, a nucleic acid (eg, DNA or RNA)] comprising at least two separate monomers in a nanotip, the nanotip comprising ,
One or more monomers [e.g. nucleotides] or oligomers [e.g. oligonucleotides], in buffer, in end-protected form, such that only a single monomer or oligomer can be added in one reaction cycle One or more addition chambers containing reagents for addition to the charged polymer; and
One or more storage chambers, where the buffer contains but does not contain all the reagents necessary for the addition of one or more monomers or oligomers, where the chambers are separated by one or more membranes containing one or more nanopores Has been
The charged polymer can pass through the nanopore but can not pass through at least one of the reagents for the addition of one or more monomers or oligomers)
Including
This method is
a) moving the first end of the charged polymer having the first end and the second end to the addition chamber by electrical attraction, thereby adding the monomer or oligomer in a blocked form to the first end To do,
b) transferring the first end of the charged polymer, together with the added monomer or oligomer in blocked form, to the storage chamber,
c) deblocking the added monomer or oligomer, and
d) repeating steps ac until the desired polymer sequence is obtained, wherein the monomers or oligomers added in step a) are the same or different,
including.

例えば、本発明は、以下のものを提供する。
1.1 ポリマーが核酸である、例えば、ポリマーがDNAまたはRNAである、例えば、DNA、例えばdsDNAまたはssDNAである、方法1。
For example, the present invention provides the following.
1.1. Method 1, wherein the polymer is a nucleic acid, eg, the polymer is DNA or RNA, eg, DNA, eg, dsDNA or ssDNA.

1.2 ポリマー、例えば核酸の第2の末端が保護されているか、またはナノポアに隣接する基板に結合している、上述のいずれかの方法。 1.2 Any of the above methods wherein the second end of the polymer, eg nucleic acid, is protected or attached to a substrate adjacent to the nanopore.

1.3 各チャンバー内の電極間に電圧をかけることにより電気的引力が提供され、電極間の極性および電流を、例えば核酸が陽極に誘引されるように制御できる、上述のいずれかの方法。 1.3 Any of the above-mentioned methods, wherein an electrical attraction is provided by applying a voltage between the electrodes in each chamber, and the polarity and current between the electrodes can be controlled, for example, to attract nucleic acids to the anode.

1.4 ポリマーが核酸であり、
(i)核酸の第1の末端が3’末端であり、ヌクレオチドの付加が5’から3’への方向であり、ポリメラーゼにより触媒され、例えば、ポリメラーゼは(例えば、そのサイズのために、または、第1のチャンバー内の基板に係留されているために)ナノポアを通過できなくされており、ヌクレオチドは、付加時に3’−保護されており、3’−保護ヌクレオチドを核酸の3’−末端に付加した後、核酸上の3’−保護基を、例えば、保存チャンバー内で除去する;または
(ii)核酸の第1の末端が5’末端であり、ヌクレオチドの付加が3’から5’への方向であり、ヌクレオチドは、付加時に5’−保護されており、5’−保護ヌクレオチドを核酸の5’−末端に付加した後、5’−保護基を、例えば、第2のチャンバー内で除去する;(例えば、5’−保護ヌクレオチド上のリン酸は、ナノポアを通過できない嵩高い基に5’−保護基を介して結合したヌクレオシドホスホラミダイトであり、核酸へのカップリングに続いて、未反応のヌクレオチドを洗い流し、嵩高い5’−保護基を核酸から切り離し、洗い流し、核酸の5’−末端を保存チャンバーに移動できるようにされている);
ここで、核酸へのヌクレオチドの付加は、1以上の付加チャンバーを出入りする核酸の第1の末端の動きにより制御され、このサイクルは所望の配列が得られるまで継続される、
上述のいずれかの方法。
1.4 The polymer is a nucleic acid,
(I) the first end of the nucleic acid is the 3 'end and the addition of nucleotides in the 5' to 3 'direction and catalyzed by the polymerase, eg, the polymerase (eg, due to its size or , Because they are anchored to the substrate in the first chamber), and the nucleotides are 3'-protected at the time of addition, and 3'-protected nucleotides at the 3'-end of the nucleic acid After the addition, the 3'-protecting group on the nucleic acid is removed, for example, in a storage chamber; or (ii) the first end of the nucleic acid is the 5 'end and the addition of nucleotides is 3' to 5 '. The nucleotide is 5'-protected at the time of addition, and after adding a 5'-protected nucleotide to the 5'-end of the nucleic acid, the 5'-protecting group is for example in the second chamber. Remove (for example, The phosphate on the nucleotide is a nucleoside phosphoramidite linked via a 5'-protecting group to a bulky group that can not pass through the nanopore, washing away unreacted nucleotide following coupling to nucleic acid, and bulky Separating the 5'-protecting group from the nucleic acid, washing away and allowing the 5'-end of the nucleic acid to be transferred to the storage chamber);
Here, the addition of nucleotides to the nucleic acid is controlled by the movement of the first end of the nucleic acid entering and exiting one or more addition chambers, and this cycle is continued until the desired sequence is obtained.
Any of the above mentioned methods.

1.5 かくして合成されるポリマー中のモノマーまたはオリゴマーの配列[例えば、核酸中のヌクレオチドの配列]がバイナリコードに対応する、上述のいずれかの方法。
1.6 かくして合成されるポリマーが一本鎖DNAである、上述のいずれかの方法。
1.7 モノマーまたはオリゴマー[例えば、ヌクレオチド塩基]をそれらがナノポアを通過する際に配列決定し、配列決定におけるエラーを同定することにより、ポリマー[例えば核酸]の配列を加工または合成中に確認する、上述のいずれかの方法。
1.5 Any of the preceding methods, wherein the sequence of monomers or oligomers in the polymer thus synthesized [e.g. the sequence of nucleotides in the nucleic acid] corresponds to the binary code.
1.6 Any of the preceding methods wherein the polymer thus synthesized is single stranded DNA.
1.7 Sequences of polymers [eg nucleic acids] are confirmed during processing or synthesis by sequencing monomers or oligomers [eg nucleotide bases] as they pass through the nanopore and identifying errors in sequencing , Any of the above methods.

1.8 かくして合成されるポリマーが一本鎖DNAであり、少なくとも95%、例えば少なくとも99%、例えば、実質的に全ての配列中の塩基が、鎖中の他の塩基とハイブリダイズしない2つの塩基から選択され、例えばアデニンおよびシトシンから選択される塩基である、上述のいずれかの方法。 1.8 The polymer so synthesized is a single stranded DNA, and at least 95%, eg at least 99%, eg two of the bases in substantially all sequences do not hybridize to other bases in the strand Any of the above methods, wherein the base is selected from bases, for example selected from adenine and cytosine.

1.9 異なる配列を有するポリマー[オリゴヌクレオチド]が得られるように、ポリマーが1以上の付加チャンバーまたは1以上の保存チャンバーに存在するか否かを個別に制御することにより、複数のポリマー[例えばオリゴヌクレオチド]が並行して独立に合成される、上述のいずれかの方法。 1.9 Multiple polymers [e.g., by individually controlling whether a polymer is present in one or more addition chambers or one or more storage chambers so as to obtain polymers [oligonucleotides] having different sequences. Any of the above methods, wherein the oligonucleotides are independently synthesized in parallel.

1.10 異なるモノマーまたはオリゴマー、例えば異なるヌクレオチドを付加するのに適する試薬を含む少なくとも2つの付加チャンバーがあり、例えば、第1のモノマーまたはオリゴマーの付加に適する試薬を含む1以上の付加チャンバー、および、第2の異なるモノマーまたはオリゴマーの付加に適する試薬を含む1以上の付加チャンバーがあり、例えば、アデニンヌクレオチドの付加に適する試薬を含む1以上の付加チャンバー、および、シトシンヌクレオチドの付加に適する試薬を含む1以上の付加チャンバーがある、上述のいずれかの方法。 1.10 There are at least two addition chambers comprising different monomers or oligomers, eg reagents suitable for adding different nucleotides, eg one or more addition chambers comprising reagents suitable for addition of the first monomer or oligomer, and There are one or more addition chambers containing reagents suitable for the addition of a second different monomer or oligomer, for example, one or more addition chambers containing reagents suitable for the addition of adenine nucleotides, and reagents suitable for the addition of cytosine nucleotides Any of the methods described above, including one or more additional chambers.

1.11 少なくとも1つの付加チャンバーがフローチャンバーであり、(i)第1のモノマーまたはオリゴマーの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第2の異なるモノマーまたはオリゴマーの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、ポリマー中のモノマーまたはオリゴマーの配列は、各サイクルの工程(i)または(iii)において、ポリマーの第1の末端をフローチャンバーに導入するか、またはそこから排除することにより制御される、上述のいずれかの方法; 1.11 at least one addition chamber is a flow chamber, (i) providing flow chamber reagents suitable for addition of a first monomer or oligomer, (ii) flushing, (iii) a second different monomer or Providing a flow cycle comprising providing a flow chamber reagent suitable for addition of the oligomer, and (iv) washing away, repeating this cycle until the synthesis is complete, the sequence of monomers or oligomers in the polymer being each Any of the above methods, wherein in step (i) or (iii) of the cycle, the first end of the polymer is controlled by introducing or excluding from the flow chamber;

1.12 ポリマーがDNAであり、少なくとも1つの付加チャンバーがフローチャンバーであり、(i)第1の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第2の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、配列は、フローチャンバーにおけるDNAの第1の末端(例えば3’−末端)の有無を制御することにより制御される、上述のいずれかの方法。 1.12 the polymer is DNA, at least one addition chamber is the flow chamber, (i) providing flow chamber reagents suitable for addition of the first type of nucleotides, (ii) washing away, (iii) Providing a flow cycle comprising providing a flow chamber reagent suitable for addition of a second type of nucleotide, and (iv) washing away, repeating the cycle until the synthesis is complete, the sequence being in the flow chamber Any of the foregoing methods controlled by controlling the presence or absence of the first end (e.g., the 3'-end) of the DNA.

1.13 ポリマーがDNAであり、少なくとも1つの付加チャンバーがフローチャンバーであり、(i)第1の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第2の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、(i)第3の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第4の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、配列は、異なる種類のヌクレオチドの付加に適する試薬が存在するときにフローチャンバーにおけるDNAの第1の末端(例えば3’−末端)の有無を制御することにより制御される、上述のいずれかの方法。 1.13 the polymer is DNA, at least one addition chamber is the flow chamber, (i) providing flow chamber reagents suitable for the addition of the first type of nucleotides, (ii) washing away, (iii) Providing a flow chamber reagent suitable for addition of a second type of nucleotide, and (iv) washing away, (i) providing a flow chamber reagent suitable for addition of a third type of nucleotide, (ii) Providing a flow cycle comprising flushing, (iii) providing a flow chamber reagent suitable for addition of a fourth type of nucleotide, and (iv) flushing, repeating this cycle until the synthesis is complete, The sequence is selected when reagents suitable for the addition of different types of nucleotides are present. Is controlled by controlling the presence or absence of a first end of the DNA (e.g., the 3'-end) in the members, any of the methods described above.

1.14 ポリマーがDNAであり、ナノチップがフローチャンバーである2つの付加チャンバーを含み、(a)第1のフローチャンバーが、(i)第1の種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第2の異なる種類のヌクレオチドの付加に適するフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、そして、(b)第2のフローチャンバーが、(i)第3の種類のヌクレオチドの付加に適する第2のフローチャンバー試薬を提供すること、(ii)洗い流すこと、(iii)第4の異なる種類のヌクレオチドの付加に適する第2のフローチャンバー試薬を提供すること、および、(iv)洗い流すこと、を含むフローサイクルを提供し、合成が完了するまでこのサイクルを繰り返し、ここで、ヌクレオチドは、dATP、dTTP、dCTPおよびdGTPから選択され、配列は、DNAの第1の末端(例えば3’−末端)を、次の所望のヌクレオチドが提供された場合にフローチャンバーに導入することにより制御される、上述のいずれかの方法。 1.14 The polymer is DNA and the nanochip comprises two additional chambers where the flow chamber is a (a) a first flow chamber provides (i) a flow chamber reagent suitable for the addition of a first type of nucleotide Providing a flow cycle comprising: (ii) washing away, (iii) providing a flow chamber reagent suitable for addition of a second different type of nucleotide, and (iv) washing away, the synthesis is complete This cycle is repeated until (b) the second flow chamber provides (i) a second flow chamber reagent suitable for the addition of the third type of nucleotides, (ii) flushing, iii) providing a second flow chamber reagent suitable for the addition of a fourth different type of nucleotide; And (iv) washing away, and repeating this cycle until the synthesis is complete, wherein the nucleotides are selected from dATP, dTTP, dCTP and dGTP, and the sequence is the first of the DNAs. Any of the above methods wherein the terminus (eg, the 3'-terminus) of is controlled by introducing it into the flow chamber when the next desired nucleotide is provided.

1.15 ポリマーがDNAであり、ナノポアチップが、dATPを付加するための1以上の付加チャンバー、dTTPを付加するための1以上の付加チャンバー、dCTPを付加するための1以上の付加チャンバー、および、dGTPを付加するための1以上の付加チャンバーを含む、上述のいずれかの方法。 1.15 The polymer is DNA, and the nanopore chip has one or more addition chambers for adding dATP, one or more addition chambers for adding dTTP, one or more addition chambers for adding dCTP, and , Any of the above methods comprising one or more additional chambers for adding dGTP.

1.16 合成されるポリマー[例えば核酸]が、それぞれ、それらの第2の末端を介して、ナノポアに近接する表面に結合している、上述のいずれかの方法。 1.16 Any of the methods described above, wherein the polymers [eg nucleic acids] to be synthesized are each attached via their second ends to the surface adjacent to the nanopore.

1.17 ポリマー[例えば核酸]の配列が、ポリマーがナノポアを通過する際の電圧、電流、抵抗、静電容量および/またはインピーダンスの変化を検出することにより、各サイクルに続いて決定される、上述のいずれかの方法。 1.17 The sequence of the polymer [eg nucleic acid] is determined following each cycle by detecting changes in voltage, current, resistance, capacitance and / or impedance as the polymer passes through the nanopore, Any of the above mentioned methods.

1.18 ポリマーが核酸であり、核酸の合成が、緩衝液、例えば、pH7〜8.5、例えば約pH8とするためのバッファー、例えば、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)、適当な酸、および、場合によりキレーター、例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)を含むバッファー、例えば、Trisベース、酢酸およびEDTAの混合物を含むTAEバッファー、または、Trisベース、ホウ酸およびEDTAの混合物を含むTBEバッファーを含む溶液中で;例えば、10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl、または、例えば、50mM酢酸カリウム、20mM Tris−アセテート、10mM酢酸マグネシウムを含む溶液(pH7.9@25℃)中で起こる、上述のいずれかの方法。 1.18 The polymer is a nucleic acid, and the synthesis of the nucleic acid is a buffer, for example, a buffer for adjusting the pH to 7 to 8.5, for example, about pH 8, such as tris (hydroxymethyl) aminomethane (Tris), a suitable acid And, optionally, a buffer containing a chelator, such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), such as a Tris base, a TAE buffer containing a mixture of acetic acid and EDTA, or a TBE buffer containing a mixture of Tris base, boric acid and EDTA In a solution containing, for example, 10 mM Tris pH 8, 1 mM EDTA, 150 mM KCl, or, for example, 50 mM potassium acetate, 20 mM Tris-acetate, 10 mM magnesium acetate (pH 7.9 @ 25 ° C.) Any way.

1.19 ポリマーが一本鎖DNAであり、合成された一本鎖DNAを二本鎖DNAに変換することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.19 Any of the foregoing methods, wherein the polymer is single stranded DNA and further comprising converting the synthesized single stranded DNA to double stranded DNA.

1.20 ポリマー[例えば核酸]を、ポリマー合成の完了後にナノチップから取り出すことをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.20 Any of the above methods, further comprising removing the polymer [eg nucleic acid] from the nanotip after completion of polymer synthesis.

1.21 ポリマーが核酸であり、適切なプライマーおよびポリメラーゼ(例えばPhi29)を使用して、合成された核酸のコピーを増幅および回収することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.21 Any of the methods described above, wherein the polymer is a nucleic acid and further comprising amplifying and recovering a copy of the synthesized nucleic acid using appropriate primers and a polymerase (eg Phi 29).

1.22 ポリマーが核酸であり、合成された核酸を制限酵素で切断し、核酸をナノチップから取り出すことをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.22 Any of the methods described above, wherein the polymer is a nucleic acid, further comprising cleaving the synthesized nucleic acid with a restriction enzyme and removing the nucleic acid from the nanochip.

1.23 ポリマーが核酸であり、かくして合成された核酸を増幅することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.23 Any of the methods described above, wherein the polymer is a nucleic acid, further comprising amplifying the nucleic acid thus synthesized.

1.24 ポリマー[例えば、核酸]をナノチップから取り出し、ポリマーを結晶化することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.24 Any of the preceding methods, further comprising removing the polymer [eg nucleic acid] from the nanotip and crystallizing the polymer.

1.25 ポリマーが核酸であり、例えば、例えば参照により本明細書に組み込むUS8283165B2に記載されている通り、核酸を含む溶液を、1以上のバッファー(例えば、ホウ酸バッファー)、抗酸化剤、湿潤剤、例えばポリオール、および、場合により、キレート剤と共に乾燥させることにより;または、核酸とポリマー、例えば、ポリ(エチレングリコール)−ポリ(l−リジン)(PEG−PLL)AB型ブロックコポリマーとの間にマトリックスを形成することにより;または、相補的核酸鎖またはDNAに結合するタンパク質の添加により、核酸を安定化することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 1.25. The polymer is a nucleic acid, for example, as described in, for example, US Pat. No. 8,283,165 B2, which is incorporated herein by reference, a solution containing the nucleic acid may be one or more buffers (eg, borate buffer), antioxidants, wetted By drying with an agent such as a polyol and optionally a chelating agent; or between a nucleic acid and a polymer such as poly (ethylene glycol) -poly (l-lysine) (PEG-PLL) AB block copolymer Or, further comprising stabilizing the nucleic acid by the addition of a protein that binds to a complementary nucleic acid strand or DNA;

1.26
(i)核酸を、3’−保護ヌクレオチドと、付加チャンバー中で、3’−保護ヌクレオチドの核酸の3’末端への付加を触媒するポリメラーゼの存在下で、反応させること;
(ii)かくして得られた3’−保護核酸の少なくとも3’末端を、付加チャンバーから、少なくとも1つのナノポアを通して、保存チャンバーに引き出すこと、ここで、ポリメラーゼは(例えば、そのサイズのために、または、第1のチャンバー内の基板に係留されているために)ナノポアを通過できなくされている;
(iii)3’−保護核酸を、例えば化学的または酵素的に、脱保護すること;および
(iv)さらなる3’−保護dNTPをオリゴヌクレオチドに付加することが望ましい場合は、工程(i)〜(iii)が繰り返されるように、オリゴヌクレオチドの3’末端を同一または異なる付加チャンバーに引き出すこと、または、それが望ましくない場合は、所望の3’−保護dNTPが付加チャンバーに提供されるさらなるサイクルまで、核酸の3’末端を保存チャンバーに留まらせること;および
(v)所望の核酸配列が得られるまで工程(i)〜(iv)を繰り返すこと、
を含む、上述のいずれかの方法。
1.26
(I) reacting the nucleic acid with a 3′-protected nucleotide in an addition chamber in the presence of a polymerase that catalyzes the addition of the 3′-protected nucleotide to the 3 ′ end of the nucleic acid;
(Ii) withdrawing at least the 3 'end of the thus obtained 3'-protected nucleic acid from the addition chamber, through the at least one nanopore, into the storage chamber, wherein the polymerase (eg, for its size or , Because they are anchored to the substrate in the first chamber) are not allowed to pass through the nanopore;
(Iii) deprotecting the 3'-protected nucleic acid, eg chemically or enzymatically; and (iv) adding an additional 3'-protected dNTP to the oligonucleotide, if it is desired, step (i) Pulling the 3 'end of the oligonucleotide into the same or a different addition chamber so that (iii) is repeated or, if that is not desired, an additional cycle in which the desired 3'-protected dNTP is provided to the addition chamber Until the 3 'end of the nucleic acid remains in the storage chamber; and (v) repeating steps (i) to (iv) until the desired nucleic acid sequence is obtained,
Any of the above mentioned methods, including:

1.27 ポリマーが核酸の一本鎖DNA(ssDNA)であり、1以上のナノポアが、ssDNAを通過させるが、二本鎖DNA(dsDNA)を通過させない直径、例えば、約2nmの直径を有する、上述のいずれかの方法。 1.27 The polymer is a nucleic acid single-stranded DNA (ssDNA), and one or more nanopores have a diameter that allows ssDNA to pass but not double-stranded DNA (dsDNA), for example, a diameter of about 2 nm. Any of the above mentioned methods.

1.28 モノマーが3’−保護ヌクレオチド、例えば、例えばデオキシアデノシン三リン酸(dATP)、デオキシグアノシン三リン酸(dGTP)、デオキシシチジン三リン酸(dCTP)、デオキシチミジン三リン酸(dTTP)から選択されるデオキシヌクレオチド三リン酸(dNTP)、例えばdATPまたはdCTPである、上述のいずれかの方法。 1.28 The monomer is a 3'-protected nucleotide, such as, for example, from deoxyadenosine triphosphate (dATP), deoxyguanosine triphosphate (dGTP), deoxycytidine triphosphate (dCTP), deoxythymidine triphosphate (dTTP) Any of the methods described above which is a selected deoxynucleotide triphosphate (dNTP), for example dATP or dCTP.

1.29 ポリマーが核酸であり、ヌクレオチドの核酸への付加がポリメラーゼ、例えば、鋳型に依存しないポリメラーゼ、例えば、末端デオキシヌクレオチドトランスフェラーゼ(TdT)またはポリヌクレオチドホスホリラーゼにより触媒される、例えば、ポリメラーゼがDNAの3’−ヒドロキシル末端でデオキシヌクレオチドの組み込みを触媒する、上述のいずれかの方法。 1.29 The polymer is a nucleic acid and the addition of nucleotides to the nucleic acid is catalyzed by a polymerase such as a template independent polymerase such as terminal deoxynucleotide transferase (TdT) or polynucleotide phosphorylase, eg, a polymerase of DNA Any of the above methods which catalyze the incorporation of deoxynucleotides at the 3'-hydroxyl terminus.

1.30 膜が、複数のナノポアと、それぞれナノポアに近接する表面に結合した複数のポリマー、例えば、ナノポアに近接する表面に5’末端を介して結合した複数の核酸を含む、上述のいずれかの方法。 1.30 Any of the foregoing, wherein the membrane comprises a plurality of nanopores and a plurality of polymers each attached to the surface adjacent to the nanopore, eg, a plurality of nucleic acids attached to the surface adjacent to the nanopore via the 5 'end the method of.

1.31 それぞれナノポアに近接する表面に結合した複数のポリマー、例えば、ナノポアに近接する表面に5’末端で結合した複数の核酸が、独立して合成され、各ナノポアが電極対を伴い、電極対の一方の電極がナノポアの一方の末端に近接した位置にあり、他方の電極がナノポアの他方の末端に近接した位置にあり、電極対により与えられる電流により各ポリマーを第1および第2のチャンバーの間で独立して動かせるようにする、上述のいずれかの方法。 1.31 A plurality of polymers each attached to the surface adjacent to the nanopore, for example, a plurality of nucleic acids attached at the 5 'end to the surface adjacent to the nanopore are independently synthesized, and each nanopore is associated with an electrode pair, an electrode One electrode of the pair is in close proximity to one end of the nanopore, the other electrode is in close proximity to the other end of the nanopore, and the current provided by the electrode pair causes each polymer to become first and second Any of the methods described above, which can be moved independently between the chambers.

1.32 ポリマーが、ナノポアに近接する表面に5’末端で結合した3’−保護核酸であり、3’−保護核酸の3’末端が、電気力を使用することにより、例えば、隣接するチャンバー内の電極からかけられる電気力を使用することにより、ナノポアを通して引き出される、上述のいずれかの方法。 1.32 The polymer is a 3'-protected nucleic acid attached at the 5 'end to the surface adjacent to the nanopore, and the 3' end of the 3'-protected nucleic acid can be, for example, adjacent chambers by using electric power Any of the methods described above, wherein the method is drawn through the nanopore by using an electrical force applied from the inner electrode.

1.33 新しい3’−保護dNTPが、第1の3’−保護dNTPと同一であるか、または異なる、1.20の方法。 1.33. The method of 1.20, wherein the new 3'-protected dNTP is the same as or different from the first 3'-protected dNTP.

1.34 サイクルの工程(i)で使用される3’−保護dNTPが、各サイクルで3’−保護dATPと3’−保護dCTPの間で交互になる、1.20の方法。 1. The method of 1.20, wherein the 3'-protected dNTPs used in step (i) of the 34 cycles alternate between 3'-protected dATP and 3'-protected dCTP in each cycle.

1.35 ポリマーが核酸であり、核酸の脱保護が、ssDNA上の3’−保護基を除去するが3’保護dNTP上の3’−保護基を除去しない酵素により実行される、上述のいずれかの方法。 1.35 Any of the above wherein the polymer is a nucleic acid and deprotection of the nucleic acid is performed by an enzyme which removes the 3'-protecting group on ssDNA but does not remove the 3'-protecting group on the 3 'protected dNTPs Method.

例えば、本発明は、ナノチップ中で核酸を合成する方法を提供し、ナノチップは、少なくとも1つのナノポアを含む膜で分離されている少なくとも第1のチャンバーおよび第2のチャンバーを含み、合成は、第1の末端および第2の末端を有する核酸の第1の末端へのヌクレオチド付加のサイクルにより緩衝液中で実行され、ここで、核酸の第1の末端は、1以上の付加チャンバー(ヌクレオチドを付加できる試薬を含む)と1以上の保存チャンバー(ヌクレオチドの付加に必要な試薬を含まない)の間で電気的引力により動かされ、チャンバーは、各々1以上のナノポアを含む1以上の膜により分離されており、ナノポアは、核酸を通過させるのに十分な大きさであるが、ヌクレオチドの付加に必須の少なくとも1つの試薬を通過させるには小さすぎ、例えば、この方法は記載された方法1のいずれかに対応する。   For example, the invention provides a method of synthesizing a nucleic acid in a nanochip, the nanochip comprising at least a first chamber and a second chamber separated by a membrane comprising at least one nanopore, the synthesis comprising It is carried out in a buffer by the cycle of nucleotide addition to the first end of the nucleic acid having one end and the second end, wherein the first end of the nucleic acid comprises one or more addition chambers (nucleotides are added Is moved by electrical attraction between one or more storage chambers (containing no reagents necessary for the addition of nucleotides) and the chambers are separated by one or more membranes each containing one or more nanopores. And nanopores are large enough to allow the passage of nucleic acids, but allow at least one reagent essential for the addition of nucleotides to pass through. Too small, for example, the method corresponds to one of the methods 1 described.

ある種の実施態様では、ポリマーの配列はバイナリコードに対応し、例えば、ポリマーが核酸であり、配列がバイナリコードに対応し、各ビット(0または1)が塩基、例えばAまたはCにより表される。   In certain embodiments, the sequence of the polymer corresponds to a binary code, eg, the polymer is a nucleic acid, the sequence corresponds to a binary code, and each bit (0 or 1) is represented by a base, eg A or C Ru.

ある種の実施態様では、ポリマーはDNAである。   In certain embodiments, the polymer is DNA.

ある他の実施態様では、各ビットは、単一のモノマーよりも、むしろ、モノマーの短い配列により表される。例えば、そのようなある実施態様では、DNAの塊を合成し、各塊はナノポアを介して独自のシグナルを生成し、0または1に対応する。この実施態様は、単一のヌクレオチドをナノポア中で、特に固相ナノポア中で検出するのがより難しい点である種の利点を有するので、塊を使用すると、ポリマーにおける情報の密度は相応して減少するが、読み取りのエラーは生じにくくなる。   In certain other embodiments, each bit is represented by a short sequence of monomers, rather than a single monomer. For example, in one such embodiment, clumps of DNA are synthesized, each clump generating a unique signal through the nanopore, corresponding to 0 or 1. Since this embodiment has certain advantages that it is more difficult to detect a single nucleotide in a nanopore, in particular in a solid phase nanopore, the density of the information in the polymer is correspondingly higher when using lumps Although reduced, errors in reading are less likely to occur.

例えば、部位特異的リコンビナーゼ、即ち、部位特異的組換え配列として知られている配列セグメント内で核酸二本鎖の少なくとも一方の鎖を自発的に認識して切断する酵素を使用して、(二本鎖)ヌクレオチドの塊を付加できる。あるそのような実施態様では、部位特異的リコンビナーゼは、トポ結合した(topo-conjugated)dsDNAオリゴヌクレオチド塊を配列に連結するのに使用されるトポイソメラーゼである。これらのオリゴヌクレオチド自体は、制限酵素で切断されるまで、さらなる連結に適合する構造を有さない。ワクシニアウイルストポイソメラーゼIは、DNA配列5’−(C/T)CCTT−3’を特異的に認識する。トポイソメラーゼは、二本鎖DNAに結合し、5’−(C/T)CCTT−3’切断部位でそれを切断する。トポイソメラーゼはDNAを一方の鎖のみで切断するので切断は完全ではなく(他方の鎖に近傍のニックがあることは、ある種の二本鎖切断をもたらすが)、切断時に、トポイソメラーゼは3’ヌクレオチドの3’リン酸に共有結合することに留意されたい。その後、その酵素は、DNAの3’末端に共有結合したままであり、共有結合的に保持された鎖を、最初に切断されたのと同じ結合で再連結でき(DNA弛緩において生じる通り)、あるいは、適合するオーバーハングを有する異種のアクセプターDNAに再連結し、組換え分子を生成できる。この実施態様では、トポイソメラーゼ組換え部位およびトポイソメラーゼ連結部位を生成する制限部位に隣接した、dsDNAドナーオリゴヌクレオチド(例えば、一方は「0」、他方は「1」の、少なくとも2つの異なる配列のうち1つを含む)を生成する。これらのカセットは、トポ装填される(Topo-charged);即ち、それらは、レシーバーオリゴヌクレオチド上のトポイソメラーゼ連結部位にそれらを結合させるトポイソメラーゼに共有結合する。伸長しているレシーバーのDNA鎖が制限酵素で切断されると、トポ装填されたカセットに連結できるようになる。よって、伸長しているDNAを制限酵素からトポ装填されたカセットに連続的に循環させるだけでよく、各サイクルが他のドナーオリゴヌクレオチドを付加する。関連するアプローチがクローニングのために説明されており、例えば、参照により本明細書に組み込む Shuman S., Novel approach to molecular cloning and polynucleotide synthesis using vaccinia DNA topoisomerase. J Biol Chem. (1994); 269(51):32678-84を参照されたい。   For example, using a site-specific recombinase, an enzyme that spontaneously recognizes and cleaves at least one strand of a nucleic acid duplex within a sequence segment known as a site-specific recombination sequence. A strand of nucleotides can be added. In one such embodiment, the site-specific recombinase is a topoisomerase used to link topo-conjugated ds DNA oligonucleotide clusters to the sequence. These oligonucleotides themselves do not have a structure compatible with further ligation until they are cleaved with restriction enzymes. Vaccinia virus topoisomerase I specifically recognizes the DNA sequence 5'- (C / T) CCTT-3 '. Topoisomerase binds to double stranded DNA and cleaves it at the 5 '-(C / T) CCTT-3' cleavage site. Since the topoisomerase cleaves the DNA with only one strand, the cleavage is not complete (although there is a nick in the other strand leads to some double-strand breaks), and upon cleavage, the topoisomerase is a 3 'nucleotide Note that it is covalently linked to the 3 'phosphate of. Thereafter, the enzyme remains covalently linked to the 3 'end of the DNA, and the covalently held strand can be religated at the same bond as was originally cut (as it occurs in DNA relaxation), Alternatively, it can be religated to heterologous acceptor DNA with a compatible overhang to generate a recombinant molecule. In this embodiment, one of at least two different sequences of dsDNA donor oligonucleotides (eg, one “0” and the other “1”) adjacent to the topoisomerase recombination site and the restriction site to generate the topoisomerase linking site Generate one). These cassettes are Topo-charged; ie, they are covalently linked to topoisomerase, which binds them to the topoisomerase linking site on the receiver oligonucleotide. When the DNA strand of the extending receiver is digested with restriction enzyme, it can be ligated to the topo-loaded cassette. Thus, it is only necessary to continuously circulate the elongating DNA from the restriction enzyme to the topo-loaded cassette, each cycle adding another donor oligonucleotide. A related approach is described for cloning, for example, Shuman S., Novel approach to molecular cloning and polynucleotide synthesis using vaccinia DNA topoisomerase. J Biol Chem. (1994); 269 (51); ): 32678-84.

類似の戦略を用いて、単一の塩基を付加できる。適当な一本鎖の「脱保護された」「アクセプター」DNAの存在下で、トポ装填されたDNAは、そのトポイソメラーゼによりアクセプターに酵素的かつ共有結合的に連結(「付加」)され、トポイソメラーゼはこの過程でDNAから除去される。IIS型制限酵素は、1つの塩基(「付加」されている塩基)以外の付加されたDNAを全て切り離せる。この脱保護−付加の過程を繰り返し、さらなる塩基(ビット)を付加できる。本明細書において実施例で立証される通り、単一のヌクレオチドを標的一本鎖DNAの5’末端に付加するために、トポ/IIS型制限酵素の組合せを使用することができる。IIS型制限酵素の使用は、認識配列とは異なる位置でのDNAの切断を可能にする(他のIIS型制限酵素は、https://www.neb.com/tools-and-resources/selectioncharts/type-iis-restriction-enzymes に見出される)。この系においてイノシン(「普遍的塩基」として作用し、他のいかなる塩基とも対になる)を使用すると、この反応は、標的DNAにいかなる配列の要件も付さずに生じ得る。一本鎖標的DNAに付加されるヌクレオチドの正体は、ワクシニアトポイソメラーゼが3’リン酸を介して結合する3’ヌクレオチドである。ワクシニアトポイソメラーゼの認識配列は(C/T)CCTTであるので、この系を標的DNAに「T」を付加するのに使用した。関連するトポイソメラーゼのSVFがあり、それは認識配列CCCTGを使用できる(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446)。従って、SVFは「T」の代わりに「G」を付加するのに使用できる。ワクシニアトポと組み合わせると、バイナリデータは、TおよびGでコードされ得る。   Similar strategies can be used to add a single base. In the presence of a suitable single-stranded "deprotected" "acceptor" DNA, the topo-loaded DNA is enzymatically and covalently linked ("added") to the acceptor by its topoisomerase, and the topoisomerase is It is removed from the DNA in this process. Type IIS restriction enzymes can cleave all added DNA except for one base (the "added" base). This deprotection-addition process can be repeated to add more bases (bits). As demonstrated in the Examples herein, a combination of topo / IIS restriction enzymes can be used to add a single nucleotide to the 5 'end of target single stranded DNA. The use of type IIS restriction enzyme allows cleavage of DNA at a position different from the recognition sequence (other type IIS restriction enzymes can be found at https://www.neb.com/tools-and-resources/selectioncharts/ found in type-iis-restriction-enzymes). Using inosine (which acts as a "universal base" and pairs with any other base) in this system, this reaction can occur without any sequence requirement on the target DNA. The identity of the nucleotide added to single-stranded target DNA is a 3 'nucleotide to which vaccinia topoisomerase is linked via a 3' phosphate. Since the recognition sequence for vaccinia topoisomerase is (C / T) CCTT, this system was used to add "T" to the target DNA. There is a related topoisomerase, SVF, which can use the recognition sequence CCCTG (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446). Thus, SVF can be used to add "G" instead of "T". When combined with vaccinia topo, binary data can be encoded in T and G.

単一の塩基の付加の他のアプローチでは、5’リン酸が保護基を提供し、3’から5’への方向の単一の塩基の付加をもたらす。装填反応は、5’リン酸基を有する単一のT(またはG、または所望により他のヌクレオチド)をトポイソメラーゼに装填する。装填されたトポイソメラーゼが5’ブロック化されていない(リン酸化されていない)一本鎖DNA鎖を「見つける」と、それはその鎖にTを付加し、5’にTが付加されたDNAをもたらす。この付加は、トポイソメラーゼおよび一本鎖アクセプターDNAが結合できる配列を有するアダプターDNAの存在により促進される(アダプターDNAは触媒的である−それは、繰り返される反応において、鋳型として再使用され得ることに留意されたい)。付加されたヌクレオチドは5’リン酸を有するので、5’リン酸を除去するホスファターゼに曝されるまで、さらなる付加の基質にならない。単一の「T」を標的一本鎖DNAの5’末端に付加するワクシニアトポイソメラーゼおよび単一の「G」を付加するSVFトポイソメラーゼを使用して、この過程を繰り返し、かくして、TおよびGのバイナリ情報をコードする配列を構築できる。他のトポイソメラーゼを使用してAまたはCを付加できるが、この反応の効率は低い。   In another approach of single base addition, the 5 'phosphate provides a protecting group, resulting in the addition of a single base in the 3' to 5 'direction. The loading reaction loads the topoisomerase with a single T (or G, or optionally another nucleotide) with a 5 'phosphate group. When the loaded topoisomerase "finds" a 5'-blocked (non-phosphorylated) single-stranded DNA strand, it adds a T to that strand, resulting in a 5 'T-attached DNA . This addition is facilitated by the presence of adapter DNA with a sequence to which topoisomerase and single stranded acceptor DNA can bind (adapter DNA is catalytic-note that it can be reused as a template in repeated reactions) I want to be Because the added nucleotide has a 5 'phosphate, it does not become a substrate for further addition until it is exposed to a phosphatase that removes the 5' phosphate. This process is repeated using vaccinia topoisomerase, which adds a single "T" to the 5 'end of the target single-stranded DNA, and SVF topoisomerase, which adds a single "G", thus T and G binary Can construct sequences encoding information. Other topoisomerases can be used to add A or C, but the efficiency of this reaction is low.

トポイソメラーゼに媒介される戦略を使用する利点の1つは、モノマーがトポイソメラーゼに共有結合し、従って、「脱出」して他の反応に干渉できないことである。ポリメラーゼを使用すると、モノマーは拡散でき、ポリメラーゼおよび/または脱ブロック化剤は特異的(例えばA対Cに選択的)であるべきであるか、あるいは、混合する機会がないように、モノマーはフローにより提供される。   One of the advantages of using a topoisomerase-mediated strategy is that the monomer is covalently linked to topoisomerase and thus can not "escape" to interfere with other reactions. Using a polymerase, the monomer can flow such that the monomer can diffuse and the polymerase and / or deblocking agent should be specific (eg, selective for A vs. C) or have no opportunity to mix. Provided by

ある態様では、本発明は単一のヌクレオチドを装填されたトポイソメラーゼ、即ち、単一のヌクレオチドに結合したトポイソメラーゼを提供する。ここで、例えば、トポイソメラーゼは、ヌクレオチドの3’−リン酸を介して結合し、ヌクレオチドは5’−位で保護、例えば、リン酸化されている。   In one aspect, the invention provides a single nucleotide loaded topoisomerase, ie, a topoisomerase linked to a single nucleotide. Here, for example, topoisomerase is linked via the 3'-phosphate of the nucleotide, which is protected, eg phosphorylated, at the 5'-position.

他の態様では、本発明は、単一のヌクレオチドまたはオリゴマーをDNA鎖に3’から5’への方向で付加することにより、トポイソメラーゼに媒介される連結を用いるDNA分子の合成方法(方法A)を提供し、それは、(i)所望のヌクレオチドまたはオリゴマーを装填されたトポイソメラーゼとDNA分子を反応させること、ここで、ヌクレオチドまたはオリゴマーは、5’末端でのさらなる付加を妨げられている、次いで、(ii)かくして形成されたDNAの5’末端を脱ブロック化し、所望のヌクレオチド配列が得られるまで工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む。例えば、以下のものが提供される。   In another aspect, the invention provides a method of synthesizing a DNA molecule using topoisomerase-mediated ligation by adding a single nucleotide or oligomer to the DNA strand in a 3 'to 5' direction (Method A) (I) reacting the DNA molecule with the topoisomerase loaded with the desired nucleotide or oligomer, wherein the nucleotide or oligomer is blocked from further addition at the 5 'end, (Ii) deblocking the 5 'end of the DNA thus formed, and repeating steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence is obtained. For example, the following is provided:

A1.1 (i)5’保護形態の所望のヌクレオチドがDNAの5’末端に付加されるように、DNA分子を、5’保護形態、例えば、5’リン酸化形態の所望のヌクレオチドを装填したトポイソメラーゼと反応させること、次いで、(ii)かくして形成されたDNAの5’末端を、ホスファターゼ酵素を使用して脱保護すること、および、所望のヌクレオチド配列が得られるまで工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む、単一のヌクレオチドを3’から5’への方向で付加することによるDNA分子の合成方法である、方法A;または A1.1 (i) The DNA molecule was loaded with the 5 'protected form, eg, the 5' phosphorylated form of the desired nucleotide, such that the desired nucleotide of the 5 'protected form is added to the 5' end of the DNA Reacting with topoisomerase, then (ii) deprotecting the 5 'end of the thus formed DNA using a phosphatase enzyme, and steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence is obtained. A) a method of synthesizing a DNA molecule by adding a single nucleotide in the 3 'to 5' direction, comprising repeating A), or

A1.2 (i)所望のオリゴマーを装填されたトポイソメラーゼとDNA分子を反応させ、それによりオリゴマーをDNA分子に連結すること、次いで、(ii)制限酵素を使用して、他のオリゴマーのトポイソメラーゼに媒介される連結のための5’部位を提供すること、および、所望のオリゴマー配列が得られるまで工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む、オリゴマーを3’から5’への方向で付加することによるDNA分子の合成方法である、方法A。 A1.2 (i) reacting the DNA molecule with the topoisomerase loaded with the desired oligomer, thereby linking the oligomer to the DNA molecule, then (ii) using the restriction enzyme to topoisomerase of the other oligomer Providing the 5 'site for mediated ligation and repeating the steps (i) and (ii) until the desired oligomer sequence is obtained, with the oligomer in the 3' to 5 'direction Method A, which is a method for the synthesis of DNA molecules by addition.

A1.3 DNA中のニックを封じるリガーゼおよびATPを提供することを含む、上述のいずれかの方法[NB:トポイソメラーゼ連結は、一方の鎖のみを連結する]。 A1.3 Any of the methods described above, including providing a ligase and ATP that seal the nick in the DNA [NB: topoisomerase ligation ligates only one strand].

A1.4 トポイソメラーゼ装填ドナーオリゴヌクレオチドが、トポイソメラーゼを有する鎖と相補的な鎖に5’オーバーハングを含み、ポリイノシン配列を含む、上述のいずれかの方法[NB:イノシンは「普遍的塩基」として作用し、他のいかなる塩基とも対になる]。 A1.4 Any of the methods described above, wherein the topoisomerase-loaded donor oligonucleotide comprises a 5 'overhang on the strand complementary to the strand carrying the topoisomerase and comprises a polyinosine sequence [NB: inosine acts as a "universal base" And paired with any other base].

A1.5 制限酵素が、単一の塩基(「付加」されている塩基)以外の付加されたDNAを全て切り離せるIIS型制限酵素である、上述のいずれかの方法。 A1.5 Any of the aforementioned methods, wherein the restriction enzyme is an IIS type restriction enzyme capable of separating all the added DNA other than a single base (the "added" base).

A1.6 トポイソメラーゼが、ワクシニアトポイソメラーゼおよびSVFトポイソメラーゼIから選択される、上述のいずれかの方法。 A1.6 Any of the aforementioned methods, wherein topoisomerase is selected from vaccinia topoisomerase and SVF topoisomerase I.

A1.7 ワクシニアトポイソメラーゼ((C/T)CCTTを認識する)を使用してdTTPヌクレオチドを付加し、SVFトポイソメラーゼI(CCCTGを認識する)を使用してdGTPヌクレオチドを付加し、例えばバイナリコードを提供する、上述のいずれかの方法 A1.7 Add vaccinia topoisomerase (recognizing (C / T) CCTT) to add dTTP nucleotides, and use SVF topoisomerase I (recognize CCCTG) to add dGTP nucleotides, eg to provide a binary code Any of the above mentioned methods

A1.8 DNAが二本鎖であり、保存チャンバーがさらにリガーゼおよびATPを含み、トポイソメラーゼにより連結されなかったDNA鎖を修復する、上述のいずれかの方法。 A1.8 Any of the foregoing methods, wherein the DNA is double stranded, the storage chamber further comprises ligase and ATP, and the DNA strand not ligated by topoisomerase is repaired.

A1.9 遊離のトポイソメラーゼのDNAオリゴマーへの結合および活性を抑制するトポイソメラーゼ阻害剤の使用を含み、例えば、阻害剤がノボビオシンおよびクーママイシンから選択される、上述のいずれかの方法。 A1.9 Any of the above methods, including the use of topoisomerase inhibitors to inhibit the binding and activity of free topoisomerase to DNA oligomers, eg, wherein the inhibitor is selected from novobiocin and coumeramycin.

A1.10 かくして提供されるDNA鎖が、チミジン(T)ヌクレオシドおよびデオキシグアニジン(G)ヌクレオシドを含む配列を有する、上述のいずれかの方法。 A1.10 Any of the foregoing methods, wherein the DNA strand thus provided has a sequence comprising thymidine (T) nucleoside and deoxyguanidine (G) nucleoside.

A1.11 トポイソメラーゼが単一の塩基を付加するが、トポイソメラーゼにより付加された塩基から5’方向の1つのヌクレオチドである位置で制限酵素が切断する、上述のいずれかの方法。 A1.11 Any of the above-mentioned methods, wherein the topoisomerase adds a single base, but the restriction enzyme cleaves at a position which is one nucleotide in the 5 'direction from the base added by the topoisomerase.

A1.12 かくして提供されたDNA鎖が、「TT」および「TG」ジヌクレオチドの配列を含む配列を有する、上述のいずれかの方法。 A1.12 Any of the methods mentioned above, wherein the DNA strand thus provided has a sequence comprising the sequences of "TT" and "TG" dinucleotides.

A1.13 DNAが一本鎖である、上述のいずれかの方法、
A1.14 DNAが二本鎖である、上述のいずれかの方法。
A1.13 Any of the aforementioned methods, wherein the DNA is single-stranded
A1.14 Any of the aforementioned methods, wherein the DNA is double stranded.

A1.15 DNAが基板または磁気ビーズ上にあり、所望の配列を与えるのに必要な試薬に選択的に暴露されるか、またはそれから除去され得る、上述のいずれかの方法。 A1. 15. Any of the above methods wherein the DNA is on a substrate or magnetic bead and can be selectively exposed to or removed from reagents necessary to provide the desired sequence.

A1.16 DNAの付加または脱ブロック化用の一部または全部の試薬がフローにより供給され、洗い流すことにより除去される、上述のいずれかの方法。 A1. Any of the above methods, wherein some or all reagents for addition or deblocking of DNA are supplied by flow and removed by washing away.

A1.17 単一のヌクレオチドまたはオリゴマーの一本鎖DNAへの結合が、トポイソメラーゼおよび一本鎖アクセプターDNAが結合できる配列を有するアダプターDNAの存在により促進される、上述のいずれかの方法。 A1. 17. Any of the above methods wherein binding to a single nucleotide or oligomer single stranded DNA is facilitated by the presence of adapter DNA having a sequence to which topoisomerase and single stranded acceptor DNA can bind.

A1.18 例えば下記方法2のいずれかに記載される通り、ナノポアがトポイソメラーゼを含むチャンバーをホスファターゼまたは制限酵素を含むチャンバーから隔てている系において実施され、ナノポアが電気的引力によるDNAの移動を可能にするが、酵素の移動は可能にしない、上述のいずれかの方法。 A1.18 For example, as described in any of the following method 2, the nanopore is carried out in a system that separates the chamber containing topoisomerase from the chamber containing phosphatase or restriction enzyme, and the nanopore enables the movement of DNA by electrical attraction. Any of the above mentioned methods, which do not allow the transfer of the enzyme.

生じ得る1つの懸念は、ポリG配列がG四重鎖二次構造を形成し得ることである。制限酵素を1塩基戻し(トポ配列の5’に)、同様のトポ/IIS戦略に従うことにより、「TT」または「TG」を付加でき、これらはそれぞれ異なるビットを表し得る。これは1ビットをコードするのに2塩基を要するが、ポリG配列を回避できる利点がある。他の実施態様では、トポ認識配列の3’末端にある他の塩基は、(C/T)CCTTより効率は低いが、(C/T)CCTA、(C/T)CCTCおよび(C/T)CCTGを用いて、ポックスウイルストポイソメラーゼを使用する結合を可能にする(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17462694)。タンパク質工学/選択技術を使用して、同様にこれらの反応の効率を改善することができ、同様のアプローチを、非標準塩基の付加に使用できる。   One possible concern is that poly G sequences can form G quadruplex secondary structures. By applying the restriction enzyme one base back (to the 5 'of the topo sequence) and following a similar topo / IIS strategy, "TT" or "TG" can be added, each of which can represent a different bit. Although this requires two bases to code one bit, it has the advantage of avoiding poly G sequences. In another embodiment, the other base at the 3 'end of the topo recognition sequence is less efficient than (C / T) CCTT, but (C / T) CCTA, (C / T) CCTC and (C / T) 2.) Enable conjugation using poxvirus topoisomerase using CCTG (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17462694). Protein engineering / selection techniques can be used to improve the efficiency of these reactions as well, and similar approaches can be used for the addition of non-standard bases.

ある種の実施態様では、この方法によりDNAを合成する方法は、DNAをリガーゼおよびATPで処理することを含む。トポイソメラーゼは、DNAの片側しか連結しない(他方には、本質的にニックがある)。リガーゼは、ニックを修復し、トポイソメラーゼ自体が反応産物を再切断し、それを切り離さないことを確実にする。   In certain embodiments, the method of synthesizing DNA by this method comprises treating the DNA with ligase and ATP. Topoisomerases ligate only one side of the DNA (the other is essentially nicked). The ligase repairs the nick and ensures that the topoisomerase itself recuts the reaction product and does not cut it off.

ある種の実施態様では、この方法は、遊離のトポイソメラーゼのDNAオリゴマーに対する結合および活性を抑制するために、トポイソメラーゼ阻害剤の使用を含む。適する阻害剤には、ノボビオシンおよびクーママイシンが含まれる。低レベルのトポイソメラーゼ活性はコイル状DNAの「弛緩」を助け、特に長いDNA鎖を合成するときに有用であるので、完全な阻害は望ましくないことに留意されたい。   In certain embodiments, the methods involve the use of topoisomerase inhibitors to inhibit the binding and activity of free topoisomerase to DNA oligomers. Suitable inhibitors include novobiocin and coumamycin. It should be noted that complete inhibition is undesirable, as low levels of topoisomerase activity help "relaxation" of coiled DNA and is particularly useful when synthesizing long DNA strands.

従って、他の実施態様では、本開示は、ナノチップ中でDNAを合成する方法(方法2)を提供し、ナノチップは、トポイソメラーゼ装填オリゴヌクレオチド(即ち、3’末端でトポイソメラーゼに結合したオリゴヌクレオチド)を含む1以上の付加チャンバー、および、制限酵素または脱ブロック化剤、例えばホスファターゼを含む1以上の保存チャンバーを含み、これらのチャンバーは、適合する緩衝液も含み、少なくとも1つのナノポアを含む膜により分離されており、ここで、トポイソメラーゼおよび制限酵素は、ナノポアの通過を妨げられており(例えば、それらは大きすぎるので、かつ/または、それらは第1および第2のチャンバーの基板にそれぞれ係留されているので)、合成は、単一のヌクレオチドまたは短いオリゴヌクレオチド塊を、第1の末端および第2の末端を有する核酸の第1の末端に付加するサイクルにより実行され、ここで、核酸の第1の末端は、電気的引力により付加チャンバーと保存チャンバーの間を動かされ、例えば、ある実施態様では以下の通りである:
(i)レシーバーDNA(例えば、二本鎖DNA)の5’末端を、電気力により、第1の付加チャンバーに移動させること、
(ii)第1の付加チャンバーに、トポイソメラーゼ装填ドナーオリゴヌクレオチドを提供すること、ここで、ドナーオリゴヌクレオチドは、トポイソメラーゼ結合部位、情報配列(例えば、少なくとも2つの異なるヌクレオチドまたは配列から選択され、例えば、バイナリコードで、一方の配列が「0」に、他方が「1」に対応する)、制限酵素により切断されるとトポイソメラーゼ連結部位を与える制限部位を含む;
(iii)ドナーオリゴヌクレオチドがレシーバーDNAに連結し、かくしてそれを伸長するのに十分な時間をとること;
(iv)かくして伸長されたレシーバーDNAの5’末端を、電気力により、保存チャンバーに移動させ、例えば、制限酵素がレシーバーDNAを切断してトポイソメラーゼ連結部位をもたらすように、または、単一のヌクレオチドの付加の場合、脱ブロック化剤、例えば、ホスファターゼが、一本鎖DNA上に5’が脱ブロック化されたヌクレオチドを生成するようにすること;および
(v)所望のDNA配列が得られるまで、工程(i)〜(iv)のサイクルを繰り返し、同一または異なる情報配列を有するオリゴヌクレオチドを付加すること。
Thus, in another embodiment, the present disclosure provides a method of synthesizing DNA in a nanochip (Method 2), the nanochip comprising a topoisomerase loaded oligonucleotide (ie, an oligonucleotide linked to topoisomerase at the 3 'end) Containing one or more additional chambers, and one or more storage chambers containing restriction enzymes or deblocking agents, such as phosphatases, which also contain compatible buffers and separated by a membrane comprising at least one nanopore Where topoisomerase and restriction enzymes are prevented from passing through the nanopore (eg, because they are too large and / or they are tethered to the substrate of the first and second chambers, respectively) ), The synthesis may be single nucleotide or short oligonucleotides It is carried out by a cycle of adding the tide mass to the first end of the nucleic acid having the first end and the second end, wherein the first end of the nucleic acid is electrically attracted to the addition chamber and the storage chamber. For example, in one embodiment:
(I) moving the 5 'end of the receiver DNA (e.g. double-stranded DNA) to the first addition chamber by electric force;
(Ii) providing a topoisomerase loaded donor oligonucleotide in a first addition chamber, wherein the donor oligonucleotide is selected from topoisomerase binding sites, information sequences (eg, at least two different nucleotides or sequences, eg, In binary code, one of the sequences corresponds to "0" and the other to "1"), including a restriction site that when cleaved by a restriction enzyme gives a topoisomerase linking site;
(Iii) taking sufficient time for the donor oligonucleotide to ligate to the receiver DNA, thus extending it;
(Iv) The 5 'end of the thus-extended receiver DNA is transferred by electric force to a storage chamber, eg, as a restriction enzyme cleaves the receiver DNA to provide a topoisomerase linking site, or a single nucleotide In the case of the addition of a deblocking agent, for example a phosphatase, so as to produce a 5 'deblocked nucleotide on the single stranded DNA; and (v) until the desired DNA sequence is obtained. , Repeating the cycle of steps (i) to (iv) and adding oligonucleotides having the same or different information sequences.

例えば、本発明は、以下を提供する。
2.1 レシーバーDNAの3’末端がナノポアに近接して結合しており、レシーバーオリゴヌクレオチドの5’末端がトポイソメラーゼ連結部位を含む方法2であって、工程(iv)の後に、第1の付加チャンバーを洗い流し、新しいトポイソメラーゼ装填ドナーオリゴヌクレオチドを第1の付加チャンバーに提供することにより、さらなるオリゴヌクレオチドをレシーバーDNAの5’末端に付加することを含み、ここで、新しいドナーオリゴヌクレオチドは、以前のドナーオリゴヌクレオチドとは異なる情報配列を有し;新しいドナーオリゴヌクレオチドがレシーバーDNAに付加されるのが望ましい場合、レシーバー核酸の5’末端を第1のチャンバーに引き戻し、工程(i)〜(iii)を繰り返し、または、それが望ましくない場合、所望のドナーオリゴヌクレオチドが第1のチャンバーに提供されるまで、レシーバーDNAを第2のチャンバーに留まらせる、方法2。
For example, the present invention provides the following.
2.1 Method 2 wherein the 3 'end of the receiver DNA is in close proximity to the nanopore and the 5' end of the receiver oligonucleotide comprises a topoisomerase linkage site, the first addition following step (iv) Adding the additional oligonucleotide to the 5 'end of the receiver DNA by flushing the chamber and providing new topoisomerase-loaded donor oligonucleotide to the first addition chamber, where the new donor oligonucleotide is Have a different information sequence than the donor oligonucleotide; if it is desired that a new donor oligonucleotide be added to the receiver DNA, the 5 'end of the receiver nucleic acid is pulled back into the first chamber, and steps (i) to (iii) Repeat, or if it is not desirable To the donor oligonucleotide is provided in the first chamber, to stay the receiver DNA into a second chamber, Method 2.

2.2 複数のレシーバーDNA分子が独立して並行して合成され、それらが第1のチャンバーに存在するか否かを別々に制御することにより、異なる配列を有するDNA分子が得られるようにする、上述のいずれかの方法。 2.2 Multiple receiver DNA molecules are synthesized independently and in parallel, and it is possible to obtain DNA molecules having different sequences by separately controlling whether or not they are present in the first chamber , Any of the above methods.

2.3 それぞれ3’末端でナノポアに近接する表面に結合した複数のレシーバーDNA分子が独立して合成され、各ナノポアが電極対を伴い、電極対の一方の電極がナノポアの一方の末端に近接した位置にあり、他方の電極がナノポアの他方の末端に近接した位置にあり、電極対により与えられる電流により各レシーバーDNA分子を第1のチャンバーと第2のチャンバーの間で独立して動かせるようにする、上述のいずれかの方法。 2.3 A plurality of receiver DNA molecules bound to the surface adjacent to the nanopore at each 3 'end are independently synthesized, each nanopore is accompanied by an electrode pair, and one electrode of the electrode pair is adjacent to one end of the nanopore With the other electrode in close proximity to the other end of the nanopore so that the current provided by the electrode pair allows each receiver DNA molecule to move independently between the first and second chambers. Any of the above mentioned methods.

2.4 サイクルの工程(i)で使用されるドナーオリゴヌクレオチドが、各サイクルで第1の情報配列を含むドナーオリゴヌクレオチドと第2の情報配列を含むドナーオリゴヌクレオチドの間で交互になる、上述のいずれかの方法。 The donor oligonucleotides used in step (i) of 2.4 cycles alternate between the donor oligonucleotides containing the first information sequence and the donor oligonucleotides containing the second information sequence at each cycle One of the ways.

2.5 レシーバーDNAの5’末端を第1の付加チャンバーに戻して同じ情報配列を有するオリゴヌクレオチドを付加することにより、または、レシーバーDNAの5’末端を、3’末端でトポイソメラーゼに結合したドナーオリゴヌクレオチドを有する第2の付加チャンバーに移動させることにより(ここで、第2の付加チャンバー中のドナーオリゴヌクレオチドは、第1の付加チャンバー中のドナーオリゴヌクレオチドとは異なる情報配列を有する)、さらなるオリゴヌクレオチドをレシーバーDNAの5’末端に付加する工程を含む、方法2。 2.5 A donor in which the 5 'end of the receiver DNA is returned to the first addition chamber and an oligonucleotide having the same information sequence is added, or the 5' end of the receiver DNA is bound to topoisomerase at the 3 'end By transferring to the second addition chamber with the oligonucleotide (where the donor oligonucleotide in the second addition chamber has a different information sequence than the donor oligonucleotide in the first addition chamber), Method 2, which comprises adding an oligonucleotide to the 5 'end of the receiver DNA.

2.6 ドナーオリゴヌクレオチドが以下の構造:

Figure 2019512480
[ここで、Nは任意のヌクレオチドを表し、制限酵素はAcc1であり、これは、DNA(例えば上記の配列中のGTCGAC)を切断し、適切なオーバーハングを提供できる]
を有する、上述のいずれかの方法。 2.6 Donor oligonucleotides have the following structure:
Figure 2019512480
[Here, N represents any nucleotide, and the restriction enzyme is Acc1, which can cleave DNA (eg, GTCGAC in the above sequence) and provide a suitable overhang].
Any of the above methods, having.

2.7 ドナーオリゴヌクレオチドがヘアピン構造を有する上述のいずれかの方法、例えば、上下の鎖のNNNNN基が結合している2.6。 2.7 Any of the methods described above wherein the donor oligonucleotide has a hairpin structure, eg, the NNNNN groups of the upper and lower strands are attached 2.6.

2.8 トポイソメラーゼ装填オリゴヌクレオチドの少なくとも1つが、以下の構造:

Figure 2019512480
を有する、上述のいずれかの方法。 2.8 At least one of the topoisomerase loaded oligonucleotides has the following structure:
Figure 2019512480
Any of the above methods, having.

2.9 トポイソメラーゼ装填オリゴヌクレオチドの少なくとも1つが、以下の構造:

Figure 2019512480
を有する、上述のいずれかの方法。 2.9 At least one of the topoisomerase loaded oligonucleotides has the following structure:
Figure 2019512480
Any of the above methods, having.

2.10 トポイソメラーゼ装填オリゴヌクレオチドを用いる、上述のいずれかの方法。
2.11 オリゴヌクレオチドがナノポアを通過する際の電圧、電流、抵抗、静電容量および/またはインピーダンスの変化を検出することにより、合成されたDNAの配列を各サイクルに続いて決定する、上述のいずれかの方法。
2.10 Any of the methods described above using topoisomerase loaded oligonucleotides.
2.11 The sequence of the synthesized DNA is determined following each cycle by detecting changes in voltage, current, resistance, capacitance and / or impedance as the oligonucleotide passes through the nanopore. Any way.

2.12 DNAの合成が、緩衝液、例えば、pH7〜8.5、例えば約pH8とするためのバッファー、例えば、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)、適当な酸、および、場合によりキレーター、例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)を含むバッファー、例えば、Trisベース、酢酸およびEDTAの混合物を含むTAEバッファー、または、Trisベース、ホウ酸およびEDTAの混合物を含むTBEバッファーを含む溶液中で;例えば、10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl、または、例えば、50mM酢酸カリウム、20mM Tris−アセテート、10mM酢酸マグネシウムを含む溶液(pH7.9@25℃)中で起こる、上述のいずれかの方法。 2.12 The synthesis of DNA can be carried out in a buffer, for example a buffer of pH 7 to 8.5, for example about pH 8, such as tris (hydroxymethyl) aminomethane (Tris), a suitable acid and optionally a chelator For example, in a solution containing ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), such as a solution containing TBE buffer containing a mixture of Tris base, acetic acid and EDTA, or TBE buffer containing a mixture of Tris base, boric acid and EDTA; Any of the methods described above, occurring in a solution containing 10 mM Tris pH 8, 1 mM EDTA, 150 mM KCl, or, for example, 50 mM potassium acetate, 20 mM Tris-acetate, 10 mM magnesium acetate (pH 7.9 @ 25 ° C.).

2.13 DNAをナノチップから取り出すことをさらに含む、上述のいずれかの方法。
上述のいずれかの方法。
2.13 Any of the above methods, further comprising removing the DNA from the nanochip.
Any of the above mentioned methods.

2.14 かくして合成されたDNAを増幅することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 2.14 Any of the above methods, further comprising amplifying the DNA thus synthesized.

2.15 DNAをナノチップから取り出し、DNAを結晶化することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 2.15 Any of the above methods, further comprising removing the DNA from the nanochip and crystallizing the DNA.

2.16 例えば参照により本明細書に組み込むUS8283165B2に記載されている通り、DNAを含む溶液を、1以上のバッファー(例えば、ホウ酸バッファー)、抗酸化剤、湿潤剤、例えばポリオール、および、場合によりキレート剤と共に乾燥させること;または、核酸とポリマー、例えば、ポリ(エチレングリコール)−ポリ(l−リジン)(PEG−PLL)AB型ブロックコポリマーとの間にマトリックスを形成することなどにより、核酸を安定化することをさらに含む、上述のいずれかの方法。 2.16 The solution containing DNA can be combined with one or more buffers (eg, borate buffer), antioxidants, wetting agents such as polyols, and if necessary, as described, for example, in US Pat. No. 8,283,165 B2, which is incorporated herein by reference. Drying with the chelating agent by means of: or the nucleic acid by forming a matrix between the nucleic acid and the polymer, eg poly (ethylene glycol) -poly (l-lysine) (PEG-PLL) AB type block copolymer, etc. Any of the above methods, further comprising stabilizing.

2.17 DNA中のニックを封じるリガーゼおよびATPを提供することを含む、上述のいずれかの方法[NB:トポイソメラーゼ連結は、一方の鎖のみを連結する]。 2.17 Any of the methods described above, including providing a ligase and ATP that seal the nick in the DNA [NB: topoisomerase ligation ligates only one strand].

2.18 トポイソメラーゼを装填されたドナーオリゴヌクレオチドが、トポイソメラーゼを有する鎖と相補的な鎖に5’オーバーハングを含み、ポリイノシン配列を含む、上述のいずれかの方法[NB:イノシンは「普遍的塩基」として作用し、他のいかなる塩基とも対になる]。 2.18 Any of the above methods, wherein the donor oligonucleotide loaded with topoisomerase contains a 5 'overhang on the strand complementary to the strand carrying the topoisomerase and contains a polyinosine sequence [NB: inosine refers to "universal base Act as "and pair with any other base".

2.19 制限酵素が、単一の塩基(「付加」されている塩基)以外の付加されたDNAを全て切り離せるIIS型制限酵素である、上述のいずれかの方法。 2.19 Any of the aforementioned methods, wherein the restriction enzyme is an IIS type restriction enzyme capable of separating all added DNA other than a single base ("added" base).

2.20 トポイソメラーゼが、ワクシニアトポイソメラーゼおよびSVFトポイソメラーゼIから選択される、上述のいずれかの方法。 2.20 Any of the foregoing methods wherein topoisomerase is selected from vaccinia topoisomerase and SVF topoisomerase I.

2.21 ワクシニアトポイソメラーゼ((C/T)CCTTを認識する)を使用してdTTPヌクレオチドを付加し、SVFトポイソメラーゼI(CCCTGを認識する)を使用してdGTPヌクレオチドを付加し、例えばバイナリコード情報を提供する、上述のいずれかの方法。 2.21 Add dTTP nucleotides using vaccinia topoisomerase (recognizing (C / T) CCTT) and add dGTP nucleotides using SVF topoisomerase I (recognizing CCCTG), for example binary coding information Any of the above methods provided.

2.22 保存チャンバーがさらにリガーゼおよびATPを含み、トポイソメラーゼにより連結されなかったDNA鎖を修復する、上述のいずれかの方法。 2.22 Any of the methods described above, wherein the storage chamber further comprises ligase and ATP and repairs the DNA strand not ligated by topoisomerase.

2.23 遊離のトポイソメラーゼのDNAオリゴマーへの結合および活性を抑制するトポイソメラーゼ阻害剤の使用を含み、例えば、阻害剤がノボビオシンおよびクーママイシンから選択される、上述のいずれかの方法。 2.23 Any of the foregoing methods comprising the use of topoisomerase inhibitors to inhibit the binding and activity of free topoisomerase to DNA oligomers, eg, wherein the inhibitor is selected from novobiocin and coumeramycin.

2.24 かくして提供されるDNA鎖が、チミジン(T)ヌクレオシドおよびデオキシグアニジン(G)ヌクレオシドを含む配列を有する、上述のいずれかの方法。 2.24 Any of the foregoing methods wherein the DNA strand thus provided has a sequence comprising thymidine (T) nucleoside and deoxyguanidine (G) nucleoside.

2.25 トポイソメラーゼが単一の塩基を付加するが、トポイソメラーゼにより付加された塩基から5’方向の1つのヌクレオチドである位置で制限酵素が切断する、上述のいずれかの方法。 2.25 Any of the above methods, wherein the topoisomerase adds a single base, but the restriction enzyme cleaves at a position which is one nucleotide in the 5 'direction from the base added by the topoisomerase.

2.26 かくして提供されたDNA鎖が、「TT」および「TG」ジヌクレオチドの配列を含む配列を有する、上述のいずれかの方法。 2.26 Any of the methods mentioned above, wherein the DNA strand thus provided has a sequence comprising the sequences of "TT" and "TG" dinucleotides.

2.27 単一のヌクレオチドを3’から5’への方向で付加することによりDNA分子を合成する方法であって、(i)5’保護形態の所望のヌクレオチドがDNAの5’末端に付加されるように、DNA分子を、5’保護形態、例えば5’リン酸化形態の所望のヌクレオチドを装填されたトポイソメラーゼと反応させること、次いで、(ii)ホスファターゼ酵素を使用して、かくして形成されたDNAの5’末端を脱保護すること、および、所望のヌクレオチド配列が得られるまで、工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む、上述のいずれかの方法。 2.27 A method of synthesizing a DNA molecule by adding a single nucleotide in the 3 'to 5' direction, wherein (i) the desired nucleotide in the 5 'protected form is added to the 5' end of the DNA Reaction of the DNA molecule with the topoisomerase loaded with the desired nucleotide in the 5 'protected form, for example the 5' phosphorylated form, and then (ii) thus formed using a phosphatase enzyme Any of the above methods comprising deprotecting the 5 'end of the DNA and repeating steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence is obtained.

2.28 オリゴマーを3’から5’への方向で付加することによりDNA分子を合成する方法であって、(i)DNA分子を、所望のオリゴマーを装填されたトポイソメラーゼと反応させ、それにより、オリゴマーをDNA分子に連結させること、次いで、(ii)制限酵素を使用して、トポイソメラーゼに媒介されるさらなるオリゴマーの連結のために5’部位を提供すること、および、所望のヌクレオチド配列が得られるまで、工程(i)および(ii)を繰り返すことを含む、上述のいずれかの方法。
2.29 記載される方法Aに準じる方法である、上述のいずれかの方法。
2.28 A method of synthesizing a DNA molecule by the addition of oligomers in a 3 'to 5' direction, wherein (i) the DNA molecule is reacted with topoisomerase loaded with the desired oligomer, thereby Ligating the oligomer to a DNA molecule, then (ii) providing a 5 'site for further oligomeric ligation mediated by topoisomerase using a restriction enzyme, and the desired nucleotide sequence is obtained. Any of the above methods, including repeating steps (i) and (ii) until:
2.29 Any of the above methods, which is a method according to Method A described.

合成反応の生成物を、検出し、品質管理の目的で調査し、ポリマーにコードされたデータを抽出するために読み取ることができる。例えば、DNAを常套の手段で増幅し、配列決定し、ナノポアの配列決定の頑健性を確認し得る。   The products of the synthesis reaction can be detected, surveyed for quality control purposes, and read to extract polymer encoded data. For example, DNA can be amplified and sequenced by conventional means to confirm the robustness of nanopore sequencing.

他の実施態様では、本発明は、トポイソメラーゼ結合部位、情報配列(例えば、少なくとも2つの異なる配列から選択され、例えば、バイナリコードで、一方の配列が「0」に、他方が「1」に対応する)、および、制限酵素により切断されるとトポイソメラーゼ連結部位を与える制限部位を含む、例えば、以下の配列:

Figure 2019512480
[ここで、情報配列AまたはBは、3〜12個、例えば、約8個のヌクレオチドの配列である]
を含む、オリゴヌクレオチドを提供する。 In another embodiment, the present invention relates to topoisomerase binding sites, information sequences (eg selected from at least two different sequences, eg binary code, one sequence corresponding to "0" and the other to "1"). And a restriction site that when cleaved by a restriction enzyme provides a topoisomerase linking site, eg, the following sequence:
Figure 2019512480
[Here, the information sequence A or B is a sequence of 3 to 12, for example, about 8 nucleotides]
And providing an oligonucleotide.

他の実施態様では、本発明は、トポイソメラーゼを装填されたオリゴヌクレオチドであって、トポイソメラーゼ結合部位、情報配列(例えば、少なくとも2つの異なる配列から選択され、例えば、バイナリコードで、一方の配列が「0」に、他方が「1」に対応する)、および、制限酵素により切断されるとトポイソメラーゼ連結部位を与える制限部位を含むオリゴヌクレオチド;例えば、以下の構造を有するトポイソメラーゼを装填されたオリゴヌクレオチド:

Figure 2019512480
[ここで、情報配列AまたはBは、3〜12個、例えば、約8個のヌクレオチドの配列であり、*は、オリゴヌクレオチドに共有結合したトポイソメラーゼ;例えば、トポイソメラーゼはワクシニアウイルストポイソメラーゼIである]
を提供する。 In another embodiment, the present invention provides an oligonucleotide loaded with topoisomerase, wherein the topoisomerase binding site, information sequence (eg, selected from at least two different sequences, eg, binary code, one sequence is “ 0), the other corresponds to “1”, and an oligonucleotide comprising a restriction site which when cleaved by a restriction enzyme gives a topoisomerase linking site; eg an oligonucleotide loaded with topoisomerase having the following structure:
Figure 2019512480
[Here, the information sequence A or B is a sequence of 3 to 12, for example, about 8 nucleotides, * is a topoisomerase covalently linked to an oligonucleotide; for example, the topoisomerase is vaccinia virus topoisomerase I]
I will provide a.

他の実施態様では、本発明は、上記の一本鎖または二本鎖DNA分子であって、一本鎖またはコード配列が、本質的にハイブリダイズしない塩基、例えばアデニンおよびシトシン(AおよびC)からなり、それらが、例えばデータ保存方法における使用のために、バイナリコードに相当する配列で配置されている、DNA分子を提供する。例えば、本発明は、DNAが一本鎖または二本鎖であり、少なくとも1000ヌクレオチド長、例えば、1000〜1,000,000ヌクレオチド、例えば、5,000〜20,000ヌクレオチド長であり、ヌクレオチドの配列がバイナリコードに対応する、DNA(DNA1);例えば、以下のものを提供する。   In another embodiment, the present invention provides a single-stranded or double-stranded DNA molecule as described above, wherein the single-stranded or coding sequence is essentially non-hybridizable bases, such as adenine and cytosine (A and C). Provides DNA molecules, which are arranged in sequences corresponding to binary code, eg for use in data storage methods. For example, the invention provides that the DNA is single stranded or double stranded and at least 1000 nucleotides long, such as 1000 to 1,000,000 nucleotides, such as 5,000 to 20,000 nucleotides long, DNA (DNA1), the sequence of which corresponds to the binary code; for example:

1.1 DNAが一本鎖であるDNA1。
1.2 DNAが二本鎖であるDNA1。
1.1 DNA 1 in which the DNA is single stranded.
1.2 DNA 1 wherein the DNA is double stranded.

1.3 一本鎖またはコード配列中のヌクレオチドが、アデニン、チミンおよびシトシンヌクレオチドから選択され、例えば、アデニンおよびシトシンヌクレオチド、または、チミンおよびシトシンヌクレオチドから選択される、上述のいずれかのDNA。 1.3 Any of the above DNAs wherein the nucleotides in the single stranded or coding sequence are selected from adenine, thymine and cytosine nucleotides, for example selected from adenine and cytosine nucleotides, or thymine and cytosine nucleotides.

1.4 一本鎖の形態のときに有意な二次構造を形成しないように、主としてハイブリダイズしないヌクレオチドからなる、上述のいずれかのDNA。 1.4 Any of the DNAs described above consisting mainly of non-hybridizing nucleotides so as not to form significant secondary structure when in single stranded form.

1.5 ヌクレオチドが、少なくとも95%、例えば99%、例えば100%、アデニンおよびシトシンヌクレオチドである、上述のいずれかのDNA。 Any of the above DNAs wherein the 1.5 nucleotides are at least 95%, such as 99%, such as 100%, adenine and cytosine nucleotides.

1.6 連続的な1または0をより容易に読み取れるように、バイナリコードを含むヌクレオチドを分離または分断するために、例えば、1と0、または1と0のグループを分離するために、付加されたヌクレオチドまたはヌクレオチド配列を含む、上述のいずれかのDNA。 1.6 added to separate or break up the nucleotides containing the binary code, eg to separate groups of 1s and 0s, or groups of 1s and 0s, so that consecutive 1s or 0s can be read more easily Any of the DNAs described above comprising a nucleotide or nucleotide sequence.

1.7 (a)バイナリコードの各ビットが単一のヌクレオチドに対応する、例えば1および0が、各々AまたはCに対応する;または、(b)バイナリコードの各ビットが、1より多いヌクレオチド、例えば2、3または4個のヌクレオチドの連続物、例えば、AAAまたはCCCに対応する、上述のいずれかのDNA。 1.7 (a) each bit of the binary code corresponds to a single nucleotide, eg 1 and 0 correspond respectively to A or C; or (b) each bit of the binary code is more than 1 nucleotide For example, any of the DNAs described above corresponding to a series of 2, 3 or 4 nucleotides, such as AAA or CCC.

1.8 結晶化されている、上述のいずれかのDNA。
1.9 例えば参照により本明細書に組み込むUS8283165B2に記載されている通り、核酸を含む溶液を、1以上のバッファー塩(例えば、ホウ酸バッファー)、抗酸化剤、湿潤剤、例えばポリオール、および、場合により、キレート剤と共に乾燥形態で;かつ/または、核酸とポリマー、例えば、ポリ(エチレングリコール)−ポリ(l−リジン)(PEG−PLL)AB型ブロックコポリマーとの間のマトリックス中に;かつ/または、相補的核酸またはDNAに結合するタンパク質と共に提供される、上述のいずれかのDNA。
1.8 Any of the above DNA which has been crystallized.
1.9 The nucleic acid containing solution may be combined with one or more buffer salts (eg, borate buffer), antioxidants, wetting agents such as polyols, and / or the like, as described, for example, in US Pat. No. 8,283,165 B2, which is incorporated herein by reference. Optionally, in a dry form with a chelating agent; and / or in a matrix between the nucleic acid and the polymer, eg, poly (ethylene glycol) -poly (l-lysine) (PEG-PLL) AB type block copolymer; And / or any DNA as described above provided with a complementary nucleic acid or protein that binds to DNA.

1.10 記載される方法1または記載される方法2または記載される方法Aのいずれかにより製造された、上述のいずれかのDNA。 1.10 Any of the DNAs described above, prepared according to method 1 described or method 2 described or method A described.

ナノチップは、例えば図23〜29に示す通りに作製できる。例えば、ある形式では、各ポリマー鎖は2個または4個の付加チャンバーを伴い、2個の付加チャンバーの形式は、ポリマー中にバイナリコードをコードするのに有用であり、4個の付加チャンバーの形式は、カスタムDNA配列を作製するのに特に有用である。各付加チャンバーは、個別に制御可能な電極を含む。付加チャンバーは、バッファー中のポリマーにモノマーを付加する試薬を含む。付加チャンバーは、1以上のナノポアを含む膜により、保存チャンバーから分離されており、それは、複数の付加チャンバーに共通であり得、付加チャンバーで付加された保護モノマーまたはオリゴマーを脱保護する脱保護試薬およびバッファーを含む。ナノチップは、多数のポリマーの並列合成を可能にする複数の付加チャンバーのセットを含む。   Nanotips can be made, for example, as shown in FIGS. For example, in one form, each polymer chain is accompanied by two or four additional chambers, and the two additional chamber form is useful for encoding a binary code in the polymer, and the four additional chambers The format is particularly useful for generating custom DNA sequences. Each additional chamber contains individually controllable electrodes. The addition chamber contains reagents that add monomers to the polymer in buffer. The addition chamber is separated from the storage chamber by a membrane comprising one or more nanopores, which may be common to a plurality of addition chambers and which is a deprotecting reagent for deprotecting the protected monomer or oligomer added in the addition chamber And buffer. The nanotips contain a set of multiple additional chambers that allow for the parallel synthesis of multiple polymers.

高帯域幅かつ低ノイズのナノポアセンサーおよび検出電子工学が、単一DNA塩基の分解能を達成するのに重要である。ある種の実施態様では、ナノチップは、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)チップに電気的に連結している。例えば、参照によりその内容を本明細書に組み込む、Uddin, et al., "Integration of solid-state nanopores in a 0.5 μm cmos foundry process", Nanotechnology (2013) 24(15): 155501に記載の通り、固相ナノポアは、CMOSプラットフォーム内に、バイアス電極およびカスタム設計された増幅電子工学の近傍に組み込むことができる。   High bandwidth and low noise nanopore sensor and detection electronics are important to achieve single DNA base resolution. In certain embodiments, the nanotips are electrically coupled to complementary metal oxide semiconductor (CMOS) chips. For example, as described in Uddin, et al., "Integration of solid-state nanopores in a 0.5 μm cmos foundry process", Nanotechnology (2013) 24 (15): 155501, the contents of which are incorporated by reference. Solid phase nanopores can be incorporated into the CMOS platform in the vicinity of bias electrodes and custom designed amplification electronics.

他の実施態様では、本開示は、少なくとも2個の別個のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAを、合成および/または配列決定するためのナノチップ(ナノチップ1)であって、1以上のナノポアを含む膜により分離されている少なくとも第1および第2の反応チャンバーを含み、各反応チャンバーは、荷電ポリマーをチャンバー内に引き出すための1以上の電極を含み、電解質媒体および場合によりモノマーをポリマーに付加するための試薬をさらに含むナノチップを提供し、例えば、以下のものを提供する。   In another embodiment, the present disclosure is a charged polymer comprising at least two separate monomers, such as a nanotip (nanotip 1) for synthesizing and / or sequencing DNA, comprising one or more nanopores Containing at least first and second reaction chambers separated by a membrane, each reaction chamber comprising one or more electrodes for drawing charged polymer into the chamber, adding electrolyte medium and optionally monomers to the polymer The present invention provides a nanochip further comprising a reagent for

1.1 ナノポアの直径が2〜20nm、例えば2〜10nm、例えば2〜5nmである、ナノチップ1。 1.1 Nanotip 1, wherein the diameter of the nanopore is 2-20 nm, eg 2-10 nm, eg 2-5 nm.

1.2 ナノチップの反応チャンバーの壁の一部または全部が、シリコン材料、例えば、シリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素またはこれらの組合せ、例えば窒化ケイ素を含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.2 Any of the above-mentioned nanotips, wherein part or all of the walls of the reaction chamber of the nanotips comprise a silicon material, such as silicon, silicon dioxide, silicon nitride or combinations thereof, such as silicon nitride.

1.3 ナノチップの反応チャンバーの壁の一部または全部が、シリコン材料、例えば、シリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素またはこれらの組合せ、例えば窒化ケイ素を含み、ナノポアの一部または全部がイオン照射により作製されたものである、上述のいずれかのナノチップ。 1.3 Some or all of the walls of the reaction chamber of the nanotip contain silicon material, such as silicon, silicon dioxide, silicon nitride or combinations thereof, such as silicon nitride, and some or all of the nanopores are produced by ion irradiation Any of the above nanotips being

1.4 ナノポアの一部または全部が、ポア形成タンパク質のα−ヘモリジンを含む膜、例えば脂質二重膜で構成されている、上述のいずれかのナノチップ。 1.4 Any of the above-mentioned nanochips, wherein some or all of the nanopores are composed of a membrane containing the pore-forming protein α-hemolysin, for example, a lipid bilayer membrane.

1.5 反応チャンバーの壁の一部または全部が、試薬との相互作用を最小にするために被覆されている、例えば、ポリエチレングリコールなどのポリマーで、または、ウシ血清アルブミンなどのタンパク質で被覆されている、上述のいずれかのナノチップ。 1.5 Some or all of the walls of the reaction chamber are coated to minimize interaction with the reagent, for example, with a polymer such as polyethylene glycol or with a protein such as bovine serum albumin Any of the above nanotips.

1.6 電解質媒体を含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.7 pH7〜8.5、例えば約pH8とするためのバッファー、例えば、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)、適当な酸、および、場合によりキレーター、例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)を含むバッファー、例えば、Trisベース、酢酸およびEDTAの混合物を含むTAEバッファー、または、Trisベース、ホウ酸およびEDTAの混合物を含むTBEバッファーを含む溶液中で;例えば、10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl、または、例えば、50mM酢酸カリウム、20mM Tris−アセテート、10mM酢酸マグネシウムを含む溶液(pH7.9@25℃)などのバッファーを含む電解質媒体を含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.6 Any of the nanotips described above, including an electrolyte medium.
1.7 buffer to bring pH 7 to 8.5, eg about pH 8, such as tris (hydroxymethyl) aminomethane (Tris), a suitable acid, and optionally a chelator such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) In a solution comprising a buffer, eg a Tris base, a TAE buffer comprising a mixture of acetic acid and EDTA, or a TBE buffer comprising a mixture of Tris base, boric acid and EDTA; eg 10 mM Tris pH 8, 1 mM EDTA, 150 mM KCl Or any of the above-described nanotips comprising an electrolyte medium comprising a buffer such as, for example, a solution containing 50 mM potassium acetate, 20 mM Tris-acetate, 10 mM magnesium acetate (pH 7.9 @ 25 ° C.).

1.8 モノマーをポリマーに付加するための試薬を含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.8 Any of the nanotips described above comprising reagents for attaching monomers to the polymer.

1.9 ポリマーの合成(例えば、モノマーまたはモノマーのグループを連続的にポリマーに付加することによる「書き込み」)および配列決定(例えば、モノマーがナノポアを通過する際の電流および/またはインダクタンスの変化を測定することによる「読み取り」)の両方が可能である、上述のいずれかのナノチップ。 1.9 Synthesis of polymers (for example, "writing" by continuously adding monomers or groups of monomers to polymers) and sequencing (for example, changes in current and / or inductance as monomers pass through the nanopore) Any of the nanotips described above, which are both capable of "reading" by measuring.

1.10 例えば、ナノポアを流れる電流が電解質媒体を介してナノポアを通って確立され得るように、例えば、電流がナノポアを通してポリマーを引き出すことができ、ポリマーがナノポアを通過する際、ナノポアにかかる電位の変化を測定し得、ポリマー内のモノマーの配列を同定するのに使用し得るように、1以上のナノポアを含む膜が両側に金属表面を含み、金属表面は、絶縁体、例えば窒化ケイ素膜により分離されており、金属表面は、例えばリソグラフィーの手段により、各ナノポアの各末端に電極をもたらすように形成されている、上述のいずれかのナノチップ。 1.10 For example, the current can draw the polymer through the nanopore so that the current flowing through the nanopore can be established through the nanopore through the electrolyte medium, and the potential across the nanopore as the polymer passes through the nanopore The membrane comprising one or more nanopores comprises a metal surface on both sides, the metal surface being an insulator, for example a silicon nitride membrane, so that changes in the can be measured and used to identify the sequence of monomers in the polymer. Any of the nanotips described above, wherein the metal surfaces are separated to provide an electrode at each end of each nanopore, for example by means of lithography.

1.11 DNAである荷電ポリマーを含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.12 一本鎖DNA(ssDNA)である荷電ポリマーを含む、上述のいずれかのナノチップ。
1. 11 Any of the nanotips described above comprising a charged polymer that is DNA.
1.12 Any of the nanotips described above comprising a charged polymer that is single stranded DNA (ssDNA).

1.13 予め決定された制限部位を含むDNAである荷電ポリマーを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.13 Any of the nanotips described above comprising a charged polymer that is DNA comprising a predetermined restriction site.

1.14 DNAである荷電ポリマーを含み、DNAが上記のDNA1に記載のDNAである、上述のいずれかのナノチップ。 1.14 Any of the above nanotips comprising a charged polymer that is DNA, wherein the DNA is a DNA according to DNA 1 above.

1.15 DNAである荷電ポリマーを含み、DNAが少なくとも95%、例えば99%、例えば100%のアデニンおよびシトシンを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.15 Any of the nanochips described above comprising a charged polymer that is DNA, the DNA comprising at least 95%, such as 99%, such as 100% adenine and cytosine.

1.16 DNAである荷電ポリマーを含み、DNAがアデニンおよびシトシンのみを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.16 Any of the above nanotips comprising a charged polymer that is DNA, the DNA comprising only adenine and cytosine.

1.17 バッファーおよび試薬の導入および洗い流しを可能にする1以上のポートを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.17 Any of the nanotips described above, including one or more ports that allow for the introduction and flushing of buffers and reagents.

1.18 緩衝液、例えば、pH7〜8.5、例えば約pH8とするためのバッファー、例えば、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)、適当な酸、および、場合によりキレーター、例えば、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)を含むバッファー、例えば、Trisベース、酢酸およびEDTAの混合物を含むTAEバッファー、または、Trisベース、ホウ酸およびEDTAの混合物を含むTBEバッファーを含む溶液;例えば、10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl、または、例えば、50mM酢酸カリウム、20mM Tris−アセテート、10mM酢酸マグネシウムを含む溶液(pH7.9@25℃)を含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.18 buffer, eg buffer to bring pH 7-8.5, eg about pH 8, eg Tris (hydroxymethyl) aminomethane (Tris), suitable acid, and optionally chelator, eg ethylenediaminetetra A buffer containing acetic acid (EDTA), eg a solution containing Tris base, a TAE buffer containing a mixture of acetic acid and EDTA, or a TBE buffer containing a mixture of Tris base, boric acid and EDTA; eg 10 mM Tris pH 8, 1 mM EDTA Any of the above-mentioned nanochips comprising 150 mM KCl or a solution containing, for example, 50 mM potassium acetate, 20 mM Tris-acetate, 10 mM magnesium acetate (pH 7.9 @ 25 ° C.).

1.19 保存およびその後の再水和のために凍結乾燥されているか、または、凍結乾燥することができる、例えば、ナノチップの構造が、水和性または水透過性ポリマーを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.19 either freeze-dried or lyophilised for storage and subsequent rehydration, eg any of the above mentioned wherein the structure of the nanotip comprises a hydratable or water-permeable polymer Nanotips.

1.20 例えば、ナノチップの構造が、水和性または水透過性ポリマーを含み、一度書き込みプロセスが完了したら、使用に先立ち水和され、場合により、長期保存のために凍結乾燥される、乾燥形態で合成される上述のいずれかのナノチップ。 1.20 For example, a dry form, wherein the structure of the nanotip comprises a hydratable or water-permeable polymer, which, once the writing process is complete, is hydrated prior to use, optionally lyophilized for long-term storage Any of the above nanotips synthesized in.

1.21 荷電ポリマー、例えばDNAが、ヒストンで安定化されている、上述のいずれかのナノチップ。
1.22 内表面が正に荷電されている、上述のいずれかのナノチップ。
1.21 Any of the nanotips described above, wherein a charged polymer, eg, DNA, is stabilized with histones.
1.22 Any of the above nanotips, wherein the inner surface is positively charged.

1.23 電極が、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz〜1GHz、例えば50〜200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにかけることができる容量回路に、作動可能に連結されており、例えば、脈流直流電流が荷電ポリマーをナノポアを通して引き出すことができ、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を決定できる、上述のいずれかのナノチップ。 1.23 The electrode is operatively connected to a capacitive circuit capable of applying radio frequency pulsed direct current to the nanopore at a frequency of eg 1 MHz to 1 GHz, eg 50 to 200 MHz, eg about 100 MHz, eg Any of the above nanotips, wherein a pulsating direct current can draw the charged polymer through the nanopore and the monomer sequence can be determined by measuring the nanopore volume variation as the charged polymer passes through the nanopore.

1.24 付加チャンバーの1つにおけるモノマーまたはオリゴマーの付加後に、ポリマーを脱保護するための試薬を含む保存チャンバーまたは脱ブロック化剤チャンバーを含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.25 複数の付加チャンバーの対を含む、上述のいずれかのナノチップ。
1.24 Any of the nanotips described above comprising a storage chamber or a deblocking agent chamber containing a reagent for deprotecting the polymer after addition of the monomer or oligomer in one of the addition chambers.
1.25 Any of the nanotips described above comprising a plurality of additional chamber pairs.

1.26 例えば図24に記載の、ウエハー接合によって接合された電気制御層、フルイディクス層および電気的アース層を含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.26 Any of the nanotips described above, including the electrical control layer, fluidics layer and electrical ground layer bonded by wafer bonding, for example as described in FIG.

1.27 ナノポアが、FIB、TEM、ウェットエッチングもしくはドライエッチングを用いて穿孔することによって作成される、上述のいずれかのナノチップ。 1.27 Any of the nanotips described above, wherein the nanopores are created by drilling using FIB, TEM, wet etching or dry etching.

1.28 ナノポアを含む膜が1原子層から30nmの厚さである、上述のいずれかのナノチップ。 1.28 Any of the above nanotips, wherein the membrane comprising nanopores is one atomic layer to 30 nm thick.

1.29 ナノポアを含む膜が、SiN、BN、SiOx、グラフェン、遷移金属ジカルコゲナイド、例えばWSまたはMoSで作られたものである、上述のいずれかのナノチップ。 1.29 Any of the above nanotips, wherein the membrane comprising nanopores is made of SiN, BN, SiOx, graphene, transition metal dichalcogenides such as WS 2 or MoS 2 .

1.30 金属またはポリシリコンで作られた配線を含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.30 Any of the nanotips described above, including wires made of metal or polysilicon.

1.31 配線の密度が、誘電成膜(例えば、PECVD、スパッタリング、ALDなどによる)によって与えられる電気的遮蔽を伴う3次元スタッキングによって増大する、上述のいずれかのナノチップ。 1.31 Any of the nanotips described above, wherein the density of interconnects is increased by three-dimensional stacking with electrical shielding provided by dielectric deposition (eg, by PECVD, sputtering, ALD, etc.).

1.32 付加チャンバーにおける電極との接触が、深堀り反応性イオンエッチング(DRIE)によるシリコン貫通電極(TSV)を用いて、例えば、クライオ処理またはBOSCH処理を用いて、または、ウェットシリコンエッチングによりなされる、上述のいずれかのナノチップ。 1.32 Contact with the electrode in the addition chamber can be done using deep silicon reactive ion etching (DRIE) through silicon via (TSV), for example using cryo processing or BOSCH processing, or by wet silicon etching Any of the above nanotips.

1.33 各付加チャンバーの電極の個別の電圧制御が、各付加チャンバーの電極を個別に制御およびモニターすることを可能にする、上述のいずれかのナノチップ。 1.33 Any of the nanotips described above, wherein individual voltage control of the electrodes of each additional chamber allows the electrodes of each additional chamber to be individually controlled and monitored.

1.34 各ポリマーが第1の付加チャンバー、第2の付加チャンバーおよび脱ブロック化チャンバーを伴う、上述のいずれかのナノチップ。 1.34 Any of the nanotips described above, wherein each polymer comprises a first addition chamber, a second addition chamber and a deblocking chamber.

1.35 1以上のチャンバーに流体のフローがある、上述のいずれかのナノチップ。
1.36 1以上のチャンバーが流体的に分離されている、上述のいずれかのナノチップ。
1.37 脱ブロック化チャンバーに流体のフローがある、上述のいずれかのナノチップ。
1.38 付加チャンバーに共通の流体のフローがある、上述のいずれかのナノチップ。
1.35 Any of the nanotips described above, wherein there is a flow of fluid in one or more chambers.
1.36 Any of the above nanotips, wherein one or more chambers are fluidically separated.
1.37 Any of the nanotips described above, with fluid flow in the deblocking chamber.
1.38 Any of the nanotips described above, with a common fluid flow in the additional chamber.

1.39 チャンバー間の配線が、類似する種類のチャンバーで(例えば、第1の付加チャンバーで、第2の付加チャンバーで、脱チャンバーで)共通である、上述のいずれかのナノチップ。 1.39 Any of the nanotips described above wherein the wiring between the chambers is common in similar types of chambers (eg, in the first addition chamber, in the second addition chamber, in the removal chamber).

1.40 付加チャンバーが個別の電圧制御を有し、脱ブロック化チャンバーが共通の電気的アースを有する、上述のいずれかのナノチップ。 1.40 Any of the nanotips described above, wherein the loading chambers have separate voltage controls and the deblocking chambers have a common electrical ground.

1.41 脱ブロック化チャンバーが個別の電圧制御を有し、第1の付加チャンバーが共通の電気的アースを有し、第2の付加チャンバーが共通の電気的アースを有する、上述のいずれかのナノチップ。 1.41 Any of the foregoing, wherein the deblocking chamber has separate voltage control, the first additional chamber has a common electrical ground, and the second additional chamber has a common electrical ground. Nanotips.

1.42 ナノチップがウエハー接合によって作製され、チャンバーが接合に先立ち所望の試薬で予め満たされる、上述のいずれかのナノチップ。
1.43 1以上の内部表面がシラン処理されている、上述のいずれかのナノチップ。
1.42 Any of the above nanotips wherein the nanotips are made by wafer bonding and the chamber is prefilled with the desired reagents prior to bonding.
1.43 Any of the above nanotips, wherein one or more internal surfaces are silanized.

1.44 流体の導入または除去のための1以上のポートを含む、上述のいずれかのナノチップ。 1.44 Any of the nanotips described above comprising one or more ports for the introduction or removal of fluid.

1.45 チャンバー内の電極が荷電ポリマーとの直接的接触を制限されている、例えば、ナノポアに隣接する表面に結合した荷電ポリマーが到達できないほど、電極がナノポアから離れて配置されている、または、水および単一原子のイオン(例えば、Na+、K+およびCl−イオン)を通過させるが、ポリマーまたはポリマーに加わるべきモノマーまたはオリゴマー試薬は通過させない物質により電極が保護されている、上述のいずれかのナノチップ。 1.45 The electrode in the chamber is restricted from direct contact with the charged polymer, eg the electrode is placed far away from the nanopore so that the charged polymer bound to the surface adjacent to the nanopore can not be reached, or Any of the foregoing, wherein the electrode is protected by a substance that allows water and single atomic ions (eg, Na +, K + and Cl − ions) to pass, but not polymers or monomer reagents that should be added to the polymer. Nanotips.

1.46 相補型金属酸化膜半導体(CMOS)チップに電気的に連結している、上述のいずれかのナノチップ。 1.46 Any of the nanotips described above electrically coupled to a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) chip.

例えば、ある実施態様では、本発明は、少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAの配列決定のために、ナノチップ、例えば、上記ナノチップ1のいずれかに記載のナノチップを提供し、ナノチップは、電解質媒体を含み、1以上のナノポアを含む膜により分離されている、少なくとも第1および第2の反応チャンバーを含み、各反応チャンバーは、膜の反対側に配置された少なくとも1対の電極を含み、電極は、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz〜1GHz、例えば50〜200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにもたらすことができる容量回路に作動可能に連結されており、例えば、脈流直流電流は、荷電ポリマーをナノポアを通して引き出すことができ、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を読み取ることができる。   For example, in one embodiment, the present invention provides a charged polymer comprising at least two separate monomers, such as a nanotip as described in any of the above nanotips 1 for sequencing of a DNA, such as a nanotip Comprises at least a first and a second reaction chamber comprising an electrolyte medium and separated by a membrane comprising one or more nanopores, each reaction chamber comprising at least one pair of electrodes arranged on opposite sides of the membrane The electrode is operatively coupled to a capacitive circuit capable of providing radio frequency pulsed direct current to the nanopore at a frequency of eg 1 MHz to 1 GHz, eg 50 to 200 MHz, eg about 100 MHz, eg Pulsed direct current can draw the charged polymer through the nanopore, and the charged polymer is It can be read monomer sequence by measuring the capacity variations of the nanopore when passing through.

他の実施態様では、本発明は、少なくとも2つの異なる種類のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNA分子のモノマー配列を読み取る方法を提供し、その方法は、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz〜1GHz、例えば50〜200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにかけ、脈流直流電流が、荷電ポリマーをナノポアを通して引き出し、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を読み取ることを含む。   In another embodiment, the invention provides a method of reading a charged polymer comprising at least two different types of monomers, such as a monomer sequence of a DNA molecule, the method comprising: pulsating direct current of radio frequency, for example 1 MHz Monomer alignment by applying nanopores at a frequency of ̃1 GHz, eg 50-200 MHz, eg about 100 MHz, and pulsating direct current draws the charged polymer through the nanopore and measures the volumetric variation of the nanopore as the charged polymer passes through the nanopore Including reading.

他の実施態様では、本発明は、情報を保存するための方法における上記DNA1の使用を提供する。   In another embodiment, the present invention provides the use of DNA1 as described above in a method for storing information.

他の実施態様では、本発明は、情報を保存するための方法における一本鎖DNAの使用を提供し、この方法では、例えば、配列は実質的に自己ハイブリダイズしない。   In another embodiment, the present invention provides the use of single stranded DNA in a method for storing information, in which, for example, the sequences do not substantially self-hybridize.

他の実施態様では、本発明は、データ保存方法およびデバイスを提供し、これは、例えば、上記方法1および/または2のいずれかに従って、少なくとも2つの異なる種類のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAを作製するために、ナノチップ、例えば、上記ナノチップ1のいずれかを使用し、モノマーまたはオリゴマーがバイナリコードに対応する順番で配列される。   In another embodiment, the present invention provides a data storage method and device, which is, for example, a charged polymer comprising at least two different types of monomers, eg DNA, according to any of the above methods 1 and / or 2. Using the nanotips, eg, any of the above nanotips 1, the monomers or oligomers are arranged in the order corresponding to the binary code.

例えば、ある実施態様では、かくして合成されたポリマーを含むナノチップは、ナノチップを活性化することができ、ポリマーをナノチップに通過させることによりポリマーの配列をいつでも検出できるので、データ保存デバイスを提供する。他の実施態様では、ポリマーはナノチップから取り出され、または、増幅され、増幅されたポリマーがナノチップから取り出され、必要なときまで保存され、常套のシークエンサー、例えば、常套のナノポア配列決定デバイスにより、読み取られる。   For example, in one embodiment, a nanotip comprising a polymer thus synthesized can activate the nanotip and provide a data storage device because the alignment of the polymer can be detected at any time by passing the polymer through the nanotip. In another embodiment, the polymer is removed from the nanotip or the amplified, amplified polymer is removed from the nanotip and stored until needed, read by a conventional sequencer, eg, a conventional nanopore sequencing device. Be

他の実施態様では、本発明は、例えば上記方法1または上記方法2のいずれかに従って上記のDNA1を合成することを含む、情報の保存方法を提供する。   In another embodiment, the present invention provides a method of preserving information, comprising synthesizing DNA1 above, eg according to either Method 1 or Method 2 above.

他の実施態様では、本発明は、本明細書に記載の通りに、ナノポアシークエンサーを使用して、例えば上記ナノチップ1を使用して、例えば上記DNA1にコードされているバイナリコードを読み取る方法を提供する。   In another embodiment, the present invention provides a method of reading a binary code, eg, encoded by DNA 1 above, using a nanopore sequencer, eg, using the above nanochip 1, as described herein. Do.

荷電ポリマーを分解する酵素、例えば、DNAを加水分解するデオキシリボヌクレアーゼ(DNase)を使用して、ナノチップが消去される、上述のいずれかの方法。   Any of the above methods wherein the nanotip is eliminated using an enzyme that degrades the charged polymer, for example, a deoxyribonuclease (DNase) that hydrolyzes DNA.

実施例
実施例1−ナノポアに隣接するDNAの一方の末端の固定、および、電流によるDNAの前進および後退の制御
DNAが、関連するタンパク質がチャンバー間を移動しない条件下で、ナノポアで分離された2つのチャンバーの間を電流により行き来することを立証するために、実験手順を開発した。
EXAMPLES Example 1 Immobilization of One End of DNA Adjacent to Nanopore and Control of Advancement and Retraction of DNA by Current DNA was separated by nanopore under the condition that the related proteins did not move between chambers. An experimental procedure was developed to verify that current flowed back and forth between the two chambers.

2つのチャンバーを含むナノチップを窒化ケイ素から作製した。<4nm(dsDNAまたはssDNA)および2nm(ssDNAのみ)のナノポアを、Briggs K, et al. Automated fabrication of 2-nm solid-state nanopores for nucleic acid analysis, Small (2014)10(10):2077-86 に記載の通りに調製した。2つのチャンバーを「遠い」チャンバーおよび「近い」チャンバーと称し、遠いチャンバーは、DNAの3’末端が結合しているチャンバーである。   A nanotip comprising two chambers was made of silicon nitride. The nanopores of <4 nm (dsDNA or ssDNA) and 2 nm (ssDNA only) can be obtained by Briggs K, et al. Automated fabrication of 2-nm solid-state nanopores for nucleic acid analysis, Small (2014) 10 (10): 2077-86 Prepared as described in The two chambers are referred to as the "far" chamber and the "close" chamber, where the far chamber is the chamber to which the 3 'end of the DNA is attached.

ssDNA(2nmポア)およびssDNA+dsDNA(4nmポア)はナノポアを通過するが、タンパク質はしないことが示される。ナノポアの通過は、電流の混乱により検出される。   It is shown that ssDNA (2 nm pore) and ssDNA + ds DNA (4 nm pore) pass through the nanopore but not the protein. The passage of the nanopore is detected by the disruption of the current.

ポア表面へのDNAの結合:5’アミノ修飾DNAを、カルボジイミドに媒介される結合により、カルボキシ被覆されたポリスチレンビーズ(Fluoresbrite(登録商標)BB Carboxylate Microspheres 0.05μm、Polysciences, Inc.)に結合させる。DNAの3’をビオチンで標識する。DNAは、予め特定した長さのものである。 Binding of the DNA to the pore surface: 5 'amino-modified DNA, by binding mediated carbodiimide, carboxy coated polystyrene beads (Fluoresbrite (TM) BB Carboxylate Microspheres 0.05μm, Polysciences, Inc.) is attached to. Label the 3 'of the DNA with biotin. The DNA is of a prespecified length.

ストレプトアビジン結合: Arafat, A. Covalent Biofunctionalization of Silicon Nitride Surfaces. Langmuir (2007) 23 (11): 6233-6244 に記載の通り、結合は、窒化ケイ素ナノポアコンジュゲートストレプトアビジンの「遠い」側で、その表面に対して行った。 Streptavidin binding: As described in Arafat, A. Covalent Biofunctionalization of Silicon Nitride Surfaces. Langmuir (2007) 23 (11): 6233-6244, the binding is on the "far" side of the silicon nitride nanopore conjugate streptavidin. It went to the surface.

ナノポアに近いDNAの固定:バッファー中のDNA結合ポリスチレンビーズを、「近い」チャンバーに添加し、バッファーを「遠い」チャンバーに添加する(標準バッファー:10mM Tris pH8、1mM EDTA、150mM KCl)。電流の混乱が観察されるまで電圧(約100mV)をかける(Axon Nanopatch200B パッチクランプ増幅器を使用)。50nmのビーズはナノポアを通過できず、よって、DNA鎖が通り過ぎ、ビーズがナノポアの末端に押しつけられるときに、電流が大きく乱れる。DNAが、ビオチンの結合により、遠い側に固定されたストレプトアビジンに不可逆的に結合するまで、電流を1〜2分間維持する。DNAが固定されたことを確認するために、電流を逆にする。DNAがポアの中または外にあれば、異なる電流が観察される。DNAが固定されていないことがわかったら、この過程を繰り返す。 Immobilization of DNA close to the nanopore: DNA bound polystyrene beads in buffer are added to the "close" chamber and buffer is added to the "far" chamber (standard buffer: 10 mM Tris pH 8, 1 mM EDTA, 150 mM KCl). Apply voltage (about 100 mV) until current disruption is observed (using Axon Nanopatch 200B patch clamp amplifier). The 50 nm beads can not pass through the nanopore, thus the current is greatly disturbed when the DNA strand passes and the beads are pressed against the end of the nanopore. The current is maintained for 1 to 2 minutes until the DNA irreversibly binds to streptavidin immobilized on the far side by binding of biotin. The current is reversed to confirm that the DNA has been fixed. If the DNA is in or out of the pore, different currents are observed. If you find that the DNA is not immobilized, repeat this process.

エンドヌクレアーゼによるビーズの解放:制限酵素バッファー中の制限酵素を、DNAが結合しているチャンバーに添加する。ある実施態様では、DNAは一本鎖であり、一本鎖DNAを切断する酵素により切断できる制限部位を含む。例えば、Nishigaki, K., Type II restriction endonucleases cleave single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13(16): 5747-5760 を参照されたい。代替的な実施態様では、相補的オリゴヌクレオチドをDNAが結合しているチャンバーに添加し、30分間ハイブリダイズさせ、dsDNAを創出し、次いで、制限酵素を添加する。ビーズが解放されたら、それを洗い流す。電流を前後に切り換え、DNAがポアを通って出入りすることを確認する。 Release of beads by endonuclease: Restriction enzyme in restriction enzyme buffer is added to the chamber in which the DNA is bound. In one embodiment, the DNA is single stranded and contains a restriction site that can be cleaved by an enzyme that cleaves single stranded DNA. See, for example, Nishigaki, K., Type II restriction endonuclease cleavage single-stranded DNAs in general. Nucleic Acids Res. (1985) 13 (16): 5747-5760. In an alternative embodiment, complementary oligonucleotides are added to the DNA-bound chamber, hybridized for 30 minutes to create dsDNA, and then restriction enzymes are added. When the beads are released, wash them out. Switch the current back and forth to make sure that the DNA comes in and out of the pore.

前進および後退の制御を立証する:標準バッファーを使用して、シグナルの混乱が観察されるまで、電流を前向きにかけ、DNAが通過した後、「通常」に戻す。シグナルの混乱が観察されるまで、逆の電流をかける。DNAがポアに留まると、シグナルは通常に戻らないことが観察される。前向きおよび逆向きの電流をかけることを数サイクル繰り返し、DNAがナノポアを通って前進および後退することを確認する。 Demonstrate control of forward and reverse: Using a standard buffer, the current is forward-looking until signal disruption is observed and returned to "normal" after DNA passes. Reverse current is applied until signal disruption is observed. When the DNA remains in the pore, it is observed that the signal does not return to normal. Repeat forward and reverse current application for several cycles to confirm that the DNA is advancing and retreating through the nanopore.

実施例1a:二酸化ケイ素チップにおいてナノポアに隣接してDNAを固定する
ナノチップ内壁を二酸化ケイ素で作製する。両側をシラン処理するが、オリゴヌクレオチドをチップ壁の片側だけに結合させ、次いで、ナノポアを創出する。
Example 1a: The inner wall of the nanotip for immobilizing DNA adjacent to the nanopore in a silicon dioxide tip is made of silicon dioxide. Silanize both sides, but attach the oligonucleotides to only one side of the chip wall and then create nanopores.

シラン処理:チップ壁の表面を30℃でピラニア溶液(様々な銘柄を購入でき、一般的に、硫酸(HSO)と過酸化水素(H)の混合物を含み、表面から有機残渣を除去する)で処理し、再蒸留水で洗浄する。50%メタノール(MeOH)、47.5%APTES、2.5%ナノピュアH2Oで(3−アミノプロピル)トリエトキシシラン(APTES)の原液を調製し、>1時間、4℃で熟成させた。APTES原液を、次いで、MeOHで1:500に希釈し、室温でチップ壁に適用し、インキュベートする。次いで、チップ壁をMeOHですすぎ、110℃で30分間乾燥させる。 Silane treatment: The surface of the chip wall can be purchased at 30 ° C with piranha solution (various grades can be purchased, generally containing a mixture of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), organic from the surface Remove the residue) and wash with redistilled water. Stock solutions of (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES) in 50% methanol (MeOH), 47.5% APTES, 2.5% nanopure H 2 O were prepared and aged at 4 ° C. for> 1 hour. The APTES stock solution is then diluted 1: 500 in MeOH, applied to the chip wall at room temperature and incubated. The chip wall is then rinsed with MeOH and dried at 110 ° C. for 30 minutes.

結合:次いで、チップ壁を、ジメチルスルホキシド(DMSO)中の1,4−フェニレンジイソチオシアナート(PDC)の0.5%w/v溶液中、5時間室温でインキュベートする。DMSOで2回軽く洗浄し、再蒸留水で2回軽く洗浄する。次いで、チップ壁を、再蒸留水(pH8)中で100nMアミン修飾一本鎖DNAオリゴマー(約50mers)と終夜37℃でインキュベートする。次いで、チップ壁を28%アンモニア溶液で2回洗浄し、未反応の物質を不活性化し、再蒸留水で2回洗浄する。次いで、1以上のナノポアを壁に創出する。 Binding: The chip walls are then incubated for 5 hours at room temperature in a 0.5% w / v solution of 1,4-phenylenediisothiocyanate (PDC) in dimethylsulfoxide (DMSO). Gently wash twice with DMSO and wash twice with redistilled water. The chip wall is then incubated overnight at 37 ° C. with 100 nM amine modified single stranded DNA oligomer (about 50 mers) in double distilled water (pH 8). The chip wall is then washed twice with 28% ammonia solution to inactivate unreacted material and washed twice with redistilled water. One or more nanopores are then created in the wall.

ナノチップの作製が完了したら、内壁を約50bp長のDNAオリゴマーで被覆する。これは、ssDNAを比較的嵩高い構造(例えば、ナノポアを通過できないほど大きな直径を有するビーズ、タンパク質、またはDNAオリガミ構造)に結合させ(ここで、表面に結合したDNAに相補的な配列は、嵩高い構造から離れている)、電流を使用して荷電ポリマーをナノポアを通して引き出し、ssDNAを、ナノポアに隣接する相補的な表面に結合したDNAオリゴマーと結合させ、嵩高い構造を切り離すことにより、表面に結合したDNAに相補的な末端配列を有する一本鎖DNAをナノポアに配置することを可能にする。 Once the nanotips are complete, the inner wall is coated with DNA oligomers approximately 50 bp in length. This allows ssDNA to be bound to relatively bulky structures (eg, beads, proteins or DNA origami structures with a diameter large enough to not pass through the nanopore), where the sequence complementary to the surface bound DNA is Surface) by pulling a charged polymer through the nanopore using an electrical current (apart from the bulky structure), binding ssDNA to DNA oligomers bound to the complementary surface adjacent to the nanopore, and breaking up the bulky structure It enables to arrange single stranded DNA having a terminal sequence complementary to the DNA bound to the nanopore.

実施例2:DNA合成−単一のヌクレオチドの付加
適当な電流をかけ、DNAの動きを検出することにより、DNAを「保存」チャンバーに動かす。
Example 2: DNA synthesis-addition of single nucleotides DNA is moved into the "storage" chamber by applying a suitable current and detecting DNA movement.

適当なバッファー(50mM酢酸カリウム、20mM Tris−アセテート、10mM酢酸マグネシウム、pH7.9@25℃)中の末端トランスフェラーゼ酵素(TdT, New England Biolabs)、および、可逆的にブロック化されたdATP*を、「付加」チャンバーに添加する。また、バッファーを「保存」チャンバーに添加する。 The terminal transferase enzyme (TdT, New England Biolabs) and the reversibly blocked dATP * in an appropriate buffer (50 mM potassium acetate, 20 mM Tris-acetate, 10 mM magnesium acetate, pH 7.9 @ 25 ° C), Add to the "Add" chamber. Also add buffer to the "storage" chamber.

3’−OHに可逆的なブロック化を有するdNTPを使用して、ヌクレオチドをDNAに付加する。DNA鎖に付加されると、次のdNTPは、ブロック化されたdNTPが脱ブロック化されるまで、付加できない。   Nucleotides are added to DNA using dNTPs with reversible blocking at the 3'-OH. Once added to the DNA strand, the next dNTP can not be added until the blocked dNTP is deblocked.

脱ブロック化は、化学的または酵素的であり得る。様々なアプローチが利用される:
a.3’O−アリル:アリルは、Ju J, Four-color DNA sequencing by synthesis using cleavable fluorescent nucleotide reversible terminators. Proc Natl Acad Sci U S A. (2006);103(52):19635-40 に記載の通り、水性緩衝液中でPdに触媒される脱アリル化により;または、Shankaraiah G., et al., Rapid and selective deallylation of allyl ethers and esters using iodine in polyethylene-400. Green Chem. (2011)13: 2354-2358 に記載の通り、ポリエチレングリコール−400中のヨウ素(10mol%)を使用することにより、除去される。
Deblocking can be chemical or enzymatic. Various approaches are used:
a. 3 'O-allyl: allyl, as described in Ju J, Four-color DNA sequencing by synthesis using cleavable fluorescent nucleotides reversible terminators. Proc Natl Acad Sci US A. (2006); 103 (52): 19635-40, By Pd-catalyzed deallylation in aqueous buffer; or Shankaraiah G., et al., Rapid and selective deprotection of allyl ethers and esters using iodine in polyethylene-400. Green Chem. (2011) 13: 2354 It is removed by using iodine (10 mol%) in polyethylene glycol-400 as described in -2358.

b.3’O−NH2:US8034923に記載の通り、アミンは、緩衝化されたNaNO中で除去される。 b. 3'O-NH2: US8034923 as described, the amine is removed in NaNO 2 which is buffered.

c.3’−リン酸。リン酸は、エンドヌクレアーゼIV(New England Biolabs)で加水分解される。エンドヌクレアーゼIVにより除去できる他の可能な3’修飾には、ホスホグリコアルデヒドおよびデオキシリボース−5−リン酸が含まれる。 c. 3'-phosphate. Phosphoric acid is hydrolyzed with endonuclease IV (New England Biolabs). Other possible 3 'modifications that can be removed by endonuclease IV include phosphoglycoaldehyde and deoxyribose-5-phosphate.

d.3’−O−Ac:酢酸は、Ud-Dean, A theoretical model for template-free synthesis of long DNA sequence. Syst Synth Biol (2008) 2:67-73 に記載の通り、酵素的加水分解により除去される。 d. 3'-O-Ac: Acetic acid is removed by enzymatic hydrolysis as described in Ud-Dean, A theoretical model for template-free synthesis of long DNA sequence. Syst Synth Biol (2008) 2: 67-73 Ru.

次いで、適当な電流をかけ、DNAの動きを検出することにより、DNAを「遠い」チャンバーに動かす。バッファーを交換し、上記a〜dに記載の通りに脱ブロック化バッファー/液を加えることにより、DNAを脱保護する。
所望によりプロセスを繰り返し、目的の配列を作製する。
The DNA is then moved into the "far" chamber by applying an appropriate current and detecting the movement of the DNA. The buffer is exchanged and the DNA is deprotected by adding deblocking buffer / liquid as described in ad above.
Repeat the process as desired to create the desired sequence.

実施例3:DNA合成:オリゴヌクレオチド塊の付加
二本鎖DNAの3’末端を、4nmの開口部を有するナノポアに隣接して結合させる。DNAの5’末端は、(5’から3’に読んで)CGのオーバーハングを有する。
Example 3 DNA Synthesis: Addition of Oligonucleotide Bulk The 3 'end of double stranded DNA is attached adjacent to a nanopore with an opening of 4 nm. The 5 'end of the DNA has a CG overhang (read 5' to 3 ').

以下の通りにオリゴカセットAおよびBを作製する:

Figure 2019512480
Make oligo cassettes A and B as follows:
Figure 2019512480

コードAおよびコードBは、各々、情報配列を表す。Nは、任意のヌクレオチドを表す。5’配列はトポイソメラーゼ認識部位を含み、3’配列はAcc1制限部位を含む。オリゴをトポイソメラーゼに曝すと、トポイソメラーゼは3’チミジンに結合する:

Figure 2019512480
The code A and the code B each represent an information sequence. N represents any nucleotide. The 5 'sequence contains the topoisomerase recognition site and the 3' sequence contains the Acc1 restriction site. When the oligo is exposed to topoisomerase, the topoisomerase binds to the 3 'thymidine:
Figure 2019512480

適当な電流をかけることにより、DNAを「近い」チャンバーに動かし、DNAの動きを検出する。トポイソメラーゼを装填された「コードA」オリゴを、「付加」チャンバーに提供する。適当な電流をかけることにより、DNAを付加チャンバーに動かし、DNAの動きを検出し、その際にコードAオリゴがDNAに結合する。Acc1を「保存」チャンバーに添加し、そこでそれは制限部位を切断し、トポイソメラーゼ連結部位をもたらす。   By applying an appropriate current, the DNA is moved into the "close" chamber to detect DNA movement. The "code A" oligo loaded with topoisomerase is provided to the "addition" chamber. By applying an appropriate current, the DNA is moved to the addition chamber to detect DNA movement, at which time the Code A oligo binds to the DNA. Acc1 is added to the "storage" chamber, where it cleaves a restriction site, resulting in a topoisomerase ligation site.

所望の配列に到達するまでこのプロセスを繰り返し、他の「コードA」または「コードB」を付加する。「保存」チャンバーに新しいAcc1を継続的に添加する必要はないことに留意されたい;コードAまたはコードBから切り換えるときに、「付加」チャンバー中のコードAまたはコードBオリゴを洗い流すだけでよい。   Repeat this process until the desired sequence is reached, adding another "code A" or "code B". It should be noted that it is not necessary to continuously add fresh Acc1 to the "storage" chamber; when switching from code A or code B, only the code A or code B oligos in the "addition" chamber need to be washed away.

ssDNAのみを通過させるポアで配列決定するために、上記のプロトコールにいくつかの変更が必要である。ssDNAのみが通過する小さいポア(2nm)にdsDNAが遭遇すると、相補鎖が「脱落する」ことが既に知られている。従って、この合成を2nmのポアで行うのなら、正しいdsDNAが他方の側で確実に再形成できるようにしなければならない。このために、「CGAAGGG<コードAまたはB>GTCGACNNNNN」を、近いチャンバーに(制限部位が創成されるように)、「CGAAGGG<コードAまたはB>GT」を遠いチャンバーに(トポ適合部位が生成されるように)加え得る。   Several modifications of the above protocol are required to sequence at the pore that passes only ssDNA. It is already known that the complementary strand "falls off" when dsDNA encounters a small pore (2 nm) through which only ssDNA passes. Thus, if this synthesis is to be done in a 2 nm pore, one must ensure that the correct dsDNA can be remodeled on the other side. For this purpose, "CGAAGGG <code A or B> GTCGACNNNNN" in the near chamber (as a restriction site is created), "CGAAGGG <code A or B> GT" in the far chamber (topo compatible site is generated Can be added).

上述の方法を詳しく述べると、DNAにコードされた情報を、≧2の連続的付加(データの2ビットを表す)で、伸長しているDNA鎖に連続的に「付加」し、その各々が「付加」および「脱保護」の工程を含むことを立証する。コンセプトの最適化および検証のための初期の実験は、マイクロチューブで実施する。   Describing the above method in detail, DNA encoded information is "added" sequentially to the growing DNA strand with .gtoreq.2 consecutive additions (representing 2 bits of data), each of which It is proved to include the steps of "addition" and "deprotection". Initial experiments for concept optimization and verification are performed on microtubes.

この実施例に記載のアプローチでは、情報の1ビットは、一連のヌクレオチド中にコードされる。「付加」されるDNAのビットは、ワクシニアトポイソメラーゼI(トポ)に結合した短いdsDNA配列である。適当な「脱保護」「アクセプター」DNAの存在下で、トポ装填されたDNAの「ビット」は、トポイソメラーゼによりアクセプターに酵素的かつ共有結合的に連結(「付加」)され、このプロセスのトポイソメラーゼは、その後DNAから除去される。次いで、制限酵素は、付加されたビットを切断してそれを「脱保護」し、次のビットを付加するための適当な「アクセプター」配列を創成する。   In the approach described in this example, one bit of information is encoded in a series of nucleotides. The bits of DNA to be "added" are short ds DNA sequences linked to vaccinia topoisomerase I (topo). In the presence of a suitable "deprotected" "acceptor" DNA, the "bit" of topo-loaded DNA is enzymatically and covalently linked ("addition") to the acceptor by topoisomerase and the topoisomerase of this process is , Then removed from the DNA. The restriction enzyme then cleaves the added bit and "deprotects" it, creating a suitable "acceptor" sequence for adding the next bit.

トポ装填:一般的な装填スキームは以下の通りであり、図22および下記に図解され、ここで、Nは任意のヌクレオチド、A、T、GおよびCは、各々アデニン、チミン、グアニンおよびシトシン塩基を有するヌクレオチドを表す。相互の上にあるNは、相補的である。この実施例は制限酵素HpyCH4IIIを使用するが、基本的戦略は、例えば実施例4で立証する通り、他の制限酵素でも成立する。

Figure 2019512480
Figure 2019512480
Topo loading: The general loading scheme is as follows, illustrated in Figure 22 and below, where N is any nucleotide, A, T, G and C are adenine, thymine, guanine and cytosine bases respectively Represents a nucleotide having The N's on top of each other are complementary. Although this example uses the restriction enzyme HpyCH4III, the basic strategy also holds for other restriction enzymes, for example as demonstrated in Example 4.
Figure 2019512480
Figure 2019512480

以下のオリゴヌクレオチドを、Integrated DNA Technologies (IDT)に発注する。一部のオリゴヌクレオチドの末端の「b」は、ビオチンを示す):
BAB: CGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTGTCCGTGTCGCCCTTATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACG
B1: b-CACGTACTCGCAATGCTGTATGATCTCTTAAGTAGATA
B2: ATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACG
TA1: b-CACACTCATGCCGCTGTAGTCACTATCGGAAT
TA2: AGGGCGACACGGACAGTTTGAATCATACCG
TA3b: AACTTAGTATGACGGTATGATTCAAACTGTCCGTGTCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
TB1: b-CACACTCATGCCGCTGTAGTCACTATCGGAAT
TB2: AGGGCGCAGCAAACAGTGCCTAGACTATCG
TB3b: AACTTAGTATGACGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
FP1: CACGTACTCGCAATGCT
FP2: CGGTATGATTCAAACTGTCCG
FP3: GCCCTTGTCCGTGTC
オリゴヌクレオチドをTEバッファー中に100uMに溶解し、−20Cで保存する。
The following oligonucleotides are ordered from Integrated DNA Technologies (IDT): The terminal "b" of some oligonucleotides represents biotin):
BAB: CGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTGTCCGTGTCGCCCTTATCTACTTA ACTAGAGATCATACAGCATTGCGAGTACG
B1: b-CACGTACTCGCAATGCTGTATGATCTCTTAAGTAGATA
B2: ATCTACTTAAGAGATCATACAGCATTGCGAGTAC
TA1: b-CACACTCATGCCGCTTGTAGTCACTATCGGAAT
TA2: AGGGCGACACGGACAGTTTGAATCATACCG
TA3b: AACTTAGTATGACGGTATGATTCAAACTGTCCGTGTCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
TB1: b-CACACTCATGCCGCTGTAGTCACTATCGGAAT
TB2: AGGGCGCAGCAACAGTGCCTAGACTATCG
TB3b: AACTTAGTATGACGATAGTCTAGGCACTGTTTGCTGCGCCCTTATTCCGATAGTGACTACAGCGGCATGAG
FP1: CACGTACTCGCAATGCT
FP2: CGGTATGATTCAAACTGTCCG
FP3: GCCCTTGTCCGTGTC
The oligonucleotides are dissolved in TE buffer at 100 uM and stored at -20C.

後述の通りにオリゴヌクレオチドを混合し、95℃に5分間加熱し、次いで、温度を3分間に5℃の速度で20℃に達するまで下げることにより、ハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドを作製する。ハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドを4℃または−20℃で保存する。オリゴヌクレオチドの組合せは以下の通りである:

B1/2
48 uL B1
48 uL B2
4 uL 5M NaCl

A5
20 uL TA1
20 uL TA2
5 uL TA3b
4 uL 5M NaCl
51 uL TE

B5
20 uL TB1
20 uL TB2
5 uL TB3b
4 uL 5M NaCl
51 uL TE
The hybridized oligonucleotides are made by mixing the oligonucleotides as described below, heating to 95 ° C. for 5 minutes, and then lowering the temperature at a rate of 5 ° C. for 3 minutes to reach 20 ° C. The hybridized oligonucleotides are stored at 4 ° C or -20 ° C. The oligonucleotide combinations are as follows:

B1 / 2
48 uL B1
48 uL B2
4 uL 5 M NaCl

A5
20 uL TA1
20 uL TA2
5 uL TA3b
4 uL 5 M NaCl
51 uL TE

B5
20 uL TB1
20 uL TB2
5 uL TB3b
4 uL 5 M NaCl
51 uL TE

以下のバッファーおよび酵素をこの実施例で使用する:
TE:10M Tris pH8.0、1mM EDTA、pH8.0
WB:1M NaCl、10mM Tris pH8.0、1mM EDTA pH8.0
1xTopo:20mM Tris pH7.5、100mM NaCl、2mM DTT、5mM MgCl
1xRE:50mM K−酢酸、20mM Tris−酢酸、10mM Mg−酢酸、100ug/ml BSA pH7.9@25C
ワクシニアDNAトポイソメラーゼI(トポ)は、Monserate Biotech (10,000 U/mL)から購入する
HypCH4IIIは、NEBから購入する
ストレプトアビジン被覆磁気ビーズ(s-MagBeads)は、ThermoFisher から購入する。
The following buffers and enzymes are used in this example:
TE: 10 M Tris pH 8.0, 1 mM EDTA, pH 8.0
WB: 1 M NaCl, 10 mM Tris pH 8.0, 1 mM EDTA pH 8.0
1 × Topo: 20 mM Tris pH 7.5, 100 mM NaCl, 2 mM DTT, 5 mM MgCl 2
1 x RE: 50 mM K-acetic acid, 20 mM Tris-acetic acid, 10 mM Mg-acetic acid, 100 ug / ml BSA pH 7.9 @ 25 C
Vaccinia DNA topoisomerase I (Topo) is purchased from Monserate Biotech (10,000 U / mL) HypCH4III is purchased from NEB Streptavidin coated magnetic beads (s-MagBeads) are purchased from ThermoFisher.

アクセプターを、次の通りに調製する:5uLのs-magbeads を200uLのWBで1回洗浄する(結合時間1分間)。5uLのB1/2+195uLのWBをビーズに添加し、15分間室温でインキュベートし、次いで、200uLのWBで1回洗浄し、次いで、200uLの1xTopoで1回洗浄し、150uLの1xTopoに再懸濁する。   The acceptor is prepared as follows: 5 uL of s-magbeads are washed once with 200 uL of WB (binding time 1 min). Add 5 uL of B1 / 2 + 195 uL to the beads, incubate for 15 minutes at room temperature, then wash once with 200 uL of WB, then wash once with 200 uL of 1xTopo and resuspend in 150 uL of 1xTopo .

トポ装填されたA5(図20参照)を、以下の通りに調製する:4uLの10xトポバッファー+23uLの水+8uLのA5+5uLのトポを、37℃で30分間インキュベートし、5uLのs-magbeads(200uLのWBで1x洗浄、200uLの1xトポで1x洗浄、150uLの1xトポに再懸濁)に添加し、室温で15分間結合させる。   Topo-loaded A5 (see FIG. 20) is prepared as follows: 4 uL of 10 × topo buffer + 23 uL of water + 8 uL of A5 + 5 uL of topo are incubated for 30 minutes at 37 ° C., 5 uL of s-magbeads (200 uL of Add 1x wash with WB, 1x wash with 200 uL 1x topo, resuspend in 150 uL 1x topo) and allow to bind for 15 minutes at room temperature.

装填A5をアクセプターに「付加」する:s-magbeads を、トポ装填A5から除去し、アクセプターに添加し、37℃で60分間インキュベートする。アリコートを取り出し、TE中に1/200で希釈し、−20Cで保存する。   Load A5 "Attach" to the acceptor: Remove the s-magbeads from the topo load A5, add to the acceptor and incubate at 37 ° C for 60 minutes. An aliquot is removed, diluted 1/200 in TE and stored at -20C.

脱保護:物質を200uLのWBで1回洗浄し、200uLの1xREで1回洗浄し、15uLの10xREおよび120uLの水に再懸濁する。15uLのHypCH4IIIを添加する。混合物を37℃で60分間インキュベートし、次いで200uLのWBで1回洗浄し、200uLの1xトポで1回洗浄し、「アクセプター−A5」と称する生成物を産生する。 Deprotection: The material is washed once with 200 uL of WB, once with 200 uL of 1 × RE, and resuspended in 15 uL of 10 × RE and 120 uL of water. Add 15 uL of HypCH4III. The mixture is incubated for 60 minutes at 37 ° C., then washed once with 200 uL of WB and once with 200 uL of 1 × topo to produce a product called “Acceptor-A5”.

トポ装填B5(図21参照)を、次の通りに調製する:4uLの10xトポバッファー、23uLの水および8uLのB5+5uLトポを合わせ、37℃で30分間インキュベートする。生成物を5uLのs-magbeads(200uLのWBで1x洗浄、200uLのトポで1x洗浄、150uLの1xトポに再懸濁)に添加し、室温で15分間結合させる。   Topo loading B5 (see FIG. 21) is prepared as follows: 4 uL of 10 × topo buffer, 23 uL of water and 8 uL of B5 + 5 uL topo are combined and incubated at 37 ° C. for 30 minutes. The product is added to 5 uL s-magbeads (1x wash with 200 uL WB, 1x wash with 200 uL topo, resuspended in 150 uL 1x topo) and allowed to bind at room temperature for 15 minutes.

装填されたB5をアクセプター−A5に「付加」する:s-magbeads をトポ装填B5から除去し、アクセプター−A5に添加し、37℃で60分間インキュベートする。アリコートを取り出し、TE中に1/200で希釈し、−20℃で保存する。   Loaded B5 is "added" to acceptor-A5: s-magbeads are removed from topo-loaded B5, added to acceptor-A5 and incubated for 60 minutes at 37 ° C. Remove aliquots, dilute 1/200 in TE and store at -20 ° C.

脱保護:物質を200uLのWBで1回洗浄し、200uLの1xREで1回洗浄し、15uLの10xREおよび120uLの水に再懸濁する。15uLのHypCH4IIIを添加し、混合物を37℃で60分間インキュベートする。 Deprotection: The material is washed once with 200 uL of WB, once with 200 uL of 1 × RE, and resuspended in 15 uL of 10 × RE and 120 uL of water. Add 15 uL of HypCH4III and incubate the mixture at 37 ° C. for 60 minutes.

上記の反応が機能したことの確認は、A5(A5が付加されたアクセプター:工程iii、図解の「A5付加」)およびB5(B5が付加されたアクセプター−A5:工程vi、図解の「B5付加」)のアリコートのPCR増幅により行った。「鋳型なし」をA5の負の対照として使用し、A5をB5の負の対照として使用し、オリゴBABをB5の正の対照として使用する。A5PCRに予想される生成物のサイズは68bpであり、B5PCRに予想される生成物のサイズは、57bpである。(予想サイズ約47bpのB1/2もゲルに流すが、オーバーハングがあり、ビオチン化されているため、これは近似値であり得る)。PCR反応(95/55/68(各1分間)の30サイクルを次の通りに実施する:

Figure 2019512480
The confirmation that the above reaction worked is as follows: A5 (Acceptor to which A5 was added: step iii, “A5 addition” illustrated) and B5 (Acceptor to which B5 was added-A5: step vi, “B5 addition to illustration ') By PCR amplification of aliquots. "No template" is used as a negative control for A5, A5 is used as a negative control for B5, and oligo BAB is used as a positive control for B5. The size of the product expected for A5 PCR is 68 bp and the size of the product expected for B5 PCR is 57 bp. (Although a B1 / 2 of about 47 bp expected size is also run on the gel, this may be an approximation since it has overhangs and is biotinylated). Thirty cycles of PCR reaction (95/55/68 (1 minute each) are performed as follows:
Figure 2019512480

4−20%Tris−グリシンゲルを用いるSDS−PAGEを使用して、予想されるサイズのオリゴヌクレオチドが産生されることを確認する。装填は上記の通りに実施するが、装填(37℃のインキュベーション工程)の直後に、ローディングバッファーを混合し、サンプルを70℃に2分間加熱し、ゲルに流す前に冷ます。ゲルをクーマシーで染色する。負の対照として、トポの代わりに水を反応に添加する。図30は結果を示し、A5PCRおよびB5PCRに予想される生成物サイズに対応するバンドを明確に示している。   SDS-PAGE using 4-20% Tris-glycine gel is used to confirm that oligonucleotides of the expected size are produced. Loading is carried out as described above, but immediately after loading (incubation step of 37 ° C.), mix the loading buffer, heat the sample to 70 ° C. for 2 minutes and allow to cool before pouring on the gel. Stain with coomassie gel. Water is added to the reaction instead of topo as a negative control. FIG. 30 shows the results, clearly showing the bands corresponding to the expected product size for A5 PCR and B5 PCR.

かくして、トポイソメラーゼ装填DNAカセットを介するDNAビットの付加および制限酵素により実行される脱保護は、実施可能であることが示される。これらのコンセプトの検証実験において、DNAはストレプトアビジン結合磁気ビーズにより固定され、異なる反応混合物に連続的に移動するが、ナノポアチップの形式では、別個の反応チャンバーを創成し、電流を使用してDNAをこれらの異なる反応チャンバーに動かす。   Thus, it is shown that addition of DNA bits via topoisomerase-loaded DNA cassettes and deprotection performed by restriction enzymes is feasible. In these proof-of-concept experiments, DNA is immobilized by streptavidin-coupled magnetic beads and moves sequentially to different reaction mixtures, but in the form of nanopore chip, creating a separate reaction chamber and using DNA to generate DNA In these different reaction chambers.

最終的に、情報の「ビット」に対応するDNA配列の連続的付加を実行すると、予想されるDNA配列が創成されることを、PCRにより立証する。これらの反応は設計された通りに作用し、最適化は最小限でよい。   Finally, PCR demonstrates that the sequential addition of DNA sequences corresponding to "bits" of information is performed to create the expected DNA sequence. These reactions work as designed and optimization is minimal.

実施例2および3に記載の通りに作製されたDNAを回収し、購入できるナノポアシークエンサー(Oxford Nanopore の MinION)を使用して配列決定し、所望の配列が得られることを裏付ける。   The DNA prepared as described in Examples 2 and 3 is recovered and sequenced using a commercially available nanopore sequencer (Minion of Oxford Nanopore) to verify that the desired sequence is obtained.

実施例4−DNA合成:異なる制限酵素を使用するオリゴヌクレオチド塊の付加
以下の合成は、実施例3と同様に、ただし、「ACGCGT」で切断して

Figure 2019512480
を形成する制限酵素MluIを使用して実行する。 Example 4-DNA synthesis: addition of oligonucleotide blocks using different restriction enzymes The following synthesis is carried out as in Example 3, but with "ACGCGT"
Figure 2019512480
Run using the restriction enzyme MluI to form

この実施例では、TOPOが装填され、装填されたTOPOがDNAをMluIで切断されたDNAに移動できるようにする配列相補性を有する複合体を形成する:

Figure 2019512480
In this example, TOPO is loaded to form a complex with sequence complementarity that allows loaded TOPO to transfer DNA to MluI digested DNA:
Figure 2019512480

先行する実施例と同様のプロセスにより、装填されたTOPOを使用して、相補的なアクセプター配列を有する合成されている鎖の5’末端にオリゴマーを付加し、それによりTOPOを解放し、その鎖は、MluIを用いて「脱保護」され、このサイクルはオリゴマーの所望の配列が得られるまで繰り返される。   In a process similar to the previous example, using TOPO loaded, an oligomer is added to the 5 'end of the strand being synthesized having a complementary acceptor sequence, thereby releasing TOPO, the strand Is "deprotected" using MluI and this cycle is repeated until the desired sequence of oligomers is obtained.

実施例5−トポイソメラーゼ戦略を用いる単一の塩基の付加
トポイソメラーゼのシステムを、単一の塩基を一本鎖DNA鎖に付加するように設計することもできることを見出した(「カセット」を付加することを記載する実施例3と比較)。「付加」されるDNAビットは、ワクシニアトポイソメラーゼI(トポ)に結合した短いDNA配列に含まれる。適当な一本鎖の「脱保護」「アクセプター」DNAの存在下で、トポ装填されたDNAは、トポイソメラーゼによりアクセプターに酵素的かつ共有結合的に連結され(「付加」)、それは、このプロセスにおいてDNAから除去される。IIS型制限酵素は、単一の塩基(「付加」されている塩基)以外の付加されたDNAを全て切り離せる。この脱保護−付加の過程を繰り返し、さらなる塩基(ビット)を付加する。
EXAMPLE 5 Addition of a Single Base Using a Topoisomerase Strategy It has been found that a system of topoisomerase can also be designed to add a single base to a single stranded DNA strand (adding a "cassette" (Compare with Example 3). The DNA bits to be "added" are included in the short DNA sequence linked to vaccinia topoisomerase I (topo). In the presence of a suitable single-stranded "deprotected""acceptor" DNA, topo-loaded DNA is enzymatically and covalently linked ("addition") to the acceptor by topoisomerase, which in this process is It is removed from DNA. Type IIS restriction enzymes can cleave all added DNA except for a single base (the "added" base). This deprotection-addition process is repeated to add more bases (bits).

トポ装填:一般的な装填プロトコールは、実施例3と同様であり、以下の通りである:

Figure 2019512480
Topo loading: The general loading protocol is as in Example 3 and is as follows:
Figure 2019512480

実施例3と同様に、相互の上にあるNは相補的である。Iはイノシンである。ビオチンを使用して未反応生成物および副生成物を除去する。単一の塩基の付加は、以下の通りに実行する。

Figure 2019512480
As in Example 3, the N's on top of each other are complementary. I is inosine. Biotin is used to remove unreacted products and byproducts. Addition of a single base is carried out as follows.
Figure 2019512480

脱保護は、BciVI制限酵素(部位は太字)を使用して、以下のように例示される:

Figure 2019512480
Deprotection is exemplified as follows using BciVI restriction enzyme (site bold):
Figure 2019512480

以下のオリゴヌクレオチドを商業的に合成する(B=ビオチン、P−リン酸、I=イノシン):
NAT1 CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGAT
NAT1b P-CACGTCAGGCGTATCCATCCCTTCACGTACTCGCAATGCTGTATGGCGAT-B
NAT9cI P-IIIIIAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
NAT9x P-ATCGCCATACAGCATTGCGAG
NAT9 ACGTGAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
Nat9Acc CACGTAGCAGCAAACAGTGCCTAGACTATCG
Nat1P CACGTCAGGCGTATCCATCC
FP4 CGATAGTCTAGGCACTGTTTG
オリゴヌクレオチドをTEバッファー中100μMに溶解し、−20℃で保存する。
The following oligonucleotides are commercially synthesized (B = biotin, P-phosphate, I = inosine):
NAT1 CACGTCAGGCGTATCC ATCC CTTC ACGT ACTCGCAATGCTGTATGGCGAT
NAT1b P-CACGTCAGGCGTATCC ATCC CTTC ACGT ACTCGCAATGCTGTATGGCGAT-B
NAT9cI P-IIIIIAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
NAT9x P-ATCGCCATACAGCATTGCGAG
NAT9 ACGTGAAGGGATGGATACGCCTGACGTG
Nat9Acc CACGTAGCAGCAAACAGTGCCTAGACTATCG
Nat1P CACGTCAGGCGTATCC ATCC
FP4 CGATAGTCTAGGCACTGTTTG
The oligonucleotides are dissolved in 100 μM in TE buffer and stored at -20 ° C.

ハイブリダイゼーション:記載したオリゴヌクレオチドを混合し、95℃に5分間加熱し、次いで、温度を20℃に達するまで3分間に5℃下げることにより、以下のハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドを作製する。ハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドを4℃または−20℃で保存する。
NAT1b/NAT9cI/NAT9x
8 μL NAT1B
10 μL NAT9cI
10 μL NAT9x
48 μL TE
4 μL 5M NaCl

NAT1/NAT9cI
10 μL NAT1
10 μL NAT9cI
80 uL PBS

NAT1/NAT9
10 μL NAT1
10 μL NAT9
80 uL PBS
Hybridization: Mix the described oligonucleotides, heat to 95 ° C. for 5 minutes, then lower the temperature 5 ° C. for 3 minutes to reach 20 ° C. to make the following hybridized oligonucleotides. The hybridized oligonucleotides are stored at 4 ° C or -20 ° C.
NAT1b / NAT9cI / NAT9x
8 μL NAT1B
10 μL NAT9cI
10 μL NAT9x
48 μL TE
4 μL 5 M NaCl

NAT1 / NAT9cI
10 μL NAT1
10 μL NAT9cI
80 uL PBS

NAT1 / NAT9
10 μL NAT1
10 μL NAT9
80 uL PBS

バッファーおよび酵素:以下のバッファーを使用する:
TE:10M Tris pH8.0、1mM EDTA、pH8.0
PBS:リン酸緩衝食塩液(137mM NaCl、2.7mM KCl、10mM NaHPO、1.8mM KHPO)(pH7.4)
10x Cutsmart:500mM KAc、200mM Tris−Ac、100mM Mg−Ac、1mg/mL BSA pH7.9
BciVIはNEBから購入し、ストレプトアビジン被覆磁気ビーズ (s-MagBeads) はThermoFisher から購入する。
Buffers and Enzymes: Use the following buffers:
TE: 10 M Tris pH 8.0, 1 mM EDTA, pH 8.0
PBS: phosphate buffered saline (137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na 2 HPO 4 , 1.8 mM KH 2 PO 4 ), pH 7.4
10 × Cutsmart: 500 mM KAc, 200 mM Tris-Ac, 100 mM Mg-Ac, 1 mg / mL BSA pH 7.9
BciVI is purchased from NEB and Streptavidin coated magnetic beads (s-MagBeads) are purchased from ThermoFisher.

付加反応は以下の通りに実行する。
1.トポ装填:下表の通りに試薬を合わせる:

Figure 2019512480
The addition reaction is carried out as follows.
1. Topo loading: Combine reagents as per the table below:
Figure 2019512480

次いで、試薬を37℃で30分間インキュベートする。トポバッファー中のストレプトアビジン磁気ビーズ(5uL)を使用して、室温で10分間結合させた後、副生成物を除去する。   The reagents are then incubated for 30 minutes at 37 ° C. After binding for 10 minutes at room temperature using Streptavidin magnetic beads (5 uL) in topo buffer, remove byproducts.

2.反応:下表の通りに試薬を合わせる:

Figure 2019512480
2. Reaction: Combine reagents as per the table below:
Figure 2019512480

次いで、試薬を37℃で30分間インキュベートする。付加反応は以下の通りに進行すると予想される:

Figure 2019512480
The reagents are then incubated for 30 minutes at 37 ° C. The addition reaction is expected to proceed as follows:
Figure 2019512480

アスタリスク(*)はトポイソメラーゼを表す。NAT9cIはリン酸化されているが、図解の目的では表示されていないことに留意されたい。   Asterisk (*) represents topoisomerase. Note that NAT9cI is phosphorylated but is not displayed for purposes of illustration.

装填されたトポがアクセプター配列に存在するとき、以下の反応に進む:

Figure 2019512480
When the loaded topo is present in the acceptor sequence, proceed to the following reaction:
Figure 2019512480

PCR増幅およびアガロースゲルでの生成物の分子量の測定により、予想された生成物が産生されたことを確認する。正しいサイズのバンドをレーン1(実験)に示し、負の対照にバンドを示さない、図30参照。   The expected product is confirmed to be produced by PCR amplification and measurement of the molecular weight of the product on an agarose gel. Bands of the correct size are shown in lane 1 (experimental) and do not show bands in the negative control, see FIG.

B.脱保護反応:下表の通りに試薬を合わせる:

Figure 2019512480
B. Deprotection Reaction: Combine reagents as per the table below:
Figure 2019512480

試薬を37℃で90分間インキュベートする。脱保護反応のために、購入したオリゴヌクレオチドを用いて付加反応の代表的な生成物を作製し、BciVI制限酵素による切断について試験する:

Figure 2019512480
The reagents are incubated for 90 minutes at 37 ° C. For the deprotection reaction, a representative product of the addition reaction is made using purchased oligonucleotides and tested for cleavage by BciVI restriction enzymes:
Figure 2019512480

切断部位の3’が「通常の」塩基と向かい合うイノシンの連続であることから、制限酵素が意図通りにDNAを切断するか否かはわからなかった。正の対照として、「適切な」塩基対のNAT1/NAT9cIの同等物を作製した(NAT1/NAT9c):

Figure 2019512480
Since 3 'of the cleavage site is a series of inosines facing "normal" bases, it was not known whether the restriction enzyme cleaves DNA as intended. As a positive control, the equivalent of "suitable" base pair NAT1 / NAT9cI was generated (NAT1 / NAT9c):
Figure 2019512480

生成物のPCR増幅と、それに続くアガロースゲルでの分子量の測定(図31)は、酵素が意図通りに作用することを示す。正の対照には、切断されないと大きいバンドが観察されるが(レーン1)、切断されると小さいバンドが観察される。同じパターンがNAT1/NAT9cIで観察され、イノシンの存在が切断を無効化または妨害しないことを示す。少量の未切断生成物がNAT1/NAT9cIで残っていると思われ、少なくともこれらの条件下で、切断はNAT1/NAT9cほど有効ではないことを示唆する。切断効率は、バッファー条件の変更、および/または、NAT9cIの5’末端にイノシンをもっと付加することにより改善され得る。   PCR amplification of the product followed by determination of molecular weight on an agarose gel (FIG. 31) shows that the enzyme works as intended. For the positive control, a large band is observed if uncleaved (lane 1), but a smaller band is observed if cleaved. The same pattern is observed with NAT1 / NAT9cI, indicating that the presence of inosine does not abolish or prevent cleavage. It appears that a small amount of uncleaved product remains at NAT1 / NAT9cI, suggesting that under at least these conditions cleavage is not as effective as NAT1 / NAT9c. The cleavage efficiency can be improved by changing the buffer conditions and / or adding more inosine to the 5 'end of NAT9cI.

上述の実施例は、トポ/IIS型制限酵素の組合せを使用して、単一のヌクレオチドを標的一本鎖DNAの5’末端に付加することができることを示す。配列CCCTG(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446)を認識する関連トポイソメラーゼのSVFは、類似のプロセスを用いて、「T」の代わりに「G」を付加するために使用され、かくして、TおよびGでバイナリ情報をコードする配列の構築を可能にする。   The examples above show that a single nucleotide can be added to the 5 'end of target single stranded DNA using a combination of topo / IIS restriction enzymes. The SVF of the related topoisomerase that recognizes the sequence CCCTG (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8661446) uses a similar process to add "G" instead of "T" , Thus enabling construction of sequences encoding binary information in T and G.

上記の通り、トポイソメラーゼ戦略を使用してdsDNAを生成する場合、反対側の鎖のDNAにおけるニックは、リガーゼをATPと共に使用して修復できる。しかしながら、本実施例のように単一のヌクレオチドを付加するとき、修復されるべきニックはなく、リガーゼを使う必要もないように、一本鎖DNAを構築している。   As described above, when generating dsDNA using the topoisomerase strategy, nicks in the DNA of the opposite strand can be repaired using ligase with ATP. However, when adding a single nucleotide as in this example, there is no nick to be repaired, and single-stranded DNA is constructed such that it is not necessary to use a ligase.

実施例6−トポイソメラーゼの戦略を5’リン酸結合と組み合わせて用いる単一の塩基の付加
単一の塩基の付加に対する別のアプローチでは、3’から5’への方向で単一の塩基対の付加をもたらすために、ブロッキング基として5’リン酸を使用する。装填反応は、トポイソメラーゼに、5’リン酸基を有する単一のT(またはG、または所望により他のヌクレオチド)を装填する。装填されたトポイソメラーゼが5’がブロック化されていない(リン酸化されていない)一本鎖DNA鎖を「見つける」と、それはTをその鎖に付加し、5’にTが付加されたDNAをもたらす。この付加は、トポイソメラーゼおよび一本鎖アクセプターDNAが結合できる配列を有するアダプターDNAの存在により促進される。(アダプターDNAは触媒的であることに留意されたい−反復される反応において、鋳型として再使用できる。)付加されたヌクレオチドは5’リン酸を有するので、5’リン酸を除去するホスファターゼに暴露されるまで、さらなる付加の基質にはならない。標的一本鎖DNAの5’末端に単一の「T」を付加するためにトポを、単一の「G」を付加するためにSVFトポイソメラーゼを使用してこの過程を繰り返し、かくして、TおよびGのバイナリ情報をコードする配列の構築を可能にする。この過程を、以下の通り、模式的に示す:
Example 6-Addition of a single base using the strategy of topoisomerase in combination with a 5 'phosphate linkage Another approach to the addition of a single base is to use a single base pair in the 3' to 5 'direction. Use 5 'phosphate as a blocking group to effect the addition. The loading reaction loads topoisomerase with a single T (or G, or optionally other nucleotide) with a 5 'phosphate group. If the loaded topoisomerase "finds" a 5 'unblocked (non-phosphorylated) single-stranded DNA strand, it adds T to that strand and the 5' T-attached DNA Bring. This addition is facilitated by the presence of adapter DNA having a sequence to which topoisomerase and single stranded acceptor DNA can bind. (Note that adapter DNA is catalytic-it can be reused as a template in repeated reactions.) Since the added nucleotide has a 5 'phosphate, it is exposed to a phosphatase that removes the 5' phosphate. It is not a substrate for further addition until it is This process is repeated using topo to add a single "T" to the 5 'end of the target single stranded DNA, and SVF topoisomerase to add a single "G", thus T and Allows construction of sequences encoding G binary information. This process is shown schematically as follows:

Figure 2019512480
Figure 2019512480

Figure 2019512480
Figure 2019512480

実施例7−ナノポアに隣接してDNAを結合させるためのDNAオリガミの使用
一端に大きいオリガミ構造を有するDNA鎖をナノポア中に捕捉し、DNAの末端のビオチン部分を介して、表面に結合したストレプトアビジンに固定する。オリガミ構造を制限酵素で切断した後、電流の混乱により確認される通り、固定されたDNAはポアを通って行き来できる。固定は、ポアを通る単一のDNA分子の動きの制御を可能にし、それは、DNAへの情報の「読み取り」および「書き込み」を可能にする。
Example 7 Use of DNA Origami for Binding DNA Adjacent to Nanopore DNA strand having large origami structure at one end is captured in nanopore, and surface bound strepto through the biotin portion at the end of DNA Immobilize on avidin. After cleaving the origami structure with restriction enzymes, the immobilized DNA can move back and forth through the pore, as confirmed by current disruption. Fixation allows control of the movement of a single DNA molecule through the pore, which allows "reading" and "writing" of information on DNA.

図35に示す通り、大きすぎてナノポアにはまれない嵩高い二本鎖DNAユニットが形成され、一本鎖領域が、合成中に付加されるべきDNAを係留するのに役立つ2つの短い二本鎖領域により、その嵩高い部分に連結される。次いで、一本鎖領域を分離し、ナノポアに隣接する表面に係留し、オリガミ構造を解放し得る。図33参照。   As shown in FIG. 35, bulky double-stranded DNA units that are too large to form nanopores are formed, and a single-stranded region serves as two short doubles that serve to anchor the DNA to be added during synthesis. The chain region is linked to the bulky part. The single stranded regions can then be separated and tethered to the surface adjacent to the nanopore to release the origami structure. See FIG.

ナノポアを、20nm SiO2を有する3mmのチップに、50*50μmの開口部で形成する。チップは Nanopore Solutions により提供される。ナノポアカセットホルダーおよびフローセルは、Nanopore Solutions により提供される。増幅器は、Tecella Pico 2 増幅器である。これは、制御のためにusb−コンピューターインターフェースを使用する、usbから電源供給される増幅器である。Tecella は、増幅器を制御する(Windows)ソフトウェアを供給する。回路計は、0.1uAまで低い電流を検出できる FLUKE 17B+ Digital Multimeter である。無線周波数ノイズのスクリーニングのために、USBインターフェースを有する Concentric Technology Solutions TC-5916A Shield Box (Faraday Cage) を使用する。オリゴヌクレオチドは IDT.com から入手する。「PS」は、http://www.gelest.com/product/o-propargyl-n-triethoxysilylpropylcarbamate-90/のプロパルギルシラン−O−(プロパルギル)−N−(トリエトキシシリルプロピル)カルバメートである。 Nanopores are formed in 3 mm chips with 20 nm SiO 2 with 50 * 50 μm openings. The chip is provided by Nanopore Solutions. Nanopore cassette holders and flow cells are provided by Nanopore Solutions. The amplifier is a Tecella Pico 2 amplifier. This is a usb powered amplifier that uses a usb-computer interface for control. Tecella supplies software to control the amplifier (Windows). The circuit meter is a FLUKE 17B + Digital Multimeter that can detect currents as low as 0.1 uA. The Concentric Technology Solutions TC-5916A Shield Box (Faraday Cage) with USB interface is used to screen for radio frequency noise. Oligonucleotides are obtained from IDT.com. “PS” is propargylsilane-O- (propargyl) -N- (triethoxysilylpropyl) carbamate of http://www.gelest.com/product/o-propargyl-n-triethoxysilylpropylcarbamate-90/ .

オリガミ構造は、一辺約20nmの「ハニカム状の」立方体オリガミ構造を有する一本鎖m13をベースとする。それぞれユニークな制限部位を含む、ハニカムに隣接する二本鎖領域がある。これらの部位の1つを用いて修飾DNAを結合させ、ナノポア近傍での結合を可能にし、DNAが結合したら、他の部位を用いてオリガミ構造を切り離す。   The origami structure is based on a single strand m13 having a "honeycomb-like" cube origami structure of about 20 nm on a side. There are double stranded regions adjacent to the honeycomb, each containing unique restriction sites. One of these sites is used to bind the modified DNA, allowing binding near the nanopore, and once the DNA is bound, the other site is used to separate the origami structure.

ナノポア形成:以下の通りに、誘電破壊を使用してチップにナノポアを形成させる:
1.チップを注意深くカセットにマウントする
2.ウェッティング:100%エタノールを注意深くピペットでチップに置く。気泡を除去しなければならない。しかしながら、チップ上の溶液を直接ピペッティングすることは避けるべきであり、さもないとチップは割れ得る(SiO2はわずか20nmである)。
3.表面処理:エタノールを除去し、新たに調製したピラニア溶液(75%硫酸、25%過酸化水素(30%))をピペットでチップに置く。(ピラニア溶液を室温にさせる)。30分間放置する。
4.蒸留水で4回すすぐ。
5.HKバッファー(10mM HEPES pH8、1M KCl)で2回すすぐ。
6.カセットをフローセル中に組み立てる。
7.フローセルの各チャンバーに700μLのHKバッファーを添加する。
8.増幅器に取り付けた銀電極を挿入し、ファラデーケージを閉じる。
9.300mVで抵抗を試験する。電流は検出されるべきではない。もし検出されたら、チップは割れていると思われ、やり直さなければならない。
10.電極を6VのDC電流に接続し、回路計で電流を試験する。電流は低いべきであり、変化しないべきである。電圧を1.5V上げ、抵抗が増加するまで電圧を維持する。5〜10分後に抵抗が増加しなければ、電圧をさらに1.5V上げ、再試行する。抵抗が増加するまで繰り返し、その時点でかけた電圧をすぐに止めるべきである。(十分な電圧で、誘電破壊が起こり、SiO2膜に「ポア」が作られる。最初にできたとき、ポアは小さいが、電圧を維持すると大きくなる。)
11.増幅器を使用してポアを試験する。300mVで数nAの電流が見られるべきである。電流が高いほど、ポアは大きい。
Nanopore formation: Allow nanotips to form on the chip using dielectric breakdown as follows:
1. Carefully mount the chip on the cassette Wetting: Carefully pipette 100% ethanol onto the tip. Air bubbles must be removed. However, direct pipetting of the solution on the chip should be avoided, otherwise the chip may crack (SiO2 is only 20 nm).
3. Surface treatment: Remove ethanol and pipette the freshly prepared piranha solution (75% sulfuric acid, 25% hydrogen peroxide (30%)) onto the tip. (Till the piranha solution to room temperature). Leave for 30 minutes.
4. Rinse 4 times with distilled water.
5. Rinse twice with HK buffer (10 mM HEPES pH 8, 1 M KCl).
6. Assemble the cassette into the flow cell.
7. Add 700 μL HK buffer to each chamber of the flow cell.
8. Insert the silver electrode attached to the amplifier and close the Faraday cage.
9. Test resistance at 300mV. The current should not be detected. If detected, the tip is considered broken and must be redone.
10. The electrodes are connected to a 6 V DC current and the current is tested in a circuit meter. The current should be low and not change. Raise the voltage 1.5 V and maintain the voltage until the resistance increases. If resistance does not increase after 5 to 10 minutes, raise the voltage another 1.5 V and try again. Repeat until the resistance increases, at which point the applied voltage should be turned off immediately. (With sufficient voltage, dielectric breakdown occurs and "pores" are created in the SiO2 film. When initially created, the pores are small but they become larger when the voltage is maintained.)
11. Test the pore using an amplifier. Several nA of current should be seen at 300 mV. The higher the current, the larger the pore.

図34は基本的な機能するナノポアを示す。各パネルにおいて、y軸は電流(nA)であり、x軸は時間(秒)である。左のパネル「RFノイズのスクリーニング」はファラデーケージの有用性を示す。ナノポアを有さないチップをフローセル内に配置し、300mVをかける。ファラデーケージの蓋を閉じると(最初の矢印)、ノイズの減少が見られる。ラッチを閉じると(2番目の矢印)、小さなスパイクが生じる。電流が約0nAであることが分かる。ポアの製造後(中央のパネル)、300mVの適用(矢印)は約3.5nAの電流をもたらす。DNAをアースチャンバーに適用し、+300mVをかけると、DNAの移行(右のパネル)が電流の一過性の減少として観察され得る。(この場合にTS緩衝液が使用されていることを言及しておく:50mM Tris、pH8、1M NaCl。)ラムダDNAがこのDNA移行実験に使用されている。   FIG. 34 shows a basic functional nanopore. In each panel, the y-axis is current (nA) and the x-axis is time (seconds). The left panel "RF noise screening" demonstrates the utility of the Faraday cage. Place the chip without nanopore in the flow cell and apply 300 mV. When the lid of the Faraday cage is closed (first arrow), noise reduction is observed. Closing the latch (second arrow) produces a small spike. It can be seen that the current is about 0 nA. After pore production (middle panel), application of 300 mV (arrows) results in a current of about 3.5 nA. When DNA is applied to the ground chamber and applied at +300 mV, DNA migration (right panel) can be observed as a transient decrease in current. (It should be noted that in this case TS buffer is used: 50 mM Tris, pH 8, 1 M NaCl.) Lambda DNA is used for this DNA transfer experiment.

塩化銀電極:
1.銀ワイヤーを絶縁銅ワイヤーにはんだ付けする。
2.銅ワイヤーを磨き、銀を新しい30%次亜塩素酸ナトリウムに30分間浸す。
3.銀は濃灰色の被覆(塩化銀)を得るはずである。
4.銀ワイヤーを蒸留水でよくすすぎ、乾燥させる。
5.それはもう使用できる。
Silver chloride electrode:
1. Solder the silver wire to the insulated copper wire.
2. Polish the copper wire and soak the silver in fresh 30% sodium hypochlorite for 30 minutes.
3. Silver should obtain a dark gray coating (silver chloride).
4. Rinse the silver wire thoroughly with distilled water and dry.
5. It can be used already.

ビーズのシラン処理:シラン処理の方法は、まずSiO被覆磁気ビーズ(GBioscience)で開発/試験する。以下のプロトコールを採用する:
1.新鮮なピラニア溶液中で30分間ビーズを予処理する。
2.蒸留水で3回洗浄する。
3.メタノールで2回洗浄する。
4.APTES原液をメタノールで1:500に希釈する。
5.希釈したAPTESをビーズに添加し、RTで45分間インキュベートする。
6.メタノールですすぐ。
7.100℃で30分間。
8.真空下で保存する。
Silane Treatment of Beads: The method of silane treatment is first developed / tested with SiO 2 coated magnetic beads (GBioscience). The following protocol is adopted:
1. Pretreat the beads for 30 minutes in fresh piranha solution.
2. Wash 3 times with distilled water.
3. Wash twice with methanol.
4. The APTES stock solution is diluted 1: 500 with methanol.
5. Add diluted APTES to the beads and incubate for 45 minutes at RT.
6. Rinse with methanol.
7. 30 minutes at 100 ° C.
8. Store under vacuum.

シリコンチップのシラン処理
1.ナノポアを有するチップをカセットにマウントする。
2.メタノールですすぎ、気泡を注意深く除去する。
3.新鮮なピラニア溶液(室温に平衡化したもの)を添加し、30分間インキュベートする。
4.蒸留水で4回洗浄する。
5.メタノールで3回洗浄する。
6.APTES原液をメタノールで1:500に希釈し、これを使用してチップを2回洗浄する。RTで45分間インキュベートする。
7.メタノールで2回すすぐ。
8.気流のもとで乾燥させる。
9.真空下で終夜保存する。
Silane treatment of silicon chips The chip with the nanopore is mounted on the cassette.
2. Rinse with methanol and carefully remove air bubbles.
3. Add fresh piranha solution (equilibrated to room temperature) and incubate for 30 minutes.
4. Wash 4 times with distilled water.
5. Wash 3 times with methanol.
6. The APTES stock solution is diluted 1: 500 with methanol and used to wash the chip twice. Incubate for 45 minutes at RT.
7. Rinse twice with methanol.
8. Dry under an air stream.
9. Store overnight under vacuum.

ビーズのストレプトアビジン結合:ストレプトアビジン結合は、まず、上記で調製されたシラン処理ビーズで開発/試験する。
1.シラン処理ビーズを改変リン酸緩衝食塩液(MPBS)で洗浄する。
2.MPBS中の1.25%グルタルアルデヒド溶液を新たに作る(冷凍保存した50%グルタルアルデヒド原液を使用する)。
3.1.25%グルタルアルデヒドをビーズに添加し、15分ごとに静かに上下にピペッティングしながら、60分間静置する。
4.MPBSで2回洗浄する。
5.水で2回洗浄する。
6.真空下で乾燥させる。
7.ストレプトアビジン(MPBS中500μg/mL)をビーズに添加し、60分間インキュベートする(負の対照のビーズには、ストレプトアビジンの代わりにウシ血清アルブミン(BSA)(MPBS中2mg/mL)を用いる)。
8.ストレプトアビジンを除去し、BSA(MPBS中2mg/mL)を添加する。60分間インキュベートする。
9.MPBSで2回洗浄する。
10.4℃で保存する。
Streptavidin binding of beads: Streptavidin binding is first developed / tested on the silanized beads prepared above.
1. The silane-treated beads are washed with modified phosphate buffered saline (MPBS).
2. Make a fresh solution of 1.25% glutaraldehyde in MPBS (use a 50% stock solution of glutaraldehyde frozen).
3.1. Add 25% glutaraldehyde to the beads and let sit for 60 minutes while gently pipetting up and down every 15 minutes.
4. Wash twice with MPBS.
5. Wash twice with water.
6. Dry under vacuum.
7. Streptavidin (500 μg / mL in MPBS) is added to the beads and incubated for 60 minutes (for negative control beads, bovine serum albumin (BSA) (2 mg / mL in MPBS) is used instead of streptavidin).
8. Streptavidin is removed and BSA (2 mg / mL in MPBS) is added. Incubate for 60 minutes.
9. Wash twice with MPBS.
Store at 10.4 ° C.

シリコンチップのストレプトアビジン結合
1.シラン処理されたチップをエタノールで2回すすぐ。
2.シラン処理されたチップをMPBSで2回すすぐ。
3.MPBS中の1.25%グルタルアルデヒド溶液を新たに作る(冷凍保存した50%グルタルアルデヒド原液を使用する)。
4.チップを1.25%グルタルアルデヒドで2回すすぎ、15分ごとに静かに上下にピペッティングしながら、60分間静置する。
5.MPBSで2回洗浄する。
6.水で2回洗浄する。
7.気流のもとで乾燥させる。
8.チップの2分の1にBSA(MPBS中2mg/mL)を添加し、他方にストレプトアビジン(MPBS中500μg/mL)を添加する。60分間インキュベートする。チップのどちらの半分がストレプトアビジン修飾されているかを示す印をカセットにつける。
9.チップの両方の半分をBSA(MPBS中2mg/mL)ですすぐ。60分間インキュベートする。
10.MPBSで洗浄する。
Streptavidin Binding of Silicon Chips The silanized chip is rinsed twice with ethanol.
2. The silanized chip is rinsed twice with MPBS.
3. Make a fresh solution of 1.25% glutaraldehyde in MPBS (use a 50% stock solution of glutaraldehyde frozen).
4. Rinse the chip twice with 1.25% glutaraldehyde and allow to sit for 60 minutes while gently pipetting up and down every 15 minutes.
5. Wash twice with MPBS.
6. Wash twice with water.
7. Dry under an air stream.
8. To one half of the chip BSA (2 mg / mL in MPBS) is added, on the other side streptavidin (500 μg / mL in MPBS) is added. Incubate for 60 minutes. The cassette is marked to indicate which half of the chip is streptavidin modified.
9. Rinse both halves of the chip with BSA (2 mg / mL in MPBS). Incubate for 60 minutes.
10. Wash with MPBS.

ここで使用するバッファーは、以下の通りに作製する:
MPBS:8g/L NaCl、0.2g/L KCl、1.44g/Lリン酸二ナトリウム、0.240g/Lリン酸カリウム、0.2g/Lポリソルベート−20(pH7.2)
PBS:8g/L NaCl、0.2g/L KCl、1.44g/Lリン酸二ナトリウム、0.240g/Lリン酸カリウム
TS:50mMTrispH8.0、1MNaCl
HK:10mM HEPES pH8.0、1M KCl
TE:10mM Tris、1mM EDTA、pH8.0
ピラニア溶液:75%過酸化水素(30%)+25%硫酸
APTES原液:50%メタノール、47.5%APTES、2.5%ナノピュア水。4℃で少なくとも1時間熟成させる。4℃で保存する。
PDC原液:DMSO中の0.5%w/v1,4−フェニレンジイソチオシアナート
The buffer used here is prepared as follows:
MPBS: 8 g / L NaCl, 0.2 g / L KCl, 1.44 g / L disodium phosphate, 0.240 g / L potassium phosphate, 0.2 g / L polysorbate-20 (pH 7.2)
PBS: 8 g / L NaCl, 0.2 g / L KCl, 1.44 g / L disodium phosphate, 0.240 g / L potassium phosphate TS: 50 mM Tris pH 8.0, 1 M NaCl
HK: 10 mM HEPES pH 8.0, 1 M KCl
TE: 10 mM Tris, 1 mM EDTA, pH 8.0
Piranha solution: 75% hydrogen peroxide (30%) + 25% sulfuric acid APTES stock solution: 50% methanol, 47.5% APTES, 2.5% nanopure water. Age at 4 ° C. for at least 1 hour. Store at 4 ° C.
PDC stock solution: 0.5% w / v 1,4-phenylene diisothiocyanate in DMSO

オリゴヌクレオチド(5’から3’へ)を注文する:
o1 CTGGAACGGTAAATTCAGAGACTGCGCTTTCCATTCTGGCTTTAATG
o3 GGAAAGCGCAGTCTCTGAATTTAC
N1 CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
BN1 Biotin-CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
N2 GTCCTGCTGCGATATCGATAGCCGTTCCAGTAAG
Order oligonucleotides (5 'to 3'):
o1 CTGGAACGGTAAATTCAGAGACTGCGCTTCTCCATTCTGGCTTTAATG
o3 GGAAAGCGCAGTCTCTGAATTTAC
N1 CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
BN1 Biotin-CTTACTGGAACGGCTATCGATATCGCAGCAGGACAGA
N2 GTCCTGCTGCGATATCGATAGCCTCCAGTAAG

オリゴヌクレオチド対のハイブリダイゼーションは、以下の通りに実行する:
1.オリゴの原液をTEバッファー中、100uMの濃度で作製する
2.オリゴをPBSで10μMに希釈する
3.サーマルサイクラーで85℃に5分間加熱する
4.3分間に5℃の勾配をつけて25℃まで冷ます
5.4℃または−20℃で保存する
Hybridization of oligonucleotide pairs is carried out as follows:
1. Prepare a stock solution of oligo in TE buffer at a concentration of 100 uM. Dilute oligo to 10 μM with PBS Heat to 85 ° C for 5 minutes in a thermal cycler with a 5 ° C gradient in 4.3 minutes and cool to 25 ° C Store at 5.4 ° C or -20 ° C

ストレプトアビジン結合:SiOへのストレプトアビジンの結合を、SiO2被覆した磁気ビーズを使用して開発および試験し、次いで、そのプロトコールをSiOチップに適合させた。ビオチン化オリゴのストレプトアビジンおよびBSA結合ビーズへの結合を試験する。予想通り、無視できる結合がBSA結合ビーズで観察され、強い結合がストレプトアビジン結合ビーズで観察される。図38参照。結合を高塩濃度で実施するとより便利であろうから(DNAの移動を高塩濃度で実施する)、ビーズがHKバッファー中で結合する能力も試験する。HKバッファー中の結合は、MPBSバッファー中の結合に匹敵する(図39)。 Streptavidin binding: The binding of streptavidin to SiO 2 was developed and tested using SiO 2 coated magnetic beads, and then the protocol was adapted to the SiO 2 chip. The binding of biotinylated oligos to streptavidin and BSA conjugated beads is tested. As expected, negligible binding is observed with BSA conjugated beads and strong binding with streptavidin conjugated beads. See FIG. Since it would be more convenient to perform the binding at high salt concentration (transfer of DNA at high salt concentration), the ability of the beads to bind in HK buffer is also tested. Binding in HK buffer is comparable to binding in MPBS buffer (FIG. 39).

オリガミコンストラクトを作製し、上記の通り、作動可能であることを図35〜37で確認する。オリゴヌクレオチドを用いてオリガミ構造のビオチン化を試験する。上記図37に示す「オリガミの」結果から、AlwNI部位が活性であることが既にわかっている。オリガミDNAの正確な配列のセグメントを再創成するオリゴヌクレオチド対を下記で使用する(o1/o3)。オリガミ分子を以下に示す:

Figure 2019512480
An Origami construct is made and confirmed above with FIGS. 35-37 as operable. The oligonucleotides are used to test the biotinylation of the origami structure. From the “Origami” results shown above in FIG. 37, it is already known that the Alw NI site is active. Oligonucleotide pairs that recreate segments of the correct sequence of Origami DNA are used below (o1 / o3). Origami molecules are shown below:
Figure 2019512480

オリゴ対o1/o3は、以下の通りである。

Figure 2019512480
The oligo pair o1 / o3 is as follows.
Figure 2019512480

下記の反応に従って、T4DNAリガーゼ、および、オリガミ配列の3’側のオーバーハングに相補的なビオチン化されたオリゴ(それは長いssDNA配列に結合しており、ssDNA配列はオリガミの他方の側に結合している)の存在下で、DNAをAlwNIで切断する:

Figure 2019512480
According to the following reaction, T4 DNA ligase and a biotinylated oligo complementary to the overhang on the 3 'side of the Origami sequence (it is linked to a long ssDNA sequence, the ssDNA sequence is linked to the other side of the Origami Cleaving the DNA with AlwNI in the presence of
Figure 2019512480

この戦略では、AlwN1は標的DNAを切断する。リガーゼを添加すると、このDNAは再び連結され得るが、制限酵素は再度切断するであろう。しかしながら、(o1/o3の)(右の)断片がBN1/N2に結合すると、制限部位は再創成されず、この生成物は切断されない。制限酵素の有無で試験することにより、特異的結合を確認する:

Figure 2019512480
In this strategy, AlwN1 cleaves the target DNA. With the addition of ligase, this DNA can be religated but the restriction enzyme will cut again. However, when the (o1 / o3) (right) fragment binds to BN1 / N2, the restriction site is not recreated and this product is not cleaved. Specific binding is confirmed by testing in the presence or absence of restriction enzymes:
Figure 2019512480

リガーゼ以外の全ての試薬を添加し、溶液を37℃で60分間インキュベートする。リガーゼを添加し、溶液を終夜16℃でインキュベートする。10xlig buffは、NEB 10x T4 DNAリガーゼバッファーを表す。リガーゼはNEB T4 DNAリガーゼである。o1/o3およびn1/n2は、上記の通り、アニールしたオリゴ対を表す。単位はマイクロリットルである。アガロースゲル分析は、AlwNIの存在下で、より大きい生成物が形成されることを確認し、それは、オリガミ構造に結合した長いssDNAアームに結合したビオチン化オリゴヌクレオチドに相当する。同様の戦略を、所望により、3’ビオチン化に使用する。   Add all reagents except ligase and incubate the solution for 60 minutes at 37 ° C. The ligase is added and the solution is incubated overnight at 16 ° C. 10 × lig buff represents NEB 10 × T4 DNA ligase buffer. The ligase is NEB T4 DNA ligase. o1 / o3 and n1 / n2 represent annealed oligo pairs as described above. The unit is microliter. Agarose gel analysis confirms that a larger product is formed in the presence of Alw NI, which corresponds to a biotinylated oligonucleotide linked to a long ssDNA arm linked to an origami structure. Similar strategies are optionally used for 3'biotinylation.

DNAが電圧に誘導されてポアを通って移動することを検出するナノポアを形成および使用する能力、そのビオチンから遠い末端で結合した長いss領域を有するオリガミ分子の創成、ストレプトアビジンの二酸化ケイ素への結合、および、それを使用してビオチン化DNAを捕捉することを、上記で立証する。これらのツールを使用して、単一のDNA分子をナノポアの近くに結合させ、その動きを制御する。   The ability to form and use nanopores to detect voltage-induced migration of DNA through the pore, creation of an origami molecule with a long ss region attached at its end remote from its biotin, streptavidin to silicon dioxide The conjugation and its use to capture biotinylated DNA is demonstrated above. These tools are used to attach single DNA molecules close to the nanopore and control its movement.

第1工程は、ストレプトアビジンをSiO2ナノポアの1つの表面に(そしてBSAを他方の側に)結合させることである。これは、上記のプロトコールにより達成される。得られるポアは、それらが最初に有するよりも低い電流を有する傾向がある。いくつかの短い6vのパルスの後、電流を元の電流近くに戻す。この時点の機能しているナノポアを図40に示す。   The first step is to bind streptavidin to one surface of the SiO2 nanopore (and BSA on the other side). This is achieved by the above protocol. The resulting pores tend to have lower current than they initially have. After some short 6v pulses the current is brought back close to the original current. The functional nanopore at this point is shown in FIG.

次に、オリガミDNAを挿入する。オリガミDNAを適当なチャンバーに加え、電流を流すと、オリガミはチャンバーに入る。この代表例を図41に示す。オリガミが最終濃度50pMで導入されたときの実験結果は、オリガミを有するDNAが比較的早く(典型的には数秒で)ポアに入り、それがその結果としてのナノポアを流れる電流の減少(例えば、これらの実施例では、オリガミ挿入前の電流は約3nAであり、挿入後は約2.5nAである)により検出可能であることを裏付ける。電流がより長い時間流れれば、二重の挿入が観察できる。より高い濃度を使用すると、挿入が起こるのが早すぎて観察できない。   Next, Origami DNA is inserted. When Origami DNA is added to a suitable chamber and current is applied, Origami enters the chamber. This representative example is shown in FIG. When Origami is introduced at a final concentration of 50 pM, experimental results show that DNA with Origami enters the pore relatively quickly (typically in a few seconds), which results in a decrease in the current through the nanopore (eg, In these examples, the current prior to origami insertion is approximately 3 nA, and approximately 2.5 nA after insertion confirms that it is detectable. If the current flows for a longer time, double insertion can be observed. If higher concentrations are used, insertions occur too early to be observed.

挿入されたDNAのチップへの結合。オリガミがナノポアに挿入された後、再度電圧をかけるまで、15分間経過させる。オリガミのssDNA領域の末端はビオチンを含み、ストレプトアビジンがナノポアの表面に結合している。ストレプトアビジンは共有結合に近い結合定数でアビジンに結合する。この15分間は、DNAを拡散させ、ビオチン末端がストレプトアビジンを発見し結合することを可能にする。DNAが実際に表面に結合していたら、電圧を逆にしたときに観察される電流は以前よりもわずかに少ないはずである。また、電流を前後に切り換えると、空いているポアで見られるよりも低い電流を双方向でもたらすはずである。ここで示す実施例では、空いているポアは約3nAの電流を示す。図42は、結合したDNAの代表例を示し、図43は、結合したオリガミDNAを切り換える電圧の実験結果を示す。双方向で見られる電流は約+/−2.5nAであり、空いているポアで観察される約+/−3nAよりも低いことに留意されたい。DNAが表面に結合していなかったら、電圧を切り換えると元の電流が回復するであろう(図44)。 Binding of the inserted DNA to the chip. After the Origami is inserted into the nanopore, allow 15 minutes to re-energize. The end of the origami ssDNA region contains biotin and streptavidin is attached to the surface of the nanopore. Streptavidin binds to avidin with a binding constant close to the covalent bond. During this 15 minutes, the DNA diffuses, allowing the biotin end to find and bind streptavidin. If the DNA is indeed bound to the surface, then the current observed when the voltage is reversed should be slightly less than before. Also, switching the current back and forth should result in a lower current in both directions than seen in the open pore. In the example shown here, the open pores exhibit a current of about 3 nA. FIG. 42 shows a representative example of bound DNA, and FIG. 43 shows experimental results of the voltage for switching the bound origami DNA. Note that the current seen in both directions is about +/- 2.5 nA, which is lower than about +/- 3 nA observed in the open pore. If the DNA is not bound to the surface, switching the voltage will restore the original current (Figure 44).

オリガミ構造を除去するために、オリガミ構造を含むフローセルチャンバー内のバッファーを除去し、1uL Swa1/20Lを含む1xSwa1バッファーで置き換える。他のフローセルチャンバー内のバッファーを、Swa1を含まない1xSwa1バッファーで置き換える。これを室温で60分間インキュベートし、次いでHKバッファーで洗浄し、電圧をかける。図45に示すDNAの前進および後退は、図46に示す実験データにより裏付けられ、固定されたDNAがSiO2ナノポアを通って制御されて動くことを示す。   To remove the origami structure, remove the buffer in the flow cell chamber containing the origami structure and replace with 1xSwa1 buffer containing 1uL Swa1 / 20L. Replace the buffer in the other flow cell chamber with 1 × Swa1 buffer without Swa1. This is incubated for 60 minutes at room temperature, then washed with HK buffer and energized. The advancement and retraction of DNA shown in FIG. 45 is supported by the experimental data shown in FIG. 46 and shows that the immobilized DNA moves in a controlled manner through the SiO 2 nanopore.

実施例8−ポリマーをナノポアに隣接する表面に結合させる代替的手段
上述の実施例は、DNAをビオチン化し、結合表面をストレプトアビジンで被覆することによる、ナノポアに隣接する表面へのDNAの結合を記載する。ポリマー結合のいくつかの代替的手段を図47に示す。
a)DNAハイブリダイゼーション:ある方法では、本発明の方法において伸長されるDNAを、ナノポアの近傍に結合している短いオリゴヌクレオチドにハイブリダイズさせる。合成が完了したら、合成されたDNAは制限酵素を必要とせずに容易に取り出すことができ、または、結合したオリゴヌクレオチドと合成されたDNAにより形成される二本鎖は、制限酵素の基質を提供できる。この実施例では、ビオチン−ストレプトアビジンを用いて短いオリゴマーを表面に結合させるか、または、以下の通り、1,4−フェニレンジイソチオシアナートを使用して連結させる:
Example 8-Alternative means of attaching a polymer to a surface adjacent to a nanopore The above example biotinylated the DNA and coated the binding surface with streptavidin to bind the DNA to the surface adjacent to the nanopore Describe. Some alternative means of polymer attachment are shown in FIG.
a) DNA hybridization: In one method, the DNA to be elongated in the method of the invention is hybridized to a short oligonucleotide bound in the vicinity of the nanopore. Once synthesis is complete, the synthesized DNA can be easily removed without the need for restriction enzymes, or the duplex formed by the synthesized oligonucleotides and the synthesized DNA provides a substrate for restriction enzymes. it can. In this example, short oligomers are attached to the surface using biotin-streptavidin or linked using 1,4-phenylene diisothiocyanate as follows:

ビオチン化DNAのSiO2への結合:
A.シラン処理:
1.予処理:nha溶液30分間、再蒸留HO(ddHO)で洗浄する
2.APTES原液の調製:50%MeOH、47.5%APTES、2.5%ナノピュアHO:熟成>1時間4℃
3.APTES原液をMeOH中で1:500に希釈する
4.チップを室温でインキュベートする
5.MeOHですすぐ
6.乾燥させる
7.110℃で30分間加熱する
Binding of Biotinylated DNA to SiO2:
A. Silane treatment:
1. Pretreatment: Wash with redistilled H 2 O (ddH 2 O) for 30 minutes with nha solution. Preparation of APTES stock solution: 50% MeOH, 47.5% APTES, 2.5% nanopure H 2 O: Aging> 1 hour 4 ° C.
3. Dilute APTES stock solution 1: 500 in MeOH4. Incubate the chip at room temperature Rinse with MeOH Heat at 7.110 ° C for 30 minutes to dry

結合:
1.チップをPDC原液で5時間(室温)処理する(PDC原液:DMSO中の0.5%w/v1,4−フェニレンジイソチオシアナート)
2.DMSOで2回洗浄する(短く)
3.ddHOで2回洗浄する(短く)
4.ddHO(pH8)中、100nMアミノ修飾DNA、O/N37℃
5.28%アンモニア溶液で2回洗浄する(不活性化)
6.ddHOで2回洗浄する
Binding:
1. Treat the chip with PDC stock for 5 hours (room temperature) (PDC stock: 0.5% w / v 1,4-phenylenediisothiocyanate in DMSO)
2. Wash twice with DMSO (short)
3. Wash twice with ddH 2 O (short)
4. 100 nM amino-modified DNA in ddH 2 O (pH 8), O / N 37 ° C.
Wash twice with 5.28% ammonia solution (inactivation)
6. Wash twice with ddH 2 O

結合したオリゴヌクレオチドに相補的な末端配列を有する一本鎖DNAを、上記の通りに導入し、結合したオリゴヌクレオチドにハイブリダイズさせる。   Single stranded DNA having a terminal sequence complementary to the bound oligonucleotide is introduced as described above and hybridized to the bound oligonucleotide.

b)クリックケミストリー:クリックケミストリーとは、簡潔かつ熱力学的に効率的で、毒性または高反応性の副生成物を創成せず、水または生物適合性溶媒中で行われ、目的の物質を特定の生体分子に結合させるのにしばしば使用される反応についての、一般的な用語である。この場合のクリック結合は、a)でオリゴヌクレオチドの結合に使用されたのと同様の化学を使用するが、ここでは、本発明の方法において合成の過程で伸長されるポリマーを結合するのにそれだけが使用される。この実施例ではDNAはポリマーであるが、この化学は、適合するアジド基の付加により官能化された他のポリマーを結合させるのにも使える。 b) Click chemistry: Click chemistry is simple, thermodynamically efficient, does not create toxic or highly reactive by-products, is performed in water or a biocompatible solvent, and specifies the substance of interest Is a general term for reactions often used to attach to biomolecules of The click bond in this case uses the same chemistry as that used for the attachment of the oligonucleotide in a), but here only to attach the polymer extended in the process of synthesis in the method of the invention Is used. Although DNA is a polymer in this example, this chemistry can also be used to attach other polymers functionalized by the addition of compatible azide groups.

シラン処理:
1.予処理:ピラニア溶液30分間、ddH2Oで洗浄する
2.PS(プロパルギルシラン)原液の調製:50%MeOH、47.5%PS、2.5%ナノピュアH2O:熟成>1時間、4C
3.APTES原液をMeOHで1:500に希釈する
4.チップを室温でインキュベートする
5.MeOHですすぐ
6.乾燥させる
7.110℃で30分間加熱する
Silane treatment:
1. Pretreatment: wash with ddH 2 O for 30 minutes with piranha solution. Preparation of PS (Propargylsilane) Stock Solution: 50% MeOH, 47.5% PS, 2.5% Nano Pure H 2 O: Aging> 1 hour, 4 C
3. Dilute APTES stock solution 1: 500 with MeOH4. Incubate the chip at room temperature Rinse with MeOH Heat at 7.110 ° C for 30 minutes to dry

アジド官能基で終結するDNAは、この表面に共有結合する(図47に示す通り)。アジドで終結するオリゴを注文し、先にDNAへのビオチンの付加について記載した通り、より長いオリガミDNAに結合させる。   DNA terminated with an azide functional group is covalently attached to this surface (as shown in FIG. 47). Oligos terminated with azide are ordered and bound to longer origami DNA as described above for the addition of biotin to DNA.

Claims (20)

少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマーをナノチップ中で合成する方法であって、
該ナノチップは、単一のモノマーまたはオリゴマーのみが1回の反応サイクルにおいて付加され得るように、1以上のモノマーまたはオリゴマーを緩衝液中で末端が保護された形態で荷電ポリマーに付加するための試薬を含む1以上の付加チャンバー;および、緩衝液を含むが、1以上のモノマーまたはオリゴマーの付加に必要な全ての試薬を含むわけではない、1以上の保存チャンバーを含み、ここでこれらのチャンバーは1以上のナノポアを含む1以上の膜により分離されており、荷電ポリマーはナノポアを通過できるが、1以上のモノマーまたはオリゴマーを付加するための試薬の少なくとも1つは通過できず、
該方法は、
(a)第1の末端および第2の末端を有する荷電ポリマーの第1の末端を電気的引力によって付加のチャンバーに移動させ、それによってモノマーまたはオリゴマーを第1の末端にブロック化された形態で付加する工程、
(b)付加されたモノマーまたはオリゴマーをブロック化された形態で有する荷電ポリマーの第1の末端を保存チャンバーに移動させる工程、
(c)付加されたモノマーまたはオリゴマーを脱ブロック化する工程、および
(d)所望のポリマー配列が得られるまで工程a〜cを反復する工程、ここで工程a)で付加されるモノマーまたはオリゴマーは同一であるか、または異なっている、
を含むものである、方法。
A method of synthesizing in a nanotip a charged polymer comprising at least two separate monomers, comprising:
The nanotip is a reagent for adding one or more monomers or oligomers in a buffered form to the charged polymer in a buffer so that only a single monomer or oligomer can be added in one reaction cycle And one or more storage chambers; and one or more storage chambers including a buffer but not all the reagents necessary for the addition of one or more monomers or oligomers, wherein these chambers comprise Separated by one or more membranes comprising one or more nanopores, wherein the charged polymer can pass through the nanopores, but not at least one of the reagents for adding the one or more monomers or oligomers,
The method is
(A) moving the first end of the charged polymer having the first end and the second end to the addition chamber by electrical attraction, whereby the monomer or oligomer is blocked in the first end Additional process,
(B) transferring the first end of the charged polymer having the added monomer or oligomer in a blocked form to a storage chamber,
(C) deblocking the added monomer or oligomer, and (d) repeating steps a to c until the desired polymer sequence is obtained, wherein the monomer or oligomer to be added in step a) is Identical or different,
Method, which includes.
荷電ポリマーがDNAである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the charged polymer is DNA. ナノチップ中で核酸を合成する方法であって、ナノチップは、少なくとも1つのナノポアを含む膜により分離されている少なくとも第1のチャンバーおよび第2のチャンバーを含み、合成は、第1の末端および第2の末端を有する核酸の第1の末端にヌクレオチドを付加するサイクルにより緩衝液中で実行され、ここで核酸の第1の末端は1以上の付加チャンバー(ヌクレオチドまたはオリゴマーを付加できる試薬を含む)と1以上の保存チャンバー(ヌクレオチドまたはオリゴマーを付加するのに必要な試薬を含まない)との間を電気的引力によって移動し、チャンバーは1以上のナノポアをそれぞれ含む1以上の膜により分離されており、ナノポアは核酸の通過を可能とするのに十分大きいが、ヌクレオチドの付加に必須の少なくとも1つの試薬の通過を可能とするには小さいものである、方法。   A method of synthesizing nucleic acid in a nanotip, the nanotip comprising at least a first chamber and a second chamber separated by a membrane comprising at least one nanopore, the synthesis comprising a first end and a second end Is carried out in a buffer by a cycle of adding a nucleotide to the first end of the nucleic acid having one end of the nucleic acid, wherein the first end of the nucleic acid comprises one or more addition chambers (including reagents capable of adding nucleotides or oligomers) and It moves by electrical attraction between one or more storage chambers (without the reagents necessary to add nucleotides or oligomers), and the chambers are separated by one or more membranes, each containing one or more nanopores. , Nanopores are large enough to allow passage of nucleic acids, but at least one of the essential for nucleotide addition Of those small to allow the passage of reagents, methods. 核酸にヌクレオチドを付加する試薬がポリメラーゼを含む、請求項3に記載の方法。   5. The method of claim 3, wherein the reagent that adds nucleotides to the nucleic acid comprises a polymerase. ヌクレオチドが3’保護形態で付加され、保存チャンバーが付加されたヌクレオチドを脱保護できる試薬を含む、請求項3または4に記載の方法。   5. A method according to claim 3 or 4, wherein the nucleotides are added in 3 'protected form and the storage chamber contains a reagent capable of deprotecting the added nucleotides. ナノチップ中でDNAを合成する方法であって、ナノチップは、トポイソメラーゼを装填されたヌクレオチドまたはオリゴヌクレオチドを含む1以上の付加チャンバー、および、制限酵素またはホスファターゼを含む1以上の保存チャンバーを含み、これらのチャンバーは適合する緩衝液も含み、少なくとも1つのナノポアを含む膜により分離されており、ナノポアは、トポイソメラーゼおよび制限酵素またはホスファターゼがナノポアを通過できないほど十分に小さく、合成は、第1の末端および第2の末端を有する核酸の第1の末端にヌクレオチドまたはオリゴヌクレオチド塊を付加するサイクルにより実行され、ここで核酸の第1の末端は1以上の付加チャンバーと1以上の保存チャンバーとの間を電気的引力によって移動する、方法。   A method of synthesizing DNA in a nanochip, the nanochip comprising one or more addition chambers containing topoisomerase-loaded nucleotides or oligonucleotides, and one or more storage chambers containing restriction enzymes or phosphatases, The chamber also contains a compatible buffer and is separated by a membrane containing at least one nanopore, the nanopore being sufficiently small that topoisomerase and restriction enzyme or phosphatase can not pass through the nanopore, synthesis is carried out at the first end and the first It is carried out by a cycle of adding a nucleotide or oligonucleotide mass to the first end of a nucleic acid having two ends, wherein the first end of the nucleic acid is electrically coupled between the one or more addition chambers and the one or more storage chambers. How to move by dynamic attraction 各サイクルにおいて単一のヌクレオチドが付加される、請求項6に記載の方法。   7. The method of claim 6, wherein a single nucleotide is added in each cycle. トポイソメラーゼに媒介される連結を使用してDNA分子を合成する方法であって、単一のヌクレオチドまたはオリゴマーをDNA鎖に3’から5’への方向で付加することによるものであり、(i)DNA分子を、所望のヌクレオチドまたはオリゴマーを装填されたトポイソメラーゼと反応させる工程、ここで、ヌクレオチドまたはオリゴマーは、5’末端でのさらなる付加からブロック化されている、次いで、(ii)かくして形成されたDNAの5’末端を脱ブロック化する工程を含み、所望のヌクレオチド配列が得られるまで工程(i)および(ii)を繰り返す、方法。   A method of synthesizing a DNA molecule using topoisomerase mediated ligation by adding a single nucleotide or oligomer to the DNA strand in the 3 'to 5' direction, (i) Reacting the DNA molecule with the topoisomerase loaded with the desired nucleotide or oligomer, wherein the nucleotide or oligomer is blocked from further addition at the 5 'end, then (ii) thus formed Deblocking the 5 'end of the DNA, repeating steps (i) and (ii) until the desired nucleotide sequence is obtained. 単一のヌクレオチドを3’から5’への方向で付加することを含み、工程i)において、5’保護形態の所望のヌクレオチドがDNAの5’末端に付加されるように、5’リン酸化形態の所望のヌクレオチドをトポイソメラーゼに装填し、工程ii)において、付加されたヌクレオチドを脱リン酸化することにより、DNAの5’末端がかくして形成される、請求項8に記載の方法。   5 'phosphorylation, such as adding a single nucleotide in the 3' to 5 'direction, such that in step i) the desired nucleotide in the 5' protected form is added to the 5 'end of the DNA 9. The method according to claim 8, wherein the 5 'end of the DNA is thus formed by loading the topoisomerase with the form of the desired nucleotide and dephosphorylating the added nucleotide in step ii). トポイソメラーゼ結合部位、情報配列、および、制限酵素により切断されるとトポイソメラーゼ連結部位を与える制限部位を含む、オリゴヌクレオチド。   An oligonucleotide comprising a topoisomerase binding site, an information sequence, and a restriction site which when cleaved by a restriction enzyme gives a topoisomerase linking site. 単一のヌクレオチドに結合したトポイソメラーゼであって、トポイソメラーゼはヌクレオチドの3’−リン酸を介して結合しており、ヌクレオチドは5’位でリン酸化されている、トポイソメラーゼ。   A topoisomerase linked to a single nucleotide, wherein the topoisomerase is linked via the 3'-phosphate of the nucleotide and the nucleotide is phosphorylated at the 5'-position. 一本鎖またはコード配列が本質的にハイブリダイズしない塩基からなる、一本鎖または二本鎖DNA分子。   Single-stranded or double-stranded DNA molecule consisting of a single-stranded or coding sequence essentially consisting of non-hybridizing bases. 少なくとも2つの別個のモノマーまたはオリゴマーを含む荷電ポリマー(核酸またはDNAを含む)を、請求項1〜9のいずれかに記載の方法に従って合成することを含み、モノマーの配列が機械可読コードに対応する、情報保存方法。   10. Synthesizing a charged polymer (including nucleic acid or DNA) comprising at least two separate monomers or oligomers according to the method according to any of claims 1-9, the sequence of the monomers corresponding to the machine readable code , How to save information. 合成完了後に荷電ポリマーまたは荷電ポリマーのコピーがナノチップから取り出される、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the charged polymer or a copy of the charged polymer is removed from the nanotip after synthesis completion. 合成完了後に荷電ポリマーがナノチップに残る、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the charged polymer remains on the nanotip after completion of synthesis. 少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAを合成するためのナノチップであって、1以上のナノポアを含む膜により分離されている少なくとも第1および第2の反応チャンバーを含み、各反応チャンバーは荷電ポリマーをチャンバーに引き出す1以上の電極を含み、第1の反応チャンバーは、電解質媒体、および、モノマーまたはオリゴマーをポリマーに付加するための試薬をさらに含み、該モノマーまたはオリゴマーは、1回に1つのみが付加され得るように保護されており、第2の反応チャンバーは、電解質媒体、および、かくして付加されたモノマーまたはオリゴマーを脱保護するための試薬をさらに含み、ナノポアは、ポリマーの通過を可能とするのに十分大きいが、モノマーまたはオリゴマーをポリマーに付加するための試薬、および、かくして付加されたモノマーまたはオリゴマーを脱保護するための試薬の通過を可能とするには小さいものである、ナノチップ。   A charged polymer comprising at least two separate monomers, such as a nanotip for synthesizing DNA, comprising at least a first and a second reaction chamber separated by a membrane comprising one or more nanopores, each reaction chamber Comprises one or more electrodes for drawing the charged polymer into the chamber, the first reaction chamber further comprising an electrolyte medium and a reagent for adding the monomer or oligomer to the polymer, said monomer or oligomer being at one time Protected so that only one can be added, the second reaction chamber further comprises an electrolyte medium and a reagent for deprotecting the thus added monomer or oligomer, the nanopore passes through the polymer Large enough to allow for the monomer or oligomer polymer Reagents for addition, and, thus the added monomers or oligomers to permit the passage of reagent for deprotection is smaller, nanotips. 少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNAを配列決定するためのナノチップであって、少なくとも第1および第2の反応チャンバーを含み、これらは電解質媒体を含み、1以上のナノポアを含む膜で分離されており、各反応チャンバーは、膜の反対側に配置された少なくとも1対の電極を含み、電極は、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz〜1GHz、例えば50〜200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにかけることができる容量回路に作動可能に連結されており、例えば、脈流直流電流は、荷電ポリマーをナノポアを通して引き出すことができ、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を決定できる、ナノチップ。   A charged polymer comprising at least two distinct monomers, for example a nanotip for sequencing DNA, comprising at least first and second reaction chambers, comprising an electrolyte medium, a membrane comprising one or more nanopores Separated, and each reaction chamber includes at least one pair of electrodes disposed on the opposite side of the membrane, the electrodes being for example pulsed at 1 MHz to 1 GHz, for example 50 to 200 MHz, of radio frequency pulsed direct current. Operatively connected to a capacitive circuit that can be applied to the nanopore at a frequency of about 100 MHz, for example, a pulsating direct current can draw the charged polymer through the nanopore and the nanopore as the charged polymer passes through the nanopore A nanotip that can determine the monomer sequence by measuring the volume fluctuation of. 少なくとも2つの異なる種類のモノマーを含む荷電ポリマー、例えばDNA分子のモノマー配列を読み取る方法であって、無線周波数の脈流直流電流を、例えば1MHz〜1GHz、例えば50〜200MHz、例えば約100MHzの周波数でナノポアにかけることを含み、脈流直流電流は、荷電ポリマーをナノポアを通して引き出し、荷電ポリマーがナノポアを通過する際にナノポアの容量変動を測定することによりモノマー配列を決定する、方法。   A method of reading a charged polymer comprising at least two different types of monomers, such as a monomer sequence of a DNA molecule, comprising: radio frequency pulsed direct current, for example 1 MHz to 1 GHz, for example 50 to 200 MHz, for example about 100 MHz A method, comprising applying to the nanopore, wherein the pulsating direct current draws the charged polymer through the nanopore and the monomer arrangement is determined by measuring the nanopore volume fluctuation as the charged polymer passes through the nanopore. 容量変動が、ポリマーがナノポアを通過する際の静電容量の変化により誘導される無線周波数のシグナルにおけるインピーダンスの変化を測定することにより測定される、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein the capacity variation is measured by measuring the change in impedance in the radio frequency signal induced by the change in capacitance as the polymer passes through the nanopore. 少なくとも2つの別個のモノマーを含む荷電ポリマーの配列中にコードされるバイナリコードを読み取る方法である、請求項18または19に記載の方法。   20. A method according to claim 18 or 19, which is a method of reading a binary code encoded in the sequence of a charged polymer comprising at least two separate monomers.
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