JP2019534699A - ナノトランジスタを使用した核酸配列決定 - Google Patents
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Abstract
Description
「核酸」は、デオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチド、および1本鎖または2本鎖の形態のデオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチドのポリマーを指すことがある。この用語は、合成、天然および非天然であり、基準核酸と同様の結合特性を有し、基準ヌクレオチドと同様に代謝される、知られているヌクレオチド類似体または修飾された骨格鎖残基(modified backbone residue)もしくは連鎖(linkage)を含む、核酸を包含することがある。このような類似体の例には、限定はされないが、ホスホロチオアート、ホスホラミダイト、メチルホスホナート、キラル−メチルホスホナート、2−O−メチルリボヌクレオチド、ペプチド−核酸(PNA)が含まれる。
従来の配列決定法は、蛍光染料でヌクレオチドを標識することを含む。使用可能な染料の限界および異なる染料を区別することの光学的限界のため、標識されたヌクレオチドのそれぞれの使用後を含め、定期的に染料を洗い流す必要がある。その後に、異なるヌクレオチド用の異なる染料を導入することができる。この染料の洗浄が、配列決定の効率を低下させることがある。
図1はナノトランジスタ100を示す。ナノトランジスタ100は、ソース電極102およびドレイン電極104を含む。ソース電極102とドレイン電極104は半導体材料106によって接続されている。半導体材料106は、ゲート電極108に電圧が印加されない限り、ソース電極102とドレイン電極104の間に電流が流れることを許さない。この電圧は、電圧源109によって供給することができる。半導体材料は、カーボンナノチューブ、グラフェン、半導体遷移金属ジカルコゲニド2D結晶(例えばMoS2、MoSe2、WS2、WSe2、MoTe2、WTe2、TeS2、SnSe2、TeSe2)またはシリコンナノワイヤを含むことができる。次いで、ソース電極102とドレイン電極104の間に、電源110によって供給された電流を流すことができる。半導体材料内の電気特性、例えば電流または電圧を計測器112によって測定することができる。この電気特性は、半導体材料106の近くの化合物の存在に基づいて変化することがある。電気特性のデータはコンピュータシステム114によって分析される。
ナノトランジスタの近傍にヌクレオチドが留まる確率およびその持続時間を増大させるために、ナノトランジスタに核酸ポリメラーゼを係留することができる。この係留は、(図3および4の場合のように)ナノトランジスタ内の電気特性に影響を及ぼすのに十分に近い位置にヌクレオチドがある間に、ヌクレオチドが新生鎖に組み込まれることを可能にする。化合物が、ナノトランジスタにポリメラーゼを係留してもよい。
図5および6は、本発明の技術の実施形態に基づく核酸分析システム500を示す。示されているとおり、システム500は、係留化合物504に固定された核酸ポリメラーゼ502を含み、係留化合物504は、核酸ポリメラーゼ502をトランジスタ506に付着させている。核酸ポリメラーゼ502は、係留化合物504と共有結合していてもよい。トランジスタ506は、ナノトランジスタ100または本明細書に記載された任意のトランジスタとすることができる。核酸ポリメラーゼ502は、新生鎖516を伸長させるように構成されている。新生鎖516は、鋳型親鎖514とハイブリダイズする。新生鎖516と鋳型親鎖514は中間核酸分子512を形成する。係留化合物504は、核酸鎖503(すなわち第1の核酸鎖)およびポリマー505を含む。
図7は、核酸鎖を分析する、本発明の技術の実施形態に基づく方法を示す。核酸配列は、DNAの部分配列または完全配列とすることができる。方法700とともにシステム500を使用することができる。
システム500と同様の核酸分析システムを使用して、核酸分子の配列を決定する。異なるタイプのヌクレオチドは異なる部分で標識される。異なる部分は、ナノトランジスタの近傍にあるときに、異なる電流シグナチャ(current signature)を示す。その結果、ナノトランジスタ内の電流パターンによってヌクレオチドが同定される。
いくつかの実施形態では、核酸鎖または1本鎖オリゴヌクレオチドの多数のコピーをナノトランジスタに付着させる(係留する)。核酸鎖の多数のコピーは、多数のヌクレオチドを同時にまたはほぼ同時に付加することを可能にする。この場合、ヌクレオチドはそれぞれ同じ部分で標識されていてもよい。したがって、ナノトランジスタに対する部分の効果が倍加および集中することがあり、このことが、ナノトランジスタの電気特性の信号を、単一の部分だけが使用される場合よりも強くすることを可能にする。
図9は、核酸分子分析システム900の一実施形態を示す。当業者であれば気づくことだが、システム900は、以前に説明したシステム500と類似のシステムとすることができる。システム900は、ナノトランジスタ904に固定された鋳型親鎖902を含むことができる。ナノトランジスタ904は、ナノトランジスタ100または本明細書に記載された任意のトランジスタとすることができる。鋳型親鎖902は、ナノトランジスタ904と直接に接触していてもよく、または図9に示されているように粒子906に固定されていてもよい。粒子906は、ナノトランジスタ904に固定されていてもよい。いくつかの実施形態では、粒子906がポリマーに固定されており、ポリマーが、ナノトランジスタ904に固定されている。図9は、多数の鋳型親鎖902を示しているが、システム900は、ナノトランジスタ904に固定された単一の鋳型親鎖だけを含んでいてもよい。
図11に示されているように、実施形態は、核酸配列を決定する方法1100を含むことができる。方法1100は、システム900を使用することを含むことができる。
システム900と同様の核酸分析システムを使用して、核酸分子の配列を決定する。異なるタイプのヌクレオチドは異なる部分で標識される。異なる部分は、ナノトランジスタの近傍にあるときに、異なる電流シグナチャを示す。その結果、ナノトランジスタ内の電流パターンによってヌクレオチドが同定される。
本明細書に記載されたコンピュータシステムはいずれも、適当な数のサブシステムを利用することができる。このようなサブシステムの例が図12のコンピュータシステム10に示されている。いくつかの実施形態では、コンピュータシステムが単一のコンピュータ装置を含み、その場合には、上記サブシステムを、そのコンピュータ装置の構成要素とすることができる。別の実施形態では、コンピュータシステムが、内部構成要素を含む多数のコンピュータ装置を含むことができ、それらのコンピュータ装置はそれぞれがサブシステムである。コンピュータシステムは、デスクトップコンピュータおよびラップトップコンピュータ、タブレット、携帯電話ならびに他の携帯型装置を含むことができる。
Claims (14)
- 核酸配列を決定する方法であって、
係留化合物によってトランジスタに付着させた核酸ポリメラーゼによって新生鎖を伸長させること、
を含み、
前記核酸ポリメラーゼが、
部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチドを組み込み、
鋳型親鎖とハイブリダイズした前記新生鎖の前記伸長中に前記ヌクレオチドを前記標識化合物から切断し、
前記方法がさらに、
前記部分に起因する前記トランジスタの電気特性の変化を測定すること、および、
前記電気特性の測定された前記変化に基づいて前記ヌクレオチドを同定すること、
を含む、前記方法。 - 核酸分子を分析するためのシステムまたは機器であって、
係留化合物に付着させた核酸ポリメラーゼであり、新生鎖を伸長させるように構成された、前記核酸ポリメラーゼ、
部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチド、
電源と電気的に連絡したトランジスタ、ならびに、
前記核酸ポリメラーゼが前記ヌクレオチドを組み込んだ後、および前記核酸ポリメラーゼが前記標識化合物から前記ヌクレオチドを切断した後に、前記部分による前記トランジスタの電気特性を測定するように構成された計測装置、
を備え、
前記係留化合物がポリマーを含み、
前記ポリマーが前記トランジスタに固定された、
前記システムまたは機器。 - 前記係留化合物が、前記ポリマーに付着させた核酸鎖を含む、請求項2に記載のシステムまたは機器。
- 前記ヌクレオチドが第1のヌクレオチドであり、
前記部分が第1の部分であり、
前記標識化合物が第1の標識化合物であり、
前記システムまたは機器がさらに、
第2の部分を含む第2の標識化合物に付着させた第2のヌクレオチド、
を含み、
前記第2のヌクレオチドが前記第1のヌクレオチドとは異なり、
前記第2の部分が前記第1の部分とは異なる、
請求項2に記載のシステムまたは機器。 - 前記第1の標識化合物が、複数の第1の標識化合物のうちの1つであり、
前記第2の標識化合物が、複数の第2の標識化合物のうちの1つである、
請求項4に記載のシステムまたは機器。 - 前記システムが複数のトランジスタを備え、
前記電源が、前記複数のトランジスタと電気的に連絡した、
請求項2に記載のシステムまたは機器。 - 前記電気特性が電流である、請求項2に記載のシステムまたは機器。
- 前記部分が金属を含む、請求項2に記載のシステムまたは機器。
- 核酸配列を決定する方法であって、
鋳型親鎖をトランジスタに固定すること、および、
核酸ポリメラーゼによって新生鎖を伸長させること、
を含み、前記核酸ポリメラーゼが、
部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチドを組み込み、
前記鋳型親鎖とハイブリダイズした前記新生鎖の前記伸長中に前記ヌクレオチドを前記標識化合物から切断し、
前記方法がさらに、
前記部分に起因する前記トランジスタの電気特性の変化を測定すること、および、
前記電気特性の測定された前記変化に基づいて前記ヌクレオチドを同定すること、
を含む、前記方法。 - 核酸分子を分析するためのシステムまたは機器であって、前記システムが、
トランジスタに固定された鋳型親鎖、
前記鋳型親鎖とハイブリダイズした新生鎖を伸長させるように構成された核酸ポリメラーゼ、
部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチド、
前記トランジスタと電気的に連絡した電源、ならびに、
前記核酸ポリメラーゼが前記ヌクレオチドを組み込んだ後、および前記核酸ポリメラーゼが前記標識化合物から前記ヌクレオチドを切断した後に、前記部分による前記トランジスタの電気特性を測定するように構成された計測装置、
を備える、前記システムまたは機器。 - 前記トランジスタに固定された複数の鋳型親鎖、
前記複数の鋳型親鎖とハイブリダイズした複数の新生鎖を伸長させるように構成された複数の核酸ポリメラーゼ、
複数の標識化合物に付着させた複数のヌクレオチドであり、それぞれの標識化合物が、複数の部分のうちの1つの部分を含む、前記複数のヌクレオチド、
をさらに備える、請求項10に記載のシステムまたは機器。 - 前記鋳型親鎖が前記トランジスタと接触した、請求項10に記載のシステムまたは機器。
- 前記鋳型親鎖が粒子に固定され、前記粒子が前記トランジスタに固定された、請求項10に記載のシステムまたは機器。
- 前記粒子がポリマーに固定され、前記ポリマーが前記トランジスタに固定された、請求項10に記載のシステムまたは機器。
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