JP2019535245A - High-throughput microbiology-applied high-resolution system, kit, device, and microorganism and other screening methods - Google Patents

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Abstract

試料から細胞を培養するための、マイクロウェルの高密度アレイを画定する微細加工デバイスについて述べる。装置は、インキュベートして複数の細胞を増殖させることができ、これらの細胞を分析部分と予備部分に分割することができる。微細加工デバイスを使用して目的の生物学的実体をスクリーニングするための、例えばリン酸可溶化細菌または他の酸を産生する細菌をスクリーニングするための方法が提供される。A microfabricated device that defines a high density array of microwells for culturing cells from a sample is described. The device can be incubated to grow a plurality of cells, and these cells can be split into an analysis portion and a reserve portion. Methods are provided for screening biological entities of interest using microfabricated devices, for example, for screening phosphate-solubilizing bacteria or other acid-producing bacteria.

Description

本出願は、2016年2月24日に出願された米国仮特許出願第62/299,088号、2016年2月5日に出願された出願番号62/292,091、および2015年4月21日に出願された米国仮特許出願第62/150,677号の優先権を主張する、2016年4月21日に出願された米国特許出願第15/135,377号の一部継続出願である。本出願はまた、2016年10月19日に出願された米国仮特許第62/410,33号の利益を主張する。これらの先行出願の各々の開示は、その全体を参照文献として本明細書に組み込む。
[配列表]
本出願は、2017年10月17日に作成された「GALT_009_PCT_ST25.txt」という名称のEFS-Webを介してASCIIフォーマットで提出されている3KBのサイズの配列リストを含む。組み込まれる配列リストの内容の全てを参照文献としてここに組み込む。
This application was filed on February 24, 2016, US Provisional Patent Application No. 62 / 299,088, filed on February 5, 2016, application number 62 / 292,091, and filed on April 21, 2015. This is a continuation-in-part of US Patent Application No. 15 / 135,377 filed on April 21, 2016, claiming priority from US Provisional Patent Application No. 62 / 150,677. This application also claims the benefit of US Provisional Patent No. 62 / 410,33, filed Oct. 19, 2016. The disclosure of each of these prior applications is incorporated herein by reference in its entirety.
[Sequence Listing]
This application contains a 3 KB size sequence list submitted in ASCII format via EFS-Web named “GALT — 009_PCT_ST25.txt” created on October 17, 2017. The entire contents of the sequence list to be incorporated are incorporated herein by reference.

本発明は一般的には、微生物学、微細加工、化学、光学、ロボット工学および情報技術における革新に関する。もっと具体的に言えば、本発明は生物学的実体および/または栄養素の高処理量の培養、選別、単離、試料採取および/または識別用システム、装置、キットおよび方法に関する。   The present invention relates generally to innovations in microbiology, microfabrication, chemistry, optics, robotics and information technology. More specifically, the present invention relates to high throughput culture, sorting, isolation, sampling and / or identification systems, devices, kits and methods of biological entities and / or nutrients.

自然環境およびその他の試料から生物学的実体を培養するための従来技術や手段は多くの場合、遅速で多くの労力と時間を要し且つ高価である。これら従来技術および手段を持ってしてさえ、しばしば細胞や他の生物学的実体は尚、培養しようとするあらゆる試みを拒み、情報および/または生成物を得る機会を逸することになる。同様に、特有の代謝産物、酵素、タンパク質、核酸、表現型、突然変異、代謝経路、遺伝子、適応性、性能および/または治療恩恵について一群の生物学的実体を選別することは難易度が高く、複雑で効果的な方法を必要とする。例えば、微生物は非常に危険度の高い環境に生息している。生き残るために微生物は、新規な酵素、特有代謝産物、革新的遺伝子経路、並びに環境および隣接微生物への操作戦略を含む驚くべき幾組かの生化学的手段、即ち新しい識見並びに生命救助抗生物質から食料の生産および安全性を改善する肥料にまでおよぶ生成物に導き得た強力な解決策、を創り出してきた。   Conventional techniques and means for culturing biological entities from the natural environment and other samples are often slow, labor intensive, time consuming and expensive. Even with these conventional techniques and means, cells and other biological entities often still refuse any attempt to culture and miss the opportunity to obtain information and / or products. Similarly, screening a group of biological entities for specific metabolites, enzymes, proteins, nucleic acids, phenotypes, mutations, metabolic pathways, genes, adaptability, performance and / or therapeutic benefits can be challenging. Need a complex and effective method. For example, microorganisms live in highly dangerous environments. To survive, microorganisms come from a surprising set of biochemical means, including new enzymes, unique metabolites, innovative genetic pathways, and manipulation strategies to the environment and neighboring microorganisms: new insights and life-saving antibiotics. It has created a powerful solution that could lead to products up to fertilizers that improve food production and safety.

本発明は、複数の実施形態に従って培養作業の流れを能率化し、高スループット選別を助け、および/または新しい病識並びに生成物を創り出す微生物学システム、装置、キットおよび方法を提供する。例えば、装置は1つ以上の細胞を含む試料を収容する微細加工デバイスを含み得る。微細加工デバイスは、1つ以上の細胞培養用マイクロウェルの高密度アレイ(度々「ウェル」と簡潔に参照する)を画定する。   The present invention provides microbiology systems, devices, kits and methods that streamline the culture workflow, assist in high-throughput sorting, and / or create new pathology and products according to embodiments. For example, the apparatus can include a microfabricated device that contains a sample containing one or more cells. Microfabricated devices define a dense array of one or more cell culture microwells (often referred to briefly as “wells”).

複数の実施形態において、細胞培養用マイクロウェルの高密度アレイを備えたデバイスを設けることができる。更なる実施形態において、一組の特異タグを各マイクロウェルまたは複数のマイクロウェル内への配置用に供給してよい。或いは、各マイクロウェルまたはマクロウェルの複数の中に既に播種された特異タグをデバイスに設けてもよい。デバイスおよび/または特異タグを単体で或いはキットの一部として設けることができる。例えば、キットに一種以上の細胞を含む試料を収容する微細加工されたデバイスを組み込むことができ、その微細加工されたデバイスは細胞培養用マイクロウェルの高密度アレイを画定する。キットはまた、一種の細胞が培養される特定マイクロウェルを識別するようにマイクロウェルに配置するための一組の特異タグを含み得る。1つ以上の特異タグを、マイクロウェルの高密度アレイの各マイクロウェルに配置し得る。キットは更に、マイクロウェルへ特異タグを播種する指示および/または培養細胞をそれらが培養された特定マイクロウェルにまでたどって調べるための特異タグ使用の指示を組み込み得る。   In embodiments, a device with a high density array of cell culture microwells can be provided. In further embodiments, a set of unique tags may be provided for placement within each microwell or multiple microwells. Alternatively, the device may be provided with a unique tag that has already been seeded in a plurality of each microwell or macrowell. Devices and / or unique tags can be provided alone or as part of a kit. For example, the kit can incorporate a microfabricated device containing a sample containing one or more cells, and the microfabricated device defines a high density array of cell culture microwells. The kit may also include a set of specific tags for placement in the microwells to identify the particular microwell in which a type of cell is cultured. One or more specific tags can be placed in each microwell of a high density array of microwells. The kit may further incorporate instructions for seeding the specific tag into the microwell and / or instructions for using the specific tag to examine the cultured cells down to the specific microwell in which they were cultured.

複数の実施形態において、特異タグは、細胞或いはマイクロウェルに存在し得る特定種の細胞(例えば微生物)の標的核酸断片にアニーリングするための標的特異性ヌクレオチド配列およびマイクロウェル自体を識別するための位置特異性ヌクレオチド配列を備えた核酸分子を含み得る。複数の特異タグはある1つの特有マイクロウェルに、複数の位置特異性ヌクレオチド配列がその特定マイクロウェルに存在する様に、配置され得る。即ち、位置特異性ヌクレオチド配列は、(例えば、マイクロウェル高密度アレイ内のマイクロウェル寸法を識別するよう予め方向づけられていて)複数のマイクロウェルに見出すことができて、且つ特異タグは多次元であり得る。例えば、一組の特異タグは、マイクロウェルの高密度アレイ内マイクロウェル第1の次元(例えば、横列)を識別するように予め方向づけられた第1の位置特異性ヌクレオチド配列を備えたタグおよびマイクロウェルの高密度アレイ内マイクロウェル第2の次元(例えば、縦列)を識別するように予め方向づけられた第2の位置特異性ヌクレオチド配列を備えたタグを含む二次元とすることができる。第1の位置特異性ヌクレオチド配列と第2の位置特異性ヌクレオチド配列が合わさって、マイクロウェル高密度アレイ内の特定マイクロウェルを識別する。こうして、特定マイクロウェル内の特異タグの組み合わせが、そのマイクロウェルを識別するように機能する。   In embodiments, the specific tag is a target-specific nucleotide sequence for annealing to a target nucleic acid fragment of a specific type of cell (eg, microorganism) that may be present in the cell or microwell and a location for identifying the microwell itself Nucleic acid molecules with specific nucleotide sequences can be included. Multiple specific tags can be placed in one particular microwell such that multiple position-specific nucleotide sequences are present in that particular microwell. That is, position-specific nucleotide sequences can be found in multiple microwells (eg, pre-oriented to identify microwell dimensions in a microwell high density array), and the specific tag can be multidimensional. possible. For example, a set of specific tags includes a tag and a micro with a first position-specific nucleotide sequence pre-oriented to identify a microwell first dimension (eg, a row) within a high density array of microwells. The two-dimensional can include a tag with a second position-specific nucleotide sequence pre-oriented to identify the second dimension (eg, tandem) of the microwells in the high density array of wells. The first position specific nucleotide sequence and the second position specific nucleotide sequence combine to identify a particular microwell within the microwell high density array. Thus, the combination of unique tags within a particular microwell functions to identify that microwell.

複数の実施形態において、細胞培養用マイクロウェルの高密度アレイを組み込むデバイスの各々のあるいは複数のマイクロウェル内に一種以上の栄養素を細胞の増殖および/または選別のために供給できる。一種以上の栄養素を全ての或いは複数のマイクロウェル内の配置用に(例えば、直接に、膜を介して、および/または透過性または半透過性膜上へ)供給できる。あるいはまた、デバイスに各々または複数のマイクロウェル内に予め配置された一種以上の栄養素を供給してもよい。栄養素は単独で、培地の一部として、および/またはキットの一部として供給できる。キットは、デバイスの特定マイクロウェル内で培養されている細胞に一種以上の栄養素を供給する指示を組み込み得る。例えば、キットはさらに、少なくとも1種の少なくとも1個の細胞を培養するための少なくとも1栄養素を含み得る。その少なくとも1種の少なくとも1個の細胞を培養するための少なくとも1栄養素は、少なくとも1種の少なくとも1個の細胞の自然環境からの抽出物の1成分、少なくとも1種の少なくとも1個の細胞の自然環境から派生した培地、少なくとも1種の少なくとも1個の細胞の自然環境に類似するように配合された培地、少なくとも1種の少なくとも1個の細胞のみを培養する選抜培地、および/または少なくとも1種の少なくとも1個の細胞を区別するための差別培地を含んでいても或いはそのものであってもよい。少なくとも1種の少なくとも1個の細胞の自然環境は、生物組織、生物生成物、微生物懸濁液、空気、土壌、堆積物、生命のある有機物、馬草、石油、汚水、および/または水であり得る。   In embodiments, one or more nutrients can be provided for cell growth and / or sorting into each or multiple microwells of a device that incorporates a high density array of cell culture microwells. One or more nutrients can be supplied for placement in all or multiple microwells (eg, directly, through the membrane and / or onto a permeable or semi-permeable membrane). Alternatively, the device may be supplied with one or more nutrients pre-arranged in each or a plurality of microwells. Nutrients can be supplied alone, as part of the media and / or as part of the kit. The kit may incorporate instructions for supplying one or more nutrients to cells being cultured in a particular microwell of the device. For example, the kit can further comprise at least one nutrient for culturing at least one cell of at least one type. The at least one nutrient for culturing the at least one cell of the at least one type is a component of an extract from the natural environment of at least one type of at least one cell, at least one type of at least one type of cell. A medium derived from the natural environment, a medium formulated to resemble the natural environment of at least one cell, a selection medium that only cultures at least one cell of at least one, and / or at least one It may contain or be a differential medium for distinguishing at least one cell of the species. The natural environment of at least one cell of at least one type is biological tissue, biological product, microbial suspension, air, soil, sediment, life organic matter, horse grass, petroleum, sewage, and / or water possible.

複数の実施形態において、細胞培養用にマイクロウェル高密度アレイを組み込んでいるデバイスの各々のまたは複数のマイクロウェル内部に細胞を保持するため(例えば、相互汚染を防ぐため)、膜を設けることができる。膜は、複数のまたは全てのマイクロウェルを封止するように貼られてよい。あるいはまた、複数のまたは全てのマイクロウェル上を既に封止した膜をデバイスに設けてもよい。膜は、例えば、不透過性または気体だけに透過性であってよく、或いは1種以上の栄養素の1つ以上のマイクロウェルへの拡散を考慮してもよい。デバイスおよび/または膜は、単独で或いはキットの一部として設けることが出来る。例えば、キットは少なくとも一個の細胞を含む試料を収容する微細加工によって作られたデバイスを組み込み得る。キットは又、微細加工によって作られたデバイスに試料を装填した後で、マイクロウェルの高密度アレイの中の少なくとも1つのマイクロウェルに少なくとも1つの細胞を保持する為に膜を組み込み得る。キットは更に、マイクロウェルに試料を装填する指示および/または細胞を培養する特定マイクロウェル内に培養細胞を保持するために膜を使用する指示を組み込み得る。   In embodiments, a membrane may be provided to retain cells (eg, to prevent cross-contamination) within each or multiple microwells of a device incorporating a microwell high density array for cell culture. it can. The membrane may be applied to seal a plurality or all of the microwells. Alternatively, the device may be provided with a film that already seals over a plurality or all of the microwells. The membrane may be, for example, impermeable or permeable only to gas, or may allow for the diffusion of one or more nutrients into one or more microwells. Devices and / or membranes can be provided alone or as part of a kit. For example, the kit may incorporate a microfabricated device that contains a sample containing at least one cell. The kit can also incorporate a membrane to retain at least one cell in at least one microwell in a high density array of microwells after loading the sample into a microfabricated device. The kit may further incorporate instructions for loading the sample into the microwell and / or instructions for using the membrane to retain the cultured cells within the particular microwell in which the cells are cultured.

複数の実施形態において、一連のステップが細胞培養用マイクロウェル高密度アレイを備えたデバイスを使う細胞培養のために設けられている。例えば、ある1つの方法は、試料から少なくとも1つの細胞を培養するためのマイクロウェル高密度アレイを画定する微細加工により作られたデバイスを取得するステップを含んでよく、そしてそれはマイクロウェル高密度アレイの中の少なくとも1つのマイクロウェルに少なくとも1つの特異タグを配置するステップ、デバイスに1つ以上の細胞を含む試料を装填するステップ、および/または細胞をそれらそれぞれのマイクロウェルに保持するためにデバイスの全てあるいは1部分に膜を貼りつけるステップを含んでよい。複数の実施形態においては、試料を装填前に調製する。例えば、僅か1つの細胞が、多数のマイクロウェル高密度アレイの各マイクロウェルに配置されるように、試料を希薄化してよい。ある1つの方法はまた、デバイスを培養用に温めてマイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルで少なくとも1つの細胞から多数の細胞を増殖させることを含み得る。   In embodiments, a series of steps is provided for cell culture using a device comprising a microwell high density array for cell culture. For example, one method may include obtaining a microfabricated device defining a microwell high density array for culturing at least one cell from a sample, which comprises a microwell high density array Placing at least one specific tag in at least one microwell in the cell, loading the device with a sample containing one or more cells, and / or a device for holding the cells in their respective microwells A step of applying a film to all or a portion of the film. In embodiments, the sample is prepared prior to loading. For example, the sample may be diluted so that only one cell is placed in each microwell of a number of microwell high density arrays. One method may also include warming the device for culture and growing a large number of cells from at least one cell in at least one microwell of a microwell high density array.

複数の実施形態において、細胞の1部分は分析の為に部分的に変更および/または破壊される(例えば、増幅されて配列決定される)が、残りの細胞は将来の試料採取および/または分析から収集した情報に基づいた使用の為に取って置かれるようにマイクロウェル高密度アレイで培養された細胞を複製および/または分割するために、一連のステップが開示されている。例えば、ある1つの方法は、マイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェル内の複数細胞を複数細胞第1部分と複数細胞第2部分に分割するステップを含み得る。少なくとも1つの特異タグは複数細胞第1部分と共に残り得る。マイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェル内の複数細胞の分割は、細胞の幾つかがマイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェル内に残り且つ細胞の幾つかが膜上に残るように、マイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルから膜を取り除くステップを含み得る。或いはまた、膜を一時的に引き剥がして試料採取を可能にしても、あるいは試料採取のために突き通し(即ち穴をあけ)てもよい。   In embodiments, a portion of the cells is partially altered and / or destroyed (eg, amplified and sequenced) for analysis, while the remaining cells are for future sampling and / or analysis. A series of steps is disclosed for replicating and / or dividing cells cultured in a microwell high density array to be set aside for use based on information gathered from. For example, one method may include dividing a plurality of cells in at least one microwell of a microwell high density array into a plurality of cell first portions and a plurality of cell second portions. At least one unique tag may remain with the multiple cell first portion. Division of multiple cells in at least one microwell of a microwell high density array is such that some of the cells remain in at least one microwell of the microwell high density array and some of the cells remain on the membrane. Removing the membrane from at least one microwell of the microwell high density array. Alternatively, the membrane may be temporarily peeled off to allow sampling, or may be pierced (ie, punctured) for sampling.

複数の実施形態において、マイクロウェル高密度アレイで培養された細胞の全てまたは幾つかを分析するために、一連のステップが開示されている。例えば、ある1つの方法は、複数細胞の第1部分を分析して少なくとも1つの対象物の種を明らかにすることを含み得る。分析された細胞は、それらが培養された同一マイクロウェル内にあっても、それらが培養されたマイクロウェルを覆った膜に付着していても、そして/あるいは別の場所(例えば、ペトリ皿または対応のマイクロウェル高密度アレイを備えた別のデバイス)に移されてもよい。分析は、少なくとも1つの対象物の種、それは核酸と遺伝子の少なくとも1つに基づいて選択され得る、の存在或いは不在を明らかにすることを含み得る。例えば、ポリメラーセ連鎖反応(PCR)を行って、少なくとも1つの特異タグの標的特異性ヌクレオチド配列に基づいて細胞内に存在する標的核酸断片のいずれをも増幅させ得る。分析はさらに、次世代配列決定法(NGS)あるいは他のどのタイプの配列決定法を使ってでも、PCRで増幅された標的核酸断片のいずれをも配列決定するステップを含み得る。配列決定は、細胞の種(例えば、微生物)および/または細胞のその種が培養された元のマイクロウェル高密度アレイ内の1つ以上の位置を特定するために使用され得る。   In embodiments, a series of steps is disclosed for analyzing all or some of the cells cultured in a microwell high density array. For example, one method may include analyzing a first portion of a plurality of cells to determine at least one object species. Analyzed cells may be in the same microwell in which they were cultured, attached to the membrane that covered the microwells in which they were cultured, and / or elsewhere (eg, petri dishes or It may be transferred to another device with a corresponding microwell high density array. The analysis may include revealing the presence or absence of at least one object species, which may be selected based on at least one of a nucleic acid and a gene. For example, polymerase chain reaction (PCR) can be performed to amplify any target nucleic acid fragment present in the cell based on the target-specific nucleotide sequence of at least one specific tag. The analysis may further comprise sequencing any of the PCR-amplified target nucleic acid fragments using next generation sequencing (NGS) or any other type of sequencing. Sequencing can be used to identify a cell species (eg, microorganism) and / or one or more locations within the original microwell high density array in which the cell species was cultured.

複数の実施形態において、細胞のある特定の種が培養されたマイクロウェル高密度アレイ内の1つ以上のマイクロウェルを識別および/または位置決定するために、一連のステップが開示されている。例えば、ある1つの方法は、少なくとも1つの対象物の種が培養されたマイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルを少なくとも1つの特異タグに基づいて識別するステップを含み得る。その少なくとも1つの対象物の種が培養されたマイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルの識別に基づき、ある1つの方法は複数細胞の第2部分の中でその少なくとも1つの対象物の種の位置を決定するステップを含み得る。   In embodiments, a series of steps is disclosed for identifying and / or locating one or more microwells in a microwell high density array in which a particular species of cells has been cultured. For example, one method may include identifying at least one microwell of a microwell high density array in which at least one object species is cultured based on at least one specific tag. Based on the identification of at least one microwell of the microwell high density array in which the at least one object species has been cultured, one method is to include the at least one object species in the second portion of the plurality of cells. Determining the position of.

複数の実施形態において、複数の細胞が培養されたマイクロウェル高密度アレイ内の1つ以上のマイクロウェルを選抜又は試料を採取するために、一連のステップが開示されている。例えば、ある1つの方法は、ある1つの特定のマクロウェルまたはその特定のマイクロウェルと相間関係にある膜位置から少なくとも1つの細胞を採取するステップを含み得る。1つ以上のマイクロウェルから同時に採取するために、デバイスおよび方法を記述する。   In embodiments, a series of steps is disclosed for selecting one or more microwells or taking a sample in a microwell high density array in which a plurality of cells are cultured. For example, one method may include collecting at least one cell from a membrane location that is in phase with one particular macrowell or that particular microwell. Devices and methods are described for simultaneous collection from one or more microwells.

複数の実施形態において、細胞を培養するためのマクロウェル高密度アレイを備えたデバイスを使って細胞を選別するために、複数の方法が開示されている。例えばある1つの方法は、マイクロウェル高密度アレイで培養された細胞を選別して対象物の種の存在あるいは不在を明らかにすることを含み得る。もし存在するなら、その方法は、それらの細胞が培養された1つ以上のマイクロウェルからその対象物の種の1つ以上の細胞を採取するステップを含み得る。ある1つの方法は、細胞の代謝産物、代謝経路、酵素、タンパク質、核酸、表現型、遺伝子、突然変異、適応性および/または性能に基づく分析試験を行うことを含み得る。もし特異タグが利用されたなら、ある1つの方法は1つ以上の位置特異性ヌクレオチド配列を使って対象物の種が培養された1つ以上のマイクロウェルを識別するステップを含み得る。例えば、標的核酸断片は対象物の種内に存在でき、その標的核酸断片は代謝産物、代謝経路、酵素、タンパク質、核酸、表現型、遺伝子、突然変異、適応性および/または性能に関する遺伝子コード等を含んでいる。   In embodiments, multiple methods are disclosed for sorting cells using a device with a macrowell high density array for culturing cells. For example, one method may include sorting cells cultured in a microwell high density array to reveal the presence or absence of the species of interest. If present, the method may comprise the step of harvesting one or more cells of the subject species from one or more microwells in which the cells are cultured. One method may include performing analytical tests based on cellular metabolites, metabolic pathways, enzymes, proteins, nucleic acids, phenotypes, genes, mutations, adaptability and / or performance. If a specific tag is utilized, one method may include identifying one or more microwells in which the species of interest are cultured using one or more regiospecific nucleotide sequences. For example, the target nucleic acid fragment can be present in the species of the object, and the target nucleic acid fragment can be a metabolite, metabolic pathway, enzyme, protein, nucleic acid, phenotype, gene, mutation, adaptability and / or genetic code for performance, etc. Is included.

複数の実施形態において、複数の方法が細胞を培養するためのマイクロウェル高密度アレイを備えたデバイスを使って対象物の種の試料内の相対および/または絶対存在量を求めるために開示されている。例えば、ある1つの方法は、試料を調製して1組の特異タグが配置された複数のマイクロウェルへ装填するステップを含み得るが、その試料は少なくとも1つの細胞の中のただ1つの細胞が多数のマイクロウェル高密度アレイの各マイクロウェルに配置されるように調製される。培養に続いて、ある1つの方法はそれらのタグを使って少なくとも1つの細胞を持つマイクロウェルの第1数を、対象物の種を持つマイクロウェルの第2数をおよび、これらの数に基づいて、試料内の少なくとも1つの対象物の種の相対存在量を求めることを含み得る。ある1つの方法は更に、試料から細胞の総数および、その総数と試料内の少なくとも1つの対象物の種の相対存在量に基づき、試料内のその少なくとも1つの対象物の種の絶対存在量を求めることを含み得る。   In embodiments, a plurality of methods are disclosed for determining relative and / or absolute abundance in a sample of an object species using a device with a microwell high density array for culturing cells. Yes. For example, one method may include the step of preparing a sample and loading it into a plurality of microwells in which a set of specific tags is placed, wherein the sample is a single cell in at least one cell. Prepared to be placed in each microwell of multiple microwell high density arrays. Following incubation, one method uses the tags to derive a first number of microwells with at least one cell, a second number of microwells with the species of interest, and based on these numbers. Determining the relative abundance of at least one object species in the sample. One method further includes determining the absolute abundance of the at least one object species in the sample based on the total number of cells from the sample and the relative abundance of the total number and at least one object species in the sample. Can include seeking.

より一般的には、実験ユニットの高密度アレイを画定する微細加工デバイスを使って生物学的実体を試料から培養するためのシステム、装置、キットおよび方法を開示する。生物学的実体は、微生物(例えば、細菌または真菌などの微生物)、細胞(真核細胞など)、細胞成分、細胞生成物およびウイルスであってよい。複数の実施形態において、複数の生物学的実体が、ある1つの試料内に存在し、デバイスに装填され、そして/あるいはある1つの実験ユニットに装填され得る。ある1つの実験ユニットは、その特定実験ユニットに関する空間情報を識別するために1つ以上の生物学的実体および/または1つ以上の特異タグを組み込み得る。ある1つの特異タグは、タンパク質、核酸、炭水化物、脂質および/または薬物のような結合分子を含み得る。例えば、ある1つの特異タグは、対象物の生物学的実体に存在する生体分子に結合するためのタグ特異性の1成分を含み得る。ある1つの特異タグはまた、その少なくとも1つの実験ユニットに関する空間情報を識別するための位置特異性の1成分も含み得る。デバイスは、培養用に温められて実験ユニットの高密度アレイ内で複数の生物学的実体を増殖させ得る。培養された1つ以上の生物学的実体は、それら実体が少なくとも1つの特異タグに基づいて培養された少なくとも1つの実験ユニットに関する1つ以上の種および/または空間情報を識別するために分析され得る。   More generally, systems, apparatus, kits, and methods for culturing biological entities from samples using microfabricated devices that define a high density array of experimental units are disclosed. Biological entities can be microorganisms (eg, microorganisms such as bacteria or fungi), cells (such as eukaryotic cells), cellular components, cell products and viruses. In embodiments, multiple biological entities may be present in a sample, loaded into a device, and / or loaded into a single experimental unit. A single experimental unit may incorporate one or more biological entities and / or one or more specific tags to identify spatial information about that particular experimental unit. One specific tag may include binding molecules such as proteins, nucleic acids, carbohydrates, lipids and / or drugs. For example, one specific tag may include one component of tag specificity for binding to a biomolecule present in the biological entity of interest. A single unique tag may also include a component of position specificity for identifying spatial information about the at least one experimental unit. The device can be warmed for culture to grow multiple biological entities in a high density array of experimental units. The cultured one or more biological entities are analyzed to identify one or more species and / or spatial information regarding at least one experimental unit in which the entities are cultured based on at least one unique tag. obtain.

複数の実施形態において、試料中の少なくとも1つの生物学的実体(例えば、細菌細胞、真核細胞)についてスクリーニングする方法が提供される。この方法は、マイクロウェルのアレイを画定する上面を有する、本明細書に記載の微細加工デバイスを使用する。マイクロウェルのアレイのうちの少なくとも1つのマイクロウェルには、以下のもの、(a)試料からの少なくとも1つの細胞、(b)指示物質、および、(c)ある量の栄養素が充填される。細胞、指示物質、および栄養素は、任意の順序で連続して装填することができ、またはそれらの組み合わせのいずれかを連続してまたは同時に装填することができる。微細加工デバイスに膜が適用され、少なくとも1つの細胞を少なくとも1つのマイクロウェル内に保持する。微細加工デバイスを所定の条件で一定時間インキュベートして、少なくとも1つのマイクロウェル内の少なくとも1つの細胞から複数の細胞を成長させる。少なくとも1つのマイクロウェルの光学的性質、例えば色、蛍光、燐光、または発光を評価することができる。この評価は、インキュベーションの完了時および/または複数の時点で、例えば、マイクロウェル内容物を充填した後でインキュベーションの前、およびインキュベーションが始まったが終わっていない後などに行うことができる。少なくとも1つのマイクロウェル中の少なくとも1つの関心対象の生物学的実体の有無を評価する、または光学特性の複数回の評価にわたる比較を決定することができる。 In embodiments, a method of screening for at least one biological entity (eg, bacterial cell, eukaryotic cell) in a sample is provided. This method uses the microfabricated device described herein having a top surface defining an array of microwells. At least one microwell of the array of microwells is filled with the following: (a) at least one cell from the sample, (b) an indicator, and (c) an amount of nutrients. Cells, indicators, and nutrients can be loaded sequentially in any order, or any combination thereof can be loaded sequentially or simultaneously. A membrane is applied to the microfabricated device, holding at least one cell in at least one microwell. The microfabricated device is incubated for a certain period of time under predetermined conditions to grow a plurality of cells from at least one cell in at least one microwell. The optical properties of at least one microwell, such as color, fluorescence, phosphorescence, or luminescence, can be evaluated. This evaluation can be performed at the completion of incubation and / or at multiple time points, for example, after filling the microwell contents, before incubation, and after incubation has started but has not ended. The presence or absence of at least one biological entity of interest in at least one microwell can be assessed, or a comparison over multiple assessments of optical properties can be determined.

複数の実施形態において、少なくとも1つのマイクロウェルの光学特性は、指示物質の量または形態と相関する。   In embodiments, the optical properties of at least one microwell correlate with the amount or form of the indicator.

複数の実施形態では、指標物質は水に不溶の無機リン酸塩を含む。これらの実施形態のいくつかにおいて、目的の生物学的実体は、無機リン酸塩を可溶化する微生物を含み得る。   In embodiments, the indicator material comprises an inorganic phosphate that is insoluble in water. In some of these embodiments, the biological entity of interest may include a microorganism that solubilizes inorganic phosphate.

複数の実施形態では、指示薬はpH感受性染料であっても良い。例えば、pH感受性染料は、選択されたpH範囲内の可視光範囲で色を変えることができる。あるいは、pH感受性染料は、第1のpH範囲ではフォトルミネセンス(蛍光性または燐光性)であり、第2の異なるpH範囲ではフォトルミネセンスではない、またはフォトルミネセンスが異なるpHで変化する染料であり得る。   In embodiments, the indicator may be a pH sensitive dye. For example, pH sensitive dyes can change color in the visible light range within a selected pH range. Alternatively, the pH sensitive dye is a photoluminescent (fluorescent or phosphorescent) in the first pH range and not photoluminescent in the second different pH range or the photoluminescence changes at a different pH. It can be.

複数の実施形態において、少なくとも1つの目的の生物学的実体は、酸を産生する微生物を含み得る。   In embodiments, the at least one biological entity of interest may comprise an acid producing microorganism.

複数の実施形態では、光学特性を測定することは、インキュベーションの過程の間の異なる時間に光学特性の複数の測定を行うことを含む。   In embodiments, measuring the optical property includes making multiple measurements of the optical property at different times during the incubation process.

複数の実施形態において、目的の生物学的実体が少なくとも1つのマイクロウェル中に存在すると決定された場合、方法は、インキュベーション後に複数の細胞のうちの少なくともいくつかを標的位置に移すことをさらに含む。   In embodiments, if it is determined that the biological entity of interest is present in at least one microwell, the method further comprises transferring at least some of the plurality of cells to the target location after incubation. .

複数の実施形態において、少なくとも1つのマイクロウェルは複数のマイクロウェルを含み、少なくとも1つの細胞を充填することは、平均して1つの細胞で複数のマイクロウェルのそれぞれに充填することを含む。   In embodiments, the at least one microwell includes a plurality of microwells, and filling at least one cell includes filling each of the plurality of microwells with an average of one cell.

複数の実施形態において、マイクロウェルのアレイの各マイクロウェルは、約25μmから約500μmの直径を有する。 いくつかの実施形態において、マイクロウェルのアレイの表面密度は、1cmあたり少なくとも750マイクロウェルである。 In embodiments, each microwell of the array of microwells has a diameter of about 25 μm to about 500 μm. In some embodiments, the surface density of the array of microwells is at least 750 microwells per cm 2 .

複数の実施形態では、光学特性を評価することは、以下の(a)少なくとも1つの細胞、指標物質、および栄養素が負荷された後で、インキュベーションの前に、少なくとも1つのマイクロウェルの光学特性を測定する、(b)インキュベーション後の少なくとも1つのマイクロウェルの光学特性を測定する、(c)インキュベーション前およびインキュベーション後の測定された光学特性を比較する、ことを含む。   In embodiments, assessing optical properties comprises: (a) loading optical properties of at least one microwell after loading with at least one cell, indicator substance, and nutrient, and prior to incubation. Measuring, (b) measuring the optical properties of at least one microwell after incubation, (c) comparing the measured optical properties before and after incubation.

複数の実施形態において、マイクロウェルのアレイを画定する上面を有する微細加工デバイスを使用して、試料中の少なくとも1つの目的の生物学的実体についてスクリーニングする方法が提供される。この方法は、(a)試料からの少なくとも1つの細胞、(b)指示物質、(c)ある量の栄養素をマイクロウェルのアレイのうちの少なくとも1つのマイクロウェルに充填することを含み、微細加工された装置に膜を適用することにより少なくとも1つの細胞を少なくとも1つのマイクロウェル内に保持し、少なくとも1つのマイクロウェル内の少なくとも1つの細胞から複数の細胞を成長させるために所定の条件で微細加工デバイスを一定期間インキュベートし、インキュベーション後の指標物質の変化に基づいて、少なくとも1つのマイクロウェル中の少なくとも1つの関心対象の生物学的実体の有無を判定するステップを含む。   In embodiments, a method is provided for screening for at least one biological entity of interest in a sample using a microfabricated device having a top surface defining an array of microwells. The method includes filling (a) at least one cell from a sample, (b) an indicator, (c) an amount of nutrients into at least one microwell of an array of microwells, By applying a membrane to the prepared device, holding at least one cell in at least one microwell, and microscopically growing in a predetermined condition to grow a plurality of cells from at least one cell in at least one microwell Incubating the processing device for a period of time and determining the presence or absence of at least one biological entity of interest in the at least one microwell based on a change in the indicator substance after the incubation.

複数の実施形態において、マイクロウェルのアレイを画定する上面を有する微細加工デバイスを使用して、試料中の少なくとも1つの目的の生物学的実体についてスクリーニングする方法が提供される。この方法は、マイクロウェルアレイの複数のマイクロウェルのそれぞれに指示物質を堆積させるステップと、複数のマイクロウェルのうちの少なくとも1つのマイクロウェルがサンプルから少なくとも1つの細胞およびある量の栄養素を受け取るように、サンプルを微細加工された装置上に装填するステップ、受け取った少なくとも1つの細胞および栄養素を複数のマイクロウェルのそれぞれに保持するために、微細加工デバイスに膜を適用するステップとを含み、微細加工された装置を所定の条件で一定期間インキュベートし、少なくとも1つのマイクロウェルの光学特性の測定値に基づいて、複数のマイクロウェルのうちの少なくとも1つのマイクロウェルにおける少なくとも1つの目的の微生物生物学的実体の有無を決定することを含む。   In embodiments, a method is provided for screening for at least one biological entity of interest in a sample using a microfabricated device having a top surface defining an array of microwells. The method includes depositing an indicator in each of the plurality of microwells of the microwell array, such that at least one microwell of the plurality of microwells receives at least one cell and a quantity of nutrients from the sample. And loading the sample onto a microfabricated device, and applying a membrane to the microfabricated device to retain the received at least one cell and nutrient in each of the plurality of microwells. Incubating the processed device for a period of time under predetermined conditions and based on measurements of optical properties of at least one microwell, at least one target microbial biology in at least one microwell of the plurality of microwells Including determining the presence or absence of .

上記の構想および以下でより詳細に述べる構想(それらの構想が互いに矛盾しない限り)の全組み合わせが、此処に開示した集約的主題の一部として検討されることは正当に評価されるべきである。特に、この開示の最後に表示されるクレームに記載された主題の全組み合わせは、此処で開示の集約的主題の一部として検討されている。ここにおいて明確に用いられ参照として組み込まれたどの開示にも表示されている用語は、ここに開示の特定構想と最も整合性のある意味を与えられるべきであることもまた正当に評価される筈である。   It should be appreciated that all combinations of the above concepts and those described in more detail below (as long as they do not conflict with each other) are considered as part of the aggregate subject matter disclosed herein. . In particular, all combinations of subject matter recited in the claims presented at the end of this disclosure are contemplated herein as part of the aggregate subject matter of the disclosure. It is also reasonably appreciated that the terms used in any disclosure expressly used herein and incorporated by reference should be given the meaning most consistent with the particular concept of the disclosure. It is.

他のシステム、製法および機能は、当技術分野の熟練技能者には以下の図面や詳細説明の検討によって明らかとなるであろう。その様な追加のシステム、製法および機能の全てが、本発明の明細書に包含され、本発明の範囲内にあり且つ添付の請求項によって保護されることを意味している。   Other systems, processes and functions will become apparent to those skilled in the art upon review of the following drawings and detailed description. All such additional systems, processes and functions are intended to be encompassed within the specification of the invention, fall within the scope of the invention, and be protected by the accompanying claims.

熟練技術者であれば、図面が主として説明目的であってここに記述の発明主題の範囲を限定しようとするものではないことを分かっていると思う。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、複数の例では、異なる機構の理解を容易にするために此処に開示した発明主題の様々な態様を図面において誇張あるいは拡大して示している場合がある。図面において、同じ参照記号は概ね同じ機構(例えば、機能的に類似および/または構造的に類似の構成部品)を意味する。   Those skilled in the art will recognize that the drawings are primarily for illustrative purposes and are not intended to limit the scope of the inventive subject matter described herein. The drawings are not necessarily to scale, and in some instances, various aspects of the inventive subject matter disclosed herein may be exaggerated or enlarged in the drawings to facilitate understanding of different mechanisms. In the drawings, like reference numbers generally indicate identical features (eg, functionally similar and / or structurally similar components).

図1は、複数の実施形態に従う微細加工デバイスあるいはチップを図示する透視図である。   FIG. 1 is a perspective view illustrating a microfabricated device or chip according to embodiments.

図2A〜図2Cはそれぞれ、複数の実施形態に従う微細加工デバイスあるいはチップの大きさを図示する上面図、側面図および端面図である。   2A-2C are top, side, and end views, respectively, illustrating the size of a microfabricated device or chip according to multiple embodiments.

図3Aおよび図3Bはそれぞれ、複数の実施形態に従う微細加工デバイスあるいはチップを図示する分解組立図および上面図である。   FIGS. 3A and 3B are an exploded view and a top view, respectively, illustrating a microfabricated device or chip according to embodiments.

図4Aおよび図4Bは、複数の実施形態に従う膜の説明図である。図4Cは、複数の実施形態に従う、ウェルのアレイとの接触から形成された印象を有する膜表面の画像である。   4A and 4B are illustrations of membranes according to multiple embodiments. FIG. 4C is an image of a membrane surface having an impression formed from contact with an array of wells, according to embodiments.

図5Aは、複数の実施形態に従って試料から幾つもの細胞を単離する方法を説明する作業ステップ図である。図5Bは、複数の実施形態に従って土壌試料から幾つもの細胞を単離する方法の説明図である。   FIG. 5A is an operational step diagram illustrating a method of isolating a number of cells from a sample according to embodiments. FIG. 5B is an illustration of a method of isolating a number of cells from a soil sample according to embodiments.

図6は、複数の実施形態に従って試料から幾つもの細胞を単離し且つ培養する方法を説明する作業ステップ図である。   FIG. 6 is an operational step diagram illustrating a method for isolating and culturing a number of cells from a sample according to embodiments.

図7は、複数の実施形態に従って複合試料から幾つもの細胞を単離し且つ培養する方法の説明図である。パネル716は出力を示し、単離された培養細胞株(配列番号2〜6)である。   FIG. 7 is an illustration of a method for isolating and culturing a number of cells from a composite sample according to embodiments. Panel 716 shows output and is an isolated cultured cell line (SEQ ID NO: 2-6).

図8A〜図8Cは、複数の実施形態に従って行う1つのピンあるいは多数のピンによる採取の説明図である。   8A to 8C are explanatory diagrams of sampling by one pin or a large number of pins performed according to a plurality of embodiments.

図9A〜図9Dは、複数の実施形態に従うある1つのウェルの選抜を示す画像である。   9A-9D are images that illustrate the selection of a well according to embodiments.

図10A〜図10Dは、複数の実施形態に従ってある1つのチップから採取するための道具の説明図である。   10A-10D are illustrations of a tool for sampling from a single chip according to embodiments.

図11は、寒天の薄層を突き抜かれた1つのウェルの画像であって、複数の実施形態に従って膜または封止層を突きぬくことを図で示している。   FIG. 11 is an image of a well punched through a thin layer of agar, illustrating the penetration of a membrane or sealing layer according to embodiments.

図12は、複数の実施形態に従うチップ1200の断面を表す図である。   FIG. 12 is a diagram illustrating a cross section of a chip 1200 according to a plurality of embodiments.

図13は、複数の実施形態に従う選別方法を説明する作業ステップ図である。   FIG. 13 is a work step diagram illustrating a screening method according to a plurality of embodiments.

図14は、複数の実施形態に従う選別方法を図解する一覧図である。   FIG. 14 is a list diagram illustrating a screening method according to a plurality of embodiments.

図15は、複数の実施形態に従う1つの選別例を図示する一連の画像である。   FIG. 15 is a series of images illustrating one screening example according to embodiments.

図16A〜図16Cは、複数の実施形態に従う1つの遮蔽物からの回収を説明する画像である。   FIGS. 16A-16C are images illustrating collection from a single shield according to embodiments.

図17Aは、複数の実施形態に従う選別用チップを説明する分解組立図である。図17Bは、複数の実施形態に従う選別に続くチップの蛍光画像である。図17Cは、複数の実施形態に従って選別に続いてチップから試料を採取する1ステップを示す画像である。   FIG. 17A is an exploded view illustrating a sorting chip according to a plurality of embodiments. FIG. 17B is a fluorescence image of the chip following sorting according to embodiments. FIG. 17C is an image showing one step of collecting a sample from a chip following sorting according to embodiments.

図18は、複数の実施形態に従う計数方法を説明する作業ステップ図である。   FIG. 18 is a work step diagram illustrating a counting method according to a plurality of embodiments.

図19は、複数の実施形態に従う計数方法を図解する一覧図である。パネル1916は出力を示し、培養細胞の配列および相対的存在量(配列番号2〜6)である。   FIG. 19 is a list diagram illustrating a counting method according to a plurality of embodiments. Panel 1916 shows the output and is the sequence and relative abundance (SEQ ID NO: 2-6) of the cultured cells.

図20は、複数の実施形態に従う索引付け方法を図解する一覧図である。   FIG. 20 is a list diagram illustrating an indexing method according to embodiments.

図21A〜図21Eは、複数の実施形態に従うウェル特異性化学作用物質を有するチップを表す一覧図である。   FIGS. 21A-21E are lists illustrating chips having well-specific chemical agents according to embodiments.

図22A〜図22Bは、複数の実施形態に従うハイスループットスクリーニングの結果を示すチップの画像である。   22A-22B are chip images showing the results of high-throughput screening according to multiple embodiments.

図23は、複数の実施形態に従うチップ上に装填された二成分混合物のアリコートを示す顕微鏡画像である。   FIG. 23 is a microscopic image showing an aliquot of a binary mixture loaded on a chip according to embodiments.

図24Aは、チップの倒立顕微鏡から撮影された一連の画像から一緒にステッチされた合成画像を示す(所定の位置にリザーバおよび膜を有する)。図24Bは、いくつかの増殖を伴うマイクロウェルおよびいくつかのマイクロウェルが空であることを示す倒立顕微鏡からのクローズアップ画像である。   FIG. 24A shows a composite image stitched together from a series of images taken from an inverted microscope of the chip (with reservoir and membrane in place). FIG. 24B is a close-up image from an inverted microscope showing a microwell with some growth and that some microwells are empty.

図25は、純粋な培養物(SC、AC、およびそれらの混合物)について検査したときの個々のマイクロウェルの顕微鏡画像を示す。   FIG. 25 shows microscopic images of individual microwells when examined for pure cultures (SC, AC, and mixtures thereof).

図26は、SCの純粋培養物(図26A)およびACの純粋培養物(図26B)の画像を示す。   FIG. 26 shows images of SC pure culture (FIG. 26A) and AC pure culture (FIG. 26B).

図27は、複数の実施形態に従う例示的な試験から編集されたNGSライブラリーに関するゲル電気泳動の結果を示す。レーン1はモックコミュニティgDNA由来のアンプリコンであり、レーン2はモックコミュニティgDNA由来のアンプリコンであり、レーン3はネガティブコントロールであり、レーン4はDNAラダーである。   FIG. 27 shows gel electrophoresis results for an NGS library compiled from an exemplary test according to embodiments. Lane 1 is an amplicon derived from mock community gDNA, Lane 2 is an amplicon derived from mock community gDNA, Lane 3 is a negative control, and Lane 4 is a DNA ladder.

図28は、例示的な試験から収集されたNGSデータの分類を示す。   FIG. 28 shows a classification of NGS data collected from an exemplary test.

図29は、複数の実施形態に従う例示的な試験からのPCRアンプリコンのゲル電気泳動の結果を示す。レーン1はラダーであり、レーン2〜4は偽集団細菌16S rRNAアンプリコンであり、レーン5はPCRネガティブコントロール編集されたNGSライブラリーに関するゲル電気泳動の結果である。   FIG. 29 shows the results of gel electrophoresis of PCR amplicons from an exemplary test according to embodiments. Lane 1 is a ladder, lanes 2 to 4 are pseudo-population bacterial 16S rRNA amplicons, and lane 5 is the result of gel electrophoresis on NGS library edited by PCR negative control.

図30は、複数の実施形態に従う細菌単離場所の特定のために二重指標を使用する手順を示す。   FIG. 30 illustrates a procedure that uses a dual indicator to identify a bacterial isolation location according to embodiments.

図31は、複数の実施形態に従う単一の2500マイクロウェルチップから各ウェルに対するNGSデータ分析結果を示す。   FIG. 31 shows the NGS data analysis results for each well from a single 2500 microwell chip according to multiple embodiments.

図32A〜32Dは、複数の実施形態に従うリン酸可溶化微生物のスクリーニングアッセイのマイクロウェルの顕微鏡画像を示す図である。   32A-32D are microwell microscopic images of phosphate-solubilized microorganism screening assays according to embodiments.

詳細な説明
本発明は、生物学的実体および/または栄養素の単離、培養、適応、試料採取および/または選別のためのシステム、キット、装置および方法に概ね関する。少なくとも1つの生物学的実体を含む試料を収容するための微細加工デバイス(または“チップ”)を開示する。“生物学的実体”という用語は、微生物、細胞、細胞成分、細胞生成物、ウイルスおよびその他を含んでよく、そして“種”という用語は、分類の単位を記述するために使われ、操作上の分類単位(OTU)、遺伝子型、系統型、表現型、生態型、来歴、挙動または相互作用、生成物、変種、進化上有意種およびその他を含み得る。
DETAILED DESCRIPTION The present invention relates generally to systems, kits, devices and methods for the isolation, culture, adaptation, sampling and / or sorting of biological entities and / or nutrients. Disclosed is a microfabricated device (or “chip”) for containing a sample containing at least one biological entity. The term “biological entity” may include microorganisms, cells, cellular components, cell products, viruses and others, and the term “species” is used to describe a unit of classification and is Taxonomic units (OTU), genotypes, phylogenetics, phenotypes, ecotypes, provenances, behaviors or interactions, products, varieties, evolutionary significant species and others.

細胞は、古細菌、細菌あるいは真核生物(例えば真菌類)であり得る。例えば、細胞は好気性、嫌気性あるいは条件的好気性微生物のような微生物であり得る。ウイルスはバクテリオファージであり得る。他の細胞成分/生成物は、タンパク質、アミノ酸、酵素、糖類、アデノシン三燐酸(ATP)、脂質、核酸(例えばDNAおよびRNA)、ヌクレオシド、ヌクレオチド、細胞膜/壁、鞭毛、線毛、小器官、代謝産物、ビタミン、ホルモン、神経伝達物質、抗体およびその他を含み得る。   The cells can be archaea, bacteria or eukaryotes (eg fungi). For example, the cell can be a microorganism such as an aerobic, anaerobic or a conditional aerobic microorganism. The virus can be a bacteriophage. Other cellular components / products include proteins, amino acids, enzymes, sugars, adenosine triphosphate (ATP), lipids, nucleic acids (eg DNA and RNA), nucleosides, nucleotides, cell membranes / walls, flagella, pili, organelles, It can include metabolites, vitamins, hormones, neurotransmitters, antibodies and others.

栄養素は、規定(例えば、化学的規定あるいは合成の培地)あるいは未規定(例えば、基礎あるいは複合の培地)であってもよい。栄養素は、実験室配合および/または市販用に生産された培地(例えば、二種以上の化学薬品の混合物)を含んでもあるいはその1成分であってもよい。栄養素は、例えばマリンブロス、溶原性ブロス(例えば、ルリアブロス)等のような、液体栄養培地(即ち、栄養スープ)であっても或いはその1成分であってもよい。栄養素は、寒天と混合されて固体培地を形成する液体培地および/または血液寒天培地のような市販製造の寒天板であっても或いはその1成分であってもよい。   Nutrients may be defined (eg, chemically defined or synthetic media) or undefined (eg, basal or complex media). Nutrients may include or be a component of laboratory formulated and / or commercially produced media (eg, a mixture of two or more chemicals). The nutrient may be a liquid nutrient medium (ie, nutrient soup) or a component thereof, such as marine broth, lysogenic broth (eg, luria broth), and the like. The nutrient may be a commercially available agar plate such as a liquid medium and / or a blood agar medium that is mixed with agar to form a solid medium, or may be a component thereof.

栄養素は、選択培地を含んでもあるいはそれらの1成分であってもよい。例えば、選択培地は、或る特定の生物学的実体だけあるいは特定の性質(例えば、抗生物質耐性あるいは特定代謝物合成)を有する生物学的実体だけの増殖用に使うことができる。栄養素は、特異性指示薬(例えば、ニュートラルレッド、フェノールレッド、エオシンYあるいはメチレンブルー)の存在下で生物学的特性を利用して1つのタイプの生物学的実体をいま1つのタイプの生物学的実体あるいは他の複数の生物学的実体から区別する識別培地を含んでもあるいはその1成分であってもよい。   The nutrient may include a selective medium or one component thereof. For example, the selective medium can be used for the growth of only certain biological entities or only biological entities that have certain properties (eg, antibiotic resistance or specific metabolite synthesis). Nutrients take advantage of biological properties in the presence of a specific indicator (eg, neutral red, phenol red, eosin Y or methylene blue) to convert one type of biological entity to another type of biological entity. Alternatively, it may contain or be a component of an identification medium that distinguishes it from other biological entities.

栄養素は、自然環境の抽出物あるいは自然環境から由来した培地を含んでもあるいはその1成分であっても良い。例えば、栄養素は特定タイプの生物学的実体にとって自然な環境、別の環境あるいは複数の環境から導きだされ得る。その環境は、1種以上の生物組織(例えば、結合組織、筋肉、神経、上皮、植物表皮、維管束、土壌等)、生物液あるいは他の生物産物(例えば、羊水、胆汁、血液、脳脊髄液、耳垢、浸出物、糞便、胃液、間質液、細胞内液、リンパ液、乳汁、鼻汁、ルーメン内容物、唾液、皮脂、精液、汗、尿、膣分泌物、吐瀉物等)、微生物懸濁液、空気(例えばいろいろな気体含有物を伴っている)、超臨界二酸化炭素、土壌(例えば、ミネラル、有機物、気体、液体、微生物等を伴っている)、堆積物(例えば、農業、海洋堆積物等)、生きている有機物(例えば、植物、昆虫、その他の小生物および微生物)、死んだ有機物、馬草(例えば、牧草、豆科植物、貯蔵牧草、作物残留物等)、ミネラル、油あるいは油製品(例えば、動物、植物、石油化学に由来するもの)、水(例えば、天然の真水、飲料水、海水等)および/または汚水(例えば、衛生、商業、工業および/または農業廃水、および表面流出物)、更にその他を含み得る。   The nutrient may include a natural environment extract or a medium derived from the natural environment, or may be a component thereof. For example, nutrients can be derived from a natural environment, a separate environment, or multiple environments for a particular type of biological entity. The environment can be one or more biological tissues (eg, connective tissue, muscles, nerves, epithelium, plant epidermis, vascular bundles, soil, etc.), biological fluids or other biological products (eg, amniotic fluid, bile, blood, cerebrospinal) Fluid, earwax, exudate, feces, stomach fluid, interstitial fluid, intracellular fluid, lymph fluid, milk, nasal discharge, rumen contents, saliva, sebum, semen, sweat, urine, vaginal discharge, vomiting, etc.), microorganism suspension Suspension, air (eg, with various gas contents), supercritical carbon dioxide, soil (eg, with minerals, organics, gases, liquids, microorganisms, etc.), sediment (eg, agriculture, oceans) Sediment, etc.), living organic matter (eg, plants, insects, other small organisms and microorganisms), dead organic matter, horse grass (eg, pasture, legumes, storage grass, crop residues, etc.), minerals, Oil or oil products (eg animals, plants, petrochemicals) Scientific origin), water (eg, natural fresh water, drinking water, sea water, etc.) and / or sewage (eg, sanitary, commercial, industrial and / or agricultural wastewater, and surface effluent), and others .

微細加工デバイスは、少なくとも1つの生物学的実体の培養用マイクロウェルの高密度アレイを画定し得る。“高密度”という語は、システムまたは方法が一定領域内に多くの実験を割り振る能力を意味し得る。例えば、“高密度”の実験ユニットを備える微細加工デバイスは、ここで更に述べるように、cm当たり約150マイクロウェルからcm当たり約160,000以上のアイクロウェルを組み込み得る。追加の例を表1に示す。

Figure 2019535245
The microfabricated device can define a high density array of microwells for culturing at least one biological entity. The term “dense” can mean the ability of a system or method to allocate many experiments within a certain area. For example, a microfabricated device comprising a “high density” experimental unit can incorporate from about 150 microwells per cm 2 to about 160,000 or more eyecrowells per cm 2 as further described herein. Additional examples are shown in Table 1.
Figure 2019535245

微細加工デバイスは、一連の機能層を備えた基材を組み込み得る。その一連の機能層は、実験ユニットの第1アレイ(例えばウェル)を画定する第1機能層、および先行する機能層の各実験ユニット内で実験ユニットの次のアレイ(例えば、マイクロウェル)を画定する少なくとも1つの次の機能層を含み得る。実験ユニットの各々は、生物学的実体および/または栄養素を収容且つ培養し、および/または選別するように構成され得る。特に、ここに述べるシステム、キット、装置および方法は、細胞の高密度マトリックスに対する種々の条件の自動および/またはハイスループット選別用に使用され得る。例えば、ここに述べる、システム、キット、装置および方法は、1つ以上の異なる栄養素の微生物増殖への影響を調べて比較するおよび/または代謝物、酵素活性、突然変異あるいは他の細胞機能について検査するために使われ得る。   Microfabricated devices can incorporate a substrate with a series of functional layers. The series of functional layers defines a first functional layer defining a first array of experimental units (eg, wells) and a next array of experimental units (eg, microwells) within each experimental unit of the preceding functional layer. At least one subsequent functional layer. Each of the experimental units can be configured to contain and culture and / or sort biological entities and / or nutrients. In particular, the systems, kits, devices and methods described herein can be used for automated and / or high-throughput sorting of various conditions on a dense matrix of cells. For example, the systems, kits, devices and methods described herein can examine and compare the effects of one or more different nutrients on microbial growth and / or test for metabolites, enzyme activity, mutations or other cellular functions. Can be used to

図1は、複数の実施形態に従う微細加工デバイスあるいはチップを説明する透視図である。チップ100は、上部表面102に射出成形機構を備えた顕微鏡スライドグラス形式に形づくられた基材を組み込んでいる。それら機構は、突き出しタグ106に加えて4つの分離したマイクロウェルアレイ(あるいはマイクロアレイ)等である。各マイクロアレイ内のマイクロウェルは、チップ100の縁回りおよびマイクロアレイ104間のウェルの無い縁辺を備えた格子模様に配置されている。   FIG. 1 is a perspective view illustrating a microfabricated device or chip according to a plurality of embodiments. The chip 100 incorporates a base material formed in the form of a microscope slide glass having an injection molding mechanism on the upper surface 102. These mechanisms are four separate microwell arrays (or microarrays), etc., in addition to the protruding tag 106. The microwells in each microarray are arranged in a lattice pattern with the periphery of the chip 100 and the edges without wells between the microarrays 104.

図2A〜図2Cはそれぞれ、複数の実施形態に従うチップ100の大きさを示す上面、側面および端面図である。図2Aにおいて、チップ100の上面はおおよそ25.5mm×75.5mmである。図2Bにおいて、チップ100の端面はおおよそ25.5mm×0.8mmである。図2Cにおいて、チップ100の側面はおおよそ75.5mm×0.8mmである。   2A-2C are top, side, and end views, respectively, illustrating the size of the chip 100 according to multiple embodiments. In FIG. 2A, the upper surface of the chip 100 is approximately 25.5 mm × 75.5 mm. In FIG. 2B, the end surface of the chip 100 is approximately 25.5 mm × 0.8 mm. In FIG. 2C, the side surface of the chip 100 is approximately 75.5 mm × 0.8 mm.

試料を微細加工デバイスに装填した後、デバイスの少なくとも1部分に膜を施し得る。図3Aは、複数の実施形態に従う微細加工デバイス300を図3Bの上面から見て表示した分解組立図である。デバイス300は、例えば土壌微生物を収容するウェルアレイ302を備えたチップを組み込んでいる。膜304が、ウェルアレイ302の上面に置かれる。ガスケット306が膜304の上面に置かれる。充填孔310を備えたポリカーボネートカバー308が、ガスケット306の上面に置かれる。最後に、封止テープ312がカバー308に貼られる。   After loading the sample into the microfabricated device, a film may be applied to at least a portion of the device. FIG. 3A is an exploded view showing a microfabricated device 300 according to embodiments as viewed from the top of FIG. 3B. The device 300 incorporates a chip with a well array 302 containing, for example, soil microorganisms. A membrane 304 is placed on the top surface of the well array 302. A gasket 306 is placed on top of the membrane 304. A polycarbonate cover 308 with a fill hole 310 is placed on the upper surface of the gasket 306. Finally, the sealing tape 312 is attached to the cover 308.

1つ以上の実験ユニット、ウェルまたはマイクロウェルを組み込む微細加工デバイスの少なくとも1部分を膜で覆うことができる。例えば、微細加工デバイスに試料を装填した後、少なくとも1枚の膜をマイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルに貼り付け得る。複数枚の膜を微細加工デバイスの複数の部分に貼り付け得る。例えば、別々の膜をマイクロウェル高密度アレイの複数の異なる小区画に貼り付け得る。   At least a portion of a microfabricated device that incorporates one or more experimental units, wells or microwells can be covered with a membrane. For example, after loading a sample into a microfabricated device, at least one film can be applied to at least one microwell of a microwell high density array. Multiple films can be attached to multiple portions of a microfabricated device. For example, separate membranes can be applied to a plurality of different compartments of a microwell high density array.

膜は、マイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルに少なくとも1つの生物学的実体を保持するために、微細加工デバイスに結びつけられ、取り付けられ、部分的に取り付けられ、貼られ、封止されおよび/または部分的に封止され得る。例えば、膜は、微細加工デバイスへラミネート加工により可逆的に貼られてもよい。マイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルへ少なくとも1つの生物学的実体を入れるために、膜は打ち抜かれ、引き剥がされ、脱着され、部分的に脱着され、除去されおよびまたは部分的に除去され得る。   The membrane is tied, attached, partially attached, affixed, and sealed to a microfabricated device to retain at least one biological entity in at least one microwell of a microwell high density array. And / or may be partially sealed. For example, the film may be reversibly applied to a microfabricated device by lamination. To place at least one biological entity into at least one microwell of a microwell high density array, the membrane is stamped, peeled, detached, partially detached, removed and / or partially removed. Can be done.

少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル内の細胞個体群の1部分は(例えば吸着等の経由で)膜に付着し得る。付着する場合、少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル内の細胞個体群は、少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル内の細胞固体群の1部分が膜に付着したままでその膜を引き剥がすことによって試料採取され得る。   A portion of the cell population within at least one experimental unit, well or microwell may adhere to the membrane (eg, via adsorption). When attached, the cell population in at least one experimental unit, well or microwell pulls the membrane while a portion of the cell solid group in at least one experimental unit, well or microwell remains attached to the membrane. It can be sampled by peeling off.

図4Aおよび図4Bは、複数の実施形態に従う膜の説明図である。図4Aは、内容物で満たされたウェルアレイを画定するチップ400およびそのウェルアレイを覆ってチップ400を封止する膜402の側面図を示しており、従ってチップ400と接触した膜402の表面は、チップ400から剥がされた時に、図4Bに示されるように、そこに付着した(例えば、貼り付いた)ウェル内容物試料の付いたウェルの各々の刻印を有している。図4Cは、複数の実施形態に従うウェルアレイとの接触によって形成された刻印付き膜表面の画像である。   4A and 4B are illustrations of membranes according to multiple embodiments. FIG. 4A shows a side view of a chip 400 defining a well array filled with contents and a membrane 402 covering the well array and encapsulating the chip 400, and thus the surface of the membrane 402 in contact with the chip 400. Has an imprint of each of the wells with well content samples attached thereto (eg, attached) when peeled from the chip 400, as shown in FIG. 4B. FIG. 4C is an image of a stamped membrane surface formed by contact with a well array according to embodiments.

膜は、不透過性、半透過性、選択的透過性、差分透過性、および/またはマイクロウェル高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルへ少なくとも1つの栄養素が拡散するのを可能にする部分的透過性であり得る。例えば、膜は天然物質および/または合成物質で構成されてよい。膜は、ヒドロゲル層および/または濾紙を組み込み得る。複数の実施形態では、マイクロウェル内の細胞の少なくとも幾つかあるいは全てを保持できる程に十分小さいサイズの孔を有する膜が選択される。哺乳動物細胞に関しては、孔のサイズは数ミクロンであってよく、それでも細胞を保持できる。しかしながら、複数の実施形態においては、孔のサイズは、例えば0.1μmのような、約0.2μm以下の場合がある。膜直径と孔のサイズは材料次第である。例えば、親水性ポリカーボネート膜を利用でき、そのための直径は約10mmから約3000mmの範囲に、そして孔のサイズは約0.01μmから約30.0μmの範囲にあってよい。不透過性の膜は、ゼロにほぼ等しい孔のサイズを有する。不透過膜を使う実施形態では、その膜での封止に先立ってあらゆる栄養素がマイクロウェルに供給されなければならない。気体透過性であるが液体透過性でない膜は、マイクロウェルへの酸素およびマイクロウェルからの二酸化炭素を受け入れ得る。その膜は、限定された孔のサイズを有してよいあるいは有してはならない複雑な構造を持ち得る。しかしながら、それらの孔はナノメートル程度であり得る。膜を選ぶに際しての他の要素としては、コスト、密封性能および/または殺菌性能などが含まれ得る。   The membrane is impermeable, semi-permeable, selectively permeable, differentially permeable, and / or partially permeable allowing at least one nutrient to diffuse into at least one microwell of the microwell high density array. Can be sex. For example, the membrane may be composed of natural and / or synthetic materials. The membrane may incorporate a hydrogel layer and / or filter paper. In embodiments, a membrane is selected that has pores that are small enough to hold at least some or all of the cells in the microwell. For mammalian cells, the pore size can be a few microns and still retain the cells. However, in embodiments, the pore size may be about 0.2 μm or less, such as 0.1 μm. The membrane diameter and pore size depend on the material. For example, a hydrophilic polycarbonate membrane can be utilized, for which the diameter can range from about 10 mm to about 3000 mm, and the pore size can range from about 0.01 μm to about 30.0 μm. An impermeable membrane has a pore size approximately equal to zero. In an embodiment using an impermeable membrane, all nutrients must be supplied to the microwells prior to sealing with the membrane. A membrane that is gas permeable but not liquid permeable can accept oxygen into the microwell and carbon dioxide from the microwell. The membrane may have a complex structure that may or may not have a limited pore size. However, the pores can be on the order of nanometers. Other factors in selecting a membrane may include cost, sealing performance and / or sterilization performance.

基材は、第1表面からその第1表面に向き合う第2表面へと伸ばされたマイクロウェルアレイを画定し得る。マイクロチャネルは、第1表面に第1開口を、第2表面に第2開口を有し得る。第1膜は、少なくとも1つのマイクロチャネル内の細胞個体群の少なくとも幾つかが第1表面に付着するように第1表面の少なくとも1部分に貼り付けられ得る。第2着脱可能膜は、少なくとも1つのマイクロチャネル内の細胞個体群の少なくとも幾つかが第2表面に付着するように第2表面の少なくとも1部分に貼り付けられ得る。少なくとも1つのマイクロチャネル内の細胞固体群は、少なくとも1つのマイクロチャネル内の細胞固体群の少なくとも幾つかが第1膜に付着したままで第1膜をおよび/または少なくとも1つのマイクロチャネル内の細胞固体群の少なくとも幾つかが第2膜に付着したままで第2膜を引き剥がすことによって試料採取され得る。   The substrate can define a microwell array that is extended from a first surface to a second surface facing the first surface. The microchannel may have a first opening on the first surface and a second opening on the second surface. The first membrane can be applied to at least a portion of the first surface such that at least some of the cell population in the at least one microchannel is attached to the first surface. The second removable membrane can be affixed to at least a portion of the second surface such that at least some of the cell population within the at least one microchannel is attached to the second surface. The cell solid groups in the at least one microchannel are cells in the first membrane and / or cells in the at least one microchannel while at least some of the cell solid groups in the at least one microchannel remain attached to the first membrane. Samples can be sampled by tearing off the second membrane while at least some of the solid groups remain attached to the second membrane.

“ハイスループット”という語は、システムあるいは方法が有する非常に大きな数の実験を平行あるいは連続して迅速に行うことを可能にする能力を意味し得る。“ハイスループット”システムの一例は、此処で述べるように、1つ以上の生物学的実体を、少なくとも1つの代謝生成物、酵素、タンパク質、核酸、表現型、突然変異、代謝経路、遺伝子、適応型および能力について検査するために、調製、培養および/または多数の化学、遺伝、薬学、光学および/または画像分析を行う細胞生物学技法を備えた自動装置を含み得る。複数の実施形態によれば、“ハイスループット”は、少なくとも約96実験から少なくとも約10,000,000実験に及ぶ規模の実験を同時あるいはほぼ同時に行うことを意味し得る。   The term “high throughput” may mean the ability to allow a very large number of experiments that a system or method has to be performed quickly in parallel or sequentially. An example of a “high-throughput” system is that, as described herein, one or more biological entities, at least one metabolite, enzyme, protein, nucleic acid, phenotype, mutation, metabolic pathway, gene, adaptation Automated devices equipped with cell biology techniques that perform preparation, culture and / or multiple chemistry, genetic, pharmaceutical, optical and / or image analysis to test for type and ability. According to embodiments, “high throughput” can mean performing experiments on a scale ranging from at least about 96 experiments to at least about 10,000,000 experiments simultaneously or nearly simultaneously.

ここに開示のシステム、装置、キットおよび方法は、生物学的実体(例えば細胞)のマトリックスに対して種々の条件のハイスループット選別に使うことができる。“ウェル内ウェル”概念は、多重レベルの機能層を有するように基材あるいはチップを製造する(例えば、微細加工する)ことによって要求あるいは望まれる如何なるレベル(即ち、ウェル内ウェル内ウェル内ウェル等)でも実現され得る。第1機能層は、実験ユニット(例えば、ウェル)アレイを画定できる。実験ユニットの各々は、次の実験ユニット(例えば、マイクロウェル)アレイを画定するステップによってもう一つの機能層を提供する。このことによって、多重実験あるいは試験を単一チップで同時に行えることから、ハイスループット操作が可能となる。   The systems, devices, kits and methods disclosed herein can be used for high-throughput sorting of various conditions against a matrix of biological entities (eg, cells). The “in-well well” concept refers to any level required or desired by manufacturing (eg, microfabricating) a substrate or chip to have multiple levels of functional layers (ie, wells in wells, wells in wells, etc. ) Can also be realized. The first functional layer can define an experimental unit (eg, well) array. Each experimental unit provides another functional layer by defining the next experimental unit (eg, microwell) array. As a result, multiple experiments or tests can be performed simultaneously on a single chip, thereby enabling high-throughput operation.

例えば、図3Aおよび図3Bにおいて、ガスケット306が膜304の上面に置かれ、その膜は複数の実施形態に従う微細加工デバイス300のウェルアレイ302に施されている。ガスケット306は1つの開口のみを有する。しかしながら、更なる実施形態では、1つのより小さな開口を有する多重のより小型なガスケットあるいは複数のより小さな開口を有する単一ガスケットをデバイスの上面(膜を備えていてもいなくても)に置き、それによって機能層、あるいは次の機能層を備えたより大きな実験ユニットのアレイあるいはそこに位置する次の実験ユニットアレイ(例えば、ウェル302)を形成するステップが出来る。   For example, in FIGS. 3A and 3B, a gasket 306 is placed on top of the membrane 304, which membrane is applied to the well array 302 of the microfabricated device 300 according to embodiments. The gasket 306 has only one opening. However, in a further embodiment, multiple smaller gaskets with one smaller opening or a single gasket with multiple smaller openings are placed on the top surface of the device (with or without a membrane), Thereby, a step of forming a functional layer, or an array of larger experimental units with the next functional layer, or the next experimental unit array (e.g., well 302) located there, can be made.

多重レベルの機能層があれば、例えば、複数の栄養素あるいは栄養素調合物を、同時にあるいはほぼ同時に試験できる。同じ方式が、例えば、代謝産物あるいは細胞の特異機能について検査するあるいは自然環境派生栄養素から微生物を引き離して別の栄養素にするために使用され得る。   With multiple levels of functional layers, for example, multiple nutrients or nutrient formulations can be tested simultaneously or nearly simultaneously. The same scheme can be used, for example, to test for metabolite or cell specific functions or to separate a microorganism from a natural environment derived nutrient into another nutrient.

実験ユニットは、微細加工デバイス表面の所定部位である。例えば、チップの表面を、所定部位の第1アレイに細胞を固定化するように、設計することができる。これらの所定部位は、ウェル、マイクロウェル、マイクロチャネルおよび/または指定固定化部位であり得る。例えば、表面がマイクロウェルアレイを画定するように微細加工されてよい。そのアレイは、基材に壁あるいは追加壁を画定するステップによって数区画に分けることができる。例えば、その表面がウェルの第1アレイを最初に画定するように微細加工されてよく、そこでは各ウェルの内部表面が、マイクロウェル、マイクロチャネルあるいは固定化部位の第2アレイを画定するように、順に加工される。もう1つの例においては、その表面を、マイクロウェルアレイを画定するように、加工でき、そしてもう1つの基材(例えば、寒天、プラスチックあるいはその他の物質)を、その表面およびそれによって画定されるマイクロウェルを仕切るように、その表面に塗ることができる。各ウェル、マイクロウェル、マイクロチャネルおよび/または固定化部位を、少なくとも1つの細胞を収容して増殖させるように構築し得るが、しかし使用において、どの所定ウェル、マイクロウェル、マイクロチャネルあるいは固定化部位も実際のところ1つ以上の細胞を収容および/または増殖させ得るあるいはさせ得ない。実験ユニットの型は置き換え可能であり得る。例えば、マイクロウェルを特に記述するこの文書中の実施形態は、それらのマイクロウェルがすくなくとも部分的にマイクロチャネル、固定化部位および/または他の型の実験ユニットと置き換えられる実施形態を開示することもまた意図している。   The experimental unit is a predetermined part on the surface of the microfabricated device. For example, the surface of the chip can be designed to immobilize cells in a first array of predetermined sites. These predetermined sites can be wells, microwells, microchannels and / or designated immobilization sites. For example, the surface may be microfabricated so as to define a microwell array. The array can be divided into several sections by the step of defining walls or additional walls in the substrate. For example, the surface may be microfabricated such that it first defines a first array of wells, such that the internal surface of each well defines a second array of microwells, microchannels or immobilization sites. Are processed in order. In another example, the surface can be processed to define a microwell array, and another substrate (eg, agar, plastic or other material) is defined by the surface and thereby It can be applied to the surface of the microwell to partition it. Each well, microwell, microchannel and / or immobilization site can be constructed to contain and grow at least one cell, but in use, whichever well, microwell, microchannel or immobilization site In fact, one or more cells may or may not be accommodated and / or grown. The experimental unit type may be interchangeable. For example, embodiments in this document that specifically describe microwells also disclose embodiments in which those microwells are at least partially replaced with microchannels, immobilization sites, and / or other types of experimental units. Also intended.

微細加工デバイスの1か所以上の部分は、選択され、処理され、および/または特別な表面化学性を有する様に表面化学性改質剤で塗布され得る。例えば、基材表面の少なくとも1部分は、細胞を寄せ付けないおよび/または細胞の表面へ貼りつく傾向を減じる第1の表面特性あるいは細胞を引き寄せおよび/または細胞の表面へ貼りつく傾向を高める第2の表面特性付きで設計され得る。標的細胞の種類によるが、物質および/または塗膜は疎水性および/または親水性であり得る。基材の上部表面の少なくとも1部分は、標的細胞を寄せ付けないおよび/または標的細胞のその表面に貼りつく傾向を減じる第1の表面特性を有する様に、処理されてよい。その一方で、各実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルの内部表面の少なくとも1部分は、標的細胞を引き寄せて標的細胞が実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルを占める傾向を高める第2の特性を有する様に、処理されてよい。基材の1つの表面は異なった表面特性を備えた複数の部分を有してよい。   One or more portions of the microfabricated device can be selected, treated, and / or applied with a surface chemistry modifier to have a special surface chemistry. For example, at least a portion of the surface of the substrate has a first surface property that does not attract cells and / or reduces the tendency to stick to the surface of cells or a second tendency to increase the tendency to attract cells and / or stick to the surface of cells. Can be designed with various surface properties. Depending on the type of target cell, the substance and / or coating can be hydrophobic and / or hydrophilic. At least a portion of the top surface of the substrate may be treated to have a first surface property that does not attract the target cells and / or reduces the tendency of the target cells to stick to that surface. On the other hand, at least a portion of the internal surface of each experimental unit, well or microwell has a second property that attracts the target cell and increases the tendency of the target cell to occupy the experimental unit, well or microwell. May be processed. One surface of the substrate may have multiple portions with different surface characteristics.

表面化学性改質剤は、化学蒸着法、電気穿孔法、プラズマ処理および/または電解析出法を使って施すことができる。表面化学性改質剤は、表面電位、ルンド電位、ゼータ電位、表面形態、疎水性および/または親水性を制御できる。表面化学性改質剤は、シラン、高分子電解質、金属、高分子、抗体および/または血漿などを含み得る。例えば、表面化学性改質剤はオクタデシルトリクロロシラン等であってよい。表面化学性改質剤は、例えばモノラウリン酸ポリオキシエチレン(20)ソルビタンおよび/またはポリエチレングリコールp−(1、1、3、3−テトラメチルブチル)−フェニルエーテルの様な、動的共重合体を含み得る。表面化学性改質剤は、例えばポロクサマー407、ポリ(L−リジン)および/またはポリ(エチレングリコール)−ポリ(l−リジン)ブロック共重合体の様な、静的共重合体を含み得る。   The surface chemical modifier can be applied using chemical vapor deposition, electroporation, plasma treatment and / or electrolytic deposition. The surface chemical modifier can control surface potential, lund potential, zeta potential, surface morphology, hydrophobicity and / or hydrophilicity. The surface chemical modifier may include silane, polyelectrolyte, metal, polymer, antibody and / or plasma. For example, the surface chemical modifier may be octadecyltrichlorosilane or the like. The surface chemical modifier is a dynamic copolymer such as polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate and / or polyethylene glycol p- (1,1,3,3-tetramethylbutyl) -phenyl ether. Can be included. The surface chemical modifier may comprise a static copolymer, such as, for example, poloxamer 407, poly (L-lysine) and / or poly (ethylene glycol) -poly (1-lysine) block copolymer.

細胞のマトリックスに対して種々の条件を選別するための装置は、マイクロウェルアレイを画定する表面を有する基材を含み得る。マイクロウェルアレイの数区画は、(例えば、より大きなウェルあるいは壁によって)サブアレイに分割され得る。基材は微細加工で作られ得る。各マイクロウェルは、生物学的実体(例えば、細胞)を収容し且つ増殖させ得る。結果として得た生物学的実体(例えば、細胞)のマトリックスは、生物学的実体の高密度マトリックスであり得る。第1アレイおよび/または第2アレイは、平面、概ね平面、および/または多重平面(例えば、ロール上で)であり得る。   An apparatus for sorting various conditions against a matrix of cells can include a substrate having a surface that defines a microwell array. Several sections of the microwell array can be divided into subarrays (eg, by larger wells or walls). The substrate can be made by microfabrication. Each microwell can contain and grow a biological entity (eg, a cell). The resulting matrix of biological entities (eg, cells) can be a dense matrix of biological entities. The first array and / or the second array can be planar, generally planar, and / or multi-planar (eg, on a roll).

“高分解能”という用語は、数多くの利用可能実験を区別するシステムあるいは方法の能力を意味し得る。例えば、“高分解能”システムあるいは方法は、約1nmから約800μmの直径を有する1つの実験ユニットを高密度実験ユニット含有の微細加工デバイスから選択することができる。微細加工デバイスあるいはチップの基材は、約10,000,000あるいはそれ以上のマイクロウェルを組み込むことができる。例えば、マイクロウェルアレイは、少なくとも96箇所、少なくとも1,000箇所、少なくとも5,000箇所、少なくとも10,000箇所、少なくとも100,000箇所、少なくとも500,000箇所、少なくとも1,000,000箇所、少なくとも5,000,000箇所、あるいは10,000,000箇所の格納場所を含み得る。   The term “high resolution” can mean the ability of a system or method to distinguish between a number of available experiments. For example, a “high resolution” system or method can select one experimental unit having a diameter of about 1 nm to about 800 μm from a microfabricated device containing a high density experimental unit. The substrate of the microfabricated device or chip can incorporate about 10,000,000 or more microwells. For example, a microwell array can include at least 96, at least 1,000, at least 5,000, at least 10,000, at least 100,000, at least 500,000, at least 1,000,000, at least 5,000,000, or 10,000,000 storage locations.

マイクロウェルの表面密度は、cm2当たり約500マイクロウェルから約160,000マイクロウェル、あるいはそれ以上であり得る。微細加工デバイスあるいはチップの基材は、cm2当たり少なくとも150マイクロウェル、cm2当たり少なくとも250マイクロウェル、cm2当たり少なくとも400マイクロウェル、cm2当たり少なくとも500マイクロウェル、cm2当たり少なくとも750マイクロウェル、cm2当たり少なくとも1,000マイクロウェル、cm2当たり少なくとも2,500マイクロウェル、cm2当たり少なくとも5,000マイクロウェル、cm2当たり少なくとも7,500マイクロウェル、cm2当たり少なくとも10,000マイクロウェル、cm2当たり少なくとも50,000マイクロウェル、cm2当たり少なくとも100,000マイクロウェル、あるいはcm2当たり少なくとも160,000マイクロウェルのマイクロウェル表面密度を有し得る。 The surface density of the microwells can be from about 500 microwells to about 160,000 microwells per cm 2 or more. The substrate microfabricated device or chip, cm 2 per at least 150 microwells cm 2 per at least 250 microwells cm 2 per at least 400 microwells cm 2 per at least 500 microwells cm 2 per at least 750 micro-wells, per cm 2 of at least 1,000 microwells per cm 2 of at least 2,500 microwells per cm 2 of at least 5,000 microwells least 7,500 microwells per cm @ 2, per cm 2 of at least 10,000 micro-wells per cm 2 of at least 50,000 micro-wells per cm 2 It may have a microwell surface density of at least 100,000 microwells or per cm 2 of at least 160,000 microwells.

マイクロウェルの大きさは、ナノスケール(例えば、約1から約100ナノメートルの直径)からミクロスケール以上までの幅があり得る。例えば、各マイクロウェルは、約1μmから約800μmの直径、約25μmから約500μmの直径、あるいは約30μmから約100μmの直径を有し得る。マイクロウェルの有し得る直径は、約1μmまたは1μm未満、約5μmまたは5μm未満、約10μmまたは10μm未満、約25μmまたは25μm未満、約50μmまたは50μm未満、約100μmまたは100μm未満、約200μmまたは200μm未満、約300μmまたは300μm未満、約400μmまたは400μm未満、約500μmまたは500μm未満、約600μmまたは600μm未満、約700μmまたは700μm未満、あるいは約800μmまたは800μm未満であり得る。   The microwell size can range from nanoscale (eg, a diameter of about 1 to about 100 nanometers) to microscale or more. For example, each microwell can have a diameter of about 1 μm to about 800 μm, a diameter of about 25 μm to about 500 μm, or a diameter of about 30 μm to about 100 μm. The diameter of the microwell can be about 1 μm or less than 1 μm, about 5 μm or less than 5 μm, about 10 μm or less than 10 μm, about 25 μm or less than 25 μm, about 50 μm or less than 50 μm, about 100 μm or less than 100 μm, about 200 μm or less than 200 μm , Less than about 300 μm or less than 300 μm, less than about 400 μm or less than 400 μm, less than about 500 μm or less than 500 μm, less than about 600 μm or less than 600 μm, less than about 700 μm or less than 700 μm, or less than about 800 μm or less than 800 μm.

マイクロウェルは、約500μmから約5000μmの深さ、約1μmから約500μmの深さ、あるいは約25μmから約100μmの深さを有し得る。マイクロウェルの有し得る深さは、約1μm、約5μm、約10μm、約25μm、約50μm、約100μm、約200μm、約300μm、約400μm、約500μm、約600μm、約700μm、約800μm、約1,000μm、約1,500μm、約2,000μm、約3,000μm、あるいは約5,000μmであり得る。   The microwell can have a depth of about 500 μm to about 5000 μm, a depth of about 1 μm to about 500 μm, or a depth of about 25 μm to about 100 μm. The depth of the microwell can be about 1 μm, about 5 μm, about 10 μm, about 25 μm, about 50 μm, about 100 μm, about 200 μm, about 300 μm, about 400 μm, about 500 μm, about 600 μm, about 700 μm, about 800 μm, about It can be 1,000 μm, about 1,500 μm, about 2,000 μm, about 3,000 μm, or about 5,000 μm.

各マイクロウェルは、例えば円形、六角形、または正方形などの任意の形状を有する開口部または断面を伴い得る。各マイクロウェルは側壁を含み得る。開口部または断面が円形ではないマイクロウェルの場合、本明細書に記載のマイクロウェルの直径は、等価面積を有する円形の有効直径を指す。例えば、一辺の長さが10×10ミクロンの正方形マイクロウェルの場合、等価面積(100平方ミクロン)を有する円は11.3ミクロンの直径を有する。以下で更に述べるように、少なくとも1つの固有の位置特異的タグを高密度マイクロウェルのアレイの少なくとも1つのマイクロウェルに配置して、種の識別および高密度マイクロウェルのアレイの特定のマイクロウェルに対する種の相関を容易にすることができる。その少なくとも1つの特異タグは、少なくとも1つの生物学的実体の標的核酸断片へアニールするための標的特異性ヌクレオチド配列およびマイクロウェルの高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルを識別するための位置特異性ヌクレオチド配列を備えた核酸分子を組み込み得る。   Each microwell may be associated with an opening or cross section having any shape, such as circular, hexagonal, or square. Each microwell can include a sidewall. For microwells where the opening or cross-section is not circular, the diameter of the microwell described herein refers to a circular effective diameter with an equivalent area. For example, for a square microwell with a side length of 10 × 10 microns, a circle with an equivalent area (100 square microns) has a diameter of 11.3 microns. As described further below, at least one unique position-specific tag is placed in at least one microwell of the array of high density microwells to identify species and to specific microwells of the array of high density microwells. Species correlation can be facilitated. The at least one specific tag is a target specific nucleotide sequence for annealing to a target nucleic acid fragment of at least one biological entity and a position specificity for identifying at least one microwell of a high density array of microwells Nucleic acid molecules with nucleotide sequences can be incorporated.

例えば、微細加工デバイスあるいはチップの基材は、約4インチ×4インチの大きさの表面を有し得る。その表面は、おおよそ1億個のマイクロウェルのアレイを画定し得る。マイクロウェルアレイを壁によって約100の小区画に分割できおよび/または基材は約100ウェルのアレイを画定できる、すなわち各小区画あるいはウェル内で画定された約100万のマイクロウェルは合計で約1億のマイクロウェルとなる。異なった栄養素を試験する使用例に関しては、自然環境試料からの微生物は、個々の微生物あるいは微生物クラスターがチップ上のマイクロウェルに分配されるように、チップに装填でき、そこでは各マイクロウェルはより大きなウェルの下部に設置されている。より大きなウェルの各々は、異なる100の栄養素を同一のチップ上で並行してあるいは連続して試験できるように、実験ユニットを組み込むことができる、即ち各ウェルは100万までの試験例をまかなうことができる。   For example, the substrate of a microfabricated device or chip can have a surface that is approximately 4 inches by 4 inches. The surface can define an array of approximately 100 million microwells. The microwell array can be divided into about 100 small compartments by walls and / or the substrate can define an array of about 100 wells, i.e. about 1 million microwells defined within each subcompartment or well total about There will be 100 million microwells. For use cases where different nutrients are tested, microorganisms from natural environmental samples can be loaded onto the chip such that individual microorganisms or microbial clusters are distributed to the microwells on the chip, where each microwell is more Located at the bottom of a large well. Each larger well can incorporate an experimental unit so that different 100 nutrients can be tested in parallel or sequentially on the same chip, ie each well can serve up to 1 million test examples Can do.

標的細胞は、古細菌、細菌あるいは真核生物(例えば、菌類、植物あるいは動物)であり得る。例えば、標的細胞は、好気性、嫌気性および/または条件的好気性微生物のような微生物であってよい。例えば細胞個体数、細胞成分および/または細胞生成物への増殖あるいは他の効果を分析および比較するために、異なる栄養素が標的細胞の組成物を使い並行してあるいは連続して試験され得る。標的細胞の組成物は、例えば一種以上のウイルス(例えばバクテリオファージ)、細胞表面(例えば、細胞膜、細胞壁)、代謝産物、ビタミン、ホルモン、神経伝達物質、抗体、アミノ酸、酵素、タンパク質、糖類、ATP、脂質、ヌクレオシド、ヌクレオチド、核酸(例えばDNAあるいはRNA)、表現型、突然変異体、代謝経路、遺伝子および適応性のような、細胞の成分、生成物、および/または機能について検査され得る。   Target cells can be archaea, bacteria or eukaryotes (eg fungi, plants or animals). For example, the target cell may be a microorganism such as an aerobic, anaerobic and / or conditional aerobic microorganism. Different nutrients can be tested in parallel or sequentially using the composition of the target cells, for example to analyze and compare growth or other effects on cell populations, cell components and / or cell products. The composition of the target cell is, for example, one or more viruses (eg bacteriophages), cell surfaces (eg cell membranes, cell walls), metabolites, vitamins, hormones, neurotransmitters, antibodies, amino acids, enzymes, proteins, sugars, ATP , Lipids, nucleosides, nucleotides, nucleic acids (eg DNA or RNA), phenotypes, mutants, metabolic pathways, genes and adaptability can be tested for cellular components, products, and / or functions.

細胞の組成物は、自然環境試料抽出物および/または希釈物を含み得る。その自然環境試料抽出物および/または希釈物は、1種以上の生物組織(例えば、結合組織、筋肉、神経、上皮、植物表皮、維管束、土壌等)、生物液あるいは他の生物産物(例えば、羊水、胆汁、血液、脳脊髄液、耳垢、浸出物、糞便、胃液、間質液、細胞内液、リンパ液、乳汁、鼻汁、ルーメン内容物、唾液、皮脂、精液、汗、尿、膣分泌物、吐瀉物等)、微生物懸濁液、(例えば種々の気体成分を伴う)空気、超臨界二酸化炭素、(例えば、ミネラル、有機物、気体、液体、微生物等を伴う)土壌、(例えば、農業、海洋等の)堆積物、生きている有機物(例えば、植物、昆虫、その他の小生物および微生物)、死んだ有機物、馬草(例えば、牧草、豆科植物、貯蔵牧草、作物残留物等)、ミネラル、(例えば、動物、植物、石油化学由来の)油あるいは油製品、アルコール、緩衝物、有機溶媒、水(例えば、天然の真水、飲料水、海水等)および/または汚水(例えば、衛生、商業、工業および/または農業廃水、および表面流出物)およびその他を含み得る。   The composition of the cells can include natural environment sample extracts and / or dilutions. The natural environment sample extract and / or dilution may contain one or more biological tissues (eg, connective tissue, muscle, nerve, epithelium, plant epidermis, vascular bundle, soil, etc.), biological fluids or other biological products (eg, , Amniotic fluid, bile, blood, cerebrospinal fluid, earwax, exudate, feces, gastric fluid, interstitial fluid, intracellular fluid, lymph fluid, milk, nasal discharge, rumen contents, saliva, sebum, semen, sweat, urine, vaginal secretion , Suspensions, etc.), microbial suspensions, air (eg, with various gas components), supercritical carbon dioxide, soil (eg, with minerals, organics, gases, liquids, microorganisms, etc.), (eg, agriculture) Sediment, living organic matter (eg, plants, insects, other small organisms and microorganisms), dead organic matter, horse grass (eg, pasture, legumes, storage pasture, crop residues, etc.) , Minerals (eg animal, plant, petrochemical Oils or oil products, alcohol, buffers, organic solvents, water (eg natural fresh water, drinking water, sea water, etc.) and / or sewage (eg sanitary, commercial, industrial and / or agricultural wastewater, and surface runoff) Material) and others.

1つの方法は、細胞を含む組成物を微細加工デバイスへの適用(例えば、装填)に先立ち、細胞と自然環境試料抽出物および/または希釈物とを組み合わせて組成物を調製するステップを含み得る。その方法は更に、自然環境試料抽出物および/または希釈物を液化するステップ含む場合がある。組成物内の細胞濃度は、実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル1個当たりの1細胞の標的配分に合わせ得る。   One method may include combining the cells with a natural environment sample extract and / or dilution prior to applying (eg, loading) the composition comprising the cells to the microfabricated device. . The method may further comprise liquefying the natural environment sample extract and / or dilution. The cell concentration within the composition can be tailored to the target distribution of one cell per experimental unit, well or microwell.

試料が複数個の細胞あるいはウイルスを含む場合、試料内のそれら細胞は、微細加工デバイスに適用された後で溶解されて、核酸分子を放出し得る。細胞は、例えばアルカリ性曝露のような化学処理、洗剤、音波処理、タンパク質分解酵素Kあるいはリゾチーム曝露を使って細胞を溶解し得る。細胞は、加熱によっても溶解され得る。   If the sample contains multiple cells or viruses, those cells in the sample can be lysed after application to the microfabricated device to release nucleic acid molecules. Cells can be lysed using chemical treatments such as alkaline exposure, detergents, sonication, proteolytic enzyme K or lysozyme exposure. Cells can also be lysed by heating.

図5Aは、複数の実施形態に従って1つの試料から細胞を単離するための1つの方法を説明する作業ステップ図である。ステップ500において、試料を得る。ステップ502においては、物理的技法(例えば、混合および/または音波処理)および化学的技法(例えば、キレート剤、洗剤および/または酵素)の少なくとも1つを使って、試料を均一化および/または分散化する。ステップ504においては、均一化およびまたは分散化された試料内の細胞は、例えばNycodenz(登録商標)非粒子状媒体(プロゲンビオテクニクGmbH、ハイデルベルグ、ドイツ、から入手可能)を使う密度遠心法によって分離される。   FIG. 5A is an operational step diagram illustrating one method for isolating cells from a sample according to embodiments. In step 500, a sample is obtained. In step 502, the sample is homogenized and / or dispersed using at least one of physical techniques (eg, mixing and / or sonication) and chemical techniques (eg, chelating agents, detergents and / or enzymes). Turn into. In step 504, cells in the homogenized and / or dispersed sample are obtained by density centrifugation using, for example, Nycodenz® non-particulate media (available from Progenbiotechnic GmbH, Heidelberg, Germany). To be separated.

図5Bは、複数の実施形態に従って1つの土壌試料から細胞を単離する方法を説明する一覧図である。パネル506は、土壌試料を表示している。パネル508は、試験管内で均質化されおよびまたは分散された試料を表示している。パネル510は、遠心分離後に可溶堆積物512、細胞514、不溶堆積物516およびNycodenz(登録商標)518に分離した試料を表示している。   FIG. 5B is a list diagram illustrating a method for isolating cells from a single soil sample according to embodiments. Panel 506 displays a soil sample. Panel 508 displays the sample homogenized and / or dispersed in the test tube. Panel 510 displays the sample separated into soluble sediment 512, cells 514, insoluble sediment 516 and Nycodenz® 518 after centrifugation.

図6は、複数の実施形態に従って1つの試料から細胞を単離しそして培養する方法を説明する作業ステップ図である。ステップ600において、試料を得る。ステップ602において、その得られた試料から少なくとも1細胞を抽出する。ステップ604において、微細加工デバイスあるいはチップの少なくとも1つの高密度マイクロウェルアレイにその少なくとも1つの抽出された細胞を装填する。ステップ604には、その少なくとも1つの抽出細胞を伴う細胞濃度を用意、少なくとも1つの栄養素/培地を選択、および/または少なくとも1つの膜の選択を組み込み得る。ステップ606には、マイクロウェルアレイの少なくとも1部分が少なくとも1つの選択された膜によって密閉されてそれらのマイクロウェルに関する細胞濃度を保持する。ステップ608において、チップが培養目的で温められる。ステップ608には、温度選択、(例えば、好気性かあるいは嫌気性かの)雰囲気の決定、および/または培養時間の決定を組み込み得る。ステップ610において、チップは分割されおよび/または(例えば、ピッカーを使って)複製がつくられ、結果としてここに述べた方法に従って培養された細胞を2部もたらすことになる。例えば、少なくとも1枚の膜が培養細胞の1部分を付着した儘で剥がされる、あるいは培養細胞を試料として取り出すために剥がされるかまたは突き破られる場合がある。省略可のステップ612において、培養細胞の1部が識別のために犠牲にされる。ステップ612には、PCR、配列決定、および/または様々なデータ解析を組み込み得る。ステップ614において、対象物の菌株が識別される。更なる培養、試験、および/または識別を、例えば対象物の菌株およびまたは培養細胞の残部を使って行い得る。   FIG. 6 is an operational step diagram illustrating a method for isolating and culturing cells from a sample according to embodiments. In step 600, a sample is obtained. In step 602, at least one cell is extracted from the obtained sample. In step 604, at least one high density microwell array of a microfabricated device or chip is loaded with the at least one extracted cell. Step 604 may incorporate a cell concentration with the at least one extracted cell, select at least one nutrient / medium, and / or incorporate at least one membrane selection. In step 606, at least a portion of the microwell array is sealed with at least one selected membrane to maintain the cell concentration for those microwells. In step 608, the chip is warmed for culture purposes. Step 608 may incorporate temperature selection, determination of atmosphere (eg, aerobic or anaerobic), and / or determination of incubation time. In step 610, the chip is split and / or replicated (eg, using a picker), resulting in two parts of cells cultured according to the methods described herein. For example, at least one membrane may be peeled off with a scissors with a portion of the cultured cells attached, or may be peeled off or pierced to remove the cultured cells as a sample. In optional step 612, a portion of the cultured cells is sacrificed for identification. Step 612 may incorporate PCR, sequencing, and / or various data analysis. In step 614, a strain of the object is identified. Further culture, testing, and / or identification can be performed using, for example, the strain of the subject and / or the remainder of the cultured cells.

図7は、複数の実施形態に従って複合試料を単離して培養する方法を図解する一覧図である。パネル700には、複合試料、特に微生物叢試料702および土壌試料704、の例が示されている。パネル706では、例えば図5Aおよび図5Bに図解されたプロトコルを使って、試料から少なくとも1つの細胞が抽出されている。パネル708では、少なくとも1つの抽出細胞(および何らかの自然環境抽出物および希釈物)が、少なくとも1つの高密度マイクロウェルアレイ710を有する微細加工デバイスあるいはチップに装填されている。チップ710および試薬カートリッジ712が培養器714内に挿入される場合がある。試薬は、増殖のための栄養需要および/または種々の選抜目的を維持するために、液体を加えるのに役立得る。パネル716には、産出物、即ち培養細胞の単離菌株、が示されている。   FIG. 7 is a list diagram illustrating a method of isolating and culturing a composite sample according to multiple embodiments. Panel 700 shows an example of a composite sample, particularly a microflora sample 702 and a soil sample 704. In panel 706, at least one cell has been extracted from the sample using, for example, the protocol illustrated in FIGS. 5A and 5B. In panel 708, at least one extracted cell (and any natural environment extract and dilution) is loaded into a microfabricated device or chip having at least one high density microwell array 710. The chip 710 and the reagent cartridge 712 may be inserted into the incubator 714. Reagents can serve to add liquids to maintain nutritional needs for growth and / or various selection purposes. Panel 716 shows the output, i.e. an isolated strain of cultured cells.

1つのマイクロウェルで増殖する細胞あるいは微生物の種あるいは分類系統を識別するためには、DNA塩基配列決定、核酸混成、質量分析、赤外分光測定、DNA増幅、遺伝因子あるいは他の種識別子を識別するための抗体結合およびその他を含む技法が必要とされる。多くの識別方法および処理ステップは微生物を消滅させるので、更なる培養および対象物の微生物の研究を妨げている。以後の培養、研究および特定の対象物のクローンの更なる育成を可能にしながら細胞あるいは微生物の識別の両方を可能にするために、幾つもの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル全般にわたって位置保全および微生物個体群の分離を維持しながら1つの基材あるいはチップ全般にわたって各実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルから試料を取って調べるために更なる実施形態が設計される。   Identify DNA sequencing, nucleic acid hybridization, mass spectrometry, infrared spectroscopy, DNA amplification, genetic factors or other species identifiers to identify the species or taxonomy of cells or microorganisms growing in one microwell Techniques including antibody binding and others to do so are needed. Many identification methods and processing steps kill microorganisms, hindering further culture and study of the subject microorganisms. In order to enable both subsequent cell cultures, research, and further growth of clones of a particular object while allowing cell or microbe identification, location conservation and microbial individuals across several experimental units, wells or microwells in general. Further embodiments are designed to take a sample from each experimental unit, well or microwell over a single substrate or chip while maintaining group separation.

上述のように基材は、更に幾つものシステム、キット、装置や方法を使って細胞個体群から試料を取って調べることを可能にし得る。例えば、採取装置が基材の第1表面に適用され得る。その装置は、第1表面と向き合う少なくとも1個の突起物を組み込み得る。その少なくとも1個の突起物は、各マイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットの開口直径よりも小さな直径を有している。その少なくとも1個の突起物は、少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット内の細胞の1個体群の1部分が少なくとも1個の突起物に付着および/または結合するように、その細胞個体群を保持する少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットに挿入され得る。少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット内の細胞個体群の試料は、少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット内の細胞個体群の1部分が少なくとも1個の突起物に付着および/または結合したままで残るように、採取装置を基材の第1表面から取り除くことによって回収され得る。各突起物は、1本のピンまたは複数のピンまたはピン集合体であり得る。   As described above, the substrate may allow a sample to be examined from a cell population using a number of systems, kits, devices and methods. For example, a harvesting device can be applied to the first surface of the substrate. The device may incorporate at least one protrusion that faces the first surface. The at least one protrusion has a diameter smaller than the opening diameter of each microwell, well or experimental unit. The at least one protrusion is a cell population such that a portion of a population of cells in at least one microwell, well or experimental unit attaches and / or binds to at least one protrusion. Can be inserted into at least one microwell, well or experimental unit. A sample of a cell population in at least one microwell, well, or experimental unit has a portion of the cell population in at least one microwell, well, or experimental unit attached and / or bound to at least one protrusion. Can be recovered by removing the harvesting device from the first surface of the substrate. Each protrusion may be a single pin or multiple pins or pin assemblies.

図8A〜図8Cは、複数の実施形態に従っての1本のピンあるは多数のピンによる採取の説明図である。チップ800は、顕微鏡802による検査および採取制御装置804による採取に提供される。図8Aにおいて、採取制御装置804は1本だけのピン806を有するアームを備えている。図8Bでは、多数のピン808を有するアームが示されている。図8Cは、採取ステップ進行中のチップの透視図である。   8A-8C are illustrations of sampling with a single pin or multiple pins in accordance with embodiments. Chip 800 is provided for inspection by microscope 802 and collection by collection controller 804. In FIG. 8A, the sampling control device 804 includes an arm having only one pin 806. In FIG. 8B, an arm having a number of pins 808 is shown. FIG. 8C is a perspective view of the chip during the harvesting step.

図9A〜図9Dは、複数の実施形態に従って1つのウェルの選抜を実際に行っている画像である。図9Aでは、そのウェルは満杯である。図9Bにおいて、ピンが所定位置へと動かされている。図9Cにおいて、そのウェルが選抜されている。図9Dにおいて、試料がそのウェルから取り出されている。   9A to 9D are images in which one well is actually selected according to a plurality of embodiments. In FIG. 9A, the well is full. In FIG. 9B, the pin has been moved into place. In FIG. 9C, the well is selected. In FIG. 9D, a sample has been removed from the well.

図10A〜図10Dは、複数の実施形態に従ってチップからの採取用器具を図解する一覧図である。図10Aにおいて、複数のピンを備えた器具は、複数のウェルを有するチップに位置合わせされている。図10Bにおいて、ピンがウェルに浸かるように器具が下げられている。図10Cにおいて、付着した試料を備えたピンが示され、それら試料は新しいチップへと移される。一方、図10Dでは、試料が器具自身に保持されるように器具を上下反転させている。   FIGS. 10A-10D are schematic diagrams illustrating a tool for collecting from a chip according to embodiments. In FIG. 10A, an instrument with multiple pins is aligned with a chip having multiple wells. In FIG. 10B, the instrument is lowered so that the pin is immersed in the well. In FIG. 10C, pins with attached samples are shown and the samples are transferred to a new chip. On the other hand, in FIG. 10D, the instrument is turned upside down so that the sample is held by the instrument itself.

図11は、寒天薄層を突き通されたウェルの画像であり、複数の実施形態に従う膜あるいは密封層突き抜けを図示している。   FIG. 11 is an image of a well penetrated through a thin agar layer, illustrating a membrane or sealing layer punch through according to embodiments.

一方、少なくとも1つの突起物が少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットに浸される時、その少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット内の細胞固体群の1部分は、その少なくとも1つの突起物の上方およびまわりへ移動した量であって、その移動量部分の少なくとも幾分かは基材の第1表面およびまたはその少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットの内部表面上方にあるものとする。その方法はまた、細胞固体群の移動量部分の少なくとも幾分かを集めることによってその少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞固体群を試料として採取するステップを含んでいる。   On the other hand, when at least one protrusion is immersed in at least one microwell, well, or experimental unit, a portion of the cell solid group within the at least one microwell, well, or experimental unit has its at least one protrusion The amount moved above and around the object, at least some of which is above the first surface of the substrate and / or the inner surface of the at least one microwell, well or experimental unit To do. The method also includes sampling the cell solid mass within the at least one microwell as a sample by collecting at least some of the transferred portion of the cell solid mass.

同様の採取装置が基材の第1表面に向き合う第2表面へ適用され得る。その装置は、第2表面に向き合う少なくとも1つの突起物を組み込み得る。その少なくとも1つの突起物は、少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットの直径に略等しいまたはより小さい直径を有する。その少なくとも1つの突起物は、細胞の固体群を保持する少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットに対応する位置で第2表面へ押され、そして/あるいは細胞の固体群を保持するその少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットの中へ挿入されて、その少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット内のその細胞個体群の1部分を基材の第1表面および/またはその少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットの内部表面の上方へ移動させることとする。細胞個体群の移動部分は、その後で収集され得る。その細胞個体群は、少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル内のプラグ(例えば、ヒドロゲルあるいは寒天のような他の柔らかい物質)上に置かれ、少なくとも1つの突起物が第2表面へ押されそして少なくとも1つのマイクロウェルに挿入された少なくとも1つである時、そのプラグは移動させられ、それによって細胞個体群の1部を移動させるものとする。   A similar harvesting device can be applied to the second surface facing the first surface of the substrate. The device may incorporate at least one protrusion that faces the second surface. The at least one protrusion has a diameter approximately equal to or smaller than the diameter of the at least one microwell, well or experimental unit. The at least one protrusion is pushed to the second surface at a location corresponding to at least one microwell, well or experimental unit holding a solid group of cells and / or at least one of holding the solid group of cells. Inserted into one microwell, well, or experimental unit, and a portion of the cell population within the at least one microwell, well, or experimental unit is transferred to the first surface of the substrate and / or its at least one micro It is assumed to move above the internal surface of the well, well or experimental unit. The moving part of the cell population can then be collected. The cell population is placed on a plug in at least one experimental unit, well or microwell (eg, other soft material such as hydrogel or agar) and at least one protrusion is pushed to the second surface. And when it is at least one inserted in at least one microwell, the plug is moved, thereby moving a part of the cell population.

少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルからの細胞個体群の試料は、別の位置に保管され得る。更なる試料採取に先立ち、少なくとも1つの突起物を洗浄および/または殺菌し得る。その少なくとも1つの突起物の少なくとも1部分が、細胞の付着に有利な表面特性のための表面化学性改質剤で処理および/または塗布された物質で構成され得る。その少なくとも1つの突起物は、突起物配列であり得る。基材の第1表面に装置を適用するに際して、突起物配列は、実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルの対応アレイに挿入され得る。突起物配列の突起物数は、第1アレイ内の実験ユニット数、マイクロウェルの1つの第2アレイ内のマイクロウェル数、あるいは基材内のマイクロウェル総数に相当し得る。   A sample of the cell population from at least one experimental unit, well or microwell can be stored in another location. Prior to further sampling, at least one protrusion may be washed and / or sterilized. At least a portion of the at least one protrusion can be composed of a material that has been treated and / or applied with a surface chemical modifier for surface properties that favor cell attachment. The at least one protrusion may be a protrusion array. In applying the device to the first surface of the substrate, the protrusion array can be inserted into a corresponding array of experimental units, wells or microwells. The number of protrusions in the protrusion array can correspond to the number of experimental units in the first array, the number of microwells in one second array of microwells, or the total number of microwells in the substrate.

基材内の細胞固体群を試料採取するための別の装置は、第1表面と向き合う少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットを組み込んでいる。その少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットは、各マイクロウェルの開口直径より小さい外径と標的細胞直径に対応し得る内径を有している。その少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットは、細胞の個体群を保持する少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルへ挿入される。その少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル内細胞個体群の試料は、その少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルからその細胞個体群を引っ張り出すための圧力を使ってデバイスへ回収される。   Another device for sampling cellular solids within a substrate incorporates at least one needle and / or nanopipette that faces the first surface. The at least one needle and / or nanopipette has an outer diameter that is smaller than the opening diameter of each microwell and an inner diameter that can correspond to the target cell diameter. The at least one needle and / or nanopipette is inserted into at least one experimental unit, well or microwell holding a population of cells. The sample of the cell population in the at least one experimental unit, well or microwell is collected into the device using pressure to pull the cell population from the at least one experimental unit, well or microwell.

その少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルからの細胞個体群の試料は、別の位置に保管され得る。更なる試料採取に先立ち、その少なくとも1つの注射針およびまたはナノピペットを洗浄および/または殺菌し得る。その少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットは、注射針アレイおよび/またはナノピペットアレイであり得る。微細加工基材の第1表面にその装置を適用するに際して、その注射針および/またはナノピペットアレイは実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルの対応アレイへ挿入され得る。注射針および/またはナノピペットアレイ内の注射針および/またはナノピペットの数は、第1アレイ内実験ユニット数、マイクロウェルの別の1アレイ内マイクロウェル数あるいは基材内マイクロウェル総数に相当し得る。   A sample of the cell population from the at least one experimental unit, well or microwell can be stored in another location. Prior to further sampling, the at least one needle and / or nanopipette may be washed and / or sterilized. The at least one needle and / or nanopipette can be a needle array and / or a nanopipette array. In applying the device to the first surface of the microfabricated substrate, the needle and / or nanopipette array can be inserted into a corresponding array of experimental units, wells or microwells. The number of needles and / or nanopipettes in the needle and / or nanopipette array corresponds to the number of experimental units in the first array, the number of microwells in another array of microwells or the total number of microwells in the substrate. obtain.

基材内の細胞個体群を試料採取する別の方法は、流動体内に細胞個体群を保持している少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルへ集束させた音響エネルギーを加えることを含んでいる。集束させた音響エネルギーは、少なくとも1つのマイクロウェルから1小液滴を射出するのに効果的なやり方、例えば音波による小液滴の射出(ADE)、で加える場合がある(例えば、Sackmann 等、"Acoustical Micro- and Nanofluidics: Synthesis, Assembly and Other Applications," Proceedings of the 4th European Conference on Microfluidics (December 2014) を参照)。その小液滴は、少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル内の細胞個体群の試料を含んでいる。その小液滴は、別の容器あるいは表面あるいは基材へ向けて送り出され得る。   Another method of sampling a cell population within a substrate includes applying focused acoustic energy to at least one experimental unit, well or microwell holding the cell population within a fluid. . Focused acoustic energy may be applied in an effective way to eject a small droplet from at least one microwell, such as the ejection of a small droplet by acoustic waves (ADE) (eg, Sackmann et al., "Acoustical Micro- and Nanofluidics: Synthesis, Assembly and Other Applications," Proceedings of the 4th European Conference on Microfluidics (December 2014)). The small droplet contains a sample of the cell population in at least one experimental unit, well or microwell. The small droplets can be delivered towards another container or surface or substrate.

基材は、第1表面の少なくとも1部分を含む第1片と第2表面の少なくとも1部分を含む第2片とを少なくとも含んでいる。それら第1片と第2片は、第1表面および第2表面に平行な平面の少なくとも1部分に沿って脱着可能に結び付けられている。その平面は、幾つもの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルを分割する。少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル内の細胞個体群は、例えば少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル内の細胞個体群の第1部分が第1片に付着したままで且つその少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェル内の細胞個体群の第2部分が第2片に付着したままで、第1片と第2片を切り離すことによって試料採取される。   The substrate includes at least a first piece including at least a portion of the first surface and a second piece including at least a portion of the second surface. The first piece and the second piece are detachably connected along at least a portion of a plane parallel to the first surface and the second surface. The plane divides several experimental units, wells or microwells. The cell population in the at least one experimental unit, well or microwell is, for example, at least one of the first portion of the cell population in the at least one experimental unit, well or microwell remains attached to the first piece. Samples are taken by separating the first piece and the second piece while the second part of the cell population in one experimental unit, well or microwell remains attached to the second piece.

図12は、複数の実施形態に従うチップ1200の1断面を示す図形である。チップ1200は、内容物で満たされたウェルアレイ1202を画定する基材を含んでいる。その基材は、第1片1206および第2片1208で構成されている。それら第1片1206と第2片1208は、ウェルアレイ1202に平行で且つそれを二分する平面に沿って脱着可能に結合されている。第1片1206と第2片1208が切り離される時、複数のウェル1202とそれらの内容物1204は分割されて、チップ1200の内容物1204の隔離と位置を維持する内容物1204の写し2部をもたらす。   FIG. 12 is a diagram showing a cross section of a chip 1200 according to a plurality of embodiments. Chip 1200 includes a substrate that defines a well array 1202 filled with contents. The base material is composed of a first piece 1206 and a second piece 1208. The first piece 1206 and the second piece 1208 are detachably coupled along a plane parallel to the well array 1202 and bisecting it. When the first piece 1206 and the second piece 1208 are separated, the plurality of wells 1202 and their contents 1204 are divided so that two copies of the contents 1204 maintain the isolation and position of the contents 1204 of the chip 1200. Bring.

各マイクロウェル、実験ユニットあるいはマイクロチャネルは、細胞個体群が第1部分と下部部分の両方で増殖できるようなそんな第1部分と下部部分にそのマイクロウェル、実験ユニットあるいはマイクロチャネルを部分的に分離する部分障壁を含み得る。細胞個体群を試料採取するに先立って、上述の方法は細胞個体群内の塊を分散および/または減少させることを含み得る。細胞個体群内細胞塊分散および/または減少には、音波処理、振盪、小粒子による分注等が含まれるが、これらに限定されるものではない。   Each microwell, experimental unit or microchannel is partly separated into a first part and a lower part such that the cell population can grow in both the first part and the lower part. Partial barriers can be included. Prior to sampling the cell population, the method described above may include dispersing and / or reducing the mass within the cell population. Cell mass dispersion and / or reduction within a cell population includes, but is not limited to, sonication, shaking, dispensing with small particles, and the like.

上記の方法は、少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルからの細胞個体群試料を別の場所へ付着させることを更に含み得る。そのべつの場所は、対応する実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルのアレイであり得る。その別の場所は1つの単独容器であってもよい。少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルからの細胞個体群の試料は、次の培養用に維持され得る。一方、その細胞個体群の中でその少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルに残った細胞も次の培養用に維持され得る。   The above method may further comprise attaching a cell population sample from at least one experimental unit, well or microwell to another location. The other location may be a corresponding experimental unit, well or an array of microwells. The other location may be a single container. A sample of the cell population from at least one experimental unit, well or microwell can be maintained for subsequent culture. On the other hand, the cells remaining in the at least one experimental unit, well or microwell in the cell population can also be maintained for the next culture.

上記の方法は、細胞固体群の試料および/または細胞個体群の残留細胞からの少なくとも1つの細胞を識別するステップを更に含み得る。このことは、DNA,cDNAおよび/またはRNA増幅、DNAおよび/またはRNA塩基配列決定、核酸分子混成物形成、質量分光法、およびまたは抗体結合を行うことを含み得る。一方、あるいはそれに加えて、それは少なくとも1つの細胞が由来した実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルを識別するステップをも含み得る。各実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルは、位置特異性ヌクレオチド配列を組み込んだ特異タグでしるし付けをされ得る。その実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルを識別するために、位置特異性ヌクレオチド配列が、配列決定および又は増幅反応において識別され、そしてその位置特異性ヌクレオチド配列は、その少なくとも1つの細胞が由来したその少なくとも1つの実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルと相間関係にあり得る。   The method may further comprise identifying at least one cell from a sample of the cell solid population and / or a residual cell of the cell population. This can include performing DNA, cDNA and / or RNA amplification, DNA and / or RNA sequencing, nucleic acid molecule hybridization, mass spectroscopy, and / or antibody binding. Alternatively, or in addition, it can also include identifying the experimental unit, well or microwell from which at least one cell was derived. Each experimental unit, well or microwell can be marked with a specific tag that incorporates a position-specific nucleotide sequence. To identify the experimental unit, well or microwell, a position-specific nucleotide sequence is identified in a sequencing and / or amplification reaction, and the position-specific nucleotide sequence is at least the one from which the at least one cell was derived. It can be interrelated with one experimental unit, well or microwell.

上述のような微細加工デバイスは、更なるシステム、キット、装置および方法を使って自然環境由来の試料内細胞の培養を可能にし得る。例えば、細胞の少なくとも1つが少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットを占めるように、試料を基材の第1表面に塗布し得る。第1表面の少なくとも1部分(例えば、実験ユニットあるいはウェルの内部表面の少なくとも1部分)に、栄養素がその少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットへ拡散できるように、半透膜を貼りつける。その間、その少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットから占拠細胞が漏れ出すことが防がれおよび/または軽減される。半透膜は、例えば、ヒドロゲル層であり得る。半透膜は、例えばラミネート加工によって、基材に可逆的にあるいは不可逆的に結びつけられるか、あるいは貼り付けられる。このようにして、占拠細胞は、少なくとも1つの栄養素を備えた少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット内で培養され得る。それらの細胞は、ある期間にわたって進行性部分交換を使って少なくとも1つの栄養素から少なくとも1つの他の栄養素あるいは栄養素配合物へと徐々に移動させ得て、それによって飼養化あるいは改造を受ける。   Microfabricated devices such as those described above may allow culturing cells in a sample from the natural environment using additional systems, kits, apparatus and methods. For example, the sample can be applied to the first surface of the substrate such that at least one of the cells occupies at least one microwell, well or experimental unit. A semipermeable membrane is applied to at least a portion of the first surface (eg, at least a portion of the internal surface of the experimental unit or well) so that nutrients can diffuse into the at least one microwell, well or experimental unit. Meanwhile, occupying cells are prevented and / or reduced from leaking out of the at least one microwell, well or experimental unit. The semipermeable membrane can be, for example, a hydrogel layer. The semipermeable membrane is reversibly or irreversibly bound to or pasted on the substrate, for example, by laminating. In this way, occupying cells can be cultured in at least one microwell, well or experimental unit with at least one nutrient. The cells can be gradually migrated from at least one nutrient to at least one other nutrient or nutrient composition using progressive partial exchange over a period of time, thereby undergoing domestication or remodeling.

自然環境に由来する第1の栄養素は、少なくとも1つの第1実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルを占拠する細胞を培養するのに使うことができ、そしてその環境に由来する第2の栄養素は、少なくとも1つの第2実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルを占拠する細胞を培養するのに使うことができる。上記の方法は、少なくとも1つの第1実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルを占拠する細胞と少なくとも1つの第2実験ユニット、ウェルあるいはマイクロウェルを占拠する細胞を比較して第1栄養素と第2栄養素を分析するステップを含み得る。   The first nutrient derived from the natural environment can be used to culture cells occupying at least one first experimental unit, well or microwell, and the second nutrient derived from the environment is at least It can be used to culture cells that occupy one second experimental unit, a well or a microwell. The method comprises comparing at least one first experimental unit, a cell occupying a well or microwell with at least one second experimental unit, a cell occupying a well or microwell, and comparing the first nutrient and the second nutrient. The step of analyzing may be included.

例えば、1つの方法は、以下に記すステップ中の1つ以上を含み得る:
・多くのより大きなウェルあるいはフローセル内に千から1千万個のマイクロウェルを画定するチップを取得すること、そこではマイクロウェルの各々は約1μm〜約800μmの直径、約1μm〜約800μmの深さを有し、チップは、標的微生物のマイクロウェルへの移動を容易にするように構成された1種以上の表面化学作用物質を有するものとする;
・自然環境試料あるいは自然環境試料からの派生物を、どの標的微生物もマイクロウェル内に配置される状態になる様にチップへ塗布するステップ;
・栄養素がマイクロウェル内へ拡散するのを可能にするがマイクロウェルからの微生物の漏れ出しを防ぐおよび/または軽減する障壁を創り出す様にチップ上に1つ以上の半透過性のフィルター、ヒドロゲル層あるいは他の障壁を設置するステップ;
・なくとも1つの栄養素(例えば、自然環境に由来)を備えたチップを培養目的で温めること;
・少なくとも1つの別の栄養素(例えば、配合物)を使って進行性部分交換により栄養素源を徐々に変化させること;および
・マイクロウェル内微生物の如何なる増殖をも検出するステップ。
For example, one method may include one or more of the following steps:
Obtain chips that define 10 to 10 million microwells in many larger wells or flow cells, where each of the microwells has a diameter of about 1 μm to about 800 μm and a depth of about 1 μm to about 800 μm And the chip has one or more surface chemical agents configured to facilitate migration of target microorganisms to the microwells;
Applying a natural environment sample or a derivative from the natural environment sample to the chip so that any target microorganism is placed in the microwell;
One or more semi-permeable filters, hydrogel layers on the chip to create a barrier that allows nutrients to diffuse into the microwell but prevent and / or reduce microbial leakage from the microwell Or installing other barriers;
• warming the chip with at least one nutrient (eg from the natural environment) for culture purposes;
Gradually changing the nutrient source by progressive partial exchange using at least one other nutrient (eg, a formulation); and detecting any growth of microorganisms in the microwell.

標的細胞は、古細菌、細菌あるいは真核生物であり得る。標的ウイルスはバクテリオファージであり得る。ウイルスが標的とされる場合、チップのマイクロウェルは、ウイルスが増殖し得る宿主細胞をも含み得る。占拠細胞あるいはウイルスの増殖検出は、バイオマス(例えば、DNA/RNA/タンパク質/脂質)の変化、代謝産物の有無、pH、栄養素消費、および/または気体消費の検出を伴い得る。占拠細胞あるいはウイルスの増殖検出は、実時間順次画像化、顕微鏡分析、光学濃度測定、蛍光顕微鏡分析、質量分析、電気化学、増幅(DNA、cDNAおよび/またはRNA)、塩基配列決定(DNAおよび/またはRNA)、核酸分子混成物形成、および/または抗体結合を行うことを伴い得る。   Target cells can be archaea, bacteria or eukaryotes. The target virus can be a bacteriophage. When virus is targeted, the microwells of the chip can also contain host cells in which the virus can grow. Occupying cell or virus growth detection may involve detecting changes in biomass (eg, DNA / RNA / protein / lipid), the presence or absence of metabolites, pH, nutrient consumption, and / or gas consumption. Occupant cell or virus growth detection includes real-time sequential imaging, microscopic analysis, optical densitometry, fluorescence microscopic analysis, mass spectrometry, electrochemistry, amplification (DNA, cDNA and / or RNA), sequencing (DNA and / or Or RNA), nucleic acid molecule hybridization, and / or antibody binding.

図13は、複数の実施形態に従って選抜を行うための方法を説明する作業ステップ図である。ステップ1300において、試料を取得する。ステップ1302において、取得した試料から少なくとも1つの細胞を抽出する。ステップ1304において、微細加工デバイスあるいはチップの少なくとも1つの高密度マイクロウェルアレイに、その少なくとも1つの抽出細胞が装填される。ステップ1304は、その少なくとも1つの抽出細胞を有する細胞濃度を用意、少なくとも1つの栄養素/培地を選択、および/または少なくとも1つの膜の選択を含み得る。ステップ1306において、マイクロウェルアレイの少なくとも1部分が少なくとも1つの選択された膜によって密閉されてそれらのマイクロウェルに関する細胞濃度を保持する。ステップ1308において、チップが培養目的で温められる。ステップ1308には、温度選択、(例えば、好気性かあるいは嫌気性かの)雰囲気の決定、および/または培養時間の決定が含まれ得る。遺伝子検査および/または機能検査が実施される場合がある。ステップ1310において、遺伝子検査がチップにたいして施される。ステップ1312において、チップが分割されおよび/または(例えば、ピッカーを使って)複製されて、ここに記述した方法に従って培養した細胞を2部もたらすことになる。例えば、少なくとも1つの膜は、培養細胞を試料採取するために培養細胞の一部分が付着して残るように剥がされるか、あるいは剥がされかあるいは穴をあけられる場合がある。省略可のステップ1314において、培養細胞の1部分が識別のために犠牲にされる。ステップ1314は、PCR、配列決定、および/または様々なデータ解析を組み込み得る。ステップ1316において、対象物の菌株が識別される。更なる培養、試験、および/または識別を、例えば対象物の菌株およびまたは培養細胞の残部を使って行い得る。一方、ステップ1318において機能検査がチップに施される。ステップ1320において、1つ以上の変量を観察し、そしてステップ1316に於けるように、対象物の菌株を識別する。   FIG. 13 is a work step diagram illustrating a method for performing selection according to multiple embodiments. In step 1300, a sample is obtained. In step 1302, at least one cell is extracted from the acquired sample. In step 1304, at least one high density microwell array of microfabricated devices or chips is loaded with the at least one extracted cell. Step 1304 may include providing a cell concentration having the at least one extracted cell, selecting at least one nutrient / medium, and / or selecting at least one membrane. In step 1306, at least a portion of the microwell array is sealed with at least one selected membrane to maintain the cell concentration for those microwells. In step 1308, the chip is warmed for culture purposes. Step 1308 can include temperature selection, determination of atmosphere (eg, aerobic or anaerobic), and / or determination of incubation time. Genetic testing and / or functional testing may be performed. In step 1310, genetic testing is performed on the chip. In step 1312, the chip is split and / or replicated (eg, using a picker) to yield two parts of cells cultured according to the methods described herein. For example, the at least one membrane may be peeled off, peeled off or pierced so that a portion of the cultured cells remain attached to sample the cultured cells. In optional step 1314, a portion of the cultured cells is sacrificed for identification. Step 1314 may incorporate PCR, sequencing, and / or various data analysis. In step 1316, the strain of the object is identified. Further culture, testing, and / or identification can be performed using, for example, the strain of the subject and / or the remainder of the cultured cells. On the other hand, in step 1318, a function test is performed on the chip. In step 1320, one or more variables are observed and the strain of interest is identified, as in step 1316.

図14は、複数の実施形態に従う選別方法を図解する一覧図である。パネル1400は、複合試料の例、具体的には微生物群系試料1402および土壌試料1404、を示している。パネル1406では、例えば図5Aおよび図5Bに示されたプロトコルを使って試料から少なくとも1つの細胞が抽出されている。パネル1408では、少なくとも1つの抽出細胞(および何らかの環境抽出物および/または希釈物)が、少なくとも1つの高密度マイクロウェルアレイ1410を備えた微細加工デバイスあるいはチップに装填されている。チップ1410および試薬カートリッジ1412は、培養器1414内へ挿入され得る。試薬は、増殖および/または種々の選別目的で栄養上の必要条件を維持するための液体を加えるのに有用であり得る。パネル1416は、出力、即ち選別結果および培養細胞の単離菌株、を示している。   FIG. 14 is a list diagram illustrating a screening method according to a plurality of embodiments. Panel 1400 shows an example of a composite sample, specifically a microbial community sample 1402 and a soil sample 1404. In panel 1406, at least one cell has been extracted from the sample using, for example, the protocol shown in FIGS. 5A and 5B. In panel 1408, at least one extracted cell (and any environmental extract and / or dilution) is loaded into a microfabricated device or chip comprising at least one high density microwell array 1410. Chip 1410 and reagent cartridge 1412 may be inserted into incubator 1414. Reagents can be useful for adding liquids to maintain nutritional requirements for growth and / or various sorting purposes. Panel 1416 shows the output, ie the sorting result and the isolated strain of cultured cells.

図15は、複数の実施形態に従う選別例を示す一連の画像である。それらの画像は、低いpHについて検査するために施された膜および酸感受性層を備えたチップの複数の部分を示している。画像1500には、1800を超える50μmマイクロウェルが9箇所の明確なヒット1502を有する状態で表示されている。画像1504は、囲い枠1504の拡大画面であり、そして画像1506はヒット1502を有するマイクロウェルのなかの1つを拡大した画面である。   FIG. 15 is a series of images showing a selection example according to a plurality of embodiments. The images show multiple portions of the chip with a membrane and acid sensitive layer applied to test for low pH. In the image 1500, more than 1800 50 μm microwells are displayed with nine distinct hits 1502. Image 1504 is a magnified screen of enclosure 1504 and image 1506 is a magnified screen of one of the microwells having hit 1502.

図16A〜図16Cは、複数の実施形態に従う遮蔽物からの回収を説明する画像である。図16Aでは、少なくとも1つのウェルが顕微鏡と少なくとも1つのピンを有する採集器を使って穿られている。図16Bでは、ピンが取り除かれ、培地で培養されている。図16Cでは、増殖が見た目に明らかである。   FIGS. 16A-16C are images illustrating collection from a shield according to embodiments. In FIG. 16A, at least one well has been drilled using a collector with a microscope and at least one pin. In FIG. 16B, the pins are removed and cultured in medium. In FIG. 16C, proliferation is apparent.

図17Aは、複数の実施形態に従う選別用チップを説明する分解組立図である。図17Aにおいて、チップ1700は、例えば土壌微生物を内部に有するマイクロウェルの高密度アレイを組み込んでいる。膜1702をチップ1700に貼りつける。ガスケット1704を膜1702越しにチップ1700に貼りつける。蛍光大腸菌を付けた寒天1706をガスケット1704および膜1702越しにチップ1700に貼り付ける。図17Bおよび図17Cは、複数の実施形態に従う選別例を説明する画像である。この例において、遮蔽物は、排除領域用である。図17Bは、図17Aにおけるチップ1700のように加工され、遮蔽物を同伴するチップの蛍光画像である。図17Cは、寒天を貫いてこのチップから試料を採集するステップを示す画像である。   FIG. 17A is an exploded view illustrating a sorting chip according to a plurality of embodiments. In FIG. 17A, a chip 1700 incorporates a high density array of microwells having, for example, soil microorganisms therein. A film 1702 is attached to the chip 1700. A gasket 1704 is attached to the chip 1700 through the membrane 1702. Agar 1706 with fluorescent E. coli is attached to chip 1700 through gasket 1704 and membrane 1702. FIG. 17B and FIG. 17C are images for explaining a selection example according to a plurality of embodiments. In this example, the shield is for the exclusion area. FIG. 17B is a fluorescence image of a chip processed like the chip 1700 in FIG. 17A and accompanied by a shield. FIG. 17C is an image showing the steps of collecting a sample from this chip through agar.

複数の実施形態において、試料の1部分(あるいはその部分の一部)が装置から取り除かれた後、その装置上の位置はその位置に存在する試料のその1部分と相関関係にあり得る。装置はマイクロアレイであっても、あるいはマイクロアレイを組み込んでいてもよい。マイクロアレイは試料を施す複数の位置を有し、そこでは試料の1部分がそのマイクロアレイから取り除かれた後、各位置は試料のその1部分が由来した位置を識別するのに使用できる特異タグで印づけされる。   In embodiments, after a portion of a sample (or a portion of that portion) has been removed from the device, the location on the device can be correlated with that portion of the sample present at that location. The device may be a microarray or may incorporate a microarray. The microarray has multiple locations where the sample is applied, where after a portion of the sample is removed from the microarray, each location is marked with a unique tag that can be used to identify the location from which that portion of the sample originated. It is attached.

本発明は、試料の1部分がマイクロアレイから取り除かれた後、少なくとも1つの核酸分子を含む試料のその部がマイクロアレイのどの位置に由来したかを識別する方法に関しており、その方法は、(a)試料の1部分またはそれ以上の部分をマイクロアレイ上の複数位置の中の1つ以上へ塗るステップ、そこでは各位置は、(i)位置特異性ヌクレオチド配列および(ii)第1の標的特異性ヌクレオチド配列を含む核酸分子を有する特異タグで印づけが成されていることとする、(b)試料の少なくとも1部分に見出される標的核酸分子を位置の印づけタグにアニールさせるステップ、(c)アニールされた核酸分子個体群に対してプライマー伸張、逆転写、1本鎖連結反応あるいは2本鎖連結反応を行い、それによって位置特異性ヌクレオチド配列をプライマー伸張、逆転写、1本鎖連結反応あるいは2本鎖連結反応によって生成された各核酸分子へ組み込むステップ、(d)ステップ(c)で生成された核酸分子個体群を組み合わせるステップ、(e)組み合わせた核酸分子個体群の配列決定を行い、それによって1つ以上の位置特異性ヌクレオチド配列の中のその配列を得るステップ、および(f)組み合わせた核酸分子個体群から得られた少なくとも1つの位置特異性ヌクレオチド配列のその配列をその位置特異性ヌクレオチド配列を含むタグで印づけられたマイクロアレイ上の位置と関連付け、それによって少なくとも1つの核酸分子を含む試料の1部分が由来したマイクロアレイ上の位置を識別するステップ、を含んでいる。複数の実施形態において、試料は少なくとも1つの細胞を含むことができ、その細胞から1つ以上の核酸分子がステップ (a) の後で且つステップ (b) の前に放出される。試料は少なくとも1つの細胞を含むことができ、そしてその少なくとも1つの細胞が、ステップ (a) の後で且つステップ (b) の前に自己複製あるいは分裂する。その試料の1部分の1部がステップ (b) の前に少なくとも1つの位置から取り除くことができて、その試料の1部分のその1部がマイクロアレイ上のその試料の1部分の元の位置と相関関係にある入れ物に保管され得る。位置を相互関連付けるあるいは識別する方法は、ステップ (c) で生成された核酸分子あるいはステップ (d) で生成された組み合わせ核酸分子の個体群を増幅するステップを更に含み得る。その増幅ステップは、ポリメラーゼ連鎖反応増幅、多重ポリメラーゼ連鎖反応増幅、入れ子ポリメラーゼ連鎖反応増副、リガーゼ連鎖反応増幅、リガーゼ検出反応増幅、鎖置換増幅、転写をベースとした増幅、核酸配列をベースとした増幅、ローリングサークル増幅、あるいは超分岐ローリングサークル増幅を含み得る。追加のプライマーを増幅反応中に添加し得る。例えば、5’および3’の両プライマーがPCR反応に必要とされ得る。増幅反応中に使われるプライマーの1つは、試料中のヌクレオチド配列に相補的であり得る。   The present invention relates to a method for identifying from which position in a microarray a portion of a sample containing at least one nucleic acid molecule has been derived after a portion of the sample has been removed from the microarray, the method comprising: Applying one or more portions of the sample to one or more of a plurality of positions on the microarray, wherein each position comprises (i) a position-specific nucleotide sequence and (ii) a first target-specific nucleotide (B) annealing the target nucleic acid molecule found in at least a portion of the sample to the position marking tag, wherein the marking is marked with a specific tag having a nucleic acid molecule comprising a sequence; The target nucleic acid molecule population is subjected to primer extension, reverse transcription, single-stranded ligation reaction or double-stranded ligation reaction, thereby position-specific nucleotide sequence Incorporating into each nucleic acid molecule generated by primer extension, reverse transcription, single-stranded ligation or double-stranded ligation, (d) combining the nucleic acid molecule populations produced in step (c), (e) Sequencing the combined nucleic acid molecule population, thereby obtaining that sequence among one or more position-specific nucleotide sequences, and (f) at least one position obtained from the combined nucleic acid molecule population Associating that sequence of a specific nucleotide sequence with a location on a microarray marked with a tag comprising the location specific nucleotide sequence, thereby identifying the location on the microarray from which a portion of the sample containing at least one nucleic acid molecule was derived. Identifying. In embodiments, the sample can include at least one cell from which one or more nucleic acid molecules are released after step (a) and before step (b). The sample can contain at least one cell, and the at least one cell self-replicates or divides after step (a) and before step (b). A portion of the sample can be removed from at least one location prior to step (b), and the portion of the sample can be removed from the original location of the portion of the sample on the microarray. Can be stored in correlated containers. The method of correlating or identifying positions may further comprise amplifying the population of nucleic acid molecules produced in step (c) or the combined nucleic acid molecules produced in step (d). The amplification steps include polymerase chain reaction amplification, multiplex polymerase chain reaction amplification, nested polymerase chain reaction amplification, ligase chain reaction amplification, ligase detection reaction amplification, strand displacement amplification, transcription-based amplification, and nucleic acid sequence-based amplification. Amplification, rolling circle amplification, or hyperbranched rolling circle amplification may be included. Additional primers can be added during the amplification reaction. For example, both 5 'and 3' primers may be required for PCR reactions. One of the primers used during the amplification reaction can be complementary to the nucleotide sequence in the sample.

複数の実施形態においては、細胞および/またはウイルスを含む組成物を、後続のステップにおいて汚染核酸分子が増幅しないようにその組成物が微細加工デバイスに塗られる前に、核酸分解酵素を使って処理し得る。   In embodiments, a composition comprising cells and / or viruses is treated with a nucleolytic enzyme before the composition is applied to a microfabricated device so that contaminating nucleic acid molecules are not amplified in subsequent steps. Can do.

本発明の方法および装置で使われる配列決定は、混成物形成および配列特異性蛋白(例えば、酵素)の使用を含む配列情報を得る如何なるプロセスであってもよい。その配列決定は、サンガー配列決定、混成物形成による配列決定、連結反応による配列決定、定量増分蛍光ヌクレオチド付加配列決定(QIFNAS)、段階的連結および切断、蛍光共鳴エネルギー移動、分子標識、TaqManレポータプローブ消化、パイロシークエンシング、蛍光インサイチュー配列決定(FISSEQ)、ゆらぎ配列決定、多重配列決定、重合コロニー(POLONY)配列決定(例えば米国特許出願公報No. 2012/0270740を参照。この公報はここにおいての参照によりその全文が本発明の明細書に組み入れられる)、ナノグリッドローリングサークル(ROLONY)配列決定(例えば米国特許出願公報No. 2009/0018024を参照。この公報はここにおいての参照によりその全文が本発明の明細書に組み入れられる)、対立特異性オリゴ連結結合分析配列決定、あるいは次世代配列決定(NGS)プラットホームでの配列決定を含み得る。NGSプラットホームの非限定例には、Illumina(登録商標)(サンディエゴ、カリフォルニア)(例えば、MiSeqTM、NextSeqTM、HiSeqTMおよびHiSeqXTM)、Life Technologies(カールスバド、カリフォルニア)(例えばIon TorrentTM)およびPacific Biosciences(メンロパーク、カリフォルニア)(例えばPacBio(登録商標) RS II)のシステムが含まれる。 Sequencing used in the methods and apparatus of the present invention may be any process that obtains sequence information including hybrid formation and the use of sequence specific proteins (eg, enzymes). Its sequencing includes Sanger sequencing, sequencing by hybrid formation, sequencing by ligation, quantitative incremental fluorescent nucleotide addition sequencing (QIFNAS), stepwise ligation and cleavage, fluorescence resonance energy transfer, molecular labeling, TaqMan reporter probe Digestion, pyrosequencing, fluorescence in situ sequencing (FISSEQ), fluctuation sequencing, multiple sequencing, polymerized colony (POLONY) sequencing (see, eg, US Patent Application Publication No. 2012/0270740, which is herein incorporated by reference) Incorporated herein by reference in its entirety), nanogrid rolling circle (ROLONY) sequencing (see, eg, US Patent Application Publication No. 2009/0018024, which is incorporated herein by reference in its entirety) Incorporated in the description of the invention), allele-specific oligo-ligation analysis or sequencing, or Cash Sequencing (NGS) may include sequencing by the platform. Non-limiting examples of NGS platforms include Illumina® (San Diego, California) (eg, MiSeq , NextSeq , HiSeq and HiSeqX ), Life Technologies (Carlsbad, California) (eg, Ion Torrent ) and Pacific. A system of Biosciences (Menlo Park, Calif.) (Eg, PacBio® RS II) is included.

有機体あるいは生物種は、その有機体から得られた核酸配列と数々の有機体の配列を収録している様々なデータベースと比較することによって識別され得る。例えば、リボソームRNA配列データは、SIL VA rRNAデータベースプロジェクト(マックスプランク海洋微生物学研究所、ブレーメン、ドイツ(www.arb-silva.de))から入手可能で、例えば Quast 等、 "The SIL VA Ribosomal RNA Gene Database Project: Improved Data Processing and Web-Based Tools," 41 Nucl. Acids Res. D590-D596 (2013), および Pruesse 等、 "SINA: Accurate High-Throughput Multiple Sequence Alignment of Ribosomal RNA Genes," 28 Bioinformatics 1823-1829 (2012) を参照したが、両論文はここにおいての参照によりそれらの全文が本発明の明細書に含まれる。他のリボソームRNA配列データベースは、リボソームデータベースプロジェクト(ミシガン州立大学、イーストランシング、ミシガン(www.rdp.cme.msu.edu): 例えば、Cole 等、"Ribosomal Database Project: Data and Tools for High Throughput rRNA Analysis" 42 Nucl. Acids Res. D633-D642 (2014) を参照する。この論文はここにおいての参照によりその全文が本発明の明細書に組み入れられる)および Greengenes (ローレンス・バークレイ国立研究所、 バークレイ、 カリフォルニア(www.greengenes.lbl.gov) : 例えば、DeSantis 等、"Greengenes, a Chimera-Checked 16S rRNA Gene Database and Workbench Compatible with ARB," 72 Appl. Environ. Microbial. 5069-72 (2006) を参照する。この論文はここにおいての参照によりその全文が本発明の明細書に組み入れられる) を含む。GenBank(登録商標)遺伝子配列データベースは、ほぼ260,000の正式に記述された種の公的に入手可能なヌクレオチド配列(国立衛生研究所, ベセスダ, メリーランド (www.ncbi.nlm.nih.gov); 例えば、Benson 等、 "GenBank," 41 Nucl. Acids Res. D36-42 (2013) を参照)を収録している。   An organism or species can be identified by comparing the nucleic acid sequence obtained from that organism with various databases that contain sequences of numerous organisms. For example, ribosomal RNA sequence data is available from the SIL VA rRNA database project (Max Planck Institute for Marine Microbiology, Bremen, Germany (www.arb-silva.de)), eg Quast et al., “The SIL VA Ribosomal RNA Gene Database Project: Improved Data Processing and Web-Based Tools, "41 Nucl. Acids Res. D590-D596 (2013), and Pruesse et al.," SINA: Accurate High-Throughput Multiple Sequence Alignment of Ribosomal RNA Genes, "28 Bioinformatics 1823 -1829 (2012), both of which are incorporated herein by reference in their entirety. Other ribosomal RNA sequence databases are available from the Ribosome Database Project (Michigan State University, East Lansing, Michigan (www.rdp.cme.msu.edu): eg Cole et al., “Ribosomal Database Project: Data and Tools for High Throughput rRNA Analysis 42 Nucl. Acids Res. D633-D642 (2014). This article is hereby incorporated by reference in its entirety) and Greengenes (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California). (www.greengenes.lbl.gov): See, for example, DeSantis et al., “Greengenes, a Chimera-Checked 16S rRNA Gene Database and Workbench Compatible with ARB,” 72 Appl. Environ. Microbial. 5069-72 (2006). This article contains the entire text of this article, which is incorporated herein by reference. The GenBank® gene sequence database is a publicly available nucleotide sequence of nearly 260,000 officially described species (National Institutes of Health, Bethesda, Maryland (www.ncbi.nlm.nih.gov); For example, Benson et al., “GenBank,” 41 Nucl. Acids Res. D36-42 (2013)).

照合および識別用配列は、16Sリボソーム領域、18Sリボソーム領域あるいは識別情報を提供する何か他の領域を含み得る。所望の変種は、遺伝子型(例えば、単独ヌクレオチド多型(SNP)あるいは他のタイプの変種)あるいは特異遺伝子配列(例えば、酵素あるいはタンパク質の遺伝子暗号を指定する配列)を含む種であり得る。有機体あるいは生物種は、その配列を国内のカスタム配列データベースと照合することによってもまた識別し得る。複数の場合において、もしある位置で試料の一部分から得られた配列がある生物種あるいは微生物から得られる既知のDNA、cDNAあるいはRNA配列に対して少なくとも所定割合の同一性(例えば、少なくとも90%、少なくとも91%、少なくとも92%、少なくとも93%、少なくとも94%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、少なくとも99%、あるいは100%の同一性)を有するならば、その生物種あるいは有機体はマイクロアレイ上のその位置に見出されると結論できる。   The verification and identification sequence may include a 16S ribosomal region, an 18S ribosomal region, or some other region that provides identification information. The desired variant can be a species that includes a genotype (eg, a single nucleotide polymorphism (SNP) or other type of variant) or a specific gene sequence (eg, a sequence that specifies the genetic code of an enzyme or protein). An organism or species can also be identified by checking its sequence against a national custom sequence database. In some cases, if a sequence obtained from a portion of the sample at a certain position is at least a predetermined percentage of identity to a known DNA, cDNA or RNA sequence obtained from a species or microorganism (eg, at least 90%, At least 91%, at least 92%, at least 93%, at least 94%, at least 95%, at least 96%, at least 97%, at least 98%, at least 99%, or 100% identity) It can be concluded that the species or organism is found at that location on the microarray.

本発明はさらに、試料を塗布する為の複数の位置を有するマイクロアレイを製造する方法に関しており、そこでは少なくとも1つの位置が特有のタグで印づけされているものとする。その方法は、(a) 各々が (i) 位置特異性ヌクレオチド配列および (ii) 標的特異性ヌクレオチド配列を含む核酸分子を含んでいる複数のタグを合成するステップおよび (b) マイクロアレイ上の複数の位置の中の少なくとも1つの位置にタグを配置するステップを含んでいる。別の実施形態においては、本発明は試料を塗布するための複数の位置、その中の少なくとも1つの位置が特有のタグで印づけられている、を有するマイクロアレイを製造する方法に関しているが、その方法は (a) 各々が標的特異性ヌクレオチド配列を含み且つ位置特異性ヌクレオチド配列を含まない核酸分子を含んでいる複数のタグを合成するステップ、および (b) マイクロアレイ上の複数の位置の中の少なくとも1つの位置にタグを配置するステップを有している。標的特異性配列は、マイクロアレイのどの位置でも同じであり得る。上記の実施形態の何れにおいても、ステップ (a) はステップ (b) の前に行われて良い。配置ステップ (b) は、液体処理手続き(例えば、ピペット操作、固形ピンを使うスポッティング、中空ピンを使うスポッティングあるいはインクジェット装置による沈着)によって各位置にタグを配置するステップを含む。少なくとも1つのタグは、核酸分子あるいは合成前の核酸分子の1部分を含み得る。ステップ (a) はステップ (b) と同時に行われても良い。或る複数の実施形態では、少なくとも1つのタグは、インサイチュー合成によって各位置で合成される核酸分子を含んでいる。合成ステップ (a) は、インクジェット印刷合成あるいはフォトリソグラフィ合成を含み得る。   The invention further relates to a method of manufacturing a microarray having a plurality of positions for applying a sample, wherein at least one position is marked with a unique tag. The method comprises the steps of: (a) synthesizing a plurality of tags each comprising (i) a position-specific nucleotide sequence and (ii) a nucleic acid molecule comprising a target-specific nucleotide sequence; and (b) a plurality of tags on the microarray. Placing the tag at at least one of the positions. In another embodiment, the present invention relates to a method of manufacturing a microarray having a plurality of locations for applying a sample, at least one of which is marked with a unique tag, The method comprises the steps of: (a) synthesizing a plurality of tags each comprising a nucleic acid molecule comprising a target specific nucleotide sequence and no position specific nucleotide sequence; and (b) in a plurality of positions on the microarray. Placing the tag in at least one position. The target specific sequence can be the same at any location in the microarray. In any of the above embodiments, step (a) may be performed before step (b). Placement step (b) includes placing the tag at each location by a liquid handling procedure (eg, pipetting, spotting using a solid pin, spotting using a hollow pin, or deposition by an inkjet device). The at least one tag can comprise a nucleic acid molecule or a portion of a nucleic acid molecule prior to synthesis. Step (a) may be performed simultaneously with step (b). In some embodiments, the at least one tag includes a nucleic acid molecule that is synthesized at each position by in situ synthesis. The synthesis step (a) can include ink jet printing synthesis or photolithography synthesis.

マイクロアレイの各位置は、試料の一部分を受け取るように構成され得る。位置には、少なくとも1つの (i) 位置特異性ヌクレオチド配列(例えばバーコード)および (ii) 標的特異性ヌクレオチド配列を含む核酸分子(例えば、オリゴヌクレオチド)を使ってタグあるいはラベル付けをすることが出来る。標的特異性ヌクレオチド配列は、試料に見出されるヌクレオチド配列を補完あるいはおおむね補完し得る。その核酸分子の5’末端から3’末端へのヌクレオチド配列の順序は、(1) 位置特異性ヌクレオチド配列、(2) 標的特異性ヌクレオチド配列、であってよい。一方、その核酸分子の5’末端から3’末端へのヌクレオチド配列の順序は、(2) その次に (1) であってもよい。核酸分子は、その5’末端でマイクロアレイに付着し得る。装置(例えばマイクロアレイ)の1つ以上の位置は、タグ無しあるいはラベル無しでもよい。   Each location of the microarray can be configured to receive a portion of the sample. The position may be tagged or labeled with at least one (i) a position-specific nucleotide sequence (eg, a barcode) and (ii) a nucleic acid molecule (eg, an oligonucleotide) containing the target-specific nucleotide sequence. I can do it. The target specific nucleotide sequence can complement or generally complement the nucleotide sequence found in the sample. The order of the nucleotide sequence from the 5 'end to the 3' end of the nucleic acid molecule may be (1) a position-specific nucleotide sequence, (2) a target-specific nucleotide sequence. On the other hand, the order of the nucleotide sequence from the 5 'end to the 3' end of the nucleic acid molecule may be (2) then (1). The nucleic acid molecule can be attached to the microarray at its 5 'end. One or more locations of the device (eg, microarray) may be untagged or unlabeled.

「補完的」あるいは「おおむね補完的」という語は、例えば2本鎖DNA分子の2本鎖間あるいはオリゴヌクレオチドプライマーと1本鎖核酸上のプライマー結合部位の間のような、ヌクレオチド間あるいは核酸間での混成物形成、塩基対合あるいはデュプレックス形成を意味し得る。補完的ヌクレオチドは、一般的には、AとT/UあるいはCとGである。最適に並べられ、比較され且つ適切なヌクレオチド挿入または削除を伴っている1本鎖のヌクレオチドが、別の鎖のヌクレオチドの少なくとも約80%、通常は少なくとも約90%から95%、より好ましくは約98%から100%と対合する時、2つの1本鎖RNAあるいはDNA分子が実質的に補完的であると言われる。一方、RNAあるいはDNA鎖が選択的混成物形成条件のもとでその補完物に混成する場合、実質的補完性が存在する。典型的には、少なくとも14から25のヌクレオチドのひと続き区間に亘って少なくとも約65%、少なくとも約75%あるいは少なくとも約90%補完性がある場合、選択的混成物形成が起こる。   The term “complementary” or “generally complementary” means between nucleotides or between nucleic acids, eg, between the two strands of a double-stranded DNA molecule or between an oligonucleotide primer and a primer binding site on a single-stranded nucleic acid. Can mean hybrid formation, base pairing or duplex formation. Complementary nucleotides are generally A and T / U or C and G. A single stranded nucleotide that is optimally aligned, compared and with appropriate nucleotide insertions or deletions is at least about 80%, usually at least about 90% to 95%, more preferably about When paired with 98% to 100%, two single-stranded RNA or DNA molecules are said to be substantially complementary. On the other hand, substantial complementarity exists when an RNA or DNA strand is hybridized to its complement under selective hybrid formation conditions. Typically, selective hybrid formation occurs when there is at least about 65%, at least about 75%, or at least about 90% complementarity over a stretch of at least 14 to 25 nucleotides.

「選択的に混成物を形成をする」あるいは「選択的混成物形成」という語は、検出可能に且つはっきり限定して結合することを意味し得る。ポリヌクレオチド、オリゴヌクレオチドおよびそれらの断片は、非特異性核酸へのかなりの量の検出可能結合を最少化する混成物形成および洗浄条件の下で核酸鎖に選択的に混成する。「高度に厳格な」あるいは「高度に厳しい」条件は、当技術分野で既知且つここにおいて述べる選択的混成物形成条件を達成するために用いることができる。「高度に厳格な」あるいは「高度に厳しい」条件の一例は、あるポリヌクレオチドを別のポリヌクレオチドを使って培養する方法であって、そこでは一方のポリヌクレオチドを、6xSSPEまたはSSC、50%ホルムアルデヒド、5xデンハルド試薬、0.5%SDS、100μg/ml 変性断片化鮭精子DNAの混成物形成バッファー内で、42℃の混成物形成温度で12〜16時間の間、膜のような固体表面に付着させ、次いで1xSSC、0.5%SDSの洗浄バッファーを使って55℃で2回洗浄をしている。   The terms “selectively form hybrids” or “selective hybrids” can mean to detectably and specifically bind. Polynucleotides, oligonucleotides and fragments thereof are selectively hybridized to nucleic acid strands under hybridization and washing conditions that minimize a significant amount of detectable binding to non-specific nucleic acids. “Highly stringent” or “highly stringent” conditions can be used to achieve selective hybrid formation conditions known in the art and described herein. An example of “highly stringent” or “highly stringent” conditions is a method of culturing one polynucleotide with another polynucleotide, in which one polynucleotide is 6 × SSPE or SSC, 50% formaldehyde. 5x Denhardt's reagent, 0.5% SDS, 100 μg / ml denatured fragmented sperm DNA in a hybrid formation buffer and attached to a membrane-like solid surface for 12-16 hours at a hybrid formation temperature of 42 ° C. Then, it is washed twice at 55 ° C. using a washing buffer of 1 × SSC and 0.5% SDS.

位置タグの一部である核酸分子は、少なくとも1つのデオキシリボヌクレオチドあるいは少なくとも1つのリボヌクレオチドを含み得る。その核酸分子は、1本鎖でも2本鎖でもよい。核酸分子は、一本鎖張り出しを有する2本鎖であってもよい。   The nucleic acid molecule that is part of the position tag can comprise at least one deoxyribonucleotide or at least one ribonucleotide. The nucleic acid molecule may be single-stranded or double-stranded. The nucleic acid molecule may be double stranded with a single stranded overhang.

複数の実施形態において、位置タグは、アニールする核酸分子を増幅するために用いられ得る。従って、位置タグは、増幅プライマー結合部位を更に有する核酸配列を含み得る。増幅プライマー結合部位は、少なくとも16、少なくとも17、少なくとも18、少なくとも19、少なくとも20、少なくとも21、少なくとも22、少なくとも23、少なくとも24、少なくとも25、少なくとも26、少なくとも27、少なくとも28、少なくとも29、あるいは少なくとも30のヌクレオチドの長さであってよい。核酸分子の5’末端から3’末端までのヌクレオチド配列の順序は、例えば、(1)増幅プライマー結合部位、(2)位置特異性ヌクレオチド配列、および(3)標的特異性ヌクレオチド配列、であり得る。   In embodiments, position tags can be used to amplify nucleic acid molecules that anneal. Thus, the position tag can comprise a nucleic acid sequence further having an amplification primer binding site. The amplification primer binding site is at least 16, at least 17, at least 18, at least 19, at least 20, at least 21, at least 22, at least 23, at least 24, at least 25, at least 26, at least 27, at least 28, at least 29, or at least It may be 30 nucleotides in length. The order of the nucleotide sequence from the 5 ′ end to the 3 ′ end of the nucleic acid molecule can be, for example, (1) an amplification primer binding site, (2) a position-specific nucleotide sequence, and (3) a target-specific nucleotide sequence. .

複数の実施形態において、核酸分子は位置特異性ヌクレオチド配列を含むことなく標的特異性ヌクレオチド配列を含み得る。ある特定の実施形態では、核酸分子は位置特異性ヌクレオチド配列あるいは増幅結合部位配列のいずれかを含むことなく標的特異性ヌクレオチド配列を含み得る。更なる実施形態では、核酸分子は標的特異性ヌクレオチド配列のみを含み得る。なお更なる実施形態では、核酸分子は標的特異性ヌクレオチド配列のみで構成され得る。増幅プライマー結合部位は、ポリメラーゼ連鎖反応プライマー、多重ポリメラーゼ連鎖反応プライマー、入れ子ポリメラーゼ連鎖反応プライマー、リガーゼ連鎖反応プライマー、リガーゼ検出反応プライマー、鎖置換プライマー、転写をベースとしたプライマー、核酸配列をベースとしたプライマー、ローリングサークルプライマー、あるいは超分岐ローリングサークルプライマーに結合可能であってよい。追加のプライマーが増幅反応中にマイクロアレイに添加され得る。例えば、5’と3’プライマーの両方がPCR反応に必要とされ得る。標的特異性ヌクレオチド配列は、標的核酸分子の収容位置で増幅され、例えば qPCR、エンドポイントPCRおよび/または染料によって検出され得て増幅核酸分子が検出される。   In embodiments, the nucleic acid molecule can comprise a target-specific nucleotide sequence without comprising a position-specific nucleotide sequence. In certain embodiments, the nucleic acid molecule can comprise a target-specific nucleotide sequence without comprising either a position-specific nucleotide sequence or an amplified binding site sequence. In further embodiments, the nucleic acid molecule may comprise only target-specific nucleotide sequences. In still further embodiments, the nucleic acid molecule can be composed solely of target-specific nucleotide sequences. Amplification primer binding sites are based on polymerase chain reaction primer, multiple polymerase chain reaction primer, nested polymerase chain reaction primer, ligase chain reaction primer, ligase detection reaction primer, strand displacement primer, transcription-based primer, nucleic acid sequence It may be capable of binding to a primer, rolling circle primer, or hyperbranched rolling circle primer. Additional primers can be added to the microarray during the amplification reaction. For example, both 5 'and 3' primers may be required for PCR reactions. The target-specific nucleotide sequence is amplified at the location of the target nucleic acid molecule and can be detected by, for example, qPCR, endpoint PCR and / or dye to detect the amplified nucleic acid molecule.

位置タグあるいは核酸分子に基づいて増幅された生成物にアニールするそのような核酸分子の配列を読み取ることが望ましい場合がある。位置タグは、アダプターヌクレオチド配列を更に含む核酸配列を含み得る。ある特定の実施形態においては、アダプターヌクレオチド配列が、位置タグ内に見出されないかもしれないが、副次的PCR反応においてあるいは連結反応によって試料核酸分子に加えられる。アダプターヌクレオチド配列は、汎用アダプターあるいは特異配列決定プラットホーム(例えば、Illumina(登録商標)あるいはIon TorrentTM)用アダプターであり得る。アダプターヌクレオチド配列は、配列決定プライマー結合部位を含み得る。配列決定プライマー結合部位は、サンガー配列決定、混成物形成による配列決定、連結反応による配列決定、定量増分蛍光ヌクレオチド付加配列決定(QIFNAS)、段階的連結および切断、蛍光共鳴エネルギー移動、分子標識、TaqManレポータプローブ消化、パイロシークエンシング、蛍光インサイチュー配列決定(FISSEQ)、ゆらぎ配列決定、多重配列決定、重合コロニー(POLONY)配列決定(例えば米国特許No. 2012/0270740を参照)、ナノグリッドローリングサークル(ROLONY)配列決定(例えば米国特許No. 2009/0018024を参照)、対立特異性オリゴ連結結合分析配列決定、NGSプラットホームでの配列決定あるいは任意の適切な配列決定手続きの為のプライマーを結合可能であり得る。NGSプラットホームの非限定例には、Illumina(登録商標)(サンディエゴ、カリフォルニア)(例えば、MiSeqTM、NextSeqTM、HiSeqTM および HiSeqXTM)、Life Technologies(カールスバド、カリフォルニア)(例えば Ion TorrentTM)および Pacific Biosciences(メンロパーク、カリフォルニア)(例えばPacBio(登録商標) RS II)からのシステムが含まれる。 It may be desirable to read the sequence of such nucleic acid molecules that anneal to the amplified product based on the position tag or nucleic acid molecule. The position tag can include a nucleic acid sequence that further includes an adapter nucleotide sequence. In certain embodiments, the adapter nucleotide sequence may not be found within the position tag, but is added to the sample nucleic acid molecule in a secondary PCR reaction or by a ligation reaction. The adapter nucleotide sequence can be a universal adapter or an adapter for a specific sequencing platform (eg, Illumina® or Ion Torrent ). The adapter nucleotide sequence can include a sequencing primer binding site. Sequencing primer binding sites include Sanger sequencing, sequencing by hybrid formation, sequencing by ligation, quantitative incremental fluorescent nucleotide addition sequencing (QIFNAS), stepwise ligation and cleavage, fluorescence resonance energy transfer, molecular labeling, TaqMan Reporter probe digestion, pyrosequencing, fluorescence in situ sequencing (FISSEQ), fluctuation sequencing, multiple sequencing, polymerized colony (POLONY) sequencing (see, eg, US Patent No. 2012/0270740), nanogrid rolling circle ( ROLONY) can bind primers for sequencing (see, eg, US Patent No. 2009/0018024), allele-specific oligo-ligation analysis, sequencing on the NGS platform, or any suitable sequencing procedure obtain. Non-limiting examples of NGS platforms include Illumina® (San Diego, California) (eg, MiSeq , NextSeq , HiSeq and HiSeqX ), Life Technologies (Carlsbad, California) (eg, Ion Torrent ™) and Pacific Biosciences Systems from (Menlo Park, California) (eg PacBio® RS II) are included.

位置特異性ヌクレオチド配列(例えば、バーコード)は、少なくとも2、少なくとも3、少なくとも4、少なくとも5、少なくとも6、少なくとも7、少なくとも8、少なくとも9、少なくとも10、少なくとも11、少なくとも12、少なくとも13、少なくとも14、少なくとも15、少なくとも16、少なくとも17、少なくとも18、少なくとも19、少なくとも20、少なくとも21、少なくとも22、少なくとも23、少なくとも24、少なくとも25、少なくとも26、少なくとも27、少なくとも28、少なくとも29、あるいは少なくとも30のヌクレオチドの長さであってよい。   The position-specific nucleotide sequence (eg, barcode) is at least 2, at least 3, at least 4, at least 5, at least 6, at least 7, at least 8, at least 9, at least 10, at least 11, at least 12, at least 13, at least 14, at least 15, at least 16, at least 17, at least 18, at least 19, at least 20, at least 21, at least 22, at least 23, at least 24, at least 25, at least 26, at least 27, at least 28, at least 29, or at least 30 The nucleotide length may be

標的特異性ヌクレオチド配列は、少なくとも10、少なくとも11、少なくとも12、少なくとも13、少なくとも14、少なくとも15、少なくとも16、少なくとも17、少なくとも18、少なくとも19、少なくとも20、少なくとも21、少なくとも22、少なくとも23、少なくとも24、少なくとも25、少なくとも26、少なくとも27、少なくとも28、少なくとも29、少なくとも30、少なくとも40、少なくとも50、少なくとも75、あるいは少なくとも100のヌクレオチドの長さであってよい。   The target specific nucleotide sequence is at least 10, at least 11, at least 12, at least 13, at least 14, at least 15, at least 16, at least 17, at least 18, at least 19, at least 20, at least 21, at least 22, at least 23, at least It may be 24, at least 25, at least 26, at least 27, at least 28, at least 29, at least 30, at least 40, at least 50, at least 75, or at least 100 nucleotides in length.

マイクロアレイ上の少なくとも1つの位置は、特有の分子識別子タグで更に印づけされ得る。特有の分子識別子タグは、増殖(例えば、微生物コロニーの増殖あるいはその位置での細胞複製)を定量化するために用い得る。特有の分子識別子は、無秩序ヌクレオチド配列であり得る。特有の分子識別子使用方法および特有の分子識別子例は当技術分野において記述されてきており、例えばWO 2013/173394を参照するが、ここにおいての参照によりその全文が本発明の明細書に組み入れられる。例えば、特有の分子識別子タグは、ヌクレオチド配列 NNNANNNCNNNTNNNGNNNANNNCNNN (SEQ ID NO: 1) を有することが出来るが、そこでは増幅された各分子が特有の (特異的)DNA 配列バーコード(4^Nバーコード、あるいはこの例において4^21〜4兆)を獲得するように、幾つものN (ACGTの同じ無秩序混合) が大きな符号化空間を創り出している。この配列を、増幅バイアスあるいは他の問題からの妨害を受けることなく、数え上げることができる。SED ID NO: 1 の固定塩基(A、C、G、T)がバーコードの正確な読み取り、例えば挿入欠失の取扱い、を助けている。   At least one location on the microarray can be further marked with a unique molecular identifier tag. The unique molecular identifier tag can be used to quantify growth (eg, microbial colony growth or cell replication at that location). The unique molecular identifier can be a disordered nucleotide sequence. Specific molecular identifier usage methods and specific molecular identifier examples have been described in the art, see for example WO 2013/173394, which is hereby incorporated by reference in its entirety. For example, a unique molecular identifier tag can have the nucleotide sequence NNNANNNCNNNTNNNGNNNANNNCNNN (SEQ ID NO: 1), where each amplified molecule has a unique (specific) DNA sequence barcode (4 ^ N barcode) Or N in this example (4 ^ 21-4 trillion), so many Ns (the same random mixture of ACGTs) have created a large coding space. This array can be enumerated without interference from amplification bias or other problems. The fixed bases (A, C, G, T) of SED ID NO: 1 help correct reading of the barcode, for example, handling of insertion deletions.

本発明は、試料内に複数の標的特異性ヌクレオチド配列(例えば多重化)の存在あるいは量を観察・記録するための位置特異性タグを使うことを抱合する。マイクロアレイ上の少なくとも1つの位置は、例えば (i) 増幅プライマー結合部位、(ii) 位置特異性ヌクレオチド配列、および (iii) 標的特異性ヌクレオチド配列を含む核酸分子を有する第2の特異タグで更に印づけられ得る。   The present invention contemplates the use of position specific tags for observing and recording the presence or amount of multiple target specific nucleotide sequences (eg, multiplexing) within a sample. At least one position on the microarray is further marked, for example, with a second specific tag having a nucleic acid molecule comprising (i) an amplification primer binding site, (ii) a position specific nucleotide sequence, and (iii) a target specific nucleotide sequence. Can be attached.

複数の実施形態において、核酸分子は位置特異性ヌクレオチド配列を含むことなく標的特異性ヌクレオチド配列を含み得る。或る特定の実施形態では、核酸分子は位置特異性ヌクレオチド配列あるいは増幅結合部位配列のいずれかをふくむことなく標的特異性ヌクレオチド配列を含み得る。更なる実施形態では、核酸分子は標的特異性ヌクレオチド配列のみを含み得る。なお更なる実施形態では、核酸分子は標的特異性ヌクレオチド配列のみで構成され得る。そのような標的特異性ヌクレオチド配列は、少なくとも10、少なくとも11、少なくとも12、少なくとも13、少なくとも14、少なくとも15、少なくとも16、少なくとも17、少なくとも18、少なくとも19、少なくとも20、少なくとも21、少なくとも22、少なくとも23、少なくとも24、少なくとも25、少なくとも26、少なくとも27、少なくとも28、少なくとも29、少なくとも30、少なくとも40、少なくとも50、少なくとも75、あるいは少なくとも100のヌクレオチドの長さであってよい。或る特定の実施形態では、標的特異性配列は、マイクロアレイのどの位置でもみな同じであり得る。追加の標的特異性ヌクレオチド配列が観察・記録され得る。例えば、1つ以上の位置が、少なくとも10、少なくとも25、少なくとも50、少なくとも75あるいは少なくとも100の特異タグで印づけられ得るが、そこでは各タグは、その位置でのタグの中のその他の標的特異性ヌクレオチド配列とは異なる1つの標的特異性ヌクレオチド配列を含んでいる。   In embodiments, the nucleic acid molecule can comprise a target-specific nucleotide sequence without comprising a position-specific nucleotide sequence. In certain embodiments, a nucleic acid molecule can comprise a target-specific nucleotide sequence without including either a position-specific nucleotide sequence or an amplified binding site sequence. In further embodiments, the nucleic acid molecule may comprise only target-specific nucleotide sequences. In still further embodiments, the nucleic acid molecule can be composed solely of target-specific nucleotide sequences. Such target specific nucleotide sequences are at least 10, at least 11, at least 12, at least 13, at least 14, at least 15, at least 16, at least 17, at least 18, at least 19, at least 20, at least 21, at least 22, at least It may be 23, at least 24, at least 25, at least 26, at least 27, at least 28, at least 29, at least 30, at least 40, at least 50, at least 75, or at least 100 nucleotides in length. In certain embodiments, the target-specific sequence can be the same everywhere in the microarray. Additional target specific nucleotide sequences can be observed and recorded. For example, one or more positions can be marked with at least 10, at least 25, at least 50, at least 75, or at least 100 specific tags, where each tag is another target in the tag at that position. It contains one target-specific nucleotide sequence that is different from the specific nucleotide sequence.

対象物のどの遺伝子座も、標的特異性ヌクレオチド配列を与え得る。例えば、バクテリア16SリボソームRNA (rRNA)、18SリボソームRNA、ポリ(A) RNA、RNAポリメラーゼ遺伝子、DNAポリメラーゼ遺伝子、RecA遺伝子、トランスポザーゼ遺伝子の配列類、リボソーム内部転写スペーサ―領域 (ITS) 配列、酵素符号化遺伝子、制御領域DNA配列類、結合部位DNA配列類、あるいはこれらの配列類のなかのいずれのものの一部分でも、標的特異性ヌクレオチド配列として役立ち得る。開示のシステム、キット、装置あるいは方法は、Sundquist 等、"Bacterial Flora-Typing with Targeted, Chip-Based Pyrosequencing," 7:108 BMC Microbiology (2007)およびWang 等、"Conservative Fragments in Bacterial l6S rRNA Genes and Primer Design for l6S Ribosomal DNA Amplicons in Metagenomic Studies," 4:10PLoS ONE e7401(2009) に記述されたバクテリア16S rRNAプライマーの中の1つ以上を使い得る。尚これらの文献の各々は、ここにおいての参照によりその全文が本発明の明細書に組み入れられる。   Any locus of interest can provide a target-specific nucleotide sequence. For example, bacterial 16S ribosomal RNA (rRNA), 18S ribosomal RNA, poly (A) RNA, RNA polymerase gene, DNA polymerase gene, RecA gene, transposase gene sequence, ribosome internal transcription spacer region (ITS) sequence, enzyme code A part of a modified gene, control region DNA sequence, binding site DNA sequence, or any of these sequences can serve as a target-specific nucleotide sequence. The disclosed system, kit, apparatus or method is described in Sundquist et al., “Bacterial Flora-Typing with Targeted, Chip-Based Pyrosequencing,” 7: 108 BMC Microbiology (2007) and Wang et al., “Conservative Fragments in Bacterial l6S rRNA Genes and Primer. One or more of the bacterial 16S rRNA primers described in Design for l6S Ribosomal DNA Amplicons in Metagenomic Studies, "4: 10PLoS ONE e7401 (2009) may be used. Each of these documents is hereby incorporated in its entirety by reference herein.

開示した装置および方法に使われる試料は、複数の核酸分子を含み得る。試料は少なくとも1つのDNA分子あるいは少なくとも1つのRNA分子を含み得る。試料は、制限酵素消化作用によって形成された少なくとも1つの核酸分子を含み得る。試料は、少なくとも1つの細胞(例えば、古細菌細胞、真正細菌細胞、真菌細胞、植物細胞、および/または動物細胞)を含み得る。試料は、少なくとも1つの微生物を含み得る。試料は、宿主細胞の供給が必要であり得る1種以上のウイルス(例えば、バクテリオファージ)を含み得る。マイクロアレイの1つの位置にある試料の1部分は、単独細胞あるいは単独細胞が増殖したコロニーであってもよい。例えば、微生物あるいは細胞を個別にマイクロウェルに配置することができ、それら個々の微生物あるいは細胞は、各微生物あるいは細胞が置かれた各マイクロウェル内部でコロニーが生長するように、分割あるいは複製を可能にされ得る。こうして、マイクロアレイの1つの位置は、単独微生物種あるいは互いの生長を助け合う微生物品種の混合共同体を収容し得る。試料は、あらゆる適切な希釈物を含み得る。試料が非限定例に含み得るものは、土壌、下水、糞便、体腔内容物、生物液、生きている有機物、死んだ有機物、微生物懸濁液、天然の真水、飲料水、海水、廃水、空気、超臨界二酸化炭素、ミネラル、気体、緩衝剤、アルコール、有機溶媒、および/または油である。複数の実施形態では、(a) (i) 1つの位置特異性ヌクレオチド配列および (ii) 1つ以上の標的特異性ヌクレオチド配列、あるいは (b) 1つ以上の標的特異性ヌクレオチド配列(即ち、位置特異性ヌクレオチド配列を含まない)が、マイクロアレイの少なくとも1つの位置に、その位置に試料の1部分が置かれる前に、置かれる。その他の実施形態では、(a) (i) 位置特異性ヌクレオチド配列および (ii) 1つ以上の標的特異性ヌクレオチド配列、あるいは (b) 1つ以上の標的特異性ヌクレオチド配列(即ち、位置特異性ヌクレオチド配列を含まない)が、マイクロアレイの少なくとも1つの位置に、その位置に試料の1部分が置かれた後で、置かれる。1つの例では、試料あるいは試料の1部分が1つのマイクロアレイに、そのマイクロアレイに (i) 1つの位置特異性ヌクレオチド配列と (ii) 1つ以上の標的特異性ヌクレオチド配列の中の少なくとも1つを含む1つの核酸分子が配置される前に、配置されそして培養され得る。複数の実施形態では、試料のその部分の1部が、そのマイクロアレイの少なくとも1つの位置から取り除かれて別の入れ物に保管されても、あるいはそのマイクロアレイの少なくとも1つの位置にそれらの核酸分子が置かれる前あるいは後のいずれかでそのマイクロアレイが分割されてもよい。   Samples used in the disclosed devices and methods can include a plurality of nucleic acid molecules. The sample can contain at least one DNA molecule or at least one RNA molecule. The sample can include at least one nucleic acid molecule formed by restriction enzyme digestion. The sample can include at least one cell (eg, archaeal cell, eubacterial cell, fungal cell, plant cell, and / or animal cell). The sample can include at least one microorganism. The sample may contain one or more viruses (eg, bacteriophages) that may need to be supplied with host cells. A portion of the sample at one location of the microarray may be a single cell or a colony on which a single cell has grown. For example, microorganisms or cells can be individually placed in a microwell, and each individual microorganism or cell can be divided or replicated so that colonies grow inside each microwell in which each microorganism or cell is placed. Can be. Thus, one location of the microarray can accommodate a single microbial species or a mixed community of microbial varieties that help each other grow. The sample can contain any suitable dilution. Samples may include, but are not limited to, soil, sewage, feces, body cavity contents, biological fluids, living organic matter, dead organic matter, microbial suspensions, natural fresh water, drinking water, seawater, wastewater, air , Supercritical carbon dioxide, minerals, gases, buffers, alcohols, organic solvents, and / or oils. In embodiments, (a) (i) one position-specific nucleotide sequence and (ii) one or more target-specific nucleotide sequences, or (b) one or more target-specific nucleotide sequences (ie, positions Specific nucleotide sequence) is placed in at least one location of the microarray before a portion of the sample is placed in that location. In other embodiments, (a) (i) a position specific nucleotide sequence and (ii) one or more target specific nucleotide sequences, or (b) one or more target specific nucleotide sequences (ie, position specific (Without nucleotide sequence) is placed in at least one position of the microarray after a portion of the sample has been placed in that position. In one example, a sample or a portion of a sample is placed on a microarray with (i) at least one of one position-specific nucleotide sequence and (ii) one or more target-specific nucleotide sequences. It can be placed and cultured before the containing nucleic acid molecule is placed. In embodiments, a portion of the portion of the sample is removed from at least one location of the microarray and stored in another container, or the nucleic acid molecules are placed in at least one location of the microarray. The microarray may be divided either before or after being placed.

少なくとも1つの位置特異性タグは、あらかじめ合成されそして液体処理手続きによってその位置に配置される核酸分子あるいはその1部分を含み得る。例えば、液体処理手続きは、ピペット操作、固形ピンを使うスポッティング、中空ピンを使うスポッティングあるいはインクジェット装置による沈着であり得る。タグは、別に予め合成された多数の核酸分子を使ってその位置で生成され得る。少なくとも1つのタグは、インサイチュー合成(例えば、インクジェット印刷あるいはフォトリトグラフィー)によってその位置で合成される核酸分子を含み得る。
(生物種のデジタル列挙)
The at least one position-specific tag can include a nucleic acid molecule or a portion thereof that has been pre-synthesized and placed at that position by a liquid processing procedure. For example, the liquid handling procedure may be pipetting, spotting using a solid pin, spotting using a hollow pin, or deposition by an inkjet device. The tag can be generated at that location using a number of previously synthesized nucleic acid molecules. The at least one tag can include a nucleic acid molecule that is synthesized at that position by in situ synthesis (eg, ink jet printing or photolithography).
(Digital enumeration of species)

高密度マイクロウェルを有する表面を備えた高密度チップデバイスを此処に述べる。微生物叢試料の微生物が希釈されて、それらのウェルが1占有ウェル当たりほぼ1つの微生物を収容するように、そのデバイスへ塗布される。次に、そのチップは、微生物がウェル内で複製されるように、培養目的で温められてよい。更に、各ウェルにどの様な生物種が存在するかを決定するために、DNAによる位置索引作成システムをここに述べる。この索引作成システムは、ウェルを識別するアドレス指定バーコード類を含む各ウェルへ予め装填された幾つものPCRプライマー並びに種の情報を提供するあるいは所望の遺伝子配列を標的とする微生物ゲノム内の特有遺伝子要素(例えば、16S)を対象にしたプライマー配列を有することを伴い得る。培養後、微生物DNA が放出され、それらのPCRプライマーが標的バクテリアDNA領域を増幅し、そしてチップ上の種々のウェルからの増幅産物が貯留され、更に次世代配列決定法で解読され得る。   High density chip devices with surfaces having high density microwells are described herein. Microorganisms in the microbiota sample are diluted and applied to the device so that the wells contain approximately one microorganism per occupied well. The chip may then be warmed for culture purposes so that the microorganisms are replicated in the wells. In addition, a DNA location indexing system is described here to determine what species are present in each well. This indexing system provides a number of pre-loaded PCR primers to each well, including addressing barcodes that identify the wells as well as specific genes within the microbial genome that target species information or target the desired gene sequence It may involve having a primer sequence directed to the element (eg 16S). After incubation, microbial DNA is released, their PCR primers amplify the target bacterial DNA region, and amplification products from various wells on the chip are pooled and can be further decoded with next generation sequencing.

ここに述べたシステム、キット、装置および方法論は、1つの試料内の各微生物種あるいは変種の数の絶対集計を行うのに利用され得る。各ウェルは、元の希釈試料内での単独微生物の存在を表すデジタル事象を意味し得る。位置索引作成システムは、どんなバクテリア種がウェル内にいるのかをユーザが決定することを可能にし得る。測定のある1つの構成単位は、「ある1つのバクテリア種がある1つのウェル内にいる」であってよく、そのウェルにいるバクテリアの数とは無関係であってよい。   The systems, kits, devices and methodologies described herein can be used to perform an absolute count of the number of each microbial species or variant within a sample. Each well may represent a digital event that represents the presence of a single microorganism in the original diluted sample. The location indexing system may allow the user to determine what bacterial species are in the well. One building block of measurement may be “a certain bacterial species is in one well” and may be independent of the number of bacteria in that well.

一例では、微生物の混合試料は、生物種1を50%、生物種2を30%および生物種3を20%含んでいる。その試料は希釈され、次に各占有ウェルが、大部分、1つの微生物を有する様にチップに塗られる。その微生物が複製される。尚、生物種が異なると複製率は異なり得る。次に、ウェル内微生物からのDNAが放出され、そして16Sまたはある他の標的配列が増幅される様に、チップが処理される。各ウェルからのDNA増幅生成物が貯留され、次世代配列決定法を使って配列決定され得る。次世代配列決定データが解析されて、どの生物種が各占有ウェル内にあるかを、各ウェルに対して決定し得る。多くのウェルが、全く占有されていない場合がある。各生物種の存在度は、各生物種で占められたウェルの総数を占有ウェルの総数で割ることによって決定され得る。絶対存在度決定は、ステップからの各生物種の%存在率に元の試料内の微生物の総数を掛けることによって、成され得る。配列決定データは、公的に入手できる配列決定データベースと比べられて、どんな生物種が各占有ウェル内にあるかが決定され得る。例えば、リボソームRNA配列は、上記したSIL VA rRNAデータベースプロジェクトで入手され得る。その他のリボソームRNA配列データベースとしては、上記したRibosomal Database Project、Greengenes、および GenBank(登録商標)遺伝子配列データベース等がある。   In one example, a mixed sample of microorganisms includes 50% species 1, 30% species 2, and 20% species 3. The sample is diluted and then each occupied well is applied to the chip so that it has, for the most part, one microorganism. The microorganism is replicated. It should be noted that the replication rate can be different for different species. The chip is then processed so that DNA from the in-well microorganism is released and 16S or some other target sequence is amplified. The DNA amplification product from each well can be pooled and sequenced using next generation sequencing methods. Next generation sequencing data can be analyzed to determine for each well which species is in each occupied well. Many wells may not be occupied at all. The abundance of each species can be determined by dividing the total number of wells occupied by each species by the total number of occupied wells. An absolute abundance determination can be made by multiplying the% abundance of each species from the step by the total number of microorganisms in the original sample. Sequencing data can be compared to publicly available sequencing databases to determine what species are in each occupied well. For example, ribosomal RNA sequences can be obtained from the SIL VA rRNA database project described above. Other ribosomal RNA sequence databases include the Ribosomal Database Project, Greengenes, and GenBank (registered trademark) gene sequence database described above.

試料内微生物種存在度推定の現行方法は、顕微鏡、染色法、選択培地、代謝/生理遮蔽物およびペトリ皿を使う培養のような伝統的技法の利用を伴っている。これらの方法は、特異性の不足(顕微鏡、染色法、代謝/生理遮蔽物)あるいは試料内の全ての種を明らかにする能力の不足(選択的培地、培養)のために往々にして不正確であり、それによって伝統的手法では多くの種がよく増殖せずあるいは全く増殖を起こさない。   Current methods of estimating microbial species abundance in a sample involve the use of traditional techniques such as microscopy, staining, selective media, metabolic / physiological shields and culture using Petri dishes. These methods are often inaccurate due to lack of specificity (microscopy, staining, metabolic / physiological shield) or lack of ability to reveal all species in the sample (selective media, culture) As a result, many species do not grow well or grow at all in traditional methods.

微生物叢試料内の微生物種の相対存在度を決定する現行の分子方法は、試料から微生物DNAを抽出し、種または他の情報を提供する16Sまたは他のDNA領域のPCR増幅を行い、次に結果として得たPCR生成物について次世代配列決定(NGS)を行うことを伴っている。元の試料内の各生物種の相対存在度は、NGSデータ内の種特異性DNA配列の相対的頻度から推測される。このタイプの解析の文献は数多くあり、そしてこの方法が多くの微生物叢の研究を支えている。   Current molecular methods to determine the relative abundance of microbial species within a microbiota sample extract microbial DNA from the sample, perform PCR amplification of 16S or other DNA regions that provide species or other information, and then The resulting PCR product involves performing next generation sequencing (NGS). The relative abundance of each species in the original sample is inferred from the relative frequency of species-specific DNA sequences in the NGS data. There are numerous references to this type of analysis, and this method supports the study of many microbiota.

現行の方法論の問題は、異なった微生物に存在し得る異なった数の16S遺伝子、異なった微生物種からの配列が異なった率で増幅されるPCRバイアス、および異なった微生物種からの配列が異なった率で配列され得る配列決定バイアスに対して調整を行っていないことにある。その結果は、現行の方法論を使って導き出した相対存在度データの正確さに関して多くの不確実性があるということになる。   The problem with current methodologies is that the different numbers of 16S genes that can exist in different microorganisms, PCR biases where sequences from different microbial species are amplified at different rates, and sequences from different microbial species differed There is no adjustment to the sequencing bias that can be arranged at a rate. The result is that there are many uncertainties regarding the accuracy of the relative abundance data derived using current methodologies.

異なる生物種の集計は、単独ウェルにおける生物種の存在に基づき得る。これは、装填中にそのウェルへ分割する元の試料からの単独微生物と直接関係がある。PCR/NGSのみが、各ウェルにどんな微生物種が存在するかを識別するのに使用し得る。識別された配列の数は、計算の一部を形成していない。それ故、方法にPCR、NGSあるいは標的配列複写数変動あるいは偏りがあるかどうかは重要ではない。   Aggregation of different species can be based on the presence of species in a single well. This is directly related to a single microorganism from the original sample that divides into its wells during loading. Only PCR / NGS can be used to identify what microbial species are present in each well. The number of sequences identified does not form part of the calculation. It is therefore not important whether the method has PCR, NGS or target sequence copy number variation or bias.

複数の実施形態は、微生物叢研究、微生物産物発見および開発、医療診断、および試料内の微生物種の正確な集計が求められる他の如何なる分野にも応用され得る。   Embodiments can be applied to microbiota research, microbial product discovery and development, medical diagnostics, and any other field where accurate counting of microbial species in a sample is required.

従って、複数の実施形態は、生物叢試料内各生物種の相対存在度の更に一層の正確な測定、およびこの相対存在度測定を(希釈を明らかにするおよび/または元の試料内の微生物の総数の測定と組み合わせることによって)元の試料内各生物種の絶対存在度あるいは直接集計に変換する能力を提供し得る。複数の実施形態は、微細加工高密度チップの新しい応用を(微生物の培養および選別の外に)提供し得る。   Thus, embodiments provide an even more accurate measure of the relative abundance of each species in the flora sample, and this relative abundance measurement (which reveals dilution and / or microbial activity in the original sample). It can provide the ability to convert to absolute abundance or direct aggregation of each species in the original sample (in combination with total count measurements). Embodiments may provide new applications of microfabricated high density chips (outside microbial culture and selection).

図18は、複数の実施形態に従う集計方法を説明する作業ステップ図である。ステップ1800において、試料を取得する。ステップ1802において、少なくとも1つの細胞を取得した試料から抽出する。ステップ1804において、微細加工デバイスあるいはチップの少なくとも1つの高密度マイクロウェルアレイに少なくとも1つの抽出細胞を装填する。ステップ1804は、その少なくとも1つの抽出細胞を伴う細胞濃度を用意し、少なくとも1つの栄養素/培地を選択し、および/または少なくとも1枚の膜を選択することを含んでいる。ステップ1806において、マイクロアレイの少なくとも1部分を少なくとも1枚の選択された膜で密閉してマイクロウェルに関して細胞濃度を保持する。ステップ1808において、チップを培養目的で温める。ステップ1808は、温度を選択、(例えば、好気性かあるいは嫌気性か)雰囲気の決定、および/または培養の時間調整を含んでいる。ステップ1810において、培養細胞を識別のために犠牲にする場合がある。ステップ1810は、PCR、配列決定、および/または種々のデータ解析を含んでいる。ステップ1812において、試料についての情報(例えば、微生物共同体構造)を評価および/または判定し得る。   FIG. 18 is a work step diagram illustrating a tabulation method according to a plurality of embodiments. In step 1800, a sample is obtained. In step 1802, at least one cell is extracted from the acquired sample. In step 1804, at least one extracted cell is loaded into at least one high density microwell array of a microfabricated device or chip. Step 1804 includes providing a cell concentration with the at least one extracted cell, selecting at least one nutrient / medium, and / or selecting at least one membrane. In step 1806, at least a portion of the microarray is sealed with at least one selected membrane to maintain the cell concentration with respect to the microwell. In step 1808, the chip is warmed for culture purposes. Step 1808 includes selecting the temperature, determining the atmosphere (eg, aerobic or anaerobic), and / or adjusting the incubation time. In step 1810, the cultured cells may be sacrificed for identification. Step 1810 includes PCR, sequencing, and / or various data analysis. In step 1812, information about the sample (eg, microbial community structure) may be evaluated and / or determined.

図19は、複数の実施形態に従う集計方法を図解する一覧図である。パネル1900は、複合試料の例、具体的には微生物叢試料1902と土壌試料1904、を示している。パネル1906では、少なくとも1つの細胞が、例えば図5A および図5Bに示したプロトコルを使って複合試料から抽出されている。パネル1908では、その少なくとも1つの抽出細胞(および何らかの環境抽出物および/または希釈物)が、少なくとも1つの高密度マイクロウェルアレイ1910を備えた微細加工デバイスあるいはチップに装填されている。チップ1910と試薬カートリッジ1912が、培養器1914へ挿入され得る。試薬は、増殖に必要な栄養を維持するための液体補給および/または種々の選別目的に有用であり得る。パネル1916は出力、即ち配列および培養細胞の相対存在度、を示している。
(小液滴を用いたプラットホーム)
FIG. 19 is a list diagram illustrating a tabulation method according to a plurality of embodiments. Panel 1900 shows an example of a composite sample, specifically a microflora sample 1902 and a soil sample 1904. In panel 1906, at least one cell has been extracted from the composite sample using, for example, the protocol shown in FIGS. 5A and 5B. In panel 1908, the at least one extracted cell (and any environmental extract and / or dilution) is loaded into a microfabricated device or chip comprising at least one high density microwell array 1910. Chip 1910 and reagent cartridge 1912 can be inserted into incubator 1914. Reagents may be useful for liquid replenishment and / or various sorting purposes to maintain the nutrients necessary for growth. Panel 1916 shows the output, ie the sequence and the relative abundance of the cultured cells.
(Platform using small droplets)

孤立性の小液滴を用いたプラットホームは、チップが用いられるのと殆ど同じ方法で分離、培養、およびまたは選別のために使用し得る。小液滴は、ナノあるいはピコリットル容器として機能するマイクロウェルの類似物である。小液滴生成方法は、特にチップ上細胞分類器型の計測装置と組み合わされる場合、複合環境試料から微生物を分離するために利用され得る。小液滴添加は、微生物を供給するのに利用され得る。小液滴分割は、生物試料を後に残しながらも、配列決定あるいは何か他の分解試験用に利用され得る。配列決定に必要なすべての予備作業は、小液滴方式でも同様に成され得る。   A platform with isolated small droplets can be used for separation, culture, and / or sorting in much the same way that chips are used. Small droplets are analogs of microwells that function as nano or picoliter containers. The small droplet generation method can be used to separate microorganisms from complex environmental samples, especially when combined with an on-chip cell classifier type instrumentation. Small droplet addition can be utilized to supply microorganisms. Small droplet splitting can be utilized for sequencing or some other degradation test while leaving behind a biological sample. All the preliminary work required for sequencing can be done in the same way in the small droplet system.

複数の実施形態は、複合環境から微生物を取り出して小液滴に入れるために利用され得る。例えば、細胞懸濁液を含む小液滴生成用モジュール式システムは、1つあるいは少数の細胞を含み得る。水性小液滴は、互いに近づかないように又いかなる表面にも触れたり汚したりしないように非混和性液体に懸濁した状態にあり得る。小液滴は各マイクロウェルにおいて、例えば30Hzで、これは言い換えると毎日数百万ということになるが、生成され得る。   Embodiments can be utilized to remove microorganisms from a complex environment into small droplets. For example, a modular system for generating droplets containing cell suspensions can contain one or a few cells. Aqueous droplets can be suspended in an immiscible liquid so that they are not close to each other and do not touch or soil any surface. Small droplets can be generated in each microwell, for example at 30 Hz, which translates to millions of days every day.

液滴をベースとしたミクロ流体システムは、小液滴(例えば、約30 pL)をカプセル化、操作、および/または培養を行い得る。細胞生存および繁殖は、大容量溶液の制御実験に類似していることが注目される。小液滴は、数百Hzで生成され、これは数百万の液滴が数時間で生成され得ることを意味している。単独チップをベースとしたデバイスは、小液滴を生成する為に用いることが出来、そしてそれらの小液滴は単独細胞を含む様に設計され得る。   A droplet-based microfluidic system can encapsulate, manipulate, and / or culture small droplets (eg, about 30 pL). It is noted that cell survival and propagation are similar to large volume solution control experiments. Small droplets are generated at hundreds of Hz, which means that millions of droplets can be generated in hours. Single chip based devices can be used to generate small droplets, and the small droplets can be designed to contain single cells.

複数の実施形態は、小液滴内の細胞を選別するのに利用され得る。小液滴培養後の蛍光選別は、例えば1秒当たり500液滴の速度で、チップ上で行われ得る。小液滴は、多くの異なった測定用に構成された落射蛍光顕微鏡の焦点で1つのチャンネルを通して流され得る。これは、非常に小さい液滴に閉じ込められたために局所濃度が相当高いので、代謝物を対象にした選別を行う特に効果的な方法であり得る。   Several embodiments can be utilized to sort cells within small droplets. Fluorescence sorting after small droplet culture can be performed on the chip, for example, at a rate of 500 droplets per second. Small droplets can be flowed through one channel at the focal point of an epifluorescence microscope configured for many different measurements. This can be a particularly effective method for sorting on metabolites because the local concentration is quite high because it is trapped in very small droplets.

複数の実施形態は、小液滴を分類するために利用され得る。一旦細胞が単離され、増殖されおよび/または選別されたら、それらは、有用な試料が取り出されるように、分類され得る。小液滴は、通常用いられるFACS機構と類似のやり方で分類され得る。   Several embodiments can be utilized to classify small droplets. Once the cells are isolated, grown and / or sorted, they can be sorted so that a useful sample is removed. Small droplets can be classified in a manner similar to commonly used FACS mechanisms.

複数の実施形態は、小液滴を分割する為に利用され得る。複数の実施形態は、試料を取得して、1部分は配列決定(破壊ステップ)へ送りそして生育可能な培地であるもう1つの部分は保持するために、その試料を分割する能力を必要とし得る。小液滴を分割するやり方はいろいろ数多くあり、例えば液滴が流れ続けながら分裂することになる注意深く計算された大きさを有するT型接合を構築すること、あるいはエレクトロウェッティング(高すぎる電圧を加えて細胞溶解を起こさないように注意)等を含むが、これに限定されるものではない。   Embodiments can be utilized to break up small droplets. Embodiments may require the ability to divide the sample in order to obtain the sample and send one part to sequencing (disruption step) and retain another part that is viable medium . There are many ways to break up small droplets, such as building a T-junction with a carefully calculated size that will break as the droplet continues to flow, or electrowetting (applying too high a voltage) However, it is not limited to this.

複数の実施形態は、小液滴同士を合体させるおよび/または小液滴に試薬を添加するために利用され得る。例えば、細胞の長期(例えば。数週間)培養は、増殖に必要な栄養の維持のために液を加える機能を必要とする。種々の選別目的用に試薬を添加できることもまた有効であり得る。小液滴選別は、化合物コードを含む小液滴と単独細胞を含む小液滴を合体させ得ることに依拠している。そして次に小液滴は、培養されおよび/または分析チップへ戻されてそれらのコードを介して化合物を識別し得る。これは、必要に応じて小液滴同士を正確に合体させる能力を必要とし得る。   Embodiments can be utilized to coalesce droplets and / or add reagents to the droplets. For example, long-term (eg, several weeks) culture of cells requires the ability to add fluid to maintain the nutrients necessary for growth. It may also be advantageous to be able to add reagents for various sorting purposes. Small droplet sorting relies on the ability to combine small droplets containing compound codes with small droplets containing single cells. The small droplets can then be cultured and / or returned to the analysis chip to identify compounds via their codes. This may require the ability to accurately coalesce small droplets as needed.

複数の実施形態は、小液滴内でPCRを行うために利用され得る。PCRは、微生物を識別する為に特異性遺伝子要素(例えば、16S領域)を最終的に配列決定する為に用いられ得る。このことは、各ウェル内でどんなタイプの微生物が増殖しているかを決定するのに使われ得る。小液滴を用いたシステムにおいて、この手法は、適正なプライマー配列が遺伝子の正しい領域を増幅するように設計されている限り各小液滴内にどんな微生物が存在するかを決定するのに用いられ得る。   Several embodiments can be utilized to perform PCR in small droplets. PCR can be used to ultimately sequence specific genetic elements (eg, the 16S region) to identify microorganisms. This can be used to determine what type of microorganism is growing in each well. In systems using small droplets, this technique is used to determine what microorganisms are present in each droplet as long as the appropriate primer sequences are designed to amplify the correct region of the gene. Can be.

複数の実施形態は、小液滴からの(例えば、PCRステップで発生した)DNAの配列決定および/またはDNAライブラリーを作成するのに利用され得る。
(高密度チップ用位置特異性タグ)
Embodiments can be utilized to sequence DNA from small droplets (eg, generated in a PCR step) and / or create a DNA library.
(Position specific tag for high-density chip)

高密度マイクロウェルを備えた表面を有する高密度チップデバイスが使用され得る。微生物叢試料からの微生物は、1占有ウェル当たりほぼ1つの微生物をウェルが収容する様に希釈されて上記デバイスに塗布され得る。そのチップは、微生物がウェル内で複製され、そして結果として生じた固体群が単一の種を示す様に、培養目的で温められ得る。DNAによる位置索引作成システムは、各ウェルにどんな生物種が存在するかを決定するのに使用し得る。この索引作成システムは、ウェルを識別するアドレス指定バーコードを含む各ウェルに予め装填されたPCRプライマー、および生物種の情報を提供する特異性遺伝子要素(例えば、微生物遺伝子の16S)を対象とするプライマー配列を有することを必要とし得る。培養後に微生物DNAが放出され得て、PCRプライマーが標的バクテリアDNA領域を増幅でき、そしてチップ上の様々なウェルからの増幅産物が貯留され得て、次に次世代配列決定法によって解読される。   A high density chip device having a surface with high density microwells can be used. Microorganisms from the microbiota sample can be diluted and applied to the device such that the well contains approximately one microorganism per occupied well. The chip can be warmed for culture purposes so that the microorganisms replicate in the wells and the resulting solid population represents a single species. A DNA location indexing system can be used to determine what species are present in each well. This indexing system is targeted to pre-loaded PCR primers that contain addressing barcodes that identify the wells and specific genetic elements that provide species information (eg, 16S of microbial genes) It may be necessary to have a primer sequence. Microbial DNA can be released after incubation, PCR primers can amplify the target bacterial DNA region, and amplification products from various wells on the chip can be pooled and then decoded by next generation sequencing.

上記の位置索引作成システムは、マイクロチップ上の各ウェルに対して異なった位置コードを組み込むことを伴い得る、言い換えると所定数のウェルをコード化するのに必要なコードの総数が減じられる様に各ウェルに複合位置コードを組み込み得る。例えば、ある1つのチップに100のウェルがあるとすると、1ウェルに付き1つのコードである場合、100のコードが必要とされる。各ウェルから2つのコードが解読されたとすると、同じチップは20コードだけでコード化(即ち、グリッドのx軸に対して10のコード化、y軸に対して10のコード化)ができることになる。   The above position indexing system may involve incorporating a different position code for each well on the microchip, in other words, so that the total number of codes required to encode a given number of wells is reduced. A composite location code can be incorporated into each well. For example, if there are 100 wells in one chip, 100 codes are required if there is one code per well. If two codes were decoded from each well, the same chip could be coded with only 20 codes (ie, 10 codes for the grid x-axis and 10 codes for the y-axis). .

1ウェル当たり2コードを組み込むPCR戦略の1例を表2に示す。

Figure 2019535245
An example of a PCR strategy that incorporates 2 codes per well is shown in Table 2.
Figure 2019535245

1ウェル当たり3コードを組み込むPCR戦略の1例を表3に示す。

Figure 2019535245
An example of a PCR strategy that incorporates 3 codes per well is shown in Table 3.
Figure 2019535245

3つのオリゴプライマーが、単独PCR生成物を作るのに用いられる。分子の1つの末端に多くの部分からなるバーコードを装着するために2つのオリゴを使うこのシステムの利点は、例えば必要とされるオリゴの最大長さを減じることあるいは格別長いバーコードを作ること、を含み得る。   Three oligo primers are used to make a single PCR product. The advantage of this system using two oligos to attach a multi-part barcode to one end of the molecule is, for example, to reduce the maximum length of oligos required or to create exceptionally long barcodes , May be included.

この手法は、1反応に付きn個のバーコード組込みに一般化できる。手法はまた、標的配列領域の同じ側に幾つものバーコードがあるようないろいろな実施状況を含むこともできる。NGS配列決定アダプターが加えられて、バーコード化されたPCR生成物の個体群に対する全配列が、次世代配列決定法によって解読され得る。   This approach can be generalized to incorporate n barcodes per reaction. The approach can also include various implementations where there are several barcodes on the same side of the target sequence region. With the addition of NGS sequencing adapters, the entire sequence for a population of barcoded PCR products can be decoded by next generation sequencing.

別の実施状況において、固定コードが試料番号あるいはプレート番号を識別する為に加えることができ、そして表4に示されるような2つのバーコードに向けての1行程において複合試料/プレートの貯留を可能にし得る。

Figure 2019535245
In another implementation, a fixed code can be added to identify the sample number or plate number, and storage of the composite sample / plate in one stroke toward the two barcodes as shown in Table 4. Can be possible.
Figure 2019535245

さらなる実施状況において、固定コードが試料番号あるいはプレート番号を識別する為に加えることができ、そして表5に示されるような3つのバーコードに向けての1行程において複合試料/プレートの貯留を可能にし得る。

Figure 2019535245
In a further implementation situation, a fixed code can be added to identify the sample number or plate number and allows for the storage of composite samples / plates in one step towards the three bar codes as shown in Table 5 Can be.
Figure 2019535245

全ての場合において配列内のコードの位置が情報を伝えているので、従ってコード1、コード2およびコード3のバーコードは必ずしも個々のウェル内で互いに異なっている必要はない。   Since in all cases the position of the code within the sequence conveys information, the barcodes of code 1, code 2 and code 3 need not necessarily be different from each other within the individual wells.

単独コードのコード化システムを使って幾つものオリゴの作成をすることおよび幾つものチップを印刷することは高コストである。例えば、10,000ウェルチップは、チップ上のウェル中にバーコードを配置するのに10,000の単独バーコードと独立した印刷を10,000回繰り返すことを必要とする。2コードシステムを用いる場合、それらチップを製造するのに印刷をただ200回繰り返すとすると僅か200のバーコードが場合によっては必要とされるにすぎない。このことは、オリゴ費用、印刷時間および印刷資本投資の大幅な節約を意味する。   Making a number of oligos and printing a number of chips using a single code encoding system is expensive. For example, a 10,000 well chip requires 10,000 independent barcodes and 10,000 independent prints to place the barcode in the well on the chip. When using a two-code system, only 200 bar codes are required in some cases if printing is repeated 200 times to produce the chips. This means significant savings in oligo costs, printing time and printing capital investment.

デュアルバーコード化PCRプライマーの使用の後で増幅と配列決定解析を行って、微細加工チップ上へ無作為に分割された部分を含有するDNAあるいはRNAに関する位置データを得ることは、高い有用性と比較的低いコストを持ち得る。   Obtaining positional data on DNA or RNA containing randomly divided portions on a microfabricated chip by performing amplification and sequencing analysis after the use of dual barcoded PCR primers is of great utility Can have a relatively low cost.

図20は、複数の実施形態に従う索引作成システムを説明する一覧図である。マイクロウェル2000は、N個の横列とM個の縦列を有し、それによってN×M個の特有指標を生成する。チップ2000内マイクロウェルの位置は、座標(N、M)を有すると考え得る。各縦列は共通の逆方向プライマー配列(例えば、R1、R2、R3、...RM)を有し、並びに各横列は共通の順方向プライマー配列(例えば、F1、F2、F3、...FN)を有する。例えば16Sリボソームリボ核酸 (rRNA)内のある特定の遺伝子要素を対象とした特異タグは、順方向プライマー配列F515並びに逆方向プライマー配列R806を含み得る。チップ2000のPCRに続き、標的遺伝子要素の存在が、順方向プライマー配列と逆方向プライマー配列の存在に基づく元の特有マイクロウェルにマッピングし戻すことができる。例えば、F515とR806の存在が、チップ2000内で座標(515、806)を有するマイクロウェルへ ユーザを導く。
(バクテリア含有マイクロウェル全体にわたるPCR増幅生成物に対する変動性低減)
FIG. 20 is a list diagram illustrating an index creation system according to a plurality of embodiments. Microwell 2000 has N rows and M columns, thereby generating N × M unique indicators. The position of the microwell in the chip 2000 can be considered to have coordinates (N, M). Each column has a common reverse primer sequence (eg, R1, R2, R3,... RM), and each row has a common forward primer sequence (eg, F1, F2, F3,... FN) ). For example, a specific tag directed to a particular genetic element within 16S ribosomal ribonucleic acid (rRNA) can include a forward primer sequence F515 as well as a reverse primer sequence R806. Following chip 2000 PCR, the presence of the target gene element can be mapped back to the original unique microwell based on the presence of the forward and reverse primer sequences. For example, the presence of F515 and R806 guides the user to a microwell having coordinates (515, 806) within chip 2000.
(Reduced variability for PCR amplification products across bacteria-containing microwells)

DNAによる位置索引作成システムは、各ウェルにどんな生物種が存在するかを決定するのに使用され得る。この索引作成システムは、ウェルを識別するアドレス指定バーコードを含む各ウェルに予め装填されたPCRプライマー、および生物種の情報を提供する微生物遺伝子内の特異性遺伝子要素(例えば、16S)を標的とするプライマー配列を有することを要し得る。培養後に微生物DNAが放出されて、PCRプライマーが標的バクテリアDNA領域を増幅し、そしてチップ上の様々なウェルからの増幅産物が貯留され、そして次世代配列決定法によって解読され得る。   A DNA location indexing system can be used to determine what species are present in each well. This indexing system targets pre-loaded PCR primers that contain addressing barcodes that identify the wells, and specific genetic elements (eg, 16S) within microbial genes that provide species information. It may be necessary to have a primer sequence that Microbial DNA is released after incubation, PCR primers amplify the target bacterial DNA region, and amplification products from various wells on the chip are pooled and can be decoded by next generation sequencing.

ウェル全体にわたるPCR生成物の量の変動を制限するための複数の実施形態は、予想される試料DNA濃度の大部分に対してPCRプライマーの量がDNA増幅反応において制限的であるように、チップの製造中にウェル内PCRプライマー量の制限を組み込むことができ、従ってPCR生成物の生成量がウェル全体にわたってそれほど変わり易くは無いことになる。   Embodiments to limit the variation in the amount of PCR product across the well include a chip so that the amount of PCR primer is limiting in the DNA amplification reaction for the majority of the expected sample DNA concentration. Limiting the amount of PCR primer in the well can be incorporated during production of the PCR, and thus the amount of PCR product produced will not be as variable throughout the well.

ウェル全体にわたるPCR生成物の量の変動を制限するための複数の実施形態は、PCR生成物の生成量がウェル全体にわたって、全サイクルPCR増幅プロトコルと対比して、変動がより少ないように、チップ上のPCRサイクル数を3サイクル未満、あるいは5サイクル未満、あるいは10サイクル未満、あるいは15サイクル未満、あるいは20サイクル未満、あるいは25サイクル未満、あるいは30サイクル未満に制限することを含み得る。   Embodiments for limiting variation in the amount of PCR product across the wells are designed to ensure that the amount of PCR product produced is less variable across the well as compared to a full cycle PCR amplification protocol. Limiting the number of PCR cycles above to less than 3, alternatively less than 5, alternatively less than 10 cycles, alternatively less than 15 cycles, alternatively less than 20 cycles, alternatively less than 25 cycles, alternatively less than 30 cycles.

ウェル全体にわたるPCR生成物の量の変動を制限するための複数の実施形態は、PCR増幅産物の生成数が元の試料内のDNA量よりもヌクレオチド量により関連するように、反応混合物中のヌクレオチド量を制限することを含み得る。大量の標的DNAを有するマイクロウェルは、サイクリングステップの初期にヌクレオチドを使い尽くすのに対して、少量の標的DNAを有するマイクロウェルはサイクリングステップの後の方でヌクレオチドを使い尽くすが、ほぼ同じ量の増幅生成物を生成する。   Embodiments for limiting the variation in the amount of PCR product across the well include a number of nucleotides in the reaction mixture such that the number of PCR amplification products produced is more related to the amount of nucleotides than to the amount of DNA in the original sample. It may include limiting the amount. A microwell with a large amount of target DNA runs out of nucleotides early in the cycling step, whereas a microwell with a small amount of target DNA runs out of nucleotides later in the cycling step, but about the same amount. An amplification product is produced.

ウェル全体にわたるPCR生成物の量の変動を制限するための複数の実施形態は、培地が使い尽くされて複製を停止するまで細胞が自己複製をするように、ウェル内で増殖する微生物に利用可能な栄養素の量を制限することを含み得る。   Multiple embodiments to limit variation in the amount of PCR product across the well are available for microorganisms growing in the well so that the cells self-replicate until the medium is exhausted and stops replicating Limiting the amount of nourishment nutrients.

ウェル全体にわたるPCR生成物の量の変動を制限するための複数の実施形態は、PCR生成物がより多く生成されるにつれて信号がより輝くようにPCR生成物を識別する染料を各ウェルに配置することを含み得る。各PCRサイクル中に染料輝度を計測管理して、一旦望みの信号強度を観測したらそのウェルから試料を取り出すことができる。   Multiple embodiments for limiting variation in the amount of PCR product across the well place a dye in each well that identifies the PCR product so that the signal shines more as more PCR product is produced Can include. During each PCR cycle, dye brightness is measured and managed, and once the desired signal intensity is observed, the sample can be removed from that well.

ウェル全体にわたるPCR生成物の量の変動を制限するための複数の実施形態は、各ウェルからの増幅DNAを選択的に混成化する為に各ウェルに特異的なバーコードに補完的なオリゴで覆った混成物作成ビーズの混合物を用いることを含み得る。いったんビーズが飽和したなら、未結合DNAを洗い流し、結合DNAをビーズから解放する。次に、各ウェルからのDNAの量をビーズの飽和限界で正規化する。   Embodiments to limit the variation in the amount of PCR product across the well include oligos complementary to the barcode specific to each well to selectively hybridize amplified DNA from each well. It may include using a mixture of covered hybrid-producing beads. Once the beads are saturated, unbound DNA is washed away and bound DNA is released from the beads. The amount of DNA from each well is then normalized with the bead saturation limit.

ウェル全体にわたるPCR生成物の量の変動を制限するための複数の実施形態は、速く増殖する微生物は急速にウェルを満たして複製を止め、より遅く増殖する微生物は徐々にウェルを満たし、もしほぼ同じ数の細胞がウェル内にあるようになれば増殖を止めるように長期間にわたってチップを培養目的で温めることを含み得る。   Embodiments for limiting variation in the amount of PCR product across a well include: fast-growing microorganisms rapidly fill the well and stop replicating, slower-growing microorganisms gradually fill the well, and It may include warming the chip for culture for an extended period of time to stop growth once the same number of cells are in the well.

複数の実施形態において、チップ形式と方法の状況内でのバーコード化プライマーおよび次世代配列決定法(NGS)の使用は、どの生物種が高密度マイクロチップ上のどのウェル内で増殖しているかを識別するのに利用され得る。ほぼ同数のバクテリアがチップ内の各マイクロウェルを占める時、NGSデータの各ウェルからの信号は殆ど同じであり得る。   In embodiments, the use of barcoded primers and next generation sequencing (NGS) within the context of the chip format and method allows which species are grown in which wells on the high density microchip. Can be used to identify When approximately the same number of bacteria occupy each microwell in the chip, the signal from each well of the NGS data can be almost the same.

例えば、1千2百万の配列読み取りを生じる典型的NGSの実行において、各々が10,000のマイクロウェルを有する24チップがその実行において配列決定され、1ウェル当たり同数のバクテリアがいるとすると、1ウェル当たり平均して50読み取りがあることになる。   For example, in a typical NGS run that yields 12 million sequence reads, 24 chips each having 10,000 microwells are sequenced in the run, and if there are the same number of bacteria per well, 1 well On average there will be 50 readings.

しかしながら、異なるバクテリアが異なる速度で増殖すると、複数のウェルは少数のバクテリアを有し、複数のウェルは多数のバクテリアを有することになる。これは、少数のバクテリアを有するウェルがNGS分析では検出されないほどにNGSの実行をともすれば歪めてしまう。   However, when different bacteria grow at different rates, multiple wells will have a small number of bacteria and multiple wells will have a large number of bacteria. This is distorted when NGS runs so that wells with a small number of bacteria are not detected by NGS analysis.

こういう訳で、1千2百万の配列読み取りを生じる典型的NGSの実行例において、各チップが10,000のマイクロウェルを有し、それらのマイクロウェルの半分は他の半分の100倍多いバクテリアをその中に有する24のチップが1実行に付き配列決定されるとする。ゆっくりと増殖するウェル内のバクテリアが検出される確率は著しく低下する。この場合、
(10,000x24)/2x100 = 12,000,000
(10,000x24)/2 = 120,000
This is why in a typical NGS implementation that yields 12 million sequence reads, each chip has 10,000 microwells, half of those microwells containing 100 times more bacteria than the other half. Suppose the 24 chips in it are sequenced per run. The probability of detecting bacteria in wells that grow slowly is significantly reduced. in this case,
(10,000x24) / 2x100 = 12,000,000
(10,000x24) / 2 = 120,000

低頻度ウェルは、全体の1%に相当している。こうして、NGSの1実行においての12,000,000の読み取りの中で、120,000が低頻度ウェルから、即ち1ウェル当たり平均1読み取り、である。   Low frequency wells represent 1% of the total. Thus, of the 12,000,000 readings in one NGS run, 120,000 are from low frequency wells, ie, an average of 1 reading per well.

この現象の衝撃を最小化するために、NGS実行において全てのウェルが検出されるようにウェル全体に亘ってPCR生成物量を均一化するのを助ける新しい方法が開発される必要がある。
(微生物の単離、増殖、選別および解析用シリコンをベースとしたマイクロウェルチップ)
In order to minimize the impact of this phenomenon, new methods need to be developed to help homogenize the amount of PCR product across the wells so that all wells are detected in the NGS run.
(Microwell chip based on silicon for isolation, growth, selection and analysis of microorganisms)

微細加工デバイスあるいはチップは、ウェル毎の電気的測定を考慮して、プラスチック、ガラスおよび/またはポリマーの代わりまたはそれらに加えて、少なくとも一部がシリコンで構成され得る。例えば、各ウェルの壁面は、マイクロコンデンサを創り出すために絶縁される。別の例では、各ウェル内のFETが、ゲート表面がウェル内容物に曝されるように絶縁され得る。純粋にシリコンだけを用いるチップの代わりに、メッキ、蒸着、および/またはアーク/火炎噴霧によって既存のチップの最上面に金属薄層が生成されてもよい。これにより、より多くの機能性の追加、より安価および/またはよりクリーンな代替製造方法の利用、および/または手持ち式および/または携帯型のデバイスの小型軽量化を見込み得る。   The microfabricated device or chip can be at least partially composed of silicon instead of or in addition to plastic, glass and / or polymer, taking into account electrical measurements per well. For example, the wall of each well is insulated to create a microcapacitor. In another example, the FET in each well can be isolated such that the gate surface is exposed to the well contents. Instead of a tip that uses pure silicon only, a thin metal layer may be produced on the top surface of an existing tip by plating, vapor deposition, and / or arc / flame spraying. This can be expected to add more functionality, use cheaper and / or cleaner alternative manufacturing methods, and / or reduce the size and weight of handheld and / or portable devices.

複数の実施形態は、電気的測定によって増殖を計測管理する場合を考慮し得る。インピーダンスの定期的測定は、微生物(例えば、バクテリア)増殖の測定に適用され得る。例えば、大腸菌(E. coli)を収容する管の両端のインピーダンスは、Ur等、“Impedance Monitoring of Bacterial Activity”、8:1 J. Med. Microbiology 19-28 (1975) においてその管の細胞数にたとえられている。そしてこの論文はここにおいての参照によりその全文が本発明の明細書に組み込まれる。この効果が一般的であることを証明するために、ジュードモナス、クレブシエラおよび連鎖球菌を含む他のタイプのバクテリアに関して測定を行ってよい。異なった配合物全体に亘って増殖条件をテストする為に、ウェルが異なった培地で満たされてもよい。   Embodiments may consider the case of measuring growth by electrical measurement. Periodic measurement of impedance can be applied to the measurement of microbial (eg, bacterial) growth. For example, the impedance at both ends of a tube containing E. coli is the cell number of that tube in Ur et al., “Impedance Monitoring of Bacterial Activity”, 8: 1 J. Med. Microbiology 19-28 (1975). It is compared. This article is incorporated herein by reference in its entirety. In order to prove that this effect is common, measurements may be made on other types of bacteria including Judemonas, Klebsiella and Streptococcus. To test growth conditions across different formulations, the wells may be filled with different media.

複数の実施形態は、電気的測定による選別を見込み得る。電気的測定は、選別を見込むウェル毎になされ得る。1例は、pHであった。ISFETやpHメータ等を含むウェル内デバイスのゲートからpH依存性の応答を得るための多数の様々なやり方がある。埋め込みpHセンサを備えたウェルアレイは、酸性あるいは塩基性の代謝物を生成する微生物をどのウェルが含有するかを電気的に決定しうる。単純な例は、ラクトースからの乳酸生成を対象とした検査である。バクテリアは希釈されてウェル中へ分配され、増殖され、そして次にラクトースを供給される。pHの低下を記録するウェルは、ラクトースを乳酸に分解できる微生物を含んでいる。   Embodiments can allow for sorting by electrical measurements. Electrical measurements can be made for each well that allows for sorting. One example was pH. There are a number of different ways to obtain a pH dependent response from the gates of in-well devices including ISFETs, pH meters and the like. Well arrays with embedded pH sensors can electrically determine which wells contain microorganisms that produce acidic or basic metabolites. A simple example is a test targeting lactic acid production from lactose. The bacteria are diluted and distributed into the wells, grown, and then fed with lactose. Wells that record a drop in pH contain microorganisms that can break down lactose into lactic acid.

複数の実施形態は、酸化還元プローブの電気測定を見込み得る。電気測定に影響を及ぼすもう一つの方法は、ウェル内のバクテリアが如何にして既知の酸化還元プローブに影響するかを見ることにある。基本的には、定義が明確な応答を有するシステムは、バクテリアの存在下で測定出来、予想された挙動からの逸脱はバクテリア試料に帰せられ得る。典型的な酸化還元プローブは、フェリシアン化物、[Fe(CN)6]3-/4-、に似た何かである。フェリシアン化物のフェロシアン化物への還元は、特に電極からの電子移動周辺の小さな挙動変化が見出し可能なものとして非常によく特徴づけられる。このシステムは、バクテリア自身を直接変更する必要なく検出できるので、「ラベル無し」である。 Embodiments can envision electrical measurements of redox probes. Another way to influence electrical measurements is to see how bacteria in the well affect known redox probes. Basically, systems with well-defined responses can be measured in the presence of bacteria, and deviations from expected behavior can be attributed to bacterial samples. A typical redox probe is something similar to ferricyanide, [Fe (CN) 6] 3- / 4- . The reduction of ferricyanide to ferrocyanide is very well characterized, especially as a small behavioral change around the electron transfer from the electrode can be found. This system is “unlabeled” because it can detect bacteria themselves without having to modify them directly.

微生物(例えば、大腸菌)の認識が可能な抗体を、ITO電極に固定化し得る。電極からフェリシアン化物含有溶液への電子移動抵抗を測定し得る。電極表面に結合している大腸菌は、表面上の大腸菌濃度に比例して上記抵抗を増加させる。このことは、酸化還元プローブを使って特異型の有機体あるいは代謝産物を検出せしめる得る一群の測定の一例である。   An antibody capable of recognizing a microorganism (for example, E. coli) can be immobilized on the ITO electrode. Electron transfer resistance from the electrode to the ferricyanide-containing solution can be measured. E. coli bound to the electrode surface increases the resistance in proportion to the E. coli concentration on the surface. This is an example of a group of measurements that can detect a specific type of organism or metabolite using a redox probe.

シリコン(あるいは少なくとも金属または金属被覆プラスチック)に備わる働きは、(例えば、既存技術への便乗による)より廉価なチップ生産、小型および/または携帯版を可能にする総合検出能力、他の材料(例えば、LCR、CV等)には無い更なる測定能力、新しく見出されたチップによる検出様式の既存デバイスへの統合、電気測定と配列決定の組み合わせ等を含むいろいろな長所を提供する。これらの長所は、干渉計による検出法を用いるあらゆる顧客に恩恵をもたらすことになる。
(チップ上のウェル特異的化学作用物質を保護する剥離可能障壁)
The work provided by silicon (or at least metal or metal-coated plastic) is the ability to produce cheaper chips (eg, by piggybacking on existing technology), comprehensive detection capabilities that enable smaller and / or portable versions, and other materials (eg, , LCR, CV, etc.) provide various advantages, including integration of detection modes with newly discovered chips into existing devices, a combination of electrical measurements and sequencing. These advantages will benefit any customer using an interferometric detection method.
(Peelable barrier protecting well-specific chemicals on the chip)

図21A〜図21Eは、複数の実施形態に従うウェル特異的化学作用物質を有するチップを示す一覧図である。図21Aには、微細加工で作られ、複数のマイクロウェルを有するデバイスあるいはチップが示されている。図21Bでは、マイクロウェル特異的化学作用物質が、チップ上の各マイクロウェルに割り振られている。図21Cでは、チップの各マイクロウェル内のマイクロウェル特異的化学作用物質上を封止剤が覆っており、それによってウェルへの更なる添加物とのそれら化学作用物質の相互作用を阻止している。図21Dでは、試料が充填され、そしてマクロウェル内の試料に対して実験が行われる。図21Eでは、トリガー(例えば、熱)により、マイクロウェル特異的化学作用物質がウェル内試料との相互作用のために解放される。   21A-21E are lists illustrating chips having well-specific chemical agents according to embodiments. FIG. 21A shows a device or chip made by microfabrication and having a plurality of microwells. In FIG. 21B, microwell-specific chemical agents are assigned to each microwell on the chip. In FIG. 21C, the sealant covers the microwell-specific chemicals within each microwell of the chip, thereby preventing their interaction with further additives to the wells. Yes. In FIG. 21D, the sample is filled and the experiment is performed on the sample in the macrowell. In FIG. 21E, a trigger (eg, heat) releases the microwell-specific chemical agent for interaction with the sample in the well.

マイクロウェルチップが製造され、洗浄されおよび/またはそれらの表面が処理される。特異的化学作用物質は別途に調製され、次に、例えば1組の特異的化学物質が特定の1つのウェル(あるいは複数のウェル)への誘導を可能にする方法および/または機器を使って、ウェル内に入れられる。その後すぐに、種々の化学作用物質を環境からおよび/または何らかの限定的外部トリガーによる除去、放出および/また妨害から守るために封止剤を施し得る。   Microwell chips are manufactured, cleaned and / or their surfaces are treated. Specific chemical agents are prepared separately and then, for example, using methods and / or instruments that allow a set of specific chemicals to be directed to a specific well (or multiple wells), Put in the well. Immediately thereafter, sealants may be applied to protect the various chemical agents from removal and release and / or interference from the environment and / or by some limited external trigger.

微細加工デバイスあるいはチップは、特定のデザインで製造され、例えば洗浄されおよび/または濡れを高めるために表面処理が施され得る。PCRプライマーを特定ウェルへ印刷するあるいはピンで点在させ得る。チップを乾燥させてよく、その後ワックス層をエタノール溶液の蒸発によって沈積させ得る。最適濃度は約1% v/vである。溶融ワックスが直接塗布されても、あるいはワックスの水溶液あるいはアルコール溶液が噴霧されてもよい。別法として、スピンコーティングあるいは蒸着法が使われてもよい。種々のワックスが使用可能であり、それらの例としてポリエチレングリコールを含むあるいは含まないステアリン酸グリセリル、セテアリルアルコール、1−ヘキサデカノール、ステアリン酸グリセリルエステル、セテアレス−20(CAS登録No. 68439-49-6)、およびLotionproTM 165 (Lotioncrafter(登録商標)、イーストサウンド、ワシントン、から入手可能) および PolawaxTM (Croda, Inc.、エジソン、ニュージャージー、から入手可能) 等の複数の市販製品等が挙げられる。下に横たわる化学作用物質は、例えばワックスが溶ける迄に加熱されることによって、後で放出され得る。これらの組成物に対して、加熱は50℃と70℃の間である。加熱温度は、どの化学成分にも損傷を与えずあるいは我々の水性溶液を沸騰させないために十分低いことが重要である。 Microfabricated devices or chips can be manufactured with a specific design, for example, cleaned and / or surface treated to enhance wetting. PCR primers can be printed into specific wells or dotted with pins. The chips can be dried, after which the wax layer can be deposited by evaporation of the ethanol solution. The optimal concentration is about 1% v / v. The molten wax may be applied directly, or an aqueous wax solution or an alcohol solution may be sprayed. Alternatively, spin coating or vapor deposition may be used. Various waxes can be used, examples of which include glyceryl stearate, cetearyl alcohol, 1-hexadecanol, glyceryl stearate, ceteares-20 (CAS Registry No. 68439-49) with or without polyethylene glycol. -6), and several commercial products such as Lotionpro 165 (available from Lotioncrafter®, Eastsound, Washington) and Polawax (available from Croda, Inc., Edison, NJ) It is done. The underlying chemical agent can be released later, for example by heating until the wax melts. For these compositions, the heating is between 50 ° C and 70 ° C. It is important that the heating temperature be low enough not to damage any chemical components or to boil our aqueous solution.

重要な概念には、実験者がトリガーを解除するまでチップと仕切られているウェル特異的化学作用物質がある。この方法は、ウェル内でのバーコード化に用いられ得るが、より広く別の問題の全般にわたっても適用され得る。チップ上での封止に役立つ種々の化学作用物質は、抗生物質、蛍光物質、染料、PCRプライマー、溶解促進剤、抗体、色々の代謝生成物用試薬等を含むが、これらに限定されるものではない。ワックスは加熱によって後で放出され得る物を封止するのに良い手段ではあるが、露光、音波処理および/または何か他のトリガーに対しての封止および解除に他の物質が使われてもよい。チップに試薬を単に添加することに比べてこの方が優位である点は、ウェル毎に制御することにある。同様な効果が、微生物試験を行った後でウェルに化学作用物質を印刷することによっても達成されるかもしれないのだが、これは時間の問題(印刷ステップが1日掛りであり得る)および、もし微生物がチップ上に存在した後で各ウェルが個々に塞がれるとするならば、全てのウェルを同じ時間量で作用を受けさせることは不可能であるという事実問題を持ち込むことになる。解除機構をもってすれば、どのウェルもみな同時に作用を受けることができる。1つの例では、ワックスを溶媒流し込みによってチップ上へ付着させ得る。
(簡単および/または相対存在度制御用隔離マイクロウェル)
An important concept is a well-specific chemical agent that is separated from the chip until the experimenter releases the trigger. This method can be used for bar coding within a well, but can also be applied across a wider range of different problems. Various chemical agents useful for sealing on the chip include, but are not limited to, antibiotics, fluorescent materials, dyes, PCR primers, dissolution promoters, antibodies, reagents for various metabolites, etc. is not. Wax is a good means to seal things that can later be released by heating, but other materials are used to seal and release against exposure, sonication and / or some other trigger. Also good. This is superior to simply adding a reagent to the chip because it controls each well. A similar effect may be achieved by printing chemical agents into the wells after performing a microbial test, but this is a matter of time (printing steps can take a day) and If each well is clogged individually after the microorganisms are present on the chip, this introduces the fact that it is impossible to have all wells acted on in the same amount of time. With the release mechanism, all wells can be affected simultaneously. In one example, the wax may be deposited on the chip by solvent casting.
(Isolated microwells for easy and / or relative abundance control)

高密度チップデバイスは、高密度マイクロウェルを有する表面を備え得る。微生物叢試料からの微生物、あるいは他の細胞種は、1占有ウェル当たり略1つの微生物あるいは細胞をウェルが収容するように希釈されてデバイスに塗布され得る。これらのマイクロウェルは、栄養素のマイクロウェルへの拡散を可能にするが微生物あるいは細胞の全てあるいは少なくとも幾つかがマイクロウェルから外へ移動するのを防ぐ半透過膜で封じられ得る。   A high density chip device may comprise a surface having high density microwells. Microorganisms, or other cell types, from the microbiota sample can be diluted and applied to the device such that the well contains approximately one microorganism or cell per occupied well. These microwells can be sealed with a semi-permeable membrane that allows diffusion of nutrients into the microwells but prevents migration of all or at least some of the microorganisms or cells out of the microwells.

微生物あるいは細胞の試料は調製され、次に不透過性あるいは気体のみを透過する膜を使ってチップ中へ封じ込まれ得る。如何なる液体貯留層もチップ上部あるいは膜上に置かれないので、封止時のウェル内栄養素のみがマイクロウェルに於ける微生物あるいは細胞の増殖を助けるために利用可能である。この特徴についての2つの根拠として、(1)構造およびデバイスとしての作業流れの単純さが半透過性膜あるいは貯留層を有することを必要とせず、栄養素を添加しなければならないことは無く、且つ汚染の恐れが少ないこと、並びに(2)栄養素の入手を制限することによって早成生物の相対存在度を抑えることが挙げられる。複数の早成生物と複数の晩成生物を含む試料については、早成生物はそれらのマイクロウェル内で速やかに供給源限界になり生長が止まるかあるいは遅くなるが、一方晩成生物は増殖し続ける。この事が、早成生物の栄養素量に制限がない場合に比べて、チップ全般にわたる微生物の個体群の中でより高い相対存在度で晩成生物が示されるようにしている。これは、チップ上の全ての配列決定時の下流処理にとって重要になる。それは又、希少種の増殖がそれらの検出用システムの性能を制限する点にまで早成種によってより速められることがないので、希少種に対しより良い検出限界を提供する。   Microbial or cellular samples can be prepared and then sealed into the chip using a membrane that is impermeable or gas permeable only. Since no liquid reservoir is placed on top of the chip or on the membrane, only the nutrients in the wells at the time of sealing can be used to help the growth of microorganisms or cells in the microwells. Two grounds for this feature are: (1) the simplicity of the work flow as a structure and device does not require having a semi-permeable membrane or reservoir, no nutrients have to be added, and There are less fears of contamination, and (2) reducing the relative abundance of premature organisms by limiting the availability of nutrients. For samples containing multiple premature organisms and multiple late life organisms, premature organisms quickly become source limited in their microwells and stop growing or slow down, while the late life organisms continue to grow. This ensures that the adults are shown with a higher relative abundance in the population of microorganisms across the chip than in the case where there is no limit on the nutrient content of the adults. This is important for downstream processing during all sequencing on the chip. It also provides a better detection limit for rare species because the propagation of rare species is not accelerated by premature species to the point of limiting the performance of their detection system.

現行の方法は、本来早成種あるいは晩成種であるかに関わらず全ての生物種を増殖せしめるよう試みている。このことは、早成種が共同体を席巻し、時間と共に相対存在度を高めるだけという必然的結果を生む。配列決定あるいは蛍光選別のような川下解析の多くのタイプは、所定固体郡の中の或る限定相対存在度を上回る生物種以外のすべての生物種を分析ができない。目標が多様性を保持して希少種を検出することであれば、その時には何らかの方法で早成種が制限される必要がある。   Current methods attempt to propagate all species regardless of whether they are native or late. This has the inevitable result that the early adult species swept the community and only increased relative abundance over time. Many types of downstream analysis, such as sequencing or fluorescence sorting, cannot analyze all species except those above a certain limited relative abundance in a given solid county. If the goal is to detect rare species while maintaining diversity, then it is necessary to limit premature species in some way.

この考えを論証する1例として、2つの生物種を含む試料の単純な実例、即ち表6に示す様に、1つの生物種は毎日倍増し、もう一つの生物種は1週間毎に倍増するものとする、を考察する。晩成種が初めは相対存在度が5%と希少であるとすると、両生物種が増殖するにつれてそれは直ぐに非常に希少となる。

Figure 2019535245
As an example to illustrate this idea, a simple example of a sample containing two species, ie one species doubles every day and the other species doubles every week, as shown in Table 6. Let's consider. Assuming that the late adult species is initially rare, with a relative abundance of 5%, it becomes very rare as both species grow.
Figure 2019535245

Figure 2019535245
(バイオバンク細胞用高密度微細加工アレイ)
Figure 2019535245
(High-density microfabricated array for biobank cells)

バイオバンクは、例えば疾患関連の生物標識発見のような或るタイプの研究を推進する為に大きな個体群から多数の試料を研究者が入手する道を開くように設計されている。ビイオバンキングにおける技術の現状は、管あるいは、例えば96-ウェルまたは384-ウェルプレートのような、低密度プレート形態に保管すべき試料に備えている。これは、仕込まれるべき試料の数が比較的小さく且つ試料自体が離散、孤立性の固体群である時に機能する。バイオバンキングへの既存の取り組み方では、微生物試料のような試料を保管する時に複雑で非能率的となり、そこでは試料の数が多い場合があり、各試料内の異なる種または変種の数が1試料当たり数百から数千あるいは数百万に及ぶ場合もある。既存の方法を使うとすると、所望の種あるいは変種を入手するために保管ステップに先立つあるいは後に続くかのいずれかで個々の種あるいは変種を分離するために骨の折れる隔離プロトコルが実施されなければならない。   Biobanks are designed to pave the way for researchers to obtain large numbers of samples from large populations to drive certain types of research, such as the discovery of disease-related biomarkers. The state of the art in biobanking provides for samples to be stored in tubes or low density plate forms, such as 96-well or 384-well plates. This works when the number of samples to be charged is relatively small and the samples themselves are discrete, isolated solid groups. Existing approaches to biobanking can be complex and inefficient when storing samples such as microbial samples, where the number of samples can be large and the number of different species or variants in each sample is one. It can range from hundreds to thousands or even millions per sample. Using existing methods, laborious isolation protocols must be implemented to separate individual species or variants either prior to or following the storage step to obtain the desired species or variant. Don't be.

ここに記述するシステム、キット、装置および方法論は、バイオバンク細胞、微生物、ウイルスおよび他の生物学的存在に適用し得る。高密度マイクロウェルを有する表面を備える高密度チップデバイスは、1チップ当たり数千、数十万あるいは数百万のマイクロウェルを有し得る。例えば、微生物叢試料からの微生物(または異なったタイプの細胞あるいはウイルスのような他の生物学的存在)が希釈されて、ウェルが微生物を1占有ウェル当たり略1つ収容するようにデバイスへ塗布される。そして次に、微生物がウェル内で複製されて結果として生じた個体群が単一の種であるように、チップが温められる。各ウェルにどんな種が存在するかを決定するために、核酸による位置指標付けシステムを利用し得る。この指標付けシステムは、各ウェルが予め装填するPCRプライマーを有することを必要とし得る。それらのPCRプライマーは、ウェルを識別する番地付けバーコードおよび種情報を提供あるいは所望の遺伝子配列を標的にする微生物遺伝子の特異性遺伝要素(例えば、16S)を対象にしたプライマー配列を含有し得る。培養後に、微生物DNAが放出され、そしてPCRプライマーが標的バクテリアDNA領域を増幅する。チップ上の種々のウェルからの増幅産物が貯留されて、その後に次世代配列決定法によって解読され得る。   The systems, kits, devices, and methodologies described herein may be applied to biobank cells, microorganisms, viruses, and other biological entities. A high density chip device comprising a surface with high density microwells can have thousands, hundreds of thousands or millions of microwells per chip. For example, microorganisms (or other biological entities such as different types of cells or viruses) from a microbiota sample are diluted and applied to the device so that the wells contain approximately one microorganism per occupied well. Is done. The chip is then warmed so that the microorganism is replicated in the well and the resulting population is a single species. A nucleic acid location indexing system can be used to determine what species is present in each well. This indexing system may require that each well has pre-loaded PCR primers. These PCR primers may contain a primer sequence directed to a specific genetic element (eg, 16S) of a microbial gene that provides an addressing barcode and species information that identifies the well or targets the desired gene sequence . After incubation, microbial DNA is released and PCR primers amplify the target bacterial DNA region. Amplification products from various wells on the chip can be pooled and subsequently decoded by next generation sequencing.

バイオバンキング用高密度微細加工チップの使用は、保管前あるいは保管後のいずれかで骨の折れる隔離プロトコルを実行することを必要とせずに別々の個体群として保管される各試料内の多数の種あるいは変種に備えている。DNAによる位置指標付けシステムあるいは特定用途向け試験法の使用は、各マイクロウェルの内容物の遺伝標識あるいは特性の識別へのより平易な一般的取り組みを可能にして、例えば種の情報のような、情報を与える。その上、チップデバイスは、細胞隔離集団を保管する極めて空間効率の大きい方法に備えている。例えば、100,000のウェルを備えた単式顕微鏡スライド寸法のチップは、対応する従来の保管形態よりも大幅に小さな空間を占める。チップ形式はまた、単一対象物からの多くの異なった試料を1つのチップに収容させることによって、試料を適切に記録保存して管理するおよび/または被験者(例えば、患者)情報のデータベースを取り扱うために有用であり得る。   The use of high-density microfabricated chips for biobanking allows multiple species in each sample to be stored as separate populations without the need to perform laborious isolation protocols either before or after storage. Or prepare for a variant. The use of DNA location indexing systems or application specific testing methods allows a simpler general approach to identifying the genetic markers or characteristics of the contents of each microwell, such as species information, Give information. In addition, chip devices provide for a very space efficient way of storing cell segregation populations. For example, a single microscope slide size tip with 100,000 wells occupies much less space than the corresponding conventional storage configuration. The chip format also handles the database of subject (e.g. patient) information by properly recording and managing samples and / or by accommodating many different samples from a single object on a single chip. Can be useful for.

この装置を使って細胞を列状に並べるために、細胞を装置のマイクロウェルに配置および/または位置付けし得る。マイクロウェル内の細胞を、保管の影響を改善するように処理してから適切な保管条件に置き得る。例えば、細胞をグリセロールのような薬剤で処理して凍結の影響を改善し得る。次にチップを、冷凍庫のような適切な保管条件下に置き得る。細胞を脱水、凍結乾燥および/または真空凍結乾燥してよく、且つチップを乾燥細胞防護のための適切な条件下に置き得る。保管デバイスとしての有用性を更に高めるために追加の構造物がチップに加えられてよい。例えば、膜あるいは他の構造部品をチップの上面に配置して保管に先立ってウェルの少なくとも幾つかを封じてよい。   In order to line up cells using this device, the cells can be placed and / or positioned in microwells of the device. Cells in the microwells can be treated to improve the storage effect and then placed in appropriate storage conditions. For example, cells can be treated with agents such as glycerol to improve the effects of freezing. The chips can then be placed under appropriate storage conditions such as a freezer. The cells may be dehydrated, lyophilized and / or vacuum lyophilized, and the chip may be placed under appropriate conditions for dry cell protection. Additional structures may be added to the chip to further enhance its usefulness as a storage device. For example, a membrane or other structural component may be placed on the top surface of the chip to seal at least some of the wells prior to storage.

チップは、チップ上のマイクロウェルの1部分の各々が略1つの細胞で占められる様に、細胞を装填され得る。チップは、細胞の複製を見越して温められる。チップは複製がつくられ、元のチップあるいは複製チップのいずれかがチップの各ウェルに存在する細胞あるいは生物種あるいは遺伝子標識を(例えば、上記した位置索引付けシステムを使って)識別するために用いられる。そのチップを、適切な条件で処理および/または保管し得る。複製ステップおよび/または識別ステップは、保管前よりは保管後に行われてよい。   The chip can be loaded with cells such that each portion of the microwell on the chip is occupied by approximately one cell. The chip is warmed in anticipation of cell replication. The chip is replicated and either the original chip or the replicated chip is used to identify the cell or species or genetic marker present in each well of the chip (eg, using the position indexing system described above) It is done. The chip may be processed and / or stored at appropriate conditions. The duplication step and / or identification step may be performed after storage rather than before storage.

予め存在する単離菌株ひと組の各菌株からの1つ以上の細胞が、チップ上の別々のマイクロウェルに配置され得る。各菌株あるいは細胞タイプのものが配置されているマイクロウェルの位置が記録され、そしてそのチップは適切な条件で処理およびまたは保管され得る。   One or more cells from each set of pre-existing isolated strains can be placed in separate microwells on the chip. The location of the microwell in which each strain or cell type is located is recorded and the chip can be processed and / or stored under appropriate conditions.

各ウェル内のワックス障壁の真下に保存の化学作用が隔離されている1種のチップを創り得る。単離物はチップ内部に封印されて増殖でき、次にバンキング前に保存剤の熱誘発放出によって後日から保護され得る。   One chip can be created in which the storage chemistry is sequestered just below the wax barrier in each well. The isolate can be sealed inside the chip to grow and then protected from later days by heat-induced release of preservatives prior to banking.

その様な装置は、土壌、人の腸、海水、口腔、皮膚等からの微生物群系試料の様な混合微生物群系試料を保管/バイオバンクするために使用しうる。チップは、菌類、古細菌、人の細胞(生殖細胞を含む)、動物細胞およびウイルスの様な別タイプの生物学的存在を保管するために使用し得る。   Such devices can be used to store / biobank mixed microbial community samples, such as microbial community samples from soil, human intestines, seawater, oral cavity, skin, and the like. The chip can be used to store other types of biological entities such as fungi, archaea, human cells (including germ cells), animal cells and viruses.

DNA位置標識付けシステムは、各ウェルの内容物に関する情報をあらゆる種類の生物学的存在にわたって作成するために使用できる。チップ全体を、抗体あるいは基材による分析のように特化された分析法を使って所望の活性について検査し得る。例えば、T細胞のバンク個体群を備えるチップを獲得免疫活性について検査し得る。   The DNA position labeling system can be used to create information about the contents of each well across all types of biological entities. The entire chip can be tested for the desired activity using specialized analytical methods such as antibody or substrate analysis. For example, a chip with a bank population of T cells can be tested for acquired immune activity.

説明に役立つ1つの例では、人の糞便微生物叢試料を研究参加者から集める場合がある。個々人の糞便微生物が、後日に標的微生物の供給源として使用するための微生物叢の試料としてだけでなくその個人の微生物叢の記録を維持するためにチップ上にバイオバンクされ得る。別の例では、臨床あるいは調査研究中にあるいは治療のワークフロー(例えば、生体外で処理した細胞を用いる治療)の一部としてT細胞あるいは他の獲得免疫細胞の混合個体群のサンプルを個々人から取って調べる場合がある。更に別の例では、土壌生物群系が種子バンキングと協力して保管される場合がある。
(高分解能採取)
In one illustrative example, human fecal microbiota samples may be collected from study participants. Individual faecal microorganisms can be biobanked on the chip to maintain a record of the individual's microflora as well as as a sample of the microflora for later use as a source of target microorganisms. In another example, a sample of a mixed population of T cells or other acquired immune cells is taken from an individual during clinical or research studies or as part of a treatment workflow (eg, treatment using cells treated in vitro). May be examined. In yet another example, soil biomes may be stored in cooperation with seed banking.
(High resolution sampling)

高度に正確/精密な採取装置あるいはシステムを、上述した微細加工チップ上のマイクロウェルからのおよび/またはマイクロウェルに対しての色々な採取機能を実行するように設計し得る。標的基材あるいはチップは、1つの表面に射出成形された機構を有する顕微鏡スライド型(約25mmx75mmx1mm)であり得る。マイクロウェルを、チップの辺の周りに約4〜8mmのウェル無し縁端部を有する格子模様に配列し得る。ウェルの大きさと間隔は、採取器の性能に基づいて決めることが出来る。マイクロウェルは、各辺に沿った寸法が約25μmから約200μmの正方形であってよく、ウェル端とウェル端の間に約25μmから約100μmの間隔を設け得る。マイクロウェルは代わりに円形であっても、六角形であってもよい。ウェルの深さは、約25μmから約100μmであってよい。例えば、7mmの縁端部、ウェル端間に100ミクロンの間隔を有する100μm角のウェルを有する75mmx25mmのスライドは、約16,775のマイクロウェルを有することになる。   Highly accurate / precise sampling devices or systems can be designed to perform various sampling functions from and / or to the microwells on the microfabricated chip described above. The target substrate or tip can be a microscope slide type (about 25 mm × 75 mm × 1 mm) with a mechanism injection molded on one surface. The microwells can be arranged in a grid pattern with a well-less edge of about 4-8 mm around the sides of the chip. Well size and spacing can be determined based on collector performance. The microwells can be square with dimensions along each side of about 25 μm to about 200 μm, and there can be a spacing of about 25 μm to about 100 μm between the well ends. The microwells may alternatively be circular or hexagonal. The depth of the well can be from about 25 μm to about 100 μm. For example, a 75 mm × 25 mm slide with 7 mm edge, 100 μm square wells with 100 micron spacing between well ends would have about 16,775 microwells.

高度に正確/精密な採取システムを、上述したような微細加工チップ上のマイクロウェルに対応する膜の一部からのおよび/またはその膜の一部に対しての色々な採取機能を実行するように設計し得る。膜は、増殖バクテリアをマイクロウェルへ封入するために既に使っていた薄いシートであってもよい。チップから剥がされる時、膜はチップからの分離後にその表面にバクテリア試料ばかりでなくマイクロウェルアレイの圧痕を保持し得る。こうして、剥離膜はチップで増殖したバクテリアの複製として機能し得る。   Highly accurate / precise sampling system to perform various sampling functions from and / or for part of the membrane corresponding to the microwell on the microfabricated chip as described above Can be designed to. The membrane may be a thin sheet that has already been used to encapsulate the growing bacteria into the microwells. When peeled from the chip, the membrane can retain indentations of the microwell array as well as bacterial samples on its surface after separation from the chip. Thus, the release membrane can function as a replica of bacteria grown on the chip.

高分解能採取器は、ユーザからのデータ入力を受け取ることができる。その入力は、少なくとも1対のチップマイクロウェル座標を含んでおり、従って採取器は少なくとも1つの入力対の座標からおよび/または少なくとも1つの入力対の座標に対して採取し得る。機械的な殺菌作業がサイクルとサイクルの間に行われ得る。高分解能採取器は、嫌気性室内で操作可能であってよい。   The high resolution sampler can receive data input from the user. The input includes at least one pair of chip microwell coordinates, so that the collector can sample from and / or to at least one input pair coordinate. Mechanical sterilization operations can be performed between cycles. The high resolution sampler may be operable in an anaerobic chamber.

高分解能採取器システムはチップを受け取り、例えば基準標識および/または参照ウェルを使って、採取器をチップに合わせることができる。採取器は、例えばチップ上のマイクロウェルで増殖した細胞を、例えば培養培地を含有する96−ウェルあるいは384−ウェルのプレート中へ採取し得る。採取器は、単一採取ピンあるいは複数の採取ピンを含み得る。   The high resolution collector system receives the chip and can be adapted to the chip using, for example, a reference label and / or a reference well. The collector can collect, for example, cells grown in microwells on the chip into 96-well or 384-well plates containing, for example, culture medium. The collector may include a single collection pin or multiple collection pins.

高分解能採取器システムは膜を受け取り、例えば膜上の参照ウェル標識を使って、採取器を膜に合わせ得る。採取器は、例えば膜からの細胞を、例えば培養培地を含有する96−ウェルあるいは384−ウェルのプレート中へ採取し得る。採取ピンは、いろいろな形(例えば、キノコ形)および/または膜からの採取用表面(例えば、肌理)を有し得る。システムはまた、膜を保持および/または平らにするための1つ以上の機構(例えば、浮ピンおよび/または真空)を含み得る。   The high resolution collector system receives the membrane and can use the reference well label on the membrane, for example, to align the collector to the membrane. The harvester can, for example, harvest cells from the membrane into 96-well or 384-well plates containing, for example, culture medium. The collection pin can have a variety of shapes (eg, mushroom shape) and / or a collection surface (eg, texture) from the membrane. The system may also include one or more mechanisms (eg, floating pins and / or vacuum) for holding and / or flattening the membrane.

高分解能採取器システムは、チップ間移動を介してチップの複製を可能にし得る。採取器は、基準標識および/または参照ウェルに基づいて第1のチップを受け取って位置合わせをし得る。採取器はまた、基準標識および/または参照ウェルに基づいて第2のチップを受け取って位置合わせをし得る。採取器は、例えば第1チップ上のマイクロウェルで増殖した細胞を第2チップ上のマイクロウェルへ移し得る。   A high resolution sampler system may allow chip replication via chip-to-chip movement. The collector may receive and align the first chip based on the reference label and / or the reference well. The collector may also receive and align a second tip based on the reference label and / or the reference well. The harvester can, for example, transfer cells grown in the microwells on the first chip to the microwells on the second chip.

微細加工デバイスで培養された少なくとも1つの生物学的実体の複数生物種の中の標的種を自動的に採取するためのハイスループットシステムは、その微細加工デバイスを受け入れるポートを含み得る。微細加工デバイスは、マイクロウェルの高密度アレイを画定する。マイクロウェルの高密度アレイの各マイクロウェルは、少なくとも1つの生物学的実体の少なくとも1つの生物種を単離し培養するように構成され且つ複数の特異タグの中の少なくとも1つを含んでいる。複数の特異タグの各タグは核酸分子を含み、その核酸分子はその少なくとも1つの生物学的実体にアニールするための標的特異性ヌクレオチド配列並びにマイクロウェルの高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルと相関関係にある位置特異性ヌクレオチド配列を含むものとする。当システムはまた、マイクロウェルの高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルから少なくとも1つの生物学的実体を採取するための少なくとも1つの突起物を備えた高分解能採取装置を組み込んでいる。当システムは更に、少なくとも1つの標的特異性ヌクレオチド配列の表示を受け取るための入力デバイス並びに入力デバイスおよび高分解能採取装置と通信可能に接続する少なくとも1つの処理装置を組み込んでいる。その少なくとも1つの処理装置は、入力デバイスから少なくとも1つの標的特異性ヌクレオチド配列を取得し、その少なくとも1つの標的特異性ヌクレオチド配列を複数の特異タグと比較し、その比較に基づいて高密度マクロウェルアレイの中の標的種を含む少なくとも1つのマイクロウェルを決定し、そしてマクロウェルの高密度アレイの中の少なくとも1つの決定されたマイクロウェルから少なくとも1つの生物学的実体を採取するように高分解能採取装置を制御する。   A high-throughput system for automatically harvesting a target species among multiple species of at least one biological entity cultured on a microfabricated device may include a port that receives the microfabricated device. Microfabricated devices define a high density array of microwells. Each microwell of the high density array of microwells is configured to isolate and culture at least one species of at least one biological entity and includes at least one of a plurality of specific tags. Each tag of the plurality of specific tags includes a nucleic acid molecule that correlates with a target-specific nucleotide sequence for annealing to the at least one biological entity as well as at least one microwell of a high density array of microwells. It shall include the relevant position-specific nucleotide sequence. The system also incorporates a high resolution collection device with at least one protrusion for collecting at least one biological entity from at least one microwell of a high density array of microwells. The system further incorporates an input device for receiving an indication of at least one target-specific nucleotide sequence and at least one processing unit communicatively connected to the input device and the high resolution collection device. The at least one processing device obtains at least one target-specific nucleotide sequence from the input device, compares the at least one target-specific nucleotide sequence to a plurality of specific tags, and based on the comparison, the high density macrowell High resolution to determine at least one microwell containing a target species in the array and to collect at least one biological entity from at least one determined microwell in the high density array of macrowells Control the collection device.

ハイスループットシステムは、微細加工デバイスで培養された少なくとも1つの生物学的実体の複数の生物種の中の標的種を自動的に採取するために開示されている。その微細加工デバイスは、マイクロウェルの高密度アレイを画定し、そのマイクロウェル高密度アレイの各マイクロウェルは、複数の特有プライマーの中の少なくとも1つの特有プライマーと対応付けられている。当システムは、微細加工デバイスから取り除かれた膜を受け入れるポートを含んでおり、その膜はマイクロウェルの高密度アレイ内に少なくとも1つの生物学的実体を保持するためにマイクロウェルの高密度アレイの各マイクロウェルを密封していたので、マイクロウェルの高密度アレイに対応する少なくとも1つの生物学的実体の一部が膜除去後の膜に付着して残っている。当システムはまた、マイクロウェルの高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルに対応する少なくとも1つの膜位置から少なくとも1つの生物学的実体を採取するための少なくとも1つの突起物を含む高分解能採取装置、標的種と対応付けられる少なくとも1つの標的特異性ヌクレオチド配列の表示を受け取る入力デバイス、および入力デバイスおよび高分解能採取装置と通信可能に接続する少なくとも1つの処理装置を組み込んでいる。少なくとも1つの処理装置は、入力デバイスから少なくとも1つの標的特異性ヌクレオチド配列表示を獲 得し、少なくとも1つの標的特異性ヌクレオチド配列を複数の特異タグと比較し、その比較にもとづいて標的種を有するマイクロウェルの高密度アレイの少なくとも1つのマイクロウェルに対応する少なくとも1つの膜位置を決定し、そしてその少なくとも1つの決定した膜位置から少なくとも1つの生物学的実体の一部を採取するように高分解能採取装置を制御する。   A high-throughput system is disclosed for automatically harvesting a target species among a plurality of species of at least one biological entity cultured on a microfabricated device. The microfabricated device defines a high density array of microwells, and each microwell of the microwell high density array is associated with at least one unique primer of the plurality of unique primers. The system includes a port that receives a membrane that has been removed from a microfabricated device, the membrane of a microwell high density array to retain at least one biological entity within the microwell high density array. Since each microwell was sealed, a portion of at least one biological entity corresponding to the high density array of microwells remains attached to the membrane after removal of the membrane. The system also includes a high resolution collection device including at least one protrusion for collecting at least one biological entity from at least one membrane location corresponding to at least one microwell of a high density array of microwells; It incorporates an input device that receives an indication of at least one target-specific nucleotide sequence that is associated with the target species, and at least one processing unit that is communicatively connected to the input device and the high-resolution collection device. At least one processing unit obtains at least one target-specific nucleotide sequence representation from the input device, compares the at least one target-specific nucleotide sequence to a plurality of specific tags, and has a target species based on the comparison Determining at least one membrane location corresponding to at least one microwell of the high density array of microwells and taking a portion of the at least one biological entity from the at least one determined membrane location; Control the resolution sampling device.

上記の実施形態は、非常に多くの方法のいずれにおいても実現することができる。例えば、実施形態をハードウエア、ソフトウェアあるいはそれらの組み合わせを用いて実現しうる。ソフトウェアでの実現の場合、ソフトウェアコードが、単独のコンピュータに設けられようと多数のコンピュータに分配されようと、全ての適切な処理装置あるいは処理装置の集合体上で実行され得る。   The above embodiments can be implemented in any of numerous ways. For example, the embodiments may be realized using hardware, software, or a combination thereof. When implemented in software, the software code may be executed on any suitable processing device or collection of processing devices, whether provided on a single computer or distributed to multiple computers.

その上、コンピュータは、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、スマートフォンあるいは適切な他のすべての携帯あるいは固定の電子機器を含む一般にはコンピュータと見做されないが適切な処理能力を有するデバイスで具現化され得る。   Moreover, a computer may be embodied in a device that is not generally considered a computer, including a personal digital assistant (PDA), a smartphone, or any other suitable portable or stationary electronic device, but that has appropriate processing capabilities.

更にまた、コンピュータは1つ以上の入力および出力デバイスを有し得る。これらのデバイスは、とりわけユーザインターフェイスを提供するために用いることが出来る。ユーザインターフェイスを提供する為に用い得る出力デバイスの例は、出力の視覚提示用のプリンターあるいは表示スクリーンおよび出力の可聴提示用のスピーカあるいは他の音声発生デバイスを含む。ユーザインターフェイス用に使うことの出来る入力デバイスの例は、キイボードおよび例えばマウス、タッチパッドやデジタル化タブレットのような位置決めデバイスを含む。もう1つの例として、コンピュータは会話認識あるいは他の聴音方式を介して入力情報を受け取り得る。   Furthermore, the computer may have one or more input and output devices. These devices can be used, among other things, to provide a user interface. Examples of output devices that can be used to provide a user interface include a printer or display screen for visual presentation of output and a speaker or other audio generating device for audible presentation of output. Examples of input devices that can be used for user interfaces include keyboards and positioning devices such as mice, touchpads and digitizing tablets. As another example, a computer may receive input information via speech recognition or other listening methods.

そのようなコンピュータ類は、例えば企業通信網およびインテリジェントネットワーク(IN)またはインターネットのような、域内情報通信網あるいは広域情報通信網を含むあらゆる適切な形の1つ以上の情報通信網によって相互接続され得る。そのような情報通信網は、適切な如何なる科学技術にも基づかせることが出来、好適な如何なるプロトコルにも従って稼働させることができ、且つ無線通信網、有線通信網あるいは光ファイバー通信網を含み得る。   Such computers are interconnected by one or more information communication networks of any suitable form, including a local or wide area information communication network, such as an enterprise communication network and an intelligent network (IN) or the Internet. obtain. Such an information communication network can be based on any suitable science and technology, can operate according to any suitable protocol, and can include a wireless communication network, a wired communication network, or an optical fiber communication network.

ここに概略を記した種々の方法またはステップは、様々な操作システムあるいはプラットホームのどれか1つを用いる1つ以上の処理装置上で実行可能なソフトウェアとして符号化できる。それに加えて、そのようなソフトウェアは、数多くの好適なプログラム作成言語および/またはプログラム作成あるいはスクリプト作成手段を使って書き込みが出来、且つ枠組みあるいは仮想機械上で実行される実行可能な機械言語コードあるいは中間コードとして変換もされ得る。
(更なる実施例)
The various methods or steps outlined herein can be encoded as software executable on one or more processing devices using any one of a variety of operating systems or platforms. In addition, such software can be written using a number of suitable programming languages and / or programming or scripting means, and executable machine language code or code executed on a framework or virtual machine. It can also be converted as an intermediate code.
(Further examples)

ある1つの実施形態では、膜を用いて、本明細書に記載の微細加工チップを「分割」して、二成分混合物から単離物を作製する。新鮮な培養が前の晩に始まった。チップに充填する前に、細菌を数え(MACSQuant(登録商標)Analyzer10、Miltenyi Biotec)、希釈し、そして混合して、等量のアシネトバクターカルコアセチカス(AC)およびサッカロマイセスセレビシエ(SC)のマスター溶液を生成した。これら2つの成分は、それらが典型的な倒立顕微鏡において容易に区別されるため選定された。   In one embodiment, a membrane is used to “split” a microfabricated chip described herein to make an isolate from a binary mixture. Fresh culture started the previous night. Prior to filling the chip, the bacteria are counted (MACSQuant® Analyzer 10, Miltenyi Biotec), diluted and mixed to obtain an equal volume of Acinetobacter calcoaceticus (AC) and Saccharomyces cerevisiae (SC) master solution. Generated. These two components were chosen because they are easily distinguished in a typical inverted microscope.

AC / SC混合物を希釈して各マイクロウェル中で単離された1つの細胞を標的とした(微生物を含有する各マイクロウェルにつき)。次いで、混合物(または溶液、懸濁液)をチップ表面上のマイクロウェルのアレイ上にピペッティングすることによって、希釈したAC / SC混合物をチップ上のマイクロウェル上に充填した。これはランダムローディングプロセスであるため、いくつかのマイクロウェルには1つの細胞を充填し、いくつかのウェルは空、そして1つのマイクロウェルに1つより多い細胞を含むものもあった。マイクロウェルを充填した後、アレイをPCRテープで裏打ちされたポリカーボネート膜で密封した。マイクロウェルが互いに確実に隔離された状態に保たれるように強い圧力をかけた。次にチップを30℃で一晩インキュベートした。翌日、チップを倒立顕微鏡で成長の証拠およびマイクロウェルの良好な密封の証拠について調べた。チップの画像はフィジー(オープンソースの画像処理パッケージ)の一般的なステッチルーチンを使って一緒にステッチされた。図24Aは、チップの倒立顕微鏡から撮影された一連の画像から一緒にステッチされた合成画像を示す(適所にリザーバーおよび膜を有する)。図24Bは、いくつかの成長を伴うマイクロウェルおよびいくつかのマイクロウェルが空であることを示す倒立顕微鏡からのクローズアップ画像である。図25は、純粋培養物(SC、AC、およびそれらの混合物)について検査したときの個々のマイクロウェルの顕微鏡画像を示す。   The AC / SC mixture was diluted to target one cell isolated in each microwell (for each microwell containing microorganisms). The diluted AC / SC mixture was then loaded onto the microwells on the chip by pipetting the mixture (or solution, suspension) onto an array of microwells on the chip surface. Since this is a random loading process, some microwells were filled with one cell, some were empty, and some contained more than one cell in one microwell. After filling the microwells, the array was sealed with a polycarbonate membrane lined with PCR tape. Strong pressure was applied to ensure that the microwells were kept isolated from each other. The chip was then incubated overnight at 30 ° C. The next day, the chip was examined with an inverted microscope for evidence of growth and good sealing of the microwells. The chip images were stitched together using the general stitching routine of Fiji (an open source image processing package). FIG. 24A shows a composite image stitched together from a series of images taken from an inverted microscope of the tip (with reservoir and membrane in place). FIG. 24B is a close-up image from an inverted microscope showing a microwell with some growth and some microwells empty. FIG. 25 shows microscopic images of individual microwells when examined for pure cultures (SC, AC, and mixtures thereof).

チップ上で一定期間増殖させた後、培地リザーバーを取り外し、膜を慎重に剥がしてチップを分割した。剥離した膜を、取り扱いを容易にするために裏打ち材料に取り付け、そしてピッキングする準備が整うまで保管した。   After growing on the chip for a period of time, the medium reservoir was removed and the membrane was carefully peeled off to split the chip. The peeled membrane was attached to the backing material for ease of handling and stored until ready to pick.

純粋な培養物を含むマイクロウェルについてチップを検査した。各タイプの4つである8つのウェルを同定し、そして膜上のそれらのそれぞれの位置(XおよびY座標)を決定した。各マイクロウェルは、マイクロウェルの計数(例えば、右上隅から3つ横に2つ)を可能にし、ならびにその特定のウェルを覆ってシールした膜上の部分を局在化することを可能にした。   Chips were examined for microwells containing pure cultures. Eight wells, four of each type, were identified and their respective positions (X and Y coordinates) on the membrane were determined. Each microwell allowed counting of the microwells (eg, 3 on the side of the top right corner, 2 on the side), as well as localizing the portion of the membrane that was sealed over that particular well .

倒立顕微鏡のデッキ上の3軸コントローラに取り付けられた小さなピンを使用して、膜を最初に選択された位置に接触させ、次いでそのピンを培地のチューブに浸して純粋な培養物を作製した。ピックの間は、ピンをアルコールで消毒した。   Using a small pin attached to a 3-axis controller on an inverted microscope deck, the membrane was first brought into contact with a selected location and then the pin was immersed in a medium tube to create a pure culture. The pin was disinfected with alcohol between picks.

8本の小チューブを30℃で48時間インキュベートした後、検査した。汚染は観察されなかった。4つのACピックのうち3つと4つのSCピックのうち1つが成功した。図26は、SCの純粋培養物(図26A)およびACの純粋培養物(図26B)の画像を示す。   Eight small tubes were incubated at 30 ° C. for 48 hours and then examined. No contamination was observed. Three of the four AC picks and one of the four SC picks were successful. FIG. 26 shows images of SC pure culture (FIG. 26A) and AC pure culture (FIG. 26B).

一例では、本明細書に記載の微細加工チップをハイスループットスクリーニングに使用した。1つはラクトースを乳酸に代謝することができ(lac+)、もう1つはできない(lac-)の2つの大腸菌株を混合し、希釈し、そしてチップ上に広げた。eの2つの系統。ラクトースを乳酸に代謝することができるもの(lac+)とそうでないもの(lac-)とを混合し、希釈し、そしてチップ上に広げた。lac+細菌は1%存在量で存在し、そして全試料を希釈して、占有されたウェルあたり約1個の細胞を提供した。細菌をポリカーボネート膜の下に密封し、次いでシリコーンガスケットをアレイに固定した。暖かいエオシンメチレンブルー(EMB)寒天をガスケットに注ぎ入れ、アレイの上に固まらせた。EMB寒天培地は特定の種類のグラム陰性菌に選択的であり、ラクトース発酵の比色指標を提供する。ラクトースを乳酸に発酵させるバクテリアは局所的なpHを下げて染料の吸収を高め、それらのコロニーを濃い紫色または黒色に変える。非発酵槽はpHを低下させず、さらにそれを上昇させるかもしれない。それらのコロニーは明確なままである。チップを48時間成長させた。それを顕微鏡で撮影した。14個の画像を組み合わせて、アレイ上に多数の50ミクロンウェルを示す。   In one example, the microfabricated chip described herein was used for high throughput screening. Two E. coli strains, one capable of metabolizing lactose to lactic acid (lac +) and the other not (lac−), were mixed, diluted and spread on the chip. Two systems of e. Those that are capable of metabolizing lactose to lactic acid (lac +) and those that are not (lac−) were mixed, diluted and spread on the chip. Lac + bacteria were present in 1% abundance and all samples were diluted to provide approximately 1 cell per occupied well. Bacteria were sealed under the polycarbonate membrane and then a silicone gasket was secured to the array. Warm eosin methylene blue (EMB) agar was poured into the gasket and allowed to set on the array. EMB agar is selective for certain types of gram-negative bacteria and provides a colorimetric indicator for lactose fermentation. Bacteria that ferment lactose to lactic acid lower the local pH to increase dye absorption and turn those colonies into a deep purple or black color. Non-fermenters do not lower the pH and may increase it further. Those colonies remain clear. The chip was grown for 48 hours. It was photographed with a microscope. The 14 images are combined to show a number of 50 micron wells on the array.

図22Aに示す画像は1800個のマイクロウェルを含み、そのうち9個は暗くなり、lac+細菌の存在を示す。図22Bに示す画像は、図22Aに示す画像の拡大部分であり、暗いマイクロウェルの外観を示す。   The image shown in FIG. 22A contains 1800 microwells, 9 of which are dark, indicating the presence of lac + bacteria. The image shown in FIG. 22B is an enlarged portion of the image shown in FIG. 22A and shows the appearance of a dark microwell.

他の実験では、チップからの「ヒット」が回復された。薄膜上のEMB寒天培地を用いて暗色ウェルをアッセイし、次いでピンを用いて寒天層および薄膜を突き抜け、マイクロウェルから小チューブに材料を移して新しいコロニーを開始した。   In other experiments, “hits” from the chip were recovered. Dark wells were assayed using EMB agar on thin film, then pins were used to penetrate the agar layer and thin film, transferring material from microwells to small tubes to initiate new colonies.

以下の複数の実施例において、試料として精製細菌gDNAを用いて本開示のチップ上でPCRを行った。このプロセスでは、16S rRNA V4プライマーを含むPCRマスターミックス(オリゴプリントチップの場合、プライマーはマスターミックスに添加されなかった)およびテンプレートgDNAをチップの表面にピペットで移した。チップ上のマイクロウェル上にリザーバーを置き、PCR緩衝液の蒸発を避けるために鉱油を加えた。使用したサーモサイクリングプログラムは、96℃10分、60℃2分の39サイクル、98℃40秒、60℃2分、次いで10℃の保持時間であった。PCR後、チップを取り出し、油を除去し、そしてアンプリコンをチップから洗い流し、そして16S rRNA V4アンプリコンをQiagen Qiaquickキットで抽出した。次いで、これらのアンプリコンをチューブインデックスPCRによってサンプルインデックスベースのNGSプライマーを用いて増幅し、NGSライブラリーを調製した。チューブPCRプログラムは95℃2分、95℃35秒間、50℃45秒間、72℃45秒間35サイクルである。その後、72℃2分2分、4℃でホールドした。ゲル電気泳動を用いてアンプリコンの存在を判定した。   In the following examples, PCR was performed on the chip of the present disclosure using purified bacterial gDNA as a sample. In this process, PCR master mix containing 16S rRNA V4 primer (in the case of oligo print chip, primer was not added to the master mix) and template gDNA were pipetted onto the surface of the chip. The reservoir was placed on a microwell on the chip and mineral oil was added to avoid evaporation of the PCR buffer. The thermocycling program used was 96 ° C. for 10 minutes, 60 ° C. for 2 minutes 39 cycles, 98 ° C. for 40 seconds, 60 ° C. for 2 minutes, then 10 ° C. hold time. After PCR, the chip was removed, the oil was removed, the amplicon was washed from the chip, and the 16S rRNA V4 amplicon was extracted with the Qiagen Qiaquick kit. These amplicons were then amplified by tube index PCR using sample index based NGS primers to prepare an NGS library. The tube PCR program is 95 ° C 2 minutes, 95 ° C 35 seconds, 50 ° C 45 seconds, 72 ° C 45 seconds 35 cycles. Then, it hold | maintained at 72 degreeC 2 minutes 2 minutes and 4 degreeC. The presence of amplicons was determined using gel electrophoresis.

以下の実施例のいくつかにおいて、試料として細菌細胞を使用して本開示のチップ上でPCRを実施した。このプロセスでは、マイクロウェルが配置されているチップの表面に細菌懸濁液をピペットで移すことによって、細菌をチップにロードした。膜をチップに適用してウェル内の細菌を密封し、チップをインキュベートした。30〜37℃で1〜5日間培養した後(培養時間と温度は使用する微生物の種類に依存)、マイクロウェル内の細菌を遠心分離し、薄膜を取り除き、チップを吸収剤で軽く吸い取ることで培地を吸収させた。紙。16S rRNA V4プライマーを含むPCRマスターミックス(オリゴプリントチップの場合、プライマーはマスターミックスに添加されなかった)をチップの表面にピペットで移した。チップ上のマイクロウェル上にリザーバーを置き、PCR緩衝液の蒸発を避けるために鉱油を加えた。使用したサーモサイクリングプログラムは、96℃10分、60℃2分39サイクル、98℃40秒、次いで60℃2分および10℃の保持のためのサイクルであった。 PCR後、チップを取り出し、アンプリコンをチップから洗い流し、16S rRNA V4アンプリコンをQiagen Qiaquickキットで抽出した。次いで、これらのアンプリコンをチューブインデックスPCRによってサンプルインデックスベースのNGSプライマーを用いて増幅し、NGSライブラリーを調製した。チューブPCRプログラムは、95℃2分、95℃35秒間、50℃45秒間、72℃45秒間、次いで72℃10分間、および4℃の保持のための35サイクルであった。ゲル電気泳動を用いてアンプリコンの存在を決定した。   In some of the examples below, PCR was performed on a chip of the present disclosure using bacterial cells as samples. In this process, bacteria were loaded onto the chip by pipetting the bacterial suspension onto the surface of the chip where the microwells are located. Membrane was applied to the chip to seal the bacteria in the well and the chip was incubated. After culturing at 30-37 ° C for 1-5 days (the incubation time and temperature depend on the type of microorganism used), the bacteria in the microwell are centrifuged, the thin film is removed, and the chip is gently blotted with an absorbent. The medium was absorbed. paper. A PCR master mix containing 16S rRNA V4 primer (in the case of an oligo printed chip, no primer was added to the master mix) was pipetted onto the surface of the chip. The reservoir was placed on a microwell on the chip and mineral oil was added to avoid evaporation of the PCR buffer. The thermocycling program used was 96 ° C. for 10 minutes, 60 ° C. for 2 minutes 39 cycles, 98 ° C. for 40 seconds, then 60 ° C. for 2 minutes and a cycle for holding at 10 ° C. After PCR, the chip was removed, the amplicon was washed away from the chip, and the 16S rRNA V4 amplicon was extracted with the Qiagen Qiaquick kit. These amplicons were then amplified by tube index PCR using sample index based NGS primers to prepare an NGS library. The tube PCR program was 95 ° C. for 2 minutes, 95 ° C. for 35 seconds, 50 ° C. for 45 seconds, 72 ° C. for 45 seconds, then 72 ° C. for 10 minutes, and 35 cycles for 4 ° C. hold. The presence of amplicons was determined using gel electrophoresis.

標的として大腸菌gDNAを用いて実験を行った。大腸菌gDNAとプライマーおよびDNAポリメラーゼを、2つの異なるマイクロウェルサイズ(100μmと400μm)のPCRバッファーに添加した。プライマーは細菌DNAの16S領域を増幅するように設計されている。 ネガティブコントロールは同じプロセスであるが、反応緩衝液中にDNAポリメラーゼがない。チップPCR、Qiagen Qiaquickキット精製、およびチューブ内での2回目のPCRを経た後、結果は、16S V4アンプリコン(T1‐1、T1‐2)に対応するバンドがあるがネガティブコントロール(T2‐1、T2‐2)には対応しないことを示す。これにより、16S rRNA V4フラグメントがチップ上で増幅したことを確認できる。100μmウェルはより良好な増幅を示すように見える(強いバンド)。このデータにより、大腸菌gDNAからの16S領域のオンチップ増幅を確認できる。   Experiments were performed using E. coli gDNA as a target. E. coli gDNA and primers and DNA polymerase were added to two different microwell size (100 μm and 400 μm) PCR buffers. Primers are designed to amplify the 16S region of bacterial DNA. Negative control is the same process, but without DNA polymerase in the reaction buffer. After chip PCR, Qiagen Qiaquick kit purification, and a second round of PCR in the tube, the results show that there is a band corresponding to the 16S V4 amplicon (T1-1, T1-2), but a negative control (T2-1) , T2-2) is not supported. This confirms that the 16S rRNA V4 fragment was amplified on the chip. 100 μm wells appear to show better amplification (strong band). This data confirms on-chip amplification of the 16S region from E. coli gDNA.

更なる試験では、Microbial Mock Community BからのゲノムDNA(20細菌、BEI Resources HM-782D、表8)をオンチップPCRの標的試料として使用した。サンプルインデックスを用いたチップPCRおよびNGSライブラリー増幅後(NGSライブラリーのゲル電気泳動を示す図27、レーン1-2は16S rDNA V4のアンプリコンを示す。レーン1はモックコミュニティのアンプリコンgDNAであり、レーン2はモックコミュニティのアンプリコン gDNAであり、レーン3はネガティブコントロールであり、レーン4はDNAラダー)であり、NGSはIllumina MiSeqで実行した。   In further studies, genomic DNA from Microbial Mock Community B (20 bacteria, BEI Resources HM-782D, Table 8) was used as a target sample for on-chip PCR. After chip PCR and NGS library amplification using the sample index (Figure 27 showing gel electrophoresis of NGS library, lane 1-2 shows the 16S rDNA V4 amplicon. Lane 1 shows the amplicon gDNA from the mock community. Yes, lane 2 is a mock community amplicon gDNA, lane 3 is a negative control, lane 4 is a DNA ladder), and NGS was run with Illumina MiSeq.

Figure 2019535245
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NGSデータの合計読み取り数は約2550596、合格品質フィルターは93%であった。界(kingdom)から属(genus)に至るまで、分類レベル72〜73%および種57%に分類される全読取り割合がある(図28参照)。NGSのデータによると、Propionibacterium acnesを除いて、このモックコミュニティの95%の属が同定された。全20種のうち17種(85%)が16Sシーケンスにより種レベルで同定された。表9は、gSNモックコミュニティからの17種が16S NGS分析により種レベルで同定されたことを示す。更に2つの種(ListeriaとLactobacillus)が属レベルで同定された。種を同定せずにClostridium属を呼ぶことはClostridium beijerinckiiに関連している可能性がある。   The total number of readings of NGS data was about 2550596, and the acceptable quality filter was 93%. From the kingdom to the genus, there is a total reading rate that falls into classification levels 72-73% and species 57% (see Figure 28). NGS data identified 95% of the genus of this mock community, with the exception of Propionibacterium acnes. Of the 20 species, 17 (85%) were identified at the species level by 16S sequencing. Table 9 shows that 17 species from the gSN mock community were identified at the species level by 16S NGS analysis. Two more species (Listeria and Lactobacillus) were identified at the genus level. Calling the genus Clostridium without identifying the species may be related to Clostridium beijerinckii.

Figure 2019535245
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別の試験では、モックコミュニティ細菌細胞を用いたチップPCRをNGSについて実施した。内部モックコミュニティは、緑膿菌、ネズミチフス菌、黄色ブドウ球菌、セラチアmarcences、セレウス菌、枯草菌および大腸菌の7つの細菌種を含んで成長した。チップPCRについても上記と同じ一般的調達法に従った。モックコミュニティ混合物をチップ上に充填し、膜でシールし、一晩インキュベートし、チップを3000rpmで3分間遠心分離した。膜を除去し、次いで培地をキムワイプで吸収した。チップをPCR緩衝液および16S rRNA PCRプライマーで満たし、そしてサーモサイクリングを上記の方法に従って実施した。NGA DNAライブラリーを上記の手順をIlluminia Miseq.を用いて調製した。図29は、増幅試料からの弱いアンプリコンバンドを示す。得られたNGSデータの分析により、内部モックコミュニティから6つの属が同定された。モックコミュニティからの3つの種が種レベルで同定された。   In another study, chip PCR using mock community bacterial cells was performed on NGS. The internal mock community grew and contained seven bacterial species: Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus, Serratia marcences, Bacillus cereus, Bacillus subtilis and Escherichia coli. The same general procurement method as described above was followed for chip PCR. The mock community mixture was loaded onto the chip, sealed with a membrane, incubated overnight, and the chip was centrifuged at 3000 rpm for 3 minutes. The membrane was removed and then the medium was absorbed with a Kimwipe. The chip was filled with PCR buffer and 16S rRNA PCR primers and thermocycling was performed according to the method described above. An NGA DNA library was prepared using Illuminia Miseq. FIG. 29 shows a weak amplicon band from the amplified sample. Analysis of the resulting NGS data identified six genera from the internal mock community. Three species from the mock community have been identified at the species level.

更なる例では、チップのマイクロウェルに印刷するためのバーコード(「位置タグ」)システムが含まれていた。i5インデックスとi7インデックスは、16S rRNA V4プローブのフォワードプライマーとリバースプライマーに別々にリンクするように設計され(図30参照)、インデックスi5とi7はチップウェルの位置に、インデックスi7 'はサンプルのインデックスに使用多重サンプルアッセイ用に使用される。各インデックスは8〜12塩基対の長さであり、2,500マイクロウェルチップ上の各ウェルを識別するために異なる組み合わせを設計した。市販の精密印刷機器を使用して、2つのオリゴ(各オリゴは1つのインデックス配列および16Sプライマー配列を含有する)を各マイクロウェル(マイクロウェルサイズ100μm×100μm×100μm)に印刷した。各マイクロウェルは異なる組み合わせのインデックスを含んでいたので、インデックスシステムは各PCR産物がどのマイクロウェルに由来するかの同定を提供した。PCRプライマーの堆積後、印刷装置および本明細書の他の箇所に記載されている方法を用いてワックス層を各マイクロウェルに加えた。更に、サンプルインデックスシステムは、NGSライブラリー調製中に各サンプルの標識を可能にするように設計された。各サンプルインデックスは8〜12塩基対を有した。サンプルインデックスは、第2ステップのPCR中に追加された。したがって、単一のNGS実行(run)は、複数のチップ実験から得られ、そしてDNAが生成されたチップにリンクされたDNAから配列データを生成することができる。これにより時間を節約し、サンプルあたりのNGSコストを削減が可能となる。   In a further example, a barcode (“position tag”) system for printing on the microwells of the chip was included. The i5 and i7 indexes are designed to be linked separately to the forward and reverse primers of the 16S rRNA V4 probe (see Figure 30). Used for multiple sample assays. Each index is 8-12 base pairs long and different combinations were designed to identify each well on a 2,500 microwell chip. Using a commercially available precision printing instrument, two oligos (each oligo containing one index sequence and 16S primer sequence) were printed in each microwell (microwell size 100 μm × 100 μm × 100 μm). Since each microwell contained a different combination of indexes, the index system provided an identification of which microwell each PCR product was derived from. After deposition of the PCR primer, a wax layer was added to each microwell using a printing apparatus and methods described elsewhere herein. In addition, the sample index system was designed to allow labeling of each sample during NGS library preparation. Each sample index had 8-12 base pairs. The sample index was added during the second step PCR. Thus, a single NGS run can be obtained from multiple chip experiments and sequence data can be generated from the DNA linked to the chip from which the DNA was generated. This saves time and reduces the NGS cost per sample.

インデックスを付けたオリゴおよびワックスを上述のとおりチップのマイクロウェルに印刷した。チップマスターPCRを実行するために、PCRマスターミックス(プライマーなし)およびモックコミュニティgDNAをチップに充填する。チップPCRの後、2回目のPCRにおいて、チップアンプリコンの各サンプルについてサンプルインデックスおよびNGS配列決定アダプターを加えた。4つのチップを実行し、4つの異なるサンプルインデックスを適用した。NGSはMiseq(Illumina、San Diego)を使用して4回すべてのサンプルに対して1回の実行で実行されました。これらの指標はコンピュータープログラムを用いて解読され、これら4つのサンプルからのNGSデータが抽出された。サンプルデータは、チップ全体のマイクロウェル固有のインデックスがNGSによって正常に読み取られたことを示す。37%のウェルが300回を超える配列読み取り(> x 300シーケンス、925ウェル)、25%のウェルが100-299のシーケンスコール、28%のウェルが1-99のシーケンスコール、および10%のウェルのみが0のシーケンスコールを有する(図参照)。 31)。そのような結果を二重インデックスオリゴワークフローを有するプリントチップで実証した。   Indexed oligos and waxes were printed in the microwells of the chip as described above. To perform chip master PCR, the chip is filled with PCR master mix (no primer) and mock community gDNA. After chip PCR, a sample index and NGS sequencing adapter were added for each sample of chip amplicon in the second PCR. Four chips were run and four different sample indexes were applied. NGS was performed in a single run for all four samples using Miseq (Illumina, San Diego). These indices were decoded using a computer program and NGS data from these four samples was extracted. The sample data shows that the microwell specific index of the entire chip was successfully read by NGS. 37% wells read more than 300 sequence reads (> x300 sequence, 925 wells), 25% wells 100-299 sequence calls, 28% wells 1-99 sequence calls, and 10% wells Only have a sequence call of 0 (see figure). 31). Such a result was demonstrated on a printed chip with a dual index oligo workflow.

一態様では、試料中の少なくとも1つの目的の生物学的関心対象についてスクリーニングする方法が提供される。この方法は、マイクロウェルのアレイを画定する上面を有する、本明細書に記載の微細加工デバイスを使用する。マイクロウェルのアレイのうちの少なくとも1つのマイクロウェルには、以下のもの、(a)試料からの少なくとも1つの細胞、 (b)指示物質、(c)ある量の栄養素が充填され、細胞、指示物質、および栄養素は、任意の順序で逐次的に装填することができ、あるいはそれらの任意の組み合わせを逐次的にまたは同時に装填することができる。少なくとも1つの細胞を少なくとも1つのマイクロウェル内に保持するために、微細加工デバイスに膜が適用される。膜は、気体(例えば、酸素)によってのみ透過性である膜、または液体透過性もしくは不透過性である膜であり得る。栄養素の成分は、マイクロウェルの内側から外側へ膜を通って浸透することができ、あるいは栄養素の貯蔵庫は最初に膜の外側かつマイクロウェルの外側に提供され、そして栄養素は膜を通してマイクロウェルの中へ浸透することができる。微細加工デバイスは、所定の条件(例えば、細胞に適した所望の温度/雰囲気および他の条件)で、少なくとも1つのマイクロウェル内の少なくとも1つの細胞から複数の細胞を成長させるための期間にわたってインキュベートされる。少なくとも1つのマイクロウェルの光学的性質、例えば色、光学濃度、蛍光、燐光、または発光を評価することができる。光学特性は、各個々のマイクロウェルについての集合的または平均的な特性として評価することができ、または例えば光学形態学などの光学特性パターンとして、各ウェルにおいてより詳細に評価することができる。この評価は、インキュベーションの完了時および/または複数の時点で、例えば、マイクロウェル内容物をロードした後でインキュベーションの前、およびインキュベーションが始まったが終わっていない後などに行うことができる。少なくとも1つのマイクロウェル中の少なくとも1つの関心対象の生物学的実体の有無を評価する、または光学特性の複数回の評価にわたる比較を決定することができる。   In one aspect, a method of screening for at least one biological interest of interest in a sample is provided. This method uses the microfabricated device described herein having a top surface defining an array of microwells. At least one microwell of the array of microwells is filled with (a) at least one cell from the sample, (b) an indicator, (c) an amount of nutrients, cells, instructions Substances and nutrients can be loaded sequentially in any order, or any combination thereof can be loaded sequentially or simultaneously. A membrane is applied to the microfabricated device to retain at least one cell in at least one microwell. The membrane can be a membrane that is permeable only by gas (eg, oxygen), or a membrane that is liquid permeable or impermeable. Nutrient components can permeate through the membrane from the inside to the outside of the microwell, or a nutrient reservoir is first provided outside the membrane and outside the microwell, and the nutrient is passed through the membrane into the microwell. Can penetrate. The microfabricated device is incubated for a period of time to grow a plurality of cells from at least one cell in at least one microwell at a predetermined condition (eg, desired temperature / atmosphere and other conditions suitable for the cell). Is done. The optical properties of at least one microwell, such as color, optical density, fluorescence, phosphorescence, or luminescence, can be evaluated. The optical properties can be evaluated as collective or average properties for each individual microwell, or can be evaluated in more detail in each well, for example as an optical property pattern such as optical morphology. This evaluation can be performed at the completion of the incubation and / or at multiple time points, for example, after loading the microwell contents, before the incubation, and after the incubation has begun but has not ended. The presence or absence of at least one biological entity of interest in at least one microwell can be assessed, or a comparison over multiple assessments of optical properties can be determined.

本明細書中で使用される場合、「指示物質」とは、インキュベーション前、インキュベーション完了後、および/またはインキュベーション中であるがインキュベーションが完了する前のある時点で、マイクロウェルが特定の異なる光学的性質を有するように配置する化学物質をいう。このような光学的性質は、指示物質と細胞(例えば、細胞内への移動、細胞による摂取など)、細胞成分(例えば、細胞膜への結合、細胞のDNAへの結合など)、または対象マイクロウェル中の細胞によって産生される物質との反応または相互作用によって変化し得る。光学特性の変化は、指示物質の量の変化(例えば、細胞成分または細胞産物との反応により、その一部または全部が異なる化合物に変換されている)、または指示物質の構造の再編成、または他の成分への指示物質の結合に起因し得る。   As used herein, an “indicator” refers to a micro-well that has a specific different optical property before incubation, after incubation is complete, and / or at some point during incubation but before incubation is complete. A chemical substance that is arranged to have properties. Such optical properties can be attributed to indicators and cells (eg, migration into cells, uptake by cells, etc.), cellular components (eg, binding to cell membranes, binding of cells to DNA), or target microwells. It can be altered by reaction or interaction with substances produced by the cells in it. Changes in optical properties can be due to changes in the amount of indicator (eg, part or all of which has been converted to a different compound by reaction with cellular components or cell products), or rearrangement of the structure of the indicator, or This may be due to the binding of the indicator substance to other components.

いくつかの実施形態では、指標物質は、水に不溶の無機リン酸化合物、例えばリン酸カルシウムであっても良い。マイクロウェル内に堆積させて顕微鏡で観察すると、リン酸カルシウム粒子が観察され得る。この化合物は、化合物を可溶化するために特定の酸を生成する可能性があるリン酸可溶化細菌をスクリーニングするために使用することができる。 その結果、リン酸塩は減少または消失する可能性がある。リン酸アルミニウムのような他の無機不溶性リン酸塩もまた使用され得る。マイクロウェルの比較は、例えば、顕微鏡下でマイクロウェルのデジタル画像を捕捉し、そして色、光学密度、形態、または画像の他の特徴の変化をコンピューターソフトウェアによって分析することによって行うことができる。   In some embodiments, the indicator substance may be an inorganic phosphate compound that is insoluble in water, such as calcium phosphate. When deposited in a microwell and viewed under a microscope, calcium phosphate particles can be observed. This compound can be used to screen for phosphate-solubilized bacteria that may produce specific acids to solubilize the compound. As a result, phosphate can decrease or disappear. Other inorganic insoluble phosphates such as aluminum phosphate can also be used. Microwell comparisons can be made, for example, by capturing a digital image of the microwell under a microscope and analyzing changes in color, optical density, morphology, or other characteristics of the image by computer software.

実施形態の一例では、リン酸カルシウムは、正確な印刷装置を使用して、特定の体積および濃度のカルシウム源(例えば、塩化カルシウム)およびリン酸源(例えば、リン酸ナトリウム)を印刷することによって微細加工デバイスのマイクロウェルに堆積された。このようにして、出発材料は容易に分配された液体であり、それは次に反応して各マイクロウェルの底部に固体リン酸カルシウムを形成した。その結果、各ウェルの底部に制御量のリン酸カルシウムを有する微細加工デバイスが得られた。一方がリン酸可溶化能について陽性であり、他方がリン酸可溶化能について陰性である細菌株を、マイクロウェルが個々の細菌およびいくつかの栄養素を含有するように希釈した。圧力および熱を用いて微細加工デバイスの上面に膜を適用し、マイクロウェルの内容物を密封した。微細加工デバイスを一晩インキュベートしてより多くの細胞を増殖させた。微細加工デバイスを光学顕微鏡下で様々な時点で観察した。リン酸を可溶化することができる株を含むマイクロウェルは、ウェルの底部のリン酸カルシウムが可溶化されると消失したため、容易に同定された。図32A〜32Dに示すように、高倍率下では、細胞が存在しないため(図32A)、リン酸可溶化細胞が増殖し、リン酸可溶化細胞(図32B)が増殖したがリン酸塩は変化しなかった(図32C、32D)。   In one example embodiment, calcium phosphate is microfabricated by printing a specific volume and concentration of a calcium source (eg, calcium chloride) and a phosphate source (eg, sodium phosphate) using an accurate printing device. Deposited in the microwells of the device. In this way, the starting material was an easily dispensed liquid that then reacted to form solid calcium phosphate at the bottom of each microwell. As a result, a microfabricated device having a controlled amount of calcium phosphate at the bottom of each well was obtained. Bacterial strains, one positive for phosphate solubilization and the other negative for phosphate solubilization, were diluted so that the microwells contained individual bacteria and several nutrients. A membrane was applied to the top surface of the microfabricated device using pressure and heat to seal the contents of the microwell. The microfabricated device was incubated overnight to allow more cells to grow. The microfabricated device was observed at various times under an optical microscope. Microwells containing strains capable of solubilizing phosphate were easily identified as they disappeared when the calcium phosphate at the bottom of the well was solubilized. As shown in FIGS. 32A to 32D, since cells do not exist under high magnification (FIG. 32A), phosphate-solubilized cells proliferated and phosphate-solubilized cells (FIG. 32B) proliferated, but phosphate was There was no change (FIGS. 32C, 32D).

リン酸カルシウムが消失した各マイクロウェルの位置をピッキング装置に提供することができ、これを用いてマイクロウェルの内容物の少なくとも一部を、例えば、更なるインキュベーション/増殖のための96ウェルプレートなどの標的位置に移動させることができる。96ウェルプレートでの増殖後、材料の量は様々な更なる試験および同定手順にとって十分なものとなり得る。   The location of each microwell where the calcium phosphate has disappeared can be provided to the picking device, which can be used to target at least a portion of the microwell contents, eg, a 96-well plate for further incubation / growth Can be moved to a position. After growth in 96 well plates, the amount of material can be sufficient for various further testing and identification procedures.

いくつかの実施形態では、指示物質はpH感受性染料であっても良い。例えば、pH感受性染料は、選択されたpH範囲内の可視光範囲で色を変えることができる。pH感受性染料はまた、第1の範囲のpHでは蛍光を発し、第2の異なる範囲のpHでは蛍光を発しない。pHが変化すると、それはまたその蛍光特性、例えば入射光を吸収するための波長、伝達効率、再放出波長などを変化させることができる。pH感受性色素は、マイクロウェル中に別々に沈着させることができ、または微生物が増殖する培地または栄養素中に含めることができる。マイクロウェル内での細胞の増殖および/または増殖中に酸または塩基が生成されると、この染料の色が変わることがある。   In some embodiments, the indicator may be a pH sensitive dye. For example, pH sensitive dyes can change color in the visible light range within a selected pH range. The pH sensitive dye also fluoresces at a first range of pH and does not fluoresce at a second different range of pH. As the pH changes, it can also change its fluorescent properties, such as the wavelength for absorbing incident light, transmission efficiency, re-emission wavelength, and the like. The pH sensitive dye can be deposited separately in the microwells or can be included in the medium or nutrients in which the microorganisms grow. The color of the dye may change as acids or bases are produced during the growth and / or growth of cells in the microwell.

実施形態の一例として、クロロフェノールレッド、ブロモクレゾールパープル、およびブロモチモールブルーなどのpH感受性染料を指示物質として使用した。一例では、pH7(以上)の紫からpH5(以下)の黄色に変化するブロモクレゾールパープルを使用した。それは微生物が育った培地または栄養素に含まれていた。細菌株を栄養素と共に微細加工デバイスのマイクロウェルに充填し、膜で密封し、一晩増殖させた。微細加工デバイスを光学顕微鏡下で様々な時点で観察した。マイクロウェル内で観察された色の変化から(裸眼またはコンピュータソフトウェアによる画像分析のいずれかによって)、pHに影響を及ぼす化学物質を生成する株を含むそれらのマイクロウェルが同定された。   As an example of an embodiment, pH sensitive dyes such as chlorophenol red, bromocresol purple, and bromothymol blue were used as indicators. In one example, bromocresol purple was used that changed from purple at pH 7 (above) to yellow at pH 5 (below). It was contained in the medium or nutrients on which the microorganisms grew. Bacterial strains were loaded with nutrients into microfabricated microwells, sealed with membranes and grown overnight. The microfabricated device was observed at various times under an optical microscope. From the color changes observed in the microwells (either by the naked eye or by computer software image analysis), those microwells containing strains producing chemicals that affect pH were identified.

いくつかの実施形態では、ルミノールなどのpH感受性化学発光染料を指示物質として使用することができる。更なる実施形態では、pH感受性フォトルミネセンス(蛍光または燐光)染料または材料を指示物質(または指示物質の一部)として使用しても良い。例えば、pH感受性蛍光染料は、第1の範囲のpHでは蛍光を発し、第2の異なる範囲のpHでは蛍光を発しない。別の例では、蛍光染料は異なるpHで異なる蛍光特性を持つことができる。燐光材料の場合、燐光体は多くの異なるpH感受性染料で被覆することができる。
励起された燐光体から被覆された染料へのエネルギー移動のために、与えられた局所的pHで最も吸収性のある染料が最も明るく発光する。
In some embodiments, a pH sensitive chemiluminescent dye such as luminol can be used as an indicator. In further embodiments, a pH sensitive photoluminescent (fluorescent or phosphorescent) dye or material may be used as an indicator (or part of an indicator). For example, pH sensitive fluorescent dyes fluoresce at a first range of pH and do not fluoresce at a second different range of pH. In another example, the fluorescent dye can have different fluorescent properties at different pH. In the case of phosphorescent materials, the phosphor can be coated with many different pH sensitive dyes.
Due to the energy transfer from the excited phosphor to the coated dye, the most absorptive dye emits the brightest at a given local pH.

いくつかの実施形態において、指示物質は、その光学的性質が特定の電極電位に依存し得るレドックス指示薬を含み得る。例えば、レザズリン(7‐ヒドロキシ‐3H‐フェノキサジン‐3‐オン10‐オキシド)は、青色染料であり、そして弱い蛍光性であるが、ピンク色で非常に赤い蛍光性レゾルフィンに還元することができる。レサズリンは、マイクロウェルが生きた細菌を含むかどうかを決定するための指標物質として使用することができる。   In some embodiments, the indicator can include a redox indicator whose optical properties can depend on a particular electrode potential. For example, resazurin (7-hydroxy-3H-phenoxazin-3-one 10-oxide) is a blue dye and is weakly fluorescent but can be reduced to a pink and very red fluorescent resorufin . Resazurin can be used as an indicator substance to determine whether a microwell contains live bacteria.

微細加工デバイスは、一連の機能層を備えた基材を含み得る。一連の機能層は、実験ユニット(例えばウェル)の第1アレイを画定する第1機能層および先行機能層の各実験ユニット内に実験ユニット(例えばマイクロウェル)の次のアレイ画定する少なくとも1つの次の機能層を含んでいる。実験ユニットの各々は、少なくとも1つの細胞を受け取って培養し、少なくとも1回の選別、およびまたは少なくとも1つの栄養素を試験するように構成され得る。   The microfabricated device can include a substrate with a series of functional layers. The series of functional layers includes at least one next defining the next array of experimental units (eg, microwells) within each experimental unit of the first functional layer and the preceding functional layer that defines a first array of experimental units (eg, wells). Includes functional layers. Each of the experimental units may be configured to receive and culture at least one cell, test at least one sort, and / or test at least one nutrient.

ある1つの実施形態では、細胞の母材に対するいろいろな条件を選別するための装置は基材を組み込んでいる。基材には第1の表面が伴う。その表面は、ウェルの第1アレイを画定する。各ウェルには、内部表面が伴う。各内部表面は、マイクロウェルの第2アレイを画定する。各マイクロウェルは、少なくとも1つの細胞を受け取って培養するように構成される。   In one embodiment, an apparatus for sorting various conditions on a cell matrix incorporates a substrate. The substrate is accompanied by a first surface. The surface defines a first array of wells. Each well has an internal surface. Each internal surface defines a second array of microwells. Each microwell is configured to receive and culture at least one cell.

ある1つの実施形態では、細胞の母体に対するいろいろな条件を選別するための装置は、一連の機能層を備えた基材を組み込んでいる。一連の機能層は、実験ユニットの第1アレイを画定する第1機能層および先行機能層の各実験ユニット内に実験ユニットの次のアレイ画定する少なくとも1つの次の機能層を含んでいる。実験ユニットの各々は、少なくとも1つの細胞を受け取って培養するように構成される。   In one embodiment, an apparatus for screening various conditions on a cell's matrix incorporates a substrate with a series of functional layers. The series of functional layers includes a first functional layer defining a first array of experimental units and at least one next functional layer defining a next array of experimental units within each experimental unit of the preceding functional layer. Each of the experimental units is configured to receive and culture at least one cell.

ある1つの実施形態には、第1の表面を含む基材に細胞を隔離するための1方法が開示されている。第1の表面は、実験ユニットの第1のアレイを画定する。各実験ユニットは、少なくとも1つの細胞を受け取るように構成される。各実験ユニットの少なくとも1部分は、細胞を引き付けおよび/または実験ユニットを占有する傾向を増大させる第1の表面特性を伴った状態で構成される。一方あるいは加えて、第1の表面の少なくとも1部分は、細胞を寄せ付けないおよびまたは第1の表面に細胞が固着する傾向を減じる第2の表面特性を伴った状態で構成され得る。当方法はまた、少なくとも1つの細胞が少なくとも1つの実験ユニットを占めるように細胞を含む組成物を第1の表面に塗布することも含んでいる。   In one embodiment, a method for isolating cells in a substrate that includes a first surface is disclosed. The first surface defines a first array of experimental units. Each experimental unit is configured to receive at least one cell. At least a portion of each experimental unit is configured with a first surface property that increases the tendency to attract cells and / or occupy the experimental unit. Alternatively or additionally, at least a portion of the first surface may be configured with a second surface property that does not attract cells and / or reduces the tendency of the cells to stick to the first surface. The method also includes applying a composition comprising cells to the first surface such that at least one cell occupies at least one experimental unit.

ある1つの実施形態では、基材内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、基材の第1の表面に採取デバイスを接触させることによって少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の試料を取って調べることを含む。そのデバイスは、第1の表面に面する少なくとも1つの突起物を組み込んでいる。その少なくとも1つの突起物は、各マイクロウェルの開口直径よりも小さな直径を有する。その少なくとも1つの突起物は、少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の一部がその少なくとも1つの突起物に接着および/または付着するように、細胞の個体群を保持するその少なくとも1つのマイクロウェルに挿入される。当方法はまた、少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の一部分が少なくとも1つの突起物に粘着および/または付着して残るようにデバイスを基材の第1の表面から取り除くことによってその少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の試料を回収することをも含む。   In one embodiment, the method of taking and examining a sample of a cell population within a substrate comprises a sample of the cell population within at least one microwell by contacting a collection device with the first surface of the substrate. Including taking and examining. The device incorporates at least one protrusion facing the first surface. The at least one protrusion has a diameter smaller than the opening diameter of each microwell. The at least one protrusion is the at least one microcell that holds the population of cells such that a portion of the cell population within the at least one microwell adheres and / or adheres to the at least one protrusion. Inserted into the well. The method also includes removing the device from the first surface of the substrate such that a portion of the cell population in the at least one microwell remains adhered and / or attached to the at least one protrusion. Collecting a sample of the cell population in one microwell.

ある1つの実施形態では、基材内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、基材の第1の表面に採取デバイスを接触させることによって少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の試料を取って調べることを含む。そのデバイスは、第1の表面に面する少なくとも1つの突起物を組み込んでいる。その少なくとも1つの突起物は、各マイクロウェルの開口直径よりも小さな直径を有する。その少なくとも1つの突起物は、少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の一部がその少なくとも1つの突起物に接着および/または付着するように、細胞の個体群を保持するその少なくとも1つの実験ユニットに挿入される。当方法はまた、少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の一部分が少なくとも1つの突起物に粘着および/または付着して残るようにデバイスを基材の第1の表面から取り除くことによってその少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の試料を回収することをも含む。   In one embodiment, a method for taking and examining a sample of a cell population in a substrate comprises: Including taking and examining. The device incorporates at least one protrusion facing the first surface. The at least one protrusion has a diameter smaller than the opening diameter of each microwell. The at least one protrusion holds the population of cells such that a portion of the cell population within the at least one experimental unit adheres and / or adheres to the at least one protrusion. Inserted into the unit. The method also includes removing the device from the first surface of the substrate such that a portion of the cell population in the at least one microwell remains adhered and / or attached to the at least one protrusion. Also included is collecting a sample of the cell population within one experimental unit.

ある1つの実施形態では、マイクロウェルの第1アレイを画定する第1の表面とその第1の表面と向き合う第2の表面を含む基材内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、基材の第2の表面に採取デバイスを接触させることを含む。そのデバイスは、第2の表面に向き合う少なくとも1つの突起物を組み込んでいる。その少なくとも1つの突起物は、各マイクロウェルの直径に略等しいかあるいはより小さい直径を有している。その少なくとも1つの突起物は、細胞の個体群を保持する少なくとも1つのマイクロウェルに対応する位置で第2の表面に押し付けられそして/または細胞の個体群を保持するその1つのマイクロウェルへ挿入されて、その少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の一部分がウェルの内部表面上方および/または基材の第1表面上方に移動させられる。当方法はまた、細胞の個体群の移動させられた部分を回収することによって、その少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の試料を取って調べることも含んでいる。   In one embodiment, a method for taking and examining a sample of a cell population in a substrate comprising a first surface defining a first array of microwells and a second surface facing the first surface comprises: Contacting the collection device with a second surface of the substrate. The device incorporates at least one protrusion that faces the second surface. The at least one protrusion has a diameter that is approximately equal to or smaller than the diameter of each microwell. The at least one protrusion is pressed against the second surface at a location corresponding to at least one microwell holding a population of cells and / or inserted into the one microwell holding a population of cells. Thus, a portion of the cell population within the at least one microwell is moved over the internal surface of the well and / or over the first surface of the substrate. The method also includes taking and examining a sample of the cell population within the at least one microwell by recovering the transferred portion of the cell population.

ある1つの実施形態では、実験ユニットの第1アレイを画定する第1の表面とその第1の表面と向き合う第2の表面を含む基材内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、基材の第2の表面に採取デバイスを接触させることを含む。そのデバイスは、第2の表面に向き合う少なくとも1つの突起物を組み込んでいる。その少なくとも1つの突起物は、少なくとも1つの実験ユニットの直径に略等しいかあるいはより小さい直径を有している。その少なくとも1つの突起物は、細胞の個体群を保持する少なくとも1つの実験ユニットに対応する位置で第2の表面に押し付けられそして/または細胞の個体群を保持するその1つの実験ユニットへ挿入されて、その少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の一部分が基材の第1表面上方に移動させられる。当方法はまた、細胞の個体群の移動した部分を回収することも含んでいる。   In one embodiment, a method for taking and examining a sample of a cell population in a substrate comprising a first surface defining a first array of experimental units and a second surface facing the first surface comprises: Contacting the collection device with a second surface of the substrate. The device incorporates at least one protrusion that faces the second surface. The at least one protrusion has a diameter approximately equal to or smaller than the diameter of the at least one experimental unit. The at least one protrusion is pressed against the second surface at a position corresponding to at least one experimental unit holding a population of cells and / or inserted into the one experimental unit holding a population of cells. Thus, a portion of the cell population within the at least one experimental unit is moved above the first surface of the substrate. The method also includes recovering the migrated portion of the population of cells.

ある1つの実施形態では、ウェルの第1アレイを画定する第1の表面を含む基材、それらウェルの各々がマイクロウェルの第2アレイを画定する内部表面を有し、その各マイクロウェルが開口直径を有している、そんな基材内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、微細加工で作られたその基材の第1の表面に採取デバイスを接触させることを含む。そのデバイスは、第1の表面に向き合う少なくとも1つの突起物を組み込んでいる。その少なくとも1つの突起物は、各マイクロウェルの直径よりも小さな直径を有している。その少なくとも1つの突起物は、細胞の個体群を保持する少なくとも1つのマイクロウェルへ挿入されて、その少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の1部分がウェルの少なくとも1つの内部表面上方および基材の第1表面上方に体積移動させられる。当方法はまた、細胞固体群の体積移動した部分を回収することによって少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞固体群の試料を取って調べることも含んでいる。   In one embodiment, a substrate that includes a first surface that defines a first array of wells, each of the wells having an internal surface that defines a second array of microwells, each microwell being open. A method of taking and examining a sample of a cell population within such a substrate having a diameter includes contacting a collection device with a first surface of the substrate that has been microfabricated. The device incorporates at least one protrusion that faces the first surface. The at least one protrusion has a diameter that is smaller than the diameter of each microwell. The at least one protrusion is inserted into at least one microwell holding a population of cells such that a portion of the cell population within the at least one microwell is above the at least one inner surface of the well and the substrate. The volume is moved above the first surface of the material. The method also includes taking and examining a sample of the cell solid group in at least one microwell by recovering the volumetric portion of the cell solid group.

ある1つの実施形態では、実験ユニットの第1のアレイを画定する第1の表面を含む基材内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、微細加工で作られたその基材の第1の表面に採取デバイスを接触させることを含む。そのデバイスは、第1の表面に向き合う少なくとも1つの突起物を組み込んでいる。その少なくとも1つの突起物は、少なくとも1つの実験ユニットの直径よりも小さな直径を有している。その少なくとも1つの突起物は、細胞の個体群を保持する少なくとも1つの実験ユニットの中へ挿入されて、その少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の1部分が基材の第1表面上方に体積移動させられる。当方法はまた、細胞固体群の体積移動した部分を回収することによって少なくとも1つの実験ユニット内の細胞固体群の試料を取って調べることも含んでいる。   In one embodiment, a method for taking and examining a sample of a cell population in a substrate that includes a first surface that defines a first array of experimental units comprises: Contacting the surface of one with a collection device. The device incorporates at least one protrusion that faces the first surface. The at least one protrusion has a diameter that is smaller than the diameter of the at least one experimental unit. The at least one protrusion is inserted into at least one experimental unit holding a population of cells such that a portion of the cell population within the at least one experimental unit is above the first surface of the substrate. Volume moved. The method also includes taking and examining a sample of the cell solid group in at least one experimental unit by recovering the volume transferred portion of the cell solid group.

1つの実施形態では、ウェルの第1アレイを画定する第1の表面を含む基材、それらウェルの各々が内部表面を伴い、その各内部表面がマイクロウェルの第2アレイを画定し、その各マイクロウェルが開口直径を有している、そんな基材内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、その基材の第1の表面に採取デバイスを接触させることにより少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の試料を取って調べることを含む。そのデバイスは、第1の表面に向き合う少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットを組み込んでいる。その少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットは、各マイクロウェルの開口直径よりも小さな外径と標的細胞直径に対応できる内径とを有する。少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットは、細胞個体群を保持するマイクロウェル中へ挿入される。当方法はまた、細胞個体群の1部分を少なくとも1つのマイクロウェルからデバイスへ引きだす圧力を使って少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞固体群の試料を回収することを含んでいる。   In one embodiment, a substrate that includes a first surface that defines a first array of wells, each of the wells having an interior surface, each interior surface defining a second array of microwells, each of which A method for taking and examining a sample of a cell population in such a substrate, wherein the microwell has an open diameter, is obtained by contacting a collection device with the first surface of the substrate in at least one microwell. And taking a sample of the cell population. The device incorporates at least one needle and / or nanopipette that faces the first surface. The at least one needle and / or nanopipette has an outer diameter that is smaller than the opening diameter of each microwell and an inner diameter that can accommodate the target cell diameter. At least one needle and / or nanopipette is inserted into the microwell holding the cell population. The method also includes collecting a sample of the cell solid population within the at least one microwell using a pressure that draws a portion of the cell population from the at least one microwell to the device.

ある1つの実施形態では、実験ユニットの第1アレイを画定する第1の表面を含む基材内の細胞固体群の試料を取って調べる方法は、その基材の第1表面に採取デバイスを接触させることによって少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の試料を取って調べることを含む。そのデバイスは、第1の表面に向き合う少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットを組み込んでいる。その少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットは、各マイクロウェルの開口直径よりも小さな外径と標的細胞直径に対応できる内径とを有する。少なくとも1つの注射針および/またはナノピペットは、細胞個体群を保持する実験ユニット中へ挿入される。当方法はまた、細胞個体群の1部分を少なくとも1つの実験ユニットからデバイスへ引きだす圧力を使って少なくとも1つの実験ユニット内の細胞固体群の試料を回収することを含んでいる。   In one embodiment, a method for taking and examining a sample of cellular solids in a substrate comprising a first surface defining a first array of experimental units comprises contacting a collection device with the first surface of the substrate. Taking and examining a sample of the cell population in at least one microwell. The device incorporates at least one needle and / or nanopipette that faces the first surface. The at least one needle and / or nanopipette has an outer diameter that is smaller than the opening diameter of each microwell and an inner diameter that can accommodate the target cell diameter. At least one needle and / or nanopipette is inserted into the experimental unit holding the cell population. The method also includes collecting a sample of the cell solid population within the at least one experimental unit using a pressure that draws a portion of the cell population from the at least one experimental unit to the device.

ある1つの実施形態では、ウェルの第1アレイを画定する第1の表面を含む基材、それらウェルの各々がマイクロウェルの第2アレイを画定する内部表面を含む、そんな基材内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、流体内に細胞の個体群を保持する少なくとも1つのマイクロウェルに集束音響エネルギーを加えることによって少なくとも1つのマイクロウェル内の流体状態にある細胞個体群の試料を取って調べることを含む。その集束音響エネルギーは少なくとも1つの実験ユニットから1つの小滴を射出するのに効果的な手法で加えられる。その小滴は、少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の試料を含んでいる。   In one embodiment, a substrate comprising a first surface defining a first array of wells, an individual cell within such a substrate, each of the wells comprising an interior surface defining a second array of microwells. A method for taking a sample of a group to examine a sample of a cell population in a fluid state in at least one microwell by applying focused acoustic energy to at least one microwell holding the population of cells in the fluid. Including taking and examining. The focused acoustic energy is applied in an effective manner to eject one droplet from at least one experimental unit. The droplet contains a sample of the cell population within at least one microwell.

ある1つの実施形態では、実験ユニットの第1アレイを画定する第1の表面を含む基材内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、流体内に細胞の個体群を保持する少なくとも1つの実験ユニットに集束音響エネルギーを少なくとも1つの実験ユニットから1つの小滴を射出するのに効果的な手法で加えることによって、少なくとも1つの実験ユニット内の流体状態にある細胞個体群の試料を取って調べることを含む。その小滴は、少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の試料を含んでいる。   In one embodiment, the method of taking and examining a sample of a cell population in a substrate that includes a first surface that defines a first array of experimental units comprises at least one that retains the population of cells in a fluid. A sample of a cell population in fluid state within at least one experimental unit is taken by applying focused acoustic energy to one experimental unit in a manner effective to eject one droplet from at least one experimental unit. Including investigating. The droplet contains a sample of the cell population within at least one experimental unit.

ある1つの実施形態では、基材は第1表面と第2表面を含む。第1表面はウェルの第1アレイを画定している。各ウェルは、マイクロウェルの第2アレイを画定する内部表面を有している。基材は、第1表面の少なくとも一部を含む第1片および第2表面の少なくとも1部を含む第2片を少なくとも含んでいる。第1片と第2片は、第1表面と第2表面に平行な平面の少なくとも1部分に沿って着脱可能に接続されている。その平面は、マイクロウェルの第2アレイを分割している。第1アレイおよび/または第2アレイは、実質的に平坦であり得る。少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の第1の部分が第1片に付着して残り且つその少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の第2の部分が第2片に付着して残るように、第1片と第2片を取り外すことを含む。   In one embodiment, the substrate includes a first surface and a second surface. The first surface defines a first array of wells. Each well has an internal surface that defines a second array of microwells. The substrate includes at least a first piece including at least a part of the first surface and a second piece including at least a part of the second surface. The first piece and the second piece are detachably connected along at least one portion of a plane parallel to the first surface and the second surface. That plane divides the second array of microwells. The first array and / or the second array can be substantially flat. A method for taking and examining a sample of a cell population in at least one microwell is the method wherein a first portion of the cell population in at least one microwell remains attached to the first piece and the at least one microwell Removing the first piece and the second piece so that the second part of the inner cell population remains attached to the second piece.

ある1つの実施形態では、基材は第1表面と第2表面を含む。第1表面は実験ユニットの第1アレイを画定している。基材は、第1表面の少なくとも一部を含む第1片および第2表面の少なくとも1部を含む第2片を少なくとも含んでいる。第1片と第2片は、第1表面と第2表面に平行な平面の少なくとも1部分に沿って着脱可能に接続されている。その平面は、実験ユニットの第1アレイを分割している。第1アレイは、実質的に平坦であり得る。少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の第1の部分が第1片に付着して残り且つその少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の第2の部分が第2片に付着して残るように、第1片と第2片を取り外すことを含む。   In one embodiment, the substrate includes a first surface and a second surface. The first surface defines a first array of experimental units. The substrate includes at least a first piece including at least a part of the first surface and a second piece including at least a part of the second surface. The first piece and the second piece are detachably connected along at least one portion of a plane parallel to the first surface and the second surface. That plane divides the first array of experimental units. The first array can be substantially flat. A method for taking and examining a sample of a cell population in at least one experimental unit is the method comprising: Removing the first piece and the second piece so that the second part of the inner cell population remains attached to the second piece.

ある1つの実施形態では、基材はウェルの第1アレイを画定する第1の表面を含んでおり、それらウェルの各々は内部表面を伴い、各内部表面はマイクロウェルの第2アレイを画定しているものとする。少なくとも1つの内部表面の少なくとも1部分に着脱可能膜は、少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の1部がその着脱可能な膜に付着する様に、貼りつけられる。少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の部分が着脱可能な膜に付着して残るように、着脱可能膜を引き剥がすことを含む。   In one embodiment, the substrate includes a first surface defining a first array of wells, each of the wells having an interior surface, each interior surface defining a second array of microwells. It shall be. The removable membrane is affixed to at least a portion of at least one internal surface such that a portion of the cell population within the at least one microwell adheres to the removable membrane. A method for taking and examining a sample of a cell population in at least one microwell peels off the removable membrane so that a portion of the cell population in at least one microwell remains attached to the removable membrane Including that.

着脱可能膜は、少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の1部がその着脱可能膜に付着する様に、第1の表面の少なくとも1部分に貼りつけられる。少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の部分が着脱可能膜に付着して残るように、着脱可能膜を引き剥がすことを含む。   The removable membrane is affixed to at least a portion of the first surface such that a portion of the cell population in at least one experimental unit adheres to the removable membrane. A method for taking and examining a sample of a cell population in at least one microwell is to peel off the removable membrane so that a portion of the cell population in at least one experimental unit remains attached to the removable membrane. including.

ある1つの実施形態では、基材は第1の表面と第2の表面を含んでいる。第1の表面は、ウェルの第1アレイを画定する。各ウェルは、内部表面を有し、各内部表面はマイクロチャンネルの第2アレイを画定している。各マイクロチャンネルは、第1の表面に第1の開口を、第2の表面に第2の開口を有している。第1の着脱可能膜は、少なくとも1つのマイクロチャンネル内の細胞個体群の幾つかがその第1の着脱可能膜に付着する様に、少なくとも1つの内部表面の少なくとも1部分に貼り付けられる。第2の着脱可能膜は、少なくとも1つのマイクロウェル内の細胞個体群の幾つかがその第2の着脱可能膜に付着する様に、第2表面の少なくとも1部分に貼り付けられる。少なくとも1つのマイクロチャンネル内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、少なくとも1つのマイクロチャンネルの細胞個体群の少なくとも幾つかが第1の着脱可能膜に付着して残るように第1の着脱可能膜を引き剥がし、および/またはその少なくとも1つのマイクロチャンネル内の細胞個体群の少なくとも幾つかが第2の着脱可能膜に付着して残るように第2の着脱可能膜を引き剥がすことを含んでいる。   In one embodiment, the substrate includes a first surface and a second surface. The first surface defines a first array of wells. Each well has an internal surface, and each internal surface defines a second array of microchannels. Each microchannel has a first opening on the first surface and a second opening on the second surface. The first removable membrane is affixed to at least a portion of at least one internal surface such that some of the cell population in the at least one microchannel adheres to the first removable membrane. The second removable membrane is affixed to at least a portion of the second surface such that some of the cell population in the at least one microwell adheres to the second removable membrane. A method for taking and examining a sample of a cell population in at least one microchannel includes first removing and attaching such that at least some of the at least one microchannel cell population remains attached to the first removable membrane. Peeling the removable membrane and / or peeling the second removable membrane such that at least some of the cell population within the at least one microchannel remains attached to the second removable membrane. It is out.

ある1つの実施形態では、基材は第1の表面と第2の表面を含む。第1の表面は、実験ユニットの第1アレイを画定している。各実験ユニットは、第1の表面に第1開口を、第2の表面に第2開口を有している。第1の着脱可能膜は、少なくとも1つの実験ユニット内の細胞固体群の少なくとも幾つかがその第1の着脱可能膜に付着する様に、第1の表面の少なくとも1部分に貼り付けられる。第2の着脱可能膜は、少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の少なくとも幾つかがその第2の着脱可能膜に付着するように、第2の表面の少なくとも1部分に貼り付けられる。少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の試料を取って調べる方法は、少なくとも1つの実験ユニットの細胞個体群の少なくとも幾つかが第1の着脱可能膜に付着して残るようにその第1の着脱可能膜を引き剥がし、および/またはその少なくとも1つの実験ユニット内の細胞個体群の少なくとも幾つかが第2の着脱可能膜に付着して残るようにその第2の着脱可能膜を引き剥がすことを含んでいる。   In one embodiment, the substrate includes a first surface and a second surface. The first surface defines a first array of experimental units. Each experimental unit has a first opening on the first surface and a second opening on the second surface. The first removable membrane is affixed to at least a portion of the first surface such that at least some of the cell solid groups in the at least one experimental unit adhere to the first removable membrane. The second removable membrane is affixed to at least a portion of the second surface such that at least some of the cell population in the at least one experimental unit adheres to the second removable membrane. A method for taking and examining a sample of a cell population in at least one experimental unit includes a first method such that at least some of the cell population in the at least one experimental unit remains attached to the first removable membrane. Peeling off the removable membrane and / or peeling off the second removable membrane so that at least some of the cell population in the at least one experimental unit remains attached to the second removable membrane Is included.

ある1つの実施形態では、自然環境から採取した細胞を培養するための方法は、少なくとも1つの細胞が少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットを占めるようにその細胞を基材の第1の表面に塗布すること、第1の表面の少なくとも1部分へ半透過性の膜を貼り付けて、栄養素が少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット中へ拡散するように且つその少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットから占有細胞が逃散するのを予防しおよび/または軽減すること、そしてその少なくとも1つの栄養素を使って、少なくともその1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット内を一旦は占有する細胞を培養することを含む。   In one embodiment, a method for culturing cells harvested from a natural environment comprises placing the cells on a first surface of a substrate such that at least one cell occupies at least one microwell, well or experimental unit. Applying a semi-permeable membrane to at least a portion of the first surface so that nutrients diffuse into the at least one microwell, well or experimental unit and at least one microwell; Preventing and / or mitigating the escape of occupant cells from a well or experimental unit, and using the at least one nutrient to remove cells once occupying at least one microwell, well or experimental unit Including culturing.

ある1つの実施形態では、自然環境から採取した試料内の細胞を基材内で培養おうよび適応させるための方法は、少なくとも1つの細胞が少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットを占めるようにその細胞を基材の第1の表面に塗布すること、栄養素が少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット中へ拡散するように且つその少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットから占有細胞が逃散するのを予防しおよび/または軽減するように第1の表面の少なくとも1部分へ半透過性の膜を貼り付けること、その少なくとも1つの栄養素を使って少なくともその1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニット内で少なくとも1つの占有細胞を培養すること、進行性部分交換を使ってその少なくとも1つの栄養素から少なくとも1つの代替の栄養素配合物へある期間にわたって徐々に移行させること、およびその少なくとも1つのマイクロウェル、ウェルあるいは実験ユニットの少なくともその1つの占有細胞の増殖を検出することを含む。   In one embodiment, a method for culturing and adapting cells in a sample taken from a natural environment in a substrate such that at least one cell occupies at least one microwell, well or experimental unit. Applying the cells to the first surface of the substrate such that nutrients diffuse into the at least one microwell, well or experimental unit and occupant cells escape from the at least one microwell, well or experimental unit Applying a semi-permeable membrane to at least a portion of the first surface so as to prevent and / or reduce the use of at least one microwell, well or experimental unit using the at least one nutrient Culturing at least one occupant cell within, using progressive partial exchange Gradually transitioning from at least one nutrient to at least one alternative nutrient formulation over a period of time and detecting the growth of at least one occupied cell of the at least one microwell, well or experimental unit Including.

複数の実施形態では、プールした分子分析試験データ要素を元の個々の位置への割り当ておよび/または相関的関連に戻し得る。ある1つの実施形態では、マイクロアレイは試料を割り当てる複数の位置を包含している。マイクロアレイ上の各位置は、試料の1部分を受け取るように構成されている。各位置は、試料の1部分がどの位置から来たかを試料のその部分がマイクロアレイから取り除かれた後で識別可能にする特異タグで印付けがなされている。   In embodiments, the pooled molecular analysis test data elements may be returned to their original individual location assignments and / or correlated relationships. In one embodiment, the microarray includes a plurality of locations to which samples are assigned. Each location on the microarray is configured to receive a portion of the sample. Each location is marked with a unique tag that allows it to be identified after that portion of the sample has been removed from the microarray from which location the portion of the sample has come.

ある1つの実施形態では、少なくとも1つの核酸分子を含む試料の1部分がマイクロアレイのどの位置から来たものかをその試料のその部分が取り除かれた後で識別する方法は、(a) マイクロアレイ上の複数の位置の中の1つ以上の位置へ試料の1つ以上の割り当て部分を塗りつけるステップを含む。各位置は、核酸分子を含む特異タグで印付けがなされている。その核酸分子は、(i) 位置特異性ヌクレオチド配列および (ii) 第1標的特異性ヌクレオチド配列を含んでいる。当方法はまた、(b) 試料の少なくとも1部分に見出される核酸分子を位置印づけタグにアニールさせるステップも含んでいる。当方法は更に、(c) アニールされた核酸分子個体群に対してプライマー伸張、逆転写、一本鎖連結反応あるいは二本鎖連結反応を行うステップを含んでおり、それによってプライマー伸張、逆転写、一本鎖連結反応あるいは二本鎖連結反応で生じた各核酸分子中に位置特異性ヌクレオチド配列を組み込む。当方法は更にまた、(d) ステップ (c) で生成された核酸分子個体群を組み合わせるステップ、(e) 組み合わせた核酸分子の個体群を順序づけし、それによって1つ以上の位置特異性ヌクレオチド配列の連接を得るステップ、および (f) 組み合わされた核酸分子の個体群から得た少なくとも1つの位置特異性ヌクレオチド配列の順序とその位置特異性ヌクレオチド配列を含むタグで印づけられたマイクロアレイ上の位置を互いに関連付けるステップを含み、それによって少なくとも1つの核酸分子を含む試料の1部分がマイクロアレイ上のどの位置から来たかを識別している。その試料は、少なくとも1つの細胞を含んでよく、その細胞はステップ (a) の後で且つステップ (b) の前に複製され得る。試料の割り当て分の1部がステップ (b) の前に少なくとも1つの位置から取り除かれ得て、試料割り当て分のその1部がマイクロアレイ上のその試料割り当て分の元の位置と相互に関連する別の容器に保存され得る。   In one embodiment, a method for identifying from which position of a microarray the portion of the sample containing at least one nucleic acid molecule came from that portion of the sample comprises: (a) on the microarray Applying one or more assigned portions of the sample to one or more of the plurality of locations. Each position is marked with a unique tag containing a nucleic acid molecule. The nucleic acid molecule includes (i) a position specific nucleotide sequence and (ii) a first target specific nucleotide sequence. The method also includes the step of (b) annealing the nucleic acid molecule found in at least a portion of the sample to the location tag. The method further includes the step of (c) performing primer extension, reverse transcription, single-stranded ligation reaction or double-stranded ligation reaction on the annealed nucleic acid molecule population, thereby primer extension, reverse transcription. , A position-specific nucleotide sequence is incorporated into each nucleic acid molecule produced by the single-stranded or double-stranded ligation reaction. The method further includes (d) combining the nucleic acid molecule populations generated in step (c), (e) ordering the populations of the combined nucleic acid molecules, thereby providing one or more position-specific nucleotide sequences. And (f) an order of at least one position-specific nucleotide sequence obtained from a population of combined nucleic acid molecules and a position on the microarray marked with a tag comprising the position-specific nucleotide sequence. Are associated with each other, thereby identifying from which location on the microarray the portion of the sample containing at least one nucleic acid molecule has come. The sample may contain at least one cell, which may be replicated after step (a) and before step (b). A portion of the sample allocation may be removed from at least one location prior to step (b), and the portion of the sample allocation may be correlated with the original location of the sample allocation on the microarray. Can be stored in a container.

1つの実施形態では、試料を割り当てる複数の位置を備えるマイクロアレイ、そこでは少なくとも1つ位置が特異タグで印付けられているとする、を製造する方法は、(a) 複数のタグを合成するステップを含む。各タグは、(i) 位置特異性ヌクレオチド配列と (ii) 第1の標的特異性ヌクレオチド配列を含む核酸分子を含んでいる。当方法はまた、(b) マイクロアレイ上の複数の位置の中の少なくとも1つの位置にタグを置くステップを含む。特異タグは、(i) 位置特異性ヌクレオチド配列と (ii) 第1標的特異性ヌクレオチド配列を含む核酸分子を含み得る。そのタグは更に、増幅プライマー結合部位および/またはアダプターヌクレオチド配列を含み得る。   In one embodiment, a method of manufacturing a microarray comprising a plurality of locations to which a sample is assigned, wherein at least one location is marked with a unique tag comprises the steps of: (a) synthesizing a plurality of tags including. Each tag includes a nucleic acid molecule comprising (i) a position-specific nucleotide sequence and (ii) a first target-specific nucleotide sequence. The method also includes (b) placing a tag at at least one of the plurality of locations on the microarray. The specific tag may comprise a nucleic acid molecule comprising (i) a position specific nucleotide sequence and (ii) a first target specific nucleotide sequence. The tag can further include an amplification primer binding site and / or an adapter nucleotide sequence.

微細加工デバイスは、環状オレフィンポリマーを使い射出成形によって製造することができる。基材またはチップは、約1インチx約3インチの大きさの実質的に平坦な表面を有し得る。その表面は更に、約200,000のウェルを画定でき、各ウェルは約50 μmの直径を有する。あるいはまた、その表面は約800,000 のマイクロウェルを画定でき、各マイクロウェルは約25 μmの直径を有する。その表面は、コロナプラズマ処理を施こされることにより親水性とされ得る。   Microfabricated devices can be manufactured by injection molding using cyclic olefin polymers. The substrate or chip may have a substantially flat surface that is about 1 inch by about 3 inches in size. The surface can further define about 200,000 wells, each well having a diameter of about 50 μm. Alternatively, the surface can define about 800,000 microwells, each microwell having a diameter of about 25 μm. The surface can be rendered hydrophilic by being subjected to corona plasma treatment.

土壌から単離された微生物(例えば、バクテリア)は、土壌抽出栄養分中へ希釈されてチップの表面に塗られ得る。次に、膜がチップの表面に施され得る。その膜は、例えばヒドロゲル塗布膜であってよい。その膜は、例えばラミネート加工によってチップへ可逆的あるいは不可逆的に結合あるいは付着されてもよい。それから、別のデバイスが、チップの表面を幾つもの区画に分割するために、膜とチップ表面の内の初出の物の上に置かれ得る。その表面の各区画は、その中にウェルあるいはマイクロウェルのある程度の部分集合を有している。   Microorganisms (eg, bacteria) isolated from the soil can be diluted into soil extract nutrients and applied to the surface of the chip. A film can then be applied to the surface of the chip. The film may be, for example, a hydrogel coating film. The film may be reversibly or irreversibly bonded or attached to the chip, for example by lamination. Then another device can be placed on the membrane and the first of the chip surfaces to divide the chip surface into several compartments. Each compartment on the surface has some subset of wells or microwells therein.

オンチップ適合において、各区画に自然環境から得た栄養培地が装填され得る。培養期間中、マイクロウェル内でバクテリアが増殖した際の差異を検出するため例えば光学システムを使ってバクテリアの増殖を観察すべくチップを計測管理し得る。ある期間にわたって、その栄養培地が実験室環境の中でバクテリアを増殖するのに用い得る完全に配合された培地となるまで栄養培地を徐々に調整し得る。   In an on-chip fit, each compartment can be loaded with nutrient media obtained from the natural environment. During the incubation period, the chip can be measured and managed to observe bacterial growth using, for example, an optical system to detect differences in the growth of bacteria in the microwells. Over time, the nutrient medium can be gradually adjusted until the nutrient medium is a fully formulated medium that can be used to grow bacteria in a laboratory environment.

オフチップ適合においては、バクテリア増殖が観察されるあらゆるウェルあるいはマイクロウェルは、試料を取って調べられ得る。バクテリア試料は、配合培地への適合用の例えばプレート、別のチップあるいはペトリ皿のような従来の器具に移され得る。   In off-chip adaptation, any well or microwell in which bacterial growth is observed can be examined by taking a sample. The bacterial sample can be transferred to a conventional instrument such as a plate, another tip or a petri dish for adaptation to the formulation medium.

複数の実施形態が培地の最適化に用いられ得る。例えば、単一種のバクテリアをチップの1表面に塗りつけ得る。次に、膜をチップのその表面に貼りつけ得る。その膜は、例えばヒドロゲル塗布膜とすることが出来る。その膜は、例えばラミネート加工によって、可逆的にあるいは不可逆的にチップへ接合あるいは付着させてもよい。それから、膜および/またはチップの表面を幾つもの区画に分割するために、別のデバイスを膜の上部表面および/またはチップ表面に配置し得る。その膜および/またはチップ表面の各区画は、膜の下およびまたはチップ表面にあるウェルあるいはマイクロウェルのなんらかの部分集合を有している。各区画には異なった培地(例えば、異なった環境から採取した培地)が装填されてよい。培養期間中、異なった栄養配合物を備えたウェルあるいはマイクロウェル内の増殖速度を観察するためにチップを計測管理し得る。   Several embodiments may be used for media optimization. For example, a single species of bacteria can be applied to one surface of the chip. The membrane can then be applied to that surface of the chip. The film can be, for example, a hydrogel coating film. The film may be bonded or attached to the chip reversibly or irreversibly, for example by laminating. Then, another device can be placed on the top surface of the membrane and / or the chip surface to divide the surface of the membrane and / or chip into several compartments. Each section of the membrane and / or chip surface has some subset of wells or microwells below the membrane and / or on the chip surface. Each compartment may be loaded with a different medium (eg, medium taken from a different environment). During the culture period, the chip can be metered to observe the growth rate in wells or microwells with different nutrient formulations.

複数の実施形態は、リン酸塩を可溶化する微生物についての検査に、特に農業への応用に、利用し得る。燐は、植物にとっての主要必須多量養素である。土壌の燐は、首尾よく作物生産の最適化を成し遂げ得るが、リン酸塩肥料の形で土壌に施されている。しかしながら、リン酸塩肥料として土壌に施された可溶無機リン酸塩の大部分は、急速に不動化されて植物にとって利用できなくなる。リン酸可溶化バクテリア菌株は、不溶化合物から有機および無機燐を加水分解するので、植物の生長および産出量を向上させるために使用し得る。微生物を含む試料は自然環境、例えば土壌(特に、もし有機あるいは無機燐が環境内の不溶化合物から効果的に加水分解され続けられるならば)、から採取されてよい。ひとつの実施形態によれば、微生物の少なくとも幾つかが複数の実験ユニットを占めるように、実験ユニットの少なくとも1つのアレイを備えた基材の表面にその試料を装着し得る。占有微生物は、様々な形のリン酸塩を備えた複数の実験ユニット内で培養でき、様々な形の燐酸塩を加水分解するそれらの能力について比較/選別され得る。   Embodiments may be utilized for testing for microorganisms that solubilize phosphate, particularly for agricultural applications. Phosphorus is the main essential macronutrient for plants. Soil phosphorus can be successfully achieved in crop production optimization, but is applied to the soil in the form of phosphate fertilizers. However, most of the soluble inorganic phosphate applied to soil as phosphate fertilizer is rapidly immobilized and becomes unavailable to plants. Phosphate-solubilized bacterial strains can be used to improve plant growth and yield because they hydrolyze organic and inorganic phosphorus from insoluble compounds. Samples containing microorganisms may be taken from the natural environment, such as soil (especially if organic or inorganic phosphorus continues to be effectively hydrolyzed from insoluble compounds in the environment). According to one embodiment, the sample can be mounted on the surface of a substrate with at least one array of experimental units, such that at least some of the microorganisms occupy multiple experimental units. Occupied microorganisms can be cultured in multiple experimental units with various forms of phosphate and compared / selected for their ability to hydrolyze various forms of phosphate.

複数の実施形態は、より高い増殖速度を有する突然変異株についての選別に利用され得る。微生物(例えば、バクテリア)試料は、突然変異原で処理されていた単一の実験室培養物から採取され得る。1つの実施形態によれば、その試料を実験ユニットの少なくとも1つのアレイを備えた基材の表面へ、バクテリアの少なくとも幾つかがその実験ユニットの複数個所を占めるように、装着し得る。占有バクテリアは、少なくとも1つの栄養素によって実験ユニットの複数個所で培養され、より高い増殖速度を有する実験ユニットを識別するために観察/比較され得る。   Multiple embodiments can be utilized for selection for mutant strains having higher growth rates. Microbial (eg, bacterial) samples can be taken from a single laboratory culture that has been treated with a mutagen. According to one embodiment, the sample can be mounted on the surface of a substrate with at least one array of experimental units such that at least some of the bacteria occupy multiple locations of the experimental unit. Occupied bacteria are cultured at multiple locations on the experimental unit with at least one nutrient and can be observed / compared to identify experimental units with higher growth rates.

複数の実施形態は、例えば新奇な抗生物質、防かび剤あるいは抗ウイルス剤を識別するのに利用され得る。微生物(例えば、バクテリア)を含む試料は自然環境から採取され得る。ある1つの実施形態によれば、その試料を実験ユニットの少なくとも1つのアレイを備えた基材の表面へ、バクテリアの少なくとも幾つかがその実験ユニットの複数個所を占めるように、装着し得る。占有バクテリアをある期間にわたり複数の実験ユニット内で培養し、次に指標バクテリアの層を占有バクテリアの初物上に成長させる(これには寒天の薄層が必要とされる場合がある)。指標バクテリアの層に明確な溶菌斑が生じている実験ユニットは抗生物質が生成したことを知らせている。   Embodiments can be utilized, for example, to identify novel antibiotics, fungicides or antiviral agents. Samples containing microorganisms (eg, bacteria) can be taken from the natural environment. According to one embodiment, the sample can be mounted on the surface of a substrate with at least one array of experimental units such that at least some of the bacteria occupy multiple locations of the experimental unit. Occupied bacteria are cultured in multiple experimental units over a period of time, and then a layer of indicator bacteria is grown on the original occupying bacteria (this may require a thin layer of agar). An experimental unit with clear lysis spots in the indicator bacterial layer informs that antibiotics have been produced.

複数の実施形態は、特殊な酵素活性について検査するのに利用され得る。ある1つの実施形態によれば、細胞を含む試料が実験ユニットの少なくとも1つのアレイを備えた基材の表面上へ、細胞の少なくとも1つが複数の実験ユニットを占めるように、装着され得る。それらの占有細胞はある期間にわたり実験ユニットの複数個所で培養され、次に酵素によって切断される時に色を生成する基質が加えられる。この着色反応を生じる実験ユニットが、望んだ酵素活性があることを示している。   Several embodiments can be utilized to test for specific enzyme activity. According to one embodiment, a sample containing cells can be mounted onto the surface of a substrate with at least one array of experimental units such that at least one of the cells occupies a plurality of experimental units. These occupant cells are cultured at a number of locations in the experimental unit for a period of time, and then a substrate that generates color when added by the enzyme is added. The experimental unit that produces this color reaction shows that it has the desired enzyme activity.

複数の実施形態は、バイオ修復を行うための、特に環境浄化用途のための、微生物について検査するのに利用され得る。公害および環境汚染は複雑である。例えば、自然環境への油流出あるいは液状石油炭化水素の放出の影響は、多くの要因に左右される。海洋環境においては、油の種類、海水の温度および海岸線の形式の全てが浄化に影響する。微生物を含む試料が自然環境、例えば石油含有岩石層、から採取し得る。ある1つの実施形態によれば、その試料を、実験ユニットの少なくとも1つのアレイを備えた基材の表面上へ、微生物の少なくとも幾つかが複数の実験ユニットを占めるように、装着し得る。それらの占有微生物は、色々な種類の石油を有する複数の実験ユニット内で培養され、その石油を除去あるいは無害化する能力について比較/検査され得る。
(結論)
Embodiments can be utilized to test for microorganisms for performing bioremediation, particularly for environmental purification applications. Pollution and environmental pollution are complex. For example, the impact of oil spills or the release of liquid petroleum hydrocarbons on the natural environment depends on many factors. In the marine environment, oil type, seawater temperature and coastline type all affect purification. Samples containing microorganisms can be taken from the natural environment, such as petroleum-bearing rock formations. According to one embodiment, the sample may be loaded onto the surface of a substrate with at least one array of experimental units such that at least some of the microorganisms occupy multiple experimental units. These occupying microorganisms can be cultured in multiple experimental units with different types of petroleum and compared / tested for their ability to remove or detoxify the petroleum.
(Conclusion)

本発明の種々の実施形態をこの明細書中に述べ、且つ実証してきたが、当業者であれば、機能を実行して上述した結果および/または1つ以上の有利点を得る多様なその他の手段および構造体を容易に想像するはずであり、その様な変形および/または改修の各々はここに述べた本発明の実施形態の範囲内であると考える。より一般的には、当業者であれば、ここに述べた全てのパラメータ、寸法、材料および構成は代表的なものであることを意味しており、実際のパラメータ、寸法および/または構成は、本発明の教示が利用される特定の1つあるいは複数の用途に左右されることは容易に分かる筈である。当業者であれば、慣例実験だけを用いて、ここで述べた本発明の特定実施形態と等価な多くの物を認めあるいは確かめ得る筈である。それ故、上記の実施形態は例としてのみ提示されており、最後に添える特許請求の範囲およびその等価物の範囲内で、具体的に述べられ且つ特許請求されたままよりは違ったやり方で発明の実施形態が実行され得ることは、理解されるべきである。本発明の実施形態は、ここに述べた個々の機能、システム、物品、材料、キットおよび/または方法に向けられている。さらに、その様な機能、システム、物品、材料、キットおよび/または方法が互いに矛盾していないならば、それらの機能、システム、物品、材料、キットおよび/または方法の中の2つ以上の組み合わせは本発明の範囲内に含まれる。   While various embodiments of the invention have been described and demonstrated herein, those skilled in the art will recognize that various other implementations may be performed to perform the functions and obtain the above results and / or one or more advantages. Means and structures should readily be envisioned, and each such modification and / or modification is considered to be within the scope of the embodiments of the invention described herein. More generally, one skilled in the art means that all parameters, dimensions, materials and configurations described herein are representative, and actual parameters, dimensions and / or configurations are It should be readily apparent that the teachings of the present invention depend on the particular application or applications in which they are utilized. Those skilled in the art will recognize, or be able to ascertain using no more than routine experimentation, many equivalents to the specific embodiments of the invention described herein. Therefore, the foregoing embodiments have been presented by way of example only and, within the scope of the appended claims and their equivalents, inventions in different ways than those specifically described and claimed. It should be understood that the embodiments may be implemented. Embodiments of the present invention are directed to the individual functions, systems, articles, materials, kits and / or methods described herein. Further, if such functions, systems, articles, materials, kits and / or methods are not in conflict with each other, combinations of two or more of those functions, systems, articles, materials, kits and / or methods Are included within the scope of the present invention.

しかも、種々の発明概念は、1つ以上の方法として具現化されており、その実施例が提供されている。その方法の1環として行われる動作は、任意の好適なやり方で順序づけられ得る。従って、動作が例示されたものとは異なる順序で行われる実施形態が構成されてもよく、例示の実施形態においてたとえ順次動作として示されていたとしても、複数の動作が同時に行われることを含んでよい。   Moreover, the various inventive concepts are embodied as one or more methods, examples of which are provided. The operations performed as one ring of the method can be ordered in any suitable manner. Thus, embodiments may be configured in which operations are performed in a different order than illustrated, including multiple operations performed at the same time, even if shown as sequential operations in the illustrated embodiments. It's okay.

この中で言及した全ての著作、特許出願、特許、および他の参考文献の各々の全文を参照文献としてここに組み込む。   The full text of each of all works, patent applications, patents, and other references mentioned herein is hereby incorporated by reference.

全ての定義は、この文書中で明確化されそして使用されたように、辞書定義、参照文献として組み込まれた文献での定義および/または定義された用語の通常の意味を統制すると理解されるべきである。   All definitions should be understood as governing dictionary definitions, definitions in references incorporated as references and / or the ordinary meaning of the defined terms, as clarified and used in this document. It is.

本願の明細書および請求の範囲において使われている不定冠詞「a」および「an」を、「ある1つの」とする場合又は明確に数を指定しない場合、「少なくとも1つの」を意味すると理解されるべきである。   The indefinite articles "a" and "an" used in the specification and claims of this application are understood to mean "at least one" if they are "one" or if no number is explicitly specified. It should be.

本願の明細書および請求の範囲において使われている語句「および/または」は、そのように結び付けられた要素、即ち或る場合には共役的に他の場合には分離的に存在する要素、の「いずれか1方あるいは両方」を意味すると理解されるべきである。「および/または」を伴って列挙されている数多くの要素も同様に、即ち要素の1つ以上がそのように結び付けられていると、解釈されるべきである。「および/または」という語句によって具体的に特定された要素以外に他の要素も、それら特定された要素と関連が在ろうと無かろうと、オプションとして存在し得る。従って、非制限例として、「Aおよび/またはB」への参照は、「含んでいる」のような無限定の語句と一緒に使われる場合、ある実施形態では(B以外の要素をオプションとして含むが)Aのみを参照でき、別の実施形態では(A以外の要素をオプションとして含むが)Bのみを参照でき、更に別の実施形態では(他の要素をオプションとして含むが)AとBの両方を参照できる等である。   As used in the specification and claims of this application, the phrase “and / or” includes elements so conjoined, ie, elements that are conjugate in some cases and separated in others. Should be understood to mean “one or both”. Numerous elements listed with “and / or” should be construed as well, ie, one or more of the elements are so associated. In addition to the elements specifically identified by the phrase “and / or”, other elements may optionally be present whether or not related to the identified elements. Thus, as a non-limiting example, a reference to “A and / or B” may be used in conjunction with an unrestricted phrase such as “includes” in certain embodiments (elements other than B are optional). Only A can be referenced, in other embodiments only B can be referenced (although elements other than A are optionally included), and in other embodiments A and B (although other elements are optionally included) Both of them can be referred to.

本願の明細書および特許請求の範囲に用いられているような「あるいは」は、上記で定義された「および/または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リストに於いて種目を分ける場合、「あるいは」あるいは「および/または」でも一切を含んでいる、即ち数多くのあるいは一覧の要素の中の少なくとも1つを包含するばかりでなく1つ以上を含み且つオプションとして追加のリストに載っていない項目をも含む、と解釈するものとする。反対に、例えば「1つだけの」あるいは「ちょうど1つの」あるいは特許請求の範囲で用いられる「・・・から成る」のように、明確に指定された種目のみが、数多くのあるいは一覧の種目の中の正に1つの要素の包含に当てはまることになる。一般的に、この文書中で用いるような用語「あるいは」は、例えば「どちらか1方の」、「1つの」、「1つだけの」あるいは「ちょうど1つの」のような排他性用語が先行する場合にのみ、代わりになるものの排除(即ち、一方あるいは他方のものであって両方ではない)を指示すると解釈されるものとする。特許請求の範囲で用いられる場合、「から実質的に成る」は、特許法の分野で用いられるようなその通常の意味を有するものとする。   "Or" as used in the specification and claims of this application should be understood to have the same meaning as "and / or" as defined above. For example, when separating an item in a list, “or” or “and / or” also includes everything, that is, not only include at least one of the many or list elements, but also include one or more. It shall be construed to include items that are included and optionally not included in the additional list. On the contrary, only clearly specified events, such as “only one” or “exactly one” or “consisting of” used in the claims, are numerous or list events. This is true for the inclusion of exactly one element in. In general, the term “or” as used in this document is preceded by an exclusive term such as “one of”, “one”, “only one” or “just one”. Only if it is to be construed to indicate the exclusion of an alternative (ie, one or the other, not both). As used in the claims, “consisting essentially of” shall have its ordinary meaning as used in the field of patent law.

本願の明細書および特許請求の範囲で用いられているような1つ以上の要素のリストに関連しての語句「少なくとも1つ」は、要素リストの中のいずれか1つ以上から選ばれた少なくとも1つを意味すると理解されるべきで、必ずしも要素リストの中に具体的に挙げられたあらゆる要素の中の少なくとも1つを含むとは限らず、要素リスト中の要素の如何なる組み合わせも排除しないことを意味していると理解されるべきである。この定義はまた、語句「少なくとも1つ」が関連する要素のリスト内で具体的に特定された要素以外の要素が、それら特定要素に関連が在ろうと無かろうと、オプションとして存在することを可能にしている。従って、非限定例として、「AおよびBの少なくとも1つ」(言い換えると、AあるいはBの少なくとも1つ、言い換えるとAおよび/またはBの少なくとも1つ)は、1つの実施形態では、Bが存在していない(B以外の要素をオプションとして含んでいる)状態での少なくとも1つの、オプションとして1つ以上を含む、A;別の実施形態では、Aが存在していない(A以外の要素をオプションとして含んでいる)状態での少なくとも1つの、オプションとして1つ以上を含む、B;更に別の実施形態では、少なくとも1つの、オプションとして1つ以上を含む、Aおよび少なくとも1つの、オプションとして1つ以上を含む、B(およびオプションとして他の要素を含んでいる);等を意味し得る。   The phrase “at least one” in relation to a list of one or more elements as used in the specification and claims of this application was chosen from any one or more of the element lists It should be understood to mean at least one, and does not necessarily include at least one of every element specifically listed in the element list, and does not exclude any combination of elements in the element list Should be understood to mean. This definition also allows elements other than those specifically identified in the list of elements to which the phrase “at least one” is associated, optionally present, whether or not they are associated with those particular elements. I have to. Thus, as a non-limiting example, “at least one of A and B” (in other words, at least one of A or B, in other words at least one of A and / or B), in one embodiment, B is At least one in the state of non-existing (including an element other than B as an option), including one or more as an option, A; in another embodiment, A is not present (an element other than A At least one, optionally including one or more, B; in yet another embodiment, at least one, optionally including one or more, A and at least one option Can include one or more, B (and optionally include other elements);

特許請求の範囲においても、上記の明細書に於けると同様に、例えば「含む」、「などがある」、「携える」、「有する」、「含有する」、「伴う」、「保持する」、「構成されている」「画定する」等の全ての移行句は、開放型、即ち「およびその他も含む」、を意味すると理解されるべきである。移行句「から成る」および「から実質的に成る」だけが、米国特許庁マニュアルの特許審査手続き、第2111.03項、に明示されているように、それぞれ閉鎖型あるいは半閉鎖型の移行句である。   Also in the claims, as in the above specification, for example, “include”, “has,” etc., “carry”, “have”, “include”, “accompany”, “hold” All transitional phrases such as “configured”, “define”, etc. should be understood to mean open, ie “including others”. The transition phrases “consisting of” and “consisting essentially of” are the closed or semi-closed transition phrases, respectively, as specified in the US Patent Office Manual Patent Examination Procedure, Section 2111.03. .

Claims (19)

マイクロウェルのアレイを画定する上面を有する微細加工デバイスを使用して、試料中の少なくとも1つの目的の生物学的実体をスクリーニングするステップであって、
前記マイクロウェルのアレイのうちの少なくとも1つのマイクロウェルに
(a)試料からの少なくとも1つの細胞、(b)指示物質および(c)ある量の栄養素を充填するステップ;
前記少なくとも1つの細胞を前記少なくとも1つのマイクロウェル内に保持するために、微細加工された装置に薄膜を適用するステップ;
前記少なくとも1つのマイクロウェル内の前記少なくとも1つの細胞から複数の細胞を成長させるために所定の条件で前記微細加工デバイスを一定期間インキュベートするステップ;
前記少なくとも1つのマイクロウェルの光学特性を評価するステップ;
および、
前記光学特性に基づいて、前記少なくとも1つのマイクロウェル中の少なくとも1つの関心対象の生物学的実体の有無を判定するステップとからなるスクリーニング方法。
Screening at least one biological entity of interest in a sample using a microfabricated device having a top surface defining an array of microwells, comprising:
Filling at least one microwell of the array of microwells with (a) at least one cell from a sample, (b) an indicator and (c) an amount of nutrients;
Applying a thin film to a microfabricated device to retain the at least one cell in the at least one microwell;
Incubating the microfabricated device for a period of time under predetermined conditions to grow a plurality of cells from the at least one cell in the at least one microwell;
Evaluating the optical properties of the at least one microwell;
and,
Determining the presence or absence of at least one biological entity of interest in the at least one microwell based on the optical properties.
前記少なくとも1つのマイクロウェルの前記光学特性が前記指示物質の量または形態と相関することを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the optical property of the at least one microwell correlates with the amount or form of the indicator substance. 前記指示物質が、水不溶性の無機リン酸塩であることを特徴とする請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the indicator substance is a water-insoluble inorganic phosphate. 目的の少なくとも1つの生物学的実体が、無機リン酸塩を可溶化する微生物を含むことを特徴とする請求項3記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein the at least one biological entity of interest comprises a microorganism that solubilizes inorganic phosphate. 前記指示薬がpH感受性染料を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the indicator comprises a pH sensitive dye. 前記pH感受性染料が、選択されたpH範囲内の可視光範囲で色を変えることができることを特徴とする請求項5記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the pH sensitive dye is capable of changing color in the visible light range within a selected pH range. 前記pH感受性染料が、第1のpH範囲では蛍光を発し、第2の異なるpH範囲では蛍光を発しないことを特徴とする請求項5記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the pH sensitive dye fluoresces in a first pH range and does not fluoresce in a second different pH range. 前記pH感受性染料が、その蛍光が異なるpHで変化する蛍光染料であることを特徴とする請求項5記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the pH sensitive dye is a fluorescent dye whose fluorescence changes at different pHs. 前記少なくとも1つの目的の生物学的実体が、酸を産生する微生物を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the at least one biological entity of interest comprises an acid producing microorganism. 前記少なくとも1つの目的の生物学的実体が真核細胞を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。   2. The method of claim 1, wherein the at least one biological entity of interest comprises a eukaryotic cell. 前記少なくとも1つの目的の生物学的実体が細菌を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the at least one biological entity of interest comprises a bacterium. 前記光学特性を測定することが、前記インキュベーションの過程の間の異なる時間に前記光学特性の複数の測定を行うことを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein measuring the optical property comprises making multiple measurements of the optical property at different times during the course of the incubation. 目的の生物学的実体が前記少なくとも1つのマイクロウェル中に存在すると決定される場合、インキュベーション後に前記複数の細胞のうちの少なくともいくつかを標的位置に移すことをさらに含むことを特徴とする請求項1記載の方法。   The method further comprising transferring at least some of the plurality of cells to a target location after incubation if it is determined that the biological entity of interest is present in the at least one microwell. The method according to 1. 前記少なくとも1つのマイクロウェルが複数のマイクロウェルを含み、前記少なくとも1つの細胞を充填することが、平均して1つのセルを前記複数のマイクロウェルのそれぞれに充填することを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。   The at least one microwell includes a plurality of microwells, and filling the at least one cell includes, on average, filling one cell into each of the plurality of microwells. The method of claim 1. 前記マイクロウェルのアレイの各マイクロウェルが、約25μmから約500μmの直径を有することを特徴とする請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein each microwell of the array of microwells has a diameter of about 25 μm to about 500 μm. 前記マイクロウェルのアレイの表面密度が、1cm当たり少なくとも750マイクロウェルであることを特徴する請求項1記載の方法。 The surface density of the microwell array The method of claim 1 wherein characterized in that at least 750 microwells per 1 cm 2. 前記光学特性を評価することが、
(a)前記少なくとも1つの細胞、指示物質、および栄養素が負荷された後であってインキュベーション前に、少なくとも1つのマイクロウェルの前記光学特性を測定するステップ;
(b)インキュベーション後の前記少なくとも1つのマイクロウェルの前記光学特性を測定するステップ;および、
(c)インキュベーション前およびインキュベーション後に前記測定された光学特性を比較するステップ
を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
Evaluating the optical properties,
(A) measuring the optical properties of at least one microwell after being loaded with the at least one cell, indicator and nutrient and prior to incubation;
(B) measuring the optical properties of the at least one microwell after incubation; and
The method of claim 1, comprising the step of: (c) comparing the measured optical properties before and after incubation.
マイクロウェルのアレイを画定する上面を有する微細加工デバイスを使用して、試料中の少なくとも1つの目的の生物学的実体をスクリーニングする方法であって、
前記マイクロウェルのアレイの少なくとも1つのマイクロウェルに、(a)試料からの少なくとも1つの細胞;(b)指示物質;および(c)ある量の栄養素を充填するステップ;
前記少なくとも1つの細胞を前記少なくとも1つのマイクロウェル内に保持するために、微細加工された装置に薄膜を適用するステップ;
前記少なくとも1つのマイクロウェル内の少なくとも1つの細胞から複数の細胞を成長させるために所定の条件で微細加工デバイスを一定期間インキュベートするステップ;および、
インキュベーション後の前記指示薬物質の変化に基づいて、前記少なくとも1つのマイクロウェル中の少なくとも1つの関心対象の生物学的実体の有無を決定するステップを含むことを特徴とするスクリーニング方法。
A method of screening at least one biological entity of interest in a sample using a microfabricated device having a top surface defining an array of microwells, comprising:
Filling at least one microwell of the array of microwells with (a) at least one cell from the sample; (b) an indicator; and (c) an amount of nutrients;
Applying a thin film to a microfabricated device to retain the at least one cell in the at least one microwell;
Incubating the microfabricated device for a period of time under predetermined conditions to grow a plurality of cells from at least one cell in the at least one microwell; and
A screening method comprising the step of determining the presence or absence of at least one biological entity of interest in the at least one microwell based on a change in the indicator substance after incubation.
マイクロウェルのアレイを画定する上面を有する微細加工デバイスを使用して、試料中の少なくとも1つの目的の生物学的実体をスクリーニングする方法であって、前記各マイクロウェルが底部を有し、
前記マイクロウェルのアレイの複数のマイクロウェルのそれぞれに指示物質を堆積させるステップ;
前記複数のマイクロウェルのうちの少なくとも1つのマイクロウェルが前記試料から少なくとも1つの細胞およびある量の栄養素を受け取るように、前記試料を前記微細加工された装置上に装填するステップ;
前記受け取った少なくとも1つの細胞および前記栄養素を前記複数のマイクロウェルのそれぞれに保持するために、前記微細加工デバイスに膜を適用するステップ;
前記微細加工された装置を所定の条件で一定期間インキュベートするステップ、および、
前記少なくとも1つのマイクロウェルの前記光学特性の測定値に基づいて、前記複数のマイクロウェルのうちの少なくとも1つのマイクロウェル中の少なくとも1つの関心対象の生物学的実体の有無を決定するステップを含むことを特徴とするスクリーニング方法。
A method of screening at least one biological entity of interest in a sample using a microfabricated device having a top surface defining an array of microwells, each microwell having a bottom,
Depositing an indicator in each of a plurality of microwells of the array of microwells;
Loading the sample onto the microfabricated device such that at least one microwell of the plurality of microwells receives at least one cell and an amount of nutrients from the sample;
Applying a membrane to the microfabricated device to retain the received at least one cell and the nutrient in each of the plurality of microwells;
Incubating the microfabricated device for a period of time under predetermined conditions; and
Determining the presence or absence of at least one biological entity of interest in at least one microwell of the plurality of microwells based on a measurement of the optical property of the at least one microwell. A screening method characterized by the above.
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