JP2022532995A - Homopolymer encoded nucleic acid memory - Google Patents

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ジェイ. ウィリアム エフカビッチ,
サンジャイ アガルワラ,
キム アルビザティ,
アラン ダブリュー. グラブス,
マシュー ティー. ホールデン,
パトリツィア エー. ホプキンス,
ジェイ ケー. シン,
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モレキュラー アッセンブリーズ, インコーポレイテッド
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Abstract

反復したヌクレオチドのホモポリマートラクトの配列を使用してデジタルデータをエンコードする核酸メモリ鎖は、従来のデジタルDNA記憶技法に対する、より安価でより速い代替法を提供する。ホモポリマートラクトの使用により、より低い忠実度のハイスループット配列決定技法、例えば、ナノポア配列決定で、メモリ鎖中にエンコードされたデータを読み取ることができるようになる。専門化された合成技法は、従来の単一のヌクレオチド配列と比較して、ホモポリマートラクトによって得られるデータ密度が低減されているにもかかわらず、大きいボリュームのデータをエンコードすることが可能な長いメモリ鎖の合成を可能にする。Nucleic acid memory strands, which encode digital data using sequences of homopolymeric tracts of repeated nucleotides, offer a cheaper and faster alternative to conventional digital DNA storage techniques. The use of homopolymer tracts allows lower fidelity high-throughput sequencing techniques, such as nanopore sequencing, to read the data encoded in the memory chain. Specialized synthetic techniques are capable of encoding large volumes of data despite the reduced data density obtained by homopolymeric tracts compared to conventional single nucleotide sequences. Allows synthesis of memory chains.

Description

関連出願
本出願は、2019年4月24日出願の米国特許出願第16/393,510号に対する優先権を主張し、その内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
Related Applications This application claims priority to US Patent Application No. 16 / 393,510 filed April 24, 2019, the contents of which are incorporated herein by reference.

発明の分野
本発明は、ホモポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖中にデータを記憶するための方法および装置に関する。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention relates to a method and an apparatus for storing data in a nucleic acid memory chain containing a homopolymer tract.

背景
DNAデジタル記憶は、DNAの塩基配列を使用してデジタルデータを表し、データをエンコードする塩基配列に対応するポリヌクレオチドのDNA合成を介してそのデータを記憶するプロセスである。DNAデジタル記憶は、従来のデータ記憶方法を超えるいくつかの利点を提供し、何百億ドルもの市場をターゲットにする。フラッシュメモリおよび磁気テープ上の記録を含む従来のデータ記憶方法は、物理的な空間要件、希少資源への依存、およびデータ完全性に関する問題をもたらす。DNAデジタル記憶は、顕著に低いエネルギー要件で、かなり大きいデータ記憶密度を提供する。現行の方法は、DNA中にエンコードされたデータを正確に読み取るために、エラーに対する寛容性がほとんどない、高忠実度の配列決定技法に依存している。要求される配列決定方法は、比較的遅く、忠実度要件を満たすためには高価である。現行のDNAデジタル記憶技法の一例は、Church,et al.に対する米国特許第9,384,320号(参照によって本明細書に組み込まれる)に記載されている。配列決定の忠実度を増加させるために、Churchによって記載されたものなどの現行の方法は、配列反復などを読み取りまたは書き込みするのが困難である特色を回避する配列を使用してデータをエンコードする。
Background DNA digital memory is the process of representing digital data using the base sequence of DNA and storing that data via DNA synthesis of the polynucleotide corresponding to the base sequence that encodes the data. DNA digital memory offers several advantages over traditional data storage methods, targeting tens of billions of dollars in the market. Traditional data storage methods, including flash memory and recording on magnetic tape, pose problems with physical spatial requirements, scarcity resource reliance, and data integrity. DNA digital memory provides significantly higher data storage densities with significantly lower energy requirements. Current methods rely on high fidelity sequencing techniques with little error tolerance to accurately read the data encoded in DNA. The required sequencing method is relatively slow and expensive to meet fidelity requirements. Examples of current DNA digital memory techniques are described in Church, et al. U.S. Pat. No. 9,384,320 (incorporated herein by reference). To increase the fidelity of sequencing, current methods, such as those described by Church, encode data using sequences that avoid features that make it difficult to read or write sequence iterations, etc. ..

現行のDNAデジタル記憶技法の合成側は、スピードの欠如、毒性副産物の産生および高いコストによって、この技術の採用をさらに制限する。ほとんどのde novo核酸配列は、天然の(または非天然の)核酸塩基に対応するホスホルアミダイト試薬から構築された配列の逐次的脱保護および合成を含む固相ホスホルアミダイト技法を使用して合成される。アレイベースのフォーマット上でのインクジェット合成は、非常に低コストのホスホルアミダイト合成が可能であるが、作製される鎖は、100~200塩基長に制限され、配列をインデックス化するために長さの一部を犠牲にせざるを得ず、引き続く読み出しのために十分な材料を提供するために合成後増幅を要求する、フェムトモル濃度未満の規模で作製される。従来の合成技法を使用すると、200塩基対(bp)長よりも長い核酸は、高い割合で破壊および副反応を起こす。さらに、従来の合成技法は、毒性副産物を産生し、この廃棄物の処分は、核酸合成機の利用可能性を制限し、オリゴ産生のコストを増加させる。DNAデジタル記憶における合成および読み出しに関連するこれらの厄介な問題は、他の点では有望な技術のための適用を制限してきた。 The synthesizer of current DNA digital memory techniques further limits the adoption of this technique due to lack of speed, production of toxic by-products and high cost. Most de novo nucleobases are synthesized using solid phase phosphoramidite techniques, including sequential deprotection and synthesis of sequences constructed from phosphoramidite reagents corresponding to natural (or non-natural) nucleobases. Will be done. Inkjet synthesis on array-based formats allows for very low cost phosphoramidite synthesis, but the strands produced are limited to 100-200 base lengths and length to index the sequence. It is made on a scale below the femtomolar concentration, which requires post-synthesis amplification to provide sufficient material for subsequent readout, at the expense of some of the. Using conventional synthetic techniques, nucleic acids longer than 200 base pairs (bp) in length cause a high rate of disruption and side reactions. In addition, conventional synthetic techniques produce toxic by-products, and disposal of this waste limits the availability of nucleic acid synthesizers and increases the cost of oligo production. These annoying problems associated with synthesis and readout in DNA digital memory have otherwise limited application for promising techniques.

米国特許第9,384,320号明細書US Pat. No. 9,384,320

要旨
本発明は、デジタルデータをエンコードするホモポリマートラクトの配列を使用してデータを記憶するためのシステムおよび方法を提供する。反復した塩基(例えば、2~10ヌクレオチド)のホモポリマートラクトを使用して各ビットをデータ配列で示すことで、よりハイスループットであまり高価でない配列決定技法が使用されることが可能になる。配列読み取りは、ホモポリマートラクト間の遷移を区別することにのみ依存し、各個々のヌクレオチドの信頼できる読み取りを要求しないので、ナノポア配列決定、ゼロモード導波路(ZMW)単一分子配列決定および質量分析などの配列決定技法が、スピードを増加させ、コストを低減させるために使用され得る。
Abstract The present invention provides systems and methods for storing data using sequences of homopolymeric tracts that encode digital data. Representing each bit in a data sequence using a homopolymeric tract of repeated bases (eg, 2-10 nucleotides) allows the use of higher throughput and less expensive sequencing techniques. Nanopore sequencing, zero-mode waveguide (ZMW) single molecule sequencing and mass, as sequence reading only relies on distinguishing transitions between homopolymeric tracts and does not require reliable reading of each individual nucleotide. Sequencing techniques such as analysis can be used to increase speed and reduce costs.

本明細書に記載されるホモポリマートラクトを使用したデータの記録は、長い鎖(例えば、5~10kb)の核酸を使用して最も効率的に達成される。旧来の合成技法では長さが制限されるが、例えば、ヌクレオチジルトランスフェラーゼを使用する鋳型非依存的ポリヌクレオチド合成は、低減されたコストで、より低い廃棄物産生を伴って、長い鎖を合成することが可能である。酵素的に合成されたssDNAメモリ鎖は、従来のホスホルアミダイトアプローチと比較して、DNA合成の50%を要求するだけだが、それは、約100~200ヌクレオチド長よりも長いssDNA鎖が、複雑でコストのかかるライゲーションまたはPCR技法を要求し、dsDNA中間体からssDNAを産生することしかできないからである。参照によって本明細書に組み込まれる、Efcavitch,et al.に対する米国特許第8,808,989号を参照のこと。データエンコーディングは、標準的なヌクレオチドを使用して、基数(numerical base)2、基数3、基数4であり得るか、またはデータ密度は、基数(base)8、基数10、基数12もしくはそれよりも大きい基数のエンコーディングスキームを生成するために、任意の数の修飾ヌクレオチドアナログを使用して増加させることができる。 Recording of data using the homopolymeric tracts described herein is most efficiently achieved using long chain (eg, 5-10 kb) nucleic acids. Although traditional synthetic techniques are length limited, for example, template-independent polynucleotide synthesis using nucleotidyltransferase synthesizes long chains at a reduced cost and with lower waste production. It is possible. Enzymatically synthesized ssDNA memory strands require only 50% of DNA synthesis compared to traditional phosphoramidite approaches, which are complex with ssDNA strands longer than about 100-200 nucleotides in length. This is because it requires costly ligation or PCR techniques and can only produce ssDNA from dsDNA intermediates. Efcavitch, et al., Which is incorporated herein by reference. See US Pat. No. 8,808,989. The data encoding can be radix 2, radix 3, radix 4 using standard nucleotides, or the data density is radix (base) 8, radix 10, radix 12 or higher. Any number of modified nucleotide analogs can be used to increase to generate a large radix encoding scheme.

修飾ヌクレオチドアナログに対する制限は、それらが選択された合成技法(例えば、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ(TdT))を使用して取り込まれ得、選択された配列決定分析を使用して互いから区別され得るということだけである。一部の実施形態では、合成は、Mn2+の存在下でポリメラーゼシータを使用して達成され得る。 Restrictions on modified nucleotide analogs say they can be incorporated using selected synthetic techniques (eg, terminal deoxynucleotidyltransferase (TdT)) and distinguished from each other using selected sequencing analysis. It's just that. In some embodiments, synthesis can be accomplished using the polymerase theta in the presence of Mn 2+ .

一貫したホモポリマートラクト長は、本発明のシステムおよび方法にとって必須ではないが、それは、認識される必要があるのが個々のトラクト間の遷移だけだからである。トラクト長は変動させることが可能であり得るが、本発明の合成技法は、デオキシヌクレオチド(dNTP)の、合成されているオリゴヌクレオチドメモリ鎖に対する比を調整し、新生メモリ鎖へのdNTPの曝露時間を制御することによって、平均ホモポリマートラクト長を効果的に制御することができる。ホモポリマートラクトの長さは、読み出し技術に最適化され得る;最も高いデータ記憶密度は、単一ヌクレオチドの読み出し分解能で達成されるが、最も高い読み出しスピードおよび精度は、ヌクレオチドビットのサイズを、所与の配列決定技術について最小限の検出可能な長さ(例えば、2~10ヌクレオチド)に拡張させることによって達成される。 Consistent homopolymeric tract lengths are not essential for the systems and methods of the invention, as only transitions between individual tracts need to be recognized. Although the tract length can be varied, the synthetic techniques of the present invention adjust the ratio of deoxynucleotides (dNTPs) to the oligonucleotide memory strand being synthesized and the exposure time of dNTPs to the neoplastic memory strands. By controlling the above, the average homopolymer tract length can be effectively controlled. The length of the homopolymer tract can be optimized for the readout technique; the highest data storage density is achieved with the readout resolution of a single nucleotide, while the highest readout speed and accuracy is due to the size of the nucleotide bits. It is achieved by extending a given sequencing technique to a minimal detectable length (eg, 2-10 nucleotides).

ナノポア配列決定を使用する本発明のシステムおよび方法は、鎖の一方の末端または両方の末端上に含まれるストッパー(例えば、ヘアピンまたは高分子付属物)などの専門化されたメモリ鎖構築物を使用し得る。他のナノポアベースの方法では、メモリ鎖は、隣接するナノポア間で環状化され得、通り抜け得る。 Systems and methods of the invention using nanopore sequencing use specialized memory chain constructs such as stoppers (eg, hairpins or polymeric appendages) contained on one or both ends of the chain. obtain. In other nanopore-based methods, memory chains can be circularized and passed through between adjacent nanopores.

本発明のある特定の態様は、核酸メモリ鎖を使用してデータを記録する方法を含む。この方法のステップは、データセットを表すin-silicoオリゴヌクレオチド配列を創出するステップを含み得、ここで、オリゴヌクレオチド配列の各ヌクレオチドは、前記データセットの単位に対応する。次いで、複数のホモポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖が合成され得、ここで、各ホモポリマートラクトは、オリゴヌクレオチド配列のヌクレオチドに対応する。複数のホモポリマートラクトは、3と10との間の反復したヌクレオチドを含み得る。前記データセットの各単位は、特定の適用のために所望により、基数2、基数3、基数4またはそれよりも高い基数で示され得る。 Certain aspects of the invention include methods of recording data using nucleic acid memory chains. The steps of this method may include creating an in-silico oligonucleotide sequence that represents a dataset, where each nucleotide of the oligonucleotide sequence corresponds to a unit of said dataset. Nucleic acid memory chains containing multiple homopolymeric tracts can then be synthesized, where each homopolymeric tract corresponds to a nucleotide in the oligonucleotide sequence. Multiple homopolymeric tracts may contain repeating nucleotides between 3 and 10. Each unit of the dataset may be represented by a radix of 2, radix 3, radix 4 or higher, if desired for a particular application.

ある特定の実施形態では、核酸メモリ鎖は、少なくとも約200ヌクレオチド長~約5,000ヌクレオチド長であり得る。合成するステップは、dNTP濃度を変動させることによってホモポリマー長を制御することを含み得る。この方法のステップは、核酸メモリ鎖の第1の末端を修飾して、ナノポア配列決定システムのナノポアを介した第1の末端の通過を防止するステップ;核酸メモリ鎖の第2の末端を、ナノポアを介して通過させるステップ;および核酸メモリ鎖の第2の末端を修飾して、ナノポアを介した第2の末端の通過を防止するステップを含み得る。 In certain embodiments, the nucleic acid memory chain can be at least about 200 nucleotides in length to about 5,000 nucleotides in length. The steps of synthesis may include controlling homopolymer length by varying the dNTP concentration. The steps of this method are to modify the first end of the nucleic acid memory chain to prevent the passage of the first end through the nanopores of the nanopore sequencing system; the second end of the nucleic acid memory chain is nanoporeed. It may include the step of passing through the nucleic acid memory chain; and the step of modifying the second end of the nucleic acid memory chain to prevent the passage of the second end through the nanopore.

他の実施形態は、設定された数のヌクレオチドアナログのコーディング能をさらに増加させるために、規定された化学量論または組成のヘテロポリマートラクトから構成されるメモリ鎖を使用し得る。さらなる実施形態は、構造が類似しているが、異なる条件、例えば、紫外光もしくは可視光、酸化剤もしくは還元剤、アルカリ性もしくは酸性pH、または配列特異的ヌクレアーゼの下で除去され得るリンカーを用いるヌクレオチドアナログを使用し、それにより、適用可能なプロセスの知識なしに、それらに対してデータを隠蔽することによって、メモリ鎖中にエンコードされたデータを保護することを目指し得る。 Other embodiments may use memory chains composed of heteropolymeric tracts of defined stoichiometry or composition to further increase the coding ability of a set number of nucleotide analogs. Further embodiments are nucleotides that use linkers that are similar in structure but can be removed under different conditions, such as ultraviolet or visible light, oxidizing or reducing agents, alkaline or acidic pH, or sequence-specific nucleases. It may be aimed to protect the encoded data in the memory chain by using analogs and thereby hiding the data against them without knowledge of the applicable processes.

データセットは、テキストファイル、画像ファイルおよび音声ファイルからなる群より選択され得る。合成するステップは、鋳型非依存的合成を含み得る。ある特定の実施形態では、ヌクレオチジルトランスフェラーゼ酵素が、前記鋳型非依存的合成を触媒するために使用され得る。一部の実施形態では、ポリメラーゼシータが、前記鋳型非依存的合成を触媒するために使用され得る。 The dataset may be selected from the group consisting of text files, image files and audio files. The steps of synthesis can include template-independent synthesis. In certain embodiments, the nucleotidyltransferase enzyme can be used to catalyze the template-independent synthesis. In some embodiments, the polymerase theta can be used to catalyze the template-independent synthesis.

本発明の態様は、核酸メモリ鎖からデータを読み取る方法を含み得る。この方法のステップは、複数のホモポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖を配列決定するステップと、核酸メモリ鎖配列を、デジタル化されたデータに変換するステップであって、複数のホモポリマートラクトの各々が、データの単位に対応するヌクレオチドを示す、ステップと、データのデジタル化されたピースを可読フォーマットに変換するステップとを含み得る。この方法のステップは、可読フォーマットを表示するステップを含み得る。複数のホモポリマートラクトは、約2ヌクレオチドと約10ヌクレオチドとの間の反復を含み得る。核酸メモリ鎖は、少なくとも約200ヌクレオチド長と約5,000ヌクレオチド長との間であり得る。 Aspects of the invention may include a method of reading data from a nucleic acid memory strand. The steps of this method are a step of sequencing a nucleic acid memory chain containing a plurality of homopolymer tracts and a step of converting a nucleic acid memory chain sequence into digitized data, each of the plurality of homopolymer tracts. , Which may include a step indicating a nucleotide corresponding to a unit of data, and a step of converting a digitized piece of data into a readable format. The steps of this method may include displaying a readable format. Multiple homopolymeric tracts may include repeats between about 2 nucleotides and about 10 nucleotides. Nucleic acid memory chains can be at least about 200 nucleotides in length and about 5,000 nucleotides in length.

種々の実施形態では、配列決定するステップは、ナノポア配列決定、合成による配列決定、または質量分析を含み得る。配列決定するステップ、転換するステップおよび変換するステップは、核酸メモリ鎖に対して1または複数回反復され得る。 In various embodiments, the sequencing steps can include nanopore sequencing, synthetic sequencing, or mass spectrometry. The sequencing, converting and converting steps can be repeated one or more times with respect to the nucleic acid memory strand.

本発明の他の態様は、以下の図面および詳細な説明を考慮して、当業者に明らかである。 Other aspects of the invention will be apparent to those skilled in the art in light of the following drawings and detailed description.

図1は、ホモポリマートラクトを形成するために使用される酵素的合成サイクルを示す。FIG. 1 shows the enzymatic synthetic cycle used to form homopolymeric tracts.

図2は、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖を合成する方法を示す。FIG. 2 shows a method for synthesizing a nucleic acid memory chain having a homopolymer tract.

図3は、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖からデータを読み取る方法を示す。FIG. 3 shows a method of reading data from a nucleic acid memory strand having a homopolymer tract.

図4は、鎖/GBとホモポリマー長および鎖長との関連性を示す。FIG. 4 shows the relationship between chain / GB and homopolymer length and chain length.

図5は、メモリ鎖中の識別可能なヌクレオチドアナログの数の関数としての、500個のポリマートラクトから構成されるDNA鎖中にエンコードされ得るデータを示す。FIG. 5 shows data that can be encoded in a DNA strand composed of 500 polymer tracts as a function of the number of identifiable nucleotide analogs in the memory strand.

図6は、本発明のナノポアトラップされた核酸メモリ鎖を示す。FIG. 6 shows the nanopore trapped nucleic acid memory strand of the present invention.

図7は、処理条件に応答して、ホモポリマートラクトの鎖内にエンコードされたデータを変化させるためのスキームを示す。FIG. 7 shows a scheme for changing the encoded data within a chain of homopolymer tracts in response to processing conditions.

図8は、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖を合成するためのシステムを示す。FIG. 8 shows a system for synthesizing nucleic acid memory chains with homopolymeric tracts.

図9は、ナノウェルのアレイ上でのホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖の並行合成のためのシステムを示す。FIG. 9 shows a system for parallel synthesis of nucleic acid memory chains with homopolymeric tracts on an array of nanowells.

図10は、システム内に出現し得るコンポーネントのより詳細な概略図を与える。FIG. 10 gives a more detailed schematic of the components that may appear in the system.

図11は、2つの異なる塩基組成のホモポリマートラクトの酵素的に媒介された合成の分析を示す。FIG. 11 shows an analysis of enzyme-mediated synthesis of homopolymeric tracts with two different base compositions.

図12は、文字テキストを12ビットの核酸配列に変換するためのプロセスを示す。FIG. 12 shows the process for converting character text into a 12-bit nucleic acid sequence.

図13は、12サイクルの酵素的合成のポリアクリルアミドゲル電気泳動(PAGE)分析を示す。FIG. 13 shows a 12-cycle enzymatically synthesized polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) analysis.

図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions experimentally found for each of the 12-bit homopolymer additions.

図15は、ホモポリマーエンコードされた情報ポリマーの鋳型非依存的DNAポリメラーゼ媒介性合成のためのサイクルステップを例示する。FIG. 15 illustrates a cycle step for template-independent DNA polymerase-mediated synthesis of homopolymer-encoded information polymers.

図16は、液体反応液滴を隔離する疎水性パターン形成を示す、反応ゾーンの2Dアレイ中の典型的な反応ゾーンの側面図を示す。FIG. 16 shows a side view of a typical reaction zone in a 2D array of reaction zones showing hydrophobic pattern formation that isolates the liquid reaction droplets.

図17は、制御されたヒーター要素または電気化学的要素を備える反応ゾーンの側面図を示す。FIG. 17 shows a side view of a reaction zone with a controlled heater element or an electrochemical element.

図18は、光透過性の上部カバーを示す反応ゾーンを示す。FIG. 18 shows a reaction zone showing a light transmissive top cover.

図19は、酵素的DNA合成のアドレス可能な光活性化に有用な例示的な装置を示す。FIG. 19 shows an exemplary device useful for addressable photoactivation of enzymatic DNA synthesis.

図20は、3’-O-(2-ニトロ)-ベンジルdATPのUV光デケージング(UV light decaging)の動態を示す。FIG. 20 shows the kinetics of UV light decaging of 3'-O- (2-nitro) -benzyl dATP.

図21は、光学的に制御されたオリゴヌクレオチド伸長を示す。3’-オルトニトロベンジルdATPを含有する酵素反応混合物を、曝露時間がデケージングの量を制御するように、種々の区間にわたって、低出力光源で照射した。形成された使用可能な天然のdATPの量は、次に、ポリヌクレオチドトラクトの平均長さを制御した。FIG. 21 shows optically controlled oligonucleotide elongation. The enzyme reaction mixture containing 3'-orthonitrobenzyl dATP was irradiated with a low power light source over various sections so that the exposure time controlled the amount of decaying. The amount of available natural dATP formed then controlled the average length of the polynucleotide tract.

図22は、二色光媒介性デケージングを可能にする3’-O-ケージング修飾の構造を示す。FIG. 22 shows the structure of a 3'-O-caging modification that allows bicolor light-mediated decaying.

図23は、3’-O-(2-ニトロ)-ベンジルdATPおよびdCTP、dGTP、dTTPを使用した12サイクルのホモポリマー合成の各々のゲル電気泳動分析を示す。FIG. 23 shows the gel electrophoresis analysis of each of the 12 cycles of homopolymer synthesis using 3'-O- (2-nitro) -benzyl dATP and dCTP, dGTP, dTTP.

図24は、取り込み調節dNTPアナログを未修飾のdNTPと比較する酵素的合成反応の電気泳動分析を示す。FIG. 24 shows an electrophoretic analysis of enzymatic synthetic reactions comparing uptake-regulated dNTP analogs with unmodified dNTPs.

図25は、2回の連続的サイクルの取り込み速度調節dNTPアナログの電気泳動分析を示す。修飾されたアナログを使用してN+1ホモポリマーを形成し、次いでその後に、N+2ホモポリマーの付加が続いた。ホモポリマー合成速度調節修飾を、ゲル分析前に、オリゴヌクレオチドから除去した。FIG. 25 shows electrophoretic analysis of uptake rate regulated dNTP analogs in two consecutive cycles. The modified analog was used to form the N + 1 homopolymer, followed by the addition of the N + 2 homopolymer. Homopolymer synthesis rate-regulating modifications were removed from the oligonucleotide prior to gel analysis.

図26は、ホモポリマー速度調節アナログ取り込みと、その後の第2のサイクルのホモポリマー速度調節アナログ取り込みとを示すTdT伸長反応の電気泳動図を示す。修飾ヌクレオチドの後に、連続した修飾ヌクレオチドが続く。FIG. 26 shows an electrophoretogram of the TdT elongation reaction showing homopolymer rate regulated analog uptake followed by a second cycle of homopolymer rate regulated analog uptake. Modified nucleotides are followed by successive modified nucleotides.

図27は、情報ポリマー組成に使用した修飾されたdNTPアナログを示す。FIG. 27 shows the modified dNTP analog used in the information polymer composition.

図28は、修飾ヌクレオチドから構成される情報ポリマーの電気泳動分析を示す。FIG. 28 shows an electrophoretic analysis of an information polymer composed of modified nucleotides.

図29は、ナノポアを介したトランスロケーションによる、修飾ヌクレオチドから構成される情報ポリマー(P71)の検出を示す。FIG. 29 shows the detection of an information polymer (P71) composed of modified nucleotides by translocation via nanopores.

図30は、ナノポアを介したトランスロケーションによる、修飾ヌクレオチドから構成される情報ポリマー(86B)の検出を示す。FIG. 30 shows the detection of an information polymer (86B) composed of modified nucleotides by translocation via nanopores.

詳細な説明
本発明は、デジタルデータの単位に対応するホモポリマートラクトを有する核酸にデータを書き込むためおよびかかる核酸からデータを読み取るためのシステムおよび方法を提示する。データエンコーディング配列中の各ヌクレオチドを反復させる(例えば、3~10回)ことによって、配列決定読み取りにおいて、ホモポリマートラクト間の遷移が観察される必要があるだけであり、それが、核酸データ記憶におけるより安価な遂行を生じ得るより低い忠実度でよりハイスループットの配列決定技法を可能にする。核酸ホモポリマートラクトメモリ鎖を合成することの利点は、以下である:1)読み出しのためのハイスループットの長い読み取りのDNA配列決定技術の使用を可能にする、非常に長い(5~10kb)鎖を作製する能力、2)配列決定読み出し技術におけるエラーを許容する能力、および3)従来の化学的合成方法のものよりもはるかに少ないコストで核酸メモリ鎖を作製する能力。ホモポリマー核酸メモリ鎖の使用は、鋳型非依存的TdT酵素またはポリメラーゼシータを使用して効率的に産生され得る長い(例えば、5~10kb)鎖において最良に実現され、ここで、ホモポリマートラクト長は、曝露時間、およびdNTPのポリヌクレオチドメモリ鎖に対する比を変更することによって制御され得る。
Detailed Description The present invention presents a system and method for writing data to and reading data from nucleic acids having homopolymeric tracts corresponding to units of digital data. By repeating each nucleotide in the data encoding sequence (eg, 3-10 times), it is only necessary to observe the transition between homopolymeric tracts in the sequencing read, which is in nucleic acid data storage. It enables higher throughput sequencing techniques with lower fidelity that can result in cheaper performance. The advantages of synthesizing nucleic acid homopolymer tract memory strands are: 1) Very long (5-10 kb) strands that allow the use of high throughput long read DNA sequencing techniques for reads. 2) The ability to tolerate errors in sequencing and retrieval techniques, and 3) the ability to fabricate nucleic acid memory chains at a much lower cost than those of conventional chemical synthesis methods. The use of homopolymer nucleic acid memory chains is best realized in long (eg, 5-10 kb) chains that can be efficiently produced using template-independent TdT enzymes or polymerase theta, where homopolymer tract lengths are achieved. Can be controlled by varying the exposure time and the ratio of dNTPs to the polynucleotide memory strand.

酵素的に媒介されるアプローチによる、データをエンコードするためのホモポリマーの合成は、ターミネーターではない天然または修飾ヌクレオチド三リン酸を使用することによって容易に達成され、DNA合成の最も単純で最も迅速な方法が可能となる。1つの天然または修飾ヌクレオチド三リン酸を、ヌクレオチジルトランスフェラーゼを有する反応ゾーンに送達し、反応が起こり、次いで、緩衝液で洗浄することによって除去して、図1に例示されるデータ記憶の1回の「書き込み」サイクルを完了する。データ鎖合成は、毒性化学物質も有害化学物質も伴わずに、完全に水性の環境中で生じ、したがって、大規模データ記憶センターに適切な実用的なデバイスを可能にする。 The synthesis of homopolymers for encoding data by an enzymatically mediated approach is easily achieved by using non-terminator natural or modified nucleotide triphosphates, the simplest and fastest of DNA synthesis. The method becomes possible. One natural or modified nucleotide triphosphate is delivered to the reaction zone with the nucleotidyltransferase, the reaction occurs and then removed by washing with buffer, one of the data storage illustrated in FIG. Complete the "write" cycle of. Data chain synthesis occurs in a completely aqueous environment, with no toxic or toxic chemicals, thus enabling a practical device suitable for large data storage centers.

図2は、ある特定の実施形態に従う、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖を合成する方法101を示す。方法101は、データセットを表すin-silicoオリゴヌクレオチド配列を創出するステップ103を含む。データセットは、テキスト、画像、ビデオ、音声、またはデジタル化され得る情報の任意の他のピースを示し得る、デジタル化されたデータを含み得る。オリゴヌクレオチド配列は、任意の数の天然もしくは修飾ヌクレオチドまたはそれらのアナログを含み得、メモリ鎖において使用される独自のヌクレオチドまたはアナログの数に依存して、基数2、基数3、基数4またはそれよりも大きい基数のスキームを使用して、データセットをエンコードし得る。単純な実施形態では、エンコーディングスキームは、一連の0および1によって従来通りに示される二進法データスキームに対応し得、ここで、1つまたは複数のヌクレオチドまたはアナログは、0に対応し得、1つまたは複数の他のヌクレオチドは、1に対応し得る。次いで、in silicoオリゴヌクレオチド配列中のヌクレオチドに各々が順序正しく対応する一連のホモポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖(例えば、RNA、一本鎖または二本鎖DNA)が、合成105され得る。ある特定の実施形態では、さらなるステップは、メモリ鎖の一方の末端を修飾するステップ107、ナノポアを介してメモリ鎖を通り抜けさせるステップ109、およびナノポアを介して末端が通過しないようにするために、鎖の他方の末端を修飾するステップ111を含む。 FIG. 2 shows a method 101 for synthesizing a nucleic acid memory chain having a homopolymeric tract according to a particular embodiment. Method 101 includes step 103 to create an in-silico oligonucleotide sequence that represents a dataset. The dataset may include digitized data that may represent text, images, video, audio, or any other piece of information that may be digitized. The oligonucleotide sequence can contain any number of natural or modified nucleotides or analogs thereof, depending on the number of unique nucleotides or analogs used in the memory chain, 2, radix 3, radix 4 or more. Data sets can also be encoded using large radix schemes. In a simple embodiment, the encoding scheme may correspond to a binary data scheme traditionally represented by a series of 0's and 1's, where one or more nucleotides or analogs may correspond to 0's and 1 Alternatively, the plurality of other nucleotides may correspond to 1. Nucleic acid memory strands (eg, RNA, single-stranded or double-stranded DNA), each containing a series of homopolymeric tracts corresponding in order to the nucleotides in the in silico oligonucleotide sequence, can then be synthesized 105. In certain embodiments, additional steps include modifying one end of the memory chain 107, passing the memory chain through the nanopores 109, and preventing the ends from passing through the nanopores. Includes step 111 to modify the other end of the chain.

図3は、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖からデータを読み取る方法203を示す。方法203のステップは、核酸メモリ鎖中の一連のホモポリマートラクトを配列決定するステップ203、配列をデータセットに変換するステップ205、データセットを可読フォーマット(例えば、画像、ビデオ、音声クリップ、またはテキストのピース)に変換するステップ、およびその可読フォーマットのデータを必要に応じて(例えば、モニター上に、またはプリンターもしくは他の入力/出力デバイスを使用して)表示するステップ209を含む。 FIG. 3 shows method 203 for reading data from a nucleic acid memory strand having a homopolymer tract. The steps of method 203 are step 203 for sequencing a series of homopolymeric tracts in a nucleic acid memory chain, step 205 for converting the sequence into a dataset, and the dataset in a readable format (eg, image, video, audio clip, or text). Includes a step of converting to (a piece of) and a step 209 of displaying the data in its readable format as needed (eg, on a monitor or using a printer or other input / output device).

好ましくは、本発明のシステムおよび方法は、一本鎖または二本鎖のいずれかであり、かつ天然に存在し得る、または化学的もしくは酵素的合成によって生成され得るDNAの長い鎖(5~10kb)を使用する。ある特定の実施形態では、核酸メモリ鎖は、2~10、3~10、4~10ヌクレオチドまたはそれよりも長い場合がある一連のホモポリマートラクトを創出するために、TdTを使用して酵素的に生成され得る。ホモポリマートラクトは各々、アデニン(A)、グアニン(G)、シトシン(C)またはチミン(T)からなり得る。交互になったホモポリマートラクトの配列が、メモリ鎖中に記憶されるデータをエンコードするために使用され得る。 Preferably, the systems and methods of the invention are long strands (5-10 kb) of DNA that are either single-stranded or double-stranded and can be naturally occurring or produced by chemical or enzymatic synthesis. ) Is used. In certain embodiments, the nucleic acid memory strand is enzymatically using TdT to create a series of homopolymeric tracts that may be 2-10, 3-10, 4-10 nucleotides or longer. Can be generated in. The homopolymer tract can consist of adenine (A), guanine (G), cytosine (C) or thymine (T), respectively. Alternating sequences of homopolymeric tracts can be used to encode the data stored in the memory chain.

各ヌクレオチドホモポリマートラクトは、使用される塩基の数に依存して、種々の量のデータを示すことができる。1バイト(10進数で256)を構成するために要求されるビットの数は、以下の関係によって規定される:#ビット/バイト=8/(log2(n))、式中、n=使用される基数。各トラクトは、2塩基エンコーディングが使用される場合には1ビットに対応し得、または4塩基エンコーディングが使用される場合には1バイトの1/4に対応し得る。ある特定の実施形態では、DNAデータ鎖は、(基数2のデータセット表示を使用して)2~10ヌクレオチドのホモポリマートラクトから構成され得、これは、999塩基長と1000塩基長との間のメモリ鎖中に333ビット~100ビットが示されるのを可能にする。好ましい実施形態では、データの核酸塩基エンコーディングは、1つのヌクレオチドの単一のホモポリマートラクトが、異なるヌクレオチドのホモポリマートラクトに常に隣接するようなエンコーディングであり得る。例えば、エンコーディングは、アデニンのホモポリマートラクトに、別のアデニンホモポリマートラクトが直前に先行することも直後に続くこともないようなエンコーディングであり得る。2つの隣接するホモポリマートラクトが同じヌクレオチドを含む場合、エンコードされたデータ配列中の単一のヌクレオチドを示す平均ホモポリマートラクトよりも測定可能に長いホモポリマートラクトが合成され得る。これらのより長いトラクトは、例えば、反応中のdNTPの濃度を増加させること、または反応時間を増加させることによる、以下に記載される合成反応の操作を介して創出され得る。2つの隣接する同一のホモポリマートラクトの正確な長さは、読み出しデバイス(すなわち、ナノポアシーケンサー)を使用して単一のホモポリマートラクトから一義的に識別されるのに十分に長いことだけが必要である。ある特定の実施形態では、非ヌクレオチドホモポリマースペーサーが、隣接する同じヌクレオチドホモポリマートラクトを互いから明確に識別するために、A、G、CまたはTホモポリマートラクト間に追加され得る。A、G、CおよびTホモポリマートラクトの使用は、2つのヌクレオチドを単純に使用する(二進法コード中の0および1と同様)のではなく、1つの連続する鎖中に記憶され得るデータの密度を増加させる、4ビットのエンコーディング空間の創出を可能にする。例えば、4つの連続するホモポリマートラクトは、A、G、CおよびTが基数4のスキームにおいて使用される場合、256の数(すなわち、1バイト)をエンコードし得る。かかる実施形態では、3ヌクレオチド長のホモポリマートラクトまたは10ヌクレオチド長のホモポリマートラクトをそれぞれ使用した場合、996または1000ヌクレオチド長の核酸メモリ鎖中に83バイトまたは25バイトが示される。 Each nucleotide homopolymer tract can show varying amounts of data, depending on the number of bases used. The number of bits required to make up one byte (256 in decimal) is defined by the following relationship: # bits / byte = 8 / (log2 (n)), in the equation, n = used. Radix. Each tract may correspond to 1 bit when a 2-base encoding is used, or 1/4 of a byte when a 4-base encoding is used. In certain embodiments, the DNA data strand may consist of a homopolymeric tract of 2-10 nucleotides (using a two-group dataset display), which is between 999 and 1000 bases in length. Allows 333 to 100 bits to be shown in the memory chain of. In a preferred embodiment, the nucleobase encoding of the data can be such that a single homopolymer tract of one nucleotide is always adjacent to a homopolymer tract of different nucleotides. For example, the encoding can be such that the homopolymer tract of adenine is not immediately preceded or immediately followed by another adenine homopolymer tract. If two adjacent homopolymeric tracts contain the same nucleotides, a homopolymeric tract that is measurable longer than the average homopolymeric tract showing a single nucleotide in the encoded data sequence can be synthesized. These longer tracts can be created through the manipulation of synthetic reactions described below, for example by increasing the concentration of dNTPs during the reaction or increasing the reaction time. The exact length of two adjacent identical homopolymer tracts only needs to be long enough to be uniquely identified from a single homopolymer tract using a readout device (ie, a nanopore sequencer). Is. In certain embodiments, non-nucleotide homopolymer spacers may be added between A, G, C or T homopolymer tracts to clearly distinguish the same adjacent nucleotide homopolymer tracts from each other. The use of A, G, C and T homopolymeric tracts does not simply use two nucleotides (similar to 0 and 1 in the binary code), but the density of data that can be stored in one contiguous chain. Allows the creation of a 4-bit encoding space. For example, four contiguous homopolymeric tracts can encode 256 numbers (ie, 1 byte) when A, G, C and T are used in a radix 4 scheme. In such an embodiment, when a 3-nucleotide long homopolymer tract or a 10-nucleotide long homopolymer tract is used, respectively, 83 or 25 bytes are shown in a 996 or 1000 nucleotide long nucleic acid memory chain.

種々の実施形態では、基数8またはさらには基数12のコーディングスキームが、独自に修飾されたヌクレオチドまたは非ヌクレオチドアナログのホモポリマートラクトのメモリ鎖中への取り込みを介して用いられ得る。これらの修飾ヌクレオチドまたは非ヌクレオチドアナログは、ナノポアシーケンサーまたは単一分子ZMWシーケンサーなどの読み出しデバイスで、独自のデジタルシグナルを生成するはずである。以下で議論されるTdTは、ナノポアなどの読み出しデバイスによって提供されるシグナルを増強し得、したがって、それらの中にデータがエンコードされた核酸メモリ鎖を生成するために使用され得る、広範な修飾されたdNTPアナログを取り込むことができる。修飾ヌクレオチド(例えば、A、G、CおよびTまたはA**、G**、C**およびT**)のホモポリマーは、8ビットまたはさらには12ビットのエンコーディングスキームを生成するために、TdTおよび4つの塩基の各々の修飾されたdNTPアナログ(例えば、dATPまたはdA**TP)を使用して合成され得る。より高い基数(n)のエンコーディングは、データ圧縮を可能にし、所与の量の情報をエンコードするために要求されるDNA鎖の数における低減を生じる。図4に例示されるような、ホモポリマートラクトの長さの関数としての1GBのデータ当たりのDNA鎖の数、基数(n)、および合成された鎖長を決定する関係は、以下によって規定される:#鎖/GB=(8/(log2(n))109*ホモポリマー長1/鎖長。 In various embodiments, a radix 8 or even radix 12 coding scheme can be used via the incorporation of uniquely modified nucleotide or non-nucleotide analog homopolymeric tracts into the memory chain. These modified nucleotide or non-nucleotide analogs should generate their own digital signals on readout devices such as nanopore sequencers or single molecule ZMW sequencers. The TdTs discussed below can enhance the signals provided by read devices such as nanopores and are therefore extensively modified and can be used to generate nucleic acid memory chains in which data are encoded. The dNTP analog can be imported. Homopolymers of modified nucleotides (eg, A * , G * , C * and T * or A ** , G ** , C ** and T ** ) produce 8-bit or even 12-bit encoding schemes. Can be synthesized using TdT and a modified dNTP analog of each of the four bases (eg, dA * TP or dA ** TP). A higher radix (n) encoding allows for data compression, resulting in a reduction in the number of DNA strands required to encode a given amount of information. The relationships that determine the number of DNA strands per GB of data, the number of groups (n), and the synthesized strand length as a function of the length of the homopolymer tract, as illustrated in FIG. 4, are defined by: : # Chain / GB = (8 / (log2 (n)) * 109 * Homopolymer length * 1 / Chain length.

独自のホモポリマートラクトの数は、読み出し技術(すなわち、ナノポアまたはZMW単一分子配列決定)が1つのホモポリマートラクトを別のホモポリマートラクトから決定する能力によってのみ制限され得る。ナノポアを介したトランスロケーションの間のイオン電流における変化を検出することによる、未修飾のヌクレオチドから構成されるホモポリマーの検出のいくつかの報告が、文献中に存在する(Venta et al, 2013;Feng et al, 2015)。ナノポア中でのDNAの滞留時間を変更する修飾は、識別可能で特徴的なイオン電流シグナルを生成する。Singer et al 2010およびMorin et al 2016は、ナノポアによる検出を増強するために5kDaまたは10kDaのPEGで官能化された、非共有結合したビスPNAまたはγPNAを使用する。Liu et al 2015は、滞留時間を修飾し、独自のシグナルを生成するために、アダマンチル(adamantly)8-オキソGアナログを選択的に創出した。dATPのN6、dCTPのN4、dGTPのN2またはO6、およびdTTPのO4またはN3において嵩高い修飾を取り込むことに対するTdTの寛容性を考慮すると、これらの位置におけるアシルまたはアルキル(alky)修飾は、ナノポアまたはZMW単一分子配列決定技術の検出モダリティを増強するようにスクリーニングおよび選択され得る。検出は、ナノポアにおける差次的電流遮断を増強する、またはZMW単一分子アプローチにおいてDNAポリメラーゼの活性部位中での修飾ヌクレオチドの滞留時間を増強する修飾ヌクレオチドを介して、改善され得る。他の天然および非天然のプリンおよびピリミジンヌクレオチドアナログは、それらが、ナノポアシーケンサーまたは単一分子ZMWシーケンサーなどの読み出しデバイスで独自のデジタルシグナルを生成する場合に、使用され得る。ピリミジンおよびプリンのそれぞれC5またはC7における修飾は、それらが、ナノポアシーケンサーまたは単一分子ZMWシーケンサーなどの読み出しデバイスで独自のデジタルシグナルを生成する場合に、使用され得る。適切な修飾ヌクレオチド三リン酸は、酵素的伸長ステップの間に迅速に取り込まれるように選択され、検出ステップの間の可能な限り短いホモポリマーと共に、置換特異的滞留時間を提供する。ビットエンコーディング空間を拡張させるために適切なA、G、CおよびT塩基への修飾の例には、これらに限定されないが、N6-ベンゾイルdA、N6-ベンジルdA、N6-アルキルdA、N6-アシルdA、N6-置換アルキルdA、N6-置換アシルdA、N6-アリールアシルdA、N6-置換アリールアシルdA、N2-アルキル-dG、N2-アシルdG、N2-アリールアシルdG、N2-置換アルキルdG、N2-置換アシルdG、N2-置換アリールアシルdG、O6アルキルdG、O4アルキルdT、N3アルキルdT、N3アシルdT、O6置換アルキルdG、O4置換アルキルdT、C5-プロパルギルアミンdT、C5-プロパルギルアミンdC、C7-プロパルギルアミンdA、C7-プロパルギルアミンdG、置換C5-プロパルギルアミンdT、置換C5-プロパルギルアミンdC、置換C7-プロパルギルアミンdA、置換C7-プロパルギルアミンdGが含まれ得る。置換の好ましい実施形態には、これに限定されないが、反応性種のpH、温度および濃度の最も極端な化学的条件下を除き、除去に対して完全に安定な共有結合が含まれる。独自の電流遮断に影響を与えることができる置換には、これらに限定されないが、アルキル、ヘテロ原子置換アルキル、芳香族炭化水素、アルキル置換芳香族炭化水素、ヘテロ原子置換アルキル置換芳香族炭化水素、ヘテロ原子置換芳香族炭化水素、ベンジル、置換ベンジル、またはそれらの組合せが含まれ得る。一部の実施形態では、置換は、2~450のモノマー単位から構成されるポリエチレングリコールであり得る。一部の実施形態では、ペプチドまたはペプトイドから構成される置換は、特異的かつ判別可能な様式でホモポリマーの滞留時間を増加させるのに適切であり得る。TdTなどの鋳型非依存的ポリメラーゼによる修飾ヌクレオチドの取り込みの効率は、Co++、Zn++、Mg++、Mn++、または2つもしくはそれよりも多くの異なる金属イオンの混合物などであるがこれらに限定されない、異なる金属イオン補因子の使用によって調節され得る。各修飾ヌクレオチドは、酵素的ホモポリマー合成の間の最適な性能のために、異なる金属イオンを要求し得る。 The number of unique homopolymeric tracts can only be limited by the ability of the readout technique (ie, nanopore or ZMW single molecule sequencing) to determine one homopolymer tract from another homopolymer tract. There are several reports in the literature of the detection of homopolymers composed of unmodified nucleotides by detecting changes in ionic currents between nanopore-mediated translocations (Venta et al, 2013; Feng et al, 2015). Modifications that alter the residence time of DNA in nanopores produce identifiable and characteristic ionic current signals. Singer et al 2010 and Morin et al 2016 use non-covalent bis PNA or γPNA functionalized with 5 kDa or 10 kDa PEG to enhance detection by nanopores. Liu et al 2015 selectively created adamantly 8-oxoG analogs to modify residence time and generate unique signals. Given TdT's tolerance for incorporating bulky modifications in n6 of dATP, N4 of dCTP, N2 or O6 of dGTP, and O4 or N3 of dTTP, acyl or alkyl (alky) modifications at these positions are nanopores. Alternatively, it can be screened and selected to enhance the detection modality of ZMW single molecule sequencing techniques. Detection can be improved via modified nucleotides that enhance differential current blocking in the nanopores or enhance the residence time of modified nucleotides in the active site of DNA polymerase in the ZMW single molecule approach. Other natural and non-natural purine and pyrimidine nucleotide analogs can be used when they generate their own digital signals on a readout device such as a nanopore sequencer or a single molecule ZMW sequencer. Modifications of pyrimidines and purines at C5 or C7, respectively, can be used when they generate their own digital signals on a readout device such as a nanopore sequencer or a single molecule ZMW sequencer. Appropriate modified nucleotide triphosphates are selected to be rapidly incorporated during the enzymatic extension step, providing a substitution-specific residence time with the shortest possible homopolymer during the detection step. Examples of modifications to A, G, C and T bases suitable for expanding the bit encoding space include, but are not limited to, N6-benzoyl dA, N6-benzyl dA, N6-alkyl dA, N6-acyl. dA, N6-substituted alkyl dA, N6-substituted acyl dA, N6-aryl acyl dA, N6-substituted aryl acyl dA, N2-alkyl-dG, N2-acyl dG, N2-aryl acyl dG, N2-substituted alkyl dG, N2-substituted acyl dG, N2-substituted aryl acyl dG, O6 alkyl dG, O4 alkyl dT, N3 alkyl dT, N3 acyl dT, O6 substituted alkyl dG, O4 substituted alkyl dT, C5-propargylamine dT, C5-propargylamine dC , C7-propargylamine dA, C7-propargylamine dG, substituted C5-propargylamine dT, substituted C5-propargylamine dC, substituted C7-propargylamine dA, substituted C7-propargylamine dG. Preferred embodiments of substitution include, but are not limited to, covalent bonds that are perfectly stable to removal, except under the most extreme chemical conditions of pH, temperature and concentration of reactive species. Substitutions that can affect their own current interruptions are, but are not limited to, alkyl, heteroatom-substituted alkyls, aromatic hydrocarbons, alkyl-substituted aromatic hydrocarbons, heteroatom-substituted alkyl-substituted aromatic hydrocarbons, Heteroatom-substituted aromatic hydrocarbons, benzyls, substituted benzyls, or combinations thereof may be included. In some embodiments, the substitution can be polyethylene glycol composed of 2 to 450 monomeric units. In some embodiments, substitutions composed of peptides or peptoids may be appropriate to increase the residence time of the homopolymer in a specific and discernible manner. The efficiency of uptake of modified nucleotides by a template-independent polymerase such as TdT is such as, but not limited to, Co ++, Zn ++, Mg ++, Mn ++, or a mixture of two or more different metal ions. It can be regulated by the use of ionic cofactors. Each modified nucleotide may require different metal ions for optimal performance during enzymatic homopolymer synthesis.

DNAデータ鎖の長期安定性は重要であるので、非プリンベースのホモポリマーを使用することには、はっきりした利点があるが、それは、これらが、低いpHで脱プリンに供されるからである。一部の実施形態では、ホモポリマービットは、2、3、4またはそれよりも多くの異なる化学基で修飾された単一のヌクレオチド型(すなわち、チミン)のみから構成され得、独自の電流遮断を各々が生じるホモポリマートラクトを生じる。したがって、4つの独自の修飾剤で標識された1つのヌクレオチドが、A、G、C、Tの存在を置換し得る。2、3、4またはそれよりも多くの異なる化学基を有する、他の3つのヌクレオチドのうち1つだけを使用する他の実施形態が、可能である。 Since the long-term stability of DNA data strands is important, the use of non-purine-based homopolymers has clear advantages because they are subjected to depurination at low pH. .. In some embodiments, the homopolymer bit may consist of only a single nucleotide type (ie, thymine) modified with 2, 3, 4 or more different chemical groups and is unique in current interruption. Each yields a homopolymer tract. Therefore, one nucleotide labeled with four unique modifiers can replace the presence of A, G, C, T. Other embodiments are possible that use only one of the other three nucleotides, having 2, 3, 4 or more different chemical groups.

修飾ヌクレオチドアナログが、ナノポアを介した単一ヌクレオチドの通過のための独自の滞留時間を生じさせるのに十分な場合、別の実施形態は、ホモポリマービットの代わりに、単一のヌクレオチドビットを使用する。単一の修飾ヌクレオチドビットは、DNA鎖1つ当たり最大の密度の情報を可能にするという点で有利であり、したがって、DNAベースのデータ記憶のコストを低減させる。 If the modified nucleotide analog is sufficient to generate a unique residence time for the passage of a single nucleotide through the nanopore, another embodiment uses a single nucleotide bit instead of the homopolymer bit. do. A single modified nucleotide bit is advantageous in that it allows for maximum density information per DNA strand, thus reducing the cost of DNA-based data storage.

読み出しに使用される配列決定技術が、1つのホモポリマートラクトの開始および停止を、別のホモポリマートラクトから明確に識別することができる限り、ホモポリマートラクトの正確な長さは、重要ではない。使用される独自のヌクレオチドまたは塩基(修飾ヌクレオチドまたは非ヌクレオチドアナログを含む)の数を増加させ、したがって、設定された量のデータを捕捉するために必要な長さを低減させることには、はっきりした合成および記憶密度の利点が存在するが、DNAデータ記憶合成当たりの最も低いコストは、酵素的合成の間に4つの天然のヌクレオチドdNTPモノマーを使用することによって達成され得、それは、これらの試薬が、分子生物学および配列決定の分野で広く使用されており、最も低い製造コストで非常に大きいバッチで産生されているからである。独自のホモポリマートラクトの数を増加させるためのdNTPアナログの産生のコストは、DNAデータ記憶の使用が増加し、アナログの製造規模も増加されるにつれて、低減され得る。 The exact length of the homopolymer tract is not important as long as the sequencing technique used for the readout can clearly distinguish the start and stop of one homopolymer tract from another homopolymer tract. It was clear to increase the number of unique nucleotides or bases used (including modified nucleotides or non-nucleotide analogs) and thus reduce the length required to capture a set amount of data. Although there are synthetic and memory density advantages, the lowest cost per DNA data memory synthesis can be achieved by using four naturally occurring nucleotide dNTP monomers during enzymatic synthesis, which are these reagents. Widely used in the fields of molecular biology and sequencing, they are produced in very large batches at the lowest manufacturing costs. The cost of producing dNTP analogs to increase the number of proprietary homopolymeric tracts can be reduced as the use of DNA data storage increases and the scale of analog production increases.

ホモポリマートラクトセグメントを合成する任意の方法が、本発明のシステムおよび方法と共に使用され得るが、好ましい実施形態は、鋳型非依存的酵素TdTを使用する。TdTは、それがポアソン分布でホモポリマーを迅速かつ安価に生成する限り、ある特定の利益を提供し、ここで、ホモポリマーの平均サイズは、[dNTP]の、新生オリゴヌクレオチドメモリ鎖に対する比によって厳密に制御され得る。一部の実施形態では、Mn2+の存在下でのポリメラーゼシータが、ホモポリマートラクト核酸メモリ鎖を合成するための鋳型非依存的ポリメラーゼとして使用され得る。別の実施形態では、ホモポリマートラクトセグメントの長さは、過剰量のdNTPを反応ゾーンに送達し、次いで、注意深く制御された時間間隔の後に反応物を除去することによって、制御され得る。 Any method of synthesizing homopolymeric tract segments can be used with the systems and methods of the invention, but a preferred embodiment uses the template-independent enzyme TdT. TdT provides certain benefits as long as it produces homopolymers in a Poisson distribution quickly and inexpensively, where the average size of homopolymers depends on the ratio of [dNTP] to the nascent oligonucleotide memory strand. Can be tightly controlled. In some embodiments, the polymerase theta in the presence of Mn 2+ can be used as a template-independent polymerase for synthesizing homopolymeric tract nucleic acid memory chains. In another embodiment, the length of the homopolymer tract segment can be controlled by delivering an excess amount of dNTPs to the reaction zone and then removing the reactants after a carefully controlled time interval.

TdTは、dNTP濃度の、修飾されることが所望される核酸鎖の3’末端の濃度に対する比を制御することによって、適正に規定された長さのホモポリマートラクトを合成する能力を実証している。アレイベースのフォーマット上でのインクジェット合成は、非常に低コストのホスホルアミダイト合成が可能であるが、作製される鎖は、100~200塩基長に制限され、配列をインデックス化するために長さの一部を犠牲にせざるを得ず、引き続く読み出しのために十分な材料を提供するために合成後増幅を要求する、フェムトモル濃度未満の規模で作製され、比較的低効率の短い読み取りの配列決定読み出し技術に主に適している。 TdT demonstrates the ability to synthesize homopolymeric tracts of properly defined length by controlling the ratio of dNTP concentration to the concentration at the 3'end of the nucleic acid chain desired to be modified. There is. Inkjet synthesis on array-based formats allows for very low cost phosphoramidite synthesis, but the strands produced are limited to 100-200 base lengths and length to index the sequence. Sequencing of short reads, made on a scale below femtomole concentration, requiring post-synthesis amplification to provide sufficient material for subsequent reads, at the expense of some of the Mainly suitable for readout technology.

本発明のプロセスに従って合成された一本鎖DNAの鎖は、合成の間または読み出しの間のいずれかの、ヘアピンまたはdsDNAの防止から利益を得うる。ヘアピン形成は、塩基対合に必要な水素結合を防止するために、A:TまたはG:C塩基対の一方のメンバーの環外アミンを修飾することによって防止され得る。一部の実施形態では、環外アミンは、アシル化またはアルキル化によって修飾され得る。塩基対合を防止する、A、GまたはCの環外アミンの任意の単純かつ安定な修飾が、ヘアピン形成を防止するために使用され得る。ある特定の実施形態では、デオキシアデノシンのN6およびデオキシグアノシンのN2が、塩基対合を防止するアセチル基でアセチル化され得る。一部の実施形態では、デオキシアデノシンのN6およびデオキシシチジンのN4が、塩基対合およびヘアピン形成を防止するために修飾され得る。一部の実施形態では、デオキシグアノシンのO6またはデオキシチミジンのO6が、塩基対合およびヘアピン形成を防止するために修飾され得る。一部の実施形態では、デオキシチミジンのO4またはデオキシチミジンのN3が、塩基対合およびヘアピン形成を防止するために修飾され得る。一部の実施形態では、より高次の塩基エンコーディングスキームを生成するためのA、G、CまたはTへの修飾もまた、塩基対合およびヘアピン形成を防止するという目的にかなう。一部の実施形態では、ホモポリマービットは、2、3、4またはそれよりも多くの異なる化学基で修飾された単一のヌクレオチド型(すなわち、チミン)のみから構成され得、独自の電流遮断を生じ、鎖内または鎖間二重鎖領域の形成を防止する。別の実施形態では、熱安定性バージョンのTdTまたは別の鋳型非依存的ヌクレオチジルトランスフェラーゼが、上昇した温度において鎖合成を実施するために使用され得、したがって、鎖内または鎖間二重鎖領域の形成を防止する。 Strands of single-stranded DNA synthesized according to the processes of the invention can benefit from the prevention of hairpins or dsDNA, either during synthesis or during readout. Hairpin formation can be prevented by modifying the extracyclic amines of one member of the A: T or G: C base pairs to prevent the hydrogen bonds required for base pairing. In some embodiments, the extracyclic amine can be modified by acylation or alkylation. Any simple and stable modification of the outer amines of A, G or C, which prevents base pairing, can be used to prevent hairpin formation. In certain embodiments, N6 of deoxyadenosine and N2 of deoxyguanosine can be acetylated with acetyl groups that prevent base pairing. In some embodiments, N6 of deoxyadenosine and N4 of deoxycytidine can be modified to prevent base pairing and hairpin formation. In some embodiments, O6 of deoxyguanosine or O6 of deoxythymidine can be modified to prevent base pairing and hairpin formation. In some embodiments, O4 of deoxythymidine or N3 of deoxythymidine can be modified to prevent base pairing and hairpin formation. In some embodiments, modifications to A, G, C or T to generate higher order base encoding schemes also serve the purpose of preventing base pairing and hairpin formation. In some embodiments, the homopolymer bit may consist of only a single nucleotide type (ie, thymine) modified with 2, 3, 4 or more different chemical groups and is unique in current interruption. And prevent the formation of intra-chain or inter-chain double chain regions. In another embodiment, a thermostable version of TdT or another template-independent nucleotidyltransferase can be used to carry out chain synthesis at elevated temperatures, thus intrachain or interchain double chain regions. Prevent the formation of.

ホモポリマートラクト長の制御は、2~10ヌクレオチド長の再現性のある範囲のホモポリマートラクト長を創出するために、dNTPアナログの取り込み速度の決定および較正の後に、上記任意のアナログについて最適化され得る。A、G、CおよびTならびにA**、G**、C**およびT**ホモポリマートラクトの使用は、8ビットまたは12ビットのエンコーディングの創出を可能にし、「0」および「1」をエンコードするために2つのヌクレオチドを単純に使用するよりも、1つの連続する鎖中に記憶され得るデータの密度を増加させる。3つの連続するホモポリマートラクトは、A、G、C、T、A、G、CおよびTが使用される場合、256の数(すなわち、1バイト)をエンコードし得る。かかる実施形態では、3ヌクレオチド長のホモポリマートラクトまたは10ヌクレオチド長のホモポリマートラクトをそれぞれ使用した場合、999または990ヌクレオチド長の核酸メモリ鎖中に111バイトまたは33バイトが存在する。2つの連続するホモポリマートラクトは、A、G、C、T、A、G、C、T、A**、G**、C**およびT**が使用される場合、256の数(すなわち、1バイト)をエンコードし得る。これらの実施形態では、3ヌクレオチド長のホモポリマートラクトまたは10ヌクレオチド長のホモポリマートラクトをそれぞれ使用した場合、996または1000ヌクレオチド長の核酸メモリ鎖中に166バイトまたは50バイトが存在する。 Control of homopolymer tract length is optimized for any of the above analogs after determining and calibrating the uptake rate of the dNTP analog to create a reproducible range of homopolymer tract lengths of 2-10 nucleotide lengths. obtain. The use of A * , G * , C * and T * and A ** , G ** , C ** and T ** homopolymeric tracts allows the creation of 8-bit or 12-bit encodings, "0". And increase the density of data that can be stored in one contiguous chain, rather than simply using two nucleotides to encode the "1". Three contiguous homopolymeric tracts can encode 256 numbers (ie, 1 byte) when A, G, C, T, A * , G * , C * and T * are used. In such an embodiment, there are 111 or 33 bytes in the 999 or 990 nucleotide length nucleic acid memory strand when a 3 nucleotide length homopolymer tract or a 10 nucleotide length homopolymer tract is used, respectively. Two consecutive homopolymeric tracts are used when A, G, C, T, A * , G * , C * , T * , A ** , G ** , C ** and T ** are used. 256 numbers (ie, 1 byte) can be encoded. In these embodiments, there are 166 or 50 bytes in the 996 or 1000 nucleotide length nucleic acid memory strand when a 3 nucleotide length homopolymer tract or a 10 nucleotide length homopolymer tract is used, respectively.

ある特定の実施形態では、データはまた、より高いレベルのデータ圧縮を達成するために、ランダム配列および規定された組成のメモリ鎖ヘテロポリマートラクト中にエンコードされ得る。ヘテロポリマーストレッチは、異なるdNTPの混合物を使用する酵素反応を用いて生成され得、ここで、dNTP化学量論が、ヘテロポリマートラクトの組成を制御するために使用される。ヘテロポリマートラクトの数および型は、dNTPアナログと、異なるトラクトの組成を識別する検出モダリティの能力との組合せによってのみ制限される。m個のdNTPアナログについて、ヘテロポリマー形成のための(m-m)/2個の二進法組合せが存在する。各二進法組合せについて2つの異なるレベルのトラクト組成(例えば、アナログAおよびBが、それぞれおよそ2:1の比で存在するトラクト、ならびにそれらが1:2の比で存在するトラクト)を識別することができる検出モダリティは、m個のアナログのセットから基数mの速度でデータがエンコードされるのを可能にし、メモリ鎖のコーディング能を効果的に倍化させる。図5は、ホモポリマーおよび2レベルのトラクト組成を有する二進法ヘテロポリマーベースのエンコーディングスキームのいずれかを使用した、利用可能なdNTPアナログの数の関数として、メモリ鎖中に記憶され得るデータを例示する。 In certain embodiments, the data can also be encoded in a memory chain heteropolymer tract with random sequences and defined compositions to achieve higher levels of data compression. Heteropolymer stretches can be produced using enzymatic reactions using a mixture of different dNTPs, where dNTP stoichiometry is used to control the composition of the heteropolymer tract. The number and type of heteropolymer tracts is limited only by the combination of the dNTP analog and the ability of the detection modality to identify the composition of different tracts. For m dNTP analogs, there are (m 2 -m) / 2 binary combinations for heteropolymer formation. Identifying two different levels of tract composition for each binary combination (eg, tracts in which analogs A and B are present in a ratio of approximately 2: 1 each, and tracts in which they are present in a ratio of 1: 2). The detection modality that can be made allows data to be encoded from a set of m analogs at a rate of radix m2 , effectively doubling the coding ability of the memory chain. FIG. 5 illustrates data that can be stored in a memory chain as a function of the number of dNTP analogs available, using either a homopolymer or a binary heteropolymer-based encoding scheme with a two-level tract composition. ..

本発明のデータエンコーディング鎖は、正確に規定されたホモポリマー長を必ずしも要求しない場合があるが、それは、これらが、ハイスループットDNA配列決定技術によるホモポリマートラクトセグメント間の遷移の一義的な区別を可能にするのに十分に長い(約2~10ヌクレオチド)ことだけが必要だからである。既存の次世代の合成による配列決定(SBS)システムは、2つの隣接するホモポリマートラクト間の遷移を容易に決定することができる。やはり、ホモポリマートラクトの正確な長さは、ホモポリマービットの正確な検出にとって重要ではない。同じヌクレオチドのトラクトの使用は、現行のSBSプラットフォームにおいて最も一般的なエラー:挿入および欠失を克服することにおいて利点を提供する。2ntよりも長いホモポリマートラクト中の1ヌクレオチドの欠失は、真のホモポリマーとしてなおも解釈される。同様に、ホモポリマートラクト中の単一ヌクレオチドの挿入は、2つの隣接するホモポリマーとして誤って解釈されることがないが、それは、SBSの間の1つよりも多くのヌクレオチドの挿入が、可能性の低い事象だからである。この配列決定エラー寛容性は、DNAデータ鎖によって記憶される情報の正しいデコーディングを確実にするために要求される配列決定深度を減少させるという利点を提供する。既存のナノポアシステムは、それらの差次的電流遮断に基づいて、A、G、CまたはTのホモポリマートラクトを互いから容易に識別することができる。ある特定の実施形態では、単一分子ZMW配列決定が、直鎖上のホモポリマートラクトの直線的順序を決定するために使用され得る。いずれかの配列決定技術の使用は、DNAイニシエーターが、単一分子ZMW配列決定のためのプライマーを提供するために、合成された一本鎖メモリ鎖の5’末端における自己相補的(self-complimentary)ヘアピンなどの、配列決定読み出し技術と適合性の特性を有することを要求し得る。ナノポア配列決定技術もまた、「開始」データマークを提供するために、鎖の5’末端に自己相補的ヘアピンを要求し得る。種々の実施形態では、読み出し技術は、Illumina(San Diego、CA)によって提供されるものなどの任意の次世代配列決定方法であり得る。一部の実施形態では、読み出しまたは配列決定技術は、質量分析ベースであり得る。読み出し技術の技術特異的エラー率は、その技術が、2つの異なるホモポリマートラクト間の遷移を一義的に検出できる限り、および/または2つの同一のホモポリマートラクトが互いに隣接している場合には、1つのホモポリマートラクト長と1つの2×長との間の差異を一義的に検出できる限り、重要ではない。 The data encoding strands of the present invention may not necessarily require precisely defined homopolymer lengths, which make a unique distinction between homopolymer tract segments by high throughput DNA sequencing techniques. It only needs to be long enough (about 2-10 nucleotides) to make it possible. Existing next-generation synthetic sequencing (SBS) systems can easily determine transitions between two adjacent homopolymeric tracts. Again, the exact length of the homopolymer tract is not important for the accurate detection of homopolymer bits. The use of tracts of the same nucleotide provides an advantage in overcoming the most common errors: insertions and deletions in current SBS platforms. Deletions of 1 nucleotide in homopolymeric tracts longer than 2 nt are still interpreted as true homopolymers. Similarly, the insertion of a single nucleotide in a homopolymer tract is not misinterpreted as two adjacent homopolymers, but it allows the insertion of more than one nucleotide between SBSs. This is because it is a low-sexual event. This sequencing error tolerance provides the advantage of reducing the sequencing depth required to ensure correct decoding of the information stored by the DNA data strand. Existing nanopore systems can easily distinguish A, G, C or T homopolymeric tracts from each other based on their differential current interruptions. In certain embodiments, single molecule ZMW sequencing can be used to determine the linear order of homopolymeric tracts on a straight line. The use of either sequencing technique is self-complementary at the 5'end of the single-stranded memory strand synthesized by the DNA initiator to provide primers for single-molecule ZMW sequencing. Complimentary) It may be required to have conforming properties with sequencing techniques such as hairpins. Nanopore sequencing techniques may also require a self-complementary hairpin at the 5'end of the strand to provide a "start" data mark. In various embodiments, the readout technique can be any next-generation sequencing method, such as that provided by Illumina (San Diego, CA). In some embodiments, the readout or sequencing technique can be mass spectrometric based. The technique-specific error rate of a readout technique is as long as the technique can uniquely detect transitions between two different homopolymeric tracts and / or if two identical homopolymeric tracts are adjacent to each other. It is not important as long as the difference between one homopolymer tract length and one 2x length can be uniquely detected.

ある特定の読み出し技術が、本発明の具体的な適用に基づいて、他よりも好ましい場合がある。ナノポア配列決定などの技術は、非破壊的であり得、核酸メモリ鎖をインタクトなままにし得、複数の読み出しサイクルに適切であり得る。ZMW単一分子などの、合成による配列決定(SBS)に依存する読み出し技術は、元の鋳型鎖のコピーを生成し、そして、相補鎖を除去し、読み出しの引き続くサイクルの準備ができたその初期状態へと元の核酸メモリ鎖を戻すために、読み出し後操作(すなわち、融解による鎖分離)を要求し得る。質量分析などの他の読み出し技術は、破壊的であり、サンプリングおよび読み出しの反復したサイクルの後に、核酸メモリ鎖のプールを枯渇させる。 Certain reading techniques may be preferred over others, based on specific applications of the present invention. Techniques such as nanopore sequencing can be non-destructive, leave nucleic acid memory strands intact, and can be suitable for multiple read cycles. Read-out techniques that rely on synthetic sequencing (SBS), such as the ZMW single molecule, produce a copy of the original template strand and remove the complementary strand, its early stage ready for a subsequent cycle of read-out. Post-reading operations (ie, strand separation by melting) may be required to return the original nucleic acid memory strand to the state. Other read techniques, such as mass spectrometry, are destructive and deplete the pool of nucleic acid memory chains after repeated cycles of sampling and reading.

種々の実施形態では、核酸メモリ鎖は、「ストッパー」を含み得る。「ストッパー」は、ナノポアを介した一本鎖または二本鎖核酸の通過を防止する高分子構築物であり得る(参照によって本明細書に組み込まれる、Manrao, et al., 2012, Reading DNA at single- nucleotide resolution with a mutant MspA nanopore and phi29 DNA polymerase, Nature Biotechnology 30, 349-353)。ファイ29 DNAポリメラーゼなどのタンパク質は、タンパク質ナノポアのシス側のより大きいポア(約6.3nm)を介して引っ張られないように十分に大きい。小さい側のポア直径は、約1.2nm幅であると推定される。本発明の核酸メモリ鎖の5’末端または3’末端のいずれか上で、ストッパーが使用され得る。一部の適用では、核酸分子の3’末端または5’末端の両方にストッパーを有することが望ましい場合がある。ストッパーは、情報エンコーディング核酸がそこに共有結合される、突出する5’-オーバーハングまたは3’-オーバーハングのいずれかを有するヘアピン(ステム-ループ)構造からなり得る。ストッパーがヘアピンからなる場合、dsステムの長さは、ナノポアを介してメモリ鎖をトランスロケーションさせるために使用される電場によってそれに対して発揮される任意の融解力に対して抵抗するのに十分に長くすることができる。ある特定の実施形態では、二本鎖ステム領域の1つの塩基を、ナノポアを介して分子の残部をトランスロケーションさせる電場によってそれに対して発揮される力の影響下でヘアピンの二本鎖ステム部分が融解するのが不可能であるように、塩基対を形成するその同族塩基に架橋させることができる。ある特定の実施形態に従うTdT媒介性核酸メモリ合成のためにヘアピンストッパーを利用するために、ストッパーは、鋳型非依存的合成のためのTdTの結合を可能にするのに十分な長さ(すなわち、>10ヌクレオチド)の3’-オーバーハングを有し得る。 In various embodiments, the nucleic acid memory strand may include a "stopper". A "stopper" can be a polymeric construct that prevents the passage of single- or double-stranded nucleic acids through nanopores (manrao, et al., 2012, Reading DNA at single, incorporated herein by reference). --nucleotide resolution with a mutant MspA nanopore and phi29 DNA polymerase, Nature Biotechnology 30, 349-353). Proteins such as Phi 29 DNA polymerase are large enough not to be pulled through the larger pores (about 6.3 nm) on the cis side of the protein nanopores. The pore diameter on the smaller side is estimated to be about 1.2 nm wide. Stoppers can be used on either the 5'end or the 3'end of the nucleic acid memory chains of the invention. For some applications, it may be desirable to have stoppers at both the 3'and 5'ends of the nucleic acid molecule. The stopper can consist of a hairpin (stem-loop) structure with either a protruding 5'-overhang or a 3'-overhang to which the information-encoding nucleic acid is covalently attached. If the stopper consists of a hairpin, the length of the ds stem is sufficient to resist any melting force exerted against it by the electric field used to translocate the memory chain through the nanopores. Can be lengthened. In certain embodiments, the double-stranded stem portion of the hairpin is under the influence of the force exerted against it by an electric field that translocates one base in the double-stranded stem region through the nanopores to the rest of the molecule. It can be crosslinked to its cognate bases forming a base pair so that it is impossible to thaw. To utilize a hairpin stopper for TdT-mediated nucleic acid memory synthesis according to certain embodiments, the stopper is long enough (ie, to allow binding of TdT for template-independent synthesis). It can have a 3'-overhang of> 10 nucleotides).

ストッパーは、核酸分子の3’末端または5’末端のいずれかに付け足され得る非ヌクレオチド高分子構築物からなり得る。構築物は、ポリメラーゼ、もしくはTdTなどのトランスフェラーゼによる核酸の3’末端上への高分子種の直接的コンジュゲーション(参照によって本明細書に組み込まれる、Sorensen, et al., 2013, Enzymatic Ligation of Large Biomolecules to DNA, ACS Nano, 7(9):8098-8104)によって、またはその官能性を介した核酸の特異的修飾を可能にする官能化されたヌクレオチドの取り込み(参照によって本明細書に組み込まれる、Winz, et al., 2015, Nucleotidyl transferase assisted DNA labeling with different click chemistries, Nucleic Acids Res. 43(17):e110)によって、合成され得る。5’末端ストッパーは、ヘアピンの直接的合成を介して、または3’から5’へのオリゴヌクレオチド合成の最後のステップとして導入された官能性ハンドルの二次的修飾を介して、オリゴヌクレオチドアダプターの化学的合成の時点で容易に導入され得、イニシエーターとして使用され得る。あるいは、5’末端ストッパーは、オリゴヌクレオチドイニシエーターを、5’末端を介して、磁気もしくは非磁気のビーズまたは粒子もしくはナノ粒子に結合させ、ホモポリマートラクトを含有するメモリ鎖を酵素的に合成し、次いで、磁気もしくは非磁気のビーズまたは粒子もしくはナノ粒子にメモリ鎖を結合したままにすることによって、構築され得る。 The stopper can consist of a non-nucleotide macromolecular construct that can be added to either the 3'end or the 5'end of the nucleic acid molecule. The construct is a direct conjugation of the high molecular weight species onto the 3'end of the nucleic acid by a polymerase or a transferase such as TdT (Sorensen, et al., 2013, Enzymatic Ligation of Large Biomolecules, incorporated herein by reference). Incorporation of functionalized nucleotides (incorporated herein by reference) that allows specific modification of nucleic acids by or through their functionality, to DNA, ACS Nano, 7 (9): 8098-8104). It can be synthesized by Winz, et al., 2015, Nucleotidyl transferase assisted DNA labeling with different click chemistries, Nucleic Acids Res. 43 (17): e110). The 5'end stopper is for the oligonucleotide adapter via direct synthesis of the hairpin or through secondary modification of the functional handle introduced as the final step in the synthesis of oligonucleotides from 3'to 5'. It can be easily introduced at the time of chemical synthesis and used as an initiator. Alternatively, the 5'end stopper binds the oligonucleotide initiator to magnetic or non-magnetic beads or particles or nanoparticles via the 5'end to enzymatically synthesize a memory chain containing a homopolymeric tract. It can then be constructed by leaving the memory chain attached to magnetic or non-magnetic beads or particles or nanoparticles.

ストッパーは、核酸鎖がナノポアの外に受動的に拡散するのを可能にするため、または核酸鎖が電圧の印加を介してナノポアの外にトランスロケーションされるのを可能にするため、分子の残部からのストッパーの切断を可能にするようにさらに修飾され得、したがって、鎖が回収されるのを可能にする。 The stopper is the rest of the molecule to allow the nucleic acid strands to passively diffuse out of the nanopores or to allow the nucleic acid strands to be translocated out of the nanopores via the application of voltage. It can be further modified to allow cutting of the stopper from, thus allowing the chain to be recovered.

ある特定の実施形態では、鋳型非依存的ポリメラーゼまたはトランスフェラーゼは、「ライトワンスリードメニー」型のメモリデバイスとしてのナノポアデバイスの使用を可能にするために、核酸のあらかじめ合成された鎖を修飾するために使用され得る。DNAシーケンサーとしてのナノポアデバイスの使用に関連する固有の問題の一部は、ナノポアの不十分な区別に起因してそれらが生じさせる高いエラー率である。これは、ポアを介したトランスロケーションのスピード、またはナノポアのおおよその深度が8nmであり、ポア中に複数の塩基を同時に存在させることを可能にするという事実に起因し得る。本発明のホモポリマーメモリ鎖は、ホモポリマー反復の使用を介してこの問題に対処し、厳密な配列決定精度の必要性を減少させる。ある特定の実施形態では、ナノポア配列決定の欠点は、二本鎖DNAメモリ鎖の一方の末端にヘアピンアダプターを実装することによって対処され得、その結果、トランスロケーションおよび塩基呼び出しプロセスの間に、個々の塩基およびその相補鎖を読み取ることが、各塩基を一回だけ読み取ったときのエラー率を相殺し得るように、DNAメモリ鎖の各センスが読み取られ得る。ある特定の実施形態では、ナノポア配列決定の忠実度は、ポアを横断してトランスロケーションしない嵩高い付属物(例えば、タンパク質またはソリッドステート)を有する一本鎖または二本鎖核酸分子の各末端(5’および3’)の適切な修飾によって増加させることができる。次いで、分子は、ポア内にトラップされ得、同じポア中の同じ分子の複数の読み取りを可能にするために何回も前方および後方にトランスロケーションされ得、そうして、配列決定エラー率を読み取りの数の二乗だけ低減させ得る(配列決定読み取りエラーが、確率的起源に起因する場合)。 In certain embodiments, a template-independent polymerase or transferase modifies a pre-synthesized strand of nucleic acid to allow the use of nanopore devices as "write-once-one-many" memory devices. Can be used for. Some of the inherent problems associated with the use of nanopore devices as DNA sequencers are the high error rates they cause due to inadequate distinction of nanopores. This may be due to the speed of translocation through the pores, or the fact that the approximate depth of the nanopores is 8 nm, allowing multiple bases to be present in the pores at the same time. The homopolymer memory chains of the present invention address this issue through the use of homopolymer iterations, reducing the need for strict sequencing accuracy. In certain embodiments, the drawbacks of nanopore sequencing can be addressed by mounting a hairpin adapter at one end of the double-stranded DNA memory strand, resulting in individual during translocation and base-calling processes. Each sense of the DNA memory strand can be read so that reading the bases and their complementary strands can offset the error rate of reading each base only once. In certain embodiments, the fidelity of nanopore sequencing is at each end of a single-stranded or double-stranded nucleic acid molecule with bulky appendages (eg, proteins or solid states) that do not translocate across the pores. It can be increased by appropriate modifications of 5'and 3'). Molecules can then be trapped within the pores and translocated multiple times forward and backward to allow multiple reads of the same molecule in the same pore, thus reading the sequencing error rate. Can be reduced by the square of the number of (if the sequencing read error is due to a stochastic origin).

TdTなどのトランスフェラーゼは、DNA分子の3’末端に、大きく嵩高い修飾ヌクレオチドアナログを付け足すために使用され得る。ある特定の実施形態では、WORMナノポアメモリデバイスは、以下のステップを使用して生成され得る:(1)上で議論したような任意の高密度エンコーディングスキームにおいて具体的な情報をエンコードするDNAの単一分子を生成し、ナノポアを介したDNA分子の完全なトランスロケーションを防止する嵩高い分子構築物で5’末端を共有結合的に修飾するステップ;(2)5’-修飾された末端がナノポアと接触し、それ以上トランスロケーションできないところまで、ナノポアを介してDNA分子を通り抜けさせるステップ;(3)TdTおよび修飾ヌクレオチドを使用して、ナノポアのトーラス内に分子を効果的にトラップするために、DNA分子の3’末端に1つの(または複数の)嵩高いヌクレオチドアナログ(「ストッパー」)を共有結合的に付加するステップ;(4)3’-修飾されていない任意のDNA分子を取り除くために、ナノポアへの電流の極性を逆転させ、したがって、「トラップされた」(5’-および3’-修飾された)核酸鎖の純粋な集団を創出するステップ;(5)任意のトラップされていない核酸を、洗浄または他の手段を介して、ナノポアの近辺から除去するステップ;(6)印加された電圧を使用して、いずれかの方向または両方の方向で、「トラップされた」DNA鎖を読み取るステップ(潜在的に、エラー率を許容可能なレベルまで低減させるために、複数回読み取るステップ)。種々の実施形態では、ステップ6は、1つの方向での電圧誘導された「読み取り」、およびナノポアを介してデータエンコーディング核酸を「巻き戻す」ための反対方向での迅速なトランスロケーションとその後の元の方向での別の電圧誘導された「読み取り」からなり得る。「読み取り」-「巻き戻し」-「読み取り」のこのサイクルは、所望に応じて何回も反復され得る。 Transferases such as TdT can be used to add large, bulky modified nucleotide analogs to the 3'end of the DNA molecule. In certain embodiments, WORM nanopore memory devices can be generated using the following steps: (1) A single piece of DNA that encodes specific information in any high density encoding scheme as discussed above. Steps of covalently modifying the 5'end with a bulky molecular construct that produces a molecule and prevents complete translocation of the DNA molecule via the nanopore; (2) 5'-the modified end is with the nanopore. Steps of contacting and passing DNA molecules through the nanopores to the point where no further translocation is possible; (3) DNA to effectively trap the molecules within the torus of the nanopores using TdT and modified nucleotides. The step of covalently adding one (or more) bulky nucleotide analogs (“stoppers”) to the 3'end of a molecule; (4) 3'-to remove any unmodified DNA molecule. The step of reversing the polarity of the current to the nanopore and thus creating a pure population of "trapped" (5'-and 3'-modified) nucleic acid chains; (5) any untrapped nucleic acid. Is removed from the vicinity of the nanopore via washing or other means; (6) Read the "trapped" DNA strand in either or both directions using the applied voltage. Steps (potentially multiple read steps to reduce the error rate to an acceptable level). In various embodiments, step 6 involves voltage-induced "reading" in one direction and rapid translocation in the opposite direction to "rewind" the data-encoding nucleic acid via the nanopores and subsequent elements. Can consist of another voltage-induced "read" in the direction of. This cycle of "reading"-"rewinding"-"reading" can be repeated as many times as desired.

一部の実施形態では、トラップされた核酸鎖は、いずれかの方向でのトランスロケーションの間に読み取られ得る。一部の実施形態では、トラップされた鎖は、分子の一方の末端(5’または3’のいずれか)にトランスロケーションされ得、反対方向で読み取られ得、そのため、読み取りの極性は、より高い精度の読み取りを提供し得る。 In some embodiments, the trapped nucleic acid strand can be read during translocation in either direction. In some embodiments, the trapped strand can be translocated to one end of the molecule (either 5'or 3') and read in the opposite direction, so that the reading polarity is higher. Can provide accurate readings.

ある特定の実施形態では、環状化された核酸メモリ鎖は、上記合成方法とその後の環状化とを使用して生成され得る。環状化された鎖は、嵩高い高分子または特定のホモポリマー配列を含み得、ここで、合成された鎖の末端は、データ読み取りのための開始点および停止点を指定するために、接合されたものである。開始および停止ホモポリマー配列は、直鎖状核酸鎖においても使用され得る。環状鎖305が、図6に示されるように、単一のメンブレン303上に位置する2つのナノポア(306および309)間に物理的にトラップされるように、環状化された鎖305は、2つの隣接するナノポア(306および309)間を通り抜けていてもよい。環状化されたメモリ鎖は、単一のヌクレオチドの配列、ホモポリマートラクト配列、修飾ヌクレオチドアナログの配列、またはそれらの一部の組合せのいずれかとして、デジタル情報をエンコードし得る。一方のナノポア309は、情報エンコードしたメモリ鎖がポアを介してトランスロケーションされるときに、電気的シグナルを生成するために使用され得るが、他方のナノポア307は、メンブレン303のシス側および第1のナノポア309にDNA分子が戻るのを可能にするためのポータル(portal)として単純に機能し得る。このスキームの1つの利点は、情報エンコーディング鎖が、反復した読み取りのためにリサイクルされ得、複数回読み取られ得、したがって、任意の可能な読み出しエラーを低減させ得るということである。 In certain embodiments, the cyclized nucleic acid memory strand can be generated using the synthetic method described above followed by cyclization. The cyclized chain may comprise a bulky polymer or a particular homopolymer sequence, where the ends of the synthesized chain are joined to specify a start and stop point for data reading. It is a thing. Starting and stopping homopolymer sequences can also be used in linear nucleic acid chains. The cyclic chain 305 has 2 so that the cyclic chain 305 is physically trapped between two nanopores (306 and 309) located on a single membrane 303, as shown in FIG. It may pass between two adjacent nanopores (306 and 309). The circularized memory chain can encode digital information as either a single nucleotide sequence, a homopolymeric tract sequence, a modified nucleotide analog sequence, or a combination of some of them. One nanopore 309 can be used to generate an electrical signal when the information encoded memory strand is translocated through the pore, while the other nanopore 307 is the cis side of the membrane 303 and the first. It can simply function as a portal to allow DNA molecules to return to the nanopores 309. One advantage of this scheme is that the information encoding strand can be recycled for repeated reads and read multiple times, thus reducing any possible read errors.

他の実施形態は、そのデータが特定の条件セット下でのみアクセスされ得るように、メモリ鎖中にデータをエンコードし得る。かかる場合には、メモリ鎖は、切断可能なリンカーに結合した、修飾を含有するヌクレオチドから少なくとも部分的に構成される。修飾(例えば、化学的保護基)およびリンカーは、ポリマートラクトが正しい処理なしにナノポアを介してトランスロケーションする場合に、電流遮断が、データをエンコードする配列とは異なるように、選択され得る。図7は、dGヌクレオチドへのジスルフィドおよびアミド連結した修飾を使用するスキームを概説し、電流遮断、およびメモリ鎖中にエンコードされたデータが、処理条件に応答してどのように変化し得るかを例示している。GおよびG**は、サイズおよび柔軟性において構造的に類似しており、ナノポアプラットフォーム上で類似の電流遮断を生じ得るが、異なる条件下では除去される。GおよびG***は、構造的に異なるが、これらの修飾は、同じ除去条件を共有する。他の実施形態は、特定の波長の光、酸性もしくはアルカリ性pH、酸化的もしくは還元的条件、または配列特異的ヌクレアーゼなどの異なる処理を用いて切断可能な他の修飾またはリンカーを用い得る。一部の実施形態は、暗号化のために、またはデータへの以前のアクセスもしくは変更の化学的マーカーとして、メモリ鎖修飾の存在または非存在を使用し得る。ほとんどのリンカー切断反応は、効果的に不可逆的であり、したがって、このアプローチは、単一分子が冗長性なしにデータをエンコードするのに十分であり得るライトワンスリードメニー(write-one read many)システムに、最良に適している。 Other embodiments may encode the data in a chain of memory so that the data can only be accessed under a particular set of conditions. In such cases, the memory chain is at least partially composed of modified nucleotides attached to a cleavable linker. Modifications (eg, chemical protecting groups) and linkers can be selected such that current interruptions differ from the sequences that encode the data when the polymer tract translocates through the nanopores without proper treatment. FIG. 7 outlines a scheme that uses disulfide and amide ligated modifications to dG nucleotides to show how current interruptions and how the data encoded in the memory chain can change in response to processing conditions. Illustrate. G * and G ** are structurally similar in size and flexibility and can result in similar current interruptions on the nanopore platform, but are eliminated under different conditions. Although G * and G *** are structurally different, these modifications share the same removal conditions. Other embodiments may use other modifications or linkers that can be cleaved using different treatments such as light of a particular wavelength, acidic or alkaline pH, oxidative or reducing conditions, or sequence-specific nucleases. Some embodiments may use the presence or absence of a memory chain modification for encryption or as a chemical marker of previous access or modification of data. Most linker cleavage reactions are effectively irreversible, so this approach can be sufficient for a single molecule to encode data without redundancy write-one read many. Best suited for the system.

本発明の読み出しスキームで有用な多くの可能な情報エンコーディングスキームが可能であり、本開示に基づいて当業者に明らかであり得る。 Many possible information encoding schemes useful in the readout schemes of the present invention are possible and may be apparent to those skilled in the art based on the present disclosure.

合成は、プレートのウェル(例えば、各々1.5μLの1536ウェルプレート)中への滴の音響的送達を使用して達成され得る。種々の実施形態では、核酸メモリ鎖は、ビーズもしくは磁気ビーズもしくは表面上で合成され得、適用に依存して、全長合成が完了した後に、ビーズもしくは磁気ビーズもしくは表面上に残され得、または合成支持体から除去され得る。 Synthesis can be accomplished using acoustic delivery of drops into the wells of the plate (eg, 1.5 μL each of the 1536 well plates). In various embodiments, the nucleic acid memory chain can be synthesized on the beads or magnetic beads or the surface and, depending on the application, can be left on the beads or the magnetic beads or the surface after the full-length synthesis is complete, or synthesized. It can be removed from the support.

ある特定の実施形態では、長い(5~10kb)データ鎖の合成のためのシステムは、ウェル(例えば、複数のナノリットル体積のウェル)のアレイへのインクジェット送達を使用し得る。他の実施形態では、空気圧で制御される複数のアクチュエータが、アレイの各位置に試薬を同時に送達するために、各ウェルの上方に位置付けられ得る。各アクチュエータは、DNAデータ鎖のビットを特定するために使用される、鋳型非依存的ポリメラーゼを用いて配合された2つまたはそれよりも多くのヌクレオチドまたは修飾ヌクレオチドの各々の間を選択するセレクター弁によって供される。1つまたは複数のさらなるセレクター弁ポートが、必要に応じて、1つまたは複数の洗浄試薬専用にされる。ナノリットル体積のウェルのアレイは、ウェルの直径が、送達された液体が開放端のウェルの長さ内の毛細管作用によってトラップされるような直径である限り、両方の末端において開放であり得る。各ラウンドのヌクレオチド-酵素配合物が、開放端のウェルに送達された後、各ウェルが反応混合物でリンスされ、そうして、次のサイクルの酵素的合成のためにアレイを準備するように、リンス試薬または酵素反応停止試薬が、ウェルのアレイの下部開口部を横断しそれを通って流され得る。他の実施形態では、真空供給源が、次の試薬の送達の前に、毛細管ナノウェルから1つの試薬を迅速に除去するために使用される。 In certain embodiments, the system for the synthesis of long (5-10 kb) data chains may use inkjet delivery into an array of wells (eg, wells of multiple nanoliter volumes). In other embodiments, a plurality of pneumatically controlled actuators may be positioned above each well to simultaneously deliver reagents to each location in the array. Each actuator is used to identify a bit of a DNA data strand, a selector valve that selects between each of two or more nucleotides or modified nucleotides formulated with a template-independent polymerase. Served by. One or more additional selector valve ports are dedicated to one or more cleaning reagents as needed. An array of nanoliter volume wells can be open at both ends as long as the diameter of the wells is such that the delivered liquid is trapped by capillary action within the length of the open end wells. After each round of nucleotide-enzyme formulation has been delivered to the open end wells, each well is rinsed with the reaction mixture, thus preparing the array for the next cycle of enzymatic synthesis. A rinsing reagent or enzyme reaction termination reagent can be flushed across and through the lower opening of the array of wells. In other embodiments, a vacuum source is used to rapidly remove one reagent from the capillary nanowell prior to delivery of the next reagent.

ある特定の実施形態は、弁制御される試薬送達と共に高度に並行なナノ流体チャンバを使用し得る。例示的なマイクロ流体核酸メモリ鎖合成デバイスは、例示目的のために図8に示されるが、一定の拡大縮小比ではない。レギュレーター257を含むマイクロ流体チャネル255は、リザーバー253を反応チャンバ251にカップリングし、レギュレーター257を含む出口チャネル259は、反応チャンバ251から廃棄物を排除する。核酸メモリ鎖合成のためのマイクロ流体デバイスは、例えば、チャネル255、リザーバー253および/またはレギュレーター257を含み得る。核酸メモリ鎖合成は、反応チャンバの内側表面にアンカリングまたは結合された、必要に応じてポリヌクレオチドイニシエーターを放出可能に結合することが可能なビーズまたは他の基材を含み得る、いくつかのアンカリングされた合成されたヌクレオチドイニシエーターを含み得るマイクロ流体反応チャンバ251中で生じ得る。反応チャンバ251は、試薬が反応チャンバ254に添加され得そこから除去され得るように、少なくとも1つの取り込みチャネルおよび1つの出口チャネル259を含み得る。反応チャンバ251は、最適で再現性のある酵素的合成条件を維持するために、温度制御しなくてはならない。マイクロ流体デバイスは、メモリ鎖コーディングスキームにおいて使用される各それぞれのdNTPまたはアナログについてのリザーバー253を含み得る。これらのリザーバー253の各々は、適切な量のTdTまたは鋳型非依存的様式でDNAもしくはRNA鎖を伸長させる任意の他の酵素もまた含み得る。さらなるリザーバー253は、洗浄または他のタスクのための試薬を含み得る。 Certain embodiments may use highly parallel nanofluid chambers with valve controlled reagent delivery. An exemplary microfluidic nucleic acid memory chain synthesis device is shown in FIG. 8 for exemplary purposes, but not at a constant scaling ratio. The microfluidic channel 255 containing the regulator 257 couples the reservoir 253 into the reaction chamber 251 and the outlet channel 259 containing the regulator 257 removes waste from the reaction chamber 251. Microfluidic devices for nucleic acid memory chain synthesis may include, for example, channel 255, reservoir 253 and / or regulator 257. Nucleic acid memory chain synthesis may include beads or other substrates anchored or attached to the inner surface of the reaction chamber, capable of releasing the polynucleotide initiator, if desired. It can occur in a microfluidic reaction chamber 251 that may include an anchored synthesized nucleotide initiator. The reaction chamber 251 may include at least one uptake channel and one outlet channel 259 so that reagents can be added to and removed from the reaction chamber 254. The reaction chamber 251 must be temperature controlled to maintain optimal and reproducible enzymatic synthetic conditions. The microfluidic device may include a reservoir 253 for each respective dNTP or analog used in the memory chain coding scheme. Each of these reservoirs 253 may also contain an appropriate amount of TdT or any other enzyme that extends DNA or RNA strands in a template-independent manner. The additional reservoir 253 may include reagents for washing or other tasks.

リザーバー253は、別々のチャネル255を介して反応チャンバ254にカップリングされ得、各チャネル255を介した反応チャンバ254中への試薬の流れは、ゲート、弁、圧力レギュレーターまたは他の手段の使用を介して個々に調節され得る。出口チャネル259を介した反応チャンバ254からの流れは、同様に調節され得る。リザーバー253は、試薬の濃度が、反応チャンバ254中へ流される試薬の体積に基づいて厳密に制御され得るように、既知の濃度で流体中に懸濁されたdNTP、修飾されたdNTPまたは上記のそれらの任意のアナログを保持し得る。したがって、各ホモポリマートラクトの長さは、試薬濃度の制御を介して管理され得る。 The reservoir 253 may be coupled to the reaction chamber 254 via a separate channel 255, and the flow of reagents through each channel 255 into the reaction chamber 254 uses the use of gates, valves, pressure regulators or other means. Can be individually adjusted through. The flow from the reaction chamber 254 through the outlet channel 259 can be regulated as well. The reservoir 253 may be a dNTP suspended in a fluid at a known concentration, a modified dNTP or the above, so that the concentration of the reagent can be tightly controlled based on the volume of the reagent flowing into the reaction chamber 254. It can hold any of those analogs. Therefore, the length of each homopolymer tract can be controlled through control of reagent concentration.

ある特定の例では、試薬、特に、dNTPおよび酵素試薬は、リサイクルされ得る。試薬は、ゲート、弁、真空ポンプ、圧力レギュレーターまたは他のレギュレーター257を使用して逆流を誘導することによって、それらが進入した同じチャネル255を介して、反応チャンバ254からそのそれぞれのリザーバー253中に引き戻され得る。あるいは、試薬は、独立した戻りチャネルを介して、反応チャンバ254からそのそれぞれのリザーバー253に戻され得る。マイクロ流体デバイスは、上記のゲート、弁、圧力または他のレギュレーター257を操作することが可能なコントローラーを含み得る。 In certain examples, reagents, especially dNTPs and enzyme reagents, can be recycled. Reagents are introduced from the reaction chamber 254 into their respective reservoirs 253 via the same channel 255 they entered by inducing regurgitation using gates, valves, vacuum pumps, pressure regulators or other regulators 257. Can be pulled back. Alternatively, the reagents can be returned from the reaction chamber 254 to their respective reservoirs 253 via independent return channels. The microfluidic device may include a controller capable of operating the gates, valves, pressures or other regulators 257 described above.

例示的なマイクロ流体核酸メモリ鎖合成反応は、出口チャネル259または戻りチャネル(図示せず)を介して反応チャンバ254からNTP試薬を除去する前に、所望のdNTP(本発明の核酸メモリ鎖中にデータをエンコードするために使用される任意の成分分子に言及するためにいたるところで使用される)試薬を、(所望のホモポリマー長を生じるように計算された)所定の濃度で所定の量の時間にわたって反応チャンバ254中に流すステップ;洗浄試薬を反応チャンバ254中に流すステップ;出口チャネル259を介して洗浄試薬を反応チャンバ254から除去するステップ;所望のホモポリマートラクト比を達成するように計算された条件下で所望のメモリ鎖配列に次のNTP試薬を流すステップ;および所望の核酸メモリ鎖が合成されるまで反復するステップを含み得る。所望の核酸メモリ鎖が合成された後、それは、反応チャンバアンカーまたは基材から放出され得、出口チャネル259または他の手段を介して収集され得る。 An exemplary microfluidic nucleic acid memory chain synthesis reaction involves the desired dNTP (in the nucleic acid memory chain of the invention) prior to removing the NTP reagent from the reaction chamber 254 via the exit channel 259 or the return channel (not shown). Reagents (used everywhere to refer to any component molecule used to encode data) at a given concentration (calculated to produce the desired homopolymer length) for a given amount of time. The step of flowing the cleaning reagent into the reaction chamber 254; the step of removing the cleaning reagent from the reaction chamber 254 via the outlet channel 259; calculated to achieve the desired homopolymer tract ratio. It may include the step of running the next NTP reagent through the desired memory chain sequence under the above conditions; and the step of repeating until the desired nucleic acid memory chain is synthesized. After the desired nucleic acid memory chain has been synthesized, it can be released from the reaction chamber anchor or substrate and collected via exit channel 259 or other means.

使用可能な量のデータをエンコードするために要求される、ホモポリマーエンコードされたDNA鎖のかなりの数に起因して、DNA合成の高度に並行な方法が要求される。一部の実施形態では、図9に示されるように、ウェルのアレイを含有するフローセル(9-1)が、疎水性領域によって境界される複数の親水性ウェル(?)を形成するために、疎水性材料の水平および垂直のストライプ(9-2)をパターン形成することによって、適切な基材上に形成される。親水性ウェルの典型的な寸法は、300×300nm~1000×1000nmであり得る。この親水性アレイは、床と光学的に透過性のカバーとの間に適切な寸法のギャップを伴って、フローセルの床を形成する。冷(すなわち、最適な酵素特異的温度よりも低い)ヌクレオチジルトランスフェラーゼ、天然または修飾ヌクレオチド三リン酸のうち1つ、および任意の必要な補因子の溶液は、流体の流れの休止の際に、酵素-ヌクレオチド三リン酸溶液が、各親水性領域上方に位置付けられた空間的に規定された液滴(9-4)へと玉状になるように、入口(9-3)を介してフローセル中に流される。IR供給源(9-5)は、成形レンズ(9-6)を介して、ビーム(9-7)をDLP(デジタル光投射)デバイス(9-8)上に投射し、これは、特定のヌクレオチドが添加されるように選択される疎水的に束縛された液滴(9-4)の各々にIRビーム(9-9)を同時に指向させるために使用され、所望の長さのホモポリマーを合成するための規定された期間にわたる、最大酵素活性のための温度までのポリメラーゼ伸長反応配合物の迅速な加熱を生じる。いくらかの適切に規定された反応時間の後、IR供給源は、スイッチが切られ、冷リンス緩衝液は、フローセル中に迅速に注入され、出口(9-10)を介して排水され、そうして、反応をクエンチし、1回の「書き込み」サイクルを終わらせる。この一連のステップは、各新生データ鎖が、その空間的位置に従ってランダムにアクセスされ、全長ホモポリマーデータ鎖が完成するまで選択されたヌクレオチドが付加されるように、各「書き込み」サイクルについて複数回反復される。一部の実施形態では、1920×1080の指向性ミラーを有するDLPデバイスは、合成フローセル中の約2Mの合成位置に同時にランダムにアクセスするために使用され得る。一部の実施形態では、使用される鋳型非依存的ポリメラーゼは、室温を十分に上回る最適な反応温度で好熱性であり、その結果、酵素活性は、IR供給源による液滴の迅速な加熱の前には、疎水的に束縛された液滴において最小化される。一部の実施形態では、疎水的に規定された親水性ウェルを保有するフローセルの底部表面は、IR供給源によって温度が上昇されるまで酵素活性を防止するために低減された温度で疎水性ウェル中に液滴を維持する冷却デバイスに境を接する。 Due to the significant number of homopolymer-encoded DNA strands required to encode the amount of data available, highly parallel methods of DNA synthesis are required. In some embodiments, as shown in FIG. 9, the flow cell (9-1) containing the array of wells forms a plurality of hydrophilic wells (?) Bounded by hydrophobic regions. It is formed on a suitable substrate by patterning horizontal and vertical stripes (9-2) of the hydrophobic material. Typical dimensions of hydrophilic wells can be 300 x 300 nm to 1000 x 1000 nm. This hydrophilic array forms the floor of the flow cell with a properly sized gap between the floor and the optically permeable cover. A solution of cold (ie, below optimal enzyme-specific temperature) nucleotidyltransferase, one of the natural or modified nucleotide triphosphates, and any required cofactor, upon cessation of fluid flow, The flow cell via the inlet (9-3) so that the enzyme-nucleotide triphosphate solution beaded into spatially defined droplets (9-4) located above each hydrophilic region. Shed inside. The IR source (9-5) projects a beam (9-7) onto a DLP (digital light projection) device (9-8) via a molded lens (9-6), which is specific. Used to simultaneously direct the IR beam (9-9) to each of the hydrophobically bound droplets (9-4) selected to which the nucleotides are added, homopolymers of the desired length. Rapid heating of the polymerase extension reaction formulation to a temperature for maximum enzymatic activity over a defined period of time for synthesis occurs. After some well-defined reaction time, the IR source is switched off and cold rinse buffer is rapidly injected into the flow cell and drained through the outlet (9-10), so that The reaction is quenched to end one "write" cycle. This sequence of steps is performed multiple times for each "write" cycle so that each nascent data strand is randomly accessed according to its spatial position and the selected nucleotides are added until the full length homopolymer data strand is complete. Repeated. In some embodiments, a DLP device with a 1920x1080 directional mirror can be used to simultaneously randomly access approximately 2M synthetic positions in a synthetic flow cell. In some embodiments, the template-independent polymerase used is thermophilic at an optimum reaction temperature well above room temperature, so that the enzymatic activity is the rapid heating of the droplets by the IR source. Previously, it is minimized in hydrophobically bound droplets. In some embodiments, the bottom surface of the flow cell, which has a hydrophobically defined hydrophilic well, is a hydrophobic well at a reduced temperature to prevent enzymatic activity until the temperature is raised by the IR source. It borders on a cooling device that keeps the droplets inside.

別の実施形態において、疎水性領域によって境界される複数の親水性スポットを形成する疎水性材料の水平および垂直のストライプをパターン形成することによって、適切な基材上に形成される、ウェルのアレイから構成されたフローセル。親水性スポットの典型的な寸法は、300×300nm~1000×1000nmであり得る。各親水性スポットは、個々にアドレス可能なCMOSヒーター上に位置付けられる。この親水性-CMOSヒーターアレイは、床と光学的に透過性のカバーとの間に適切な寸法のギャップを伴って、フローセルの床を形成する。冷(すなわち、最適な酵素特異的温度よりも低い)ヌクレオチジルトランスフェラーゼ、および天然または修飾ヌクレオチド三リン酸のうち1つの溶液は、流体の流れの休止の際に、ポリメラーゼ伸長反応溶液が、関連するCMOSヒーターを有する各親水性領域上方に位置付けられた空間的に規定された液滴へと玉状になるように、フローセル中に流される。特定のヌクレオチドが添加されるように選択される疎水的に束縛された液滴の各々は、所望の長さのホモポリマーを合成するための規定された期間にわたり、最大酵素活性のための温度まで、迅速に加熱される。いくらかの適切に規定された反応時間の後、ヒーターは、スイッチが切られ、冷リンス緩衝液は、フローセル中に迅速に注入され、そうして、反応をクエンチし、1回の「書き込み」サイクルを終わらせる。この一連のステップは、各新生データ鎖が、その空間的位置に従ってランダムにアクセスされ、全長ホモポリマーデータ鎖が完成するまで選択されたヌクレオチドが付加されるように、各「書き込み」サイクルについて複数回反復される。一部の実施形態では、使用される酵素は、室温を十分に上回る最適な温度で好熱性であり、その結果、CMOSヒーターによる液滴の迅速な加熱の前には、疎水的に束縛された滴における望まれないヌクレオチド付加の可能性は低い。 In another embodiment, an array of wells formed on a suitable substrate by patterning horizontal and vertical stripes of hydrophobic material forming multiple hydrophilic spots bounded by hydrophobic regions. Flow cell composed of. Typical dimensions of hydrophilic spots can be 300 x 300 nm to 1000 x 1000 nm. Each hydrophilic spot is located on an individually addressable CMOS heater. This hydrophilic-CMOS heater array forms the floor of the flow cell with a properly dimensional gap between the floor and the optically permeable cover. A solution of cold (ie, below optimal enzyme-specific temperature) nucleotidyltransferase, and one of the natural or modified nucleotide triphosphates is associated with the polymerase extension reaction solution during fluid flow arrest. It is flushed into the flow cell in a beaded manner into spatially defined droplets located above each hydrophilic region having a CMOS heater. Each of the hydrophobically bound droplets selected to which a particular nucleotide is added is up to the temperature for maximum enzymatic activity over a defined period of time to synthesize homopolymers of the desired length. , Heated quickly. After some well-defined reaction time, the heater is switched off and cold rinse buffer is rapidly injected into the flow cell, thus quenching the reaction and one "write" cycle. To end. This sequence of steps is performed multiple times for each "write" cycle so that each nascent data strand is randomly accessed according to its spatial position and the selected nucleotides are added until the full length homopolymer data strand is complete. Repeated. In some embodiments, the enzyme used is thermophilic at an optimum temperature well above room temperature, resulting in hydrophobic binding prior to rapid heating of the droplets by a CMOS heater. The likelihood of unwanted nucleotide additions in the droplet is low.

当業者は、本発明のシステムおよび方法について、必要であるまたは最良に適していると認識するが、本発明のシステムおよび方法は、バスを介して互いと連絡する1つもしくは複数のプロセッサー309(例えば、中央処理装置(CPU)、グラフィック処理装置(GPU)など)、コンピュータ可読記憶デバイス307(例えば、メインメモリ、スタティックメモリなど)、またはそれらの組合せを含み得る、図10に示されるようなコンピューティングデバイスを含み得る。コンピューティングデバイスには、モバイルデバイス101(例えば、携帯電話)、パーソナルコンピュータ901およびサーバーコンピュータ511が含まれ得る。種々の実施形態では、コンピューティングデバイスは、ネットワーク517を介して互いと連絡するように構成され得る。 Those skilled in the art recognize that the systems and methods of the invention are necessary or best suited, but the systems and methods of the invention are one or more processors 309 that communicate with each other via a bus ( A computing as shown in FIG. 10, which may include, for example, a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), etc.), a computer-readable storage device 307 (eg, main memory, static memory, etc.), or a combination thereof. It may include a wing device. Computing devices may include mobile devices 101 (eg, mobile phones), personal computers 901 and server computers 511. In various embodiments, the computing devices may be configured to communicate with each other via network 517.

コンピューティングデバイスは、メモリ鎖の合成、配列決定されたメモリ鎖の読み取り、ならびにヒトまたは機械可読フォーマット間のデータ、デジタル化されたデータ、および本明細書に記載される他のステップ間の核酸配列のコンパイルまたは転換を制御するために使用され得る。コンピューティングデバイスは、可読フォーマットのデータを表示するために使用され得る。 Computing devices synthesize memory chains, read sequenced memory chains, and sequence data between human or machine-readable formats, digitized data, and nucleic acid sequences between other steps described herein. Can be used to control the compilation or conversion of. Computing devices can be used to display data in readable format.

プロセッサー309には、当技術分野で公知の任意の適切なプロセッサー、例えば、Intel(Santa Clara、CA)によって商標XEON E7の下で販売されるプロセッサー、またはAMD(Sunnyvale、CA)によって商標OPTERON 6200の下で販売されるプロセッサーが含まれ得る。 The processor 309 may be any suitable processor known in the art, such as a processor sold under the trademark Xeon E7 by Intel (Santa Clara, CA), or the trademark OPTERON 6200 by AMD (Sunnyvale, CA). Processors sold below may be included.

メモリ307は、好ましくは、以下を記憶することが可能な少なくとも1つの有形の非一過性媒体を含む:本明細書に記載される機能をシステムに実施させるための実行可能な1つもしくは複数のセットの命令(例えば、本明細書で見出される任意の方法論または機能を具体化するソフトウェア);データ(例えば、メモリ鎖中にエンコードされるデータ);またはそれら両方。コンピュータ可読記憶デバイスは、例示的な実施形態では、単一の媒体であり得るが、用語「コンピュータ可読記憶デバイス」は、命令またはデータを記憶する単一の媒体または複数の媒体(例えば、集中型もしくは分散型データベースならびに/または関連するキャッシュおよびサーバー)を含むと解釈すべきである。用語「コンピュータ可読記憶デバイス」は、限定なしに、ソリッドステートメモリ(例えば、加入者識別モジュール(SIM)カード、セキュアデジタルカード(SDカード)、マイクロSDカードまたはソリッドステートドライブ(SSD))、光学および磁気媒体、ハードドライブ、ディスクドライブ、ならびに任意の他の有形の記憶媒体を含むとしかるべく解釈するものとする。 The memory 307 preferably includes at least one tangible non-transient medium capable of storing: one or more executables for causing the system to perform the functions described herein. A set of instructions (eg, software that embodies any methodology or function found herein); data (eg, data encoded in a memory chain); or both. A computer-readable storage device can be a single medium in an exemplary embodiment, but the term "computer-readable storage device" is a single medium or multiple media (eg, centralized) for storing instructions or data. Or it should be interpreted as including a distributed database and / or associated caches and servers). The term "computer-readable storage device" means, without limitation, solid state memory (eg, subscriber identification module (SIM) card, secure digital card (SD card), micro SD card or solid state drive (SSD)), optical and It shall be construed as appropriate to include magnetic media, hard drives, disk drives, and any other tangible storage medium.

例えばAmazon Web Servicesなどの任意の適切なサービス、サーバー511のメモリ307、クラウド記憶域、別のサーバー、または他のコンピュータ可読記憶域が、記憶域527に使用され得る。クラウド記憶域は、データ記憶スキームを指し得、ここで、データは、論理プール中に記憶され、物理的記憶は、複数のサーバーおよび複数の位置にわたり得る。記憶域527は、ホスティング会社によって所有および管理され得る。好ましくは、記憶域527は、必要に応じて、本明細書に記載される操作を実施およびサポートするために、レコード399を記憶するために使用される。 Any suitable service, such as Amazon Web Services, memory 307 of server 511, cloud storage, another server, or other computer-readable storage may be used for storage 527. Cloud storage can refer to a data storage scheme, where data can be stored in a logical pool and physical storage can span multiple servers and locations. Storage 527 may be owned and managed by the hosting company. Preferably, storage 527 is used to store records 399 to perform and support the operations described herein, as needed.

本発明に従う入力/出力デバイス305には、ビデオディスプレイユニット(例えば、液晶ディスプレイ(LCD)または陰極線管(CRT)モニター)、英数字入力デバイス(例えば、キーボード)、カーソル制御デバイス(例えば、マウスまたはトラックパッド)、ディスクドライブユニット、シグナル生成デバイス(例えば、スピーカー)、タッチスクリーン、ボタン、加速度計、マイクロホン、セルラー無線周波数アンテナ、例えば、ネットワークインターフェースカード(NIC)、Wi-Fiカードもしくはセルラーモデムであり得るネットワークインターフェースデバイス、またはそれらの任意の組合せのうち1つまたは複数が含まれ得る。 Input / output devices 305 according to the present invention include video display units (eg, liquid crystal display (LCD) or cathode line tube (CRT) monitors), alphanumeric input devices (eg, keyboards), cursor control devices (eg, mice or tracks). A network that can be a pad), a disk drive unit, a signal generation device (eg, a speaker), a touch screen, a button, an accelerometer, a microphone, a cellular radio frequency antenna, such as a network interface card (NIC), a Wi-Fi card or a cellular modem. It may include one or more of the interface devices, or any combination thereof.

当業者は、任意の適切な開発環境またはプログラミング言語が、本発明の種々のシステムおよび方法のために、本明細書に記載される操作性を可能にするために用いられ得ることを認識する。例えば、本明細書のシステムおよび方法は、Perl、Python、C++、C#、Java(登録商標)、JavaScript(登録商標)、Visual Basic、Ruby on Rails、GroovyおよびGrails、または任意の他の適切なツールを使用して実装され得る。コンピューティングデバイス101について、native xCodeまたはAndroid Java(登録商標)を使用することが好ましい場合がある。 Those skilled in the art will recognize that any suitable development environment or programming language can be used to enable the operability described herein for the various systems and methods of the invention. For example, the systems and methods herein are Perl, Python, C ++, C #, Java®, JavaScript®, Visual Basic, Ruby on Rails, Groovy and Grails, or any other suitable. Can be implemented using tools. For the computing device 101, it may be preferable to use native xCode or Android Java®.

図11は、酵素的合成を介して作製された2つの異なる単一のホモポリマートラクトのポリアクリルアミドゲル電気泳動分析を示す。レーンAは、以下の全てのレーンにおいて使用される20マーの出発オリゴヌクレオチドの試料である。レーンBは、21マーの形成を示す、20マーのオリゴヌクレオチドおよび非可逆的ターミネーターddATPを含有するTdT反応からの試料である。レーンCは、37℃で1分間の後の、20マーおよび天然のヌクレオチドdATPを含有するTdT反応からの試料である。レーンDは、37℃で5分間の後の、レーンD中の同じ反応混合物の試料である。レーンEは、37℃で15分間の後の、レーンC中の同じ反応混合物の試料である。これら3つのレーンは、TdT伸長反応の間の約5分間での入力dATPの消費に起因するホモポリマー長制御、および5分間と15分間との間でホモポリマー成長が観察されないことを示す。レーンFは、37℃で1分間の後の、20マーオリゴヌクレオチドおよびヌクレオチドアナログN6-ベンゾイル-dATPを含有するTdT反応からの試料である。レーンGは、37℃で5分間の後の、レーンF中の反応混合物の試料である。レーンHは、37℃で15分間の後の、レーンF中の同じ反応混合物の試料である。レーンF~Hにおいて形成されたdABzホモポリマーの長さの間には、質的差異が存在するが、同じ長さ制御が、N6-修飾されたdATPアナログを用いた場合にも実証されている。 FIG. 11 shows polyacrylamide gel electrophoresis analysis of two different single homopolymeric tracts made via enzymatic synthesis. Lane A is a sample of 20 mer starting oligonucleotides used in all of the following lanes. Lane B is a sample from a TdT reaction containing a 20-mer oligonucleotide and a lossy terminator ddATP showing 21-mer formation. Lane C is a sample from a TdT reaction containing 20 mars and the natural nucleotide dATP after 1 minute at 37 ° C. Lane D is a sample of the same reaction mixture in Lane D after 5 minutes at 37 ° C. Lane E is a sample of the same reaction mixture in Lane C after 15 minutes at 37 ° C. These three lanes show homopolymer length control due to consumption of input dATP at about 5 minutes during the TdT elongation reaction, and no homopolymer growth observed between 5 and 15 minutes. Lane F is a sample from the TdT reaction containing the 20-mer oligonucleotide and the nucleotide analog N6-benzoyl-dATP after 1 minute at 37 ° C. Lane G is a sample of the reaction mixture in Lane F after 5 minutes at 37 ° C. Lane H is a sample of the same reaction mixture in Lane F after 15 minutes at 37 ° C. There are qualitative differences between the lengths of the dA Bz homopolymers formed in lanes F to H, but the same length control has also been demonstrated using N6-modified dATP analogs. There is.

分子アプローチに基づく分子記憶フォーマット中へのデジタルデータの書き込みは、テープまたはディスクなどの現在使用されている記憶媒体を超える利点を提供する。DNAベースの記憶は、達成可能な高い情報密度、極端に長い寿命、および休止期間の間の低いエネルギー消費に起因して、興味に火を点けてきた。今日まで、合成DNAを記憶媒体として使用するためのほとんどの試みには、一般的なホスホルアミダイト方法を使用する化学的合成が関与している。 Writing digital data into a molecular storage format based on a molecular approach offers advantages over currently used storage media such as tapes or discs. DNA-based memory has sparked interest due to its high achievable information density, extremely long lifespan, and low energy consumption during rest periods. To date, most attempts to use synthetic DNA as a storage medium involve chemical synthesis using common phosphoramidite methods.

DNAベースのデータ記憶は、既存の研究市場のために現在合成されているよりも、非常に大きい数の鎖を要求し得る。ヌクレオチド遮断またはターミネーターの除去に依存する任意の合成技術(化学的または酵素的)は、さらなるステップおよび複雑さを課すが、それは、試薬が、アレイ上の正しい位置に正しいヌクレオチドを方向付けるために、アドレス可能な方式で合成特色(すなわち、ウェルまたはスポット)のアレイに送達される必要があるからである。合成のアレイベースの方法は、以下のいくつかの方法のうち1つで実施され得る:1)活性化された反応物のバルク送達と、その後の、遮断基の選択的除去、または2)活性化された反応物のアドレス可能な送達と、その後の、バルク遮断基除去、または3)不活性反応物のバルク送達と、その後の、アドレス可能な活性化。大きい(10~10)2-Dアレイへの試薬のアドレス可能な送達は、一般に、各所望の位置へのインクジェット堆積を使用して達成される。データエンコーディングスキームが4つのヌクレオチドを使用する場合、4つの別々の書き込みヘッドが使用され、複雑なX-Y機械的方式でインデックス化されなければならない。さらに、インクジェット送達の使用は、各特色(ウェルまたはスポット)間の寸法を、低数十ミクロンに制限する。このプロセスにおける課題は、それがたとえどのように達成されるにしても、各合成サイクルのためのステップ時間を減少させることである。 DNA-based data storage can require a much larger number of strands than are currently synthesized for existing research markets. Any synthetic technique (chemical or enzymatic) that relies on nucleotide blockade or removal of the terminator imposes additional steps and complexity, in order for the reagent to orient the correct nucleotide in the correct position on the array. This is because they need to be delivered to an array of synthetic features (ie, wells or spots) in an addressable manner. Array-based methods of synthesis can be carried out in one of several methods: 1) bulk delivery of the activated reactants followed by selective removal of blocking groups, or 2) activity. Addressable delivery of the transformed reactants and subsequent bulk blocking group removal, or 3) bulk delivery of the Inactive reactants and subsequent addressable activation. Addressable delivery of reagents to large ( 104-10 6 ) 2-D arrays is generally achieved using inkjet deposition at each desired location. If the data encoding scheme uses 4 nucleotides, 4 separate writeheads are used and must be indexed in a complex XY mechanical manner. In addition, the use of inkjet delivery limits the dimensions between each spot (well or spot) to as low as tens of microns. The challenge in this process is to reduce the step time for each synthetic cycle, no matter how it is achieved.

ある特定の実施形態では、本発明のシステムおよび方法は、不活性反応混合物を、2-Dアレイ上の全ての特色に送達するステップ、次いで、AまたはGまたはCまたはTの付加を要求する特色のみを選択的に活性化するステップを含み得る。機械的動作に依存しない送達、活性化または遮断基除去のアドレス可能な方法が好ましい。好ましい実施形態は、反応物のバルク送達、およびヌクレオチドアナログからの遮断基の除去による特定の合成特色の選択的活性化を使用し、これは次いで、図15に示されるような迅速なDNAポリメラーゼ媒介性取り込みおよびホモポリマービットの形成を可能にし、したがって、ホモポリマーエンコードされた核酸メモリ鎖の高度に並行かつ迅速な合成を可能にする。ホモポリマーエンコードされた核酸情報ポリマーには、いくつかの他の利点が存在する:1)ホモポリマーエンコードされたビットは、次世代配列決定に関連するエラープロファイルを克服する、2)得られたポリマーは、非天然の核酸であり、したがって、バイオテロリストの活動に転用することができない。 In certain embodiments, the systems and methods of the invention deliver the Inactive Reaction Mixture to all features on the 2-D array, followed by features requiring the addition of A or G or C or T. It may include the step of selectively activating only. Addressable methods of mechanical operation-independent delivery, activation or blockade removal are preferred. A preferred embodiment uses bulk delivery of the reactants and selective activation of specific synthetic features by removal of blocking groups from nucleotide analogs, which is then rapidly mediated by DNA polymerase as shown in FIG. It allows for sex uptake and the formation of homopolymer bits, thus allowing highly parallel and rapid synthesis of homopolymer-encoded nucleic acid memory chains. Homopolymer-encoded nucleic acid information Polymers have several other advantages: 1) Homopolymer-encoded bits overcome error profiles associated with next-generation sequencing 2) Obtained polymers Is a non-natural nucleic acid and therefore cannot be diverted to bioterrorist activity.

鋳型非依存的ポリメラーゼDNA合成の送達および選択的活性化は、順次(Aを送達する->ホモポリマー合成をアドレス可能に活性化し、開始させる->洗浄する;Cを送達する->ホモポリマー合成をアドレス可能に活性化し、開始させる->洗浄する;Gを送達する->ホモポリマー合成をアドレス可能に活性化し、開始させる->洗浄する;Tを送達する->ホモポリマー合成をアドレス可能に活性化し、開始させる->洗浄する)または並行して(4つ全てのヌクレオチドを全ての特色に同時に送達する->A、C、G、Tを、同時にまたは順次、アドレス可能に活性化する->洗浄する)、実施され得る。この方式では、合成サイクルは、非常に効率的になり、以下の3つのステップのみを含む:反応物送達、取り込み反応活性化、次いで、次のサイクル開始の前の洗浄。反応は、気体もしくは液体による反応物の迅速な除去によって、またはクエンチ試薬の迅速な送達によって、停止される。好ましい実施形態では、クエンチ試薬は、金属キレーターである。 Delivery and selective activation of template-independent polymerase DNA synthesis sequentially (delivering A-> activating and initiating homopolymer synthesis addressably-> washing; delivering C-> homopolymer synthesis. Addressably activate and initiate-> wash; deliver G-> addressably activate and initiate homopolymer synthesis-> wash; deliver T-> address homopolymer synthesis Activate and initiate-> wash) or in parallel (deliver all four nucleotides to all features at the same time-> activate A, C, G, T in an addressable manner simultaneously or sequentially- > Wash), can be carried out. In this method, the synthetic cycle becomes very efficient and involves only three steps: reaction delivery, uptake reaction activation, and then washing before the start of the next cycle. The reaction is stopped by rapid removal of the reactants with a gas or liquid, or by rapid delivery of the quenching reagent. In a preferred embodiment, the quenching reagent is a metal chelator.

ホモポリマービットエンコーディングメモリ鎖を合成するために使用され得る装置のための好ましい設計は、鋳型非依存的酵素的合成を支持するために適切に修飾された、疎水的にパターン形成されたウェルの2-Dアレイから構成されるフローセルからなる。反応物を疎水性ウェルの2-Dアレイに送達した後、液体は、玉状になって、図16に示されるような、空間的に別個の反応ゾーンを規定する。 A preferred design for equipment that can be used to synthesize homopolymer bit-encoded memory chains is two of the hydrophobically patterned wells that are appropriately modified to support template-independent enzymatic synthesis. -Consists of a flow cell composed of a D array. After delivering the reactants to the 2-D array of hydrophobic wells, the liquid beals and defines spatially separate reaction zones as shown in FIG.

好ましい実施形態は、疎水性パターン形成によって4つの側面が囲まれたウェルの底部表面が、ウェルの底部表面に5’末端が結合した5’->3’配向の共有結合されたオリゴヌクレオチドイニシエーターで修飾される、実施形態である。別の実施形態では、ウェルは、フローセルの底部表面にくぼみをエッチングすることによって物理的に形成され、この場合、共有結合されたオリゴヌクレオチドイニシエーターは、ウェルの表面(底部および側面)に共有結合される。一部の場合には、ウェルは、ウェルを介した液体の流れを可能にするために、底部において開口している。他の場合には、ウェルは、底部において閉鎖されている。 A preferred embodiment is a covalently bound oligonucleotide initiator with a 5'-> 3'orientation in which the bottom surface of the well, whose four sides are surrounded by hydrophobic patterning, is bound to the bottom surface of the well with a 5'end. It is an embodiment modified by. In another embodiment, the wells are physically formed by etching depressions on the bottom surface of the flow cell, where the covalent oligonucleotide initiator is covalently bonded to the surface (bottom and sides) of the wells. Will be done. In some cases, the wells are open at the bottom to allow the flow of liquid through the wells. In other cases, the wells are closed at the bottom.

3’-OHにおいて保護されたヌクレオチドアナログは、一般に、市販のまたはWTのTdT酵素では不活性である(米国特許第10,059,929号)。したがって、3’-遮断されたdNTPアナログ、TdTタンパク質および適切な補因子の混合物は、ホモポリマー形成をほとんど~全く伴わずに、37℃で、イニシエーターオリゴヌクレオチドの存在下で一緒に混合され得る。3’-OHが、保護基または遮断基の除去によって「デケージングされる」(すなわち、非遮断状態にされる)と、得られたヌクレオチドは、自由継続取り込み(free running incorporation)およびホモポリマー形成のために利用可能である。「送達なしの」方法によって達成され得るデケージングが好ましい。活性化エネルギー、例えば、光、熱、pH変化の電気化学的生成または還元剤の投与またはそれらへの曝露によるアドレス可能な3’-OHデケージングを可能にするように構築されたアナログが好ましい。これらのデケージングまたは非遮断反応の各々は、光透過性のカバーを介した機械的に指向可能な光(例えば、図17)、個々にアドレス可能なヒーター(例えば、図18)、電気化学的に誘導されたpH変化、または還元条件の生成のいずれかを用いて、適切に構築されたフローセルにおいて達成され得る。 Nucleotide analogs protected in 3'-OH are generally inactive with commercially available or WT TdT enzymes (US Pat. No. 10,059,929). Thus, a mixture of 3'-blocked dNTP analogs, TdT proteins and suitable cofactors can be mixed together in the presence of initiator oligonucleotides at 37 ° C. with little to no homopolymerization. .. When 3'-OH is "decagged" (ie, unblocked) by removal of protecting or blocking groups, the resulting nucleotides are of free running incorporation and homopolymerization. Is available for. Decaging that can be achieved by the "no delivery" method is preferred. Analogs constructed to allow addressable 3'-OH decay by the administration of or exposure to activation energies such as light, heat, pH changes, or reducing agents are preferred. Each of these decaging or non-blocking reactions includes mechanically directional light through a light transmissive cover (eg, FIG. 17), individually addressable heaters (eg, FIG. 18), electrochemically. It can be achieved in a well-constructed flow cell using either the induced pH change or the generation of reducing conditions.

例示されたフローセル設計の各々は、その周りの疎水性パターン形成によって束縛された液滴中に含有されるヌクレオチドのアドレス可能なデケージングの方法と適合性である。図19は、光デケージングされたヌクレオチドアナログの使用のために設計されたフローセルと共に使用され得る装置を例示する。当業者に公知の他の実施形態および構成が、この目的のために可能である。 Each of the illustrated flow cell designs is compatible with the method of addressable decaying of nucleotides contained in the droplets bound by hydrophobic patterning around them. FIG. 19 illustrates an apparatus that can be used with a flow cell designed for the use of photodecayed nucleotide analogs. Other embodiments and configurations known to those of skill in the art are possible for this purpose.

各デケージング機構は、システムにおける使用のために選択された物理化学的プロセスのために特に設計されたヌクレオチドアナログを要求する:

Figure 2022532995000001
Each decugging mechanism requires a nucleotide analog specifically designed for the physicochemical process selected for use in the system:
Figure 2022532995000001

一部の実施形態では、光媒介性デケージングに適切なヌクレオチドアナログは、3’-O-(2-ニトロ-ベンジル)-dNTPである。一部の実施形態では、熱媒介性デケージングに適切なヌクレオチドアナログは、3’-O-(テトラヒドロフラニル)-dNTPである。一部の実施形態では、還元媒介性デケージングに適切なヌクレオチドアナログは、3’-O-メチル-ジチオメチル-dNTPである。得られた3’-OH修飾ヌクレオチドアナログが鋳型非依存的ポリメラーゼの基質ではなく、「送達なしの」方法、例えば、光、熱または電気化学的に生成された反応物によって容易に除去される限り、多くの他の3’-OH保護基が適切である。本明細書に記載される3’-O修飾が、鋳型非依存的ポリメラーゼの基質であると明示的に述べられ、可逆的ターミネーターと呼ばれる限り、これらのdNTPアナログの組成は、WO2016/034807に記載されるものとは異なる。本発明の主題は、明示的にポリメラーゼの基質ではなく、除去されて重合の進行を可能にするまでdNTPをケージングするように機能する3’-O-遮断基である。Mathews AS et al (2016)は、天然の非ホモポリマーオリゴヌクレオチドの制御された酵素的合成のための可逆的ターミネーターとしての3’-O-(2-ニトロベンジル)-dNTPアナログの使用を記載している。彼らは、極端に長い(約1時間)酵素反応時間を使用することによるDNA合成のための基質としてのかかるヌクレオチドの使用を明示的に教示しており、さらに、複数のヌクレオチドの酵素的重合を開始させるためのケージング基としてのこれらのアナログの使用を教示している本特許の主題とは対照的に、可逆的ターミネーターとしてのそれらの使用を明示的に教示している。自由継続ホモポリマー合成の開始は、ケージングされたdNTPアナログ以外の方法によって達成され得る。一部の実施形態は、Church 9,928,869号(2018)に記載されるように、ssDNA合成を開始および停止させるためにポリメラーゼの流体パルスを使用し得る。Reza et al WO2017/196783では、鋳型依存的な酵素的合成は、電気化学的に生成されたpH変化によるポリメラーゼの活性化によって開始される。3’-O-可逆的ターミネーターを含む修飾ヌクレオチドアナログは記載されているが、いずれの特許も、ケージングされたdNTPアナログのデケージングを使用するホモポリマー合成の活性化については教示していない。Church 9,928,869号(2018)は、天然のdNTPを使用し、形成されるホモポリマーの長さを反応持続時間によって制御する、自由継続ホモポリマー合成を記載している。Lee HR et al (2018)は、2Dアレイ上の複数の反応ゾーンに天然のヌクレオチドを堆積させ、アピラーゼを用いて未反応の未修飾dNTPを積極的に破壊することによってホモポリマー形成の長さを制御するための、機械的送達の使用を記載している。本特許の主題の一部の実施形態では、未修飾の3’-OHを有する、ホモポリマー速度調節修飾されたdNTPアナログが、流体パルスまたは機械的XY送達またはpH活性化された鋳型非依存的DNAポリメラーゼのいずれかと組み合わせて使用される。 In some embodiments, a suitable nucleotide analog for photomediated decay is 3'-O- (2-nitro-benzyl) -dNTP. In some embodiments, a suitable nucleotide analog for heat-mediated decaying is 3'-O- (tetrahydrofuranyl) -dNTP. In some embodiments, a suitable nucleotide analog for reduction-mediated decaying is 3'-O-methyl-dithiomethyl-dNTP. As long as the resulting 3'-OH modified nucleotide analog is not a substrate for a template-independent polymerase and is easily removed by a "delivery-free" method, eg, a photo, thermal or electrochemically produced reactant. , Many other 3'-OH protecting groups are suitable. As long as the 3'-O modifications described herein are explicitly stated to be substrates for template-independent polymerases and are referred to as reversible terminators, the composition of these dNTP analogs is described in WO 2016/034807. Different from what is done. The subject of the present invention is not an explicit polymerase substrate, but a 3'-O-blocking group that functions to cage dNTPs until they are removed and allow the polymerization to proceed. Mathews AS et al (2016) described the use of 3'-O- (2-nitrobenzyl) -dNTP analogs as reversible terminators for the controlled enzymatic synthesis of natural non-homopolymer oligonucleotides. ing. They explicitly teach the use of such nucleotides as substrates for DNA synthesis by using extremely long (about 1 hour) enzymatic reaction times, as well as enzymatic polymerization of multiple nucleotides. In contrast to the subject matter of this patent, which teaches the use of these analogs as caging groups to initiate, they explicitly teach their use as reversible terminators. Initiation of free-continuation homopolymer synthesis can be achieved by methods other than caged dNTP analogs. Some embodiments may use a fluid pulse of the polymerase to start and stop ssDNA synthesis, as described in Church 9,928,869 (2018). In Reza et al WO2017 / 196783, template-dependent enzymatic synthesis is initiated by the activation of polymerase by electrochemically generated pH changes. Although modified nucleotide analogs containing 3'-O-reversible terminators have been described, neither patent teaches the activation of homopolymer synthesis using the decaging of caged dNTP analogs. Church 9,928,869 (2018) describes free-continuation homopolymer synthesis using natural dNTPs, in which the length of homopolymers formed is controlled by reaction duration. Lee HR et al (2018) demonstrated the length of homopolymerization by depositing natural nucleotides in multiple reaction zones on a 2D array and aggressively disrupting unreacted unmodified dNTPs with apillases. Describes the use of mechanical delivery to control. In some embodiments of the subject matter of this patent, homopolymer rate-regulated modified dNTP analogs with unmodified 3'-OH are fluid pulsed or mechanically XY delivered or pH activated template-independent. Used in combination with any of the DNA polymerases.

図20および21は、光媒介性デケージングの動態を示す。鋳型非依存的ポリメラーゼ反応混合物中の3’-ケージングされたdNTPは、ポリメラーゼの基質に変換されると、新生ホモポリマー鎖へと重合される。利用可能なケージングされていないdNTPは、ポリメラーゼによって容易に取り込まれるので、ケージングされていない(基質)dNTPへの、ケージングされたdNTPの完全な変換は要求されない。デケージングされると、所望のホモポリマーの長さは、生成されたデケージングされたdNTPの濃度および/または酵素的に媒介される取り込み反応の時間を制御することによって制御される。 20 and 21 show the dynamics of photomediated decaying. The 3'-caged dNTPs in the template-independent polymerase reaction mixture are polymerized into nascent homopolymer chains when converted to the polymerase substrate. Since the available uncaged dNTPs are easily incorporated by the polymerase, complete conversion of the caged dNTPs to uncaged (substrate) dNTPs is not required. Once decaged, the length of the desired homopolymer is controlled by controlling the concentration of decaged dNTPs produced and / or the time of the enzymatically mediated uptake reaction.

図22は、可視波長の光でデケージングされることができ調節可能な光物理的特性を示す3’-O修飾でケージングされた2つのヌクレオチドアナログの例を示しており(Peterson J.A., et al J. Amer. Chem. Soc. 2018 140:7343-6)、これは、2つの異なるホモポリマー鎖配列の同時の導入、デケージングおよび合成を可能にする。一部の実施形態では、2つの異なる波長の光によってデケージングされることが可能な2つの異なる3’-ケージング種で修飾されたヌクレオチドアナログが、合成位置の2Dアレイに同時に送達される。別の実施形態では、4つの異なる光除去可能な3’-ケージング種で修飾された4つのdNTPアナログが、合成位置の2Dアレイに同時に送達され、4つの異なる波長の光でデケージングされる。デケージング反応は、2Dアレイ上の1セットの位置に対して逐次的に実施され得、その後、2つの残りのdNTPの送達および引き続く逐次的デケージングが行われ、そうして、全ての情報ポリマーの長さを1ヌクレオチド増加させる1ラウンドを完了する。代替的な実施形態では、4つの異なる3’-ケージング種で修飾された4つのdNTPアナログが、同時に送達され得、4つの異なる波長の光のうちの1つへの各合成特色の同時曝露によってデケージングされ得る。図19に示されるものなどのハードウェア構成が、2つまたはそれよりも多くの波長特異的光源、および2D光方向付けシステム上に2つまたはそれよりも多くの光源のうち1つを方向付けるための適切なシャッター機構の取り込みによる多色デケージングのために使用され得る。 FIG. 22 shows an example of two nucleotide analogs caged with a 3'-O modification that can be decaged with visible wavelength light and exhibits adjustable photophysical properties (Peterson J.A., et al J). Amer. Chem. Soc. 2018 140: 7343-6), which allows the simultaneous introduction, decugging and synthesis of two different homopolymer chain sequences. In some embodiments, nucleotide analogs modified with two different 3'-caging species that can be decaged by two different wavelengths of light are delivered simultaneously to the 2D array at the synthetic position. In another embodiment, four dNTP analogs modified with four different photoremovable 3'-caging species are simultaneously delivered to the 2D array at the synthetic position and decaged with four different wavelengths of light. The decagging reaction can be carried out sequentially for one set of positions on the 2D array, followed by delivery of the two remaining dNTPs and subsequent sequential decugging, thus the length of all information polymers. Complete one round of increasing the number by one nucleotide. In an alternative embodiment, four dNTP analogs modified with four different 3'-caging species can be delivered simultaneously by simultaneous exposure of each synthetic feature to one of four different wavelengths of light. Can be decayed. Hardware configurations, such as those shown in FIG. 19, direct two or more wavelength-specific light sources, and one of two or more light sources on a 2D light orientation system. Can be used for multicolor decay by incorporating a suitable shutter mechanism for.

図23は、サイクル#1、6、8、10、12においてUV光デケージングされた3’-oNBn-dATPが組み入れられたdCTP、dGTP、dTTPを使用するホモポリマー合成の連続的サイクルからなる12ビットの情報鎖の合成を示す。取り込み反応は、気体または液体のいずれかのボーラスの導入による酵素反応成分の迅速な除去が含まれるがこれに限定されない、いくつかの方法によって終結され得る。一部の実施形態では、液体が、反応成分を単純にリンスして除くが、他の実施形態では、リンス液体は、EDTAなどの能動的クエンチ剤または他の酵素阻害剤を含有する。 FIG. 23 is a 12-bit consisting of a continuous cycle of homopolymer synthesis using dCTP, dGTP, dTTP incorporating UV photodecagged 3'-oNBn-dATP in cycles # 1, 6, 8, 10, 12 The synthesis of the information chain of is shown. The uptake reaction can be terminated by several methods, including but not limited to the rapid removal of enzymatic reaction components by the introduction of either a gaseous or liquid bolus. In some embodiments, the liquid simply rinses away the reaction components, but in other embodiments, the rinse liquid contains an active quenching agent such as EDTA or other enzyme inhibitor.

別の実施形態では、dNTPをケージングする方法は、3’-OHの代わりのヌクレオチド塩基への修飾が関与する立体機構によって媒介され得る。好ましい実施形態では、未修飾の3’-OHを有するヌクレオチドは、A、C、GまたはTのそれぞれN6、N4、N2、O4において、dNTPをケージングする除去可能な立体遮断基(取り込み遮断因子)によって修飾される。ホモポリマー合成は、立体遮断基の光媒介性、熱媒介性または還元媒介性のいずれかの切断によって、したがって、自由継続ホモポリマー合成に適切な天然のヌクレオチドの「アンケージング(uncaging)」によって、開始され得る。 In another embodiment, the method of caged dNTPs can be mediated by a steric mechanism involving modification to nucleotide bases instead of 3'-OH. In a preferred embodiment, the nucleotide with unmodified 3'-OH is a removable steric blocking group (uptake blocking factor) that cages dNTPs at N6, N4, N2, O4 of A, C, G or T, respectively. Qualified by. Homopolymer synthesis is carried out by either photo-mediated, heat-mediated or reduction-mediated cleavage of the stereoblocking group, and thus by "uncaging" of natural nucleotides suitable for free-continuation homopolymer synthesis. Can be started.

一部の実施形態では、修飾ヌクレオチドは、除去されるまでdNTPをケージングされた状態にする、したがって、取り込み不能にする1つの部分を含有するリンカーで構成され、別の部分は、複数のホモポリマートラクト合成の間中、共有結合したままである。一部の実施形態では、プリンまたはピリミジン塩基は、2つの位置において修飾され、一方の修飾は、ヌクレオチドをケージングし、酵素的取り込みを防止するが、他方の修飾は、ポリマー合成の間中共有結合したままである;各修飾は、各々の選択的除去を可能にする異なる機構によって除去可能である。一部の実施形態では、プリンまたはピリミジン塩基は、2つの位置において修飾され、各々の修飾は、各々の選択的除去を可能にする異なる機構によって除去可能である。 In some embodiments, the modified nucleotide is composed of a linker containing one moiety that keeps the dNTP caged until removed, thus making it incapable of uptake, and the other portion is composed of multiple homopolymers. It remains covalent throughout tract synthesis. In some embodiments, the purine or pyrimidine base is modified at two positions, one modification cages the nucleotide and prevents enzymatic uptake, while the other modification is a covalent bond throughout polymer synthesis. Remains; each modification can be removed by a different mechanism that allows for each selective removal. In some embodiments, the purine or pyrimidine base is modified at two positions, and each modification can be removed by a different mechanism that allows for selective removal of each.

ホモポリマービットデータ鎖を読み取るために使用される配列検出モダリティに依存して、傷なしでまたは傷を伴ってヌクレオチドを生じる適切なdNTPアナログ修飾が設計され得る。合成による配列決定(SBS)に依存する読み出し方法について、プリンまたはピリミジンに対する全ての修飾は、ホモポリマー合成の後であるがSBS読み出しの前に除去されなければならない。1つまたは複数のナノポアを介したポリマートランスロケーションの間の電流モジュレーションに依存する読み出し方法について、互いから容易に識別可能な、プリンおよびピリミジンに対する修飾が所望される。一部の実施形態では、ホモポリマー合成の間のポリメラーゼ動態を調節する修飾が、プリンおよびピリミジン塩基に対してなされる。これらの「速度調節」修飾は、ナノポア検出のための電流モジュレーターとしても作用し得、またはSBS検出のために除去され得る。 Depending on the sequence detection modality used to read the homopolymer bit data strand, a suitable dNTP analog modification that yields nucleotides without or with scratches can be designed. For synthetic sequencing (SBS) -dependent readout methods, all modifications to purine or pyrimidine must be removed after homopolymer synthesis but prior to SBS readout. Modifications to purines and pyrimidines that are readily distinguishable from each other are desired for current modulation-dependent readout methods between polymer translocations via one or more nanopores. In some embodiments, modifications are made to purine and pyrimidine bases that regulate polymerase kinetics during homopolymer synthesis. These "velocity control" modifications can also act as current modulators for nanopore detection or can be removed for SBS detection.

活性化の機構にかかわらず、自由継続ホモポリマー合成の長さを制御することは、重要である。理想的には、2~4ヌクレオチドのホモポリマーが望ましい。天然のヌクレオチドの存在下では、TdTは、個々のヌクレオチドのKm(A>T>G>C)に対応する核酸塩基に基づいてホモポリマーを形成する傾向を有する。Lee HR et al (2018)によって指摘されたように、欠失頻度を増加させることなしにホモポリマー成長を制限することは困難である。上記の著者らは、ホモポリマー成長を2~3ヌクレオチドに制限するための試みにおいて、約66%の欠失エラーを報告している。TdTは、分散性の様式で動作して、自由継続合成においてホモポリマー長のポアソン分布をもたらすと報告されているが、実務上、長い酵素的伸長反応時間がなければ、ホモポリマー合成の間にイニシエーター核酸の完全な変換を駆動することは困難である。短すぎる自由継続ホモポリマー合成反応時間は、上に報告されるように、ビット欠失エラーをもたらす。長すぎるホモポリマー合成反応時間は、過度に長いホモポリマー形成および低効率のデータ密度をもたらす。1つの解法は、複数の塩基取り込みの速度を調節するが、全てのステップにおいて除去を要求するわけではない修飾ヌクレオチドアナログを使用することであり、そうして、開始核酸の完全な変換、形成されるホモポリマーの長さの制御を可能にし、本特許の主題である単純な2ステップサイクルを維持する。理想的には、情報ポリマー中のホモポリマートラクトは、2ヌクレオチドよりも大きいが、4またはそれ未満のヌクレオチド長である。 Regardless of the mechanism of activation, it is important to control the length of free-continuing homopolymer synthesis. Ideally, homopolymers of 2-4 nucleotides are desirable. In the presence of native nucleotides, TdT tends to form homopolymers based on the nucleobases corresponding to Km (A> T> G> C) of the individual nucleotides. As pointed out by Lee HR et al (2018), it is difficult to limit homopolymer growth without increasing the frequency of deletion. The above authors report a deletion error of approximately 66% in an attempt to limit homopolymer growth to 2-3 nucleotides. TdT has been reported to operate in a dispersive manner, resulting in a Poisson distribution of homopolymer length in free-continuation synthesis, but in practice, in the absence of long enzymatic elongation reaction times, during homopolymer synthesis. It is difficult to drive the complete conversion of initiator nucleic acids. Free-continuing homopolymer synthesis reaction times that are too short result in bit deletion errors, as reported above. Too long homopolymer synthesis reaction times result in overly long homopolymer formation and inefficient data density. One solution is to use modified nucleotide analogs that regulate the rate of multiple base uptake but do not require removal at every step, thus resulting in complete conversion and formation of the starting nucleic acid. Allows control of the length of homopolymers and maintains the simple two-step cycle that is the subject of this patent. Ideally, the homopolymer tract in the information polymer is greater than 2 nucleotides but has a nucleotide length of 4 or less.

必要に応じて、ホモポリマー長を制限する修飾は、合成の終了時に全てのヌクレオチドから除去され得、そうして、SBS検出に適切な天然のDNA分子を生成する。上記デケージング条件と化学的に適合性の修飾が最も望ましい;これらは、デケージングのために使用されるものとは直交的な化学的条件によって除去可能でなければならない。一部の実施形態では、3’-OHは、3’-O-(2-ニトロベンジル)によってケージングされるが、dAのN6、dCのN4、dGのN2およびdTのO4またはN3は、自由継続酵素的ホモポリマー合成の間の複数の付加を調節する非終結性部分で修飾される。図24は、速度調節修飾の存在下および非存在下での自由継続ホモポリマー合成の比較を示す。一部の実施形態では、ホモポリマー合成速度調節修飾は、4つ全てのヌクレオチドアナログについて同じであるが、別の実施形態では、修飾は、dATP、dCTP、dGTPおよびdTTPアナログの各々について異なる。一部の実施形態では、速度制限的修飾は、全合成の間、その位置にあり続ける。 If desired, homopolymer length limiting modifications can be removed from all nucleotides at the end of synthesis, thus producing a natural DNA molecule suitable for SBS detection. Modifications that are chemically compatible with the decaging conditions described above are most desirable; they must be removable by chemical conditions that are orthogonal to those used for decaging. In some embodiments, 3'-OH is caged by 3'-O- (2-nitrobenzyl), but N6 of dA, N4 of dC, N2 of dG and O4 or N3 of dT are free. It is modified with a non-terminating moiety that regulates multiple additions during continuous enzymatic homopolymer synthesis. FIG. 24 shows a comparison of free-continuation homopolymer synthesis in the presence and absence of rate-regulating modifications. In some embodiments, the homopolymer synthesis rate-regulating modifications are the same for all four nucleotide analogs, but in other embodiments, the modifications are different for each of the dATP, dCTP, dGTP and dTTP analogs. In some embodiments, the rate limiting modification remains in that position during total synthesis.

図25および26は、異なって修飾された2つのヌクレオチドアナログの2回の連続的付加サイクルの結果を示す。別の実施形態では、新生情報ポリマーは、ホモポリマー速度制限的修飾の部分的または完全な除去を生じる化学的条件を有する周期的または交互になったサイクルに曝露される。クラス2 dNTPアナログの使用の一部の実施形態では、以前に取り込まれた速度調節修飾は、酵素的伸長反応混合物の交互になったサイクルに穏やかな還元剤を含めることによって、ポリメラーゼ伸長と同時に除去される。 Figures 25 and 26 show the results of two consecutive addition cycles of two differently modified nucleotide analogs. In another embodiment, the nascent information polymer is exposed to periodic or alternating cycles with chemical conditions that result in partial or complete removal of homopolymer rate limiting modifications. In some embodiments of the use of class 2 dNTP analogs, previously incorporated rate-regulating modifications are removed at the same time as polymerase extension by including a mild reducing agent in the alternating cycle of the enzymatic extension reaction mixture. Will be done.

非SBS方法の読み出し(すなわち、ナノポア)が使用される場合、ホモポリマー速度調節修飾は、切断不能な連結を用いて共有結合され得、読み出しの間、その位置に残され得る。一部の実施形態では、ホモポリマー速度調節修飾は、読み出しプロセスの間に情報をエンコードするためにも使用され得る。好ましい実施形態では、ホモポリマー合成速度調節アナログは、ナノポアトランスロケーションの間の電流を調節するようにも設計され、さらに、2つまたはそれよりも多くの検出可能で識別可能な電流遮断レベルを提供するように選択される。別の実施形態では、単一の型のヌクレオチドのみ(すなわち、AまたはCまたはGまたはT)が、情報鎖合成において使用され、ホモポリマービットは、2つまたはそれよりも多くの差次的電流遮断生成性修飾によってエンコードされる。 If a non-SBS method of readout (ie, nanopore) is used, the homopolymer rate-regulating modification can be covalently bonded using a non-cleavable link and can be left in that position during the readout. In some embodiments, homopolymer rate-regulating modifications can also be used to encode information during the readout process. In a preferred embodiment, the homopolymer synthesis rate-regulating analog is also designed to regulate the current between nanopore translocations, and also provides two or more detectable and identifiable current interruption levels. Is selected to do. In another embodiment, only a single type of nucleotide (ie, A or C or G or T) is used in information chain synthesis, and homopolymer bits are two or more differential currents. Encoded by blockade generative modification.

図27~30は、ペプチド修飾されたdNTPアナログの酵素的に合成されたホモポリマーのソリッドステートナノポアによる検出の例を示す。5アミノ酸ペプチドへの切断可能なジスルフィド連結によって修飾されたdTTPアナログ(N-Ac-CYPEE)を使用して、100nt長よりも長い自由継続ホモポリマー合成を介して、完全に修飾された分子を生成した。500mVでの2D窒化ケイ素30nm厚ナノポアを介したトランスロケーションは、未修飾のdUホモポリマー(Goeppert LLC、Philadelphia、PAの厚意による)と比較して、大きいシグナルの振れを生じた。 Figures 27-30 show examples of detection by solid-state nanopores of enzymatically synthesized homopolymers of peptide-modified dNTP analogs. Using a dTTP analog (N-Ac-CYPEE) modified by a cleavable disulfide ligation to a 5-amino acid peptide, a fully modified molecule is produced via free-continuation homopolymer synthesis longer than 100 nt in length. did. Translocation via a 30 nm thick nanopore of 2D silicon nitride at 500 mV resulted in a large signal runout compared to unmodified dU homopolymers (courtesy of Goeppert LLC, Philadelphia, PA).

以下の表は、3つの異なる「送達なしの」ホモポリマー合成活性化アプローチおよび2つの異なるホモポリマーエンコードされた核酸メモリ鎖読み出し技術のために有用な、6つの異なるクラスの修飾されたdNTPアナログを記載する。

Figure 2022532995000002
The table below lists six different classes of modified dNTP analogs that are useful for three different "no delivery" homopolymer synthesis activation approaches and two different homopolymer-encoded nucleic acid memory chain readout techniques. Describe.
Figure 2022532995000002

クラスIを構成する4つの光媒介性デケージングヌクレオチドアナログの例が以下に示される:

Figure 2022532995000003
Examples of the four photomediated decagging nucleotide analogs that make up Class I are shown below:
Figure 2022532995000003

このクラスのアナログは、光媒介性デケージングの際に天然の非修飾dNTPになる3’-O-ケージングされたdNTPを示している。デケージングされると、ホモポリマー形成の速度は、天然のヌクレオチドのものと異ならず、形成されるホモポリマーの長さは、鋳型非依存的ポリメラーゼ反応配合物への添加物によって調節される必要がある。一部の実施形態では、テトラヒドロピラニル、4-メトキシ-テトラヒドロピラニル、テトラヒドロフラニル、アセチル、メトキシアセチルまたはフェノキシアセチル修飾が、3’-O遮断されたdNTPアナログの熱誘発性のデケージングのために有用である。一部の実施形態では、-O-CH-S-S-Rなどの3’-O-アナログが、還元条件によって電気化学的に媒介されるデケージングのために有用である。クラスI dNTPアナログは、古典的な合成による配列決定またはラチェットスタイルのナノポアのいずれかによる読み出しに適切な未修飾のホモポリマーを生じるヌクレオチドによって特徴付けられる。両方の場合において、ホモポリマーの長さにおける精度は必要ないが、ホモポリマー間の遷移の正確な検出は要求される。 This class of analogs represents a 3'-O-caged dNTP that becomes a natural unmodified dNTP during photomediated decaying. Once decaged, the rate of homopolymer formation does not differ from that of native nucleotides, and the length of homopolymers formed needs to be regulated by additives to the template-independent polymerase reaction formulation. .. In some embodiments, tetrahydropyranyl, 4-methoxy-tetrahydropyranyl, tetrahydrofuranyl, acetyl, methoxyacetyl or phenoxyacetyl modifications are due to the heat-induced decaying of the 3'-O blocked dNTP analog. It is useful. In some embodiments, 3'-O-analogs such as -O-CH 2 -SSR are useful for electrochemically mediated decaging by reducing conditions. Class I dNTP analogs are characterized by nucleotides that give rise to unmodified homopolymers suitable for retrieval by either classical synthetic sequencing or ratchet-style nanopores. In both cases, accuracy in homopolymer length is not required, but accurate detection of transitions between homopolymers is required.

直交的に除去可能なペプチド速度調節修飾を有する4つのクラスII光媒介性デケージングヌクレオチドアナログの例が以下に示される:

Figure 2022532995000004
Figure 2022532995000005
Examples of four Class II photomediated decaging nucleotide analogs with orthogonally removable peptide rate-regulating modifications are shown below:
Figure 2022532995000004
Figure 2022532995000005

クラスII dNTPアナログとの使用のためのペプチド修飾は、1つのホモポリマー型(A、C、G、T)から次のホモポリマー型への遷移を検出するのに十分に敏感な、SBSに依存する配列決定方法またはナノポアを介したトランスロケーションによる引き続く問い合わせのために、情報ポリマー合成の終了時に除去されることが意図される。本出願における使用に適切なペプチドは、異なる組成の未修飾の鎖または修飾された鎖の完全な変換の前の長いホモポリマー形成を防止するために、修飾ヌクレオチドアナログの取り込みの速度を減速させる。一部の実施形態では、取り込み速度調節修飾は、4つのヌクレオチドアナログについて、1、2、3または4つの異なるペプチドからなり得る。一部の実施形態では、ペプチドは、穏やかな化学的条件下で切断可能な自己犠牲的傷を有するジスルフィドリンカーを介して、ヌクレオチドに連結される。一部の実施形態では、ペプチドは、これらに限定されないが、Ac-EECGY、Ac-EEGCGW、Ac-EEGCGGW、Ac-EC-pNA、Ac-CWEE、Ac-CYPEE、Ac-EEGCPPW、Ac-CPYEE、Ac-CPWEE、Ac-CWPEEからなり得る。多くの他のペプチド配列および組成が、当業者に可能である。全体的なアニオン性組成を有するペプチドが最も適切と思われる;カチオン性組成を有するペプチドは、Finn PS et al 2003によって以前に指摘されたように、ヌクレオチドの取り込みの速度を加速させる。残留する傷を残すことなしに完成したホモポリマーDNA鎖のヌクレオチドからそれらを除去する能力が維持されている限り、システインアミノ酸へのジスルフィドを介したもの以外のヌクレオチドへの共有結合的連結を有するペプチドが可能である。チオラクトンの形成により穏やかな条件下で排除されるジスルフィド切断媒介性自己犠牲的リンカーが、特に有用である。 Peptide modifications for use with Class II dNTP analogs are SBS-dependent, sensitive enough to detect the transition from one homopolymer type (A, C, G, T) to the next homopolymer type. It is intended to be removed at the end of information polymer synthesis due to subsequent sequencing methods or subsequent queries by translocation via nanopores. Peptides suitable for use in this application slow down the rate of uptake of modified nucleotide analogs to prevent long homopolymer formation prior to complete conversion of unmodified or modified strands of different composition. In some embodiments, the uptake rate regulatory modification can consist of 1, 2, 3 or 4 different peptides for 4 nucleotide analogs. In some embodiments, the peptide is linked to a nucleotide via a disulfide linker that has a self-sacrificing wound that can be cleaved under mild chemical conditions. In some embodiments, the peptides are, but are not limited to, Ac-EECGY, Ac-EEGCGW, Ac-EEGCGGW, Ac-EC-pNA, Ac-CWEE, Ac-CYPEE, Ac-EEGCPPW, Ac-CPYEE, It can consist of Ac-CPWEE and Ac-CWPEE. Many other peptide sequences and compositions are available to those of skill in the art. Peptides with an overall anionic composition appear to be most suitable; peptides with a cationic composition accelerate the rate of nucleotide uptake, as previously pointed out by Finn PS et al 2003. Peptides with covalent linkages to nucleotides other than those via disulfides to cysteine amino acids, as long as the ability to remove them from the nucleotides of the completed homopolymer DNA strands without leaving residual scars is maintained. Is possible. Disulfide cleavage-mediated self-sacrificing linkers, which are eliminated under mild conditions by the formation of thiolactone, are particularly useful.

以下は、光媒介性デケージングおよび直交的に除去可能な非ペプチドホモポリマー合成速度調節修飾を有するクラスIIの4つのヌクレオチドの例である:

Figure 2022532995000006
The following are examples of four Class II nucleotides with photomediated decaying and orthogonally removable non-peptide homopolymer synthesis rate regulatory modifications:
Figure 2022532995000006

アデニンのN6、シチジンのN4、グアニンのN2およびチミンのN3に対する非ペプチド修飾は、取り込み速度モジュレーターとして作用し得る。一部の実施形態では、アセチル、ジアセチル、イソブチリル、プロピオニル(proprionyl)、ピバロイル、ベンゾイル、シクロヘキシルおよび他の有機修飾剤が有用である。この型の修飾剤は、限定されないがアンモノリシスによって、情報ポリマー合成後に除去される。クラスII dNTPアナログは、古典的な合成による配列決定またはラチェットスタイルのナノポアのいずれかによる読み出しに適切な未修飾のホモポリマーを生じるヌクレオチドによって特徴付けられる。両方の場合において、ホモポリマーの長さにおける精度は必要ないが、ホモポリマー間の遷移の正確な検出は要求される。 Non-peptide modifications to adenine N6, cytidine N4, guanine N2 and thymine N3 can act as uptake rate modulators. In some embodiments, acetyl, diacetyl, isobutyryl, proprionyl, pivaloyl, benzoyl, cyclohexyl and other organic modifiers are useful. This type of modifier is removed after the synthesis of the information polymer by ammonolysis, but not limited to. Class II dNTP analogs are characterized by nucleotides that give rise to unmodified homopolymers suitable for retrieval by either classical synthetic sequencing or ratchet-style nanopores. In both cases, accuracy in homopolymer length is not required, but accurate detection of transitions between homopolymers is required.

以下は、未修飾の3’-OHおよびプリンまたはピリミジン上の除去可能な取り込みケージング修飾を有する2つのクラスIIIヌクレオチドアナログの例である:

Figure 2022532995000007
The following are examples of two Class III nucleotide analogs with unmodified 3'-OH and removable uptake caging modifications on purines or pyrimidines:
Figure 2022532995000007

一部の実施形態では、2-ニトロベンジル官能基への有用なケージング修飾は、ペプチド、環状ペプチド、PEG、分岐鎖PEG、スターPEG、デンドリマー、ナノ粒子などであるがこれらに限定されない嵩高い修飾である。クラスIII dNTPアナログもまた、古典的な合成による配列決定またはラチェットスタイルのナノポアのいずれかによる読み出しに適切な未修飾のホモポリマーを生じるヌクレオチドによって特徴付けられる。両方の場合において、ホモポリマーの長さにおける精度は必要ないが、ホモポリマー間の遷移の正確な検出は要求される。 In some embodiments, useful caging modifications to 2-nitrobenzyl functional groups are bulky modifications such as, but not limited to, peptides, cyclic peptides, PEGs, branched chain PEGs, star PEGs, dendrimers, nanoparticles and the like. Is. Class III dNTP analogs are also characterized by nucleotides that give rise to unmodified homopolymers suitable for either classical synthetic sequencing or ratchet-style nanopore readout. In both cases, accuracy in homopolymer length is not required, but accurate detection of transitions between homopolymers is required.

未修飾の3’-OH、3’-OH以外の位置における除去可能な取り込み遮断因子、およびこれもまた3’-OHには位置しない直交的に除去可能なホモポリマー合成速度モジュレーター修飾を有する1つのクラスIVヌクレオチドアナログの例は以下である:

Figure 2022532995000008
It has a removable uptake blocking factor at positions other than unmodified 3'-OH and 3'-OH, and an orthogonally removable homopolymer synthesis rate modulator modification, which is also not located at 3'-OH1 Examples of two class IV nucleotide analogs are:
Figure 2022532995000008

クラスIVのヌクレオチドアナログは、光、熱または電気化学的手段によって除去されるまで、ヌクレオチドを酵素的取り込みからケージングする1つまたは複数の取り込み遮断修飾を有するように設計される。ヌクレオチドアナログをポリメラーゼ取り込みに対して不活性にする大きい嵩高い修飾が好ましい。一部の実施形態では、1つまたは複数の修飾は、光分解によって除去され得る2-ニトロベンジルの誘導体である。全てのサイクルにおけるケージング修飾の除去は、情報ポリマー合成の完了時にヌクレオチドアナログをデケージングするために使用される方法とは直交的な化学的方法によって除去される取り込み速度調節修飾を残す。好ましい実施形態では、取り込み遮断修飾は、取り込み速度調節修飾に共有結合される。一部の実施形態では、嵩高い修飾であり立体遮断因子として作用する、2-ニトロベンジル官能基へのケージング修飾が有用である。立体遮断因子として作用し得る修飾の例は、これらに限定されないが、ペプチド、タンパク質、ペプトイド、PEG、分岐鎖PEG、スターPEG、デンドリマーまたはナノ粒子である。 Class IV nucleotide analogs are designed to have one or more uptake blocking modifications that cage the nucleotides from enzymatic uptake until they are removed by light, heat, or electrochemical means. Large bulky modifications that render the nucleotide analog inactive against polymerase uptake are preferred. In some embodiments, one or more modifications are derivatives of 2-nitrobenzyl that can be removed by photolysis. Removal of the caging modification in all cycles leaves an uptake rate-regulating modification that is removed by a chemical method orthogonal to the method used to decatenate the nucleotide analog upon completion of information polymer synthesis. In a preferred embodiment, the uptake blocking modification is covalently linked to an uptake rate regulating modification. In some embodiments, a caging modification to a 2-nitrobenzyl functional group, which is a bulky modification and acts as a steric blocker, is useful. Examples of modifications that can act as steric blockers are, but are not limited to, peptides, proteins, peptoids, PEGs, branched chain PEGs, star PEGs, dendrimers or nanoparticles.

3’-O-ケージング修飾および除去不能な塩基修飾を有するクラスVピリミジンヌクレオチドの例は以下である:

Figure 2022532995000009
Examples of class V pyrimidine nucleotides with 3'-O-caging modifications and irremovable base modifications are:
Figure 2022532995000009

直接的トランスロケーションによるナノポア検出が読み出し方法として所望される場合、ヌクレオチドは、適切な除去可能な3’-O-ケージング基と、非インデックス化ナノポアを介した直接的トランスロケーションの間に遮断電流モジュレーターとして作用する共有結合的な除去不能な修飾とで、二重に修飾される。適切な修飾は、ペプチドまたは非ペプチドであり得る。遮断電流調節基の理想的な実施形態は、最も短い可能なホモポリマーストレッチで最も独自のシグナルを生じる最も小さい可能な修飾である。このクラスのdNTPアナログの重要な革新は、修飾ヌクレオチドの1つの型だけが要求されることであるが、それは、ホモポリマーの「配列」が、ヌクレオチド自体ではなく、2つまたはそれよりも多くの電流調節修飾の配列によってエンコードされるからである。 If nanopore detection by direct translocation is desired as a readout method, the nucleotide is a break current modulator between a suitable removable 3'-O-caging group and direct translocation via non-indexed nanopores. It is doubly modified with a covalent, irremovable modification that acts as. Suitable modifications can be peptide or non-peptide. The ideal embodiment of a breaking current regulator is the smallest possible modification that produces the most unique signal with the shortest possible homopolymer stretch. An important innovation in this class of dNTP analogs is that only one type of modified nucleotide is required, which is that the homopolymer "sequence" is not the nucleotides themselves, but two or more. This is because it is encoded by an array of current-regulated modifications.

以下は、未修飾の3’-OH、除去可能な取り込み遮断(ケージング)修飾、および直接的ナノポア配列決定による検出のために有用な2つまたはそれよりも多くの異なる型の除去不能な電流調節修飾を含むクラスVIヌクレオチドアナログの例である。クラスVI dNTPアナログの重要な革新は、修飾ヌクレオチドの1つの型だけが要求されることであるが、それは、ホモポリマーの「配列」が、ヌクレオチド自体ではなく、2つまたはそれよりも多くの電流調節修飾の配列によってエンコードされるからである。エンコーディングは、基数2または基数4に限定されず、単一のプリンまたはピリミジンヌクレオチドに対してなされ得る電流調節修飾の数によってのみ制限される。

Figure 2022532995000010
The following are unmodified 3'-OH, removable uptake blocking (caging) modifications, and two or more different types of irremovable current regulation useful for detection by direct nanopore sequencing. An example of a class VI nucleotide analog with modifications. An important innovation in class VI dNTP analogs is that only one type of modified nucleotide is required, which is that the homopolymer "sequence" is not the nucleotide itself, but two or more currents. This is because it is encoded by an array of regulatory modifications. The encoding is not limited to radix 2 or radix 4 but is limited only by the number of current regulation modifications that can be made to a single purine or pyrimidine nucleotide.
Figure 2022532995000010

一部の実施形態では、取り込み遮断(ケージング)修飾は、光、熱または電気化学的手段のいずれかによって除去可能であるが、2つまたはそれよりも多くのナノポア検出要素は除去不能であり、ホモポリマー鎖合成の間の全てのサイクルにおいて使用されるデケージング条件への反復した曝露を乗り切る。立体遮断因子として作用する、2-ニトロベンジルへのケージング修飾は、ペプチド、タンパク質、ペプトイド、PEG、分岐鎖PEG、スターPEG、デンドリマーまたはナノ粒子などであるがこれらに限定されない嵩高い修飾である。 In some embodiments, the uptake blocking (caging) modification can be removed by either light, heat or electrochemical means, but two or more nanopore detection elements cannot be removed. Survive repeated exposure to the decugging conditions used in all cycles during homopolymer chain synthesis. Caging modifications to 2-nitrobenzyl that act as steric blockers are bulky modifications such as, but not limited to, peptides, proteins, peptoids, PEGs, branched chain PEGs, star PEGs, dendrimers or nanoparticles.

(実施例1)
-ベンゾイル-デオキシアデノシン三リン酸を、乾燥N下でバイアルにN-ベンゾイル-2’-デオキシアデノシン(0.055g、0.16mmol)を加えることによって調製し、リン酸トリメチル(0.435mL)を添加した。得られた溶液に、トリブチルアミン(0.077mL、0.32mmol)を添加し、反応混合物に、-5℃で維持しながら、乾燥Nを30分間かけ流した。このバイアルに、シリンジを介して無水オキシ塩化リン(0.018mL、0.19mmol)を添加し、反応混合物を、-5℃で3分間撹拌した。無水オキシ塩化リンの第2のアリコート(0.009mL、0.10mmol)を、シリンジを介して添加し、反応混合物を、-5℃で8分間撹拌した。第2のバイアルに、ピロリン酸トリブチルアミン(0.075g、0.14mmol)を加え、乾燥Nをかけ流し、無水アセトニトリル(0.609mL)を添加し、その後、トリブチルアミン(0.231mL、0.97mmol)を添加した。調製されたピロリン酸トリブチルアミン混合物を、-20℃に冷却し、反応混合物に添加し、10分間反応させた。反応を、HO(4.35mL)の滴加によってクエンチした。フラスコの内容物を、0.87mLのH2Oと合わせ、ジクロロメタン(3×150mL)で抽出した。水相を、濃NHOHを用いてpH6.5に調整し、4℃で12時間撹拌した。混合物を、50mLの水と共に250mL丸底フラスコに移し、減圧下で濃縮した。残渣を、40mL水中に溶解させ、イオン交換クロマトグラフィー(AKTA FPLC、Fractogel DEAE 48mLカラム体積、段階的勾配 水中0->70%のTEAB、pH7.5)を介して精製した。所望の産物を含有する画分をプールし、A260による濃度、減圧下で濃縮し、乾燥するまでの水からの反復濃縮(5×50mL)を介して残留重炭酸トリエチルアンモニウムを除去して、N-ベンゾイル-2’-デオキシアデノシン三リン酸を得た。
(Example 1)
N 6 -benzoyl-deoxyadenosine triphosphate was prepared by adding N 6 -benzoyl-2'-deoxyadenosine (0.055 g, 0.16 mmol) to the vial under dry N 2 and trimethyl phosphate (0). .435 mL) was added. To the resulting solution was added tributylamine (0.077 mL, 0.32 mmol) and the reaction mixture was flushed with dry N 2 for 30 minutes while maintaining at −5 ° C. Anhydrous phosphorus oxychloride (0.018 mL, 0.19 mmol) was added to the vial via a syringe and the reaction mixture was stirred at −5 ° C. for 3 minutes. A second aliquot of anhydrous phosphorus oxychloride (0.009 mL, 0.10 mmol) was added via syringe and the reaction mixture was stirred at −5 ° C. for 8 minutes. To the second vial, tributylamine pyrophosphate (0.075 g, 0.14 mmol) was added, dried N2 was flushed, anhydrous acetonitrile (0.609 mL) was added, followed by tributylamine (0.231 mL, 0). .97 mmol) was added. The prepared tributylamine pyrophosphate mixture was cooled to −20 ° C., added to the reaction mixture and reacted for 10 minutes. The reaction was quenched by the instillation of H2O (4.35 mL). The contents of the flask were combined with 0.87 mL of H2O and extracted with dichloromethane (3 x 150 mL). The aqueous phase was adjusted to pH 6.5 with concentrated NH 4 OH and stirred at 4 ° C. for 12 hours. The mixture was transferred to a 250 mL round bottom flask with 50 mL of water and concentrated under reduced pressure. The residue was dissolved in 40 mL water and purified via ion exchange chromatography (AKTA FPLC, Fractogel DEAE 48 mL column volume, gradual gradient 0-> 70% TEAB in water, pH 7.5). Fractions containing the desired product were pooled, concentrated at A260 concentration under reduced pressure, and residual triethylammonium bicarbonate was removed via repeated concentration (5 x 50 mL) from water until drying to remove N. 6 -Benzoyl-2'-deoxyadenosine triphosphate was obtained.

ヌクレオチジルトランスフェラーゼTdTによる、修飾ヌクレオチドから構成されるホモポリマートラクトの制御された合成を、以下の様式で実施した。各々1mMのデオキシアデノシン三リン酸(TriLink Biosciences)およびN-ベンゾイル-デオキシアデノシン三リン酸のストック溶液を、HO中に調製した。 Controlled synthesis of homopolymeric tracts composed of modified nucleotides with nucleotidyltransferase TdT was performed in the following manner. Stock solutions of 1 mM deoxyadenosine triphosphate (TriLink Biosciences) and N6 - benzoyl-deoxyadenosine triphosphate, respectively, were prepared in H2O .

0.5μL(500pモル)の異なる三リン酸の各々を、別々に、1.5μL(30U)の市販のTdT(Thermo Scientific)、0.5μL(50pモル)の5’-TAATAATAATAATTTTT-3’(IDT)、2μLの市販のTdT Rxn緩衝液(Thermo Scientific - 1Mカコジル酸カリウム、0.125Mトリス、0.05%(v/v)Triton X100、5mM CCl2(25℃でpH7.2))および4.5μLのH2Oと合わせた。反応を37℃でインキュベートした。30μLアリコートを、1分、5分および15分後に除去し、各々20μL 5mM EDTAでクエンチした。各試料を、真空下で乾燥させ、100μL H2O中で再構成した。10μLの各時点を、10μLの変性ロード緩衝液(100%ホルムアミドおよび0.1%Orange G)と混合し、1mm×20cm×14cmの20%ポリアクリルアミドゲルのウェルに適用した。400Vで3.5時間の電気泳動後、バンドを、Sybr Gold(Thermo Scientific)によって可視化し、UV照射下で写真撮影した(UV遮断性Wratten 2Aフィルター 405nmカットオフ、UVP、LLC)。 Each of 0.5 μL (500 pmol) of different triphosphates, separately 1.5 μL (30 U) of commercially available TdT (Thermo Scientific), 0.5 μL (50 pmol) of 5'-TAATAATAATAATTTTTT-3'( IDT), 2 μL of commercially available TdT Rxn buffer (Thermo Scientific-1M potassium cacodylate, 0.125 M Tris, 0.05% (v / v) Triton X100, 5 mM Co Cl2 (pH 7.2 at 25 ° C.)) And 4.5 μL of H2O. The reaction was incubated at 37 ° C. 30 μL aliquots were removed after 1 minute, 5 minutes and 15 minutes and quenched with 20 μL 5 mM EDTA, respectively. Each sample was dried under vacuum and reconstituted in 100 μL H2O. Each 10 μL time point was mixed with 10 μL of denaturing load buffer (100% formamide and 0.1% Orange G) and applied to wells of a 1 mm × 20 cm × 14 cm 20% polyacrylamide gel. After electrophoresis at 400 V for 3.5 hours, the band was visualized by Thermo Scientific and photographed under UV irradiation (UV blocking Wratten 2A filter 405 nm cutoff, UVP, LLC).

複数のホモポリマートラクトの合成のために、イニシエーターオリゴヌクレオチドが、以前の反応物および洗浄液の除去が組み入れられた複数ラウンドの酵素的合成を可能にするために、ビーズに結合され得る。5’-ビオチン-TAATAATAATAATTTTT-3’(IDT)が、ストレプトアビジンコーティングされた磁気セファロースマイクロビーズ(GE Healthcare Life Sciences)と共にインキュベートされ得る。オリゴヌクレオチドが加えられたビーズは、ビーズスラリーのアリコートを取り出し、フィルターカップに移すことによって調製され得る。次いで、ビーズは、1×PBS(2×体積のビーズスラリーを使用する)ボルテックスで5回洗浄され得、各リンス液はスピンダウンされ得る。次いで、1/2ビーズスラリー体積の1×PBSが添加され得、ビオチン化されたオリゴヌクレオチドが、公開されたビーズ結合能の1/10でスパイクされ得る。混合物は、30分毎にボルテックスしながら、37Cで2時間インキュベートされ得る。2時間後、少量の上清が取り出され得、あらゆる未結合のオリゴヌクレオチドについてA260が測定され得る。A260が10%未満の残存するオリゴヌクレオチドを示したところで、ビーズは、MQ水で5回洗浄され得る。洗浄されたビーズは、MQ水中で所望の濃度にされ得る。 For the synthesis of multiple homopolymeric tracts, the initiator oligonucleotide can be attached to the beads to allow multiple rounds of enzymatic synthesis incorporating the removal of previous reactants and wash liquor. 5'-biotin-TAATAATAATAATTTT-3'(IDT) can be incubated with streptavidin-coated magnetic sepharose microbeads (GE Healthcare Life Sciences). Beads to which oligonucleotides have been added can be prepared by removing the aliquot of the bead slurry and transferring it to a filter cup. The beads can then be washed 5 times with 1 x PBS (using a 2 x volume of bead slurry) vortex and each rinse solution can be spun down. A 1/2 bead slurry volume of 1 × PBS can then be added and the biotinylated oligonucleotide can be spiked with 1/10 of the published bead binding capacity. The mixture can be incubated at 37C for 2 hours, vortexing every 30 minutes. After 2 hours, a small amount of supernatant can be removed and A260 can be measured for any unbound oligonucleotide. The beads can be washed 5 times with MQ water where A260 shows less than 10% of the remaining oligonucleotide. The washed beads can be made to the desired concentration in MQ water.

ホモポリマー合成は、ビーズ結合したオリゴヌクレオチドに対して、2~10×モル当量の所望のdNTPを使用して、上記のように実施され得る。ビーズ、dNTP、TdTおよび緩衝液を含有する反応混合物が、37℃で15分間インキュベートされ得る。反応は、10μl EDTAで停止され得、水で3回リンスされ得る。新たなサイクルのホモポリマー合成が、新しいTdT酵素、dNTP、緩衝液を添加することによって開始され得、37℃で15分間インキュベートされ得る。EDTAで反応を停止させ、水で3回リンスした後に、ホモポリマー合成のサイクルは、所望に応じて何回も反復され得る。最後のEDTAクエンチおよび水での3回のリンスの後、支持体結合した交互になったホモポリマーは、100μl濃アンモニウムを使用して固体支持体から切断され得、上清は、Gen-vacによって乾燥され得、次いで、上記のようにポリアクリルアミドゲルを使用して分析される準備ができるまで、-20℃で貯蔵され得る。 Homopolymer synthesis can be performed as described above using 2-10 x molar equivalents of the desired dNTPs on the bead-bound oligonucleotide. The reaction mixture containing beads, dNTP, TdT and buffer can be incubated at 37 ° C. for 15 minutes. The reaction can be stopped with 10 μl EDTA and rinsed 3 times with water. A new cycle of homopolymer synthesis can be initiated by adding new TdT enzyme, dNTP, buffer and incubating at 37 ° C. for 15 minutes. After terminating the reaction with EDTA and rinsing with water three times, the cycle of homopolymer synthesis can be repeated as many times as desired. After a final EDTA quench and 3 rinses with water, the support-bound alternating homopolymers can be cleaved from the solid support using 100 μl concentrated ammonium and the supernatant is prepared by Gen-vac. It can be dried and then stored at −20 ° C. until ready for analysis using a polyacrylamide gel as described above.

別の実験では、図12に示されるように、2文字メッセージ「MA」を、二進法に変換し、次いで、基数2のヌクレオチドコードに変換した。各文字記号を、1から26までの対応する数字に変換した(A→1、…Z→26)。次いで、各数字を、1から26までの通常の二進法表示に2つのゼロを付け足すことによって、6ビット二進数に変換した(例えば、「M」=001101;「A」=000001)。二進法表示の各ビットを、以下の表に従って、基数2のヌクレオチド表示に変換した:

Figure 2022532995000011
In another experiment, the two-letter message "MA" was converted to binary and then to a nucleotide code of radix 2, as shown in FIG. Each letter symbol was converted to a corresponding number from 1 to 26 (A → 1, ... Z → 26). Each number was then converted to a 6-bit binary number by adding two zeros to the usual binary representation from 1 to 26 (eg, "M" = 00110; "A" = 000001). Each bit in binary notation was converted to a nucleotide representation of radix 2 according to the table below:
Figure 2022532995000011

こうして、「MA」を、001101 000001に転換し、次いで、単一のヌクレオチド文字列ACTGAGACACAGに転換し、これを、Aとして合成し、ここで、各ヌクレオチドは、可変の長さのホモポリマーとして合成される。 Thus, "MA" was converted to 01101 000001, then to the single nucleotide string ACTGAGACACAG, which was converted to An C n T n G n A n G n A n C n A n A. Synthesized as n G n , where each nucleotide is synthesized as a variable length homopolymer.

12ビットのホモポリマーエンコードされた核酸の合成を、約20pmol/ulのビーズで、34umストレプトアビジン-セファロースビーズ(GE Healthcare)に結合した5’-ビオチン化された39nt長のオリゴヌクレオチドイニシエーター:5’ビオチン-CAGGTCCTAUCGATATCTGTGAGCTTAATGTCCTTATGT-3’を用いて実施した。 Synthesis of 12-bit homopolymer-encoded nucleic acids with 5'-biotinylated 39 nt-length oligonucleotide initiators bound to 34 um streptavidin-Sepharose beads (GE Healthcare) at approximately 20 pmol / ul beads: 5 It was carried out using'Biotin-CAGGTCCTAUC GATATC TGTGAGCTTAATGTCCTTATGT-3'.

このオリゴヌクレオチドは、合成の間に使用される固体支持体から最終産物を放出させるための2つの特色を含有する:1)USER酵素システム(New England Biolabs)による切断を可能にする単一のデオキシウリジン残基、および2)Eco R Vエンドヌクレアーゼ制限部位。 This oligonucleotide contains two features for releasing the final product from the solid support used during synthesis: 1) a single deoxy that allows cleavage by the USER enzyme system (New England Biolabs). Uridine residues, and 2) Eco RV endonuclease restriction site.

約2nmolのビーズ結合したイニシエーターで開始して、各可変の長さのホモポリマーを、TdT、および4つの修飾ヌクレオチド三リン酸のうち1つを使用して、酵素的に合成した。各反応を、37℃で2.5~20分間のインキュベーションで、40~100uMの修飾されたdNTP(40uM-A;100uM-C;50uM-T;100uM-G)、20U TdT(Thermo-Fisher Scientific)、1×TdT緩衝液(Thermo-Fisher Scientific)を含有する750ulの総体積で実施した。各酵素的伸長ステップの後、反応を、10mMトリス緩衝液(pH6.8)中の250mM EDTAを500ul添加することによってクエンチした。ビーズを、10000×gでの遠心分離および上清の除去によって回収した。図13は、12ビットのホモポリマーデータ鎖の酵素的合成の各サイクルのPAGE分析を示す。各レーンは、未反応の39ntイニシエーターを示す「N」で始まり、サイクル数でマークされる。黒の矢印は、60ntのオリゴヌクレオチドのサイズマーカーを示す。 Starting with a bead-bound initiator of about 2 nmol, each variable length homopolymer was enzymatically synthesized using TdT and one of four modified nucleotide triphosphates. Each reaction was incubated at 37 ° C. for 2.5-20 minutes with 40-100 uM modified dNTP (40 uMA; 100 uM-C; 50 uM-T; 100 uM-G), 20 UTdT (Thermo-Fisher Scientific). ), With a total volume of 750 ul containing 1 × TdT buffer (Thermo-Fisher Scientific). After each enzymatic extension step, the reaction was quenched by the addition of 500 ul of 250 mM EDTA in 10 mM Tris buffer (pH 6.8). The beads were collected by centrifugation at 10000 xg and removal of the supernatant. FIG. 13 shows a PAGE analysis of each cycle of enzymatic synthesis of a 12-bit homopolymer data chain. Each lane begins with an "N" indicating an unreacted 39nt initiator and is marked by the number of cycles. Black arrows indicate size markers for 60 nt oligonucleotides.

固体支持体からの全長データ鎖の除去後、NGSライブラリー調製を、ACCEL-NGS(登録商標)1S PLUS DNA LIBRARY KIT(Swift Bioscience)を製造業者の使用説明書に従って使用して実施し、引き続いて、Illumina MiSeq Systemを使用して配列決定した。図14A~Lは、酵素的合成の間に生成された12のヌクレオチド付加(標識のとおり)の各々の観察された塩基組成のヒストグラムを示す。 After removal of the full-length data strand from the solid support, NGS library preparation was performed using ACCEL-NGS® 1S PLUS DNA LIBRARY KIT (Swift Bioscience) according to the manufacturer's instructions, followed by. , Illumina MiSeq System was used for sequencing. 14A-L show a histogram of the observed base composition of each of the 12 nucleotide additions (as labeled) generated during enzymatic synthesis.

(実施例2)
クラスI-プリンおよびピリミジンdNTPアナログを合成するための手順
クラスI dNTPアナログの合成のためのスキーム
ニトロベンジル-アデノシン

Figure 2022532995000012
ニトロベンジル-シトシン
Figure 2022532995000013
ニトロベンジル-グアノシン
Figure 2022532995000014
ニトロベンジル-チミジン
Figure 2022532995000015
(Example 2)
Procedures for synthesizing class I-purines and pyrimidine dNTP analogs Schemes for synthesizing class I dNTP analogs Nitrobenzyl-adenosine
Figure 2022532995000012
Nitrobenzyl-cytosine
Figure 2022532995000013
Nitrobenzyl-guanosine
Figure 2022532995000014
Nitrobenzyl-thymidine
Figure 2022532995000015

(実施例3)
3’-O-ニトロベンジルデオキシアデノシンのための詳細な手順:

Figure 2022532995000016
9-[β-D-5’-ヒドロキシ-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリン(1.00g、3.69mmol)およびイミダゾール(554mg、8.12mmol)を、無水ギ酸ジメチル(18mL)中に溶解させ、その後、tert-ブチルジメチルシリルクロリド(611mg、3.93mmol)を添加した。反応混合物を、アルゴン下で室温で20時間撹拌した。乾燥させた残渣を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、2:1)によって精製して、9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリンを得た。
Figure 2022532995000017
(Example 3)
Detailed Procedure for 3'-O-Nitrobenzyl Deoxyadenosine:
Figure 2022532995000016
9- [β-D-5'-Hydroxy-2'-deoxyribofuranosyl] -6-chloropurine (1.00 g, 3.69 mmol) and imidazole (554 mg, 8.12 mmol) in dimethyl anhydride (18 mL). It was dissolved in and then tert-butyldimethylsilyl chloride (611 mg, 3.93 mmol) was added. The reaction mixture was stirred under argon at room temperature for 20 hours. The dried residue was impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate 2: 1) to 9- [β-D-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl). -2'-Deoxyribofuranosyl] -6-chloropurine was obtained.
Figure 2022532995000017

9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリン(1.73g、4.48mmol)を、無水ジクロロメタン(135mL)中に溶解させた。テトラブチルアンモニウムブロミド(722mg、2.24mmol)、2-ニトロベンジルブロミド(2.41g、11.2mmol)および40%水性水酸化ナトリウム(65mL)を、前もって作製した溶液に添加した。反応混合物を、室温で1時間攪拌し、酢酸エチル(300mL)で希釈した。層を分離した。水層を、酢酸エチル(125mL×2)で抽出した。合わせた有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカゲル上に含浸させ、その後、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、2:1)で精製して、9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリンを得た。

Figure 2022532995000018
9- [β-D-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -2'-deoxyribofuranosyl] -6-chloropurine (1.73 g, 4.48 mmol) in anhydrous dichloromethane (135 mL). Dissolved. Tetrabutylammonium bromide (722 mg, 2.24 mmol), 2-nitrobenzyl bromide (2.41 g, 11.2 mmol) and 40% aqueous sodium hydroxide (65 mL) were added to the prepared solution. The reaction mixture was stirred at room temperature for 1 hour and diluted with ethyl acetate (300 mL). The layers were separated. The aqueous layer was extracted with ethyl acetate (125 mL x 2). The combined organic layers were dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer was impregnated on silica gel and then purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate 2: 1) to 9- [β-D-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl). -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyribofuranosyl] -6-chloropurine was obtained.
Figure 2022532995000018

9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリン(2.22g、3.83mmol)を、無水テトラヒドロフラン(40mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。その後、テトラヒドロフラン中1.0Mのテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液(4.20mL、4.20mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で1時間攪拌した。反応混合物を乾燥させた後、残渣を、ジオキサン、およびエタノール中7Nのアンモニア(40mL)中に溶解させた。反応混合物を、密封丸底中で90℃で18時間撹拌した。反応混合物を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、20:1)によって精製して、3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシンを得た。

Figure 2022532995000019
9- [β-D-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyribofuranosyl] -6-chloropurine (2.22 g, 3 .83 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (40 mL) and cooled to 0 ° C. Then, 1.0 M tetrabutylammonium fluoride solution (4.20 mL, 4.20 mmol) in tetrahydrofuran was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 1 hour. After the reaction mixture was dried, the residue was dissolved in dioxane and 7N ammonia (40 mL) in ethanol. The reaction mixture was stirred at 90 ° C. for 18 hours in a sealed round bottom. The reaction mixture was impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 20: 1) to give 3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyadenosine.
Figure 2022532995000019

3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(15mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(tetrabutylammonium hydrogen diphosphate)(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyadenosine (15 mg, 1 eq, 38 μmol) was co-evaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 minutes, a 5 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.14 g, 4 equivalents, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例4)
3’-O-ニトロベンジルデオキシシチジンのための詳細な手順:

Figure 2022532995000020
3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジン(1.00g、2.12mmol)を、無水アセトニトリル(90mL)中に溶解させ、アルゴン下で0℃に冷却した。三塩化ホスホリル(1.49mL、2.12mmol)を、2分間かけて滴加した。10分後、トリエチルアミン(11.1mL、79.7mmol)を、3分間かけて滴加した。15分後、反応混合物を、室温で2時間撹拌した。反応混合物を、0℃に冷却し、トリアゾール(4.40g、63.7mmol)を、固体として一度に添加した。沈殿物が観察され、懸濁物を30分間撹拌した。室温で2時間攪拌した後、反応混合物を、乾燥するまで濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(30mL)中に溶解させ、重炭酸ナトリウムの飽和溶液(25mL×2)、ブライン(25mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。残渣を、ジクロロメタン中に溶解させ、その後、アリルアルコール(2.00mL、29.4mmol)およびトリエチルアミン(2.67mL、18.9mmol)を添加した。反応混合物を、0℃で15分間撹拌した。DBU(0.33mL、2.17mmol)を添加し、室温で6時間撹拌した。反応混合物を、ジクロロメタン(17mL)で希釈し、ブライン(15mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、4:1)によって精製して、4-O-アリル-3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジンを得た。
Figure 2022532995000021
(Example 4)
Detailed Procedure for 3'-O-Nitrobenzyl Deoxycytidine:
Figure 2022532995000020
3', 5'-di-O- (tert-butyldimethylsilyl) -2'-deoxyuridine (1.00 g, 2.12 mmol) was dissolved in anhydrous acetonitrile (90 mL) and brought to 0 ° C. under argon. Cooled. Phosphoryl trichloride (1.49 mL, 2.12 mmol) was added dropwise over 2 minutes. After 10 minutes, triethylamine (11.1 mL, 79.7 mmol) was added dropwise over 3 minutes. After 15 minutes, the reaction mixture was stirred at room temperature for 2 hours. The reaction mixture was cooled to 0 ° C. and triazole (4.40 g, 63.7 mmol) was added at once as a solid. A precipitate was observed and the suspension was stirred for 30 minutes. After stirring at room temperature for 2 hours, the reaction mixture was concentrated to dryness. The residue was dissolved in dichloromethane (30 mL) and washed with a saturated solution of sodium bicarbonate (25 mL x 2) and brine (25 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate and concentrated to dryness. The residue was dissolved in dichloromethane and then allyl alcohol (2.00 mL, 29.4 mmol) and triethylamine (2.67 mL, 18.9 mmol) were added. The reaction mixture was stirred at 0 ° C. for 15 minutes. DBU (0.33 mL, 2.17 mmol) was added and the mixture was stirred at room temperature for 6 hours. The reaction mixture was diluted with dichloromethane (17 mL) and washed with brine (15 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer is impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate, 4: 1) to 4-O-allyl-3', 5'-di-O- (tert-butyldimethyl). Cyril) -2'-deoxyuridine was obtained.
Figure 2022532995000021

4-O-アリル-3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジン(3.37g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(triethylammonium fluoride dihydrofluoride)(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、4-O-アリル-2’-デオキシウリジンを得た。

Figure 2022532995000022
4-O-allyl-3', 5'-di-O- (tert-butyldimethylsilyl) -2'-deoxyuridine (3.37 g, 5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). .. Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added, followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1) and brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to give 4-O-allyl-2'-deoxyuridine.
Figure 2022532995000022

4-O-アリル-2’-デオキシウリジン(1.18g、4.40mmol)を、無水ピリジン(37mL)中に溶解させ、その後、アルゴン下でtert-ブチルジメチルシリルクロリド(815mg、5.41mmol)を添加した。反応混合物を、室温で20時間撹拌した。濃縮後、残渣を、ジクロロメタン中に溶解させ、シリカ上に含浸させた。粗製産物を、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、4-O-アリル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジンを得た。

Figure 2022532995000023
4-O-allyl-2'-deoxyuridine (1.18 g, 4.40 mmol) is dissolved in anhydrous pyridine (37 mL), followed by tert-butyldimethylsilyl chloride (815 mg, 5.41 mmol) under argon. Was added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 20 hours. After concentration, the residue was dissolved in dichloromethane and impregnated on silica. The crude product was purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to give 4-O-allyl-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -2'-deoxyuridine.
Figure 2022532995000023

ジクロロメタン/水(20mL、1:1)中の4-O-アリル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジン(1.28g、3.35mmol)、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド(1.5mL、水中55~60%)およびヨウ化ナトリウム(50.0mg、0.335mmol)の混合物に、アルゴン下で1.0M水酸化ナトリウム溶液(10mL)を添加した。反応混合物を、室温で10分間撹拌し、その後、10mLジクロロメタン中の2-ニトロベンジルブロミド(1.45g、6.70mmol)を、5分間かけて添加した。室温で7時間撹拌した後、反応混合物を、ジクロロメタン(150mL)で希釈した。有機層を、ブライン(20mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、1:1)によって精製して、4-O-アリル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシウリジンを得た。

Figure 2022532995000024
4-O-allyl-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -2'-deoxyuridine (1.28 g, 3.35 mmol) in dichloromethane / water (20 mL, 1: 1), tetrabutylammonium hydroxy To a mixture of de (1.5 mL, 55-60% in water) and sodium iodide (50.0 mg, 0.335 mmol) was added a 1.0 M sodium hydroxide solution (10 mL) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 10 minutes, after which 2-nitrobenzyl bromide (1.45 g, 6.70 mmol) in 10 mL dichloromethane was added over 5 minutes. After stirring at room temperature for 7 hours, the reaction mixture was diluted with dichloromethane (150 mL). The organic layer was washed with brine (20 mL) and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer is impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate, 1: 1) to 4-O-allyl-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'. -O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyuridine was obtained.
Figure 2022532995000024

4-O-アリル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシウリジン(1.55、3.00mmol)を、エタノール中7Nのアンモニア(55mL)中に溶解させ、密封丸底中で55℃で20時間攪拌した。反応混合物を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、20:1)によって精製して、5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。

Figure 2022532995000025
4-O-allyl-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyuridine (1.55, 3.00 mmol) in ethanol at 7 N Was dissolved in ammonia (55 mL) and stirred at 55 ° C. for 20 hours in a sealed round bottom. The reaction mixture is impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 20: 1) to 5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitro). Benzyl) -2'-deoxycytidine was obtained.
Figure 2022532995000025

5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(2.22g、3.83mmol)を、無水テトラヒドロフラン(40mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。その後、テトラヒドロフラン中1.0Mのテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液(4.20mL、4.20mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で1時間攪拌した。反応後、混合物を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、8:2)によって精製して、3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。

Figure 2022532995000026
5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine (2.22 g, 3.83 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (40 mL). , Cooled to 0 ° C. Then, 1.0 M tetrabutylammonium fluoride solution (4.20 mL, 4.20 mmol) in tetrahydrofuran was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 1 hour. After the reaction, the mixture was impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 8: 2) to give 3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine. ..
Figure 2022532995000026

3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(14mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine (14 mg, 1 eq, 38 μmol) was co-evaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 minutes, a 5 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例5)
3’-O-ニトロベンジルデオキシグアノシンのための詳細な手順:

Figure 2022532995000027
2-アミノ-6-クロロ-9-[β-D-2’-デオキシリボフラノシル]プリン(1.00g、3.50mmol)およびイミダゾール(715mg、10.50mmol)を、無水ギ酸ジメチル(18mL)中に溶解させ、その後、tert-ブチルジメチルシリルクロリド(686mg、4.60mmol)を添加した。反応混合物を、アルゴン下で室温で12時間撹拌した。乾燥させた残渣を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、2-アミノ-6-クロロ-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリンを得た。
Figure 2022532995000028
(Example 5)
Detailed Procedure for 3'-O-Nitrobenzyl Deoxyguanosine:
Figure 2022532995000027
2-Amino-6-chloro-9- [β-D-2'-deoxyribofuranosyl] purine (1.00 g, 3.50 mmol) and imidazole (715 mg, 10.50 mmol) in dimethyl anhydride (18 mL). After that, tert-butyldimethylsilyl chloride (686 mg, 4.60 mmol) was added. The reaction mixture was stirred under argon at room temperature for 12 hours. The dried residue was impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to 2-amino-6-chloro-9- [β-D-5'-O-. (Tert-Butyldimethylsilyl) -2'-deoxyribofuranosyl] purine was obtained.
Figure 2022532995000028

2-アミノ-6-クロロ-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリン(1.19g、3.00mmol)を、無水テトラヒドロフラン(8.0mL)中に溶解させ、その後、N,N-ジメチルホルムアミドジメチルアセタール(3.10mL、18.0mmol)を室温で添加した。反応混合物を、40℃で3時間撹拌した。反応混合物を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、6-クロロ-N-[(ジメチルアミノメチレン)アミノ]-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリンを得た。

Figure 2022532995000029
2-Amino-6-chloro-9- [β-D-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -2'-deoxyribofuranosyl] purine (1.19 g, 3.00 mmol) was added in anhydrous tetrahydrofuran (1.9 g, 3.00 mmol). It was dissolved in 8.0 mL), after which N, N-dimethylformamide dimethyl acetal (3.10 mL, 18.0 mmol) was added at room temperature. The reaction mixture was stirred at 40 ° C. for 3 hours. The reaction mixture was impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to 6-chloro-N 2 -[(dimethylaminomethylene) amino] -9- [β-D. A -5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -2'-deoxyribofuranosyl] purine was obtained.
Figure 2022532995000029

6-クロロ-N-[(ジメチルアミノメチレン)アミノ]-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリン(1.09g、2.40mmol)を、無水アセトニトリル(3.5mL)中に溶解させ、その後、鉱油中の水素化ナトリウム粉末(60%)(122mg、4.80mmol)を0℃で添加した。室温で1時間撹拌した後、無水アセトニトリル(1.5mL)中の2-ニトロベンジルブロミド(1.04g、4.80mmol)溶液を添加した。室温で2時間攪拌した後、反応混合物を濾過した。濾液を乾燥させ、得られた残渣を、酢酸エチル(100mL)中に溶解させた。有機層を、飽和重炭酸ナトリウム溶液(50mL)、ブライン(50mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル 4:6)によって精製して、6-クロロ-N-[(ジメチルアミノメチレン)アミノ]-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリンを得た。

Figure 2022532995000030
6-Chloro-N 2 -[(dimethylaminomethylene) amino] -9- [β-D-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -2'-deoxyribofuranosyl] purine (1.09 g, 2 .40 mmol) was dissolved in anhydrous acetonitrile (3.5 mL), after which sodium hydride powder (60%) (122 mg, 4.80 mmol) in mineral oil was added at 0 ° C. After stirring at room temperature for 1 hour, a solution of 2-nitrobenzyl bromide (1.04 g, 4.80 mmol) in anhydrous acetonitrile (1.5 mL) was added. After stirring at room temperature for 2 hours, the reaction mixture was filtered. The filtrate was dried and the resulting residue was dissolved in ethyl acetate (100 mL). The organic layer was washed with saturated sodium bicarbonate solution (50 mL), brine (50 mL) and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer was impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate 4: 6) to 6-chloro-N 2 -[(dimethylaminomethylene) amino] -9- [β-D. A -5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyribofuranosyl] purine was obtained.
Figure 2022532995000030

6-クロロ-N-[(ジメチルアミノメチレン)アミノ]-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリン(1.02g、1.73mmol)を、無水ギ酸ジメチル(15mL)中に溶解させ、その後、アルゴン下で、酢酸セシウム(996mg、5.19mmol)、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(194mg、1.73mmol)およびトリエチルアミン(0.72mL、5.19mmol)を添加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌した。無水酢酸(5mL)を添加し、0.5時間撹拌した。反応混合物を、水(100mL)でクエンチし、酢酸エチル(100mL)で抽出した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、20:1)によって精製して、5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-N-[(ジメチルアミノ)メチレン]-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシグアノシンを得た。

Figure 2022532995000031
6-Chloro-N 2 -[(dimethylaminomethylene) amino] -9- [β-D-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2' -Deoxyribofuranosyl] purine (1.02 g, 1.73 mmol) was dissolved in dimethyl anhydride (15 mL) and then under argon, cesium acetate (996 mg, 5.19 mmol), 1,4-diazabicyclo [ 2.2.2] Octane (194 mg, 1.73 mmol) and triethylamine (0.72 mL, 5.19 mmol) were added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 hours. Acetic anhydride (5 mL) was added and the mixture was stirred for 0.5 hours. The reaction mixture was quenched with water (100 mL) and extracted with ethyl acetate (100 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 20: 1) to 5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -N 2 -[(Dimethylamino) methylene] -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyguanosine was obtained.
Figure 2022532995000031

5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-N-[(ジメチルアミノ)メチレン]-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシグアノシン(732mg、1.28mmol)を、アルゴン下で無水テトラヒドロフラン(8mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。その後、テトラヒドロフラン中1.0Mのテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液(2.56mL、2.56mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で2時間攪拌した。反応混合物を、冷水(50mL)中に注ぎ、酢酸エチル(50mL×2)で抽出した。有機層を合わせ、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、10:1)によって精製して、N-[(ジメチルアミノ)メチレン]-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシグアノシンを得た。

Figure 2022532995000032
5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -N 2 -[(dimethylamino) methylene] -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyguanosine (732 mg, 1.28 mmol), It was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (8 mL) under argon and cooled to 0 ° C. Then, 1.0 M tetrabutylammonium fluoride solution (2.56 mL, 2.56 mmol) in tetrahydrofuran was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 2 hours. The reaction mixture was poured into cold water (50 mL) and extracted with ethyl acetate (50 mL x 2). The organic layers were combined and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer is impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 10: 1) to N 2 -[(dimethylamino) methylene] -3'-O- (2-nitrobenzyl). -2'-Deoxyguanosine was obtained.
Figure 2022532995000032

-[(ジメチルアミノ)メチレン]-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシグアノシン(17mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N 2 -[(dimethylamino) methylene] -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyguanosine (17 mg, 1 eq, 38 μmol) was co-evaporated with pyridine (1 mL x 3) to make it high. It was dried overnight in vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 minutes, a 5 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例6)
3’-O-ニトロベンジルデオキシチミジンのための詳細な手順:

Figure 2022532995000033
チミジン(2.50g、10.3mmol)を、アルゴン下で室温でジメチルホルムアミド(60mL)中に懸濁した。この懸濁物に、イミダゾール(4.22g、61.9mmol)およびtert-ブチルクロロジメチルシラン(4.66g、30.1mmol)を添加した。2時間攪拌した後、反応混合物を、メタノール(8mL)でクエンチし、酢酸エチル(200mL)で希釈した。有機層を、水(100mL×2)、重炭酸ナトリウムの飽和溶液(100mL)およびブライン(100mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、8:2)によって精製して、3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジンを得た。
Figure 2022532995000034
(Example 6)
Detailed procedure for 3'-O-nitrobenzyldeoxythymidine:
Figure 2022532995000033
Thymidine (2.50 g, 10.3 mmol) was suspended in dimethylformamide (60 mL) under argon at room temperature. To this suspension was added imidazole (4.22 g, 61.9 mmol) and tert-butylchlorodimethylsilane (4.66 g, 30.1 mmol). After stirring for 2 hours, the reaction mixture was quenched with methanol (8 mL) and diluted with ethyl acetate (200 mL). The organic layer was washed with water (100 mL x 2), saturated solution of sodium bicarbonate (100 mL) and brine (100 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate, 8: 2) to 3', 5'-di-O- (tert-butyl). Dimethylsilyl) thymidine was obtained.
Figure 2022532995000034

3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジン(4.34g、9.22mmol)およびジメチル-4-アミノピリジン(1.12g、9.22mmol)を、無水ジクロロメタン(140mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(5.14mL、36.9mmol)を添加し、反応混合物を0℃に冷却した。塩化ベンジル(3.21mL、27.7mmol)を滴加し、室温に温めた(warp up)。14時間攪拌した後、重炭酸ナトリウムの飽和溶液(80mL)を添加し、層を分離した。水層を、ジクロロメタン(200mL×2)で抽出した。合わせた有機層を、水(300mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、8:2)によって精製して、3-N-ベンゾイル-3’5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジンを得た。

Figure 2022532995000035
3', 5'-di-O- (tert-butyldimethylsilyl) thymidine (4.34 g, 9.22 mmol) and dimethyl-4-aminopyridine (1.12 g, 9.22 mmol) in anhydrous dichloromethane (140 mL). Dissolved in. Triethylamine (5.14 mL, 36.9 mmol) was added and the reaction mixture was cooled to 0 ° C. Benzyl chloride (3.21 mL, 27.7 mmol) was added dropwise and warmed to room temperature (warp up). After stirring for 14 hours, a saturated solution of sodium bicarbonate (80 mL) was added and the layers were separated. The aqueous layer was extracted with dichloromethane (200 mL x 2). The combined organic layers were washed with water (300 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate, 8: 2) to 3-N-benzoyl-3'5'-di-O. -(Tert-Butyldimethylsilyl) thymidine was obtained.
Figure 2022532995000035

3-N-ベンゾイル-3’5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジン(3.03g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、3-N-ベンゾイルチミジンを得た。

Figure 2022532995000036
3-N-benzoyl-3'5'-di-O- (tert-butyldimethylsilyl) thymidine (3.03 g, 5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added, followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL) and brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to give 3-N-benzoylthymidine.
Figure 2022532995000036

3-N-ベンゾイルチミジン(XXg、4.40mmol)を、無水ピリジン(37mL)中に溶解させ、その後、アルゴン下でtert-ブチルジメチルシリルクロリド(815mg、5.41mmol)を添加した。反応混合物を、室温で20時間撹拌した。濃縮後、残渣を、ジクロロメタン中に溶解させ、シリカ上に含浸させた。粗製産物を、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、3-N-ベンゾイル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジンを得た。

Figure 2022532995000037
3-N-benzoylthymidine (XXg, 4.40 mmol) was dissolved in anhydrous pyridine (37 mL), after which tert-butyldimethylsilyl chloride (815 mg, 5.41 mmol) was added under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 20 hours. After concentration, the residue was dissolved in dichloromethane and impregnated on silica. The crude product was purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to give 3-N-benzoyl-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) thymidine.
Figure 2022532995000037

3-N-ベンゾイル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジン(1.18g、2.56mmol)に、テトラブチルアンモニウムヒドロキシドの水溶液(10mL、60%)を添加し、その後、ヨウ化ナトリウム(76.7mg、0.51mmol)、ジクロロメタン(10mL)、水(10mL)、および1M水酸化ナトリウムの水溶液(10mL)を添加した。この混合物を、ジクロロメタン(10mL)中の2-ニトロベンジルブロミド(718mg、3.32mmol)溶液に滴加した。反応混合物を、室温で6時間撹拌した後、水(10mL)を添加した。水層を、ジクロロメタン(50mL×3)で抽出した。有機層を合わせ、ブライン(100mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。濾過および濃縮の後、残渣を、酢酸エチルで溶解させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、6:4)によって精製して、3-N-ベンゾイル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジンを得た。

Figure 2022532995000038
To 3-N-benzoyl-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) thymidine (1.18 g, 2.56 mmol) was added an aqueous solution of tetrabutylammonium hydroxide (10 mL, 60%), followed by sodium iodide. Sodium iodide (76.7 mg, 0.51 mmol), dichloromethane (10 mL), water (10 mL), and an aqueous solution of 1 M sodium hydroxide (10 mL) were added. The mixture was added dropwise to a solution of 2-nitrobenzyl bromide (718 mg, 3.32 mmol) in dichloromethane (10 mL). The reaction mixture was stirred at room temperature for 6 hours and then water (10 mL) was added. The aqueous layer was extracted with dichloromethane (50 mL x 3). The organic layers were combined, washed with brine (100 mL) and dried over anhydrous sodium sulfate. After filtration and concentration, the residue is dissolved in ethyl acetate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate, 6: 4) to 3-N-benzoyl-5'-O. -(Tert-Butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) thymidine was obtained.
Figure 2022532995000038

3-N-ベンゾイル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジン(1.24g、2.08mmol)を、エタノール(15mL)中に溶解させ、その後、30%水酸化アンモニウム溶液(1.5mL、12.3mmol)を添加した。反応混合物を、室温で1時間撹拌し、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、6:4)によって精製して、5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジンを得た。

Figure 2022532995000039
3-N-benzoyl-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) thymidine (1.24 g, 2.08 mmol) is dissolved in ethanol (15 mL). After that, a 30% ammonium hydroxide solution (1.5 mL, 12.3 mmol) was added. The reaction mixture is stirred at room temperature for 1 hour, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate, 6: 4) to 5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3. '-O- (2-nitrobenzyl) thymidine was obtained.
Figure 2022532995000039

5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジン(681mg、1.39mmol)を、アルゴン下で無水テトラヒドロフラン(12mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。その後、テトラヒドロフラン中1.0Mのテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液(2.78mL、2.78mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で2時間攪拌した。反応混合物を、冷水(50mL)に注ぎ、酢酸エチル(50mL×3)で抽出した。有機層を合わせ、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、10:1)によって精製して、3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジンを得た。

Figure 2022532995000040
5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) thymidine (681 mg, 1.39 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (12 mL) under argon to 0 ° C. Cooled. Then, 1.0 M tetrabutylammonium fluoride solution (2.78 mL, 2.78 mmol) in tetrahydrofuran was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 2 hours. The reaction mixture was poured into cold water (50 mL) and extracted with ethyl acetate (50 mL x 3). The organic layers were combined and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer was impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 10: 1) to give 3'-O- (2-nitrobenzyl) thymidine.
Figure 2022532995000040

3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジン(15mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 3'-O- (2-nitrobenzyl) thymidine (15 mg, 1 eq, 38 μmol) was co-evaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 minutes, a 5 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例6)
クラスII-プリンおよびピリミジンdNTPアナログを合成するための手順。
クラスII非ペプチドdNTPアナログの合成のためのスキーム
非ペプチド前駆体 - アデノシン

Figure 2022532995000041
非ペプチド前駆体 - シトシン
Figure 2022532995000042
クラスIIペプチド-dNTPアナログの合成のためのスキーム
ジスルフィドペプチド前駆体 - アデノシン
Figure 2022532995000043
ジスルフィドペプチド前駆体 - シトシン
Figure 2022532995000044
(Example 6)
Procedure for synthesizing class II-purines and pyrimidine dNTP analogs.
Scheme for the synthesis of class II non-peptide dNTP analogs Non-peptide precursor-adenosine
Figure 2022532995000041
Non-peptide precursor-cytosine
Figure 2022532995000042
Scheme for the synthesis of class II peptides-dNTP analogs Disulfide peptide precursors-adenosine
Figure 2022532995000043
Disulfide Peptide Precursor-Cytosine
Figure 2022532995000044

(実施例7)
クラスII非ペプチドdATP構築物の合成のための詳細な手順:

Figure 2022532995000045
9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(0.24mmol)を、アルゴン下で室温で無水テトラヒドロフラン(4mL)中に溶解させた。水素化ナトリウム(48mg、1.21mmol)を、一度に添加した。1時間攪拌した後、反応混合物を0℃に冷却し、塩化アシル(3当量、0.723mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌した。反応混合物を、飽和重炭酸ナトリウムおよびジクロロメタンの冷溶液中に注いだ。層を分離した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、2:8)によって精製して、所望の産物を得た。
Figure 2022532995000046
(Example 7)
Detailed Procedures for the Synthesis of Class II Non-Peptide dATP Constructs:
Figure 2022532995000045
9- [β-D-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyadenosine (0.24 mmol) is anhydrous under argon at room temperature. It was dissolved in tetrahydrofuran (4 mL). Sodium hydride (48 mg, 1.21 mmol) was added all at once. After stirring for 1 hour, the reaction mixture was cooled to 0 ° C. and acyl chloride (3 eq, 0.723 mmol) was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 hours. The reaction mixture was poured into a cold solution of saturated sodium bicarbonate and dichloromethane. The layers were separated. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate 2: 8) to give the desired product.
Figure 2022532995000046

N-置換ヌクレオシド(5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、N-置換3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシンを得た。

Figure 2022532995000047
The N-substituted nucleoside (5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added, followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to N-substituted 3'-O- (2-nitrobenzyl)-. 2'-deoxyadenosine was obtained.
Figure 2022532995000047

N-置換3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N-substituted 3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyadenosine (1 eq, 38 μmol) was co-evaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 minutes, a 5 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例8)
クラスII非ペプチドdCTP構築物の合成のための詳細な手順:

Figure 2022532995000048
5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(524.3mg、1.10mmol)およびカルボン酸(1.32mmol)を、アルゴン下で無水ギ酸ジメチル中に溶解させた。N,N-ジイソプロピルエチルアミン(0.48mL、2.74mmol)および2-(3H-[1,2,3]トリアゾロ[4,5-b]ピリジン-3-イル)-1,1,3,3-テトラメチルイソウロニウムヘキサフルオロホスフェート(V)(417mg、1.10mmol)を添加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌し、酢酸エチル(30mL)で希釈した。有機層を、飽和重炭酸ナトリウム溶液(30mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、4:6)によって精製して、N-置換5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。
Figure 2022532995000049
(Example 8)
Detailed Procedures for Synthesis of Class II Non-Peptide dCTP Constructs:
Figure 2022532995000048
5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine (524.3 mg, 1.10 mmol) and carboxylic acid (1.32 mmol), argon Underneath, it was dissolved in dimethyl anhydride. N, N-diisopropylethylamine (0.48 mL, 2.74 mmol) and 2- (3H- [1,2,3] triazolo [4,5-b] pyridin-3-yl) -1,1,3,3 -Tetramethylisouronium hexafluorophosphate (V) (417 mg, 1.10 mmol) was added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 hours and diluted with ethyl acetate (30 mL). The organic layer was washed with saturated sodium bicarbonate solution (30 mL), dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate 4: 6) to N-. Substitution 5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycitidine was obtained.
Figure 2022532995000049

N-置換5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(3.37g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、N-置換3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。

Figure 2022532995000050
N-substituted 5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine (3.37 g, 5.27 mmol) in dry tetrahydrofuran (50 mL). Was dissolved in. Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added, followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to N-substituted 3'-O- (2-nitrobenzyl)-. 2'-Deoxycytidine was obtained.
Figure 2022532995000050

N-置換3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N-substituted 3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine (1 eq, 38 μmol) was co-evaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 minutes, a 5 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例9)
ペプチド-dATPコンジュゲートの合成のための詳細な手順:

Figure 2022532995000051
9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(524.3mg、1.10mmol)および4-(ピリジン-2-イルジスルファニル(sulfaneyl))ブタン酸(302.7mg、1.32mmol)を、アルゴン下で無水ギ酸ジメチル中に溶解させた。N,N-ジイソプロピルエチルアミン(0.48mL、2.74mmol)および2-(3H-[1,2,3]トリアゾロ[4,5-b]ピリジン-3-イル)-1,1,3,3-テトラメチルイソウロニウムヘキサフルオロホスフェート(V)(417mg、1.10mmol)を添加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌し、酢酸エチル(30mL)で希釈した。有機層を、飽和重炭酸ナトリウム溶液(30mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、4:6)によって精製して、N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル(butanyryl))-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシンを得た。
Figure 2022532995000052
(Example 9)
Detailed Procedures for the Synthesis of Peptide-dATP Conjugates:
Figure 2022532995000051
9- [β-D-5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyadenosine (524.3 mg, 1.10 mmol) and 4- ( Pyridine-2-yldisulfaneyl butanoic acid (302.7 mg, 1.32 mmol) was dissolved in dimethyl anhydride under argon. N, N-diisopropylethylamine (0.48 mL, 2.74 mmol) and 2- (3H- [1,2,3] triazolo [4,5-b] pyridin-3-yl) -1,1,3,3 -Tetramethylisouronium hexafluorophosphate (V) (417 mg, 1.10 mmol) was added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 hours and diluted with ethyl acetate (30 mL). The organic layer was washed with saturated sodium bicarbonate solution (30 mL), dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate 4: 6) to N-. (4- (Pyridin-2-yldisulfanyl) butanyryl) -5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyadenosin was obtained. ..
Figure 2022532995000052

N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(3.75g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシンを得た。

Figure 2022532995000053
N- (4- (Pyridine-2-yldisulfanyl) butanilyl) -5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyadenosine (3.75 g) 5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added, followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to N- (4- (pyridin-2-yldisulfanyl) butaniryl). -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyadenosine was obtained.
Figure 2022532995000053

N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(23mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加後10分間撹拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N- (4- (Pyridine-2-yldisulfanyl) butanilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxyadenosine (23 mg, 1 equivalent, 38 μmol) with pyridine (1 mL x 3) It was co-evaporated and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 minutes, a 5 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added at once as a solid. The mixture was stirred for 10 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例10)
ペプチド-dCTPコンジュゲートの合成のための詳細な手順:

Figure 2022532995000054
5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(524.3mg、1.10mmol)および4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタン酸(1.32mmol)を、アルゴン下で無水ギ酸ジメチル中に溶解させた。N,N-ジイソプロピルエチルアミン(0.48mL、2.74mmol)および2-(3H-[1,2,3]トリアゾロ[4,5-b]ピリジン-3-イル)-1,1,3,3-テトラメチルイソウロニウムヘキサフルオロホスフェート(V)(417mg、1.10mmol)を添加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌し、酢酸エチル(30mL)で希釈した。有機層を、飽和重炭酸ナトリウム溶液(30mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、4:6)によって精製して、N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。
Figure 2022532995000055
(Example 10)
Detailed Procedures for the Synthesis of Peptide-dCTP Conjugates:
Figure 2022532995000054
5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine (524.3 mg, 1.10 mmol) and 4- (pyridine-2-yldisulfanyl) Butanoic acid (1.32 mmol) was dissolved in dimethyl anhydride under argon. N, N-diisopropylethylamine (0.48 mL, 2.74 mmol) and 2- (3H- [1,2,3] triazolo [4,5-b] pyridin-3-yl) -1,1,3,3 -Tetramethylisouronium hexafluorophosphate (V) (417 mg, 1.10 mmol) was added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 hours and diluted with ethyl acetate (30 mL). The organic layer was washed with saturated sodium bicarbonate solution (30 mL), dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (hexane / ethyl acetate 4: 6) to N-. (4- (Pyridin-2-yldisulfanyl) butanilyl) -5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycitidine was obtained.
Figure 2022532995000055

N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(3.62g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。

Figure 2022532995000056
N- (4- (Pyridine-2-yldisulfanyl) butanilyl) -5'-O- (tert-butyldimethylsilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine (3.62 g) 5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added, followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated on silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane / methanol, 9: 1) to N- (4- (pyridin-2-yldisulfanyl) butaniryl). -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine was obtained.
Figure 2022532995000056

N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(22mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後10分間撹拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N- (4- (Pyridine-2-yldisulfanyl) butanilyl) -3'-O- (2-nitrobenzyl) -2'-deoxycytidine (22 mg, 1 equivalent, 38 μmol) with pyridine (1 mL x 3) It was co-evaporated and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 minutes, a 5 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added at once as a solid. The mixture was stirred for 10 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例11)
クラスIII-プリンおよびピリミジンdNTPアナログを合成するための手順。
クラスIII dNTPアナログの合成のためのスキーム

Figure 2022532995000057
(Example 11)
Class III-Procedures for synthesizing purine and pyrimidine dNTP analogs.
Scheme for synthesis of class III dNTP analogs
Figure 2022532995000057

(実施例12)
クラスIII-プリンdNTPアナログのための詳細な手順:

Figure 2022532995000058
乾燥トルエン(100mL)中のホスゲン(6.46g、2当量、65.3mmol)溶液に、23℃で、20mL乾燥THF中の(2-ニトロフェニル)メタノール(5.00g、1当量、32.6mmol)を添加した。反応物を、23℃で24時間撹拌した。次いで、反応物を、NaOH水溶液でトラップしながら、真空下で乾燥するまで濃縮した。残存した琥珀色の油状物を、さらなる精製なしに反応において直接使用した。
Figure 2022532995000059
(Example 12)
Detailed Procedures for Class III-Prince dNTP Analogs:
Figure 2022532995000058
In a solution of phosgene (6.46 g, 2 eq, 65.3 mmol) in dry toluene (100 mL) at 23 ° C., (2-nitrophenyl) methanol (5.00 g, 1 eq, 32.6 mmol) in 20 mL dry THF. ) Was added. The reaction was stirred at 23 ° C. for 24 hours. The reaction was then concentrated under vacuum until dry, trapped in aqueous NaOH solution. The remaining amber oil was used directly in the reaction without further purification.
Figure 2022532995000059

乾燥DMF(100mL)中の9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-9H-プリン-6-アミン(12.2g、1.1当量、25.5mmol)の溶液に、0℃で、N,N-ジイソプロピルエチルアミン(3.60g、4.9mL、1.2当量、27.8mmol)を添加した。反応物を、30分間撹拌し、次いで、カルボノクロリド酸2-ニトロベンジル(5.00g、1当量、23.2mmol)を、温度を5Cより下に維持しながら、30分間かけてゆっくりと滴下して加えた。次いで、反応物を、室温に温め、一晩撹拌した。反応物を、5%Na2CO3およびEtOAcの冷却溶液中に注いだ。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、次いで、乾燥するまで濃縮した。粗製産物を、ヘキサン/EtOAc混合物を使用するシリカゲル上でのクロマトグラフィーにかけて、精製された産物を得、これを次の反応で使用した。

Figure 2022532995000060
9-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2- in dry DMF (100 mL)) N, N-diisopropylethylamine (3.60 g, 4.9 mL, 1.2) in a solution of -9H-purine-6-amine (12.2 g, 1.1 eq, 25.5 mmol) at 0 ° C. Equivalent (27.8 mmol) was added. The reaction is stirred for 30 minutes, then 2-nitrobenzyl carbonate (5.00 g, 1 eq, 23.2 mmol) is slowly added dropwise over 30 minutes, keeping the temperature below 5C. And added. The reaction was then warmed to room temperature and stirred overnight. The reaction was poured into a cold solution of 5% Na2CO3 and EtOAc. The EtOAc layer was dried over sodium sulphate and then concentrated to dryness. The crude product was chromatographed on silica gel using a hexane / EtOAc mixture to give a purified product, which was used in the next reaction.
Figure 2022532995000060

(9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-9H-プリン-6-イル)カルバミン酸2-ニトロベンジル(5.00g、1当量、7.59mmol)を、室温でTHF中に溶解させ、次いで、乾燥アルゴンのブランケット下でOCに冷却した。次いで、混合物に、テトラブチルアンモニウムフルオリド(4.96g、2.5当量、19.0mmol)を加えた。混合物を、0Cで2時間撹拌し、次いで、1時間23Cに温めた。溶液を、10%NaHCO3の冷溶液中に注ぎ、DCMで抽出した。DCM層を濃縮し、粗製産物を、5~50%DCM/MeOHで溶出させるシリカゲル上で精製して、三リン酸化に適切な産物を得た。

Figure 2022532995000061
(9-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2-yl) -9H-purine 2-Ninitrobenzyl carbamate (5.00 g, 1 eq, 7.59 mmol) was dissolved in THF at room temperature and then cooled to OC under a blanket of dry argon. Tetrabutylammonium fluoride (4.96 g, 2.5 eq, 19.0 mmol) was then added to the mixture. The mixture was stirred at 0 C for 2 hours and then warmed to 23 C for 1 hour. The solution was poured into a cold solution of 10% NaHCO3 and extracted with DCM. The DCM layer was concentrated and the crude product was purified on silica gel eluting with 5-50% DCM / MeOH to give a product suitable for triphosphorylation.
Figure 2022532995000061

(9-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-9H-プリン-6-イル)カルバミン酸2-ニトロベンジル(28mg、1当量、65μmol)を、リン酸トリメチル(1.5mL)および0.60mLの乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(30mg、18μL、3当量、0.20mmol)を添加した。5分後、10uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.23g、4当量、0.26mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn t=35分で、反応混合物に30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチル-ナフタレン-1,8-ジアミン(56mg、4当量、0.26mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、30分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移した。 (9-((2R, 4S, 5R) -4-hydroxy-5- (hydroxymethyl) tetrahydrofuran-2-yl) -9H-purine-6-yl) 2-nitrobenzyl carbamic acid (28 mg, 1 equivalent, 65 μmol) ) Was dissolved in trimethyl phosphate (1.5 mL) and 0.60 mL of dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of phosphoryl trichloride (30 mg, 18 μL, 3 eq, 0.20 mmol) was added. After 5 minutes, a 10 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.23 g, 4 eq, 0.26 mmol) in dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the reaction mixture over 30 seconds at rxn t = 35 minutes. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethyl-naphthalene-1,8-diamine (56 mg, 4 eq, 0.26 mmol) were added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred for 30 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation.

(実施例13)
クラスIII-ピリミジンdNTPアナログのための詳細な手順:

Figure 2022532995000062
乾燥DMF(100mL)中の4-アミノ-1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)ピリミジン-2(1H)-オン(9.30g、1.1当量、20.4mmol)の溶液に、0℃で、N,N-ジイソプロピルエチルアミン(2.88g、3.9mL、1.2当量、22.3mmol)を添加した。反応物を、30分間撹拌し、次いで、カルボノクロリド酸2-ニトロベンジル(4.00g、1当量、18.6mmol)を、温度を5Cより下に維持しながら、30分間かけてゆっくりと滴下して加えた。次いで、反応物を室温に温め、一晩撹拌した。反応物を、5%Na2CO3およびEtOAcの冷却溶液中に注いだ。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、次いで、乾燥するまで濃縮した。粗製産物を、ヘキサン/EtOAc混合物を使用するシリカゲル上でのクロマトグラフィーにかけて、精製された産物を得、これを次の反応で使用した。
Figure 2022532995000063
(Example 13)
Detailed Procedures for Class III-Pyrimidine dNTP Analogs:
Figure 2022532995000062
4-Amino-1-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -methyl) in dry DMF (100 mL) ) Tetrahydrofuran-2-yl) In a solution of pyrimidine-2 (1H) -one (9.30 g, 1.1 eq, 20.4 mmol) at 0 ° C., N, N-diisopropylethylamine (2.88 g, 3. 9 mL, 1.2 eq, 22.3 mmol) was added. The reaction is stirred for 30 minutes, then 2-nitrobenzyl carbonochloride (4.00 g, 1 eq, 18.6 mmol) is slowly added dropwise over 30 minutes, keeping the temperature below 5C. And added. The reaction was then warmed to room temperature and stirred overnight. The reaction was poured into a cold solution of 5% Na2CO3 and EtOAc. The EtOAc layer was dried over sodium sulphate and then concentrated to dryness. The crude product was chromatographed on silica gel using a hexane / EtOAc mixture to give a purified product, which was used in the next reaction.
Figure 2022532995000063

(1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)カルバミン酸2-ニトロベンジル(5.00g、1当量、7.88mmol)を、室温で25mL THF中に溶解させ、次いで、乾燥アルゴンのブランケット下でOCに冷却した。次いで、混合物に、テトラブチルアンモニウムフルオリド(5.15g、2.5当量、19.7mmol)を加えた。混合物を、0Cで2時間撹拌し、次いで、1時間23Cに温めた。溶液を、10%NaHCO3の冷溶液中に注ぎ、DCMで抽出した。DCM層を濃縮し、粗製産物を、5~50%DCM/MeOHで溶出させるシリカゲル上で精製して、三リン酸化に適切な産物を得た。

Figure 2022532995000064
(1-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) -tetrahydrofuran-2-yl) -2- 2-Nitrobenzyl carbamic acid (5.00 g, 1 eq, 7.88 mmol) oxo-1,2-dihydropyrimidine-4-yl) was dissolved in 25 mL THF at room temperature and then under a blanket of dry argon. It was cooled to OC. Tetrabutylammonium fluoride (5.15 g, 2.5 eq, 19.7 mmol) was then added to the mixture. The mixture was stirred at 0 C for 2 hours and then warmed to 23 C for 1 hour. The solution was poured into a cold solution of 10% NaHCO3 and extracted with DCM. The DCM layer was concentrated and the crude product was purified on silica gel eluting with 5-50% DCM / MeOH to give a product suitable for triphosphorylation.
Figure 2022532995000064

(1-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)カルバミン酸2-ニトロベンジル(35.0mg、1当量、86.1μmol)を、リン酸トリメチル(1.5mL)および0.60mLの乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(39.6mg、3当量、258μmol)を添加した。5分後、10uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(311mg、4当量、345μmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn t=35分で、反応混合物に30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(73.8mg、4当量、345μmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、30分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移した。 (1-((2R, 4S, 5R) -4-hydroxy-5- (hydroxymethyl) tetrahydrofuran-2-yl) -2-oxo-1,2-dihydropyrimidine-4-yl) 2-nitrobenzyl carbamate (35.0 mg, 1 eq, 86.1 μmol) was dissolved in trimethyl phosphate (1.5 mL) and 0.60 mL of dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of phosphoryl trichloride (39.6 mg, 3 eq, 258 μmol) was added. After 5 minutes, a 10 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (311 mg, 4 eq, 345 μmol) in dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the reaction mixture over 30 seconds at rxn t = 35 minutes. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (73.8 mg, 4 equivalents, 345 μmol) were added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred for 30 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation.

(実施例14)
クラスIV-dCTPアナログを合成するための手順。
クラスIV dCTPアナログの合成のためのスキーム

Figure 2022532995000065
クラスIV dCTPアナログのための詳細な手順:
Figure 2022532995000066
(Example 14)
Procedure for synthesizing class IV-dCTP analogs.
Scheme for synthesis of class IV dCTP analogs
Figure 2022532995000065
Detailed Procedures for Class IV dCTP Analogs:
Figure 2022532995000066

3,4,5-トリヒドロキシ安息香酸メチル(10g、1当量、54mmol)を、50mLのアセトン中に溶解させた。ヨウ化ナトリウム(0.81g、0.1当量、5.4mmol)および炭酸カリウム(38g、5当量、270mmol)を、周囲温度で固体として添加した。1-(クロロメチル)-2-ニトロベンゼン(34g、3.6当量、0.20mol)を、40mLのアセトン中の溶液として、10分間かけて滴加した。混合物を、1時間撹拌し、次いで、6時間50℃に加熱した。混合物を周囲温度に冷却し、バルクの溶媒を、回転式蒸発器上で除去した。残渣を、200mLのEtOAc中に懸濁し、これを、200mL分の水および飽和NaCl水溶液で逐次的に洗浄した。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、蒸発させた。粗製産物を、ヘキサン/EtOAc混合物を使用するシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、次の反応において使用され得る精製された産物を得た。

Figure 2022532995000067
Methyl 3,4,5-trihydroxybenzoate (10 g, 1 eq, 54 mmol) was dissolved in 50 mL of acetone. Sodium iodide (0.81 g, 0.1 eq, 5.4 mmol) and potassium carbonate (38 g, 5 eq, 270 mmol) were added as solids at ambient temperature. 1- (Chloromethyl) -2-nitrobenzene (34 g, 3.6 eq, 0.20 mol) was added dropwise over 10 minutes as a solution in 40 mL acetone. The mixture was stirred for 1 hour and then heated to 50 ° C. for 6 hours. The mixture was cooled to ambient temperature and the bulk solvent was removed on a rotary evaporator. The residue was suspended in 200 mL of EtOAc and washed sequentially with 200 mL of water and saturated aqueous NaCl solution. The EtOAc layer was dried over sodium sulphate and evaporated. The crude product was chromatographed on silica using a hexane / EtOAc mixture to give a purified product that could be used in the next reaction.
Figure 2022532995000067

3,4,5-トリス((2-ニトロベンジル)オキシ)安息香酸メチル(25g、1当量、42mmol)を、300mLのTHF中に溶解させた。水性2M NaOH(105mL、210mmol)を添加し、混合物を、周囲温度で18時間撹拌した。バルクのTHFを、回転式蒸発器上で除去し、残渣を、1またはそれ未満のpHになるまで、6M HClでゆっくりと酸性化した。得られた固体を濾過し、水で十分に洗浄し、フィルター漏斗上で5時間乾燥させ、次いで、高真空下で18時間乾燥させた。産物を、さらなる精製なしに、次の反応に進めた。

Figure 2022532995000068
Methyl 3,4,5-tris ((2-nitrobenzyl) oxy) benzoate (25 g, 1 eq, 42 mmol) was dissolved in 300 mL of THF. Aqueous 2M NaOH (105 mL, 210 mmol) was added and the mixture was stirred at ambient temperature for 18 hours. Bulk THF was removed on a rotary evaporator and the residue was slowly acidified with 6M HCl until the pH was 1 or less. The resulting solid was filtered, washed thoroughly with water, dried on a filter funnel for 5 hours and then dried under high vacuum for 18 hours. The product proceeded to the next reaction without further purification.
Figure 2022532995000068

4-アミノ-1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)ピリミジン-2(1H)-オン(12g、1当量、26mmol)および3,4,5-トリス((2-ニトロベンジル)オキシ)安息香酸(15g、1当量、26mmol)を、アルゴン雰囲気下で周囲温度で50mLの乾燥DMF中に溶解させた。N-エチル-N-イソプロピルプロパン-2-アミン(5.1g、6.8mL、1.5当量、39mmol)を添加し、その後、10mLの乾燥DMF中の1-((ジメチルアミノ)(ジメチルイミニオ)メチル)-1H-[1,2,3]トリアゾロ[4,5-b]ピリジン3-オキシドヘキサフルオロホスフェート(V)(12g、1.2当量、31mmol)溶液を、周囲温度で5分間かけて滴加した。混合物を、周囲温度で18時間撹拌した。混合物を、300mLのEtOAc中に溶解させ、これを、200mL分の水(2×)および飽和NaCl水溶液で逐次的に洗浄した。EtOAcを、硫酸ナトリウムで乾燥させ、回転式蒸発器上で最初に蒸発させ、次いで、高真空下で18時間蒸発させた。残渣を、ジクロロメタンおよびメタノールの混合物を使用するシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、所望の産物を無色の泡沫として得た。

Figure 2022532995000069
4-Amino-1-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2-yl) pyrimidin -2 (1H) -one (12 g, 1 eq, 26 mmol) and 3,4,5-tris ((2-nitrobenzyl) oxy) benzoic acid (15 g, 1 eq, 26 mmol) at ambient temperature in an argon atmosphere. Was dissolved in 50 mL of dry DMF. N-Ethyl-N-isopropylpropane-2-amine (5.1 g, 6.8 mL, 1.5 eq, 39 mmol) was added, followed by 1-((dimethylamino) (dimethyli)) in 10 mL of dry DMF. A solution of minio) methyl) -1H- [1,2,3] triazolo [4,5-b] pyridine3-oxide hexafluorophosphate (V) (12 g, 1.2 eq, 31 mmol) at ambient temperature for 5 minutes. Dropped over. The mixture was stirred at ambient temperature for 18 hours. The mixture was dissolved in 300 mL of EtOAc and washed sequentially with 200 mL of water (2x) and saturated aqueous NaCl solution. EtOAc was dried over sodium sulphate, first evaporated on a rotary evaporator and then evaporated under high vacuum for 18 hours. The residue was chromatographed on silica using a mixture of dichloromethane and methanol to give the desired product as a colorless foam.
Figure 2022532995000069

N-(1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)-3,4,5-トリス((2-ニトロベンジル)オキシ)ベンズアミド(5g、1当量、5mmol)を、アルゴン下で周囲温度で25.0mLの乾燥THF中に溶解させた。トリエチルアミン(4g、6mL、8当量、4e+1mmol)を迅速に添加し、その後、トリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(5g、5mL、6当量、3e+1mmol)もまた周囲温度で迅速に添加した。混合物を、周囲温度で24時間撹拌した。シリカゲル(20g)を添加し、混合物を、回転式蒸発器上で蒸発させて、微細粉末にし、次いで、100gシリカカラム上にロードし、ジクロロメタンおよびメタノールの混合物で溶出させて、僅かに黄色の泡沫としてヌクレオシドを得た。

Figure 2022532995000070
N-(1-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2-yl) -2 -Oxo-1,2-dihydropyrimidine-4-yl) -3,4,5-tris ((2-nitrobenzyl) oxy) benzamide (5 g, 1 equivalent, 5 mmol) under argon at ambient temperature 25. It was dissolved in 0 mL of dry THF. Triethylamine (4 g, 6 mL, 8 eq, 4e + 1 mmol) was added rapidly, followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (5 g, 5 mL, 6 eq, 3e + 1 mmol) also rapidly added at ambient temperature. The mixture was stirred at ambient temperature for 24 hours. Silica gel (20 g) is added and the mixture is evaporated on a rotary evaporator to a fine powder, then loaded on a 100 g silica column and eluted with a mixture of dichloromethane and methanol to give a slightly yellow foam. Obtained as dichloromethane.
Figure 2022532995000070

N-(1-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)-3,4,5-トリス((2-ニトロベンジル)オキシ)ベンズアミド(30mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N-(1-((2R, 4S, 5R) -4-hydroxy-5- (hydroxymethyl) tetrahydrofuran-2-yl) -2-oxo-1,2-dihydropyrimidine-4-yl) -3,4 , 5-Tris ((2-nitrobenzyl) oxy) benzamide (30 mg, 1 eq, 38 μmol) was co-evaporated with pyridine (1 mL × 3) and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 minutes, a 5 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例15)
クラスVペプチドおよび非ペプチドアナログを合成するための手順。
ペプチド-チミジンdNTPコンジュゲートの合成のためのスキーム

Figure 2022532995000071
非ペプチド-チミジンdNTPコンジュゲートの合成のためのスキーム
Figure 2022532995000072
(Example 15)
Procedure for synthesizing class V peptides and non-peptide analogs.
Scheme for the synthesis of peptide-thymidine dNTP conjugate
Figure 2022532995000071
Scheme for synthesis of non-peptide-thymidine dNTP conjugate
Figure 2022532995000072

(実施例16)
ペプチド-dTTPアナログのための詳細な手順:

Figure 2022532995000073
4-(ブロモメチル)ベンゼンチオール(5.00g、1当量、24.6mmol)を、メタノール(50mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。次いで、混合物に、1,2-ジ(ピリジン-2-イル)ジスルファン(5.42g、1当量、24.6mmol)を加え、0Cで18時間撹拌した。次いで、反応物を直接濃縮し、ヘキサン/酢酸エチル(0~100%EtOAc)で溶出させるシリカゲル(silica get)上で精製して、産物を白色固体として得、これを次の反応において直接使用した。
Figure 2022532995000074
(Example 16)
Detailed procedure for peptide-dTTP analogs:
Figure 2022532995000073
4- (Bromomethyl) benzenethiol (5.00 g, 1 eq, 24.6 mmol) was dissolved in methanol (50 mL) and cooled to 0 ° C. Then, 1,2-di (pyridin-2-yl) disulfan (5.42 g, 1 equivalent, 24.6 mmol) was added to the mixture, and the mixture was stirred at 0 C for 18 hours. The reaction was then concentrated directly and purified on silica gel eluting with hexane / ethyl acetate (0-100% EtOAc) to give the product as a white solid, which was used directly in the next reaction. ..
Figure 2022532995000074

1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(5.00g、1当量、10.6mmol)を、50mL DMF中に溶解させ、次いで、0Cに冷却した。反応物を、0Cで30分間撹拌し、次いで、水素化ナトリウム(306mg、1.2当量、12.7mmol)を加えた。次いで、反応物を、0Cでさらに30分間撹拌し、次いで、23Cに温めた。次いで、混合物に、2-((4-(ブロモメチル)フェニル)-ジスルファニル)-ピリジン(3.32g、1当量、10.6mmol)を加え、撹拌を、23Cでさらに2時間継続した。次いで、反応物を、10%NaHCO3およびDCMの冷溶液中に注いだ。DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。次いで、混合物を、0~20%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。

Figure 2022532995000075
1-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2-yl) -5-methylpyrimidine -2,4 (1H, 3H) -dione (5.00 g, 1 eq, 10.6 mmol) was dissolved in 50 mL DMF and then cooled to 0C. The reaction was stirred at 0C for 30 minutes, then sodium hydride (306 mg, 1.2 eq, 12.7 mmol) was added. The reaction was then stirred at 0C for an additional 30 minutes and then warmed to 23C. 2-((4- (Bromomethyl) phenyl) -disulfanyl) -pyridine (3.32 g, 1 eq, 10.6 mmol) was then added to the mixture and stirring was continued at 23 C for an additional 2 hours. The reaction was then poured into a cold solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was separated, dried over sodium sulphate and concentrated to dryness. The mixture was then purified on silica gel eluting with 0-20% DCM / methanol to give the desired product.
Figure 2022532995000075

1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチル-3-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ベンジル)ピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(2.00g、1当量、2.85mmol)を、THF中に溶解させ、0Cに冷却した。次いで、混合物に、0Cでテトラブチルアンモニウムフルオリド(2.23mg、3当量、8.55mmol)を加えた。反応物を、0Cで2時間撹拌し続け、次いで、さらに1時間23Cに温めた。次いで、反応物を、再度0Cに冷却し、10%NaHCO3およびDCMのあらかじめ冷却した溶液中に0Cで加えた。次いで、DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、濃縮し、5~50%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、純粋な産物を得た。

Figure 2022532995000076
1-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -methyl) tetrahydrofuran-2-yl) -5-methyl -3- (4- (Pyridine-2-yldisulfanyl) benzyl) pyrimidine-2,4 (1H, 3H) -dione (2.00 g, 1 equivalent, 2.85 mmol) was dissolved in THF to 0C. Cooled. Tetrabutylammonium fluoride (2.23 mg, 3 eq, 8.55 mmol) was then added to the mixture at 0 C. The reaction was continuously stirred at 0C for 2 hours and then warmed to 23C for an additional hour. The reaction was then cooled to 0C again and added at 0C into a pre-cooled solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was then separated, dried over sodium sulphate, concentrated and purified on silica gel eluting with 5-50% DCM / methanol to give a pure product.
Figure 2022532995000076

1-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチル-3-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ベンジル)ピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(5.00g、1当量、10.6mmol)を、23Cで20mLのTHF中に溶解させた。次いで、混合物に、トリエチルアミン(1.07g、1.5mL、1当量、10.6mmol)を加え、0Cに冷却した。次いで、混合物に、TBS-Cl(1.59g、1当量、10.6mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに2時間継続した。次いで、混合物を、10%水性NaClおよびDCMのあらかじめ冷却した混合物に加えた。DCM層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、濃縮し、乾燥させて、琥珀色の油状物を得た。次いで、粗製産物を、5~50%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、純粋な産物を得た。

Figure 2022532995000077
1-((2R, 4S, 5R) -4-hydroxy-5- (hydroxymethyl) tetrahydrofuran-2-yl) -5-methyl-3- (4- (pyridin-2-yldisulfanyl) benzyl) pyrimidine-2 , 4 (1H, 3H) -dione (5.00 g, 1 eq, 10.6 mmol) was dissolved in 20 mL THF at 23 C. Triethylamine (1.07 g, 1.5 mL, 1 eq, 10.6 mmol) was then added to the mixture and cooled to 0C. TBS-Cl (1.59 g, 1 eq, 10.6 mmol) was then added to the mixture and stirring was continued at 0 C for an additional 2 hours. The mixture was then added to a pre-cooled mixture of 10% aqueous NaCl and DCM. The DCM layer was dried over sodium sulphate, concentrated and dried to give an amber oil. The crude product was then purified on silica gel eluting with 5-50% DCM / methanol to give a pure product.
Figure 2022532995000077

1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-4-ヒドロキシテトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチル-3-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ベンジル)ピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(2.00g、1当量、3.40mmol)を、20mL DMF中に溶解させ、次いで、0Cに冷却した。次いで、混合物に、水素化ナトリウム(98.0mg、1.2当量、4.08mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに30分間継続した。次いで、反応物に、1-(ブロモメチル)-2-ニトロベンゼン(735mg、1当量、3.40mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに1時間継続した。次いで、反応物を、10%NaClおよびEtOAcのあらかじめ冷却した混合物に加えた。EtOAc層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。粗製産物を、0~50ヘキサン/EtOAcで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。

Figure 2022532995000078
1-((2R, 4S, 5R) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) -4-hydroxytetrahydro-2-yl) -5-methyl-3- (4- (pyridine-2) -Ildisulfanyl) benzyl) pyrimidine-2,4 (1H, 3H) -dione (2.00 g, 1 equivalent, 3.40 mmol) was dissolved in 20 mL DMF and then cooled to 0C. Sodium hydride (98.0 mg, 1.2 eq, 4.08 mmol) was then added to the mixture and stirring was continued at 0 C for an additional 30 minutes. 1- (Bromomethyl) -2-nitrobenzene (735 mg, 1 eq, 3.40 mmol) was then added to the reaction and stirring was continued at 0 C for an additional hour. The reaction was then added to a pre-cooled mixture of 10% NaCl and EtOAc. The EtOAc layer was separated, dried over sodium sulphate and concentrated to dryness. The crude product was purified on silica gel eluting with 0-50 hexane / EtOAc to give the desired product.
Figure 2022532995000078

1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-4-((2-ニトロベンジル)オキシ)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチル-3-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ベンジル)ピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(1.00g、1当量、1.38mmol)を、THF中に溶解させ、0Cに冷却した。次いで、反応物に、0CでTBAF(362mg、1当量、1.38mmol)を加え、0Cで1時間撹拌し、次いで、2時間かけて室温に温めた。次いで、混合物を、10%NaHCO3およびDCMのあらかじめ冷却した溶液中に注いだ。DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させた。粗製産物を、5~25%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。

Figure 2022532995000079
1-((2R, 4S, 5R) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) -4-((2-nitrobenzyl) oxy) tetrahydrofuran-2-yl) -5-methyl-3 -(4- (Pyridine-2-yldisulfanyl) benzyl) pyrimidine-2,4 (1H, 3H) -dione (1.00 g, 1 equivalent, 1.38 mmol) was dissolved in THF and cooled to 0C. .. The reaction was then added TBAF (362 mg, 1 eq, 1.38 mmol) at 0 C, stirred at 0 C for 1 hour, then warmed to room temperature over 2 hours. The mixture was then poured into a pre-cooled solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was separated and dried over sodium sulfate. The crude product was purified on silica gel eluting with 5-25% DCM / methanol to give the desired product.
Figure 2022532995000079

(1-((2R,4S,5R)-5-(ヒドロキシメチル)-4-((2-ニトロベンジル)オキシ)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)カルバミン酸4-(ピリジン-2-イル)ベンジル(35.0mg、1当量、61.0μmol)を、リン酸トリメチル(1.5mL)および0.60mLの乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(39.6mg、3当量、258μmol)を添加した。5分後、10uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(311mg、4当量、345μmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn t=35分で、反応混合物に30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(73.8mg、4当量、345μmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、30分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移した。 (1-((2R, 4S, 5R) -5- (hydroxymethyl) -4-((2-nitrobenzyl) oxy) tetrahydrofuran-2-yl) -2-oxo-1,2-dihydropyrimidine-4- Il) Carbamic acid 4- (pyridin-2-yl) benzyl (35.0 mg, 1 equivalent, 61.0 μmol) is dissolved in trimethyl phosphate (1.5 mL) and 0.60 mL of dry pyridine and bathed in an ice bath. Cooled under medium argon. A first aliquot of phosphoryl trichloride (39.6 mg, 3 eq, 258 μmol) was added. After 5 minutes, a 10 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (311 mg, 4 eq, 345 μmol) in dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the reaction mixture over 30 seconds at rxn t = 35 minutes. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (73.8 mg, 4 equivalents, 345 μmol) were added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred for 30 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation.

(実施例17)
非ペプチド-dTTPアナログのための詳細な手順:

Figure 2022532995000080
1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)-オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(5.00g、1当量、10.6mmol)を、50mL DMF中に溶解させ、次いで、0Cに冷却した。反応物を、0Cで30分間撹拌し、次いで、水素化ナトリウム(306mg、1.2当量、12.7mmol)を加えた。反応物を、0Cでさらに30分間撹拌し、次いで、23Cに温めた。次いで、混合物に、(ブロモメチル)ベンゼン(1.82g、1当量、10.6mmol)を加え、撹拌を、23Cでさらに2時間継続した。次いで、反応物を、10%NaHCO3およびDCMの冷溶液中に注いだ。DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。次いで、混合物を、0~20%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。
Figure 2022532995000081
(Example 17)
Detailed Procedures for Non-Peptide-dTTP Analogs:
Figure 2022532995000080
1-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) -oxy) methyl) tetrahydrofuran-2-yl) -5-methyl Pyrimidine-2,4 (1H, 3H) -dione (5.00 g, 1 eq, 10.6 mmol) was dissolved in 50 mL DMF and then cooled to 0C. The reaction was stirred at 0C for 30 minutes, then sodium hydride (306 mg, 1.2 eq, 12.7 mmol) was added. The reaction was stirred at 0C for an additional 30 minutes and then warmed to 23C. (Bromomethyl) benzene (1.82 g, 1 eq, 10.6 mmol) was then added to the mixture and stirring was continued at 23 C for an additional 2 hours. The reaction was then poured into a cold solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was separated, dried over sodium sulphate and concentrated to dryness. The mixture was then purified on silica gel eluting with 0-20% DCM / methanol to give the desired product.
Figure 2022532995000081

3-ベンジル-1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(4.00g、1当量、7.13mmol)を、THF中に溶解させ、0Cに冷却した。次いで、混合物に、0Cでテトラブチルアンモニウムフルオリド(3.72g、2当量、14.26mmol)を加えた。反応物を、0Cで2時間撹拌し続け、次いで、さらに1時間23Cに温めた。次いで、反応物を、再度0Cに冷却し、10%NaHCO3およびDCMのあらかじめ冷却した溶液中に0Cで加えた。次いで、DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、濃縮し、5~50%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、純粋な産物を得た。

Figure 2022532995000082
3-Benzyl-1-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -methyl) tetrahydrofuran-2-yl) -5-Methylpyrimidine-2,4 (1H, 3H) -dione (4.00 g, 1 eq, 7.13 mmol) was dissolved in THF and cooled to 0C. Tetrabutylammonium fluoride (3.72 g, 2 eq, 14.26 mmol) was then added to the mixture at 0 C. The reaction was continuously stirred at 0C for 2 hours and then warmed to 23C for an additional hour. The reaction was then cooled to 0C again and added at 0C into a pre-cooled solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was then separated, dried over sodium sulphate, concentrated and purified on silica gel eluting with 5-50% DCM / methanol to give a pure product.
Figure 2022532995000082

3-ベンジル-1-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(1.00g、1当量、3.01mmol)を、23Cで20mLのTHF中に溶解させた。次いで、混合物に、トリエチルアミン(304mg、0.42mL、1当量、3.01mmol)を加え、0Cに冷却した。次いで、混合物に、TBS-Cl(453mg、1当量、3.01mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに2時間継続した。次いで、混合物を、10%水性NaClおよびDCMのあらかじめ冷却した混合物に加えた。DCM層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、濃縮し、乾燥させて、琥珀色の油状物を得た。次いで、粗製産物を、5~50%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、純粋な産物を得た。

Figure 2022532995000083
3-Benzyl-1-((2R, 4S, 5R) -4-hydroxy-5- (hydroxymethyl) tetrahydrofuran-2-yl) -5-methylpyrimidine-2,4 (1H, 3H) -dione (1. 00 g, 1 eq, 3.01 mmol) was dissolved in 20 mL THF at 23 C. Triethylamine (304 mg, 0.42 mL, 1 eq, 3.01 mmol) was then added to the mixture and cooled to 0C. TBS-Cl (453 mg, 1 eq, 3.01 mmol) was then added to the mixture and stirring was continued at 0 C for an additional 2 hours. The mixture was then added to a pre-cooled mixture of 10% aqueous NaCl and DCM. The DCM layer was dried over sodium sulphate, concentrated and dried to give an amber oil. The crude product was then purified on silica gel eluting with 5-50% DCM / methanol to give a pure product.
Figure 2022532995000083

3-ベンジル-1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-4-ヒドロキシテトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(6.00g、1当量、13.4mmol)を、20mL DMF中に溶解させ、次いで、0Cに冷却した。次いで、混合物に、水素化ナトリウム(387mg、1.2当量、16.1mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに30分間継続した。次いで、反応物に、1-(ブロモメチル)-2-ニトロベンゼン(2.90g、1当量、13.4mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに1時間継続した。次いで、反応を、10%NaClおよびEtOAcのあらかじめ冷却した混合物に加えた。EtOAc層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。粗製産物を、0~50ヘキサン/EtOAcで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。

Figure 2022532995000084
3-Benzyl-1-((2R, 4S, 5R) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) -4-hydroxytetrahydro-2-yl) -5-methylpyrimidine-2,4 ( 1H, 3H) -dione (6.00 g, 1 eq, 13.4 mmol) was dissolved in 20 mL DMF and then cooled to 0C. Sodium hydride (387 mg, 1.2 eq, 16.1 mmol) was then added to the mixture and stirring was continued at 0 C for an additional 30 minutes. 1- (Bromomethyl) -2-nitrobenzene (2.90 g, 1 eq, 13.4 mmol) was then added to the reaction and stirring was continued at 0C for an additional hour. The reaction was then added to a pre-cooled mixture of 10% NaCl and EtOAc. The EtOAc layer was separated, dried over sodium sulphate and concentrated to dryness. The crude product was purified on silica gel eluting with 0-50 hexane / EtOAc to give the desired product.
Figure 2022532995000084

3-ベンジル-1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-4-((2-ニトロベンジル)オキシ)-テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(1.50g、1当量、2.58mmol)を、THF中に溶解させ、0Cに冷却した。次いで、反応物に、0CでTBAF(674mg、1当量、2.58mmol)を加え、0Cで1時間撹拌し、次いで、2時間かけて室温に温めた。次いで、混合物を、10%NaHCO3およびDCMのあらかじめ冷却した溶液中に注いだ。DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させた。粗製産物を、5~25%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。

Figure 2022532995000085
3-Benzyl-1-((2R, 4S, 5R) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) -4-((2-nitrobenzyl) oxy) -tetrahydrofuran-2-yl)- 5-Methylpyrimidine-2,4 (1H, 3H) -dione (1.50 g, 1 equivalent, 2.58 mmol) was dissolved in THF and cooled to 0C. The reaction was then added TBAF (674 mg, 1 eq, 2.58 mmol) at 0 C, stirred at 0 C for 1 hour, then warmed to room temperature over 2 hours. The mixture was then poured into a pre-cooled solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was separated and dried over sodium sulfate. The crude product was purified on silica gel eluting with 5-25% DCM / methanol to give the desired product.
Figure 2022532995000085

(1-((2R,4S,5R)-5-(ヒドロキシメチル)-4-((2-ニトロベンジル)オキシ)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)カルバミン酸ベンジル(35.0mg、1当量、70.5μmol)を、リン酸トリメチル(1.5mL)および0.60mLの乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(39.6mg、3当量、258μmol)を添加した。5分後、10uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(311mg、4当量、345μmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn t=35分で、反応混合物に30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(73.8mg、4当量、345μmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、30分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移した。 (1-((2R, 4S, 5R) -5- (hydroxymethyl) -4-((2-nitrobenzyl) oxy) tetrahydrofuran-2-yl) -2-oxo-1,2-dihydropyrimidine-4- Il) benzyl carbamate (35.0 mg, 1 eq, 70.5 μmol) was dissolved in trimethyl phosphate (1.5 mL) and 0.60 mL of dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of phosphoryl trichloride (39.6 mg, 3 eq, 258 μmol) was added. After 5 minutes, a 10 uL second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (311 mg, 4 eq, 345 μmol) in dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the reaction mixture over 30 seconds at rxn t = 35 minutes. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (73.8 mg, 4 equivalents, 345 μmol) were added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred for 30 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation.

(実施例18)
クラスVIペプチドおよび非ペプチドdGTPアナログを合成するための手順。
クラスVI-dGTP構築物の合成のためのスキーム

Figure 2022532995000086
非ペプチドdGTPアナログのための詳細な手順:
Figure 2022532995000087
(Example 18)
Procedure for synthesizing class VI peptide and non-peptide dGTP analogs.
Scheme for synthesis of class VI-dGTP constructs
Figure 2022532995000086
Detailed Procedures for Non-Peptide dGTP Analogs:
Figure 2022532995000087

2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tertブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-1,9-ジヒドロ-6H-プリン-6-オン(0.50g、1当量、1.0mmol)を、アルゴン下で5.0mLの乾燥ジメチルアセトアミド中に溶解させた。オキシラン(0.13g、3当量、3.0mmol)を周囲温度で添加し、その後、水酸化ナトリウム(40mg、1当量、1.0mmol)を固体として添加した。混合物を、周囲温度で4時間撹拌した。混合物を、50mLのEtOAcで希釈し、これを、100mLの水および100mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、蒸発させたところ、黄色の油状物が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用する40gのシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、白色の泡沫を得た。

Figure 2022532995000088
2-Amino-9-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2-yl) -1 , 9-Dihydro-6H-purine-6-one (0.50 g, 1 eq, 1.0 mmol) was dissolved in 5.0 mL of dry dimethylacetamide under argon. Oxylane (0.13 g, 3 eq, 3.0 mmol) was added at ambient temperature, followed by sodium hydroxide (40 mg, 1 eq, 1.0 mmol) as a solid. The mixture was stirred at ambient temperature for 4 hours. The mixture was diluted with 50 mL EtOAc and washed sequentially with 100 mL water and 100 mL brine. The EtOAc layer was dried over sodium sulphate and evaporated, leaving a yellow oil. This was chromatographed on 40 g of silica using a dichloromethane / methanol mixture as the eluent to give white foam.
Figure 2022532995000088

2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-1-(2-ヒドロキシエチル)-1,9-ジヒドロ-6H-プリン-6-オン(200mg、1当量、370μmol)を、アルゴン下で周囲温度で5mLの乾燥ピリジン中に懸濁した。クロロホルメート(1当量)を、固体として添加した。混合物を、8時間95Cに加熱し、周囲温度に冷却した。溶媒を、真空中で除去し、残渣を、50mLのEtOAcで希釈し、これを、50mLの水および50mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、蒸発させたところ、黄色の油状物が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用する40gのシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、白色の泡沫を得た。

Figure 2022532995000089
2-Amino-9-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2-yl)- 1- (2-Hydroxyethyl) -1,9-dihydro-6H-purine-6-one (200 mg, 1 eq, 370 μmol) was suspended in 5 mL of dry pyridine under argon at ambient temperature. Chloroformate (1 eq) was added as a solid. The mixture was heated to 95 C for 8 hours and cooled to ambient temperature. The solvent was removed in vacuo and the residue was diluted with 50 mL EtOAc and washed sequentially with 50 mL water and 50 mL brine. The EtOAc layer was dried over sodium sulphate and evaporated, leaving a yellow oil. This was chromatographed on 40 g of silica using a dichloromethane / methanol mixture as the eluent to give white foam.
Figure 2022532995000089

アルコール出発材料を、アルゴン下で周囲温度で乾燥THF中に溶解させた。2当量のトリエチルアミンを添加した。THF中の塩化アシル溶液を、周囲温度で滴加し、混合物を、18時間攪拌した。溶媒を、真空中で除去し、残渣を、50mLのEtOAcで希釈し、これを、50mLの水および50mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、Na2SO4で乾燥させ、蒸発させたところ、明るい茶色の固体が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用するシリカカラム上でのクロマトグラフィーにかけて、対応するエステルを得た。

Figure 2022532995000090
The alcohol starting material was dissolved in dry THF under argon at ambient temperature. Two equivalents of triethylamine were added. The acyl chloride solution in THF was added dropwise at ambient temperature and the mixture was stirred for 18 hours. The solvent was removed in vacuo and the residue was diluted with 50 mL EtOAc and washed sequentially with 50 mL water and 50 mL brine. The EtOAc layer was dried over Na2SO4 and evaporated, leaving a light brown solid. This was chromatographed on a silica column using a dichloromethane / methanol mixture as the eluent to give the corresponding ester.
Figure 2022532995000090

ビス-シリルエーテル(1当量)を、アルゴン下で周囲温度で乾燥THF中に溶解させた。トリエチルアミン(8当量)を迅速に添加し、その後、トリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(6当量)もまた周囲温度で迅速に添加した。混合物を、周囲温度で24時間撹拌した。シリカゲルを添加し、混合物を、回転式蒸発器上で蒸発させて、微細粉末にし、次いで、シリカカラム上にロードし、ジクロロメタンおよびメタノールの混合物で溶出させて、僅かに黄色の泡沫としてヌクレオシドを得た。

Figure 2022532995000091
Bis-silyl ether (1 eq) was dissolved in dry THF under argon at ambient temperature. Triethylamine (8 eq) was added rapidly, after which triethylammonium fluoride dihydrofluoride (6 eq) was also added rapidly at ambient temperature. The mixture was stirred at ambient temperature for 24 hours. Silica gel is added and the mixture is evaporated on a rotary evaporator to a fine powder, then loaded onto a silica column and eluted with a mixture of dichloromethane and methanol to give nucleoside as a slightly yellow foam. rice field.
Figure 2022532995000091

ヌクレオシドを、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(1.5当量)を添加した。5分後、1.5当量の第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(4当量)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(4当量)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 The nucleoside was co-evaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot (1.5 eq) of phosphoryl trichloride was added. After 5 minutes, 1.5 equivalents of a second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (4 eq) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (4 equivalents) were added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

ペプチド-dGTPアナログのための詳細な手順:

Figure 2022532995000092
Detailed Procedures for Peptide-dGTP Analogs:
Figure 2022532995000092

2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-1,9-ジヒドロ-6H-プリン-6-オン(1.00g、1当量、2.02mmol)を、アルゴン下で、30mLの乾燥N,N-ジメチルアセトアミド中に溶解させた。4-ブロモブタン酸(337mg、1当量、2.02mmol)を、周囲温度で添加し、その後、水酸化ナトリウム(161mg、2当量、4.03mmol)を、固体として添加した。混合物を、80Cに加熱し、12時間撹拌した。混合物を、周囲温度に冷却し、100mLのEtOAcで希釈し、これを、50mLの水および50mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、Na2SO4で乾燥させ、蒸発させたところ、明るい茶色の固体が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用するシリカカラム上でのクロマトグラフィーにかけて、4-(2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-6-オキソ-6,9-ジヒドロ-1H-プリン-1-イル)ブタン酸を白色固体として得た。

Figure 2022532995000093
2-Amino-9-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2-yl)- 1,9-Dihydro-6H-purine-6-one (1.00 g, 1 eq, 2.02 mmol) was dissolved in 30 mL of dry N, N-dimethylacetamide under argon. 4-Bromobutane acid (337 mg, 1 eq, 2.02 mmol) was added at ambient temperature, followed by sodium hydroxide (161 mg, 2 eq, 4.03 mmol) as a solid. The mixture was heated to 80 C and stirred for 12 hours. The mixture was cooled to ambient temperature, diluted with 100 mL EtOAc and washed sequentially with 50 mL water and 50 mL brine. The EtOAc layer was dried over Na2SO4 and evaporated, leaving a light brown solid. This was chromatographed on a silica column using a dichloromethane / methanol mixture as the eluent to 4- (2-amino-9-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl)). Oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2-yl) -6-oxo-6,9-dihydro-1H-purine-1-yl) butanoic acid is obtained as a white solid. rice field.
Figure 2022532995000093

4-(2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-6-オキソ-6,9-ジヒドロ-1H-プリン-1-イル)ブタン酸(1当量)を、アルゴン下で周囲温度で5mLの乾燥ピリジン中に懸濁した。クロロホルメート(1当量)を、固体として添加した。混合物を、8時間95Cに加熱し、周囲温度に冷却した。溶媒を、真空中で除去し、残渣を、50mLのEtOAcで希釈し、これを、50mLの水および50mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、蒸発させたところ、黄色の油状物が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用する40gのシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、白色の泡沫を得た。

Figure 2022532995000094
4- (2-Amino-9-((2R, 4S, 5R) -4-((tert-butyldimethylsilyl) oxy) -5-(((tert-butyldimethylsilyl) oxy) methyl) tetrahydrofuran-2- Il) -6-oxo-6,9-dihydro-1H-purine-1-yl) butanoic acid (1 eq) was suspended in 5 mL of dry pyridine under argon at ambient temperature. Chloroformate (1 eq) was added as a solid. The mixture was heated to 95 C for 8 hours and cooled to ambient temperature. The solvent was removed in vacuo and the residue was diluted with 50 mL EtOAc and washed sequentially with 50 mL water and 50 mL brine. The EtOAc layer was dried over sodium sulphate and evaporated, leaving a yellow oil. This was chromatographed on 40 g of silica using a dichloromethane / methanol mixture as the eluent to give white foam.
Figure 2022532995000094

カルボン酸を、周囲温度で乾燥THF中に溶解または懸濁した。この溶液に、1.3当量のトリエチルアミンを添加し、その後、1.1当量のジフェニルホスホリルアジドを添加した。混合物を、20時間加熱還流し、周囲温度に冷却した。シリカゲルを混合物に添加し、溶媒を蒸発させて、微細粉末を得た。これを、シリカゲルのカラム上にロードし、EtOAcおよびジクロロメタンの混合物で溶出させて、所望のイソシアネートを無色の油状物として得た。

Figure 2022532995000095
The carboxylic acid was dissolved or suspended in dry THF at ambient temperature. To this solution was added 1.3 equivalents of triethylamine, followed by 1.1 equivalents of diphenylphosphoryl azide. The mixture was heated to reflux for 20 hours and cooled to ambient temperature. Silica gel was added to the mixture and the solvent was evaporated to give a fine powder. It was loaded onto a column of silica gel and eluted with a mixture of EtOAc and dichloromethane to give the desired isocyanate as a colorless oil.
Figure 2022532995000095

ビス-シリルエーテル(1当量)を、アルゴン下で周囲温度で乾燥THF中に溶解させた。トリエチルアミン(8当量)を迅速に添加し、その後、トリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(6当量)もまた周囲温度で迅速に添加した。混合物を、周囲温度で24時間撹拌した。シリカゲルを添加し、混合物を、回転式蒸発器上で蒸発させて、微細粉末にし、次いで、シリカカラム上にロードし、ジクロロメタンおよびメタノールの混合物で溶出させて、僅かに黄色の泡沫としてヌクレオシドを得た。

Figure 2022532995000096
Bis-silyl ether (1 eq) was dissolved in dry THF under argon at ambient temperature. Triethylamine (8 eq) was added rapidly, after which triethylammonium fluoride dihydrofluoride (6 eq) was also added rapidly at ambient temperature. The mixture was stirred at ambient temperature for 24 hours. Silica gel is added and the mixture is evaporated on a rotary evaporator to a fine powder, then loaded onto a silica column and eluted with a mixture of dichloromethane and methanol to give nucleoside as a slightly yellow foam. rice field.
Figure 2022532995000096

ヌクレオシドを、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(1.5当量)を添加した。5分後、1.5当量の第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(4当量)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(4当量)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 The nucleoside was co-evaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried in high vacuum overnight. It was then dissolved in 1.5 mL of trimethyl phosphate and 0.60 mL of dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot (1.5 eq) of phosphoryl trichloride was added. After 5 minutes, 1.5 equivalents of a second aliquot was added. The mixture was stirred for an additional 30 minutes. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (4 eq) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 seconds. Immediately, pre-weighed N1, N1, N8, N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (4 equivalents) were added at once as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a canal for FPLC separation and this separation was performed immediately after Extraction of EtOAc. Final purification was by reverse phase HPLC.

3’-O-(2-ニトロ-ベンジル)-dATPのデケージング、およびホモポリマー合成は、図20および21に示される。25uMの3’-O-(2-ニトロ-ベンジル)-dATP(TriLink Technologies、San Diego、CA)を、1×TdT反応緩衝液(Thermo-Fisher)、2U/uLのターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ(Thermo-Fisher)および0.002U/uL無機ピロホスファターゼ(Thermo-Fisher)と共に、1uMのオリゴヌクレオチドイニシエーター(5’-ビオチン-TTTTTTGGCCTTTTUTAATAATAATAATAATTTTT、IDT)と混合した。反応体積を、20~22mW/cm2の365nmの光に、種々の区間にわたって供し、次いで、37oCで30分間置いた。0.1M EDTAの添加によってクエンチした後、各時点を、等しい体積の2×Novex TBE-尿素ゲルローディング緩衝液(Thermo-Fisher)と混合し、ポリアクリルアミドゲル電気泳動(15%)によって分析し、Sybr Gold(Thermo-Fisher)で染色し、紫外線トランスイルミネーターで写真撮影した。 Decaging of 3'-O- (2-nitro-benzyl) -dATP and homopolymer synthesis are shown in FIGS. 20 and 21. 25 uM 3'-O- (2-nitro-benzyl) -dATP (TriLink Technologies, San Diego, CA), 1 x TdT reaction buffer (Thermo-Fisher), 2 U / uL terminal deoxynucleotidyl transferase (Thermo) -Fisher) and 0.002 U / uL inorganic pyrophosphatase (Thermo-Fisher) were mixed with a 1 uM oligonucleotide initiator (5'-biotin-TTTTTTGGCCCTTTUTATAATAATAATAATAATTTTTT, IDT). The reaction volume was exposed to light at 365 nm at 20-22 mW / cm2 over various sections and then placed at 37 oC for 30 minutes. After quenching with the addition of 0.1 M EDTA, each time point was mixed with an equal volume of 2 × Novex TBE-urea gel loading buffer (Thermo-Fisher) and analyzed by polyacrylamide gel electrophoresis (15%). It was stained with Cybr Gold (Thermo-Fisher) and photographed with an ultraviolet transilluminator.

参照による組み込み
特許、特許出願、特許公報、ジャーナル、本、論文、ウェブコンテンツなどの他の文書に対する参照および引用が、本開示を通じてなされてきた。全てのかかる文書は、全ての目的のためにそれらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
Incorporation by Reference References and citations to other documents such as patents, patent applications, patent gazettes, journals, books, treatises and web content have been made through this disclosure. All such documents are incorporated herein by reference in their entirety for all purposes.

等価物
本明細書で示され記載されたものに加えて、本発明の種々の改変、および多くのさらなるそれらの実施形態が、本明細書で引用された科学文献および特許文献に対する参照を含むこの文書の全内容から、当業者に明らかになる。本明細書の主題は、その種々の実施形態およびそれらの等価物において本発明の実施のために適応され得る重要な情報、例証およびガイダンスを含む。
Equivalents In addition to those shown and described herein, various modifications of the invention, and many further embodiments thereof, include references to the scientific and patent documents cited herein. The entire contents of the document will be apparent to those skilled in the art. The subject matter of this specification includes important information, illustrations and guidance that may be applied for the practice of the present invention in its various embodiments and their equivalents.

Claims (26)

複数の核酸メモリ鎖を合成する方法であって、
2つまたはそれよりも多くの基材連結核酸のアレイに、前記基材連結核酸の各々への活性化エネルギーのアドレス可能な送達を提供するステップと、
複数の遮断されたヌクレオチドアナログおよび鋳型非依存的ポリメラーゼの存在下で、前記基材連結核酸の1つまたは複数に、アドレス可能な活性化エネルギーを送達することによって、前記基材連結核酸の1つまたは複数を、2つまたはそれよりも多くの反復するヌクレオチドのホモポリマートラクトで伸長させるステップであって、前記鋳型非依存的ポリメラーゼが、遮断されていないヌクレオチドアナログを取り込むが、遮断されたヌクレオチドアナログは取り込まず、前記アドレス可能な活性化エネルギーが、前記遮断されたヌクレオチドアナログを、遮断されていないヌクレオチドアナログに変換する、ステップと
を含む方法。
A method of synthesizing multiple nucleic acid memory chains,
A step of providing an array of two or more substrate-linked nucleic acids with addressable delivery of activation energy to each of the substrate-linked nucleic acids.
One of the substrate-linked nucleic acids by delivering addressable activation energy to one or more of the substrate-linked nucleic acids in the presence of multiple blocked nucleotide analogs and template-independent polymerases. Or a step of extending a plurality with a homopolymeric tract of two or more repeating nucleotides, wherein the template-independent polymerase incorporates an unblocked nucleotide analog, but the blocked nucleotide analog. Is not incorporated and the addressable activation energy converts the blocked nucleotide analog into an unblocked nucleotide analog, comprising a step.
前記遮断されたヌクレオチドアナログが、遮断基の除去によって、遮断されていないヌクレオチドアナログに変換される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the blocked nucleotide analog is converted to an unblocked nucleotide analog by removal of the blocking group. 前記アドレス可能な活性化エネルギーが、光、還元条件、pH変化または熱を含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the addressable activation energy comprises light, reducing conditions, pH changes or heat. 除去可能な前記遮断基が、前記遮断されたヌクレオチドアナログの3’-OHにある、請求項2に記載の方法。 The method of claim 2, wherein the removable blocking group is in the blocked nucleotide analog 3'-OH. 除去可能な前記遮断基が、前記ヌクレオチドアナログのプリン塩基またはピリミジン塩基上にある、請求項2に記載の方法。 The method of claim 2, wherein the removable blocking group is on the purine or pyrimidine base of the nucleotide analog. 前記遮断されたヌクレオチドアナログが、ヌクレオチド三リン酸のデオキシリボースまたはリボースの3’-OH上の除去可能な遮断基および前記ヌクレオチドアナログのプリン塩基またはピリミジン塩基上の除去不能な修飾を含む、請求項1に記載の方法。 Claim that the blocked nucleotide analog comprises a removable blocking group on deoxyribose or ribose 3'-OH of nucleotide triphosphate and an irremovable modification on the purine or pyrimidine base of the nucleotide analog. The method according to 1. 前記複数の遮断されたヌクレオチドアナログが、除去可能な3’-O-遮断基と、同じ核酸塩基の修飾ヌクレオチドアナログ間の区別を可能にする2つまたはそれよりも多くの除去不能な分子修飾とを含む、前記同じ核酸塩基の修飾ヌクレオチドである、請求項1に記載の方法。 With the multiple blocked nucleotide analogs, a removable 3'-O-blocking group and two or more non-removable molecular modifications that allow the distinction between modified nucleotide analogs of the same nucleobase. The method of claim 1, which is a modified nucleotide of the same nucleobase, comprising. 前記伸長を停止させるステップと、
別の複数の遮断されたヌクレオチドアナログおよび前記鋳型非依存的ポリメラーゼの存在下で、前記ホモポリマートラクトに、アドレス可能な活性化エネルギーを送達することによって、前記ホモポリマートラクトを、2つまたはそれよりも多くの反復するヌクレオチドのさらなるホモポリマートラクトで伸長させるステップと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
The step of stopping the extension and
Two or more of the homopolymeric tracts by delivering addressable activation energy to the homopolymeric tracts in the presence of a plurality of blocked nucleotide analogs and said template-independent polymerases. The method of claim 1, further comprising the step of extending many repeating nucleotides with additional homopolymeric tracts.
前記伸長が、前記ホモポリマートラクトについての所望の長さを得るために、所定の長さの時間の後に停止される、請求項8に記載の方法。 8. The method of claim 8, wherein the extension is stopped after a predetermined length of time to obtain the desired length for the homopolymer tract. 伸長の速度が、前記遮断されたヌクレオチドアナログへの修飾によって調節される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the rate of elongation is regulated by modification to the blocked nucleotide analog. 速度調節修飾が、伸長後に前記ホモポリマートラクトから除去される、請求項10に記載の方法。 10. The method of claim 10, wherein the rate-regulating modification is removed from the homopolymeric tract after elongation. 速度調節修飾が、伸長の間に除去される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the rate-regulating modification is removed during elongation. 前記ホモポリマートラクトの前記反復するヌクレオチドが、2と約10との間である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the repeating nucleotide of the homopolymer tract is between 2 and about 10. 前記停止させるステップおよび前記伸長させるステップを反復して、核酸メモリ鎖を合成するステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, further comprising synthesizing a nucleic acid memory chain by repeating the stopping step and the extending step. 前記核酸メモリ鎖が、約200ヌクレオチド長~約5,000ヌクレオチド長である、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14, wherein the nucleic acid memory chain is from about 200 nucleotides in length to about 5,000 nucleotides in length. 所定の濃度の前記遮断されたヌクレオチドアナログが、前記ホモポリマートラクトについての所望の長さを得るために、前記伸長させるステップにおいて提供される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein a predetermined concentration of the blocked nucleotide analog is provided in the stretching step to obtain the desired length for the homopolymer tract. 前記ホモポリマートラクトおよび前記さらなるホモポリマートラクトが、異なる核酸塩基を含む、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the homopolymer tract and the additional homopolymer tract contain different nucleobases. 前記核酸メモリ鎖が、テキストファイル、画像ファイルおよび音声ファイルからなる群より選択されるデータセットをエンコードする、請求項14に記載の方法。 14. The method of claim 14, wherein the nucleic acid memory strand encodes a dataset selected from the group consisting of text files, image files and audio files. 前記データセットの可読フォーマットを表示するステップをさらに含む、請求項18に記載の方法。 18. The method of claim 18, further comprising displaying the readable format of the dataset. データの単位が、基数2で示される、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14, wherein the unit of data is radix 2. データの単位が、基数3で示される、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14, wherein the unit of data is radix 3. データの単位が、基数4で示される、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14, wherein the unit of data is radix 4. データの単位が、基数4よりも大きい基数で示される、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14, wherein the unit of data is indicated by a radix greater than radix 4. 前記データが、メモリ鎖合成の個々のステップにおけるデケージングの程度または得られたトラクト長によって示される、請求項14に記載の方法。 14. The method of claim 14, wherein the data is indicated by the degree of decaying or the tract length obtained at each step of memory chain synthesis. 前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、DNA配列決定によって読み取られる、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14, wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is read by DNA sequencing. 前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、ナノポアを介した前記核酸メモリ鎖の通過によって読み取られる、請求項14に記載の方法。 14. The method of claim 14, wherein the data encoded in the nucleic acid memory chain is read by passing the nucleic acid memory chain through a nanopore.
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