KR20050071657A - Gas jet process and apparatus for high-speed amplification of dna - Google Patents

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KR20050071657A
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스코트 이. 휘트니
알. 미셸 넬슨
안드레 퀸타나
헨드릭 제이. 빌조엔
니샤 브이. 패드헤
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메가베이스 리서치 프로덕츠
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Abstract

Processes and apparatus for performing fast, precise, and reliable gas jet thermocycling on a sample using of pressurized gases delivered to a thermostated reaction chamber at high velocity using computer controlled electronic multiport valves are disclosed. Apparatus for achieving these processes are also disclosed.

Description

DNA의 고속 증폭을 위한 기체 분사식 방법 및 장치 {GAS JET PROCESS AND APPARATUS FOR HIGH-SPEED AMPLIFICATION OF DNA}Gas injection method and apparatus for high speed amplification of DNA {GAS JET PROCESS AND APPARATUS FOR HIGH-SPEED AMPLIFICATION OF DNA}

기술분야Technical Field

본 발명은 샘플의 고속 증폭을 수행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 각각의 사이클이 수 초의 단시간 내에 완결될 수 있는 가압 분사식 중합효소 연쇄 반응을 수행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for performing fast amplification of a sample. More specifically, the present invention relates to a method and apparatus for carrying out a pressurized polymerase chain reaction in which each cycle can be completed in a short time of several seconds.

배경기술Background

중합효소 연쇄 반응. 중합효소 연쇄 반응(PCR)은 분자 생물학에서 가장 광범위하게 사용되는 기술 중의 하나이다 (뮬리스(Mullis)의 미국 특허 제 4,683,202호; 사이키(Saiki) 등, 1985; 얼리히(Erlich), 1989; 뮬리스 등, 1994). PCR 증폭된 DNA는 혈액 및 조직 형결정(typing) (Saiki et al., 1989a)에서 인간 유전병을 초래하는 돌연변이를 진단 (Saiki et al., 1985; Kogan et al., 1987)하거나, 중요한 감염성 질병을 초래하는 병원체를 검출 (Persing et al., 1993; Nicoll et al., 2001) 하기 위해 사용될 수 있다. Polymerase chain reaction . Polymerase chain reaction (PCR) is one of the most widely used techniques in molecular biology (Mullis, US Pat. No. 4,683,202; Saiki et al., 1985; Erlich, 1989; Mullis) Et al., 1994). PCR amplified DNA can be used to diagnose mutations that lead to human genetic diseases in blood and tissue typing (Saiki et al., 1989a) (Saiki et al., 1985; Kogan et al., 1987), or important infectious diseases. It can be used to detect pathogens that cause (Persing et al., 1993; Nicoll et al., 2001).

전형적인 PCR 반응에 있어서, 두 개의 규정된 올리고누클레오티드 프라이머의 단부 사이에 놓여있는 주형 DNA 서열은 1 내지 2 시간내에 증폭될 수 있다 (도 4a). 세 가지 순차적 단계가 보통 사용된다: (1) 이중 가닥 DNA를 고온 (90℃ 내지 95℃)에서 단일 가닥 형태로 변성(D)시키는 단계, (2) 생성된 단일 가닥 DNA 가닥을 약 45℃ 내지 65℃에서 올리고누클레오티드 프라이머에 대해 결합(annealing)(A)시키는 단계, (3) 프라이머:주형 복합체를 약 72℃에서 테르무스 아쿠아티쿠스 (Thermus aquaticus) (Taq) 중합효소와 같은 열안정성 DNA 중합효소를 사용하여 신장(E)시키는 단계 (Saiki, 1989b).In a typical PCR reaction, the template DNA sequence lying between the ends of two defined oligonucleotide primers can be amplified in 1 to 2 hours (FIG. 4A). Three kinds of sequential steps that are commonly used: (1) a step of a double-stranded DNA at elevated temperature (90 ℃ to 95 ℃) modified (D) into a single stranded form, (2) and the resulting single-stranded DNA strand to about 45 ℃ (A) annealing to the oligonucleotide primer at 65 ° C., (3) the thermostable DNA polymerization of the primer: template complex at about 72 ° C. such as Thermus aquaticus ( Taq ) polymerase. Kidney (E) using an enzyme (Saiki, 1989b).

이러한 세 가지 단계 (변성/결합/신장)의 1회 사이클은 5' 및 3' 단부가 DNA 주형에 대한 올리고누클레오티드 프라이머의 서열 특이적 결합에 의해 규정되는 DNA 단편의 2배 증폭을 일으킨다. 따라서, 30회의 완전 유효한 PCR 사이클은 특정 DNA 서열의 230배 (약 109배) 증폭을 일으킨다. 따라서, DNA는 1 피코그램 미만의 양에서 마이크로그램의 양으로 증폭되며, 이는 겔 전기영동, DNA 하이브리드화 또는 형광 기재 광학 검출과 같은 표준 분석 방법에 의해 검출될 수 있다.One cycle of these three steps (denaturation / binding / extension) results in double fold amplification of DNA fragments whose 5 ′ and 3 ′ ends are defined by sequence specific binding of oligonucleotide primers to the DNA template. Thus, 30 fully effective PCR cycles result in 2 30 times (about 10 9 times) amplification of specific DNA sequences. Thus, DNA is amplified in an amount of less than 1 picogram to micrograms, which can be detected by standard analytical methods such as gel electrophoresis, DNA hybridization or fluorescence based optical detection.

자동화 PCR 장치. 3단계 PCR 증폭 방법을 자동화시킨 다양한 장치가 제조되어 왔다 (Oste, 1989; Oste, 1994; Newton, 1995; Johnson, 1998). 일반적으로, 이러한 장치는 두 가지 범주로 분류될 수 있다: DNA 샘플을 열로 이동시키는 로봇형 장치; 및 열을 샘플로 가져오는 써모사이클러(thermocycler). Automated PCR equipment . A variety of devices have been manufactured that automate the three-step PCR amplification method (Oste, 1989; Oste, 1994; Newton, 1995; Johnson, 1998). In general, such devices can be classified into two categories: robotic devices for moving DNA samples into columns; And a thermocycler to take the heat into the sample.

스트라타진(Stratagene)의 ROBOCYCLER와 같은 로봇형 장치는 PCR 반응 샘플을 함유하는 튜브를 다양한 온도에서 자동온도조절되는(thermostated) 일련의 열 배쓰 (heat bath)로 이동시키거나 이들 배쓰로부터 이동시킨다. 이들 장치가 특정 연구 분야에서 유용할 수 있다고 하더라도, 고속 PCR은 수행할 수 없다. 이들 장치는 30회의 증폭 사이클 동안 60분이 넘는 시간을 필요로 하는데, 이는 PCR 사이클 당 2분이 넘는 시간에 상당한다.Robotic devices, such as Stratagene's ROBOCYCLER, move tubes containing PCR reaction samples into a series of heat baths that are thermostated at various temperatures or from these baths. Although these devices may be useful in certain areas of research, high speed PCR cannot be performed. These devices require more than 60 minutes for 30 amplification cycles, which is equivalent to more than 2 minutes per PCR cycle.

1980년대 후반 이래로, 써모사이클러는 많은 생화학 실험실에서 익숙한 장치가 되었다. 대부분의 시판되는 PCR 장치 (Perkin-Elmer, MJ Research, Ericomp, Techne, Eppendorf, BioRad, Hybaid)는 써모사이클러 (Johnson, 1998) 이다. 일반적으로, 두 가지 유형의 써모사이클러가 사용된다: 프로그래밍될 수 있는 열 블록 (heat block) 및 강제 열기 써모사이클러.Since the late 1980s, thermocyclers have become a familiar device in many biochemistry laboratories. Most of the commercially available PCR devices (Perkin-Elmer, MJ Research, Ericomp, Techne, Eppendorf, BioRad, Hybaid) are thermocyclers (Johnson, 1998). In general, two types of thermocyclers are used: programmable heat blocks and forced hot thermocyclers.

프로그래밍될 수 있는 열 블록. 대부분의 써모사이클러는 플라스틱 반응 튜브가 전자 제어하에서 가열되고 냉각되는 내부에 구멍이 있는 열 블록이다. 다수의 이러한 장치가 존슨 (Johnson) (1998)에 의해 검토되었다. 프로그래밍될 수 있는 열 블록 디자인과 관련된 문제점은 대부분의 시간이 커다란 금속 조각을 가열하거나 냉각하기 위해 대기하는 데에 소요된다는 것이다. 예를 들어, MJ 리서치 PTC-150 써모사이클러 (Watertown, MA)의 경우, 사이클 당 14초가 D, A 및 E 온도 (약 94℃, 약 55℃ 및 72℃) 사이의 전이에서 손실된다. 94℃에서 55℃로의 단일 가열/냉각 사이클은 사이클 당 28초를 허비하거나, 30회 PCR 사이클 동안 약 14분을 허비한다. Programmable block of columns . Most thermocyclers are thermal blocks with holes inside which plastic reaction tubes are heated and cooled under electronic control. Many such devices have been reviewed by Johnson (1998). The problem with programmable thermal block designs is that most of the time is spent waiting to heat or cool large pieces of metal. For example, for the MJ Research PTC-150 Thermocycler (Watertown, Mass.), 14 seconds per cycle are lost at transitions between D, A, and E temperatures (about 94 ° C, about 55 ° C, and 72 ° C). A single heating / cooling cycle from 94 ° C. to 55 ° C. wastes 28 seconds per cycle, or about 14 minutes for 30 PCR cycles.

일반적으로 사용되는 많은 PCR 프로토콜은 94℃에서 1분 (변성), 약 55℃에서 1분 (결합) 및 약 72℃에서 1분 (신장)을 소비한다. 예를 들어, 세투스(Cetus) 직원들 (Saiki et al., 1989b)에 의해 사용된 최초의 PCR 방법의 경우, 536개 b.p. 인간 β-글로빈 DNA 단편은 (94℃에서 1분, 55℃에서 1분, 72℃에서 1분)의 30회 사이클을 사용하여 증폭되었다. 이러한 써모사이클링 프로토콜을 위한 활동 듀티 타임 (active duty time)은 약 3.5분 = 210초에 불과하다. 이러한 시간은 약 80nt/sec의 Taq DNA 중합효소 신장속도에서 536개 b.p. 주형을 효소적으로 30배 복제하는 데에 필요한 양이다 (Innis et al., 1988; Gelfand and White, 1990).Many commonly used PCR protocols consume 1 minute (denaturation) at 94 ° C., 1 minute (binding) at about 55 ° C., and 1 minute (height) at about 72 ° C. For example, for the first PCR method used by Cetus employees (Saiki et al., 1989b), 536 bp human β-globin DNA fragments (1 min at 94 ° C., 55 ° C.) were used. Amplification using 30 cycles of 1 minute, 1 minute at 72 ° C. The active duty time for this thermocycling protocol is only about 3.5 minutes = 210 seconds. This time is the amount required for enzymatic 30-fold replication of the 536 bp template at a Taq DNA polymerase extension rate of about 80 nt / sec (Innis et al., 1988; Gelfand and White, 1990).

시판되는 열 블록 써모사이클러 (Perkin-Elmer, Ericomp, MJ Research, Eppendorf, Techne, BioRad, Snark Technologies)는 94℃에서 55℃로 냉각시키기 위해 20 내지 25초를 필요로 하고, 55℃에서 94℃로 가열하는 데에 추가의 14 내지 20초를 필요로 한다 (Johnson, 1998). 따라서, 각각의 PCR 사이클을 위한 "데드 타임 (dead time)"은 사이클 당 추가의 40 ± 5초이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 일반적으로 사용되는 써모사이클링 프로토콜은 (220초/사이클 x 30회 사이클) = 6600초 = 110분을 필요로 한다 (Saiki et al., 1989b). PCR 방법에서 이러한 110분 중 단지 약 3.5분에 생산성면에서 초점이 맞추어진다.Commercially available thermal block thermocyclers (Perkin-Elmer, Ericomp, MJ Research, Eppendorf, Techne, BioRad, Snark Technologies) require 20 to 25 seconds to cool from 94 ° C to 55 ° C and from 55 ° C to 94 ° C. An additional 14 to 20 seconds is required to heat the furnace (Johnson, 1998). Thus, the "dead time" for each PCR cycle is an additional 40 ± 5 seconds per cycle. As shown in FIG. 4A, a commonly used thermocycling protocol requires (220 seconds / cycle x 30 cycles) = 6600 seconds = 110 minutes (Saiki et al., 1989b). Only about 3.5 of these 110 minutes in the PCR method are focused on productivity.

소브책(Sobczak) 등 (1995)은 변성, 결합 및 신장 단계가 사이클 당 1 내지 2초로 단축되는 경우에 보다 신속한 PCR 프로토콜이 열 블록 써모사이클러에서 사용될 수 있음을 밝혀내었다. 예를 들어, 139개 염기쌍 길이의 인간 p53 유전자 단편이 (94℃에서 1초, 58℃에서 1초, 72℃에서 1초)의 35회 사이클을 통해 증폭되었다. 그러나, 써모사이클러의 가열/냉각 시간은 여전히 사이클 당 25초 보다 길었다. 따라서, 전체 써모사이클링 시간은 사이클 당 약 30초이거나 30회 PCR 사이클 동안 약 15분이었다.Sobczak et al. (1995) found that a faster PCR protocol can be used in thermal block thermocyclers when the denaturation, binding and stretching steps are shortened to 1-2 seconds per cycle. For example, 139 base pair long human p53 gene fragments were amplified through 35 cycles (1 second at 94 ° C., 1 second at 58 ° C., 1 second at 72 ° C.). However, the heating / cooling time of the thermocycler was still longer than 25 seconds per cycle. Thus, the total thermocycling time was about 30 seconds per cycle or about 15 minutes for 30 PCR cycles.

강제 열기 써모사이클러. 열 블록의 긴 전이 데드 타임을 극복하기 위해, 약 10분 내지 30분의 단시간내에 30회의 PCR 증폭 사이클이 수행될 수 있게 하는 강제 열기 써모사이클러가 제작되었다. 위트워(Wittwer) 및 그의 동료들은 열기 PCR 써모사이클러에서 신속한 DNA 증폭을 최적화하기 위한 상당한 공학적 토대를 마련하였다 (Wittwer et al., 1989; Wittwer and Garling, 1991; Wittwer et al., 1994). 3단계 PCR 반응 순서 (변성/결합/신장)에서 속도 제한 단계는 DNA 중합효소 신장의 속도이다. Taq 중합효소에 의한 초 당 80개 누클레오티드의 신장 속도에서 (Innis et al., 1988; Gelfand and White, 1990), 이론적으로 사이클 당 1초가 약 20량체 프라이머를 사용하여 100개 b.p. 보다 짧은 DNA 단편을 증폭시키는 데에 필요하다. 예를 들어, 사이클 당 단지 약 5초가 30회 PCR 사이클을 통해 536개 b.p.의 β-글로빈 앰플리콘을 복제하는 데에 필요하였다 (Idaho Technology, 1995; 도 4b 참조). Forced open thermocycler . To overcome the long transition dead time of the thermal block, a forced hot thermocycler has been constructed that allows 30 PCR amplification cycles to be performed in a short time of about 10 to 30 minutes. Wittwer and his colleagues have laid a significant engineering foundation for optimizing rapid DNA amplification in hot air PCR thermocyclers (Wittwer et al., 1989; Wittwer and Garling, 1991; Wittwer et al., 1994). The rate limiting step in the three step PCR reaction sequence (denaturation / binding / extension) is the rate of DNA polymerase extension. At elongation rates of 80 nucleotides per second by Taq polymerase (Innis et al., 1988; Gelfand and White, 1990), theoretically, DNA fragments shorter than 100 bp with about 20-mer primers per second per cycle were used. It is necessary to amplify. For example, only about 5 seconds per cycle was needed to replicate 536 bp β-globin amplicons through 30 PCR cycles (Idaho Technology, 1995; see FIG. 4B).

아이다호 테크놀로지 (Idaho Technology; Idaho Falls, Idaho, USA)에 의해 최초로 제조된 상업적 열기 써모사이클러의 경우, 변성/결합/신장의 1회 PCR 사이클을 위해 필요한 반응 시간은 실질적으로 단축되었는데, 이는 (1) 장치가 매우 낮은 열 질량을 지니고, (2) 열기로부터 수성의 생화학적 반응 샘플로의 기체상 열전달이 얇은 벽의 모세관에서 수행되며, (3) PCR 사이클 동안 변성 및 결합 시간이 최소화되기 때문이었다.For the first commercial hot air thermocycler manufactured by Idaho Technology (Idaho Falls, Idaho, USA), the reaction time required for a single PCR cycle of denaturation / binding / extension was substantially reduced. 1) the device has a very low thermal mass, (2) gas phase heat transfer from hot air to an aqueous biochemical reaction sample is carried out in a thin-walled capillary, and (3) denaturation and binding times are minimized during the PCR cycle. It was.

예를 들어, [94℃에서 0초 (변성), 55℃에서 0초 (결합), 72℃에서 5초 (신장)]의 30회 사이클의 PCR 프로토콜을 사용하는 경우, 536개 b.p.의 인간 β-글로빈 DNA 단편은 9.9분내에 증폭되거나 사이클 당 19.8초였다 (Idaho Technology, 1995). 따라서, 이러한 강제 열기 써모사이클링 프로토콜은 통상적인 열 블록 써모사이클러를 사용하여 536개 b.p. β-글로빈 DNA 단편을 PCR 증폭하기 위한 Saiki et al.의 최초의 방법 (1989b) 보다 약 220/19.8 = 11배 신속하였다.For example, 536 bp of human β when using a 30 cycle PCR protocol of [0 ° C (denatured) at 94 ° C, 0s (bound) at 55 ° C, 5s (extended) at 72 ° C). Globin DNA fragments were amplified in 9.9 minutes or 19.8 seconds per cycle (Idaho Technology, 1995). Thus, this forced open thermocycling protocol uses 536 b.p. p. It was about 220 / 19.8 = 11 times faster than Saiki et al.'s original method (1989b) for PCR amplifying β-globin DNA fragments.

정례적인 실험실 진단 PCR의 경우, 열기 써모사이클러는 상기 기술된 바와 같이 그렇게 빠르지 않다. 예를 들어, 니콜 (Nicoll) 등 (2001)은 로쉐 라이트사이클러 (Roche LightCyclerTM)를 사용하여 [94℃에서 0초 (변성), 58℃ 내지 67℃에서 3초 (결합), 72℃에서 6초 (신장)]의 50회 PCR 사이클을 통해 약 25분 또는 사이클 당 30초내에 짧은 (96 내지 220개 b.p. 길이) 포진 바이러스 DNA 단편을 증폭시켰다.For routine laboratory diagnostic PCR, the hot thermocycler is not so fast as described above. For example, Nicoll et al. (2001) used Roche LightCycler [0 sec (denature) at 94 ° C., 3 sec (bound) at 58 ° C. to 67 ° C., at 72 ° C. 6 seconds (kidney)] amplified short (96-220 bp long) herpes virus DNA fragments in about 25 minutes or 30 seconds per cycle.

열기 써모사이클러는 부최적(suboptimal) 대류 열전달의 의존한다. 강제 열기 써모사이클러의 디자인 (위트워(Wittwer) 등의 미국 특허 제 5,455,175호; 위트워 등, 1990; 1994; 주렉(Zurek) 등의 미국 특허 제 5,576,218호; 탈(Tal) 등의 미국 특허 제 6,200,781호)이 블록 히터에 비해 개선된 것이라고 해도, 열전달 방법에서 유체 역학의 중요한 역할에 관심이 모아지지 않았다. 본 발명자들은 "송풍기(blower)" (주렉 등의 미국 특허 제 5,576,218호) 및 대기 (위트워 등의 미국 특허 제 5,455,175호; 위트워 등, 1990; 1994; 미국 특허 제 5,576,218호)를 대류를 위한 매질로서 제안하였다. 송풍기 및 팬이 대기를 이동시키고 (본 발명에서 사용되는 압축 가스원과 비교하여), 이로써 기체 속도가 압축 기체 흐름에서 보다 훨씬 더 느리다. 또한, 종래의 발명들은 주위 공기에만 의존하여 PCR 사이클의 냉각 부분을 위해 냉장되거나 냉각된 공기 또는 그 밖의 냉장 기체를 사용하는 것을 고려하지 않았다. Hot air thermocyclers rely on suboptimal convective heat transfer . Design of a forced hot air thermocycler (US Pat. No. 5,455,175 to Wittwer; Wit et al., 1990; 1994; US Pat. No. 5,576,218 to Zurek; US Pat. 6,200,781) is an improvement over block heaters, but attention is not drawn to the important role of fluid mechanics in the heat transfer method. The inventors of the present invention describe the use of "blowers" (US Pat. No. 5,576,218 to Jurek et al.) And atmospheric air (US Pat. No. 5,455,175 to Whitworth et al .; Whitworth et al., 1990; 1994; US Pat. No. 5,576,218) Suggested as the medium. Blowers and fans move the atmosphere (compared to the source of compressed gas used in the present invention), whereby the gas velocity is much slower than in compressed gas flow. In addition, the prior inventions did not consider using refrigerated or cooled air or other refrigerated gas for the cooling portion of the PCR cycle, depending only on ambient air.

종래의 발명들이 압축 기체 흐름을 사용하지 않았기 때문에, 사용된 속도는 매우 높지 않았고 (3m/s 미만), 결과적으로 이들 발명은 고속 난류 기체 흐름으로 수득될 수 있는 것에 비해 낮은 대류 열전달 속도를 달성하였다. 고속에서 난류 흐름은 압축가능한 비등온성 유체 역학을 포함한다. 대기압 (P = 1 바)에서의 강제 공기 가열 및 주위 공기 냉각은 생화학적 반응 쳄버의 유체 역학에 대한 독특하고 부최적인 해법이다. 위트워 등 (미국 특허 제 5,455,175호; 위트워 등, 1990; 1994), 쥬렉 등 (미국 특허 제 5,576,218호) 또는 탈(Tal) 등 (미국 특허 제 6,200,781호) 어느 누구도 공기 이외의 기체, 대기압 이외의 압력, 22℃ 보다 차가운 냉각 기체, 또는 1초 보다 빠른 시간 상수를 사용하지 않았고, 이들은 고온 및 저온 기체를 혼합하고/하거나 기체 압력 및 속도를 증가시키기 위해 흐름 컨디셔너(conditioner)를 사용하지 않았다. 이들은 다양한 기체가 PCR 방법의 다양한 스테이지에서 사용될 수 있는 가능성을 고려하지 않았고, 최적 열전달을 위한 유체 역학, 열전달의 물리학 또는 흐름 조건의 역할을 고려하지 않았다.Since conventional inventions did not use compressed gas flows, the speeds used were not very high (less than 3 m / s), and as a result these inventions achieved lower convective heat transfer rates compared to those obtainable with high speed turbulent gas flows. . Turbulent flow at high speeds includes compressible nonisothermal fluid dynamics. Forced air heating and ambient air cooling at atmospheric pressure (P = 1 bar) are a unique and suboptimal solution to the fluid dynamics of biochemical reaction chambers. Whitworth et al. (US Pat. No. 5,455,175; Whitworth et al., 1990; 1994), Jurek et al. (US Pat. No. 5,576,218), or Tal et al. (US Pat. No. 6,200,781). No pressure, cooling gas cooler than 22 ° C., or time constants faster than 1 second, and they did not use flow conditioners to mix hot and cold gases and / or increase gas pressure and velocity. They did not consider the possibility that various gases could be used at various stages of the PCR method, nor did they consider the role of fluid mechanics, heat transfer physics, or flow conditions for optimal heat transfer.

예를 들어, "공기는 이의 저밀도로 인해 온도를 신속히 변화시킬 수 있는 이상적 열전달 매질이다." (Wittwer et al. (1990))는 실제로 부정확할 뿐만 아니라 문제의 복잡성을 무시하고 있는 것이다: 기체상에서의 대류 열전달은 다양한 인자에 좌우된다 (Welty et al., 1976; Chapman, 1984). 고온/저온 가압 기체 분출을 사용하는 DNA의 고속 증폭에 필요한 기체 열전달 조건은 난류성이고 비등온성인 압축성 기체 흐름으로서 보다 정확하게 기술되며; 최적 기체 파라미터 또는 흐름 조건 중 실질적으로 어느 하나도 종래에 최적화되지 않아 있다. 도 2a 및 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 가압 기체 분사 써모사이클러는 기체 압력, 속도, 난류성이고 비등온성인 흐름 조건 및 도 5 내지 12로 도시된 바와 같이 이미 고려된 바 없을 뿐만 아니라 고속 DNA 증폭 실험에서 실행된 바 없는 기하학에서 동작한다.For example, "Air is an ideal heat transfer medium that can change temperature rapidly due to its low density." (Wittwer et al. (1990)) is not only inaccurate but also ignores the complexity of the problem: convective heat transfer in the gas phase depends on various factors (Welty et al., 1976; Chapman, 1984). The gas heat transfer conditions required for high speed amplification of DNA using hot / cold pressurized gas jets are more accurately described as turbulent and nonisothermal compressible gas flows; Substantially none of the optimum gas parameters or flow conditions are conventionally optimized. As schematically shown in FIGS. 2A and 2B, the pressurized gas injection thermocycler is not only previously considered as shown in FIGS. 5-12, but also high speed DNA as well as gas pressure, velocity, turbulent and non-isothermal flow conditions. It operates on geometry that has not been performed in the amplification experiment.

위트워 등의 문헌 (1990)을 추가로 참조하면, 공기의 정체층 (예를 들어, 경계층)을 가로지르는 열전달은 매우 불량하다. 이러한 비효율적 열전달은 이중창 윈도우가 우수한 절연 특성을 지니는 이유를 설명해준다. 강제 열기 써모사이클러가 블록 히터 보다 양호하게 성능을 발휘하는 유일한 이유는 공기의 흐름이 DNA 샘플을 둘러싸는 절연 경계층을 얇게 해주기 때문이다. 따라서, 공기의 낮은 열전도도 계수에도 불구하고, 경계층을 가로지르는 열 유속은 블록 히터를 통한 경우 보다 빠르다.Further referring to Whitworth et al. (1990), heat transfer across stagnant layers of air (eg, boundary layers) is very poor. This inefficient heat transfer explains why double glazing windows have good insulation properties. The only reason that a forced hot thermocycler performs better than a block heater is that the flow of air thins the insulating boundary layer surrounding the DNA sample. Thus, despite the low coefficient of thermal conductivity of air, the heat flux across the boundary layer is faster than with the block heater.

열기 및 가압 기체 써모사이클러에서의 열전달의 비교. 열기 써모사이클러 및 가압 기체 써모사이클러 사이의 차이는 얇은 실린더 (모세관)를 중심으로 한 열전달의 간단한 분석에 의해 가장 잘 설명된다. 이들 써모사이클러 둘 모두가 DNA 샘플을 지지하기 위해 모세관을 사용하기 때문에 실린더가 선택되지만, 분석은 샘플 지지체(holder)의 임의의 다른 형태에 대해 유사할 것이다. Comparison of Heat Transfer in Hot and Pressurized Gas Thermocyclers . The difference between a hot air thermocycler and a pressurized gas thermocycler is best explained by a simple analysis of heat transfer around a thin cylinder (capillary tube). Cylinders are selected because both of these thermocyclers use capillaries to support DNA samples, but the analysis will be similar for any other form of sample holder.

d o d i 는 모세관의 외경 및 내경을 의미한다. 반응하는 액체 혼합물에서의 자연 대류 열전달 및 내부 열 구배는 점착력 및 작은 내경의 주된 역할로 인해 무시할 만하다. 그러므로, 모세관 내부에서의 수용액의 열에너지 수지는 하기 식으로 표현된다: d o and d i mean the outer and inner diameters of the capillary. Natural convective heat transfer and internal heat gradients in the reacting liquid mixture are negligible due to the predominant role of cohesion and small inner diameters. Therefore, the thermal energy resin of the aqueous solution inside the capillary is represented by the following formula:

상기 식에서, ρ m Cp m 은 혼합물의 밀도 및 비열용량을 나타낸다. 이러한 식은 기체가 온도 T g 에서 모세관에 걸쳐서 흐르는 경우에 모세관내의 샘플의 온도 (Ts로 표시됨)가 얼마나 신속히 변하는 지를 설명해준다. 예를 들어, 샘플이 94℃라고 가정하면, 이는 0℃의 저온 기체를 모세관에 걸쳐 흐르게 함으로써 56℃로 냉각될 것임에 틀림없다. 저온 기체가 흐르기 시작하는 시간 t를 0으로 설정하면, 모세관 내부의 수성 샘플이 냉각되는 데에 필요한 시간은 상기 식(1)의 해답을 구함으로써 수득될 수 있다:In the above formula, ρ m and Cp m represent the density and specific heat capacity of the mixture. This equation explains how quickly the temperature (expressed in T s ) of the sample in the capillary changes as the gas flows across the capillary at temperature T g . For example, assuming the sample is 94 ° C., it must be cooled to 56 ° C. by flowing a low temperature gas of 0 ° C. across the capillary. If the time t at which the cold gas starts to flow is set to 0, the time required for the aqueous sample inside the capillary to cool can be obtained by solving the above formula (1):

시간 t에 대해 식(2a)의 해답을 구하는 경우, 본 발명자들은 하기 식을 수득하였다:When solving equation (2a) for time t, we obtained the following equation:

유사한 방식으로, 생화학적 반응 샘플의 임의의 가열 또는 냉각이 설명될 수 있다. 식(2b)로부터, 유효 열전달 계수 h eff 가 최대화되는 경우에 시간 t가 단축된다는 것이 명백해진다. 이러한 계수는 사이클러의 성능을 열전달 및 유체 역학에 결부시킨다. 계수 h eff 는 모세관 벽 (h c ) 및 기체와 모세관 외부 표면 사이의 경계층을 통한 열전달을 포함한다:In a similar manner, any heating or cooling of the biochemical reaction sample can be described. From equation (2b) it becomes clear that the time t is shortened when the effective heat transfer coefficient h eff is maximized. These coefficients combine the performance of the cycler with heat transfer and fluid dynamics. The coefficient h eff includes heat transfer through the capillary wall ( h c ) and the boundary layer between the gas and the capillary outer surface:

모세관에 대한 열전달 계수는 모세관 재료의 열전도도 계수 (k c ) 및 이의 치수에 좌우된다: . 경계층을 통한 열전달 계수 (h bl )는 (1) Hsu 및 (2) 더글라스(Douglas) 및 처칠(Churchill) (둘 모두 웰티(Welty) 등에 의해 참조로 인용됨 (1976))에 의해 제안된 하기 상관관계로 표현된다. 이러한 계수는 유체 역학에 의해 크게 영향을 받는다. 그러나, 먼저 두 가지의 무차원 수를 정의한다. 레이놀드 수 , 여기서, ν, μ gas , 및 ρ gas 는 평균 기체 속도, 기체의 동적 점도 및 기체 밀도를 나타낸다. 누셀(Nusselt) 수 Nu로 정의되며, 여기서 k gas 는 기체 열전도도 계수이다. 누셀 수는 다음과 같이 층류와 난류의 두 가지 흐름 방식에 대해 정의된다.The heat transfer coefficient for the capillary depends on the thermal conductivity coefficient ( k c ) of the capillary material and its dimensions: . The heat transfer coefficient ( h bl ) through the boundary layer is the following correlation proposed by (1) Hsu and (2) Douglas and Churchill (both cited by Welty et al. (1976)). Expressed as a relationship. These coefficients are greatly affected by fluid dynamics. However, first we define two dimensionless numbers. Reynolds number , Where ν , μ gas , and ρ gas represent the average gas velocity, the dynamic viscosity of the gas, and the gas density. Nusselt number Nu is Where k gas is the gas thermal conductivity coefficient. Nussel number is defined for two flow modes: laminar and turbulent.

층류:Laminar Flow:

Re<500의 경우, Nu = 0.43 + 0.48 Re0.5 (Hsu 상관관계).For Re <500, Nu = 0.43 + 0.48 Re 0.5 (Hsu correlation).

난류:turbulence:

Re>500의 경우, (더글라스 및 처칠 상관관계)For Re> 500, (Douglas and Churchill Correlation)

기체 속도가 느린 경우 (작은 Re), 누셀 수 Nu는 작고, h bl 은 또한 작을 것이다. 결과적으로, h bl h c 에 비해 작은 경우, 유효 열전달 계수 h eff h bl 와 거의 같아진다. 기체 속도가 h bl >> h c 인 지점까지 증가하는 경우, 유효 열전달 계수는 한계값에 접근한다 (h eff h c 와 거의 같아짐).If the gas velocity is slow (small Re), the Nussel number Nu will be small and h bl will also be small. As a result, when h bl is small compared to h c , the effective heat transfer coefficient h eff becomes approximately equal to h bl . If the gas velocity increases to the point of h bl >> h c , the effective heat transfer coefficient approaches the limit ( h eff is approximately equal to h c ).

하기 전형적 조건이 강제 열기 써모사이클러에 대해 존재한다: P = 1 바, ν = 2m/sec 및 밀도, 동적 점도 및 열전도도는 각각 ρ = 0.98kg/m 3 , μ = 2.12 x 10-5 kg/m·sec, k gas = 0.03W/mK 이다. 모세관 외경 d o = 0,001m로 한다. 레이놀드 수는 이다. Re < 500이므로, Hsu (1963)의 상관관계가 사용된다: Nu = 0.43 + 0.48 x Re0.5 = 5 이고, 속도 제한 열전달 계수는 다음과 같다:The following typical conditions exist for a forced hot thermocycler: P = 1 bar, ν = 2 m / sec and density, dynamic viscosity and thermal conductivity are respectively ρ = 0.98 kg / m 3 , μ = 2.12 x 10 -5 kg / msec, k gas = 0.03 W / mK . Capillary outer diameter d o = 0,001 m . Reynolds number to be. Since Re <500, the correlation of Hsu (1963) is used: Nu = 0.43 + 0.48 x Re 0.5 = 5, and the rate limiting heat transfer coefficient is as follows:

열전도도 kc가 1.1W/mK이고 외경이 1mm이며 내경이 0.8mm인 유리 모세관을 통한 열전달 계수는 다음과 같다:The heat transfer coefficient through a glass capillary with a thermal conductivity of kc of 1.1 W / mK, an outer diameter of 1 mm, and an inner diameter of 0.8 mm is:

따라서, 유효 열전달 계수는 다음과 같다:Thus, the effective heat transfer coefficient is as follows:

이러한 결과는 P = 3 바, ν = 20m/sec의 값을 사용하는 가압된 공기 써모사이클러와 비견될 수 있다. 가압된 기체 밀도, 동적 점도 및 열전도도는 각각,This result can be compared with a pressurized air thermocycler using a value of P = 3 bar, ν = 20 m / sec. Pressurized gas density, dynamic viscosity and thermal conductivity, respectively,

ρ = 2.95kg/m 3 , μ = 2.12 x 10-5 kg/mㆍsec, k gas = 0.03W/mK 이다. 모세관 외경 d o = 0.001m으로 동일하다. 따라서, 레이놀드 수는 다음과 같이 계산된다: p = 2.95 kg / m 3 , μ = 2.12 x 10 -5 kg / msec, k gas = 0.03 W / mK . Capillary outer diameter is equal to d o = 0.001m. Thus, the Reynolds number is calculated as follows:

Re > 500 이므로, 더글라스 및 처칠의 상관관계인 Nu = 0.00128Re + 0.46 x Re0.5 = 27.92가 사용되고, 속도 제한 열전달 계수는 다음과 같다:Since Re> 500, Douglas and Churchill's correlation Nu = 0.00128Re + 0.46 x Re 0.5 = 27.92 is used, and the rate limiting heat transfer coefficient is:

모세관을 통한 열전달은 동일하며, 유효 열전달은 다음과 같다:The heat transfer through the capillary is the same and the effective heat transfer is as follows:

식 (4c) (열기 써모사이클러) 및 식 (5b) (가압 공기 써모사이클러)을 비교함으로써, 경계층을 통한 속도 제한 열전달 계수가 가압 공기 써모사이클러의 경우에 5배 이상 더 크다는 것을 알 수 있다. 비교 실험 (식 (2))의 냉각 시간은 열기 써모사이클러에 비해 가압 공기 써모사이클러의 경우에 5배 더 짧을 것이다. 또한, 이러한 비는 또한 PCR 공정의 임의의 다른 단계 동안 가열 또는 냉각에 있어서 실제로 그러할 것이다.By comparing equations (4c) (hot thermocycler) and equations (5b) (pressurized air thermocycler), it can be seen that the rate limiting heat transfer coefficient through the boundary layer is at least five times greater for the pressurized air thermocycler. have. The cooling time of the comparative experiment (Equation (2)) will be 5 times shorter for the pressurized air thermocycler than for the hot thermocycler. In addition, this ratio will also be true in heating or cooling during any other step of the PCR process.

가압 기체 써모사이클러에서 작업 기체를 헬륨으로 변화시키면, 특성들은 ρ = 0.4kg/m 3 , μ = 2.31 x 10-5 kg/m·sec, k gas = 0.17W/mK 이다. 이제 레이놀드 수는 다음과 같고:When the working gas is converted to helium in the pressurized gas thermocycler, the properties are p = 0.4 kg / m 3 , μ = 2.31 x 10 -5 kg / msec, k gas = 0.17 W / mK . Now the Reynolds number is:

, ,

Nu = 0.00128 x 693 + 0.46 x 6930.5 = 13.0 이다. Nu = 0.00128 x 693 + 0.46 x 693 0.5 = 13.0.

가압된 헬륨 가스를 사용하는 경우, 속도 제한 열전달 계수는 다음과 같다:When using pressurized helium gas, the rate limiting heat transfer coefficient is as follows:

유효 열전달 계수는 이제 다음과 같다:The effective heat transfer coefficient is now as follows:

식 (4c)를 식 (5b) 및 (6b)와 비교함으로써, 강제 열기 써모사이클러와 비교하여 가압된 공기 분사에서 예상된 5배의 예상된 개선이 존재하며, 가압 헬륨을 작업 기체로서 사용한 경우 12배가 넘는 개선이 존재한다. 이러한 예는 우수한 열전달이 보다 신속한 PCR을 의미함을 입증하는 것이다. 개선된 열전달은 가압된 기체, 바람직하게는 헬륨을 사용함으로써 달성되지만, 공기와 같은 부최적 기체도 가압되지 않은 장치 보다 훨씬 양호한 성능을 발휘한다.By comparing Eq. (4c) with Eqs. (5b) and (6b), there is a five-fold expected improvement in the pressurized air injection compared to the forced hot thermocycler, when pressurized helium is used as the working gas. There are over 12 times improvement. This example demonstrates that good heat transfer means faster PCR. Improved heat transfer is achieved by using pressurized gas, preferably helium, but even suboptimal gases such as air perform much better than unpressurized devices.

가압된 기체 분사 써모사이클러의 이점. 상기 이론적 분석을 기초로 하여, 얇은 벽의 용기에서 약 50℃ 내지 약 90℃의 효소 반응의 온도를 신속히 변화시키기 위해 3m/sec<ν<30m/sec (마하 0.03<ν<마하 0.30)의 속도의 고온/저온 가압된 기체 분출물을 생화학적 반응 쳄버에 전달하는 것이 가능한 것으로 예측된다. 그러나, 필요한 기하학, 기체 역학, 흐름 조건, 고온/저온 기체 혼합을 위한 방법, 및 기체 분출의 타이밍은 사소한 공학적 문제가 아니다. 유체 역학 분야의 당업자에게는, 이러한 문제의 해법은 나비어-스토크스 (Navier-Stokes) 식 및 전산 유체 역학 (CFD) 모델링 (Anderson, 1995)을 사용하여 해결된다. Advantages of Pressurized Gas Injection Thermocyclers . Based on the theoretical analysis, a rate of 3 m / sec < v <30 m / sec (Mach 0.03 < v <Mach 0.30) to rapidly change the temperature of the enzymatic reaction from about 50 ° C. to about 90 ° C. in a thin-walled vessel. It is expected that it will be possible to deliver hot / cold pressurized gas jets of to the biochemical reaction chamber. However, the required geometry, gas dynamics, flow conditions, methods for hot / cold gas mixing, and timing of gas ejection are not minor engineering issues. For those skilled in the field of fluid mechanics, the solution to this problem is solved using Navier-Stokes equations and computational fluid dynamics (CFD) modeling (Anderson, 1995).

가압 기체 써모사이클러는 하기 6가지 측면에서 열기 써모사이클러와 상이하다:Pressurized gas thermocycles differ from hot air thermocyclers in six aspects:

(1) 대기압 보다 높은 압력이 사용된다 (증가된 기체 밀도): P ≥ 1.3 바.(1) A pressure higher than atmospheric pressure is used (increased gas density): P ≧ 1.3 bar.

(2) 속도가 훨씬 빠르다 (감소된 경계층 두께): ν ≥ 5m/sec.(2) Much faster speed (reduced boundary layer thickness): ν ≧ 5 m / sec.

(3) 공기 이외의 기체가 사용될 수 있는데, 예를 들어 헬륨은 신속한 가열을 위해 사용될 수 있고, CO2는 우수한 열 제어 및 효율적 냉각을 위해 사용될 수 있다.(3) Gas other than air may be used, for example helium may be used for rapid heating, and CO 2 may be used for good thermal control and efficient cooling.

(4) 한 가지 이상의 기체 흐름 컨디셔너가 부착된 반응이 기체 혼합을 위해 사용된다.(4) A reaction with one or more gas flow conditioners attached is used for gas mixing.

(5) 디지탈 프로그래밍될 수 있는 전자 밸브가 기체 흐름을 조절하고 혼합하기 위해 컨디셔닝 쳄버를 통해 반응 쳄버에 고온 및 저온 기체 분출물을 전달하는 데에 사용된다.(5) A digitally programmable solenoid valve is used to deliver hot and cold gas jets to the reaction chamber through the conditioning chamber to regulate and mix the gas flow.

(6) DNA 변성, 프라이머:주형 결합, 및 효소 신장이 100 밀리세컨드 이하의 시간 간격으로 프로그래밍될 수 있다.(6) DNA denaturation, primers: template binding, and enzyme extension can be programmed at time intervals of 100 milliseconds or less.

대상의 대류 가열/냉각이 열전도 보다 훨씬 더 효율적이라는 것은 널리 공지된 사실이다. 예를 들어, 풍속냉각(windchill) 온도는 바람 이동, 즉, "대류"의 추가의 냉각 효과를 나타낸다. 이러한 견지에서 효율은 대상이 이의 온도를 특정량 만큼 변화시키는 데에 걸리는 시간을 의미한다. 대류 냉각/가열 속도는 (1) 기체 및 대상 사이의 온도차 및 (2) 대상 주위의 경계층의 두께 (대상은 "경계층"이라 명명되는 대상을 중심으로 고정된 기체의 얇은 층에 의해 둘러싸여 있다)에 좌우된다. 이러한 층의 두께는 대상에 대한 기체의 속도와 매우 상관이 있다. 보다 높은 기체 속도에서, 경계층은 얇아지고, 열전달 속도 ("열 유속"이라 명명됨)는 개선된다. 고속은 가압된 기체를 사용함으로써 달성될 수 있는데, 분자는 압력이 높은 영역에서 압력이 낮은 (대기압) 영역으로 자연적으로 유동할 것이며 이는 전자 및/또는 기계적 제어 밸브의 개폐에 의해 조절된다. 경계층을 가로지르는 열에너지 (열)의 전달은 또한 사용되는 기체의 유형에 의해 크게 영향을 받는다. 헬륨 기체는 대상의 신속한 가열에 특히 효율적이다. 이산화탄소 (CO2) 기체는 일정엔탈피 팽창시에 -24℃로 냉각되므로, 효율적이고 저렴한 냉각 기체이다. 이러한 특성은 각각의 기체 또는 기체 혼합물에 고유하고 독특한 열역학적 특성인 기체의 폴리트로픽(polytropic) 계수에 좌우된다.It is well known that convective heating / cooling of a subject is much more efficient than thermal conduction. For example, windchill temperatures represent the additional cooling effect of wind movement, ie "convection". In this sense, efficiency refers to the time it takes for a subject to change its temperature by a certain amount. The convective cooling / heating rate is based on (1) the temperature difference between the gas and the object and (2) the thickness of the boundary layer around the object (the object is surrounded by a thin layer of gas fixed around the object called the "boundary layer"). Depends. The thickness of this layer is highly correlated with the velocity of the gas relative to the object. At higher gas velocities, the boundary layer becomes thinner and the heat transfer rate (named "heat flux") is improved. High speed can be achieved by using pressurized gas, where molecules will naturally flow from the high pressure region to the low pressure (atmospheric) region, which is controlled by opening and closing of the electronic and / or mechanical control valves. The transfer of thermal energy (heat) across the boundary layer is also greatly influenced by the type of gas used. Helium gas is particularly efficient for rapid heating of the object. Carbon dioxide (CO 2 ) gas is cooled to −24 ° C. at constant enthalpy expansion, making it an efficient and inexpensive cooling gas. This property depends on the polytropic coefficient of the gas, which is a unique and unique thermodynamic property for each gas or gas mixture.

기체 속도가 마하 0.3 (기체의 음속의 0.3배)에 접근하는 경우, 기체는 압축성이 된다. 이러한 압축성은 기체 온도 (열적 내부 에너지) 및 운동 에너지 (기체 속도) 사이의 보다 강력한 커플링을 암시하며, 결과적으로 난류가 발생함을 암시한다. DNA의 고속 증폭에 필요한 신속한 열전달은 난류성이고 비등온성인 압축성 기체 흐름으로서 보다 정확하게 기술된다. 일반적으로, 이러한 반응 조건은 생화학에서 드물게 사용된다. 따라서, 온도 민감성 생화학적 반응을 수행하기 위해 이러한 복잡한 기체 흐름 조건을 어떻게 사용하는 지는 생화학 분야의 당업자에게 자명하지 않다.If the gas velocity approaches Mach 0.3 (0.3 times the speed of sound of the gas), the gas becomes compressible. This compressibility implies a stronger coupling between gas temperature (thermal internal energy) and kinetic energy (gas velocity), which in turn implies turbulence. The rapid heat transfer required for high speed amplification of DNA is more accurately described as a turbulent and nonisothermal compressible gas stream. In general, these reaction conditions are rarely used in biochemistry. Thus, it is not clear to those skilled in the biochemistry how to use these complex gas flow conditions to conduct temperature sensitive biochemical reactions.

열전달의 전문가는 항상 대류 열전달의 거시적 성질을 열전도의 미시적 성질과 대비한다. 블록 히터에서의 열 유속이 열전도 유형 (미시적)을 지니므로, 속도는 푸리에 법칙에 의해 로 표현되며, 여기서 q cond 는 x-방향에서의 열전도에 의한 열 유속이고, k는 열전도 계수 (블록 히터를 제조하는 재료의 특성)이고, 는 x-방향에서의 온도 기울기이다. 속도는 (1) 열이 전도되는 거리 (센티미터), (2) 재료 특성에 의해 제한되는 온도차, (3) 열전도도 계수에 의해 영향을 받는다.Experts in heat transfer always contrast the macroscopic nature of convective heat transfer with the microscopic nature of heat conduction. Since the heat flux in the block heater has a thermal conductivity type (micro), the speed is determined by Fourier's law Where q cond is the heat flux due to heat conduction in the x-direction, k is the thermal conductivity (the property of the material from which the block heater is made), Is the temperature gradient in the x-direction. Velocity is affected by (1) the distance (in centimeters) at which heat is conducted, (2) the temperature difference limited by the material properties, and (3) the thermal conductivity coefficient.

기체상 물리적 원리에서 열전달을 지배하는 기본 법칙은 푸리에 (1822) 및 나비어 (1856) 이래로 공지되어 왔으며, 표준 기계 공학 교과서 (Bosworth, 1952; Azbel, 1984; Chapman, 1984)에 교시되어 있다. 그러나, 본원에 기재된 신규 방법 및 장치에 사용된 난류성이고 비등온성인 압축성 기체 흐름의 유체 역학은 생화학 분야의 종사자들에게 일반적으로 알려져 있지 않은 전문적 주제이다.The basic laws governing heat transfer in gas phase physical principles have been known since Fourier (1822) and Navier (1856) and are taught in standard mechanical engineering textbooks (Bosworth, 1952; Azbel, 1984; Chapman, 1984). However, the fluid dynamics of the turbulent and non-isothermal compressible gas flows used in the novel methods and apparatus described herein are technical topics that are not generally known to those in the biochemical arts.

헬륨의 열전도도 계수는 업빈크(Ubbink) (1947)에 의해 측정되었고, 존스톤(Johnston) 및 그릴리(Grilly) (1946), 보스워쓰(Bosworth) (1952), 아즈벨(Azbel) (1984) 및 챕맨(Chapman) (1984)에 의해 간행된 표에 기재되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 헬륨은 공기의 7배에 해당하는 열전도도 계수를 지닌다. 네온은 공기 보다 약 2배 빠르게 열을 전달한다. 따라서, 열기 써모사이클러는 신속한 열전달을 위해 부적당한 기체를 사용해온 것이다. 비연소성 기체 중에서, 공기가 이용가능하고; 헬륨, 특히 헬륨의 동위원소인 3He가 최적이다. 위트워 등의 미국 특허 제 5,455,175호에는 반응 쳄버를 가열하거나, 쳄버를 냉각시키거나, 이의 온도를 고정값으로 유지시키기 위해 동일한 기체 (공기)가 사용되어야 한다고 가정되어 있다. 실제로, 도 8b 및 9b의 온도 대 시간 프로파일에 도시된 바와 같이, 헬륨과 같은 높은 열전도도를 지닌 기체 (k가 큰 기체)는 반응 쳄버를 가열/냉각시키는 데에 있어서 우수한 반면, 공기 또는 CO2와 같은 k가 작은 기체는 약 72℃에서 효소적 신장 동안 수 초간 온도를 유지하는 경우에 보다 양호한 열 제어를 제공한다 (도 5b, 9b, 10b 참조). 바꿔 말하면, 다양한 기체가 PCR 방법의 다양한 스테이지를 위해 최적이다.The thermal conductivity coefficient of helium was measured by Ubbink (1947), Johnston and Grilly (1946), Bosworth (1952), Azbel (1984). And in a table published by Chapman (1984). As shown in Figure 1, helium has a thermal conductivity coefficient that corresponds to seven times that of air. Neon transfers heat about twice as fast as air. Thus, hot thermocyclers have used inadequate gas for rapid heat transfer. Among non-combustible gases, air is available; Helium, especially 3 He, an isotope of helium, is optimal. U.S. Patent No. 5,455,175 to Whitworth et al. Assumes that the same gas (air) must be used to heat the reaction chamber, cool the chamber, or maintain its temperature at a fixed value. Indeed, as shown in the temperature vs. time profile of FIGS. 8B and 9B, gases with high thermal conductivity such as helium (large k gases) are superior in heating / cooling the reaction chamber, while air or CO 2 A low k gas, such as, provides better thermal control when maintaining the temperature for about a few seconds during enzymatic stretching at about 72 ° C. (see FIGS. 5B, 9B, 10B). In other words, various gases are optimal for various stages of the PCR method.

두 번째로, 위트워 등의 미국 특허 제 5,455,175호, 주렉 등의 미국 특허 제 5,576,218호, 및 탈 등의 미국 특허 제 6,200,781호에는 써모사이클링을 위해 대기압 (다른 압력은 기재없음)에서 공기 (다른 기체는 기재없음)를 사용하는 것이 기재되어 있다. 공기는 비교적 불량한 기체 열전달 매질일 뿐만 아니라 대기압에서 사용될 필요가 없다. 대기압 (P = 1 바)에서 공기를 사용하는 DNA의 PCR 증폭이 편리하다. 그러나, 이러한 방법은 상승된 압력 (P ≥ 1.3 바) 및 속도 (ν ≥ 5m/s)에서 입증가능하게 보다 빠르다 (도 4, 5b, 7b, 8b, 9b 및 12b 참조).Second, US Pat. No. 5,455,175 to Whitworth et al., US Pat. No. 5,576,218 to Jurek et al., And US Pat. No. 6,200,781 to Tahl et al. Provide air (other gases) at atmospheric pressure (other pressures not listed) for thermocycling. Is not described). Air is not only a relatively poor gas heat transfer medium but also need not be used at atmospheric pressure. PCR amplification of DNA using air at atmospheric pressure (P = 1 bar) is convenient. However, this method is arguably faster at elevated pressure (P ≧ 1.3 bar) and speed ( ν ≧ 5 m / s) (see FIGS. 4, 5b, 7b, 8b, 9b and 12b).

미국 특허 제 5,576,218호에 기재된 주렉 등의 강제 열기 써모사이클링 방법에 있어서, "샘플은 12 내지 15초내에서 50℃에서 85℃로 가열될 수 있었고 ... 표적 온도 보다 실질적으로 낮은 온도, 예를 들어 22°의 냉각 공기를 주입함으로써 샘플은 약 60 내지 75초내에서 85℃에서 50℃로 냉각되었다." 따라서, 미국 특허 제 5,576,218호에 기재된 주렉 등의 방법은 임의의 유용한 생화학이 일어나는 지의 여부와 무관하게 단지 기체 (공기)를 가열하고 냉각시키기 위해 사이클 당 적어도 (12 + 60) = 72초를 필요로 한다. 주렉 등은 이들의 방법 또는 장치가 실제로 DNA를 증폭시키기 위해 사용될 수 있다는 증거를 제공하지 못한다. 또한, 주렉 등은 대기압 보다 높은 기체 압력 (P > 1 바)을 사용할 가능성을 고려하지 않는데, 이는 이들의 장치에서의 기체 압력이 측정된 바가 없었기 때문이다. 약 2.5 바에서 가압된 기체를 사용하는 본 발명의 경우, 30회 사이클의 PCR 증폭이 78초의 짧은 시간내에 달성되며, 이러한 시간은 주렉 등의 방법 (미국 특허 제 5,576,218호)을 사용한 1회 사이클에 필요한 시간과 거의 동일하다.In the forced hot thermocycling method of Jurek et al., Described in US Pat. No. 5,576,218, “The sample could be heated from 50 ° C. to 85 ° C. within 12 to 15 seconds and at a temperature substantially lower than the target temperature, for example The sample was cooled from 85 ° C. to 50 ° C. in about 60 to 75 seconds by injecting 22 ° of cooling air. ” Thus, Jurek et al., Described in US Pat. No. 5,576,218, require at least (12 + 60) = 72 seconds per cycle to heat and cool the gas (air) only, regardless of whether any useful biochemistry occurs. do. Jurek et al. Provide no evidence that their methods or devices can actually be used to amplify DNA. In addition, Jurek et al. Do not consider the possibility of using a gas pressure higher than atmospheric pressure (P> 1 bar), since no gas pressure in their apparatus has been measured. For the present invention using a gas pressurized at about 2.5 bar, 30 cycles of PCR amplification are achieved in a short time of 78 seconds, which is achieved in one cycle using the Jurek et al. Method (US Pat. No. 5,576,218). Almost the same time as needed.

세 번째로, 가열 쳄버 및 반응 쳄버는 동일한 것임이 위트워 등 (미국 특허 제 5,455,175호; 위트워 등 1990; 1994)에 의해 가정되었다 (도 2 참조). 실제로, 반응 쳄버가 하나 이상의 전자 밸브 및 흐름 컨디셔너 및/또는 기체 축적 쳄버에 의해 고온 기체원과 분리된 경우에 훨씬 신속한 대류 열전달이 가능하다.Third, it was assumed by Witwer et al. (US Pat. No. 5,455,175; Whitworth et al. 1990; 1994) that the heating chamber and the reaction chamber were identical (see FIG. 2). In fact, much faster convective heat transfer is possible when the reaction chamber is separated from the hot gas source by one or more solenoid valves and flow conditioners and / or gas accumulation chambers.

네번째로, 위트워 등(미국특허 제 5,455,175호), 쥬렉 등(미국특허 제 5,576,218호) 및 탈 등(미국특허 제 6,200,781호)은 주위 온도의 공기가 최적의 냉각 매질이라고 가정하였다. 실제로, 생화학 반응 쳄버는 온도가 25℃ 미만인 공기 이외의 기체를 사용하여 훨씬 더 신속하게 냉각될 수 있다. 도 5b, 7b, 8b 및 9b의 온도 대 시간 프로파일은 가압된 CO2 기체 (P ≥ 2.3 바아, T = 5℃)가 주위 공기 (P = 1 바아, T = 23℃)와 비교하여 기체 냉각 매질로서 훨씬 우수하다는 것을 명확히 입증한다.Fourth, Whitworth et al. (US Pat. No. 5,455,175), Jurek et al. (US Pat. No. 5,576,218) and Tal et al. (US Pat. No. 6,200,781) assumed that air at ambient temperature was the optimal cooling medium. Indeed, biochemical reaction chambers can be cooled much faster using gases other than air at temperatures below 25 ° C. The temperature vs. time profiles of FIGS. 5B, 7B, 8B and 9B show that the pressurized CO 2 gas (P ≧ 2.3 bar, T = 5 ° C.) is a gas cooling medium compared to the ambient air (P = 1 bar, T = 23 ° C.). It clearly demonstrates that it is much better.

이론적으로, 랜크(Ranque(1934)) 및 힐쉬(Hilsch(1947))에 의해 기술된 것들과 같은 볼텍스 튜브에 의해 공급되는 비교적 높은 압력에서 (P > 5 바아) 공기를 포함하는 가압된 기체를 사용하여 생화학 샘플을 신속하게 냉각시킬 수 있다. 그러나, 위트워(미국특허 제 5,455,175호)나 주렉(미국특허 제 5,576,218호)은 냉각을 위해 가압된 기체 또는 랜크-힐쉬의 볼텍스 튜브를 이용하는 것을 고려하지 않았다.In theory, using a pressurized gas containing air (P> 5 bar) at a relatively high pressure supplied by a vortex tube such as those described by Ranque (1934) and Hilsch (1947). Thereby rapidly cooling the biochemical sample. However, Whitworth (US Pat. No. 5,455,175) or Jurek (US Pat. No. 5,576,218) did not consider using pressurized gas or Lanck-Hilsch's vortex tubes for cooling.

다섯번째로, 위트워 등(미국특허 제 5,455,175호; Wittwer et al. 1990; 1994), 쥬렉 등(미국특허 제 5,576,218호) 및 탈 등(미국특허 제 6,200,781호)은 가열/냉각 DNA 반응 샘플에 대해 프로그래밍된 적절한 시간 상수가 0, 1, 2, 3...초의 정수라고 가정하였다. 이들은 장치가 수분의 1초의 시간 간격으로 프로그래밍될 때 더 빠른 PCR이 가능하다는 것을 고려하지 않는다. 본 발명에서는 시간 파라미터가 십분의 1초로 프로그래밍될 수 있기 때문에 훨씬 빠른 변성, 결합, 및 신장을 가능하게 한다 (도 13).Fifth, Wittwer et al . (US Pat. No. 5,455,175; Wittwer et al . 1990; 1994), Jurek et al . (US Pat. No. 5,576,218), and Tal et al . (US Pat. No. 6,200,781) were applied to heat / cool DNA reaction samples. It is assumed that the appropriate time constant programmed for is an integer of 0, 1, 2, 3 ... seconds. They do not consider that faster PCR is possible when the device is programmed at a time interval of 1 second of minutes. In the present invention, the time parameter can be programmed to a tenth of a second, thus allowing much faster denaturation, coupling, and stretching (FIG. 13).

요컨대, 효과적인 기체 열 전달에 대하여, 강제 열기 써모사이클러는 가열 및 냉각을 위해 잘못된 기체, 잘못된 기체 압력, 및 반응 쳄버로의 열 쳄버의 잘못된 배치를 사용한다. 사용된 시간 상수 (≥1초)는 고속 써모사이클링에 대해 지나치제 느리고 (도 2 참조), 강제 열기 써모사이클러의 기체는 최적의 CFD-모델의 기체 동력이 결여되며 흐름 조건을 사용하지 않는다. 가압된 기체, 특히 헬륨/공기/CO2 조합물을 사용하여 훨씬 빠른 써모사이클러가 고안될 수 있고, 이는 흐름 컨디셔너를 사용하여 자동온도조절 반응 쳄버로 전달되어 (도 3e) 전자적으로 밸브를 작동시킨다.In short, for effective gas heat transfer, the forced hot thermocycler uses the wrong gas, wrong gas pressure, and misplacement of the heat chamber into the reaction chamber for heating and cooling. The time constant used (≧ 1 second) is excessively slow for high speed thermocycling (see FIG. 2), and the gas of the forced hot thermocycler lacks the gas power of the optimal CFD-model and does not use flow conditions. A much faster thermocycler can be devised using pressurized gas, in particular a helium / air / CO 2 combination, which is delivered to a thermostatic reaction chamber using a flow conditioner (FIG. 3e) to actuate the valve electronically. Let's do it.

본 발명의 속도 및 성능을 올바른 견해로 설명하기 위하여, 매사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지의 치우 등(Chiou et al. (2001))은 최근에 써모사이클러의 "현황"을 기술하였다. 이들은 "본 조사의 목적은 가능한 짧은 시간에 샘플을 증폭시키는 PCR 기계를 생산하는 것이다..."(p.2018)라고 언급한다. 치우 등(2001)에 의해 기술된 장치는 500개 염기쌍 길이의 박테리오파지 λ DNA 단편이 ~1 나노그램(10-9g)의 DNA로 출발하여, 23분 후에 30회 PCR 사이클을 통해 증폭되게 하였고; 효율은 78%였다. 따라서 30회 PCR 사이클에 대하여, 증폭 인자는 1.5830 = 6.0 x 105 또는 600,000배이다.To explain the speed and performance of the present invention in a correct view, Chiou et al . (2001) of the Massachusetts Institute of Technology recently described the "status" of the thermocycler. They point out that "the purpose of this investigation is to produce a PCR machine that amplifies samples in the shortest possible time ..." (p. 2018). The device described by Chiwoo et al. (2001) allowed a 500 base pair long bacteriophage λ DNA fragment to start with ˜1 nanogram (10 −9 g) of DNA and amplified through 30 PCR cycles after 23 minutes; The efficiency was 78%. Thus, for 30 PCR cycles, the amplification factor is 1.58 30 = 6.0 x 10 5 or 600,000 times.

본 발명은 치우 등(2001)이 기술한 방법 보다 10배 이상으로 더 빠른 시간 규모로 바이러스, 박테리아 및 단일-복사체 인간 유전자 단편의 고속 증폭을 가능하게 한다. The present invention allows for the rapid amplification of viruses, bacteria and single-copy human gene fragments on a time scale at least ten times faster than the method described by Chiwoo et al. (2001).

더욱이, 도 8a에 도시된 바와 같이, 기체 분사식 PCR의 효율은 ~93%로 훨씬 높다. 본 발명은 1.8630 = 1.35 x 108배 또는 1억 3500백만배의 DNA 증폭 인자를 제공한다. 따라서, 기체 분사식 PCR은 치우 등(2001)의 방법 보다 [1.35 x 108/6.0 x 105] = 225배 민감하다. 가압된 기체 써모사이클러는 일상적으로 30회 PCR 사이클을 통해 1.3 내지 10.3분 (78 내지 617초) 후에 바이러스 및 박테리아 DNA 단편을 85 내지 2331개의 염기쌍 길이를 증폭시킨다. 이러한 크기 범위에 있는 단일 복사체 인간 유전자 단편은 35회 PCR 사이클을 통해 3.5 내지 6.5분 후에 검출될 수 있는 양으로 증폭된다 (도 5a, 9a 및 13).Moreover, as shown in FIG. 8A, the efficiency of gas injection PCR is much higher at ˜93%. The present invention provides DNA amplification factors of 1.86 30 = 1.35 × 10 8 times or 135 million times. Thus, gas injection PCR is [225 times more sensitive than [1.35 × 10 8 /6.0×10 5 ] = 225 times the method of Qiu et al. (2001). Pressurized gas thermocyclers routinely amplify the virus and bacterial DNA fragments 85 to 2331 base pairs in length after 1.3 to 10.3 minutes (78 to 617 seconds) through 30 PCR cycles. Single copy human gene fragments in this size range are amplified in an amount detectable after 3.5 to 6.5 minutes via 35 PCR cycles (FIGS. 5A, 9A and 13).

따라서, 상기 기술된 종래 분야의 한계에 비추어, 신규한 기체 분사식 증폭 방법 및 가압된 기체 및 전자 밸브를 사용하는 이의 자동화 장치가 본원에 기술된다. Accordingly, in view of the limitations of the prior art described above, a novel gas injection amplification method and its automated apparatus using pressurized gas and solenoid valves are described herein.

발명의 개요Summary of the Invention

본 발명은 DNA를 증폭시키는 고속 방법을 포함한다. 생물학적 샘플, DNA 중합효소, 올리고누클레오티드 프라이머, 및 데옥시누클레오티드 전구체를 함유하는 반응 쳄버를 제공한다. 반응 쳄버는 하나 이상의 열 전달 기체의 흐름을 수용한다. 제 1 열 전달 기체는 반응 쳄버로부터 물리적으로 분리된 가열 쳄버에서 가열된다. 가열된 기체는 1.3 바 (P ≥ 20 p.s.i.) 이상의 압력에서 반응 쳄버로 운반된다. The present invention includes a high speed method of amplifying DNA. A reaction chamber containing a biological sample, a DNA polymerase, an oligonucleotide primer, and a deoxynucleotide precursor is provided. The reaction chamber receives a flow of one or more heat transfer gases. The first heat transfer gas is heated in a heating chamber that is physically separated from the reaction chamber. The heated gas is delivered to the reaction chamber at a pressure of at least 1.3 bar (P ≧ 20 p.s.i.).

가열된 기체 (≥95℃)로부터의 열은 DNA를 변성시키는데 사용된다. 제 1 열 전달 기체와 동일한 종류이거나 상이한 종류의 기체일 수 있는 제 2 열 전달 기체가 반응 쳄버로 운반된다. 제 2 열 전달 기체(≤20℃)는 변성된 DNA가 올리고누클레오티드 프라이머에 결합되기에 충분히 낮은 온도까지 반응 쳄버를 냉각시킨다. 마지막으로, 제 1 고온(≥95℃) 열 전달 기체를 사용하여, 반응 쳄버의 온도를 프라이머:주형 복합체의 효소적 신장을 가능하게 충분한 온도 (통상적으로 68 내지 75℃)까지 증가시킨다. Heat from the heated gas (≧ 95 ° C.) is used to denature the DNA. A second heat transfer gas, which may be of the same kind or a different kind of gas as the first heat transfer gas, is carried to the reaction chamber. The second heat transfer gas (≦ 20 ° C.) cools the reaction chamber to a temperature low enough for the denatured DNA to bind to the oligonucleotide primer. Finally, using a first high temperature (≧ 95 ° C.) heat transfer gas, the temperature of the reaction chamber is increased to a sufficient temperature (typically 68 to 75 ° C.) to enable enzymatic extension of the primer: template complex.

고온(≥95℃) 및 냉각(≤20℃) 기체가 이원, 삼원 전자 밸브, 또는 다중 전자 밸브의 조절하에 생화학 반응 쳄버에 운반될 때, 극도로 빠른 써모사이클링이 가능하다. 선택적으로, 고온 및 냉각 기체의 분출물을 흐름 컨디셔너(또는 일련의 흐름 컨디셔너)를 통해 자동온도조절 반응 쳄버에 운반함으로써, 효소-촉매화된 반응의 온도는 10 밀리초의 시간 규모로 제어될 수 있다. 이상적으로는, 선택되는 기체가 헬륨이나, 편의상 다른 기체들이 또한 사용될 수 있다. Extremely fast thermocycling is possible when high temperature (≧ 95 ° C.) and cooling (≦ 20 ° C.) gases are carried in a biochemical reaction chamber under the control of a binary, three-way solenoid valve, or multiple solenoid valve. Optionally, the temperature of the enzyme-catalyzed reaction can be controlled on a time scale of 10 milliseconds by delivering a jet of hot and cooling gas to the thermostatic reaction chamber via a flow conditioner (or series of flow conditioners). Ideally, the gas of choice is helium, but for convenience other gases may also be used.

본 발명의 구체예는 또한 DNA의 고속 증폭 장치를 포함한다. 이 장치는 압축 고온(≥95℃) 및 저온(≤20℃) 기체 분출물이 수분의 1초의 시간 규모로 운반되는 반응 쳄버를 포함한다. 장치의 전체적인 형태는 6개 부분으로 구성된다: (1) 가열 기체의 온도를 미리 조절된 수치(≥95℃)까지 증가시키는 히터, (2) 저온 및 고온 기체를 혼합하고 흐름을 조절하며 압력 펄스를 약화시키는 하나 이상의 흐름 조절 쳄버, (3) 고온/저온 기체를 혼합시키는 혼합 쳄버가 부착된 유입 매니폴드, (4) 기체 반응 쳄버, (5) 소모 노즐 및 (6) 반응기 유출구 및 고온 기체 측관으로부터 열을 회수하는 열 교환기. 따라서, 특정 경우에, 가압된 기체 써모사이클러가 분사식 및/또는 로켓 엔진과 유사하다. 그러나, (분사식 또는 로켓에서와 같이) 연료 및 산화제를 혼합하는 대신에, 고온 및 저온 비연소성 기체를 전자 밸브의 조절하에 혼합하며; 발화가 발생하지 않는다. 본 발명에 기술된 본질적인 방법은 따라서 적절하게 "기체 분사식 PCR"로서 지칭되며, 장치는 "PCR 분사식"으로 명명되는 것이 적합하다. 효소-촉매화된 반응의 신속하고, 정밀하며, 신뢰할 수 있는 열적 제어가 PCR 분사식의 목적이다. Embodiments of the invention also include a high speed amplification device of DNA. The apparatus includes a reaction chamber in which compressed high temperature (≧ 95 ° C.) and low temperature (≦ 20 ° C.) gas jets are carried on a time scale of one second of moisture. The overall form of the device consists of six parts: (1) a heater that increases the temperature of the heating gas to a predetermined value (≥95 ° C), (2) mixes low and hot gases, regulates the flow and pressure pulses. One or more flow control chambers to attenuate the temperature, (3) inlet manifolds with mixing chambers to mix hot and cold gases, (4) gas reaction chambers, (5) exhaust nozzles, and (6) reactor outlets and hot gas side tubes. Heat exchanger to recover heat from the. Thus, in certain cases, pressurized gas thermocyclers are similar to jet and / or rocket engines. However, instead of mixing the fuel and the oxidant (as in an injection or rocket), hot and cold noncombustible gases are mixed under the control of the solenoid valve; Ignition does not occur. The essential method described in the present invention is thus suitably referred to as "gas injection PCR" and the device is suitably named "PCR injection". Rapid, precise and reliable thermal control of enzyme-catalyzed reactions is the goal of PCR injection.

반응 쳄버로부터 물리적으로 분리된 가열 쳄버는 유체에 의해 반응 쳄버에 연결된다. 반응 쳄버의 압력보다 높은 압력에서 가열 기체를 지니는 제 1 용기는 가열 쳄버에 유체에 의해 연결된다. 이러한 연결은 흐름을 조절하고 압력 펄스를 억제하기 위한 흐름 조절 쳄버를 포함할 수 있다. 냉각 기체 (가열 기체와 동일한 종류이거나 상이한 종류의 기체일 수 있다)를 지니는 제 2 용기는 유체에 의해 반응 쳄버에 연결된다. 이러한 연결은 흐름을 조절하고 압력 펄스를 억제하기 위한 흐름 조절 쳄버를 포함할 수 있다. 하나 이상의 냉각 기체 유입구 밸브가 제 2 용기와 반응 쳄버 사이에 정위되고, 하나 이상의 가열 기체 유입구 밸브가 제 1 용기와 반응 쳄버 사이에 정위된다. 전기적 입력 및 출력을 지니는 프로그래밍가능한 제어기가 유입 밸브의 개방을 제어하는데 사용된다. 반응 쳄버에 정위된 온도 센서가 제어기에 출력을 제공한다. 제어기가 유입 밸브를 개방하거나 차단시켜 반응 쳄버내에서 요망되는 온도에 도달하거나 이를 유지한다. The heating chamber physically separated from the reaction chamber is connected to the reaction chamber by a fluid. The first vessel with heating gas at a pressure higher than the pressure of the reaction chamber is connected by fluid to the heating chamber. This connection may include a flow control chamber for regulating flow and suppressing pressure pulses. The second vessel with the cooling gas (which may be the same kind of gas or a different kind of gas) is connected to the reaction chamber by a fluid. This connection may include a flow control chamber for regulating flow and suppressing pressure pulses. At least one cooling gas inlet valve is positioned between the second vessel and the reaction chamber and at least one heating gas inlet valve is positioned between the first vessel and the reaction chamber. A programmable controller with electrical inputs and outputs is used to control the opening of the inlet valve. A temperature sensor located on the reaction chamber provides the output to the controller. The controller opens or closes the inlet valve to reach or maintain the desired temperature in the reaction chamber.

헬륨과 같은 최적 열 전달 기체의 온도가 반응 쳄버와 물리적으로 분리된 쳄버에서 ≥95℃로 증가하여 전자적으로 작동된 밸브에 의해 반응 쳄버로 운반되면, 극히 빠른 써모사이클링이 가능하다. 심지어 저온(≤20℃) 기체가 쳄버로 운반되면 더 빠른 열 전달이 가능하다. 반응 쳄버의 자동화 가열 및 냉각을 위해, 바람직하게는 둘 이상의 전자 밸브 (고온 기체 밸브 및 냉각 기체 밸브) 및 하나 이상의 기계적 이완 밸브가 사용된다. If the temperature of the optimum heat transfer gas, such as helium, is increased to ≧ 95 ° C. in a chamber that is physically separated from the reaction chamber and is transported to the reaction chamber by an electronically actuated valve, extremely fast thermocycling is possible. Even cold (≤20 ° C) gas is transported to the chamber for faster heat transfer. For automated heating and cooling of the reaction chamber, preferably two or more solenoid valves (hot gas valves and cooling gas valves) and one or more mechanical relaxation valves are used.

실제로, 반응 쳄버를 가열하고 냉각하기 위해 가압된 헬륨 기체를 사용하는 것은 요구되지 않으며 최선의 방법도 아니다. 병에 든 가압된 이산화탄소(CO2) 기체는 이의 저장 용기를 떠날 때 팽창 및 냉각된다 (등엔탈피 냉각). 따라서 반응 쳄버를 가열하기 위해 가압된 헬륨 기체(또는 압축된 공기)를 사용하고, 쳄버를 냉각하기 위해 병에 든 CO2 기체를 사용하는 것이 편리하다.In fact, using pressurized helium gas to heat and cool the reaction chamber is not required and is not the best method. Bottled pressurized carbon dioxide (CO 2 ) gas expands and cools when it leaves its storage vessel (isoenthalpy cooling). It is therefore convenient to use pressurized helium gas (or compressed air) to heat the reaction chamber and bottled CO 2 gas to cool the chamber.

예를 들어, 6V 또는 24V 전자 밸브 및 디지탈 및/또는 아날로그 시그날을 사용하여 자동온도조절 반응 쳄버로 운반되는 고온(~170℃)의 가압된 헬륨 기체 및 저온(~5℃)의 가압된 CO2 기체를 사용하여, 온도를 92℃(DNA 변성 온도)로부터 55℃(프라이머 결합 온도) 내지 72℃(DNA 중합효소 신장 온도)까지 4초 미만으로 주기적으로 변화시킬 수 있다. 최소(0 내지 2초) 변성, 결합 및 신장 시간을 이용할 때, 증폭되는 DNA 단편의 길이에 따라서, 30회 사이클의 92℃/55℃/72℃가 ~2.0 내지 4.0분 으로 수행될 수 있다 (도 12).For example, pressurized CO 2 at low temperature (˜5 ° C.) and pressurized helium gas at high temperature (˜170 ° C.) delivered to a thermostatic reaction chamber using 6 V or 24 V solenoid valves and digital and / or analog signals. The gas can be used to periodically change the temperature from 92 ° C. (DNA denaturation temperature) to 55 ° C. (primer binding temperature) to 72 ° C. (DNA polymerase extension temperature) in less than 4 seconds. When using minimum (0-2 seconds) denaturation, binding and extension time, depending on the length of the DNA fragment to be amplified, 30 cycles of 92 ° C./55° C./72° C. can be performed with ˜2.0 to 4.0 minutes ( 12).

따라서, 본 발명의 목적은 중합효소 연쇄 반응(PCR)이 전자 밸브를 사용하여 자동온도조절 반응 쳄버로 운반되는 미리 가열되고/거나 미리 냉각된 기체를 사용하여 신속하게 수행될 수 있는 DNA를 증폭시키는 방법을 제공하는 것이다. 이 공정에서, 고온(≥95℃) 또는 저온(≤20℃) 가압된 기체는 생물학적 샘플을 함유하는 물리적으로 분리된 반응 쳄버로 운반되어 DNA 변성, 프라이머:주형 결합, 및 중합효소-촉매화된 신장에 사용되는 온도를 제어한다. Accordingly, it is an object of the present invention to amplify DNA that can be rapidly carried out using a pre-heated and / or pre-cooled gas in which a polymerase chain reaction (PCR) is carried to a thermostatic reaction chamber using an electromagnetic valve. To provide a way. In this process, hot (≧ 95 ° C.) or cold (≦ 20 ° C.) pressurized gas is carried to a physically separated reaction chamber containing a biological sample to allow DNA denaturation, primer: template binding, and polymerase-catalyzed Control the temperature used for stretching.

본 발명의 추가의 목적은 고온 또는 저온 가압된 기체(P ≥ 1.3 바)의 생물학적 샘플로의 흐름을 조절함에 의해, 이들 샘플을 신속하게 써모사이클링하는 방법을 제공한다. It is a further object of the present invention to provide a method of rapidly thermocycling these samples by controlling the flow of hot or cold pressurized gas (P ≧ 1.3 bar) to biological samples.

본 발명의 또 다른 목적은 고온 및 저온 가압된 기체의 자동온도조절 생화학적 반응 쳄버로의 흐름을 조절하는 전자 밸브를 사용하여, DNA의 증폭을 수행하는 장치를 제공한다. It is yet another object of the present invention to provide an apparatus for performing DNA amplification using an electromagnetic valve that controls the flow of hot and cold pressurized gas into a thermostatic biochemical reaction chamber.

본 발명의 또 다른 목적은 압력 맥동을 완화시키기 위해 반응 쳄버 이전에 고온 및 저온 기체 흐름을 조절하는 하나 이상의 쳄버를 사용하는 것이다. It is another object of the present invention to use one or more chambers that regulate the hot and cold gas flows prior to the reaction chamber to relieve pressure pulsations.

또한 본 발명의 목적은 반응 쳄버로 수용되는 흐름에서의 균질한 온도를 달성하기 위해 반응 쳄버 이전에 혼합 쳄버를 사용하는 것이다. It is also an object of the present invention to use a mixing chamber before the reaction chamber to achieve a homogeneous temperature in the flow received into the reaction chamber.

또한 본 발명의 목적은 1.3 바 이상의 압력에서 하나 이상의 기체를 사용하여, 생물학적 샘플 또는 샘플들을 신속하게 열적 사이클링할 수 있는 장치를 제공하는 것이다. It is also an object of the present invention to provide a device capable of rapidly thermally cycling a biological sample or samples using one or more gases at a pressure of at least 1.3 bar.

추가로 본 발명의 목적은 생물학적 샘플 또는 샘플들을 신속하게 열적 사이클링할 수 있는 장치로서, 가압된 공기, 헬륨, 이산화탄소, 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합물을 기체 열 전달 매질로서 사용하는 장치를 제공한다. 동일한 기체 또는 기체 혼합물이 가열 및 냉각을 위해 사용될 필요는 없다. It is further an object of the present invention to provide a device capable of rapidly thermally cycling a biological sample or samples, wherein the device uses pressurized air, helium, carbon dioxide, nitrogen, argon or a mixture thereof as a gas heat transfer medium. The same gas or gas mixture need not be used for heating and cooling.

또한, 본 발명의 목적은 생물학적 샘플 또는 샘플들을 신속하게 열적 사이클링할 수 있는 장치로서, DNA 변성, 프라이머 결합 및 신장에 대한 시간 파라미터가 수분의 1초로 프로그래밍될 수 있는 장치를 제공한다. It is also an object of the present invention to provide a device capable of rapidly thermally cycling a biological sample or samples, wherein the time parameter for DNA denaturation, primer binding and extension can be programmed to one second of minutes.

마지막으로, 본 발명의 목적은 물리적으로 분리된 기체 열 쳄버, 냉각 쳄버, 및 반응 쳄버가 사용된 장치를 제공한다. Finally, it is an object of the present invention to provide a device in which a physically separated gas heat chamber, a cooling chamber, and a reaction chamber are used.

본 발명의 상기 및 그밖의 특징, 측면, 및 이점이 하기 도면, 설명 및 첨부된 청구범위를 참조로 보다 잘 이해될 것이다. The above and other features, aspects, and advantages of the present invention will be better understood with reference to the following drawings, description and appended claims.

도면의 간단한 설명Brief description of the drawings

본 발명의 상기 언급된 및 그밖의 이점 및 목적이 어떻게 수득되는지를 보다 잘 이해하기 위하여, 상기 간략하게 기술된 본 발명에 대한 보다 구체적인 설명을 첨부된 도면에 예시된 이의 구체적인 예를 참조로 기술할 것이다. 이러한 도면은 본 발명의 통상적인 구체예를 묘사할 뿐이므로 이의 범위를 제한하는 것으로 고려되지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명은 첨부된 도면을 사용하여 추가로 구체적이고 상세하게 기술되고 설명될 것이다:To better understand how the above-mentioned and other advantages and objects of the present invention are obtained, a more detailed description of the invention briefly described above will be described with reference to specific examples thereof illustrated in the accompanying drawings. will be. It is to be understood that these drawings only depict typical embodiments of the invention and are not to be considered limiting of its scope. The invention will be further described and described in further detail using the accompanying drawings:

도 1은 와트/미터-℃로 표시된 열전도도 유닛(k-값)으로서, 기체의 열전도도를 나타내는 표이다. 1 is a table showing the thermal conductivity of a gas as a thermal conductivity unit (k-value) expressed in watts / meter- ° C.

도 2a는 열기 써모사이클러를 가압된 기체 써모사이클러와 비교한 개략도이다. 2A is a schematic diagram comparing a hot air thermocycler with a pressurized gas thermocycler.

도 2b는 열기 써모사이클러의 특성을 가압된 기체 분사식 써모사이클러와 비교한 표이다. 2B is a table comparing the characteristics of a hot air thermocycler with a pressurized gas injection thermocycler.

도 3a는 본 발명에 따라 DNA를 증폭시키는 장치의 구체예의 투시도이다. 3A is a perspective view of an embodiment of an apparatus for amplifying DNA in accordance with the present invention.

도 3b는 반응 쳄버 (38), 흐름 컨디셔너 (30 및 34), 및 열전쌍 (44, 46, 48 및 50)의 투시도이다. 3B is a perspective view of reaction chamber 38, flow conditioners 30 and 34, and thermocouples 44, 46, 48, and 50.

도 3c는 도 3a의 반응 쳄버 (38)에 사용된 흐름 컨디셔너의 도면이다. FIG. 3C is a diagram of the flow conditioner used in the reaction chamber 38 of FIG. 3A.

도 3d는 도 3c에 도시된 흐름 컨디셔너의 계산적인 유체 동력 메쉬를 나타낸다. 3D shows the computational fluid power mesh of the flow conditioner shown in FIG. 3C.

도 3e는 도 3a에 도시된 반응 쳄버 (38)의 투시도를 나타낸다. FIG. 3E shows a perspective view of the reaction chamber 38 shown in FIG. 3A.

도 4는 상이한 유형의 써모사이클러의 온도 대 시간 프로파일을 나타낸다. 가압된 기체 써모사이클러가 열기 써모사이클러보다 ~10배 더 빠르며; 통상적인 열 블록 써모사이클러보다 ~100배 더 빠름을 주목한다. 4 shows temperature versus time profiles of different types of thermocyclers. Pressurized gas thermocycler is ˜10 times faster than hot thermocycler; Note that it is ˜100 times faster than conventional thermal block thermocyclers.

도 5a는 (a) 91개 염기쌍의 대장균(E. coli) O157:H7 Stx2 앰플리콘, (b) 333개 염기쌍의 박테리오파지 λ 'D' 유전자 단편, (c) 364개 염기쌍의 인간 혈소판 항원 HPA-4 대립 유전자 단편, 및 (d) 인간 β-글로빈 536개 염기쌍의 유전자 단편을 포함하는 4개의 상이한 DNA 주형의 고속 기체 분사식 PCR 증폭을 나타내는 겔 전기영동도 사진이다.Figure 5a shows (a) E. coli O157: H7 Stx2 amplicon of 91 base pairs, (b) Bacteriophage λ 'D' gene fragment of 333 base pairs, (c) 364 base pairs of human platelet antigen HPA- Gel electrophoresis photographs showing high-speed gas injection PCR amplification of four allele fragments, and (d) four different DNA templates comprising gene fragments of human β-globin 536 base pairs.

도 5b는 도 5a에 도시된 4개의 DNA 단편의 기체 분사식 증폭에 대한 온도 대 시간 프로파일이다. FIG. 5B is a temperature versus time profile for gas jet amplification of the four DNA fragments shown in FIG. 5A.

도 6은 2.9 바로 CO2를 냉각시켜 2.8 바로 가압된 공기를 사용하는, 85개 염기쌍의 대장균(E. coli) O157:H7 Stx DNA 단편의 고속 기체 분사식 PCR 증폭의 반응 생성물을 나타내는 겔 전기영동도 사진이다.FIG. 6 is a gel electrophoresis diagram showing the reaction product of a fast gas jet PCR amplification of 85 base pairs of E. coli O157: H7 Stx DNA fragments using 2.8 bar pressurized air by cooling 2.9 bar CO 2 . It is a photograph.

도 7a는 30회 고속 PCR 사이클을 통해 85초 (레인 a), 81초 (레인 b), 또는 78초 (레인 c) 후에 85개 염기쌍의 대장균(E. coli) O157:H7 Stx DNA 앰플리콘의 He/CO2 기체 분사식 PCR 증폭을 나타내는 겔 전기영동도 사진이다.FIG. 7A shows E. coli O157: H7 Stx DNA amplicons of 85 base pairs after 85 seconds (lane a), 81 seconds (lane b), or 78 seconds (lane c) through 30 fast PCR cycles. Gel electrophoresis photographs showing He / CO 2 gas jet PCR amplification.

도 7b는 도 7a에 도시된 실험에 대한 온도 대 시간 프로파일이다 (레인 c). 이 실험은 수행된 가장 빠른 DNA 증폭 실험을 나타낸다. FIG. 7B is the temperature versus time profile for the experiment shown in FIG. 7A (lane c). This experiment represents the fastest DNA amplification experiment performed.

도 8a는 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis)로부터의 368개 염기쌍의 DNA 단편의 고속 기체 분사식 PCT 증폭의 반응 생성물을 나타내는 겔 전기영동도 사진이다.FIG. 8A is a gel electrophoresis photograph showing the reaction product of fast gas jet PCT amplification of a 368 base pair DNA fragment from Bacillus anthracis .

도 8b는 도 8a에 도시된 368개 염기쌍의 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) DNA 단편의 PCR 분사식 증폭에 대한 온도 대 시간 프로파일이다 (레인 e). 30회 고속 PCR 사이클에 대한 총 시간은 233초였다.FIG. 8B is a temperature versus time profile for PCR jet amplification of the Bacillus anthracis DNA fragment of the 368 base pairs shown in FIG. 8A (lane e). The total time for 30 high speed PCR cycles was 233 seconds.

도 9a는 (a) 191개 염기쌍의 인간 급성 간헐성 포르피린증(AIP) 앰플리콘, (b) 147개 염기쌍의 인간 ABO 혈액형 'A-트랜스퍼라아제' 유전자 단편, (c) 486개 염기쌍의 대장균(E. coli) uidA 유전자 단편, (d) 297개 염기쌍의 대장균(E. coli) uidA 유전자 단편, (e) 145개 염기쌍의 대장균(E. coli) uidA 유전자 단편의 고속 기체 분사식 PCR 증폭을 나타내는 겔 전기영동도 사진이다.Figure 9a shows (a) 191 base pairs of human acute intermittent porphyrinosis (AIP) amplicons, (b) 147 base pairs of human ABO blood type 'A-transferase' gene fragment, (c) 486 base pairs of E. coli ( E coli ) uidA gene fragment, (d) 297 base pair E. coli uidA gene fragment, (e) 145 base pair E. coli uidA gene fragment gel electrolysis showing fast gas injection PCR amplification Yeongdong is a picture.

도 9b는 도 9a에 도시된 147개 염기쌍의 인간 ABO 혈액형 A-트랜스퍼라아제 유전자 단편을 증폭시키는데 사용된 PCR 분사식 반응의 온도 대 시간 프로파일이다. 35회 PCR 사이클이 228초로 수행되었다. FIG. 9B is a temperature versus time profile of the PCR injection reaction used to amplify the 147 base pair human ABO blood type A-transferase gene fragment shown in FIG. 9A. 35 PCR cycles were performed at 228 seconds.

도 10a는 외부 486개 염기쌍 및 네스티드(nested) 내부 186개 염기쌍의 대장균(E. coli) uidA DNA 단편의 네스티드 PCR 증폭을 도시하는 겔 전기영동도 사진이다.FIG. 10A is a gel electrophoresis photograph showing nested PCR amplification of an E. coli uidA DNA fragment of an outer 486 base pair and a nested inner 186 base pair.

도 10b는 도 10a에 도시된 축소 PCR 실험에 사용된 프라이머의 DNA 서열 및 위치를 나타내는 도면이다. FIG. 10B is a diagram showing the DNA sequence and position of the primer used in the reduced PCR experiment shown in FIG. 10A.

도 11a는 박테리오파아지 λ로부터의 2206개 염기쌍 길이의 DNA 단편의 기체 분사식 PCR 증폭을 도시하는 겔 전기영동도 사진이다.FIG. 11A is a gel electrophoresis photograph showing gas jet PCR amplification of a 2206 base pair length DNA fragment from bacteriophage λ.

도 11b는 박테리오파아지 λ로부터의 2331개 염기쌍 길이의 DNA 단편의 기체 분사식 PCR 증폭을 도시하는 겔 전기영동도 사진이다. FIG. 11B is a gel electrophoresis photograph showing gas jet PCR amplification of a 2331 base pair length DNA fragment from bacteriophage λ.

도 12a는 대장균(E. coli) uidA (β-글루쿠로니다아제) 유전자로부터의 297개 염기쌍 길이의 DNA 단편의 기체 분사식 PCR 증폭을 도시하는 겔 전기영동도 사진이다.FIG. 12A is a gel electrophoresis photograph showing gas jet PCR amplification of a 297 base pair long DNA fragment from the E. coli uidA (β-glucuronidase) gene.

도 12b는 대장균(E. coli) uidA (β-글루쿠로니다아제) 유전자로부터의 297개 염기쌍 길이의 DNA 단편을 증폭시키는데 사용된 PCR 분사식 반응의 온도 대 시간 프로파일이다.FIG. 12B is a temperature versus time profile of a PCR spray reaction used to amplify a 297 base pair long DNA fragment from the E. coli uidA (β-glucuronidase) gene.

도 13은 가압된 기체 분사식 써모사이클러를 사용하여 수행된 고속 PCR 실험을 요약한 표이다. FIG. 13 is a table summarizing high speed PCR experiments performed using a pressurized gas injection thermocycler.

도 14는 본원에 사용된 과학적 명명의 목록이다. 14 is a list of scientific nomenclature used herein.

발명의 상세한 설명Detailed description of the invention

본 발명은 바람직한 구체예를 응용하여 기술될 것이다. 이는 본 발명을 기술된 구체예로 제한하려는 의도가 아니다. 본 발명은 본 발명의 본질 및 범위내에 포함될 수 있는 이원 밸브 또는 삼원 밸브를 사용하는 것과 같은 모든 변형 및 대안을 포함하도록 의도된다. The present invention will be described by applying the preferred embodiments. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the described embodiments. It is intended that the present invention include all modifications and alternatives, such as using a two-way or three-way valve, which may be included within the spirit and scope of the invention.

가압된 기체 써모사이클러의 다섯 가지 특징이 중요하다:Five characteristics of pressurized gas thermocyclers are important:

(1) 이는 DNA의 고속 증폭을 78초에 수행되는 85개 염기쌍(b.p.)의 DNA 단편의 30 사이클의 PCR 증폭으로 수행한다. 더 긴 (145 내지 2331 b.p.) 바이러스 및 박테리아 DNA 단편은 대략 2 내지 10분 후에 ~108배 증폭되었다 (도 5 내지 12).(1) This is done by fast amplification of DNA with 30 cycles of PCR amplification of 85 base pair (bp) DNA fragments performed in 78 seconds. Longer (145-2331 bp) viral and bacterial DNA fragments amplified ˜10 8 fold after approximately 2-10 minutes (FIGS. 5-12).

(2) 가압된 기체 분사식 써모사이클러에서의 DNA의 증폭 동안, DNA 변성, 프라이머:주형 결합, 및 효소적 신장에 사용된 시간 간격은 수분의 1초로 프로그래밍될 수 있다. (2) During the amplification of DNA in a pressurized gas sprayed thermocycler, the time intervals used for DNA denaturation, primer: template binding, and enzymatic elongation can be programmed to one second of minutes.

(3) DNA 증폭의 전체 속도는 장치의 가열/냉각 시간이 아닌 생화학에 의해 제한된다. 특히, Taq 중합효소 신장 속도 (72℃에서 ~80 누클레오티드/초)가 속도-제한적이다. 더 빠른 (>200nt/초) 열안정성 DNA 중합효소가 발견될 수 있다면, 써모사이클링 시간이 30회 PCR 사이클에 대해 30초 미만이 되는 것이 가능하다.(3) The overall rate of DNA amplification is limited by biochemistry, not the heating / cooling time of the device. In particular, Taq polymerase extension rate (˜80 nucleotides / sec at 72 ° C.) is rate-limiting. If faster (> 200nt / sec) thermostable DNA polymerase can be found, it is possible for the thermocycling time to be less than 30 seconds for 30 PCR cycles.

(4) 고속 가압된 기체 PCR은 아마도 잘못된 반응 생성물이 결합 및/또는 신장하는 시간을 거의 가지지 않기 때문에, 일반적으로 보다 느린 방법 보다 정확하다. (4) Fast pressurized gas PCR is generally more accurate than the slower method, probably because it has little time for the wrong reaction product to bind and / or stretch.

(5) 가압된 기체 분사식 써모사이클러는 온라인의 형광성 다이-기재 DNA 검출 광학과 양립할 수 있다. (5) The pressurized gas sprayed thermocycler is compatible with on-line fluorescent die-based DNA detection optics.

가압된 기체 분사식 PCR 공정 및 써모사이클러는 특히 속도가 가장 중요한 생명을 위협하는 질병의 진단에서의 유용성을 입증하여야 한다. 본 발명은 생의학적 조사, 유전학, 분자 약제, 농업, 수의 과학, 법의학, 및 생물학적 전투 시약의 검출에 사용된 DNA-기재 시험을 신속하게 (약 2 내지 10분) 수행하기 위해 실시될 수 있다 (실시되어 왔다).Pressurized gas injection PCR processes and thermocyclers should demonstrate their usefulness, particularly in the diagnosis of life-threatening diseases where speed is of paramount importance. The present invention may be practiced to rapidly perform (about 2 to 10 minutes) DNA-based tests used in the detection of biomedical investigations, genetics, molecular medicine, agriculture, veterinary science, forensics, and biological combat reagents. (Has been practiced).

본 발명의 바람직한 구체예는 빠른 (<20 msec/사이클) 전자 밸브, 디지탈 및/또는 아날로그 시그날을 수용하는 작동기, 및 소형처리기 제어기의 조절하에 고온 또는 저온 기체를 자동온도조절 반응 쳄버에 주입함에 의해 DNA의 고속 PCR 증폭을 수행하는 가압된 기체 써모사이클러이다. 이상적으로는, 이 장치가 가장 적은 수의 이동 부분을 함유하고, 또한 형광성 다이-표지된 DNA의 검출에 사용되는 광학장치와 양립할 수 있을 것이다 [참고문헌: Higuchi 등, 1992; Haugland, 1996; Spears 등, 1997].Preferred embodiments of the invention are provided by injecting a hot or cold gas into a thermostatic reaction chamber under the control of a fast (<20 msec / cycle) solenoid valve, an actuator accommodating digital and / or analog signals, and a microprocessor controller. Pressurized gas thermocycler to perform high speed PCR amplification of DNA. Ideally, this device would be compatible with the optical device containing the fewest number of moving moieties and also used for the detection of fluorescent die-labeled DNA [Ref. Higuchi et al., 1992; Haugland, 1996; Spears et al., 1997].

상기 구체예에서, 전자적으로 프로그래밍될 수 있는 "고온 기체" 및 "저온 기체" 밸브를 사용하여 고온 및 저온 가압된 기체를 전자 제어하에 반응 쳄버에 주입함에 의해 온도가 신속하게 변화될 수 있음을 이해하여야 한다. 반응 쳄버의 압력은, 비록 온도가 요구에 따라 변화될 수 있을지라도, 기계적 이완 밸브에 의해 비교적 일정한 수치로 유지된다. 반응 샘플 (부피 10 내지 25 ㎕)을 위트워 및 칼링(Garling)(1991)이 기술한대로 얇은 벽의 유리 모세관 튜브에서 실링하거나, 트레타코브 등(Tret'yakov et al. (1994))이 기술한대로 유사한 얇은 벽의 플라스틱 용기에 실링하였다. 따라서, 반응 쳄버 내부의 압력은 기체의 온도가 변화함에 따라 1.3 내지 6.0 바 (20 내지 90 p.s.i.)의 범위에 걸쳐 다양하나, 모세관 튜브의 압력은 1.0 바 (14.7 p.s.i)에 가깝게 변화되지 않고 유지된다.In this embodiment, it is understood that the temperature can be changed rapidly by injecting hot and cold pressurized gas into the reaction chamber under electronic control using electronically programmable "hot gas" and "cold gas" valves. shall. The pressure in the reaction chamber is maintained at a relatively constant value by the mechanical relaxation valve, although the temperature can be changed as desired. Reaction samples (10-25 μl of volume) may be sealed in thin walled glass capillary tubes as described by Wittwer and Garling (1991), or by Tretakov et al . (1994). One was sealed in a similar thin walled plastic container. Thus, the pressure inside the reaction chamber varies over a range of 1.3 to 6.0 bar (20 to 90 psi) as the temperature of the gas changes, while the pressure in the capillary tube remains unchanged close to 1.0 bar (14.7 psi). .

가압된 기체 써모사이클러는 도 2에 도시된 대로 여러가지 중요한 점에 있어서 열기 써모사이클러 (위트워 등의 미국특허 제 5,455,175호)와 다르다. 열기 써모사이클러에서 (도 2a), 가열 램프를 지니는 단일의 반응 쳄버가 공기를 가열하고 PCR 반응을 수행하기 위해 사용된다 (가열 쳄버 = 반응 쳄버). 가압된 기체 써모사이클러에서는 (도 2b), 6개 이하의 분리된 쳄버가 사용된다: 가열 쳄버, 저온 기체 공급 쳄버, 고온 기체 흐름 컨디셔너, 저온 기체 흐름 컨디셔너, 혼합 쳄버 및 반응 쳄버. 반응 쳄버에서 샘플을 가열하기 위하여, 가열 쳄버로부터의 미리 가열된 기체(≥95℃)를 전자 밸브 VH(고온 기체 밸브 28)에 의해 가압 하에 고온 기체 흐름 컨디셔너 및 혼합 챔버를 통해 반응 쳄버로 운반한다. 반응 쳄버에서 샘플을 냉각하기 위해, 저온 기체(≤20℃)를 전자 밸브 VC(냉각 기체 밸브 36)에 의해 가압 하에 냉각 기체 흐름 컨디셔너 및 혼합 쳄버를 통해 반응 쳄버로 운반한다. 밸브 VR(도 3a에서 40)의 기계적 이완 밸브가 반응 쳄버로부터 가압된 기체를 배출시킨다. 효율은 배출 스트림 및 고온 기체 흐름 컨디셔너를 우회하도록 설치된 전자 밸브 VH로부터 열을 회수함에 의해 개선된다.Pressurized gas thermocyclers differ from hot air thermocyclers (US Pat. No. 5,455,175 to Whitworth et al.) In several important respects, as shown in FIG. In a hot air thermocycler (FIG. 2A), a single reaction chamber with a heating lamp is used to heat the air and perform the PCR reaction (heating chamber = reaction chamber). In a pressurized gas thermocycler (FIG. 2B), up to six separate chambers are used: heating chamber, cold gas feed chamber, hot gas flow conditioner, cold gas flow conditioner, mixing chamber and reaction chamber. To heat the sample in the reaction chamber, the preheated gas (≥95 ° C.) from the heating chamber is conveyed to the reaction chamber through a hot gas flow conditioner and mixing chamber under pressure by an electromagnetic valve V H (hot gas valve 28). do. To cool the sample in the reaction chamber, cold gas (≦ 20 ° C.) is conveyed to the reaction chamber through a cooling gas flow conditioner and mixing chamber under pressure by an electromagnetic valve V C (cooling gas valve 36). The mechanical relaxation valve of the valve V R (40 in FIG. 3A) discharges pressurized gas from the reaction chamber. The efficiency is improved by recovering heat from the solenoid valve V H installed to bypass the exhaust stream and the hot gas flow conditioner.

이제부터 유사 구조가 유사한 참조 명칭으로 제공될 도면을 참고할 것이다. 가압된 기체 써모사이클러, 흐름 컨디셔너, 및 이의 반응 쳄버의 개략도가 도 3a, 3b, 3c, 3d 및 3e에 도시되어 있다. Reference will now be made to the drawings wherein like structures will be provided with like reference numerals. Schematics of pressurized gas thermocyclers, flow conditioners, and reaction chambers thereof are shown in FIGS. 3A, 3B, 3C, 3D, and 3E.

가압된 기체 써모사이클러의 제작 및 최적화Fabrication and Optimization of Pressurized Gas Thermocycler

도 3a에 도시된 대로, 열적 사이클링 장치 (10)는 일반적으로 38로 표시되는 절연(낮은 k) 재료로 제조된 반응 쳄버를 포함한다. 바람직하게는 반응 쳄버 (38)는 0.5 와트/cm-°K 미만의 k 값을 지닌다. 반응 쳄버 (38)는 스테인리스 강 또는 티타늄과 같은 수많은 상이한 재료로 구성될 수 있다. 또한, VESPEL, TORLON 및 BUTTERBOARD (Golden West of California에 의해 제조됨)와 같은 상표명하에 판매되는 세라믹 결합제를 지니는 폴리우레탄 또는 폴리이미드 플라스틱이 반응 쳄버 (38)의 재료로서 사용될 수 있다. 저온 기체 공급기 (14)는 압력 조정기 (16), 일원 점검 밸브 (18)(Linweld of Lincoln, NE으로부터 시판됨), 및 제어기 (42)에 의해 동작하는 디지탈 릴레이에 의해 작동되는 이원 전자 밸브 (34)(Peter Paul Electronics of New Britain, CT에 의해 제조된 38 VDC 밸브)에 의해 반응 쳄버 (38)로부터 분리된다. 제어기 (42)는 Keithley of Cleveland, OH에 의해 제조된 KPCI-3107과 같은 다기능 데이터 수집 보드일 수 있다. 고온 기체 공급기 (12)는 압력 조정기 (16) 및 일원 점검 밸브 (18)를 통해 예비가열기 (20)에 연결된다. 예비가열기 (20)는 반응 쳄버 (38)로부터 소모 기체를 냉각시키고 기체 공급기 (12)로부터 유입되는 기체를 가열하는 열 교환기이다. 예비가열기 (22)를 떠난 예비가열된 기체는 이후 예비가열기 (26)에 이어 공정 가열기 (26)(Hotwatt of Danvers, MA에 의해 제조된 500 와트 공정 가열기)로 들어간다. 공정 가열기 (26)는 제어기 (42)에 의해 동작하는 매우 튼튼한 릴레이에 의해 작동된다. 가열기 (26)를 떠난 고온 기체는 (제어기 (42)에 의해 동작하는) 삼원 전자 밸브 (28)로 흐른다. 공정 가열기는 지속적인 기체의 흐름을 요구하므로; 전자 밸브 (28)는 반응 쳄버 (38)가 냉각될 때마다 예비가열기 (22) 및 최종적으로 머플러 (24)(Exair of Cincinnati, OH에 의해 제조됨)를 통해 기체를 소모시킨다. 반응 쳄버 (38)가 가열될 때, 고온 기체는 전자 밸브 (28)에서 흐름 컨디셔너 (30)로 흐른다. 흐름 컨디셔너 (30)는 기체 흐름 펄스를 고온 기체의 보다 견고한 흐름으로 가라앉힌다. 조절된 고온 기체는 이후 혼합 쳄버 (32)로 유입된다. 전자 밸브 (36)로부터의 냉각 기체는 또한 흐름 컨디셔너 (34)를 통해 혼합 쳄버 (32)로 흐른다. 이후 혼합된 기체는 반응 쳄버 (38)로 흐른다. 반응 쳄버 (38)는 기계적 이완 밸브 (40)에 의해 상승된 압력에서 유지된다. 기계적 이완 밸브 (40)는 1.3 바 (20 p.s.i.)의 분해 압력을 지닌다. 기계적 이완 밸브 (40)로부터의 소모 기체는 예비가열기 (20)에서 냉각되고 머플러 (24)를 통해 배출된다. As shown in FIG. 3A, the thermal cycling apparatus 10 includes a reaction chamber made of an insulating (low k) material, generally designated 38. Preferably the reaction chamber 38 has a k value of less than 0.5 Watts / cm- ° K. Reaction chamber 38 may be composed of a number of different materials, such as stainless steel or titanium. In addition, polyurethane or polyimide plastics with ceramic binders sold under the trade names VESPEL, TORLON and BUTTERBOARD (manufactured by Golden West of California) may be used as the material of the reaction chamber 38. The cold gas feeder 14 is a dual solenoid valve 34 actuated by a pressure regulator 16, a member check valve 18 (available from Lindweld of Lincoln, NE), and a digital relay operated by a controller 42. (38 VDC valve manufactured by Peter Paul Electronics of New Britain, CT) is separated from the reaction chamber 38. Controller 42 may be a multifunction data acquisition board such as KPCI-3107 manufactured by Keithley of Cleveland, OH. The hot gas supplier 12 is connected to the preheater 20 via a pressure regulator 16 and a one-way check valve 18. The preheater 20 is a heat exchanger that cools the spent gas from the reaction chamber 38 and heats the gas coming from the gas supply 12. The preheated gas leaving preheater 22 then enters preheater 26 followed by process heater 26 (500 Watt process heater manufactured by Hotwatt of Danvers, MA). The process heater 26 is operated by a very robust relay operated by the controller 42. The hot gas leaving heater 26 flows to a three-way solenoid valve 28 (operated by controller 42). Process heaters require a continuous flow of gas; The solenoid valve 28 consumes gas through the preheater 22 and finally the muffler 24 (manufactured by the Air of Cincinnati, OH) whenever the reaction chamber 38 is cooled. When reaction chamber 38 is heated, hot gas flows from solenoid valve 28 to flow conditioner 30. Flow conditioner 30 sinks the gas flow pulses into a tighter flow of hot gas. The regulated hot gas is then introduced into the mixing chamber 32. Cooling gas from the solenoid valve 36 also flows through the flow conditioner 34 to the mixing chamber 32. The mixed gas then flows to reaction chamber 38. The reaction chamber 38 is maintained at an elevated pressure by the mechanical relaxation valve 40. The mechanical relaxation valve 40 has a decomposition pressure of 1.3 bar (20 p.s.i.). The spent gas from the mechanical relaxation valve 40 is cooled in the preheater 20 and discharged through the muffler 24.

도 3b에 도시된 대로, 전자 밸브 (28 및 36)는 컨디셔너 (42)를 사용하여, 각각 열전쌍 (44, 46 및 48)에 의해 측정된 혼합 쳄버 (32), 고온 기체 흐름 컨디셔너 (30), 및 냉각 기체 흐름 컨디셔너 (34)의 온도에 기초하여 요구에 따라 개방되거나 차단될 수 있다. 열전쌍 (50)은 컨디셔너 (42)에 의해 공정 가열기 (26)를 일정한 온도로 유지하기 위해 사용된다. As shown in FIG. 3B, solenoid valves 28 and 36 use conditioners 42, mixing chambers 32, hot gas flow conditioners 30, measured by thermocouples 44, 46, and 48, respectively, And on the basis of the temperature of the cooling gas flow conditioner 34. Thermocouple 50 is used by conditioner 42 to maintain process heater 26 at a constant temperature.

도 3e에 도시된 대로, 반응 쳄버 (38)는 타원형 공동 (52)을 함유하며, 이는 얇은 벽의 모세관 튜브에 실링된 반응 샘플을 함유한다. 상기 튜브가 엇갈리게 실링된 홀 (54)을 통해 유입된다. As shown in FIG. 3E, the reaction chamber 38 contains an elliptical cavity 52, which contains a reaction sample sealed in a thin wall capillary tube. The tube enters through staggered holes 54.

가압된 기체 써모사이클러를 다양한 조합의 고온 및 저온 공급 기체로 시험하였다. 가압된 공기는 이용가능하고, 저가이며, 제어가 용이하다. 반면, 가압된 헬륨 기체는 우수한 열 전달 기체이나 (도 1), 열적 제어와 관련하여 많은 문제점을 지닌다 (참고 도 7b).Pressurized gas thermocyclers were tested with various combinations of hot and cold feed gases. Pressurized air is available, inexpensive and easy to control. On the other hand, pressurized helium gas is an excellent heat transfer gas (FIG. 1), but has many problems with thermal control (see FIG. 7B).

가압된 기체 써모사이클러의 작동은 세 개의 작동 모드를 필요로 하는데, 이는 밸브에 배선된 릴레이를 활성화시킴에 의해 제어된다. 세 개의 작동 모드는 (1) 반응 쳄버의 가열, (2) 반응 쳄버의 냉각, 및 (3) 반응 쳄버의 온도 유지이다. Operation of the pressurized gas thermocycler requires three modes of operation, which are controlled by activating a relay wired to the valve. The three modes of operation are (1) heating of the reaction chamber, (2) cooling of the reaction chamber, and (3) maintaining the temperature of the reaction chamber.

반응 쳄버 (38)의 온도를 증가시키기 위해, 고온 기체 밸브 (28)는 흐름 컨디셔너 (30)로 개방되어, 고온 가압된 기체가 쳄버로 운반된다. 저온 기체 밸브 (36)는 차단된 채로 유지된다.In order to increase the temperature of the reaction chamber 38, the hot gas valve 28 is opened to the flow conditioner 30 so that hot pressurized gas is conveyed to the chamber. The low temperature gas valve 36 remains blocked .

쳄버의 온도를 낮추기 위하여, 흐름 컨디셔너 (30)로의 고온 기체 밸브 (28)가 차단되고 냉각 기체 밸브 (36)가 개방된다. In order to lower the temperature of the chamber, the hot gas valve 28 to the flow conditioner 30 is shut off and the cooling gas valve 36 is opened.

PCR 공정의 신장 단계 동안, 온도가 72℃에 가깝게 유지될 때, 냉각 기체 밸브 (36) 및 고온 기체 밸브 (28)는 혼합 쳄버 (32)에 위치한 열 센서에 의해 측정된 온도에 기초하여 요구에 따라 개방되고 차단된다. 이 밸브 배치는 온도를 미리 조절된 수치에 가깝게 유지하기 위한 우수한 열 제어를 제공한다.During the elongation phase of the PCR process, when the temperature is kept close to 72 ° C., the cooling gas valve 36 and the hot gas valve 28 meet the demand based on the temperature measured by the thermal sensor located in the mixing chamber 32. Open and shut off accordingly. This valve arrangement provides excellent thermal control to keep the temperature close to a preset value.

고온 및 저온 밸브의 개방 및 차단은 시스템 제어기로부터 밸브를 작동시키는 전자 릴레이로의 전자 시그날에 의해 제어된다. 시스템 제어 소프트웨어는 상기 밸브의 개방 및 차단을 결정한다. The opening and closing of the hot and cold valves is controlled by an electronic signal from the system controller to the electronic relays that operate the valve. System control software determines the opening and closing of the valve.

상이한 "고온" 또는 "저온" 공급 기체가 적용될 때, 기체 흐름 및 쳄버에서의 혼합이 선택된 기체 혼합물에 따라 다양해지므로 변형된 소프트웨어를 사용한다. "고온" 기체로서 가압된 공기 또는 헬륨을 사용하고; "저온" 기체로서 공기 또는 CO2를 사용하는 것이 편리하나, 여러가지 상이한 기체를 사용할 수 있다. 가열, 냉각, 또는 쳄버의 온도를 유지하기 위해 동일한 기체를 사용하는 것은 요구되지 않으며 최선의 방법도 아니다.When different "hot" or "cold" feed gases are applied, the modified software is used since the gas flow and mixing in the chamber will vary depending on the gas mixture selected. Using pressurized air or helium as the "hot"gas; It is convenient to use air or C0 2 as the "low temperature" gas, but various different gases can be used. Using the same gas to heat, cool, or maintain the temperature of the chamber is not required and is not the best method.

하기 (도 5a, 6, 7a, 8a, 9a, 11a, 11b 및 12a)에 도시된 대로, DNA의 고속 기체 분사식 증폭은 "고온" 기체로서 가압된 공기(또는 헬륨), 및 가압된 "저온" 기체(CO2 또는 공기)를 사용하여 수행될 수 있다. 선택된 열 전달 기체, 열 구배의 크기, 및 증폭되는 DNA 단편의 길이에 따라 30 사이클의 PCR 증폭이 78 내지 617초 후에 달성될 수 있다. 하기 기술되는 실시예에서, 증폭된 DNA는 비교적 느린(~1시간) 공정을 사용하여 검출되었다: 당업자에게 공지된 DNA 검출의 표준 방법으로서, 겔 전기영동에 이은 에티디움 브로마이드 (EtBr) 염색.As shown below (FIGS. 5A, 6, 7A, 8A, 9A, 11A, 11B and 12A), fast gas jet amplification of DNA is pressurized air (or helium) as a "hot" gas, and pressurized "low temperature" It can be carried out using gas (CO 2 or air). Depending on the heat transfer gas selected, the size of the heat gradient, and the length of the DNA fragments to be amplified, 30 cycles of PCR amplification can be achieved after 78-617 seconds. In the examples described below, amplified DNA was detected using a relatively slow (˜1 hour) process: standard electrophoresis of DNA detection known to those skilled in the art, followed by gel electrophoresis followed by ethidium bromide (EtBr) staining.

그러나, 가압된 기체 분사식 PCR은 선택적으로 이중 가닥 DNA(Haugland, 1996)에 결합하는, SYBR 그린과 같은 다이를 사용하는 온라인 형광성-기재 검출 (Higuchi 등, 1992)과 양립할 수 있다. 원칙적으로, 고속 기체상 PCR의 이중 가닥 DNA 반응 생성물은 SYBR 그린과 같은 리포터 다이 및 저가의 광다이오드 검출기를 사용하여 온라인으로 신속하게 검출될 수 있다. 예를 들어, 가압된 기체 써모사이클러에는 광다이오드 검출기 및 광발산 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드 다이 여기 공급원이 장착될 수 있다. 이러한 광학 장치 또는 동등하게 값싼 형광 분극화 검출 광학 장치(Spears et al., 1997) 및 형광물질-표지된 프라이머는 전례가 없는 시간 스케일로 DNA의 중폭/검출을 가능하게 할 것이다. However, pressurized gas jet PCR is compatible with on-line fluorescence-based detection (Higuchi et al., 1992) using a die such as SYBR Green, which selectively binds to double stranded DNA (Haugland, 1996). In principle, double stranded DNA reaction products of high speed gas phase PCR can be quickly detected online using a reporter die such as SYBR Green and a low cost photodiode detector. For example, the pressurized gas thermocycler may be equipped with a photodiode detector and a photo-emitting diode (LED) or laser diode die excitation source. Such optics or equivalently inexpensive fluorescence polarization detection optics (Spears et al., 1997) and fluorophore-labeled primers will allow for heavy / detection of DNA on an unprecedented time scale.

실시예Example

하기 예들은 본원에 기술된 발명을 보다 잘 설명하고 본 발명을 어떤 식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 당업자는 통상의 실험 방법을 사용하여 변경될 수 있고 본원 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된 수개의 상이한 파라미터가 있다는 것은 인식할 것이다. The following examples illustrate the invention described herein better and are not intended to limit the invention in any way. Those skilled in the art will recognize that there are several different parameters that can be modified using conventional experimental methods and are intended to be within the scope of the present invention.

3개-밸브 가압된 기체 써모사이클러를 사용한 DNA의 고속 증폭Fast Amplification of DNA Using Three-Valve Pressurized Gas Thermocycler

3개-밸브 기체 제트 써모사이클러에서의 초기 고속 PCR 실험을 "고온" 기체(∼170℃)로서 압축 공기를, "저온" 기체(∼5℃)로서 CO2를 사용하여 수행하였다. 이러한 구성은 가장 빠르게 가능하기 않지만 편리하고 "저온" 기체의 활성 냉각을 필요로 하지 않는다.Initial high speed PCR experiments in a three-valve gas jet thermocycler were performed using compressed air as the "hot" gas (-170 ° C) and CO 2 as the "low temperature" gas (-5 ° C). This configuration is not the fastest possible but is convenient and does not require active cooling of "cold" gases.

실시예 1Example 1

5:35(335초) 동안의 30회 PCR 사이클30 PCR cycles at 5:35 (335 seconds)

기체 제트 DNA 증폭 실험을 3개-밸브 기구(도 3a)에서 "고온" 기체로서 가압 공기(2.4바=36 p.s.i.)를, "저온" 기체로서 가압 CO2(2.6바=40 p.s.i.)를 사용하여 수행하였다. 상이한 길이의 4개 모델 DNA 주형을 별개의 10㎕ 반응물에서 PCR-증폭하였고, 이는 얇은 벽의 유리 모세관 튜브에서 수행하였다: (a) 91bp E.coli O157:H7 Stx 앰플리콘, (b) 333bp λ 'D' 유전자 앰플리콘, (c) 364 bp 인간 혈소판 항원 HPA-4 앰플리콘, 및 (d) 인간 β-글로빈 536bp 앰플리콘을 고온 기체로서 가압 공기 및 CO2 냉각을 이용하여 [0초 92℃/0초 55℃/5초 72℃]의 30회 사이클을 사용하여 증폭하였다. 기체 제트 PCR 반응물(10㎕)을 50mM 트리스(pH 8.5, 25℃), 250㎍/㎖의 BSA, 3mM MgCl2, 0.2mM dNTP, 50pmol의 정방향 및 역방향 프라이머, 20 피코그램의 주형 DNA, 및 5U의 Taq 폴리머라아제(프로메가, 메디슨, WI)를 함유하는 얇은 벽의 유리 모세관 튜브에서 수행하였다. 증폭 후에, 반응 생성물을 EtBr 염색으로 3% MetaPhor 아가로스 겔 상에서 분리하였다. 분자량 마커는 길이가 67 내지 501bp(pUC19/MspI DNA 단편)였다.Gas jet DNA amplification experiments were carried out using pressurized air (2.4 bar = 36 psi) as the “hot” gas and pressurized CO 2 (2.6 bar = 40 psi) as the “low temperature” gas in a three-valve instrument (FIG. 3A). Was performed. Four model DNA templates of different lengths were PCR-amplified in separate 10 μl reactions, which were performed in thin walled glass capillary tubes: (a) 91 bp E. coli 0157: H7 Stx amplicon, (b) 333 bp λ [0 second 92 ° C. using 'D' gene amplicon, (c) 364 bp human platelet antigen HPA-4 amplicon, and (d) human β-globin 536 bp amplicon as pressurized air and CO 2 cooling / 0 second 55 ° C./5 seconds 72 ° C.] at 30 cycles. Gas jet PCR reactions (10 μl) were subjected to 50 mM Tris (pH 8.5, 25 ° C.), 250 μg / ml BSA, 3 mM MgCl 2 , 0.2 mM dNTP, 50 pmol of forward and reverse primer, 20 picograms of template DNA, and 5 U The thin walled glass capillary tube containing Taq polymerase (Promega, Madison, WI) was carried out. After amplification, the reaction product was separated on 3% MetaPhor agarose gel by EtBr staining. Molecular weight markers were 67-501 bp in length (pUC19 / MspI DNA fragment).

도 5a에 도시된 바와 같이, 모두 4개의 앰플리콘을 가압된 기체 제트 PCR을 사용하여 높은 수율로 증폭하였다. 100pg의 DNA로 출발하여, 15㎕ 반응 부피로 2.5U Taq 폴리머라아제를 사용하여 335초 동안 30회 PCR 사이클을 수행하였다. 목적 536bp의 β-글로빈 유전자, 364bp의 HPA-4 대립유전자, 333bp의 박테리오파지 λ 'D' 유전자 및 91bp E.coli O157:H7 Stx2 앰플리콘을 [0sec 92℃(변성)/0sec 55℃(결합)/5sec 72℃(신장)]의 30회 사이클을 통하여 증폭하였다. 비특이적 증폭 생성물의 백그라운드가 4개 반응물 모두에서 낮게 관찰되었다. λ 'D' 유전자 앰플리콘의 경우에 특이적으로 높은 수율이 또한 관찰되었다(레인 b). 이러한 335초 기체 상 PCR 실험의 온도 대 시간 프로파일은 종래에 보고된 써모사이클러 또는 써모사이클링 방법에 비해 성능에 있어 상당히 개선된 것이다(도 4 및 5b).As shown in FIG. 5A, all four amplicons were amplified in high yield using pressurized gas jet PCR. Starting with 100 pg of DNA, 30 PCR cycles were performed for 335 seconds using 2.5 U Taq polymerase with 15 μl reaction volume. Objective 536 bp β-globin gene, 364 bp HPA-4 allele, 333 bp bacteriophage λ 'D' gene and 91 bp E. coli O157: H7 Stx2 amplicon [ 0sec 92 ° C (denatured) / 0sec 55 ° C (binding) / 5sec 72 [deg.] C. (extension)]. The background of the nonspecific amplification product was observed low in all four reactants. A particularly high yield was also observed for the λ 'D' gene amplicons (lane b). The temperature versus time profile of these 335 second gas phase PCR experiments is a significant improvement in performance over the previously reported thermocycler or thermocycling methods (FIGS. 4 and 5b).

실시예 2Example 2

소프트웨어 개선점, 2:48(168초) 동안의 30회 PCR 사이클Software improvement, 30 PCR cycles for 2:48 (168 seconds)

3개-밸브 장치는 기능적 써모사이클러이다. 매우 빠를 뿐만 아니라 양호한 열 제어(±1℃)를 보인다. 그러나, 장치의 성능은 BASIC 코드로 작성된 이의 소프트웨어에 의해 제한된다. 반응 쳄버 또는 공정 히터에서 열 변화에 반응하여 명령을 수행할 필요가 있는 때마다, BASIC(인터프리터 프로그램)으로부터 어셈블리 코드(컴파일 프로그램)으로 번역될 필요가 있다. The three-valve device is a functional thermocycler. It is not only very fast but also shows good thermal control (± 1 ° C). However, the performance of the device is limited by its software written in BASIC code. Whenever it is necessary to perform an instruction in response to a heat change in a reaction chamber or process heater, it needs to be translated from BASIC (interpreter program) to assembly code (compile program).

상당한 시간(∼1 sec/cycle)이 이러한 소프트웨어 한계로 인하여 손실된다. 특히, 30회 사이클의 기상 PCR 증폭 동안 30초 이상의 시간(>1초/사이클)이 비생산적으로 손실되었다. 결과적으로, 시스템 제어 소프트웨어는 보다 빠른 작동을 위하여 어셈블리 코드로 다시 쓰여졌다. 이러한 변형은 훨씬 빠른 기체 제트 PCR을 가능하게 했다. Significant time (~ 1 sec / cycle) is lost due to this software limitation. In particular, more than 30 seconds of time (> 1 second / cycle) were unproductively lost during 30 cycles of vapor phase PCR amplification. As a result, system control software was rewritten in assembly code for faster operation. This modification enabled much faster gas jet PCR.

≥80nt/sec의 Taq 폴리머라아제 신장 속도에서, 전이 단계, A-E+E-D(도 4a) 동안 걸리는 ∼1초/사이클은 30-머(mer) PCR 프라이머를 사용하여 85bp의 DNA 짧은 주형을 복제하기에 충분한 것 이상일것으로 기대하였다(Tm∼65℃). 이에 따라, E.coli O157:H7 시가톡신 유전자(Stx)로부터의 비교적 짧은 앰플리콘(85bp)를 사용하여 가압된 공기 가열/CO2 냉각으로 실험을 수행하였다.At Taq polymerase elongation rate of ≧ 80 nt / sec, ˜1 sec / cycle taken during the transition phase, A-E + ED (FIG. 4A), yielded a 85 bp DNA short template using a 30-mer PCR primer. Expected to be more than enough to replicate (T m- 65 ° C.). Accordingly, experiments were performed with pressurized air heating / CO 2 cooling using relatively short amplicons (85 bp) from the E. coli 0157: H7 cigartoxin gene ( Stx ).

기체 제트 PCR 반응(10㎕)을, 50mM 트리스(pH8.5, 25℃), 250㎍/㎖ BSA, 3mM MgCl2, 0.2mM dNTP, 50pmol의 정방향 및 역방향 프라이머, 20피코그램의 주형 E.coli O157:H7 DNA, 및 5U의 Taq 폴리머라아제(프로메가)를 함유하는 얇은 벽의 유리 모세관 튜브에서 2.4바(36psi)의 가압 공기 및 2.6바(∼40psi)의 CO2 냉각으로 수행하였다. 30회 사이클의 증폭 후에, DNA 단편을 3% MetaPhorTM 아가로스 상에서 분리하고 EtBr 염색하였다. 분자량 마커는 67 내지 501bp 길이의 pUC19/MspI 분해였다.Gas jet PCR reaction (10 μl) was performed with 50 mM Tris (pH8.5, 25 ° C.), 250 μg / ml BSA, 3 mM MgCl 2 , 0.2 mM dNTP, 50 pmol of forward and reverse primer, 20 picograms of E. coli It was performed with 2.4 bar (36 psi) of pressurized air and 2.6 bar (-40 psi) of CO 2 cooling in a thin walled glass capillary tube containing 0157: H7 DNA, and 5 U of Taq polymerase (Promega). After 30 cycles of amplification, the DNA fragments were separated on 3% MetaPhor agarose and stained with EtBr. Molecular weight markers were pUC19 / MspI digests 67-501 bp in length.

도 6은 짧은 85bp의 E.coli O157:H7 Stx 앰플리콘을 <2분 동안 고수율로 30회 PCR 사이클을 통해 증폭시킬 수 있고; 상당한 성능의 개선이 어셈블리 코드로 장치 명령을 작성함에 의해 달성되었다는 것을 도시한다. 헬륨 기체의 높은 열전도율에 기초하여(Ubbink, 1947; Bosworth, 1952; 도 1), "고온" 기체로서 공기가 아닌 헬륨이 사용된 경우에 훨씬 빠른 써모사이클링이 가능하다는 것이 가정되었다. 6 can amplify a short 85 bp E. coli 0157: H7 Stx amplicon through 30 PCR cycles in high yield for <2 minutes; It is shown that significant performance improvements have been achieved by writing device instructions in assembly code. Based on the high thermal conductivity of helium gas (Ubbink, 1947; Bosworth, 1952; FIG. 1), it was assumed that much faster thermocycling is possible when helium rather than air is used as the “hot” gas.

실시예 3Example 3

1:12(78초) 동안의 30회 PCR 사이클30 PCR cycles for 1:12 (78 seconds)

E.coli O157:H7 Stx 유전자로부터의 작은 앰플리콘(85bp)을 "고온" 가압 헬륨 기체 및 CO2 냉각을 사용하여 PCR 증폭하였다. 써모사이클링 시간을 추가로 저감시키기 위하여, 프라이머 길이를 30nt로 증가시켜 보다 높은 결합 온도(62℃ 내지 63℃)를 적용하였다. 또한, DNA 변성 온도를 이전 실험에 사용된 것보다 다소 저감시켰다(86℃ 내지 89℃).Small amplicons (85 bp) from the E. coli 0157: H7 Stx gene were PCR amplified using “hot” pressurized helium gas and CO 2 cooling. In order to further reduce the thermocycling time, higher binding temperatures (62 ° C. to 63 ° C.) were applied by increasing the primer length to 30 nt. In addition, the DNA denaturation temperature was slightly reduced (86 ° C. to 89 ° C.) than that used in previous experiments.

3개의 상이한 고속 기상 써모사이클링 프로토콜을 적용하였다: (a) [0 sec 89℃/0 sec 62℃/0 sec 72℃]; (b) [0 sec 87℃/0 sec 62℃/0 sec 72℃]; 및 (c) [0 sec 86℃/0 sec 63℃/0 sec 72℃]. PCR 반응(10㎕)을 50mM 트리스(pH 8.5, 25℃), 250㎍/㎖ BSA, 3mM MgCl2, 0.2mM dNTP, 50pmol의 정방향 및 역방향 프라이머, 20 피코그램의 E.coli O157:H7 DNA 및 5U의 Taq 폴리머라아제(프로메가, 메디슨, WI)를 함유하는 얇은 벽의 유리 모세관 튜브에서 수행하였다. 30회 사이클의 [0sec 89℃/0sec 62℃/0sec 72℃]; (b) [0sec 87℃/0sec 62℃/0sec 72℃]; 및 [0sec 86℃/0sec 63℃/0sec 72℃] 후에, 반응 생성물을 EtBr 염색으로 3% 아가로스 겔 상에서 분리하였다. 분자량 마커는 67 내지 501 bp(pUC19/MspI 분해)였다.Three different high speed vapor phase thermocycling protocols were applied: (a) [0 sec 89 ° C./0 sec 62 ° C./0 sec 72 ° C.]; (b) [0 sec 87 ° C./0 sec 62 ° C./0 sec 72 ° C.]; And (c) [0 sec 86 ° C./0 sec 63 ° C./0 sec 72 ° C.]. PCR reactions (10 μl) were subjected to 50 mM Tris (pH 8.5, 25 ° C.), 250 μg / ml BSA, 3 mM MgCl 2 , 0.2 mM dNTP, 50 pmol forward and reverse primers, 20 picograms of E.coli O157: H7 DNA and Performed in thin walled glass capillary tubes containing 5 U Taq polymerase (Promega, Madison, WI). 30 cycles of [0sec 89 ° C./0sec 62 ° C./0sec 72 ° C.]; (b) [0 sec 87 ° C./0sec 62 ° C./0sec 72 ° C.]; And [0sec 86 ° C./0sec 63 ° C./0sec 72 ° C.], the reaction product was separated on 3% agarose gel by EtBr staining. Molecular weight markers were 67-501 bp (pUC19 / MspI digest).

도 7a에 도시된 바와 같이, 높은 수율의 목적 85bp Stx 앰플리콘이 헬륨/CO2 기체 제트 PCR 반응 3개 모두에서 관찰되었다. 도 7a 및 7b는 이전에 수행된 DNA 증폭 반응 중 가장 빠른 3개의 반응을 증명한다. 목적 85bp E.Coli O157:H7 Stx 앰플리콘을 모두 3개의 반응에서 증폭하였다: (a) 1:25=85초, (b) 1:21=81초, (c) 1:18=78초. 이 실험은 또한 공기가 아닌 가압된 헬륨 기체가 사용된 경우에 써모사이클링이 상당히 빠르다는 것을 증명한다. 고속 기체 제트 PCR은 또한 비특이적 "연무" 또는 잘못된 반응 생성물의 백그라운드를 매우 낮게 하였다. 가정하자면, 잘못된 프라이밍(priming) 또는 신장은 이러한 신속한 써모사이클링 파라미터가 사용된 경우에 드물고; 가짜의 반응 생성물이 축적될 시간이 없다.As shown in FIG. 7A, a high yield of target 85 bp Stx amplicon was observed in all three helium / CO 2 gas jet PCR reactions. 7A and 7B demonstrate the three fastest reactions of DNA amplification reactions previously performed. Objective 85 bp E. Coli O157: H7 Stx amplicons were amplified in all three reactions: (a) 1: 25 = 85 seconds, (b) 1: 21 = 81 seconds, (c) 1: 18 = 78 seconds. The experiment also demonstrates that thermocycling is considerably faster when pressurized helium gas is used rather than air. High speed gas jet PCR also made the background of nonspecific "fumes" or erroneous reaction products very low. Assuming incorrect priming or stretching is rare if such rapid thermocycling parameters were used; There is no time for false reaction products to accumulate.

고속 PCR 제트 써모사이클러의 추가의 개선점은 소프트웨어, 열 제어, 기체 작동 압력의 최적화, 노이스의 저감, 및 다양한 공급원으로부터 상이한 길이의 DNA 단편을 증폭시킬 수 있는 능력에 실질적인 향상을 가져온다는 것이다. 이러한 개선점이 수행되는 고속 PCR 실험의 예가 실시예 4 내지 7에 예시되어 있고 이는 하기에 기술된다. Further improvements of the high speed PCR jet thermocycler are substantial improvements in software, thermal control, optimization of gas operating pressure, reduction of noise, and the ability to amplify DNA fragments of different lengths from various sources. Examples of high speed PCR experiments in which these improvements are performed are illustrated in Examples 4-7 and described below.

실시예 4Example 4

368bp의 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis at 368 bp B. anthracis)B. anthracis) DNA 단편의 PCR 증폭 PCR amplification of DNA fragments

<4분(233초) 동안의 30회 PCR 사이클30 PCR cycles for <4 minutes (233 seconds)

생물학적 전쟁균인 바실러스 안트라시스와 같은 치명적인 박테리아 병원균으로부터의 DNA를 빠르게 증폭시키는 능력은 특히 중요하다(Franz et al., 1997). 도 8a 및 8b에 도시된 바와 같이, 생물학적 전쟁균인 바실러스 안트라시스로부터의 368bp DNA 단편의 고속 제트 PCR 증폭을 167℃, 2.9바(44psi)에서 가압된 헬륨 기체를 3.0바(45psi)에서 CO2 기체 냉각과 함께 사용하여 수행하였다. 미 육군감염질환의학연구소(USAMRIID)로부터 공급된 바실러스 안트라시스 스턴(Sterne) 스트레인 DNA를 프라이머 BAN23MS1 및 BAN23MA1(21머)를 사용하는 PCR 제트 증폭을 위한 주형으로서 사용하였다. 10pg의 DNA, 1μM 프라이머, 5.5mM MgCl2, 100mM dNTP, 500㎍/㎖ BSA 및 1.25U의 Taq 폴리머라아제를 함유하는 24㎕ 반응물을 사용하여 [0msec 92℃, 0msec 55℃, 3.2sec 72℃]의 PCR 사이클을 30회 수행하였다. 바실러스 안트라시스 스턴(Sterne) 스트레인 DNA(10pg)를, (50mM Tris-Cl, 5.5mM MgCl2, pH 8.8, 500㎍/㎖ BSA) 중에 1.25 유닛 Taq Pol를 함유하는 24㎕의 반응 부피 중에서 25pmol의 정방향 프라이머(BAN23MS1) 및 역방향 프라이머(BAN23MA1) 및 200μM dNTP과 혼합하였다. 고속 PCR을 10msec 시간 간격으로 프로그래밍되어 있는 모델 1.62 헬리악(Heliac) 가압 기체 써모사이클러 중에서 수행하고 에티디움 브로마이드 염색으로 2% 아가로스 겔 상에서 겔 전기영동하였다. 샘플은 다음과 같다: [a] 100bp 래더(ladder) 분자량 마커, [b] (3.0바) CO2 냉각(0sec 92℃, 0sec 55℃, 4.0sec 72℃)과 2.6바(38psi) 고온 압축 공기를 사용하는 30회 PCR 사이클, [c] 3.0바 CO2 냉각(0sec 92℃, 0sec 55℃, 4.0sec 72℃)과 고온 He 기체(2.9바)를 사용하는 30회 PCR 사이클, [d] 2.9바 고온 He, 3.0바 CO2 냉각(0sec 92℃, 0sec 55℃, 3.6sec 72℃)을 사용하는 30회 PCR 사이클, [e] 2.9바 고온 He, 3.0바 CO2 냉각[0sec 92℃, 0sec 55℃, 3.2sec 72℃)를 사용하는 30회 PCR 사이클. PCR-증폭된 DAN를 20% 아가로스 겔 상에 로딩하고, 80V에서 45분간 전기영동하였다. 30회의 고속 PCR 사이클의 총 경과 시간은 [b] 4분, 28초, [c] 4분, 20초, [d] 4분, 10초, [e] 3분, 53초였다.The ability to rapidly amplify DNA from deadly bacterial pathogens, such as the biological warfare bacillus anthracis, is particularly important (Franz et al., 1997). As shown in FIGS. 8A and 8B, high-speed jet PCR amplification of 368 bp DNA fragments from the biological warfare bacillus anthracis was performed at 167 ° C., 2.9 bar (44 psi) and CO 2 at 3.0 bar (45 psi). It was used with gas cooling. Bacillus anthracis Sterne strain DNA supplied from the US Institute of Infectious Diseases (USAMRIID) was used as a template for PCR jet amplification using primers BAN23MS1 and BAN23MA1 (21mers). [0 msec 92 ° C., 0 msec 55 ° C., 3.2 sec 72 ° C. using 24 μl reaction containing 10 pg of DNA, 1 μM primer, 5.5 mM MgCl 2 , 100 mM dNTP, 500 μg / ml BSA and 1.25 U of Taq polymerase ] PCR cycles were performed 30 times. 25 pmol of Bacillus anthracis Sterne strain DNA (10 pg) in a reaction volume of 24 μl containing 1.25 units Taq Pol in (50 mM Tris-Cl, 5.5 mM MgCl 2 , pH 8.8, 500 μg / ml BSA) Mixed with forward primer (BAN23MS1) and reverse primer (BAN23MA1) and 200 μM dNTP. Fast PCR was performed in a model 1.62 Heliac pressurized gas thermocycler programmed at 10 msec time intervals and gel electrophoresed on a 2% agarose gel with ethidium bromide staining. Samples are as follows: [a] 100 bp ladder molecular weight marker, [b] (3.0 bar) CO 2 cooling (0 sec 92 ° C., 0 sec 55 ° C., 4.0 sec 72 ° C.) and 2.6 bar (38 psi) hot compressed air 30 PCR cycles using [c] 30 bar PCR cycles using 3.0 bar CO 2 cooling (0 sec 92 ° C., 0 sec 55 ° C., 4.0 sec 72 ° C.) and hot He gas (2.9 bar), [d] 2.9 Bar high temperature He, 30 PCR cycles using 3.0 bar CO 2 cooling (0sec 92 ° C, 0sec 55 ° C, 3.6sec 72 ° C), [e] 2.9 bar high temperature He, 3.0 bar CO 2 cooling [0sec 92 ° C, 0sec 30 PCR cycles using 55 ° C., 3.2 sec 72 ° C.). PCR-amplified DAN was loaded on a 20% agarose gel and electrophoresed at 80V for 45 minutes. The total elapsed time of 30 high-speed PCR cycles was [b] 4 minutes, 28 seconds, [c] 4 minutes, 20 seconds, [d] 4 minutes, 10 seconds, [e] 3 minutes, 53 seconds.

도 8a(레인 e)에 도시된 바와 같이, 30회 사이클의 고속 기체 제트 써모사이클링으로 3분 53초(233초) 만큼 짧은 시간 동안 목적 368bp 단편을 ∼108배 증폭하였다. 도 8b는 한쌍의 온도 대 시간 프로파일을 도시한다.As shown in FIG. 8A (lane e), the target 368 bp fragment was amplified ˜10 8 fold for a time period as short as 3 minutes 53 seconds (233 seconds) with 30 cycles of high speed gas jet thermocycling. 8B shows a pair of temperature versus time profiles.

반응 수율을 다음과 같이 계산할 수 있다. 10pg의 바실러스 안트라시스 DNA로 출발하여 약 100ng의 368bp 반응 생성물을 형성하였다(도 8a). 바실러스 안트라시스의 게놈은 ∼5.0×106 염기쌍을 함유하고, 368bp DNA 단편은 박테리아 염색체의 단지 일부만을 나타내기 때문에, 초기 10pg의 박테리아 DNA가 ∼[368/(5.0×106)×10-11g]=0.74×10-15g의 368bp 앰플리콘을 함유하였다는 것을 계산할 수 있다. 이러한 0.74×10-15g(=0.74펨토그램)의 주형 DNA를 ∼100ng의 368bp 반응 생성물로 증폭하였다. 따라서, (1.00×10-7g)/(0.74×10-15g)=1.35×108배의 증폭 인자를 30회 PCR 사이클을 이용하여 달성하였다.The reaction yield can be calculated as follows. Starting with 10 pg of Bacillus anthracis DNA, about 100 ng of the 368 bp reaction product was formed (FIG. 8A). Since the genome of Bacillus anthracis contains ˜5.0 × 10 6 base pairs and the 368 bp DNA fragment represents only a portion of the bacterial chromosome, the initial 10 pg of bacterial DNA is ˜ [368 / (5.0 × 10 6 ) × 10 −11 g] = 0.74 × 10-15 g of 368 bp amplicons can be calculated. This 0.74 × 10 −15 g (= 0.74 femtogram) template DNA was amplified with ˜100 ng of 368 bp reaction product. Thus, amplification factor of (1.00 × 10 −7 g) / (0.74 × 10 −15 g) = 1.35 × 10 8 fold was achieved using 30 PCR cycles.

중합효소 연쇄 반응이 100% 효율이라면, DNA의 양은 매 PCR 사이클 후에 두가 된다는 것을 기대할 수 있을 것이다. 이론적으로, 30회 사이클의 DNA 배증 후에, 230=1.07×109 배 증폭이 달성될 것이다. 본 실험에서, 1.35×108배 증폭이 30회 고속 PCR 사이클 후에 관찰되었다. 1.86630=1.34×108으로 계산될 수 있다. 따라서, 각 PCR 사이클은 박테리아 DNA를 1.866배 증폭시키고 이는 1.866-1=0.866의 효율에 해당하다. 다시 말해서, 각 고속 PCR 사이클은 ∼86.6% 효율이었다.If the polymerase chain reaction is 100% efficient, one would expect that the amount of DNA would be double after every PCR cycle. In theory, after 30 cycles of DNA doubling, 2 30 = 1.07 × 10 9 fold amplification will be achieved. In this experiment, 1.35 × 10 8 fold amplification was observed after 30 fast PCR cycles. It can be calculated as 1.866 30 = 1.34 × 10 8 . Thus, each PCR cycle amplifies the bacterial DNA 1.866 fold, corresponding to an efficiency of 1.866-1 = 0.866. In other words, each high speed PCR cycle was -86.6% efficient.

본 실험은 약 10피코그램의 DNA로 출발하여 약 <4분 후에 바실러스 안트라시스와 같은 특별한 병원균으로부터 DNA 단편을 증폭하는 것이 가능함을 증명하였다. The experiment demonstrated that starting from about 10 picograms of DNA, it was possible to amplify DNA fragments from a particular pathogen such as Bacillus anthracis after about <4 minutes.

실시예 5Example 5

145 내지 486bp의 E.coli 및 인간 DNA의 PCR 증폭PCR amplification of E. coli and human DNA from 145 to 486 bp

2.4 내지 4.1 분(144 내지 247초) 후의 30 내지 35회 PCR 사이클30 to 35 PCR cycles after 2.4 to 4.1 minutes (144 to 247 seconds)

고속 기체 제트 써모사이클러의 속도 및 다용도를 증명하기 위하여 추가의 실험을 수행하였다. 예를 들어, 145 내지 486bp의 박테리아 유전자 단편 및 147 내지 191bp의 단일-복사체 인간 유전자 단편을 20pg의 DNA, 1μM의 프라이머, 4.5 내지 55mM의 MgCl2, 100mM의 dNTP, 500㎍/㎖의 BSA, 및 1.25U의 Taq 폴리머라아제를 사용하여 ∼2.4 내지 4.1분(144 내지 247초) 동안 30 내지 35회 사이클을 통하여 증폭하였다.Further experiments were conducted to demonstrate the speed and versatility of the high speed gas jet thermocycler. For example, bacterial gene fragments from 145 to 486 bp and single-copy human gene fragments from 147 to 191 bp were prepared using 20 pg of DNA, 1 μM primer, 4.5 to 55 mM MgCl 2 , 100 mM dNTP, 500 μg / ml BSA, and Amplification through 30-35 cycles for ˜2.4-4.1 minutes (144-247 seconds) using 1.25 U of Taq polymerase.

도 9a는 급성 간헐성 포르피린증(Accute Intermittant Porphyria)을 초래하는 인간 유전자로부터 증폭된 DNA(191bp), ABO 혈액형 a-트랜스퍼라아제 유전자 단편(147bp), E.coli uidA 유전자 단편(486bp), E.coli uidA 유전자 단편(297bp) 및 E.coli uidA 유전자 단편(145bp)의 사진이다. 도 9a(레인 a)에 대한 온도 대 시간 프로파일에 도시된 바와 같이(도 9b), 우수한 열 제어는 가압 공기가 2.8바(46psi)에서 CO2 기체 냉각과 함께 2.6바(42psi)에서 고온 기체로서 사용되는 경우에 가능하였다.9A shows DNA (191bp), ABO blood type a-transferase gene fragment (147bp), E. coli uidA gene fragment (486bp), E. coli amplified from human genes resulting in Acute Intermittant Porphyria. uidA gene fragment (297bp) and E. coli uidA gene fragment (145bp). As shown in the temperature vs. time profile for FIG. 9A (lane a) (FIG. 9B), good thermal control ensures that pressurized air is hot gas at 2.6 bar (42 psi) with CO 2 gas cooling at 2.8 bar (46 psi). It was possible when used.

실시예 6Example 6

486/186bp 486 / 186bp E.coli uidAE.coli uidA DNA 단편의 네스티드 PCR 단편 Nested PCR Fragments of DNA Fragments

4.8분(285초) 동안의 40회 PCR 사이클40 PCR cycles for 4.8 minutes (285 seconds)

"네스티드 PCR" 프로토콜이 적용된 경우에 보다 민감한 DNA 증폭이 가능하였다. 특히, 루직카 등(Ruzicka et al., 1992)은 네스티드 PCR 방법을 기술하고 있는데, 이는 45℃ 내지 55℃의 결합 온도로 제 1의 외부 프라이머 한쌍을 ∼20회 사이클의 PCR에 사용하였고; 결합 온도가 >60℃인 내부(네스티드) 프라이머 세트로부터 증폭하였다(도 10b). 이러한 방식으로, 외부/내부 PCR의 두 단계를 하나의 폐쇄된 반응 용기에서 수행할 수 있다. More sensitive DNA amplification was possible when the "Nested PCR" protocol was applied. In particular, Ruzicka et al. (1992) describe a nested PCR method, in which a first pair of external primers was used for PCR in ˜20 cycles with a binding temperature of 45 ° C. to 55 ° C .; Amplification from an internal (nested) primer set with binding temperature> 60 ° C. (FIG. 10B). In this way, two steps of external / internal PCR can be performed in one closed reaction vessel.

죽크 등(Juck et al, 1996)의 프라이머를 사용하여, 외부 486bp 및 내부 186bp E.coli uidA DNA 단편의 네스티드 PCR 증폭을 다음을 사용하여 수행하였다: (1) 20회 사이클의 [200msec 88℃, 200msec 56℃, 2.8sec 72℃], 다음, (2) 20회 사이클의 [200msec 88℃, 200msec 65℃, 1.8 내지 2.0sec 72℃]. 첫번째 20회 사이클은 상대적으로 긴 2.8초 Taq 폴리머라아제 신장 시간을 사용하여 허용 56℃ 결합 온도에서 모두 4개의 올리고누클레오티드 프라이머의 결합을 가능하게 하였다. 두번째 20회 사이클은 보다 높은 65℃ 결합 온도 및 보다 짧은 1.8 내지 2.0초 신장 단계로 인하여 내부 186bp DNA 단편을 선택적으로 증폭시켰다.Using primers from Juck et al, 1996, nested PCR amplification of the outer 486 bp and inner 186 bp E. coli uidA DNA fragments was performed using: (1) 20 cycles of [200 msec 88 ° C. , 200 msec 56 ° C., 2.8 sec 72 ° C.], and then (2) 20 cycles of [200 msec 88 ° C., 200 msec 65 ° C., 1.8 to 2.0 sec 72 ° C.]. The first 20 cycles allowed the binding of all four oligonucleotide primers at an acceptable 56 ° C. binding temperature using a relatively long 2.8 second Taq polymerase extension time. The second 20 cycles selectively amplified the internal 186 bp DNA fragment due to the higher 65 ° C. binding temperature and the shorter 1.8 to 2.0 second elongation step.

도 10a에 도시된 바와 같이, PCR 반응(15㎕)을 50mM 트리스(pH 8.5, 25℃), 250㎍/㎖ BSA, 3mM MgCl2, 0.2mM dNTP, 50pmol의 정방향 및 역방향 프라이머, 4.5pg의 E.coli K12 DNA, 및 1.5U의 Z-Taq 폴리머라아제(타카라 슈조 엘티디(Takara Shuzo Ltd))를 함유하는 얇은 벽의 유리 모세관 튜브에서 수행하였다. (a) [100msec 89℃/100msec 65℃/2.5sec 72℃]의 20회 사이클과 그 후의 [100msec 90℃/100msec 61℃/1.8sec 72℃]의 20회 사이클 후에, 반응 생성물을 EtBr 염색으로 2.0% MetaPhor 아가로스 겔 상에 분리하였다. 분자량 마커는 pUC19/MspI 분해 단편이었다. 레인 (a) 및 (b)의 목적 186bp uidA 앰플리콘은 단지 190bp 분자량 마커 아래에 진행하였다. 40회 고속 PCR 사이클에 필요한 시간은 4분 및 45초(285초)였다.As shown in FIG. 10A, PCR reactions (15 μl) were subjected to 50 mM Tris (pH 8.5, 25 ° C.), 250 μg / ml BSA, 3 mM MgCl 2 , 0.2 mM dNTP, 50 pmol of forward and reverse primers, 4.5 pg of E Performed in thin walled glass capillary tubes containing .coli K12 DNA, and 1.5 U of Z-Taq polymerase (Takara Shuzo Ltd). (a) After 20 cycles of [100 msec 89 ° C./100 msec 65 ° C./2.5 sec 72 ° C.] followed by 20 cycles of [100 msec 90 ° C./100 msec 61 ° C./1.8 sec 72 ° C.], the reaction product was subjected to EtBr staining. Isolated on 2.0% MetaPhor agarose gel. The molecular weight marker was pUC19 / MspI digest fragment. Purpose 186 bp uidA amplicons in lanes (a) and (b) run below the 190 bp molecular weight marker. The time required for 40 fast PCR cycles was 4 minutes and 45 seconds (285 seconds).

도 10a(레인 a)에 도시된 바와 같이, E.coli O157:H7 DNA의 1 피코그램으로 출발하여, 목적 186bp 내부 앰플리콘은, 두번째 20회 사이클이 [200msec 88℃, 200msec 65℃, 2.0sec 72℃]였을 경우에, 5분 미만 동안 2-단계 네스티드 PCR 40회 사이클을 통하여 증폭시킬 수 있었다. 도 10a(레인 b)에 도시된 바와 같이, 보다 짧은 1.8초/사이클 Taq 폴리머라아제 신장이 적용되는 경우에, 40회 사이클의 네스티드 PCR이 4분 45초 동안 달성될 수 있었다(40회 사이클 동안 총 PCR 시간=285초).As shown in FIG. 10A (lane a), starting with 1 picogram of E. coli 0157: H7 DNA, the target 186 bp internal amplicon had a second 20 cycles [200 msec 88 ° C., 200 msec 65 ° C., 2.0 sec. 72 ° C.] could be amplified through 40 cycles of two-step nested PCR for less than 5 minutes. As shown in FIG. 10A (lane b), when shorter 1.8 sec / cycle Taq polymerase elongation was applied, 40 cycles of nested PCR could be achieved for 4 minutes 45 seconds (40 cycles). Total PCR time = 285 seconds).

증폭 인자는 하기와 같이 계산될 수 있다: E.coli 게놈은 ∼4.5×106 bp를 함유한다. 186bp의 E.coli DNA 단편은 (1.86×102/4.5×106)=4.1×10-5 박테리아 게놈을 나타낸다. 초기 1 피코그램(10-12g)의 박테리아 DNA는 ∼50ng(5×10-8g)의 양으로 증폭하였다(도 10a). 따라서, 186bp의 E.coli uidA DNA 단편을 총 285초의 네스티드 PCR 시간에 (1/4.1×10-5)×(5×10-8/10-12)=1.2×1011배 증폭하였다.Amplification factors can be calculated as follows: The E. coli genome contains ˜4.5 × 10 6 bp. 186 bp E. coli DNA fragment (1.86 × 10 2 /4.5×10 6 ) = 4.1 × 10 −5 Represents the bacterial genome. Bacterial DNA of the initial 1 picogram (10 -12 g) were amplified in an amount of ~50ng (5 × 10 -8 g) ( Fig. 10a). Therefore, 186 bp E. coli uidA DNA fragment was amplified at (1 / 4.1 × 10 −5 ) × (5 × 10 −8 / 10 −12 ) = 1.2 × 10 11 times in a total of 285 seconds of nested PCR time.

실시예 7Example 7

박테리오파지 λ DNA 2206 내지 2331bp의 PCR 증폭PCR amplification of bacteriophage λ DNA 2206-2331bp

10.3분 (617초) 동안의 30회 PCR 사이클30 PCR cycles for 10.3 minutes (617 seconds)

도 11a는, 2.6바(42psi) 압축 공기(공기가 든 에어툴 컴프레서로부터의 압축 공기) 및 2.8바(46psi) CO2 냉각을 사용하여, 기체 제트 써모사이클러 중에서 20pg DNA, 1μM 프라이머, 4.5mM MgCl2, 100mM dNTP, 500㎍/㎖의 BSA, 및 1.5U의 Z-Taq 폴리머라아제(타카라 슈조 엘티디) 및 30회 사이클의 [800msec 89℃ 내지 91℃, 800msec 61℃, 13sec 72℃]를 사용하여 증폭된 2206bp 박테리오파지 λ DNA 단편의 사진을 도시한다. 레인(a)는 91℃의 변성 온도(총 PCR 시간=10분, 49초)를 사용하여 2206bp의 목적 반응 생성물을 도시한다. 레인 (b)는 90℃의 변성 온도(총 PCR 시간=10분 28초)를 사용하여 2206bp의 반응 생성물을 도시한다. 레인(c)는 89℃의 변성 온도(총 30 PCR 사이에 필요한 시간: 10분, 3초=603초)를 사용하여 2206bp의 반응 생성물을 도시한다. 분자량 마커는 박테리오파지 λ HindIII 분해 단편이었다.FIG. 11A shows 20 pg DNA, 1 μM primer, 4.5 mM in a gas jet thermocycler using 2.6 bar (42 psi) compressed air (compressed air from an aired air tool compressor) and 2.8 bar (46 psi) CO 2 cooling. MgCl 2 , 100 mM dNTP, 500 μg / ml BSA, and 1.5 U of Z-Taq polymerase (Takara Shuzo Eltidi) and 30 cycles [800 msec 89 ° C. to 91 ° C., 800 msec 61 ° C., 13 sec 72 ° C.] A photograph of a 2206 bp bacteriophage λ DNA fragment amplified using is shown. Lane (a) shows the target reaction product of 2206 bp using a denaturation temperature of 91 ° C. (total PCR time = 10 minutes, 49 seconds). Lane (b) shows the reaction product at 2206 bp using a denaturation temperature of 90 ° C. (total PCR time = 10 min 28 sec). Lane (c) shows the reaction product at 2206 bp using a denaturation temperature of 89 ° C. (time required between 30 PCRs in total: 10 minutes, 3 seconds = 603 seconds). The molecular weight marker was a bacteriophage λ HindIII digested fragment.

도 11b는, 2.6바(42psi) 압축 공기(공기가 든 에어툴 컴프레서로부터의 압축 공기) 및 2.8바(46psi) CO2 냉각을 사용하여, 기체 제트 써모사이클러에서 20pg DNA, 1μM 프라이머, 4.5mM MgCl2, 100mM dNTP, 500㎕/㎖ BSA, 및 1.5U Z-Taq 폴리머라아제(타카라 슈조 엘티디) 및 30회 사이클의 [500msec 91℃, 500msec 61℃, 11 내지 14 sec 72℃]를 사용하여 증폭된 2331bp 박테리오파지 λ DNA 단편의 사진을 도시한다. 레인(a) 내지 (d)는, (a) 72℃에서 14초(총 PCR 시간=10분 50초), (b) 72℃에서 13초(총 PCR 시간=10분 17초), (c) 72℃에서 12초(총 PCR 시간=9분 42초), (d) 72℃에서 11초(총 PCR 시간=9분 8초)의 신장 시간을 이용하여 얻은 목적 2331bp 반응 생성물을 도시한다. 레인 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 반응 수율은 >12초의 신장 시간이 적용된 경우에 확실히 보다 높았다. 이 결과는, 2206 내지 2331bp의 파지 λ DNA 단편에 대하여, Z-Taq 폴리머라아제는 ≥194nt/sec의 명확한 신장 속도를 가진다는 것을 제시한다.FIG. 11B shows 20 pg DNA, 1 μM primer, 4.5 mM in a gas jet thermocycler using 2.6 bar (42 psi) compressed air (compressed air from an aired air tool compressor) and 2.8 bar (46 psi) CO 2 cooling. MgCl 2 , 100 mM dNTP, 500 μl / ml BSA, and 1.5 U Z-Taq polymerase (Takara Shuzo Eltidi) and 30 cycles of [500 msec 91 ° C., 500 msec 61 ° C., 11-14 sec 72 ° C.] The photograph of the amplified 2331bp bacteriophage λ DNA fragment is shown. Lanes (a) to (d) are (a) 14 seconds at 72 ° C (total PCR time = 10 minutes 50 seconds), (b) 13 seconds at 72 ° C (total PCR time = 10 minutes 17 seconds), (c A) the desired 2331 bp reaction product obtained using an elongation time of 12 seconds at 72 ° C. (total PCR time = 9 minutes 42 seconds), and (d) 11 seconds at 72 ° C. (total PCR time = 9 minutes 8 seconds). As shown in lanes (a) and (b), the reaction yield was certainly higher when an elongation time of> 12 seconds was applied. This result suggests that for phage λ DNA fragments of 2206 to 2331 bp, Z-Taq polymerase has a clear elongation rate of ≧ 194 nt / sec.

도 11a 및 11b는 2206 내지 2331bp의 DNA 단편이 가압 기체 제트 써모사이클러를 사용하여 높은 수율로 성공적으로 증폭되었음을 증명한다. 도 13은 3개-밸브 기체 제트 써모사이클러를 사용하는 발명의 구체예를 사용하여 고속 DNA 증폭 방법의 요약을 도시한다. 11A and 11B demonstrate that DNA fragments of 2206-2331bp were successfully amplified in high yield using a pressurized gas jet thermocycler. FIG. 13 shows a summary of a high speed DNA amplification method using an embodiment of the invention using a three-valve gas jet thermocycler.

실시예 8Example 8

2개-밸브 제트 써모사이클러에서의 In a two-valve jet thermocycler E.coli uidAE.coli uidA DNA 단편의 PCR 증폭 PCR amplification of DNA fragments

도 13은 1ng DNA, 150pM 프라이머, 3mM MgSO4, 200μM dNTP, 400㎍/㎖의 BSA, 및 0.625 U KOD 핫 스타트(Hot Start) 폴리머라아제를 사용하여 증폭된 297bp E.coli uidA DNA 단편의 그림을 도시한다. 레인 1은, 2.4바(35psi) 압축 공기를 사용하여 2개-밸브 기체 제트 써모사이클러 중에서의 [30sec 90℃(고온 출발), 0sec 90℃; 0.2sec 58℃; 2sec 72℃]의 35회 사이클이고, 레인 2는 [30sec 90℃(고온 출발), 0sec 90℃; 0.2sec 58℃; 2sec 72℃]의 40회 사이클이고, 레인 3은 [30sec 90℃(고온 출발); 0sec 90℃; 0.2sec 58℃; 2sec 72℃]의 30회 사이클이다. 25㎕의 샘플을 로체(Roche) 유리 모세관 튜브에 놓았다. 이 결과는 고속 제트 PCR가 온-라인 형광물질 기재 DNA 검출에 적합한 반응 용기에서 수행될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 우수한 열 제어(플러스 또는 마이너스 0.7℃)는 2단계 흐름 컨디셔너 및 CFD-최적화된 쳄버 구조를 사용하여 가능하였다.FIG. 13 is an illustration of 297 bp E. coli uidA DNA fragments amplified using 1 ng DNA, 150 pM primer, 3 mM MgSO 4 , 200 μM dNTP, 400 μg / ml BSA, and 0.625 U KOD Hot Start polymerase To show. Lane 1 is [30sec 90 ° C. (hot start), 0sec 90 ° C. in a two-valve gas jet thermocycler using 2.4 bar (35 psi) compressed air; 0.2 sec 58 ° C .; 2 sec 72 [deg.] C.], 35 cycles, lane 2 is [30sec 90 [deg.] C. (hot start), 0sec 90 [deg.] C .; 0.2 sec 58 ° C .; 2 sec 72 ° C.], 40 cycles, and lane 3 is [30sec 90 ° C. (hot start); 0 sec 90 ° C .; 0.2 sec 58 ° C .; 2 sec 72 ° C.]. 25 μl of sample was placed in a Roche glass capillary tube. This result means that high speed jet PCR can be performed in a reaction vessel suitable for on-line fluorescence based DNA detection. In addition, good thermal control (plus or minus 0.7 ° C.) was possible using a two stage flow conditioner and CFD-optimized chamber structure.

본 발명의 주요 이점의 일부는 다음과 같다: 첫째, 본 발명은 이전에 기술된 방법 또는 장치에 비해서 1 내지 2 자리수 크기 만큼 중합효소 연쇄 반응을 사용하는 DNA의 증폭에 필요한 시간을 감소시켰다(도 12 참조). 둘째, 기체 제트 방법은, 잘못된 반응 생성물이 실질적으로 결합하고/거나 신장될 시간을 가지지 않기 때문에 보다 늦은 방법보다 본질적으로 더 정확하였다(도 5a, 6, 7a, 8a, 9a, 11a, 및 11b 참조). 셋째, 가압된 기체 제트 써모사이클러(도 3a)는 열 블록 또는 고온-공기 장치와 비교하여 우수한 타이밍 제어를 보이고, 기체 제트 장치는 100ms의 시간 간격으로 프로그래밍되어 있다. 넷째, 고속 기체 제트 PCR은 매우 재형성있는 방법이다. 전기기계적 계전기 및 밸브를 제외하고, 움직이는 부분은 사용되지 않는다. 다섯째, 고속 기체 제트 PCR 방법은 온-라인 검출 광학기구와 완전히 호환가능해서, 적시에 DNA 증폭/검출이 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 신속하고, 정확하고, 재현성 있는 DNA 증폭/검출이 전례없는 시간 스케일로 달성가능하게 한다. Some of the major advantages of the present invention are as follows: First, the present invention reduces the time required for amplification of DNA using polymerase chain reaction by one to two orders of magnitude as compared to the previously described method or apparatus (FIG. 12). Second, the gas jet method was inherently more accurate than the later method because the wrong reaction product did not have time to substantially bind and / or elongate (see FIGS. 5A, 6, 7A, 8A, 9A, 11A, and 11B). ). Third, the pressurized gas jet thermocycler (FIG. 3A) shows better timing control compared to thermal blocks or hot-air devices, and the gas jet devices are programmed at time intervals of 100 ms. Fourth, high speed gas jet PCR is a very reformative method. Except for electromechanical relays and valves, moving parts are not used. Fifth, the high speed gas jet PCR method is fully compatible with the on-line detection optics so that timely DNA amplification / detection can be performed. Thus, the present invention allows rapid, accurate and reproducible DNA amplification / detection to be achieved on an unprecedented time scale.

"초신속" PCR 써모사이클러와의 비교Comparison with "Ultrafast" PCR Thermocyclers

로렌스 리버모어 내셔널 레보레토리(Lawrence Livermore National Laboratory, Northrup et al., 1998), 유니버시티 오브 피츠버그(the University of Pittsburgh, Oda et al., 1998), 유니버시티 오브 워싱톤(the University of Washington, Freidman and Meldrum, 1998), 및 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지(the Massachusetts Institute of Technology, Chiou et al., 2001)에 의해 만들어진 가장 빠른 실험용 써모사이클러는 30회 PCR 사이클에 대해 8.5 내지 23분을 필요로 하였다. Lawrence Livermore National Laboratory, Northrup et al., 1998, the University of Pittsburgh, Oda et al., 1998, the University of Washington, Freidman and Meldrum, 1998), and the fastest experimental thermocycler made by the Massachusetts Institute of Technology, Chiou et al., 2001, required 8.5 to 23 minutes for 30 PCR cycles.

예를 들어, 오다 등(Oda et al, 1998)은 "17초 만큼 빠른 사이클 시간이 달성될 수 있다"는 "초고속 PCR"을 기술하고 있다. 불행하게도, 오다 등이 사용한 적외선 가열 방법은 >450nm 다이 및 광다이오드 검출기를 사용하여 형광물질 광학 검출과 호환성이 없다. For example, Oda et al, 1998 describe "ultrafast PCR" that "a cycle time as fast as 17 seconds can be achieved." Unfortunately, the infrared heating method used by Oda et al. Is incompatible with fluorescent optical detection using> 450 nm die and photodiode detectors.

치우 등(Chiou et al., 2001)은 "30회 사이클 PCR 작동이 수행되어 23분 동안 게놈 λ DNA 로부터의 500bp 표적의 30회 사이클 PCR에 대한 78% 이하의 효율을 가능하게 하였다"라고 기술하였다. 이러한 효율에서 30회 PCR 사이클은 23분/30회 사이클=46초/사이클의 속도로 1.5630=6.2×105 배 증폭시켰다.Chiou et al., 2001, described that "30 cycle PCR operations were performed, allowing up to 78% efficiency for 30 cycle PCR of 500 bp target from genomic λ DNA for 23 minutes." . At this efficiency, 30 PCR cycles were amplified by 1.56 30 = 6.2 × 10 5 times at a rate of 23 minutes / 30 cycles = 46 seconds / cycle.

도 3a에 도시된 가압된 기체 장치는 2.6초/사이클 미만을 필요로 하고 반응 수율은 200배 이상 더 컸다(도 5a, 6, 7a, 8a, 9a, 11a 및 11b). 예를 들어, 도 8a에 도시된 바와 같이, 하나의 복사체 박테리아 유전자 단편 368bp는 30회 PCR 사이클 동안 총 233초에 1.35×108 배 증폭되었다.The pressurized gas unit shown in FIG. 3A required less than 2.6 seconds / cycle and the reaction yield was at least 200 times greater (FIGS. 5A, 6, 7A, 8A, 9A, 11A and 11B). For example, as shown in FIG. 8A, one copy bacterial gene fragment 368bp was amplified 1.35 × 10 8 fold in 233 seconds for 30 PCR cycles.

코프 등(Kopp et al., 1998)은 소규모 연속-흐름 PCR 장치는 3 내지 4 분 동안 20회 사이클을 통해 176bp DNA 단편을 증폭시킬 수 있다는 것을 기술하였다. 그러나, 주형 DNA의 ∼108 복사체를 출발 물질로서 필요로 한다(Zorbas, 1999). 코프 등(Kopp et al., 1998)의 데이터로부터의 추정하건대, 30회 사이클의 PCR 증폭은 4.5 내지 6분이 걸리고, 증폭된 DNA의 수율은 도 3a에 도시된 가압 기체 장치를 사용하여 획득한 것 보다 103 내지 104배 낮다.Kopp et al. (1998) described that small scale continuous-flow PCR devices can amplify 176 bp DNA fragments over 20 cycles for 3-4 minutes. However, ˜10 8 copies of template DNA are required as starting material (Zorbas, 1999). Presumably from the data of Kopp et al., 1998, 30 cycles of PCR amplification took 4.5-6 minutes, and the yield of amplified DNA was obtained using the pressurized gas apparatus shown in FIG. 3A. 10 3 to 10 4 times lower.

현 기술 수준의 상업적 장치와의 비교Comparison with commercial devices of current technology level

가장 빠른 구입가능한 써모사이클러는 아이다호 테크놀로지(US 특허 제 5,455,175, Wittwer et al.)로부터 실시권을 받아 로체의 개열인 로체 모듈라 시스템(Roche modular System)의 베링거-맨하임 개열(Boehringer-Mannheim Division)에 의해 제조된다. 이러한 고온-공기 써모사이클러는 536 염기쌍의 β-글로빈 DNA 단편의 30회 사이클 증폭에 약 9.5분을 필요로 한다. 그러나, 이의 온-라인 검출 광학 장치로, 라이트사이클러TM(LightcyclerTM)는 30 PCR 사이클에 ∼30분을 필요로 한다.The fastest commercially available thermocycler is licensed from Idaho Technologies (US Pat. No. 5,455,175, Wittwer et al.), Boehringer-Mannheim Division of Roche's Modular System. Is prepared by. This hot-air thermocycler requires about 9.5 minutes for 30 cycle amplifications of 536 base pairs of β-globin DNA fragments. However, their on-line to the sensor device, between the light cluster TM (Lightcycler TM) will require 30 to 30 minutes in the PCR cycle.

도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 가압된 기체 PCR 공정은 78초 만큼 빨리 검출가능한 양으로 DNA를 증폭시키는 데 사용할 수 있다. 고속 가압 기체 제트 공정은 따라서 로체 기계보다 >15분 빠르고 온-라인 형광 다이 기재 DNA 검출 광학장치와 호환가능하다. As shown in FIGS. 7A and 7B, a pressurized gas PCR process can be used to amplify DNA in detectable amounts as fast as 78 seconds. The high speed pressurized gas jet process is therefore> 15 minutes faster than on-roche machines and compatible with on-line fluorescent die based DNA detection optics.

보다 더 긴 신장 시간(72℃에서 3.2sec/사이클)으로 보다 높은 수율의 증폭(>108배)을 달성하였다. 예를 들어, 368bp 바실러스 안트라시스 앰플리콘을 사용하여 30회 PCR 사이클을 4분 미만으로 달성하였다(도 8a 및 8b). 더 짧은 (145 내지 486bp) 박테리아 DNA 단편을 144 내지 280초 동안 ∼108배 증폭하였다. 본 발명의 전체적인 기재 뿐만 아니라 바람직한 구체예는 상기 언급된 바와 같다. 당업자는 본 발명의 교시 내용 내에 속하는 방법 및 장치의 추가적인 변형을 인지하고 이를 실시할 수 있다. 따라서, 이러한 모든 변형 및 추가는 하기의 청구범의에 의해서만 제한되는 본 발명의 범위 내이다.Higher yields of amplification (> 10 8 fold) were achieved with longer elongation times (3.2 sec / cycle at 72 ° C.). For example, 30 PCR cycles in less than 4 minutes were achieved using a 368 bp Bacillus anthracis amplicon (FIGS. 8A and 8B). Shorter (145-486 bp) bacterial DNA fragments were amplified ˜10 8 fold for 144-280 seconds. The overall description of the invention as well as the preferred embodiments are as mentioned above. Those skilled in the art will recognize and practice further variations of the methods and apparatus within the teachings of the present invention. Accordingly, all such modifications and additions are within the scope of the present invention, which is limited only by the following claims.

참고문헌references

US 특허 문헌US patent literature

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SEQUENCE LISTING <110> Megabase Research Products <120> Α Gas Jet Process and Apparatus for High-Speed Amplification of DNA <130> P05668WO0 <140> PCT <141> 2002-11-01 <160> 5 <170> PatentIn version 3.1 <210> 1 <211> 24 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 1 atcaccgtgg tgacgcatgt cgcg 24 <210> 2 <211> 24 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 2 caccacgatg ccatgttcat cgcc 24 <210> 3 <211> 21 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 3 tatgaactgt gcgtcacagc c 21 <210> 4 <211> 21 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 4 catcagcacg ttatcgaatc c 21 <210> 5 <211> 486 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 5 atcaccgtgg tgacgcatgt cgcgcaagac tgtaaccacg cgtctgttga ctggcaggtg 60 gtggccaatg gtgatgtcag cgttgaactg cgtgatgcgg atcaacaggt ggttgcaact 120 ggacaaggca ctagcgggac tttgcaagtg gtgaatccgc acctctggca accgggtgaa 180 ggttatctct atgaactgtg cgtcacagcc aaaagccaga cagagtgtga tatctacccg 240 cttcgcgtcg gcatccggtc agtggcagtg aagggcgaac agttcctgat taaccacaaa 300 ccgttctact ttactggctt tggtcgtcat gaagatgcgg acttgcgtgg caaaggattc 360 gataacgtgc tgatggtgca cgaccacgca ttaatggact ggattggggc caactcctac 420 cgtacctcgc attaccctta cgctgaagag atgctcgact gggcagatga acatggcatc 480 gtggtg 486SEQUENCE LISTING <110> Megabase Research Products <120> A Gas Jet Process and Apparatus for High-Speed Amplification of DNA <130> P05668WO0 <140> PCT <141> 2002-11-01 <160> 5 <170> PatentIn version 3.1 <210> 1 <211> 24 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 1 atcaccgtgg tgacgcatgt cgcg 24 <210> 2 <211> 24 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 2 caccacgatg ccatgttcat cgcc 24 <210> 3 <211> 21 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 3 tatgaactgt gcgtcacagc c 21 <210> 4 <211> 21 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 4 catcagcacg ttatcgaatc c 21 <210> 5 <211> 486 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 5 atcaccgtgg tgacgcatgt cgcgcaagac tgtaaccacg cgtctgttga ctggcaggtg 60 gtggccaatg gtgatgtcag cgttgaactg cgtgatgcgg atcaacaggt ggttgcaact 120 ggacaaggca ctagcgggac tttgcaagtg gtgaatccgc acctctggca accgggtgaa 180 ggttatctct atgaactgtg cgtcacagcc aaaagccaga cagagtgtga tatctacccg 240 cttcgcgtcg gcatccggtc agtggcagtg aagggcgaac agttcctgat taaccacaaa 300 ccgttctact ttactggctt tggtcgtcat gaagatgcgg acttgcgtgg caaaggattc 360 gataacgtgc tgatggtgca cgaccacgca ttaatggact ggattggggc caactcctac 420 cgtacctcgc attaccctta cgctgaagag atgctcgact gggcagatga acatggcatc 480 gtggtg 486

Claims (40)

DNA의 고속 증폭 방법으로서, As a fast amplification method of DNA, (a) DNA를 가지는 생물학적 샘플, DNA 폴리머라아제, 올리고누클레오티드 프라이머, 및 데옥시누클레오티드 전구체를 함유하고, 하나 이상의 열 수송 기체 흐름을 수용하는 반응 쳄버를 제공하고;(a) providing a reaction chamber containing a biological sample having DNA, a DNA polymerase, an oligonucleotide primer, and a deoxynucleotide precursor and containing one or more heat transport gas streams; (b) 반응 쳄버와 물리적으로 분리되어 있는 열 쳄버에서 제 1 열 수송 기체를 가열하며;(b) heating the first heat transport gas in a heat chamber that is physically separate from the reaction chamber; (c) 반응 쳄버의 압력 보다 큰 압력에서 제 1 열 수송 기체를 반응 쳄버에 전달하고, 여기서 열이 DNA를 변성시키기 위하여 제 1 열 수송 기체로부터 DNA로 수송되며;(c) deliver a first heat transport gas to the reaction chamber at a pressure greater than the pressure of the reaction chamber, wherein heat is transported from the first heat transport gas to the DNA to denature the DNA; (d) 제 2 열 수송 기체를 반응 쳄버에 전달하여 반응 쳄버를 변성된 DNA가 올리고누클레오티드 프라이머에 결합(annealing)되는 온도로 냉각시키고;(d) delivering a second heat transport gas to the reaction chamber to cool the reaction chamber to a temperature at which denatured DNA is annealed to the oligonucleotide primers; (e) 프라이머:주형 복합체의 효소-촉매된 신장을 허용하기에 충분한 온도로 반응 쳄버의 온도를 증가시키는 것을 포함하는 방법.(e) increasing the temperature of the reaction chamber to a temperature sufficient to permit enzyme-catalyzed elongation of the primer: template complex. 제 1항에 있어서, 단계 (c) 내지 (e)를 요망하는 양의 증폭 DNA가 생성될 때까지 반복하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법. The method of claim 1, further comprising repeating steps (c) to (e) until a desired amount of amplified DNA is produced. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 다포트 밸브를 사용하여 열 쳄버로부터 반응 쳄버로 제 1 열 전달 기체의 흐름을 조절하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, further comprising regulating the flow of the first heat transfer gas from the heat chamber to the reaction chamber using one or more multiport valves. 제 1항에 있어서, 제 1 열 수송 기체 및 제 2 열 수송 기체가 동일한 종류의 기체임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the first heat transport gas and the second heat transport gas are gases of the same kind. 제 1항에 있어서, 제 1 열 수송 기체 및 제 2 열 수송 기체가 상이한 기체임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the first heat transport gas and the second heat transport gas are different gases. 제 1항에 있어서, 제 1 열 수송 기체의 압력이 1.3바(≥20 제곱인치 당 파운드) 이상임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the pressure of the first heat transport gas is at least 1.3 bar (≧ 20 pounds per square inch). 제 1항에 있어서, 제 2 열 수송 기체의 압력이 1.3바(≥20 제곱인치 당 파운드) 이상임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the pressure of the second heat transport gas is at least 1.3 bar (≧ 20 pounds per square inch). 제 1항에 있어서, 제 1 열 수송 기체가 공기임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the first heat transport gas is air. 제 1항에 있어서, 제 1 열 수송 기체가 헬륨 또는 헬륨-3를 포함하는 이의 동위원소 혼합물임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the first heat transport gas is helium or an isotope mixture thereof comprising helium-3. 제 1항에 있어서, 제 1 열 수송 기체가 수소, 네온, 메탄, 질소, 아르곤, 크립톤, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the first heat transport gas is selected from the group consisting of hydrogen, neon, methane, nitrogen, argon, krypton, carbon dioxide and mixtures thereof. 제 1항에 있어서, 제 2 열 수송 기체가 이산화탄소임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the second heat transport gas is carbon dioxide. 제 1항에 있어서, 제 2 열 수송 기체가 반응 쳄버로 전달되기 전에 란크-힐쉬(Ranque-Hilsch) 볼텍스 튜브에 의해 20℃ 미만의 온도로 냉각된 공기임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the second heat transport gas is air cooled to a temperature below 20 ° C. by a Ranque-Hilsch Vortex tube before being delivered to the reaction chamber. 제 1항에 있어서, 제 2 열 수송 기체가 공기, 수소, 네온, 메탄, 아르곤, 크립톤, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the second heat transport gas is selected from the group consisting of air, hydrogen, neon, methane, argon, krypton, carbon dioxide and mixtures thereof. 제 1항에 있어서, 제 2 열 수송 기체가 반응 쳄버에 들어가기 전에 20℃ 미만의 온도로 냉각됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the second heat transport gas is cooled to a temperature below 20 ° C. before entering the reaction chamber. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 전자 다포트 밸브를 사용하여 제 1 및 제 2 열 수송 기체의 반응 쳄버로의 흐름을 조절하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, further comprising adjusting the flow of the first and second heat transport gases to the reaction chamber using one or more electronic multiport valves. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 흐름 컨디셔너를 사용하여 압력 맥동 및 온도 변동을 억제하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.2. The method of claim 1, further comprising suppressing pressure pulsations and temperature fluctuations using one or more flow conditioners. 제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2 열 수송 기체가 이들의 각각의 흐름 컨디셔너로부터 혼합 쳄버로 유동하여 일정한 온도가 됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the first and second heat transport gases flow from their respective flow conditioners into the mixing chamber to reach a constant temperature. 제 16항에 있어서, 전자 시그날을 통해 전자 다포트 밸브를 작동시키는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.17. The method of claim 16, further comprising operating the electronic multiport valve via an electronic signal. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 기체 흐름 컨디셔너를 사용하여 반응 쳄버 내에 제 1 및 제 2 열 전달 기체를 혼합하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, further comprising mixing the first and second heat transfer gases into the reaction chamber using one or more gas flow conditioners. 제 1항에 있어서, DNA 변성에 필요한 시간, 프라이머 결합에 필요한 시간, 및 효소에 의한 신장에 필요한 시간이 수분의 1초 동안의 시간 간격으로 프로그래밍됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the time required for DNA denaturation, the time required for primer binding, and the time required for extension by the enzyme are programmed at time intervals of one second of minutes. DNA의 고속 증폭을 위한 장치로서,As a device for high speed amplification of DNA, (a) 1.3바 이상의 작동 압력을 가지는 반응 쳄버;(a) a reaction chamber having an operating pressure of at least 1.3 bar; (b) 반응 쳄버와 물리적으로는 분리되어 있고 유체에 의해서는 연결되어 있는 가열 쳄버로서, 이에 유체에 의해 연결되어 있고 반응 쳄버 압력 보다 높은 압력의 가열 기체를 가지는 제 1 용기를 포함하는 가열 쳄버;(b) a heating chamber physically separated from the reaction chamber and connected by a fluid, the heating chamber comprising a first vessel connected by the fluid and having a heating gas at a pressure higher than the reaction chamber pressure; (c) 가열 쳄버 및 혼합 쳄버에 유체에 의해 연결되어 있어 압력 맥동을 억제하는 흐름 컨디셔너;(c) a flow conditioner connected to the heating chamber and the mixing chamber by fluid to suppress pressure pulsations; (d) 반응 쳄버에 유체에 의해 연결되고 냉각 기체를 가지는 제 2 용기;(d) a second vessel fluidly connected to the reaction chamber and having a cooling gas; (e) 저온 기체 공급 쳄버 및 혼합 쳄버에 유체에 의해 연결되어 있어 저온 기체 흐름에서 압력 맥동을 억제하는 흐름 컨디셔너;(e) a flow conditioner connected by fluid to the cold gas supply chamber and the mixing chamber to suppress pressure pulsations in the cold gas flow; (f) 가열 쳄버 및 고온 기체 흐름 컨디셔너 사이에 위치된 가열 기체 유입 밸브;(f) a heated gas inlet valve positioned between the heating chamber and the hot gas flow conditioner; (g) 제 2 용기 및 저온 기체 흐름 컨디셔너 사이에 위치된 냉각 기체 유입 밸브;(g) a cooling gas inlet valve positioned between the second vessel and the cold gas flow conditioner; (h) 입력장치(input) 및 출력장치(output)를 가지고, 출력장치는 가열 기체 유입 밸브 및 냉각 기체 유입 밸브에 연결되어 밸브의 개폐를 제어하는 프로그램가능한 제어기; 및 반응 쳄버에 결합되고 프로그램가능한 제어기의 입력장치에 연결된 제 1 온도 센서를 포함하고, (h) having an input and an output, the output device being connected to a heating gas inlet valve and a cooling gas inlet valve to control the opening and closing of the valve; And a first temperature sensor coupled to the reaction chamber and connected to the input of the programmable controller, 제어기가 온도 센서에 반응하여 가열 기체 유입 밸브 및 냉각 기체 유입 밸브를 열고 닫아 요망되는 세팅에서 반응 쳄버의 온도를 유지하는 장치.A device in which the controller responds to a temperature sensor to open and close the heating gas inlet valve and the cooling gas inlet valve to maintain the temperature of the reaction chamber at the desired setting. 제 21항에 있어서, 제 1 열 수송 기체 압력이 1.3바 이상임을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 21 wherein the first heat transport gas pressure is at least 1.3 bar. 제 21항에 있어서, 제 1 열 수송 기체가 공기임을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 21 wherein the first heat transport gas is air. 제 21항에 있어서, 제 1 열 수송 기체 및 제 2 열 수송 기체가 동일한 종류의 기체임을 특징으로 하는 장치.22. The apparatus of claim 21 wherein the first heat transport gas and the second heat transport gas are gases of the same kind. 제 21항에 있어서, 제 1 열 수송 기체 및 제 2 열 수송 기체가 상이한 기체임을 특징으로 하는 장치.22. The apparatus of claim 21 wherein the first heat transport gas and the second heat transport gas are different gases. 제 21항에 있어서, 제 1 열 수송 기체가 헬륨이고 제 2 열 수송 기체가 이산화탄소임을 특징으로 하는 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the first heat transport gas is helium and the second heat transport gas is carbon dioxide. 제 21항에 있어서, 제 1 열 수송 기체가 공기이고 제 2 열 수송 기체가 이산화탄소임을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 21 wherein the first heat transport gas is air and the second heat transport gas is carbon dioxide. 제 21항에 있어서, 제 1 열 수송 기체가 공기이고 제 2 열 수송 기체가 란크-힐쉬 볼텍스 튜브를 사용하여 냉각된 공기임을 특징으로 하는 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the first heat transport gas is air and the second heat transport gas is air cooled using a Rank-Hilsch Vortex tube. 제 21항에 있어서, 고온 기체 및 저온 기체를 혼합하기 위하여 혼합 쳄버에 연결된 흐름 컨디셔너를 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.22. The apparatus of claim 21, further comprising a flow conditioner connected to the mixing chamber for mixing hot and cold gases. 제 21항에 있어서, 반응 쳄버로의 기체 흐름 및 압력을 제어하기 위하여 하나 이상의 전자 밸브를 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.22. The apparatus of claim 21, further comprising one or more solenoid valves for controlling the gas flow and pressure to the reaction chamber. 제 21항에 있어서, 배출 기체 유출구에 작동적으로 연결된 소음-저감 머플러 어셈블리를 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.22. The apparatus of claim 21, further comprising a noise-reducing muffler assembly operatively connected to the exhaust gas outlet. 제 21항에 있어서, 프로그램가능한 제어기의 하나 이상의 출력장치가 가열 소자를 켜고 끄기 위하여 가열 쳄버의 가열 소자에 연결됨을 특징으로 하는 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein at least one output of the programmable controller is connected to a heating element of the heating chamber to turn the heating element on and off. 제 21항에 있어서, 반응 쳄버가 0.5 와트/센티미터-켈빈 도 미만의 열 전달 계수를 가짐을 특징으로 하는 장치.22. The apparatus of claim 21, wherein the reaction chamber has a heat transfer coefficient of less than 0.5 Watts / centimeter-Kelvin. 제 21항에 있어서, 반응 쳄버가 폴리우레탄 플라스틱을 포함함을 특징으로 하는 장치.The apparatus of claim 21 wherein the reaction chamber comprises polyurethane plastic. 제 21항에 있어서, 형광에 의한 DNA 검출을 용이하게 하기 위한 광학 검출 장치를 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.22. The device of claim 21, further comprising an optical detection device for facilitating DNA detection by fluorescence. 제 35항에 있어서, 광학 검출 장치가 광발산 다이오드, 평행화 렌즈, 필터, 광다이오드를 포함함을 특징으로 하는 장치.36. The apparatus of claim 35, wherein the optical detection device comprises a light emitting diode, a parallelizing lens, a filter, a photodiode. 제 35항에 있어서, 광학 검출 장치가 레이저 다이오드, 평행화 렌즈, 필터 및 광다이오드를 포함함을 특징으로 하는 장치.36. The apparatus of claim 35, wherein the optical detection device comprises a laser diode, a parallelizing lens, a filter and a photodiode. DNA의 고속 증폭 방법으로서,As a fast amplification method of DNA, (a) DNA를 가지는 생물학적 샘플, DNA 폴리머라아제, 올리고누클레오티드 프라이머, 및 데옥시누클레오티드 전구체를 함유하며, 압력을 가지는 반응 쳄버를 제공하고;(a) providing a reaction chamber containing a biological sample with DNA, a DNA polymerase, an oligonucleotide primer, and a deoxynucleotide precursor; (b) 반응 쳄버로부터 물리적으로 분리되어 있는 가열 쳄버에서 헬륨 기체를 가열하고;(b) heat the helium gas in a heating chamber that is physically separate from the reaction chamber; (c) 가열된 헬륨 기체를 반응 쳄버에 전달하고, 여기서 열이 DNA를 변성하기 위하여 헬륨 기체로부터 DNA로 수송되며;(c) transfer the heated helium gas to the reaction chamber, where heat is transported from the helium gas to the DNA to denature the DNA; (d) 냉각 기체를 반응 쳄버에 전달하여 반응 쳄버를 변성된 DNA가 올리고누클레오티드 프라이머에 결합되는 온도로 냉각시키고;(d) delivering a cooling gas to the reaction chamber to cool the reaction chamber to a temperature at which the modified DNA binds to the oligonucleotide primer; (e) 반응 쳄버의 온도를 프라이머:주형 복합체의 신장을 허용하기에 충분한 온도로 증가시키는 것을 포함하는 방법.(e) increasing the temperature of the reaction chamber to a temperature sufficient to permit extension of the primer: template complex. 제 38항에 있어서, 냉각 온도가 이산화탄소임을 특징으로 하는 방법.39. The method of claim 38, wherein the cooling temperature is carbon dioxide. 제 38항에 있어서, 제 2 열 수송 기체가 반응 쳄버에 전달되기 전에 란크-힐쉬 볼텍스 튜브에 의해 20℃ 미만의 온도로 냉각된 공기임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 38, wherein the second heat transport gas is air cooled to a temperature below 20 ° C. by a Rank-Hilsch Vortex tube before being delivered to the reaction chamber.
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