KR20190062514A - 분자의 식별 및 분석을 위한 장치 및 방법. - Google Patents

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Abstract

분자의 분석 및 식별을 수행하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 일 실시 예에 있어서, 휴대가능 분자 분석기는 샘플을 받아들이는 샘플 입력/출력 연결부와, 실질적으로 실시간으로 샘플 상에서 분석을 수행하는 나노포어 기반 염기서열결정 칩, 및 분석의 결과를 출력하는 출력 인터페이스를 포함한다.

Description

분자의 식별 및 분석을 위한 장치 및 방법.
본 발명은 일반적으로 분자(molecules)의 식별 및 분석에 관련이 있으며, 특히 실시간, 휴대용, 나노포어(nanopore)-기반 분자 분석 장치를 제공하는 것에 관련이 있다.
핵산, 디옥시리보 핵산(이하 DNA) 및/또는 리보스 핵산(이하 RNA)은 모든 살아있는 유기체 내에서 고유한 염기서열(unique sequesces)을 가지도록 존재한다. 그것은 다양한 바이오 약품(Bio-agent) 용 최종 식별로서 당연히 적합하다. 그러므로, 본 명세서에서 게놈 분석(genomic analysis)으로 광범위하게 지칭되는 핵산, DNA 및/또는 RNA의 분석은 살아있는 유기체들의 연구에 매우 유용하다. 그러나 마이크로 어레이(microarray), 파이로 시퀀싱(pyrosequencing), 합성에 의한 시퀀싱(sequencing by synthesis), 라이게이션에 의한 시퀀싱(sequencing by ligation)과 같은 현재 시판되고 있는 핵산 염기서열결정 기술(시퀀싱 기술)들은 다양한 측면에서 매우 제한된다. 예를 들어, 이러한 기술들 모두 또는 일부는, 실시간 분석을 수행할 수 없고, (중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction; PCR)과 같은) 긴 샘플 핵산 증폭 공정 및 프로토콜이 요구되며, (전형적으로 샘플 핵산의 작은 부분을 분석하기 위해 대략 몇 일 내지 몇 주가 걸리는) 긴 총 처리 시간을 갖고, 높은 동작 비용을 가지며(이들 몇몇은 고가의 화학물질 시약을 이용함), 높은 거짓-양성 에러율(high false-positive error rates)을 갖고, 그리고 휴대를 할 수 없다.
상기에서 기술한 현재의 핵산 염기서열결정 기술의 제한 때문에, 의학 전문가, 안전 요원, 과학자 등과 같은, 필드에서 일하고 있는 사람들은 현장에서 국소적으로 게놈 분석을 실행할 수가 없다. 오히려, 필드 작업자들은, 샘플에 존재하는 핵산을 식별하기 위해, 몇 일 동안 또는 몇 주까지 분석되어지는 특정 연구소로 샘플을 수집하여 운반해야만 한다. 미국에서의 구제역, 아시아에서의 사스(SARS; Severe Acute Respiratory Syndrom) 창궐, 및 최근의 멕시코 및 미국에서의 H1N1 플루(또한 통상적으로 돼지 독감으로 알려진) 창궐과 같은, 특히 전염병 대유행 창궐 동안, 이러한 긴 지루한 공정은 게놈 분석을 위한 오늘날의 요구에 거의 부합될 수 없다. 현재의 핵산 염기서열결정 기술을 이용하면, 비록 불가능하지는 않지만, 당국이 사회에 막대한 안전성 및 경제적 충격을 가질 수 있는 빠르게 정보에 근거한 결정을 공식화하는 것은 어렵다.
상기 핵산 염기서열결정 기술의 부족에 대처하기 위해, 과학자들은 다양한 나노포어 기반 염기서열결정 기술을 개발하였다. 최근, 옥스포드 대학교의 하간 베이리 교수(Professor Hagan Bayley of Oxford University)와 그 동료는 바이오-나노포어 실험에서 a-헤모리신(a-haemolysin)을 이용하여 99.8% 정확도를 갖는 긴 판독을 증명하였다. 확립된 검출 속도를 기초로, 256 x 256 나노포어의 어레이가 약 30분 내에 그 전체에서 인간 게놈을 분석하는데 일반적으로 충분하다. 성공적으로 바이오-나노포어 어레이를 실현할 수 있다면, 이는 위대한 성공의 분수령이 될 것이다. 그러나, 바이오 나노포어에 대한 하나의 결점은, 전형적으로 몇 시간 내지 몇 일에 불과한, 바이오-나노포어를 형성하는데 이용된 단백질 및 효소의 비교적 짧은 수명이다.
고체 나노포어의 구성에 포함된 바이오 시약(bio-reagent)이 존재하지 않으므로, 고체 나노포어(solid state nanopores)는 바이오 나노포어(bio-nanopore)에 대한 더욱 확고한 대안이 된다. 그러나, 반도체 산업에서 채택된 통상적인 리소그래피 기술은 고체 나노포어 기반 염기서열결정 기술에 의해 요구된 2nm 형상 크기를 정의하는 것이 가능하지 않다. 따라서, 더욱 다른 제조기술, 예컨대 전자/이온 밀링(electron/ion milling)이 차례로 나노포어를 연속적으로 새기는데 이용되고 있다 그러나 이들 기술은 적당한 비용 및 합리적인 생산 시간을 갖는 256 x 256 어레이를 생산하는데 어림잡기가 힘들다.
본 발명은 실시간, 휴대용, 나노포어 기반 분자 분석 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 실시간, 휴대용, 나노포어 기반 분자 분석 장치를 제공한다.
본 발명은 다음에 따르는 방식에 의해 도시되며, 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 실시 예들의 일부 예들을 통해서 상세히 기술될 것이다. 다만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 연관 나노포어 기반 염기서열결정 바이오 칩(associated nanopore-based sequencing biochip) 및 나노포어 기반 염기서열기(nanopore-based sequencer)의 일 실시예를 도시한 도이다.
도 2a는 나노포어 기반 핵산 염기서열결정의 분석 및 검출 동안 분자의 전위과정(translocation process)의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 2b는 빈 포어(empty pore)의 배경 신호와 비교되는 핵산 염기서열의 대응되는 예시적인 전기적 판독물을 도시한 도이다.
도 3은 에칭(etch) 및 증착(deposition) 모두를 위한 나노팬터그래피(nanopantography)에서 이용된 아인젤 렌즈(Einzel lens)의 일 실시예의 측면도 및 상면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를 제조하기 위한 감산 방법(subtractive method)의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 5a 내지 도 5i는 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를 제조하기 위한 가산 방법(additive method)의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 6a는 나노링(nanoring) 및 나노슬릿(nanoslit)의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 6b는 웨이퍼 상에 위치한 박막 상에 깔대기 형태의 나노포어들(funnel shaped nanopores)을 도시한 도이다.
도 7은 측정 챔버(measurement chamber)의 바닥 공동(bottom cavity)을 형성하기 위한 본딩된 나노포어 어레이 웨이퍼(bonded nanopore array wafer) 및 집적 회로 웨이퍼(integrated circuit wafer)의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 8은 측정 챔버의 상부 공동(top cavity)을 형성하기 위한 본딩된 상부 웨이퍼 및 복합재 웨이퍼의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 9는 나노포어 기반 염기서열기와 함께 동작할 수 있는 전류 감지 회로(current sensing circuit) 및 전압 바이어싱 체계(voltage biasing scheme)의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 10a는 나노포어 기반 염기서열기의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 10b는 다중 측정 챔버(multiple measurement chambers)의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 11은 측정 챔버를 통한 마이크로유체 채널(microfluidic channel) 및 나노유체 채널(nanofluidic channel)에 따라 샘플 입구로부터 샘플 출구까지의 선택된 경로를 따르는 나노포어 기반 염기서열기의 일 실시 예를 나타내는 단면도이다.
도 12는 내장된 전극(embedded electrodes)을 갖는 3층 바이오 칩 구조(trilayer biochip structure)의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 13a는 나노포어 검출을 위한 바이어싱 및 감지 구조의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 13b는 평면 전극 구현(planar electrode implementation)의 일 실시 예를 도시한 도이다.
도 13c는 평면 전극 구현에서 감지 전극(sensing electrodes) 및 나노슬릿의 일 실시 예를 도시한 상면도이다.
도 14a는 자국난 이중가닥 DNA(nicked dsDNA)이 곧게 뻗은 상태(straightening)를 도시한 도이다. 배향된 방식(oriented manner)으로 DNA 공정 모터(a DNA processing motor)로 수행하고 고정된 위치에 고정될 수 있는 DNA 전위 단백질(DNA-translocating protein)로 정의되는 예를 들어 FtsK 계열 단백질인 DNA 핵산 펌프(1403)는 자국난 dsDNA(1402)의 일단을 안내 전극(1404)이 있는 채널로 능동 수송하는데 사용되는데, 이는 안내 전극에 의해 하류로 수송되기 전에 가열이 dsDNA를 단일가닥 DNA(ssDNA; 1406)의 짧은 가닥 내로 해리하도록 유발하는 해리구역(dissociation zone;1405)으로 자국난 dsDNA(1402)를 이송한다.
도 14b는 도 14a에 도시된 DNA 펌프가 마이크로/나노필러들(1407; array of micro/nano-pillars)의 어레이로 대체되는 것을 도시한 도이다.
도 14c는 열 대신에 헬리카제(1408)가 해리 구역 내에서 사용된다는 것을 제외한 도 14a의 실시 예를 도시한 도이다.
도 14d는 열 대신에 헬리카제(1408)가 해리 구역 내에서 사용된다는 것을 제외한 도 14b의 실시 예를 도시한 도이다.
도 14e는 곧게 뻗은 dsDNA를 제외한 해리 구역에 자국난 dsDNA가 직접적으로 공급되는 것을 도시한 도이다.
도 15는 단일 입구(1501)과 다중 출구(1502)가 존재하는 H-tree 구조(H-tree structure)가 있는 채널들의 집합을 도시한 도이다. H-tree 구조는 입구(1501)로부터 임의의 출구(1502)까지의 경로 거리가 동일한것을 보장한다.
도 16은 연쇄 알고리즘(concatenation algorithm)의 흐름도를 도시한 도이다. 올리고뉴클레오티드(oligonucleotides) 염기서열 결과의 이용가능성의 순서는 자국난 dsDNA로부터 올리고뉴클레오티드의 해리의 순서에 매우 유사하기 때문에, TS-1 및 TS-2와 같은 임시저장소들은, 대기열(queue), 스택(stack), 링크된 목록 또는 해시 표와 같은 비교적 간단한 데이터 구조로 구현될 수 있다.
도 17은 실시간 디지털중합효소연쇄반응(real timed dPCR) 바이오 칩 내의 H-tree 네트워크(H-tree network) 및 웰 어레이(well array)를 도시한 도이다.
도 18은 완성된 실시간 디지털중합효소연쇄반응을 도시한 도이다.
도 19는 나노포어 기반 염기서열기의 일 실시 예의 하이-레벨 하드웨어 구조를 도시한 도이다.
도 20은 나노포어 기반 염기서열기의 일 실시 예에서의 게놈 분석 소프트웨어와 동작 시스템을 위한 소프트웨어 및 관련 하드웨어의 하이-레벨 구조를 도시한 도이다.
이하의 설명에 있어서, 본 발명의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 다양한 특정 상세가 특정 구성요소, 장치, 방법 등의 예와 같이 설명된다. 그러나, 이들 특정 상세는 본 발명의 실제 실시예에 채택될 필요가 없음 이 당업자에게는 명백하게 된다. 다른 예에 있어서, 잘 알려진 재료 또는 방법은 본 발명의 실시예를 불필요하게 불분명하게 하는 것을 회피하기 위해 상세하게 설명하지 않는다.
핵산(nucleic acids), 아미노산(amino acids), 펩타이드(peptides), 단백질(proteins) 및 폴리머(polymers), 그리고 카본 나보튜브(carbon nanotubes), 실리콘 나노막대(silicon nanorods) 및 코팅된/비코팅된 금 나노입 자(coated/uncoated gold nanoparticles)와 같은 나노미터 크기 입자(nanometer sized particles)와 같은 분자의 분석 및 식별을 수행하기 위한 장치 및 방법의 다양한 실시예가 이하 설명된다. 이하의 논의는, 개념을 설명하기 위해, 분자 분석의 하나의 예, 즉 게놈 분석에 초점이 맞추어져 있음을 주지해야 한다. 종래 기술 중 하나는 여기에 개시된 기술이 일반적으로 분자를 분석 및 식별하는데 적용가능함이 용이하게 인식되어진다. 일 실시 예에 있어서, 나노포어 기반 염기서열기(nanopore-based sequencer)는 휴대가능 게놈 분석 시스템(portable genomic analysis system)이다. 도 1은 휴대용 나노포어 기반 염기서열기(110) 및 관련된 나노포어 기반 염기서열결정 바이오 칩(120)의 실시 예를 나타낸다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 검출 및 분석 동안, 테스트 하의 샘플에서의 분자는 나노-치수 기공(nano-scale pore; 또한 나노포어(nanopore)로서 칭해짐)을 통해 용액 (solution)에서 전기영동적으로(electrophoretically) 구동된다. 몇몇 실시 예에서, 나노포어의 크기는 약 2nm 이다. 나노포어의 크기는 다른 실시 예에서는 변할 수 있음을 주지해야 한다. 예컨대, 몇몇 실시 예에서는 나노포어가 고정된 동일한 크기이다. 몇몇 다른 실시 예에 있어서, 나노포어는 다른 크기이다. 더욱이, 나노포어의 형상은, 원(circles), 타원(ovals), 길게 늘어진 슬릿(elongated slits) 등과 같이, 동일한 실시예에서 또는 다른 실시예에서 또한 변할 수 있다. 나노포어 내로 한정된 공간에서 분자의 상대 크기 및 이동 속도(travelling speed)를 조건으로 하여, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 다른 진폭 및 구간의 전류 펄스와 같은, 다양한 전기적 특성이 분자를 식별하기 위해 관찰되어 이용될 수 있다. 결과적으로, 핵산 염기서열의 직접 판독이 테스트 하에서 분자를 파괴시키는 것 없이 달성될 수 있다. 즉, 측정이 핵산 염기서열 온전성을 유지하면서 핵산 염기서열에 대해 만들어질 수 있게 된다. 일 실시 예에서, 전기적 판독은 턴-온 전압(turen-on voltage) 및/또는 분자들의 전도도/전류(conductance/current)이다. 다른 실시 예에서, 분자들은 DNA의 가닥으로부터 뉴클레오티드가 될 수 있다. 해당 뉴클레오사이드(nucleosides)에 대한 이론적인 값은 Kletsov 등에 의해 얻어졌다. (참조문헌: Kletsov 등, "Ab initio electron propagator calculations of transverse conduction through DNA nucleotide bases in 1-nm nanopore corroborate third generation sequencing", Biochimica et BiophysicaActa, Volume I860, Issue 1, Part A, January 2016, Pages 140- 145)
다중 제조 기술은, 기본적인 제한없이 몇몇 실시 예에서 약 2nm 기공의 어레이를 포함하는, 나노포어 어레이를 대량으로 제조하는데 이용될 수 있다. 몇몇 예시적 제조 기술의 상세가 개념을 설명하기 위해 이하 상세하게 설명된다. 종래 기술 중 하나는 이들 기술에 대해 다른 비교가능 제조 기술 또는 변화가 나노포어 어레이를 제조하는데 채택될 수 있음이 인지된다. 마이크로-/나노-유체 채널(micro-/nano-fluidic channels)의 네트워크에 통합함으로써, 나노포어 기반 염기서열기는 전례가 없는 속도로 사람의 개입 없이 게놈을 정확하게 해독할 수 있다.
게놈 분석에서 작은 폼-팩터(form-factor) 및 속도 외에, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시예는 다음의 추가적인 이점을 제공한다. 하나의 이점은 바이오 약품(bio-agents)의 어떠한 돌연변이에 대해 미래에도 경쟁력을 갖춘 준비된 생산이다. 나노포어 기반 염기서열기는 결과들이 테스트 하에서 게놈의 이전 지식을 요구하지 않는 직접 판독 기술이기 때문에, 이는 가능하다. 더욱이, 전체 분석 공정 동안 나노포어가 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩 내부에 항상 에워싸여져 소정의 원하지 않은 외부 물질에 노출되지 않음에 따라 중성(sterility) 및 청결(cleanliness)이 나노포어에 대해 항상 보증되기 때문에, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시 예는 극단적 상태 및 불결한 환경에서 동작할 수 있다.
포켓용 휴대가능 장치로서, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시 예는 많은 다른 산업 및 과학에서의 진보를 가속시킬 수 있다. 예컨대, 상업뿐만 아니라 연구 개발에 있어서, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시 예는 기본 연구, 약리유전체학(pharmacogenomics), 박테리아 진단, 병원균 검출, 농업, 식품 산업, 생물 연료 등에서 유용할 수 있다. 다른 예로서, 나노포어 기반 염기서열기의 몇몇 실시 예는 빠른 DNA 법의학, 통관항 바이오-스크리닝(port-of-entry bio-screening) 등에서 유용할 수 있다.
나노포어 기반 염기서열결정을 위한 나노포어어레이
1970년대에 컬터 카운터(Coulter Counter)의 저항성 펄스 기술(resistive-pulse technique)을 토대로, 디브로이스(DeBlois) 및 동료는 그 크기 및 전기영동 이동성(electrophoretic mobility)에 의해 입자를 특징화함에 있어 단일 서브미크론 직경 기공(single submicron diameter pores)의 이용을 성공적으로 증명하였다. 계속해서, 딤머(Deamer)는 유전자 염기서열결정(gene sequencing)을 위해 나노미터 크기 기공을 이용하는 아이디어를 제안하였다. 그 및 그의 동료는 ssDNA(single-stranded DNA) 및 RNA 분자가 기공-형성 단백질(pore-forming protein)을 통해 구동되고 이 나노포어를 통한 이온 전류(ionic current) 상의 그들의 효과에 의해 검출될 수 있음을 증명하였다. 최근에 증명된 높은 염기서열결정 속도를 감안할 때, 나노포어 기반 염기서열결정의 진보는 급속한 게놈 분석을 위한 나노포어의 큰 어레이를 생성하는데 저가이고 병렬 쓰기 제조 공정(parallel-write fabrication process)의 결여에 의해 방해된다. 대부분의 통상적인 리소그래피 방법, 전자 밀링, 이온 밀링, 및 실리콘 에치백(silicon etch back)은 실시간 게놈 분석을 위해 요구된 나노포어 어레이를 제조하는데에는 실용적인 수단이 아니다. 최근까지 휴스톤 유니버시티의 도넬리(Donnelly)와 동료는 많은 제한 없이 2nm 나노포어 어레이를 대량으로 제조할 수 있는 나노전사법(nanopantography)의 몇몇 실시 예를 개발하였다. 그들의 시뮬레이션 결과에 따르면, 나노전사법은 1nm 만큼 작은 크기를 갖는 홀(holes) 또는 도트(dots)를 정의할 수 있다. 마이크로-/나노-유체의 기술을 통합하는 것에 의해, 나노전사법은 실시간 또는 실시간에 가까운 게놈 분석 시스템을 달성하는 가능성을 열었다.
나노전사법에 있어서, 넓은, 시준된, 단색에너지 이온 빔(broad, collimated, monoenergetic ion beam)이, 도전성 기판, 예컨대 도우프된 실리콘(Si) 기판 상에 제조된 서브미크론 직경 정전 렌즈(submicron-diameter electrostatic lenses; 도 3에 도시된 바와 같이, 아인젤 렌즈로서 또한 언급됨)의 어레이에 대해 향하게 된다. 렌즈 전극에 대해 적절한 전압을 인가함으로써, 렌즈로 들어가는 "빔렛(beamlets)"은 렌즈의 직경 보다 100배 더 작을 수 있는 스폿(spots)에 대해 촛점지워진다. 이는 1nm 형상이 100nm 렌즈에 의해 정의될 수 있음을 의미하고, 이는 현재의 반도체 프로세싱에서 이용된 포토리소그래피 기술에 의해 처리될 수 있다. 또한, 각 렌즈는 기판 상에 그 자신의 나노미터 형상을 쓰고, 따라서 나노전사법은 병렬-쓰기 프로세스(parallel-write process)이며, 촛점지워진 전자 빔 또는 이온빔의 순차적 쓰기(sequential writing)와는 매우 다르다. 렌즈 어 레이는 기판의 일부이기 때문에, 방법은 진동 또는 열 팽창에 의해 야기된 오정렬에 대해 실질적으로 안전하다. 나노미터 형상의 크기는, 직경이 동일하거나 다를 수 있는, 미리 정의된 렌즈의 크기에 의해 제어되고, 예컨대 동일하거나 다른 나노미터 형상의 어레이가 실질적으로 동시에 처리될 수 있다. Cl2 가스의 존재에서 Ar+ 빔을 이용함에 따라, 10nm 직경, 100nm 깊이로 에칭된 Si 홀(holes)이 증명되었다. 에칭은 이온 빔이 촛점지워지도록 상부 금속에 대해 전압이 인가되는 홀에서만 야기될 수 있다. 홀의 나머지는 상부 금속층에 인가되는 전압을 갖지 않게 되고, 빔렛은 촛점지워지지 않게 되며, 전류 밀도는 소정의 적절한 에칭을 야기시키기에는 너무 작게 된다.
나노전사법에 따라, 게놈분석을 위한 나노포어를 제조하기 위한, 2가지 방법, 즉 감산 방법(subtractive method) 및 가산 방법(additive method)이 있다. 직접 에칭 방법(direct etch method)의 하나의 실시 예가 이하 먼저 논의되고, 이어 간접 에칭 방법(indirect etch method)의일 실시예의 논의가 이어진다.
A. 나노포어 및/또는 나노포어어레이를 제조하기 위한 감산 방법의 일 실시예
도 4a 내지 도 4e는 나노포어 및/또는 나노포어어레이를 제조하기 위한 감산 방법의 일 실시 예를 나타낸다. 도 4a를 참조하면, 질화물(420)이 Si(100) 웨이퍼(410) 상에 퇴적된다. 도 4b에 있어서, 실리콘 또는 금속이 도우프된, 바닥 도전재(422; bottom conducting material)가 퇴적되고, 유전체 스페이서(424; dielectric spacer) 및 상부 금속층(426; top metal layer)이 퇴적된다. 이어, 다수의 아인젤 렌즈(Einzel lenses)가 정의된다. 도 4c를 참조하면, 나노전사법에칭(nanopantographic etch)이 나노미터 홀(430)을 정의하도록 도전재(422) 상에서 수행되고, 이는 질화물 층(420)에서 나노포어 에칭을 위한 하드마스크(hardmask)로서 이용된다. 도 4d에 있어서, 아인젤 렌즈가 제거된다. 이어 나노포어(430)가 보호를 위해 산화물(435; oxide)로 코팅된다. 마지막으로, 도 4e에 있어서, 측정 챔버의 바닥 공동(440; bottom cavity)이 실리콘 기판(410)의 이면 상에 CMP(chemical mechanical polishing), 리소그래픽 기술 및 수산화칼륨 에칭(potassium hydroxide (KOH) etc h)에 의해 형성된다. 이어, 산화물 층(435)이 나노포어(430)를 드러내도록 제거된다.
B. 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를 제조하기 위한 가산 방법의 일 실시예
도 5a 내지 도 5i는 나노포어 및/또는 나노포어 어레이를 제조하기 위한 가산 방법의 1실시예를 나타낸다. 도 5a를 참조하면, 질화물(520)이 Si(100) 웨이퍼(510) 상에 퇴적된다. 도 5b에 있어서, 실리콘 또는 금속이 도우프된, 바닥 도전재(522), 유전체 스페이서(524) 및 상부 금속층(526)이 퇴적된다. 이어, 아인젤 렌즈가 정의 된다. 도 5c에 있어서, 나노막대(nanorod) 또는 나노튜브(nanotube) 성장을 위한 나노-시드(530; nanoseed)가 퇴적된다. 도 5d에서, 나노막대 또는 나노튜브(535)가 성장된다. 도 5e에 있어서, 산화물(540)이 퇴적된다. 도 5f에 있어서, 나노로드 또는 나노튜브(535)가 제거된다. 나머지 산화물 나노미터 홀(550)이 도전 층 및 질화물층을 위한 하드마스크로서 이용된다. 도 5g에 있어서, 패턴이 산화물층(540)으로부터 도전층 (522), 이어 질화물층(520)으로 전송된다. 도 5h에 있어서, 아인젤 렌즈가 제거되고, 산화물층(540)의 제거가 이어진다. 나노포어는 보호를 위해 산화물(552)로 코팅된다. 마지막으로, 도 5i에 있어서, 측정 챔버의 바닥 공동(560)이 실리콘 기판(510)의 이면 상에 CMP, 리소그래픽 기술 및 KOH 에칭에 의해 형성된다. 이어 산화물 층(552)이 나노포어(565)를 드러내도록 제거된다.
도 6a은 발명의 몇몇 실시 예에서 이용할 수 있는 나노슬릿(nanoslit)의 일 실시예 및 나노링(nanoring)의 일 실시 예를 나타낸다. 연장된 나노-크기의 나노슬릿(610) 및 나노링(620)은, 도 6a에 도시된 바와 같이, 각각 직사각형 및 반원의 형상으로 개구를 갖는 (상기에서 논의된) 아인젤 렌즈에 따른 감산 방법의 몇몇 실시 예에 의해 정의될 수 있다. 여기서 이루어진 개시를 토대로, 소정의 2차원 형상이 유사한 패터닝 기술을 이용해서 정의될 수 있음이 당업자에게는 명백하다. 몇몇 실시 예에서 전체 공정 동안 웨이퍼 스테이지가 실질적으로 고정이므로, 이 비-원형 패터닝 방법(non-circular patterning method)은 웨이퍼 스테이지를 경사지게 하는 통상적인 방법에 의해 직면된 적어도 3가지의 주요한 기술적 문제를 해결한다. 첫째로, 웨이퍼 스테이지의 속도 및 경사각의 정밀한 제어가 필요 없다. 둘째로, 이온의 도입 빔(incoming beam)에 관하여 웨이퍼를 경사지게 함으로써 유도된 라인-폭 비-균일성(line-width non-uniformity) 및 라인-넓힘 효과(line-broadening effect)를 일반적으로 극복한다. 셋째로, 거의 동시에 정의되어지는 패턴의 다른 형상 및 크기를 허용한다. 일 실시 예에서, 나노팬터그래피(nanopantography)는 웨이퍼 상에 위치하는 박막 상에 깔대기 형태의 나노포어들의 어레이를 생산한다. 도 6b는 웨이퍼 상에 위치한 박막 상에 깔대기 형태의 나노포어들의 실시 예를 도시한 도이다. 깔대기 형태의 나노포어들(601) 각각은 타 표면(603)에 작은 개구와 일 표면에 큰 개구(602)를 가진다. 일 실시 예에서, 작은 개구(603)는 식별 매개 변수들(parameters)의 측정을 위한 공간 내에 단일 분자를 제한하기 위한 것인 반면 큰 개구(602)는 분자들을 받아들이는 것을 용이하게 한다. 작은 개구(603)는 분자의 크기에 필적하는 치수를 가진다. 일 실시 예에서, 작은 개구는 1, 2 또는 3nm의 직경을 가진다.일 실시 예에서, 박막은 복수 개의 층들로 구성되는 복합 박막(composite thin film)이다. 박막은 유전층(dielectric layer; 605)를 샌드위치하는 두 개의 전도층(conductive layers;604)으로 구성되는 적어도 세 개의 층으로 구성될 수 있다. 두 개의 전도층(604)은 이리듐(iridium)과 같은 금속 또는 그래핀(graphene)과 같은 탄소 계 물질일 수 있다. 일 실시 예에서, 전도층(604)은 분자들의 동일성을 검출하기 위한 전극들로서 기능하기 위해 추가 처리될 수 있다. 유전층(605)은 산화지르코늄(zirconium oxide), 산화하프늄(hafnium oxide), 산화알루미늄(aluminum oxide), 질화규소(silicon nitride)와 같은 하이케이(high-k)유전 물질일 수 있다.일 실시 예에서, 하이케이 유전 물질(605)의 층은 전도 물질(604)의 두 개의 층들을 전기적으로 절연시키기 위한 기능을 하며, 누설 전류가 전도 물질(605)의 두 개의 층들 사이를 통과하는 것을 방지하기 위한 기능을 한다. 유전층(605)을 위한 1, 2 또는 3nm의 두께는 단일가닥 DNA(ssDNA) 내 개별적인 뉴클레오티드와 같은단일 분자가 박막 상의 나노포어(601)를 통과함에 따라, 단일 분자를 정확히 찾아내기 위한 높은 해상도를 허용한다. 깔대기 형태의 나노포어들은 다층 박막을 절단하기 때문에, 각 층은 나노포어의 한 부분에 원형관통구멍(606)을 형성할 것이고, 이 것은 전도층들 상의 개구들이 중심축을 기준으로 대칭임으로 인해, 나노포어의 중심축으로부터 분자의 임의의 기울어짐이 유사한 판독을 산출하게 할 것이다. 샌드위치 층은 분자의 동일성을 검출하기 때문에, 이 구조를 통해 절단된 나노포어의 부분은 정확한 검출을 보장하기 위해 1, 2 또는 3nm의 직경을 가진다. 이 박막은 주변 환경으로부터 전기적 절연 또는 구조적 지지를 제공하는 것과 같은 목적을 위해서 산화규소(silicon oxide) 또는 질화규소(silicon nitride)와 같은 유전 물질(607, 608)의 추가적인 상부 층 및 하부 층을 더 포함할 수 있다. 이 추가적인 층들은 깔대기 형태의 나노포어가 더 커진 박막의 부분을 구성하고, 검출이 발생하는 나노포어의 최종 1, 2 또는 3 nm로의 분자 전위를 용이하게 한다. 나노포어의 직경과 하이-케이 유전 물질의 두께가 상기 언급된 1 내지 3nm 범위인 것은 핵산의 경우에 명확하게 선택된다. 아미노산(amino acids), 단백질(proteins) 또는 펩타이드(peptides)와 같은 다른 분자들의 경우, 통상의 기술자들은 검출 신호를 최적화하기 위해 치수들을 쉽게 조정할 것이다.
나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩
나노포어 어레이가 감산 또는 가산 방법에 따라 형성된 후, 도 7에 도시된 바와 같이, 나노포어 어레이 웨이퍼(750)가 미리 제조된 집적회로(720; pre-fabricated integrated circuits) 및 마이크로유체 채널(730; microfluidics channels)을 갖는 웨이퍼 상에 본딩될 수 있다. 이는 측정 챔버의 바닥 공동의 형성을 완성한다. 핵산 샘플은 원한다면 바닥 웨이퍼 상의 마이크로유체 채널을 통해 바이오 칩의 외부로 추출해낼 수 있다.
마찬가지로, 몇몇 실시 예에 있어서, 측정 챔버의 상부 공동(top cavity)은 본딩된 나노포어 웨이퍼(840) 및 바닥 웨이퍼(850)를 포함하는, 복합재 웨이퍼(composite wafer) 상으로 집적회로(820) 및/또는 유체 채널(830)을 갖는 상부 웨이퍼(810)를 본딩함으로써 형성된다. 이 3층 웨이퍼 구성(800)이 도 8에 도시된다. 전압 바이어싱 구조(910) 및 전류 감지 회로(920)의 일 실시 예가 도 9에 도시된다. 최소 불감-부피(minimal dead-volume)를 갖는 것과 같은, 적절한 유체 I/O 연결(fluid I/O connections)에 따르면, 이때 3층 복합재 웨이퍼(800)는 와 이어 본딩(wire bonding) 또는 벨 그리드 와이어 본딩(bell grid wire bonding)을 위한 지지 프레임 (supporting frame) 상에 실장된다. 전형적인 패키징 기술, 예컨대 에폭시 인캡슐레이션(epoxy encapsulation) 및 세라믹 패키징(ceramic packaging)은 나노포어 기반 염기서열결정 바이오 칩을 형성하도록 전체 어셈블리를 에워싸는데 이용될 수 있다. 한편, 감지 및 바이어싱과 관련된 것과 같은, 집적회로는 나노포어 웨이퍼(840) 상에 제조될 수 있고, 이는 집적회로를 갖춘 다른 웨이퍼 대신 블랭크 기판(blank substrate)에 본딩될 수 있다.
더욱이, 몇몇 실시예에서는, 도 10a 및 도 11에 도시된 바와 같이, 상부 웨이퍼(810) 상에 매립된 2 이상의 형상, 즉 측정 챔버(1030)로 이르게 하는 마이크로유체 채널(1010) 및 나노유체 채널(1013; nanofluidic channel)을 따르는 샘플 안내 전극(1015; sample guiding electrodes)이 있다. 나노포어 기반 염기서열결정 바이오 칩을 통한 샘플의 흐름을 더욱 나타내도록 하기 위해, 하나의 예가 이하 상세히 논의된다.
버퍼 입구(buffer intake)(1025) 및 버퍼 출구(buffer outlet)(1027)는 검출용 샘플을 받아들이기 전에 마이크로유체 채널(1010), 나노유체 채널(1013) 및 측정 챔버(1030)의 네트워크를 미리 적시고 미리 채우기(pre-wet and pre-fill) 위한 것이다. 검출 동안, 마이크로유체 채널에서의 유체 흐름은 온-칩(on-chip) 또는 오프-칩 마이크로펌프(off-chipmicropumps) 및 마이크로밸브(microvalves)를 이용해서 버퍼 입구 및 출구의 흐름 비 율에 의해 조정될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 단일 가닥 핵산 분자(single strand nucleic acid molecule)의 인산-당 결합(phosphatedeoxyribose backbone)은 각 베이스 세그먼트(base segment)를 위한 네가티브 전하(negative charge)로 충전되고, 분자의 5'-종단(5'-end of the molecule)에 2개의 네가티브 전하가 있다. 샘플 입구 코넥터(1023)를 통한 수용 저장소(receptive reservoir)(1020)로부터 예정된 측정 챔버(1030)까지의 샘플 안내 전극 체인(1015)을 따르는 포지티브 전압 맥동(positive voltage pulsating)은 수용 저장소(1020)로부터 핵산 분자를 추출하고 미리 할당된 측정 챔버(1030)에 대해 분자를 전달할 수 있다. 마찬가지로, 샘플 안내 전극(1017) 또한 유사한 방법으로 나노포어 기반 염기서열결정 바이오 칩의 외부로 샘플을 추출하기 위한 마이크로유체 채널(1010)을 따라 바닥 웨이퍼 상에 매립된다.
유체 채널의 네트워크를 따르는 샘플 안내 전극의 유사한 구조를 이용하면, 하나 이상으로 측정 챔버(1040)의 수를 확장할 수 있다. 트리 구조로 배열된 측정 챔버의 예가 도 10b에 도시된다. 다중 독립 분석을 수행하는 능력 이외에, 그들이 샘플 수용 저장소(1020)로부터 추출됨에 따라 DNA 단편(fragments)의 순서는 몇몇 실시 예에서 각 측정 챔버에 대해 미리 할당된다(pre-assigned). 도 10b에 도시된 바와 같이, 측정 챔버(1040)는 2-디지트 수로 라벨이 붙여진다. 제1 디지트는 가지 번호(branch number)를 나타내고 제2 디지트는 가지에서 측정 챔버의 위치를 지시한다. 측정 챔버(1040)의 할당 순서는 간단히 오름차순으로 될 수 있고, 예컨대 최하위 번호를 갖는 챔버가 먼저 이용되고 이어 다음의 더 높은 번호를 갖는 챔버가 이용될 수 있다. 이러한 방법에 있어서, 가지의 모든 측정 챔버는 다음의 가지로 이동하기 전에 이용될 수 있다. 한편, 샘플은 최하위 가지 번호가 먼저 이용됨에 따라 각 가지에서 최하위 번호를 갖는 챔버에 대해 할당될 수 있고, 예컨대 현재의 샘플에서 11, 21, 31, 41 이어 12, 22, 32, 42 등등이다. 이 할당 접근에 따르면, 중앙 마이크로유체 채널로부터 가장 먼 거리를 갖는 각 가지의 측정 챔버가 먼저 할당될 수 있고, 이어 각 가지의 다음의 하나가 할당될 수 있다. 이 접근은 측정된 신호 상으로 중앙 마이크로유체 채널에서의 샘플 안내 전극의 전기적 신호의 간섭을 감소시킬 수 있다. 전체 측정이 완료될 때, 전체 DNA 샘플의 염기서열은 단편의 추출 순서에 따라 시스템적으로 조립될 수 있다. 이는 하이브리디제이션 프로세스(hybridization process)가 샘플의 원래의 염기서열을 랜덤화하고 연산 강도(computation intensive) 및 에러 경향 후 검출 분석(error-prone post-detection analysis)이 적절한 염기서열을 조각 되돌림(piece back)하도록 요구되는, 마이크로 어레이와 같은, 다른 종래 염기서열결정 기술에 의해 요구된 시간이 소모되는 후 검출 분석을 생략할 수 있다. 더욱이, 단편의 추출 순서가 기록되므로, 단편은 원래의 DNA 샘플을 형성하도록 재결합(recombined)될 수 있다. 다른 종래의 염기서열결정 기술에 대해, 원래의 샘플은 전형적으로 파괴되고 미래의 이용을 위해 검색(retrieved)될 수 없다
도 10a로 돌아가서 참조하면, 상부 및 복합재 웨이퍼의 웨이퍼 본딩에 의해 형성된 나노유체 채널(1013)은 필터, 샘플 흐름율 콘트롤러뿐만 아니라 분자 신장기(molecule stretcher)로서 기능할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 나노 유체채널은 상부 웨이퍼 상의 상부 전극을 턴 온 및 턴 오프시키는 것에 의해 필터로서 기능하고, 마이크로 유체 채널로부터 샘플에서 선택적으로 끌어당길 수 있다. 몇몇 실시 예에 있어서, 나노유체 채널은 상부 및 바닥 전극의 전압을 조정하는 것에 의해 샘플 흐름율 콘트롤러로서 기능하고, 나노유체 채널을 통한 샘플의 흐름율을 제어할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 나노유체 채널(1013)을 통해 지나갈 때, 단일 가닥 핵산 분자(1101)는 자연적 말려진 상태(natural curl up state)로부터 외부로 신장될 수 있기 때문에, 나노 유체 채널(1013)은 또한 분자 신장기로서 기능할 수 있다.
몇몇 실시 예에 있어서, 나노유체 채널의 속도 제어 특성은 분자의 더욱 정확한 분석을 허용하도록 활용된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 감지 전극(1205)은 나노포어(1225)에 매립되고, 이는 나노포어(1225)를 통한 분자의 흐름을 제어함에 있어 마이크로-/나노-채널 네트워크의 없어서는 안 될 부분으로 된다. 나노유체 채널에 부가하여, 인가된 DC 전압은 나노포어(1225)를 통한 전위(translocating) 시, 분자의 속도 및 방향을 미세하게 조정 하도록 설계된다. 상부 및 바닥 구동 전극(1230, 1235) 각각 및 매립된 감지 전극(1205)에 인가된 DC 바이어싱 전압의 크기를 교대시키는 것에 의해, 통계적 에러를 제거하는 것에 의해 분자를 식별함에 있어서의 정확도를 증가시키기 위해, 예컨대 거짓-양성 에러율(false-positive error rate)이 감소될 수 있는, 테스트 하의 분자가 반복된 분석을 위해 앞뒤로 여러 번 나노포어(1225)를 통해 끌어당겨질 수 있다.
몇몇 종래의 접근과는 달리, 감지 전극이 나노포어에 집적되는 곳에서는 나노포어를 통해 이동하도록 DNA에서의 각 베이스를 위해 수 나노초(nanoseconds)만이 취해진다. 이러한 천이 시간(transit time)은 어떠한 의미있는 측정을 위해 너무 짧다. 이 결점의 관점에서, 다른 종래의 접근은 나노포어를 통한 분자의 이동의 속도를 줄이도록 개발되었다. 하나의 종래의 접근은 나노포어로 여분의 전극을 매립하는 것에 의해 분자의 속도를 제어하도록 전압 트랩핑 구성(voltage trapping scheme)을 제안한다. 서로의 상부에 적층된, 도전 전극 사이에서 유전체 재료를 사이에 끼움으로써 서로로부터 전기적으로 절연된 4개 이상의 도전 전극을 요구하므로, 제안된 전압 트랩핑 구성은 구현하기가 어렵다. 이 다층 막 상에 형성되는 요구된 2-3nm 나노포어는 30:1 이상의 애스팩트 비(aspect ratio)를 갖을 수 있는데, 현재의 집적회로 제조 기술과 함께 달성하기 위해서는, 비록 불가능 하지는 않을지라도, 이는 어렵다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 인가된 AC 감지 전압(1310)은 나노포어(1325)를 통해 이동하는 동안 분자를 심문(interrogating)하기 위한 것이다. 결과적으로, 다양한 감지 메카니즘이 분자, 예컨대 저항 변화, 캐패시턴스 변화, 위상 변화 및/또는 터널링 전류를 식별하는데 채택될 수 있다. 테스트 하의 분자 및 매립된 감지 전극(1305)의 인접에 기인하여, 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio)가 개선될 수 있다.
상기한 예시적 샘플 전달 및 필터링 메카니즘은 나노포어 측정 챔버의 어레이가 어떻게 구현될 수 있는가를 설명하기 위한 예로서 기능한다. 당업자는 상기한 전달 및 필터링 메카니즘에 대한 변형이 다른 실시예에서 채택 될 수 있음을 인식하게 된다. 더욱이, 다른 크기를 갖는 기공의 어레이는 도시된 방법을 이용해서 실현될 수 있다. a-헤모리신과 같은 단백질 기공, 그리고 상기한 고체 나노포어의 어레이와 함께, 바이오-나노포어의 어레이가 또한 실현될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 양 감지 전극이, 상기한 다른 도전층 상의 적층된 전극 대신, 동일한 도전층 상에 위치할 수 있다. 도 13b는 평면 전극 구현의 일 실시 예를 나타낸다. 이 평면 전극 구현에 있어서, 양 감지 전극(1307)은, 감지 전극(1307) 사이에서 정의된 나노슬릿(1327)과 함께, 동일한 도전층 상에 위치한다. 감지 전극(1307)과 나노슬릿(1327)의 상면도가 도 13c에 도시된다. 상기한 바와 같이, 나노포어 및 나노슬릿 양쪽은 나노전사법을 이용해서 정의될 수 있다.
실질적으로 실시간으로 분자 검출을 수행하는 능력, 선-검출 샘플 증폭(pre-detection sample amplification) 없이 단일 분자 검출을 수행하는 능력, 다중 및 실질적으로 동시 검출을 수행하는 능력, 다중-통과 검출(multipass detection)을 하는 능력, 연산 강도 후-검출 분석(computation intensive post-detection analysis) 없이 샘플을 식별하는 능력, 및/또는 미래 이용을 위한 검출 후 샘플을 유지하는 능력은, 예컨대 단일 뉴클레오티드다형성(single nucleotide polymorphism)을 인식하는, 몇몇 실시예에서 저비용, 고속 및 정확한 게놈 분석을 제공하는데 결정적이다.
본 발명에 있어서, 이중가닥 DNA(dsDNA)는 자국내기효소들(nickases)로 사전처리되어, 자국내는 행위들(nicking actions)이 설계된 제한 장소 근처 또는 설계된 제한 장소에서 발생하도록 한다. 개별 올리고뉴클레오티드가 이중가닥 DNA 상에서의 순서에 따라 해리 구역 내에서 자국난 이중가닥 DNA로부터 해리되기 전에 자국난 이중가닥 DNA는 선형화될 수 있다. 그리고 나서 각 올리고뉴클레오티드는 안내 전극들에 의해서 H-트리 구조 채널(H-tree structure channel)과 같은 안내 채널들의 상이한 아암(different arm)들 내로 당겨진다. 그리고 나서 각 올리고뉴클레오티드의 염기서열은 하류의 나노포어 칩에 의해 검출될 것이다. H-트리 구조 채널의 세트가 사용될 경우, 각 올리고뉴클레오티드가 나노포어에 도달하는 시간은, 균형잡힌 H-트리 내의 단일 입구로부터 잎들로까지의 경로 길이가 동일해지도록 설계되는 것 때문에, 이중가닥 DNA 상의 올리고뉴클레오티드의 순서를 대략적으로 반영할 것이다. 이 순서는 참조 염기서열(reference sequence)없이 원조 이중가닥 DNA의 염기서열을 얻기 위해 검출 결과를 조합하는데 사용될 수 있다. 이중가닥 DNA 내의 두 가닥은 서로 상보적이기 때문에, 대략 동시에 나노포어 칩에 도달하는 두 개의 올리고뉴클레오티드는 서로 상보적일 수 있고, 그러한 올리고뉴클레오티드의 각 쌍의 검출된 염기서열들은 서로 정확함을 상호 점검(counter check) 즉, 자가 점검(self-checking)할 것이다. 두 개의 최대한의 상보적인 올리고뉴클레오티드를 짝 지을(pairing up)경우, 이중가닥 DNA 상의 제한 구역의 배치 특성(intersperse nature)에 의해 야기되는 각 올리고뉴클레오티드의 두 말단의 돌출된(overhangs) 염기서열은, 이웃하는 올리고뉴클레오티드의 쌍을 검색할 때 즉, 자가 유도(self-guiding) 시, 매칭 기준(matching criteria)으로서 사용될 것이다. 이 내장된 자가 점검 및 자가 유도 매카니즘(built-in self-checking and self- guiding mechanism)으로 인해서, 올리고뉴클레오티디의 검출된 염기서열은 참조 염기서열없이 함께 조립될 수 있다. 즉 디노보염기서열결정(de novo sequencing)이 달성될 수 있다.
일 실시 예에서, 긴 이중가닥 DNA는 특정 제한 구역에 DNA의 가닥들 중 적어도 하나(1402)에 자국내기 위한 효소를 포함하는 챔버(1401) 내로 공급될 수 있다. 일 실시 예에서, 이중가닥 DNA는 효소에 의해 자국이 난 후 곧게 뻗게된다. 도 14는 곧게 뻗은 이중가닥 DNA의 일 실시 예를 나타낸 도이다. 이중가닥 DNA를 자국내는 효소에는 자국내기효소 기반 folk(fokl based nickase)와 같은 제II S 돌연변이 형태의 엔도뉴클레아제(mutated type II S endonucleoases)를 포함하며, TALEN(TALEN like fokl based nickases),CRISPR/cas9로 유도된 자국내기 효소, 뉴 잉글랜드 바이오랩의 REBASE 데이터베이스 내에 포함된 다른 새롭게 찾아낸 자국내기 효소 또는 인위적으로 조작된 자국내기 효소는 자국내기효소 기반의 folk와 같다.이어서, 효소적으로 자국난 DNA는, 별도의 챔버 내 또는 효소 활성이 일어난 지점의 하류 위치에서, 예를 들어 열 또는 효소에 의해 단일가닥 DNA의 짧은 가닥으로 분열된다. 자국난 DNA는 효소 변형 후에도 긴 이중 나선구조로 자국과 함께 남아있기 때문에, 긴 자국난 이중가닥 DNA는 단일가닥 DNA의 짧은 가닥이 긴 이중가닥 DNA로부터 하나씩 제어된 방식으로 해리되는 해리 구역(예를 들어 안내 전극들에 의해서)을 향해 공급되도록 제어될 수 있다. 해리는 헬리카제(helicase)와 같은 효소 또는 열에 의해 달성될 수 있다. 일 실시 예에서, 효소는 박테리오파지 T7 유전자 산물 4(bacteriophage T7 gene product 4),GP4(gp4), 와일드 형태 단백질(wild-type proteins), 또는 돌연변이 유도체(mutant derivatives)를 포함한다. 그리고 나서, 단일가닥 DNA의 짧은 가닥은 다중 출구로 유도하는 단일 입구를 경유하여 하류로 공급된다. 입구로부터 출구로 유도하는 모든 경로의 총 길이는 출구의 단일가닥 DNA의 도착 시간이 원조 이중가닥 DNA 상의 순서를 암시하도록 동일하게 설계된다. 안내 전극은 입구로 들어가는 단일가닥 DNA를 다른 채널들로 할당할 것이다. 일 실시 예에서, 안내 전극은 단일가닥 DNA가 출구에 도착하는 것을 보장하기 위해 전체 채널을 따라 존재할 것이다. 일 실시 예에서, 채널들의 세트는 H-트리 구조를 가진다. 도 15는 H-트리 구조의 일 실시 예를 도시한 도이다. 출구 각각에서, 단일가닥 DNA는 염기서열 판독을 위한 나노포어를 통해 전위될 것이다. 원조 긴 가닥 DNA 상의 단일가닥 DNA의 순서는 알려졌기 때문에, 전체 염기서열은 개별 단일가닥 DNA가 판독된 후에 쉽게 다시 연결될 수 있다. 참조 염기서열없이 이중가닥 DNA 염기서열로 올리고뉴클레오티드 염기서열을 조립하기 위한 연속적인 알고리즘의 일 예는 도 16에 도시되어 있다.
듀얼 코어 제논 프로세서(dual Qual-core Xenon processors; 2.4 GHz)와 12 기가바이트 램(12 GB RAM)을 각각 가지는 8 개의 컴퓨터 서버들의 군(cluster)을 사용하여, 린(Lin)과 동료들은 7 개의 디노보 조립 알고리즘(de novo assembly algorithms)에 대한 비교를 실시하였고, 이러한 7 개의 알고리즘의 조립 시간은 예쁜꼬마선충(C. elegans)의 경우에 수 분에서 수 시간의 범위를 가지는 것을 알게 되었다.(20.9Mbp, 메가 베이스 쌍) - (참조문헌: Lin, Yong, 등, "Comparative studies of de novo assembly tools for next-generation sequencing technologies", Bioinformatics, 2011 Aug 1; 27(15): 2031- 2037)
앞서 언급된 자국내기 효소 샘플 준비와 관련 조립 알고리즘의 개선을 나타내기 위해서, 자국내기 작업과 조립 알고리즘은 듀얼-코어 i5 프로세서(2.5GHz)와 16기가바이트 램(16GB RAM)을 가진 맥북 프로 랩탑의 파이썬(Python)을 사용하여 구현되었다. 다른 7 가지의 디노보 조립 알고리즘과 공정하 비교를 위해서, 20Mbp의 길이를 가지는 이중가닥 DNA의 염기서열은 무작위로 생성되고, 이중가닥 DNA의 두 가닥을 따르는 자국들은 미리 정의된 제한 구역의 패턴을 따라 생성되어, 최종적으로 짧은 단일가닥 DNA의 염기서열을 따라 라이브러리(library; 해쉬 테이블(hash table))이 생성된다. 다른 7 가지 디노보 조립 알고리즘들과 보조를 같이 하여, 단일가닥 DNA의 조립과 판독이 순차적으로 수행될 때, 즉 조립 공정이 단일가닥 DNA의 모든 결과가 이용 가능해질 때까지 시작되지 않을 때, 여러 경우의 시뮬레이션이 수행되었다. 본 발명의 방법이 사용된 전형적인 조립 시간은 5분 미만이며, 이 것은 샘플 DNA의 실시간 분석이 휴대용 시스템으로 가능함을 의미한다. 도 16에 도시된 흐름도에 도시된 바와 같이, 단일가닥 DNA의 조립과 판독이 동시에 처리되는 경우 조립 시간이 실질적으로 단축될 것으로 예상된다.
일 실시 예에서, DNA 샘플은 희소한 대립형질(allele)에 대한 염기서열 또는 액체 생검(liquid biopsy)의 경우와 같이 매우 낮은 존재량(abundance)에 대한 염기서열뿐만 아니라 세포-자유 DNA 분석(cell- free DNA analyses)과 같은 나노포어에서 DNA 염기서열의 판독이 처리되기 전에 디지털 PCR(dPCR)에 의해 증폭된다. 다른 실시 예에서, 디지털 PCR(dPCR)은 염기서열 시스템과 별도로 존재한다. 본 발명의 디지털 PCR(dPCR)은 상기 기술한 바와 같이 H-트리구조를 가지는 채널의 세트를 포함한다. 일 실시 예에서, 소수성 유체(hydrophobic fluid)로 채워진 채널의 세트는 플루오리너트(Fluorinert), 3M사의 합성오일(synthetic oil from 3M) 또는 미네랄 오일과 같은 물보다 높은 비등점을 가진다. DNA 샘플은 물을 기반으로 하는 PCR 분석 시약(PCR assay reagents)과 혼합한 후, DNA 샘플과 시약의 작은 양을 다중 출구 각각의 웰(well)에 분배하는 H-트리 채널의 세트의 단일 입구로 공급한다. 일 실시 예에서, 웰은 실리콘 웨이퍼 상에 제조된 기공(포어; pore)의 어레이이다. 다른 실시 예에서, 각각의 웰의 직경은 10 내지 1000 마이크로미터(um)의 범위를 가진다. PCR에서 요구되는 온도제어는, 웰들의 어레이를 가지는 실리콘 웨이퍼의 가열 요소 및 내장된 센서들에 의해 달성되거나 또는 제어된 온도를 가지는 환경 내의 전체 웨이퍼의 배치하는 것으로 달성된다. 일 실시 예에서, 각각의 웰로부터의 형광 신호는 각 웰에 결합된 CMOS 또는 CCD에 의해 기록된다. 염기서열 시스템 내의 디지털 PCR(dPCR)을 위해, 하나 이상의 선택된 웰로부터의 샘플들은 깔대기 형태의 나노포어에 DNA 염기서열의 판독에 요구되는 공정을 위해 하류로 진행하는 것을 허용할 수 있다. 디지털 PCR(dPCR)이 별도 장치로서 존재하는 경우, 개구들 중 하나에서 H-트리 구조 채널들의 출구로 연결되는 기공(포어; pore)의 어레이(array)는 DNA 샘플이 회수되는 경우에 제거될 수 있는 멤브레인에 의해 밀봉된다. 본 발명에서 분리된 디지털 PCR의 일 실시 예는 도 17 및 도 18에 도시되어 있다. 이러한 실시 예에서 디지털 PCR은 웰 어레이(well array) 및 H-트리 미세유체네트워크(H-tree microfluidic network)로 구성된다. H-트리 미세유체네트워크의 출구 각각은 제조될 시 웰 어레이 상의 대응되는 웰에 연결된다. 미세유체네트워크에 연결되지 못한 웰 어레이의 측면(1701)은 상부 채널을 형성하기 위해 투명 필름에 의해 덮혀지는 반면에, 웰 어레이에 연결되지 못한 H-트리 미세유체네트워크의 측면(1702)은 지지 슬라브(supporting slab)로 덮혀진다. 투명 필름과 지지 슬라브 모두는 명확성을 위해서 도 17에서 생략되었다. I/O포트는 도 17에서 생략되었다. 완전한 실시간 디지털 PCR 모듈은 도 18에 도시된다. 오일과 샘플용 입력 포트와 여분의 수용부는 포함되어 있지만,투명 필름은 생략되었다. 일 실시 예에서, 디지털 PCR의 샘플 로딩은 다음과 같다: 1) 부분적으로 함성 오일로 모듈을 채우고, 2) 샘플 액체를 채널로 로딩한 후, 3) 샘플 액체를 웰로 공급하기 위해 추가 합성 오일을 펌핑한다. 유체 채널(fluidic channels)이 예를 들어 H-트리 미세유체네트워크와 같이 적절하게 설계되고 제조되는 경우, 샘플 액체는 각 웰로 고르게 분배될 것으로 예상된다. 로딩 후, 샘플 액체는 전방 및 후방의 오일에 의해 갇히게 된다. 증발로 인한 물의 손실은 없다, 즉, 에세이의 농도(concentration of the essay)가 샘플 로딩 공정을 통해서 유지된다. 입력 샘플 액체는 한정된 부피를 가지고 어레이 내의 모든 웰의 총 부피보다 더 작을 것으로 예상되기 때문에, 샘플 액체의 초기 몸체(body)는 계층형 유체 네트워크(hierarchical fluidic network) 내에서 각각의 연속적인 단계(each successive level)에서 더 작지만 동일한 부피로 분해될 것이다. 결국, 최종 '방울(droplet)'은 다른 웰로 나뉘어 질 것이다. 각 방울의 위치는 온도 순환(temperature cycle) 전, 후 및 온도 순환 동안 어레이 내에 고정된다. 온도 순환 내의 각 사이클의 다른 파장들에 대한 형광 이미지는 외부 이미지 장치로 캡쳐할 수 있다. 이 것은 PCR의 진행이 실시간으로 모니터링 될 수 있음을 예를 들어 실시간 디지털 PCR임을 의미한다. 필요한 경우, 바늘을 사용하여 투명 필름을 뚫을 수 있고, 추가 공정들을 위해 중공 광섬유(hollow optical fiber) 또는 주사기를 사용하여 웰로부터 원하는 방울의 추출을 할 수 있다. 디지털PCR 칩은 웰 크기에 기반한 다음의 기술들 중 하나에 의해 제조될 수 있다. 일 실시 예에서, 3D-프린팅 또는 몰딩은 수백 마이크론(several hundreds of microns)의 직경을 가지는 웰을 제조하는데 사용된다. 다른 실시 예에서, 나노3D-프린팅 또는 마이크로-몰딩은 수십 마이크론 내지 수백 마이크론의 직경을 가지는 웰을 제조하는데 사용된다. 또 다른 실시 예에서, 실리콘 상의 반도체제조기술 또는 열화플라스틱 상의 나노임프린트(nanoimprint on thermal plastic)는 수십 내지 수 마이크론의 직경을 가지는 웰을 제조하는데 사용된다. 실리콘 칩들의 경우, 급속 열 사이클링을 위해 칩 상에 가열 요소를 통합할 수 있다.
통상의 기술자는 H-트리 건축구조가 또한 다른 응용들에도 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 일 실시 예에서, DNA 분자들 대신에개별 세포들과 같은 다른 생물학적 물질은 복수 개의 단일 세포 실험을 수행하기 위해 다른 웰들로 포획될 수 있다.
나노포어 기반 염기서열기(Nanopore-based Sequencer)
나노포어 기반 염기서열기는 휴대가능 게놈 검출 및 분석 시스템을 제공한다. 몇몇 실시 예에 있어서, 나노포어 기반 염기서열기는 2가지 주요한 구성요소, 즉 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다. 하이 레벨 구조(high level architectures) 및 서브유닛(subunits)의 몇몇 실시예가 이하 논의된다.
A. 하드웨어 시스템
몇몇 실시 예에 있어서, 나노포어 기반 염기서열기의 하드웨어 시스템은 2가지 주요한 유닛, 즉 연산, 통신 및 제어 유닛 및 나노포어 기반 염기서열결정 바이오 칩 인테페이스 유닛과, 다양한 모듈을 포함한다. 하이 레벨 구조의 일 실시예가 도 19에 도시된다. 다양한 부품의 상세가 이하 더 설명된다.
I. 연산, 통신 및 제어 유닛(Computing, Communication, and Control Unit)
일 실시 예에 있어서, 하드웨어 시스템(1900)은 디스플레이 장치를 갖는 휴대가능 연산 시스템(1910)을 포함한다. 이는 태블릿(tablet), 노트북, 넷북(netbook), 올인원(all-in-one) 데스크탑 컴퓨터, 스마트폰, PDA(personal digital assistant) 또는 소정의 포켓용 연산 장치 등을 이용하여 구현될 수 있다. 이는 OS(operating system)를 실행시키고, 데이터 분석 소프트웨어를 실행시키며, 데이터를 저장하고, 나노포어 기반 염기서열결정 바이오 칩의 동작을 제어하며, 나노포어 기반 염기서열결정 바이오 칩으로부터 데이터를 수집하기 위한 중앙 유닛으로서 기능한다.
일 실시 예에 있어서, 하드웨어 시스템(1900)은 네트워크 통신 모듈(1920)을 더 포함한다. 네트워크 통신 모듈 (1920)은 하나 이상의 WiFi, WiMAX, 이더넷(Ethernet), 블루투스(Bluetooth), 전화 성능(telephone capability), 위성 링크, 및 GPS(Global Positioning System) 등을 포함한다. 네트워크 통신 모듈(1920)은, 데이터 공유, 프로그램 갱신, 데이터 분석 등을 위한 중앙 연산 시스템과의 통신, 데이터가 공유될 수 있고 데이터 분석이 다중 연산 장치에서 병렬로 실행될 수 있는 다른 연산 장치와의 통신, 데이터 공유, 프로그램 갱신 등, 및 GPS 신호를 송신 및 수신하는 다른 블루투스 가능 장치(예컨대, 셀룰러 전화, 프린터 등)와의 통신을 위 한 통신 허브로서 기능한다.
일 실시 예에 있어서, 하드웨어 시스템(1900)은 입력 장치(1930)를 더 포함한다. 입력 장치(1930)는 하나 이상의 키보드, 터치 스크린, 마우스, 트랙볼, 적외선 포인팅 장치(infrared (IR) pointing device), 및 음성 인식 장 치 등을 포함할 수 있다. 입력 장치(1930)는 명령 엔트리(command entry) 및 데이터 엔트리(data entry)를 위 한 휴먼 인터페이스(human interface)로서 기능한다.
일 실시 예에 있어서, 하드웨어 시스템(1900)은, 플래시 메모리 카드 인터페이스, IEEE 1394 인터페이스, 및 USB(Universal Serial Bus) 인터페이스 등을 포함할 수 있는, 입출력 포트(input/output (I/O) port)(1940)를 더 포함한다. I/O 포트(1940)는 다른 전자 장치, 2차 데이터 저장 인터페이스, 및 나노포어 기반 염기서열결정 바이오 칩을 위한 측정 데이터 I/O와의 직렬 인터페이스로서 기능한다.
II. 나노포어 기반 염기서열결정 바이오칩 인터페이스 유닛(Nanopore-based Sequencing Biochip Interface Unit)
몇몇 실시 예에 있어서, 나노포어 기반 염기서열결정(nanopore-based sequencing(nSeq)) 바이오칩 인터페이스 유닛(1950)은 nSeq 전자 모듈(1960), 유체 제어 모듈(1970), 화학물질 저장기 및 유체 I/O 연결 모듈(1980), 및 nSeq 유체 제어 및 샘플 I/O 연결 모듈(1990)에 결합된다. nSeq 전자 모듈(1960)은 핵산 모듈의 분배, 나노유체 채널의 흐름율 제어, 수집 측정 데이터, 및 연산, 통신 및 제어 유닛에 대한 출력 데이터를 제어한다.
몇몇 실시 예에 있어서, 유체 제어 모듈(1970)은 버퍼 입구/출구 코넥터(buffer intake / outlet connectors)를 매개로 nSeq 바이오칩과 화학물질 저장기 사이의 유체 흐름과, 온-칩(on-chip) 또는 오프-칩(off-chip) 마이크로펌프 및 마이크로밸브의 이용을 제어한다. 화학물질 저장기 및 유체 I/O 연결 모듈(1980)은, 필요하다면, nSeq 바이오칩에 대해 화학물질(chemical)을 제공할 수 있고, 또한 화학물질 및/또는 바이오-폐기물 저장기 (bio-waste storage)로서 기능한다. nSeq 유체 제어 및 샘플 I/O 연결 모듈(1990)은 nSeq 바이오 칩에서의 유 체 및 샘플 흐름을 제어할 뿐만 아니라 nSeq 바이오칩의 샘플 받아들임 및 내보냄(sample intake and outlet)을 제어한다 예컨대, 도 10b로 되돌아가서 참조하면, 측정 챔버 #11에서 검출을 수행하기를 원한다면, 가지 #1을 위한 버퍼 출구는 모든 다른 버퍼 출구가 폐쇄된 동안 개방되게 된다. 결과적으로, 유체는 가지 #1을 향해 샘플 입구로부터 흐르게 되고 측정 챔버 #11에 대해 샘플을 전달하도록 마이크로유체 채널을 따라 샘플 안내 전극 과 동시에 작용한다.
B. 소프트웨어 구조(Software Architecture)
도 20은 나노포어 기반 염기서열기의 일 실시 예에서의 게놈 분석 소프트웨어와 동작 시스템(operating system)을 위한 소프트웨어 및 관련 하드웨어의 하이-레벨 구조를 나타낸다. 도시된 소프트웨어 구조에서의 다양한 논리 처리 모듈은 컴퓨터 판독가능 매체에 내장된 명령을 실행하는 (도 19에서 휴대가능 연산장치(1910)와 같은) 처리 장치에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터(예컨대, 서버, 퍼스널 컴퓨터, 네트워크 장치, PDA, 제조 기구, 하나 이상의 프로세서의 세트를 갖는 소정의 장치 등)에 의해 접근가능한 형태의 정보를 제공(예컨대, 저장 및/또는 전송)하는 소정의 메카니즘을 포함한다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 매체는 기록가능 /비-기록가능 매체(예컨대, ROM; RAM; 자기 디스크 저장 매체; 광학 저장 매체; 플래시 메모리 장치; 등) 등을 포함한다.
상기한 바와 같이, 동작 시스템(2010)은 연산, 통신 및 제어 유닛에 설치된다. 동작 시스템(2010)은 윈도우, 리눅스, 또는 연산 장치를 위해 적절한 소정의 동작 시스템을 포함할 수 있다. 연산, 통신 및 제어 유닛에 설치된 동작 시스템(2010)과는 별도로, 게놈 분석 소프트웨어는 5개의 처리 모듈, 즉 GUI(graphical user interface)(2020), 데이터 관찰기(data viewer)(2030), 게놈 데이터 분석기 인터페이스(genomic data analyzer interface)(2040), 게놈 데이터 분석기(2050), 및 게놈 데이터베이스(2060)를 더 포함한다. 동작 시스템 (2010), 상기한 처리 모듈(1520∼1560), 및 다른 하드웨어 구성요소 사이의 상호작용의 몇몇 실시예가 도 20을 참조하여 이하 설명된다.
몇몇 실시예에 있어서, 게놈 데이터 분석기 인터페이스(2040)는 게놈 분석 소프트웨어 구조에서 데이터 흐름 제어 유닛으로서 작용한다. 입력 장치로부터 명령 및/또는 입력 데이터를 얻은 후, 동작 시스템(2010)은 게놈 데이터 분석기 인터페이스(2040)를 통해 게놈 데이터 분석기(2050)로 정보를 전송한다. 따라서, 이어 게놈 데이터 분석기(2050)가 작용한다. 적절한 명령(예컨대, GET, ADD 등)에 따라, 게놈 데이터 분석기 인터페이스 (2040)는 I/O 포트(2070) 및 게놈 데이터베이스(2060) 사이의 데이터 흐름을 제어하고, 데이터베이스(2060)에 저장된 데이터는 외부로 보내지거나 갱신될 수 있다. 마찬가지로, 분석기 소프트웨어는 I/O 포트(2070) 및/또는 입력 장치(2080)를 매개로 주기적으로 갱신될 수 있다. 게놈 데이터 분석기 인터페이스(2040)는 또한 nSeq 바이오 칩을 모니터하기 위해 nSeq 바이오 칩 인터페이스(2090)에 결합된다. nSeq 바이오 칩의 상태가 모니터되고 분석기 인터페이스(2040)를 매개로 (도 19에서 휴대가능 연산 시스템(1910)의 디스플레이 장치와 같은) 디스플레이 유닛에 나타낸다. 게놈 데이터 분석기 인터페이스(2040)는 또한 게놈 데이터 분석기(2050)로부터 결과를 취하고 디스플레이 유닛에 그들을 나타낸다.
몇몇 실시예에 있어서, 게놈 데이터 분석기(2050)는 게놈 분석 소프트웨어의 주 데이터 분석 유닛이다. 이는 nSeq 바이오 칩으로부터 측정을 얻고, 분석을 수행하며, 이어 그 결과를 바이오-약제(bio-agents)를 식별하기 위 해 데이터베이스(2060)에 저장된 데이터와 비교한다. 분석 결과는 디스플레이 유닛에서 보여질 수 있고, 장래 의 참조를 위해 데이터베이스(2060)에 저장된다.
게놈 데이터베이스(2060)는 현존하는 바이오-약제와 새롭게 발견된 핵산 염기서열을 저장하기 위한 데이터 저장소이다. 데이터 관찰기(2030)는 다른 유닛의 몇몇 또는 전부로부터 데이터 및 정보를 취하고 디스플레이 장치 상에서 그들을 보여주는 소프트웨어 루틴을 포함한다.
따라서, 분자의 휴대용 실시간 분석 및 식별을 위한 방법 및 장치가 설명되었다. 본 발명의 태양은, 소프트웨어에서, 적어도 부분적으로, 구체화될 수 있음이 앞의 설명으로부터 명백해지게 된다. 즉, 기술은 메모리에 포함된 명령의 시퀀스를 실행하는 그 프로세서에 응답하여 컴퓨터 시스템 또는 다른 데이터 처리 시스템에서 수행될 수 있다. 다양한 실시예에 있어서, 하드웨어에 내장된 회로는 본 발명을 구현하기 위해 소프트웨어 명령 과의 조합에 이용될 수 있다. 따라서, 기술은 하드웨어 회로 및 소프트웨어의 소정의 특정 조합 또는 데이터 처리 시스템에 의해 실행된 명령을 위한 소정의 특정 소스로 한정되는 것은 아니다. 더욱이, 모든 이러한 설명, 다양한 기능 및 동작은 설명을 간단화하기 위해 소프트웨어 코드에 의해 수행되거나 야기되는 것과 같이 설명될 수 있다. 그러나, 당업자는 이러한 표현이 프로세서나 콘트롤러에 의한 코드의 실행으로부터 초래되는 기능이라는 것에 의해 무엇이 의미되는지를 인식하게 된다.
일 실시 예에서, 본 발명은, 자국난 이중가닥 DNA로부터 해리되는 단일 가닥 DNA의 짧은 가닥의 순서를 유지하는 장치를 제공하고, 이 장치는, 단일 가닥 DNA의 짧은 가닥들 내로 자국난 이중가닥 DNA를 해리하는 해리 구역; 단일 입구와 복수의 출구들 및 채널들의 세트 내의 안내 전극의 세트를 포함하고, 상기 입구로부터 상기 복수 개의 출구들 중 어느 하나로의 각각의 채널의 길이는 동일하고, 상기 입구는 상기 해리 구역의 하류이며, 상기 안내 전극들은 상기 채널들의 세트 내의 개별 채널로 각각의 올리고뉴클레오티드를 할당하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 해리 구역은 곧게 뻗은 상기 자국난 이중가닥 DNA를 위한 메카니즘을 포함한다. 다른 실시 예에서, 상기 메카니즘은 마이크로-필러(micro-pillars)들 또는 나노-필러(nano-pillars)들의 어레이를 포함한다. 또 다른 실시 예에서, 상기 메카니즘은 DNA 펌프를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 해리 구역은 가열원(heating source)을 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 해리 구역은 헬리카제(helicase)를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 채널들의 세트는 H-트리 구조를 가진다.
일 실시 예에서, 상기 장치는 상기 출구들 각각에 웰(well)을 포함한다.
일 실시 예에서, 본 발명은, 디지탈 PCR 용 장치를 제공하고, 이 장치는, 단일가닥 DNA의 짧은 가닥들 내로 자국난 이중가닥 DNA를 해리하는 해리 구역; 복수의 출구들과 단일 입구를 가지는 채널들의 세트; 상기 채널들의 세트 내에 존재하는 안내 전극들의 세트; 및 두 개의 측면을 포함하는 웰을 포함하고, 상기 입구로부터 상기 복수의 출구 중 임의의 하나로의 각 채널의 길이는 동일하고 상기 입구는 상기 해리 구역의 하류이며, 상기 안내 전극은 상기 채널들의 세트 내의 개별 채널로 각 올리고뉴클레오티드를 할당하고, 상기 두 개의 측면 중 하나는, 채널들의 세트의 출구와 각각 연결되는 웰들을 포함하고, 투명한 필름을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 해리 구역은 곧게 뻗은 상기 자국난 이중가닥 DNA을 위한 메카니즘을 포함한다. 일 실시 예에서, 상기 메카니즘은 마이크로-필러(micro-pillars)들 또는 나노-필러(nano-pillars)들의 어레이를 포함한다. 일 실시 예에서, 상기 메카니즘은 DNA 펌프를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 해리 구역은 가열원(heating source)을 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 해리 구역은 헬리카제(helicase)를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 채널들의 세트는 H-트리 구조를 가진다.
일 실시 예에서, 본 발명은, 이러한 본 발명의 장치를 로딩하는 방법을 제공하고, 이 방법은, 합성 오일로 채널들의 세트를 부분적으로 채우는 단계; 상기 채널들의 세트의 입구로 샘플 액체를 로딩하는 단계; 및 상기 샘플 액체를 상기 웰들로 공급하기 위해 추가 합성 오일을 펌핑하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 본 발명은 나노-포어 염기서열기(nano-pore sequencer)를 제공하고, 이 나노포어 염기서열기는, 상기 단일가닥 DNA의 짧은 가닥 내로 상기 자국난 이중가닥 DNA를 해리하는 해리 구역; 단일 입구와 복수의 출구들을 가지는 채널들의 세트; 상기 채널들의 세트 내에 존재하는 안내 전극들의 세트; 및 복수의 나노포어들을 포함하는 나노포어 어레이 웨이퍼(nanopore array wafer)를 포함하고, 상기 입구로부터 상기 복수 개의 출구들 중 어느 하나로의 각각의 채널의 길이는 동일하고, 상기 입구는 상기 해리 구역의 하류이며, 상기 안내 전극들은 상기 채널들의 세트 내의 개별 채널로 각각의 올리고뉴클레오티드를 할당하며, 상기 복수의 나노포어들 각각은 상기 복수의 출구들 중 하나에 연결되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 해리 구역은 곧게 뻗은 상기 자국난 이중가닥 DNA를 위한 메카니즘을 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 해리 구역은 가열원(heating source) 또는 헬리카제(helicase)를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 채널들의 세트는 H-트리 구조를 가진다.
일 실시 예에서, 본 발명은, 나노슬릿-기반 염기서열결정(nanoslit-based sequencing) 방법을 제공하고, 이 방법은 휴대용 분자 분석기 내의 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩으로부터 측정 데이터를 수신하는 단계; 및 상기 샘플 내의 분자들을 확인하기 위해 측정 데이터의 분석을 수행하고 분석하는 단계를 포함하고, 상기 측정 데이터는, 상기 휴대용 분자 분석기로 입력되는 분자들의 샘플과 관련되며, 상기 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩은 상기 분자들의 샘플의 하나 이상의 전기적 특성들을 측정하도록 구성되고, 내장된 감지 전극(embedded sensing electrodes)의 적어도 한 쌍을 각각 포함하는 복수의 나노슬릿들을 정의하는 나노슬릿 어레이 웨이퍼를 포함하고, 상기 내장된 감지 전극의 각 쌍은 상기 나노슬릿의 반대측 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩은 내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 사용하여 복수의 나노슬릿들 중 적어도 하나 내에서 저항의 변화, 정전 용량(capacitance)의 변화, 상(phase)의 변화, 전류의 변화를 감지하는 것을 통해 측정 데이터를 얻는다. 일 실시 예에서, 상기 전류는 터널링 전류(tunneling current)를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 복수의 나노슬릿들 각각은, 하나 이상의 나노 유체채널들과 하나 이상의 마이크로 유체채널들을 유체 연결된다.
일 실시 예에서, 상기 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩은 상기 나노슬릿을 통한 분자의 전위 속력을 제어하기 위해 내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 사용하여 전압 트래핑(voltage trapping)을 수행하는 것을 통해 측정 데이터를 얻는다.
일 실시 예에서, 상기 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩은 상기 나노슬릿을 통한 분자의 전위 동안 전기적 신호들을 검출하기 위해 내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 사용하여 교류(alternating current)를 적용하는 것을 통해 측정 데이터를 얻는다.
일 실시 예에서, 상기 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩은 상기 복수의 나노슬릿의 외부에 있는 전극들을 사용하여 복수의 나노슬릿들 중 적어도 하나에 전압 전위(voltage potential)를 적용하는 것을 통해 측정 데이터를 얻는다.
일 실시 예에서, 본 발명은 청구항 제1항의 염기서열결정 방법을 수행하기 위한 휴대용 분자 분석기를 제공하고, 이 분석기는, 샘플을 수신하도록 구성되는 샘플 수신기(sample intake); 및 샘플의 하나 이상의 전기적 특성을 측정하도록 구성되는 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩을 포함하고, 상기 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩은 상기 샘플 수신기와 유체 연결되고, 상기 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩은 내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 각각 포함하는 복수의 나노슬릿들을 정의하는 나노슬릿 어레이 웨이퍼를 포함하며, 상기 내장된 감지 전극들의 각 쌍들은 상기 나노슬릿의 반대측면들 상에 위치한다.
일 실시 예에서, 상기 복수의 나노슬릿 각각은 다른 물질로 구성되는 복수의 층을 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 내장된 감지 전극들의 각 쌍은 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 나노슬릿의 길이를 따라 동일한 깊이에 존재한다.
일 실시 예에서, 상기 복수의 내장된 감지 전극들은 적어도 하나의 나노슬릿의 적어도 두 개의 층 내에서 형성된다.
일 실시 예에서, 상기 복수의 내장된 감지 전극들은, 적어도 하나의 나노슬릿 내에서 저항의 변화, 정전 용량(capacitance)의 변화, 상(phase)의 변화, 전류의 변화를 감지하도록 구성된다.
일 실시 예에서, 상기 전류는 터널링 전류를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 휴대용 분자 분석기(portable molecule analyzer)는 상기 복수의 나노슬릿들의 적어도 하나 위에 상기 휴대용 분자 분석기를 부착하는 상부 전극(top electrode); 및 상기 적어도 하나의 나노슬릿 아래에 상기 휴대용 분자 분석기를 부착하는 하부 전극(bottom electrode)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 나노슬릿은 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이로 전기적 연결을 위한 경로를 제공한다.
일 실시 예에서, 상기 하부 전극 또는 상기 상부 전극은 집적 회로(integrated circuit)에 전기적으로 연결된다.
일 실시 예에서, 상기 집적 회로는 전압 바이어싱 체계(voltage biasing scheme) 또는 전류 감지 회로를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 나노슬릿-기반 염기서열결정 칩은 하나 이상의 마이크로 유체채널(microfluidic channel)과 하나 이상의 나노 유체채널(nanofluidic channel)에 각각 유체 연결되는 복수의 나노슬릿을 정의하는 나노슬릿 어레이 웨이퍼를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 하나 이상의 마이크로 유체채널은 하나 이상의 마이크로 유체채널에 따른 샘플을 안내하도록 구성되는 안내 전극들을 포함하거나 또는 상기 하나 이상의 나노 유체채널은 상기 하나 이상의 나노 유체채널에 따른 샘플을 안내하도록 구성되는 안내 전극을 포함한다.
일 실시 예에서, 본 발명은 염기서열결정 방법을 수행하는 휴대용 분자 분석기를 제공하며, 이 분석기는, 샘플을 수신하도록 구성되는 샘플 수신기(sample intake); 및 샘플의 하나 이상의 전기적 특성을 측정하도록 구성되는 나노포어-기반 염기서열결정 칩을 포함하고, 상기 나노포어-기반 염기서열결정 칩은 상기 샘플 수신기와 유체 연결되고, 상기 나노포어-기반 염기서열결정 칩은 내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 각각 포함하는 복수의 나노포어들을 정의하는 나노포어 어레이 웨이퍼를 포함하며, 상기 내장된 감지 전극들의 각 쌍들은 상기 나노포어의 반대측면들 상에 위치한다.
일 실시 예에서, 상기 나노포어-기반 염기서열결정 칩은, 측정 챔버로 향하는 샘플을 안내하는 하나 이상의 샘플 안내 전극들의 제1 세트; 측정 챔버로부터 멀어지는 샘플을 안내하는 하나 이상의 샘플 안내 전극들의 제2 세트; 복수의 나노포어를 포함하는 나노포어 어레이 웨이퍼; 상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 상측에 부착되는 상부 웨이퍼; 상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 하측에 부착되는 하부 웨이퍼; 상기 나노포어 어레이 웨이퍼와 상기 상부 웨이퍼에 의해 정의되는 하나 이상의 나노 유체채널; 상기 나노포어 어레이 웨이퍼와 상기 하부 웨이퍼에 의해 정의되는 하나 이상의 마이크로 유체채널; 및 복수의 측정 챔버들을 포함하고, 상기 복수의 측정 챔버들 각각은, 나노포어, 상부 구동 전극(top driving electrode) 및 하부 구동 전극(bottom driving electrode)을 포함하고, 또는 나노포어-기반 염기서열결정 칩은 상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 두께를 가로질러 절단하는 복수의 나노포어들과 유전 물질의 층을 샌드위치하는 두 개의 전도 물질의 층을 포함하는 나노포어 어레이 웨이퍼; 상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 상측에 부착되는 상부 웨이퍼; 상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 하측에 부착되는 하부 웨이퍼; 상기 나노포어 어레이 웨이퍼와 상기 상부 웨이퍼에 의해 정의되는 하나 이상의 나노 유체채널; 및 상기 나노포어 어레이 웨이퍼와 상기 하부 웨이퍼에 의해 정의되는 하나 이상의 마이크로 유체채널을 포함하고, 여기서, AC 감지 전류(AC sensing current)는 상기 복수의 나노포어들을 통해 전위되는 분자들의 정보를 얻기 위해 전도성 물질들의 두 층을 가로질러 인가된다.
"하나의 실시예 또는 "실시예"에 대한 이 명세서 전반에 걸친 참조는 실시예와 관련하여 설명된 특정 형상, 구 조 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다는 것이 명백하다. 따라서, 이는 본 명세 서의 다양한 부분에서 2 이상의 "몇몇 실시예" 또는 "하나의 실시예" 또는 "다른 실시예"는 동일한 실시예에 대해 모두 언급될 필요가 없다는 것이 강조되고 이해되어야 한다. 더욱이, 특정 형상, 구조 또는 특징은 본 발명의 하나 이상의 실시예에서 적절한 것으로서 결합될 수 있다. 더욱이, 본 발명이 여러 실시예에 대해 설명되었을지라도, 당업자라면 본 발명은 설명된 실시예로 한정되지 않음을 인식하게 된다. 본 발명의 실시예는 청구항의 범위 내에서 변경 또는 변형으로 실시될 수 있다. 따라서, 명세서 및 도면은 발명을 제한하는 대신 설명으로서 간주되어진다.

Claims (21)

  1. 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 방법에 있어서,
    휴대용 분자 분석기 내의 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩으로부터 측정 데이터를 수신하는 단계; 및
    샘플 내의 분자들을 확인하기 위해 측정 데이터의 분석을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 측정 데이터는,
    상기 휴대용 분자 분석기로 입력되는 분자들의 샘플과 관련되며,
    상기 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    상기 분자들의 샘플의 하나 이상의 전기적 특성들을 측정하도록 구성되고, 내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 각각 포함하는 복수의 깔대기 형태의 나노포어들을 정의하는 깔대기 형태의 나노포어 어레이 웨이퍼를 포함하고,
    상기 내장된 감지 전극들의 각 쌍은,
    상기 깔대기 형태의 나노포어의 반대측면 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    상기 내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 사용하여 복수의 깔대기 형태의 나노포어들 중 적어도 하나 내에서 저항의 변화, 정전 용량(capacitance)의 변화, 상(phase)의 변화 또는 전류의 변화를 감지하는 것을 통해 측정 데이터를 얻는 것을 특징으로 하는 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전류는,
    터널링 전류(tunneling current)를 포함하는 것을 특징으로 하는 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 깔대기 형태의 나노포어들 각각은,
    하나 이상의 나노 유체채널들 및 하나 이상의 마이크로 유체채널들과 유체 연결되는 것을 특징으로 하는 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    상기 깔대기 형태의 나노포어들을 통해 분자의 전위 속력을 제어하기 위해 내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 사용하여 전압 트래핑(voltage trapping)을 수행하는 것을 통해 측정 데이터를 얻는 것을 특징으로 하는 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    상기 깔대기 형태의 나노포어들을 통해 분자의 전위 동안 전기적 신호들을 검출하기 위해 내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 사용하여 교류(alternating current)를 인가하는 것을 통해 측정 데이터를 얻는 것을 특징으로 하는 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    상기 복수의 깔대기 형태의 나노포어들의 외부에 있는 전극들을 사용하여 복수의 깔대기 형태의 나노포어들 중 적어도 하나에 전압 전위(voltage potential)를 인가하는 것을 통해 측정 데이터를 얻는 것을 특징으로 하는 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전기적 특성들은,
    하나 이상의 턴-온 전압(turn-on voltage);
    전도도(conductance); 및
    상기 샘플 내의 상기 분자들을 가로지르는 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 방법.
  9. 제 1 항의 상기 염기서열결정 방법을 수행하기 위한 휴대용 분자 분석기에 있어서,
    샘플을 수신하도록 구성되는 샘플 수신기(sample intake);
    상기 샘플의 하나 이상의 전기적 특성을 측정하도록 구성되는 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩을 포함하고,
    상기 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    상기 샘플 수신기와 유체 연결되고,
    상기 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 각각 포함하는 복수의 깔대기 형태의 나노포어들을 정의하는 깔대기 형태의 나노포어 어레이 웨이퍼를 포함하며,
    상기 내장된 감지 전극들의 각 쌍들은,
    상기 깔대기 형태의 나노포어의 반대측면들 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 복수의 깔대기 형태의 나노포어 각각은,
    다른 물질로 구성되는 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 내장된 감지 전극들의 각 쌍은, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은, 상기 깔대기 형태의 나노포어의 길이를 따라 동일한 깊이에 존재하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 복수의 내장된 감지 전극들은,
    적어도 하나의 깔대기 형태의 나노포어의 적어도 두 개의 층 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 복수의 내장된 감지 전극들은,
    적어도 하나의 깔대기 형태의 나노포어 내에서 저항의 변화, 정전 용량(capacitance)의 변화, 상(phase)의 변화, 전류의 변화를 감지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전류는,
    터널링 전류(tunneling current)를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 휴대용 분자 분석기(portable molecule analyzer)는,
    상기 복수의 깔대기 형태의 나노포어들의 적어도 하나 위에 상기 휴대용 분자 분석기를 부착하는 상부 전극(top electrode); 및
    상기 적어도 하나의 깔대기 형태의 나노포어 아래에 상기 휴대용 분자 분석기를 부착하는 하부 전극(bottom electrode)을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 깔대기 형태의 나노포어는,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이로 전기적 연결을 위한 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 하부 전극 또는 상기 상부 전극은,
    집적 회로(integrated circuit)에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 집적 회로는,
    전압 바이어싱 체계(voltage biasing scheme) 또는 전류 감지 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  18. 제 9 항에 있어서, 상기 깔대기 형태의 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    하나 이상의 마이크로 유체채널(microfluidic channel)과 하나 이상의 나노 유체채널(nanofluidic channel)에 각각 유체 연결되는 복수의 깔대기 형태의 나노포어를 정의하는 깔대기 형태의 나노포어 어레이 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 마이크로 유체채널은, 하나 이상의 마이크로 유체채널에 따른 샘플을 안내하도록 구성되는 안내 전극들을 포함하거나, 또는
    상기 하나 이상의 나노 유체채널은, 상기 하나 이상의 나노 유체채널에 따른 샘플을 안내하도록 구성되는 안내 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  20. 염기서열결정 방법을 수행하는 휴대용 분자 분석기에 있어서,
    샘플을 수신하도록 구성되는 샘플 수신기(sample intake); 및
    상기 샘플의 하나 이상의 전기적 특성을 측정하도록 구성되는 나노포어-기반 염기서열결정 칩을 포함하고,
    상기 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    상기 샘플 수신기와 유체 연결되고,
    상기 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    내장된 감지 전극들의 적어도 한 쌍을 각각 포함하는 복수의 나노포어들을 정의하는 나노포어 어레이 웨이퍼를 포함하며,
    상기 내장된 감지 전극들의 각 쌍들은,
    상기 나노포어의 반대측면들 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
  21. 제 20 항의 상기 휴대용 분자 분석기에 있어서,
    상기 나노포어-기반 염기서열결정 칩은, 상기 나노포어-기반 염기서열결정 칩이고,
    상기 나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    측정 챔버로 향하는 샘플을 안내하는 하나 이상의 샘플 안내 전극들의 제1 세트;
    측정 챔버로부터 멀어지는 샘플을 안내하는 하나 이상의 샘플 안내 전극들의 제2 세트;
    복수의 나노포어를 포함하는 나노포어 어레이 웨이퍼;
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 상측에 부착되는 상부 웨이퍼;
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 하측에 부착되는 하부 웨이퍼;
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼와 상기 상부 웨이퍼에 의해 정의되는 하나 이상의 나노 유체채널;
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼와 상기 하부 웨이퍼에 의해 정의되는 하나 이상의 마이크로 유체채널; 및
    복수의 측정 챔버들을 포함하고,
    상기 복수의 측정 챔버들 각각은,
    나노포어,
    상부 구동 전극(top driving electrode) 및
    하부 구동 전극(bottom driving electrode)을 포함하거나; 또는
    나노포어-기반 염기서열결정 칩은,
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 두께를 가로질러 절단하는 복수의 나노포어들과 유전 물질의 층을 샌드위치하는 두 개의 전도 물질의 층을 포함하는 나노포어 어레이 웨이퍼;
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 상측에 부착되는 상부 웨이퍼;
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼의 하측에 부착되는 하부 웨이퍼;
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼와 상기 상부 웨이퍼에 의해 정의되는 하나 이상의 나노 유체채널; 및
    상기 나노포어 어레이 웨이퍼와 상기 하부 웨이퍼에 의해 정의되는 하나 이상의 마이크로 유체채널을 포함하고,
    AC 감지 전류(AC sensing current)는 상기 복수의 나노포어들을 통해 전위되는 분자들의 정보를 얻기 위해 전도성 물질들의 두 층을 가로질러 인가되는 것을 특징으로 하는 휴대용 분자 분석기.
KR1020197012787A 2016-10-03 2017-10-02 분자의 식별 및 분석을 위한 장치 및 방법. KR102446129B1 (ko)

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KR1020227031649A KR102662994B1 (ko) 2016-10-03 2017-10-02 분자의 식별 및 분석을 위한 장치

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