KR20220145813A - 분자 일렉트로닉스를 위한 조작된 dna - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노센서, 분자 규모 트랜지스터, FET 디바이스, 분자 모터, 로직 및 메모리 디바이스 및 바이오폴리머의 식별 및/또는 시퀀싱을 위한 나노갭 전자 측정 디바이스와 분자 일렉트로닉스에서 사용하기 위한 조작된 핵산 염기에 관한 것이다.

Description

분자 일렉트로닉스를 위한 조작된 DNA
본 출원은 2019년 11월 20일에 출원된 미국 가출원 제62/938,084호의 우선권을 주장하며, 상기 가출원의 전체 개시내용은 본원에 참조로 포함된다.
분야
본 발명은 나노센서, 분자 규모 트랜지스터, FET 디바이스, 분자 모터, 로직 및 메모리 디바이스, 바이오폴리머의 식별 및/또는 시퀀싱을 위한 나노갭 전자 측정 디바이스 등과 같은 분자 일렉트로닉스에서 사용하기 위한 조작된 핵산 염기에 관한 것이다.
극자외선(EVL)과 같은 차세대 리소그래피(NGL) 기술은 대량 제조로 10nm 이하 공정을 가능하게 한다.1 EVL이 7 nm 노드를 위해 준비됨으로써 공정이 최첨단 193-nm 침지 리소그래피보다 더 저렴하고 빨라진다. 5 nm 노드 공정도 NGL로 가능하다. 종래의 마이크로칩 제조는 에너지 및 자원 집약적이다. 따라서, 이러한 비용을 감소시키는 임의의 새로운 제조 접근법의 발견은 반도체 산업에 매우 유익할 것이다.
앞서 언급한 반도체 산업의 발전은 단일 유기 분자로부터 트랜지스터와 같은 10 nm 이하 전자 부품의 '상향식' 조립을 위한 길을 열어준다.2 DNA는 이의 균일한 1차원 구조(약 2 nm 직경), 왓슨-크릭(Watson-Crick) 염기쌍 형성 규칙(G와 C의 염기쌍 및 A와 T의 염기쌍)을 통한 프로그램 가능한 자가 조립 및 옹스트롬 정확도로 나노미터부터 마이크로미터에 이르는 범위로 조정 가능한 길이로 인해 단일-분자 일렉트로닉스에 가장 매력적인 분자 중 하나이다. 따라서, DNA는 분자 일렉트로닉스를 구축하기 위한 이상적인 나노물질로서 연구되었다. 그러나, DNA에서 전하 수송에 대한 초기 측정은 DNA가 절연체,3-6 반도체,7,8 또는 금속-유사 전도체9,10로서 작용한다는 것을 보여주었다. DNA 구조가 이의 주변 환경에 따라 변하는 다형성임을 알고 있으므로, 이러한 모순된 관찰은 측정된 샘플(구조, 서열, DNA 길이 등), 측정 환경 및 방법11에 의해 야기될 수 있다. 지난 15년 동안 단일 분자 기술의 발전은 단일 분자 전도성 측정을 용이하게 하였다. 예를 들어, 단일 분자 절단 접합(single molecule break junction) 기술은 수용액 중에서 단일 분자의 전도성을 반복적으로 측정할 수 있도록 하였다. TG8C8A의 DNA 이중체(duplex)는 30 내지 50 mV의 바이어스 하에 약 72 nS의 측정된 전도도(conductance)를 갖는다.12 짧은 DNA는 1차원 반도체이고 DNA는 40 nm보다 긴 길이 규모6,13에서 절연된다는 것에는 의견이 일치한다. DNA의 전도도는 전기화학적으로 게이트되고14 인터칼레이터에 의해 교정될 수 있다.15 본질적으로, T-A 염기쌍은 DNA 분자에서 G-C 염기쌍보다 덜 전도성이고, 미스매치된 염기쌍도 DNA의 전도성을 변화시킨다16. DNA의 전도성은 AT 염기쌍의 길이에 따라 기하급수적으로 감소하고 G-C 염기쌍의 길이에 따라 1/L씩 감소한다.17 따라서, AT 염기쌍은 금 및 백금과 같은 귀금속 전극을 사용하여 전도성을 측정할 때 DNA를 통한 전자 수송의 장벽 역할을 한다. 이러한 금속 전극은 핵염기의 LUMO 에너지보다 HOMO 에너지에 더 가까운 일 함수를 가짐으로써, 정공 주입을 위한 양극으로서 작용한다.18 염기 G는 이들 천연 발생 핵염기 중에서 가장 낮은 이온화 전위를 가지며 확실히 강력한 정공 수용체이다.18 호핑 모델(hopping model)에서, G는 DNA 전도를 위한 호핑 부위이다.19,20 이러한 동적 장애가 정공 전달에 유익할 수 있다는 것을 유념한다. 이것은 전파되는 정공과 정공 공여체의 음이온 사이의 정전기적 상호작용에 의해 형성된 장벽을 전하 캐리어가 극복하는 데 도움이 된다.21
전극에 대한 DNA의 접촉은 또한 측정된 전도도에 상당히 영향을 미친다.22 와그너(Wagner)와 동료들은 DNA를 금 전극에 연결하기 위한 앵커로서 풀러렌(C60)을 사용하였다.23 그들은 0 내지 1 V의 바이어스 하에 나노 암페어 범위의 전류 강도를 가지는 66.7%의 GC 염기쌍을 포함하는 DNA 분자에서 20 nm 초과의 장거리 전하 수송을 관찰하였다. 그러나, 풀러렌은 C6 알킬 사슬을 통해 DNA에 접합되었고, 이는 메틸렌기당 1.0의 붕괴 상수(β)를 갖는 높은 터널링 장벽을 나타낸다.
일반적으로, DNA는 포스포디에스테르 결합을 통해 함께 연결된 4개의 데옥시리보뉴클레오시드인 데옥시아데노신(dA), 데옥시시티딘(dC), 데옥시구아노신(dG) 및 티미딘(T)으로 이루어진 거대분자이다. 이는 화학적 또는 효소적으로 합성할 수 있어 다양한 변형으로 DNA를 조작할 수 있도록 한다. 구아닌-시토신(G:C) 염기쌍만을 포함하는 균질한 서열은 전하 수송을 위한 비교적 높은 정공 이동성을 나타내지만, 이들 서열을 긴 사슬 및 높은 순도로 합성하는 것은 어렵다. 게다가, GC 풍부 DNA는 원하지 않는 2차 및 4중 구조를 형성하는 경향이 있다.
도 1은 본 발명에서 조작된 DNA의 일반적인 구조를 예시한다.
도 2는 DFT 계산에 의해 결정된 5-프로페닐 데옥시우리딘(101) 및 이의 천연 대응물인 티미딘의 HOMO 및 LUMO 구조를 도시한다.
도 3은 DFT 계산에 의해 결정된 8-(3-머캅토프로피닐)-데옥시구아노신(201) 및 이의 모 뉴클레오시드 데옥시구아노신의 HOMO 및 LUMO 구조를 도시한다.
도 4는 DFT 계산에 의해 결정된 7-프로페닐-7-데아자-데옥시아데노신(301) 및 이의 모 뉴클레오시드 데옥시구아노신의 HOMO 및 LUMO 구조를 도시한다.
도 5는 표준(canonical) DNA 염기와 변형된 염기 사이의 염기쌍의 수소 결합 패턴뿐만 아니라 이들의 HOMO 및 LUMO 구조를 도시한다.
도 6은 (a) 금속 전극에 연결된 DNA 이중체-1의 입체배치 및 이의 투과 스펙트럼(표 5에 열거됨), (b) 금속 전극에 연결된 DNA 이중체-2의 입체배치 및 이의 투과 스펙트럼(표 5에 열거됨)을 도시한다.
도 7은 DNA 이중체-1 및 이중체-2의 I-V 곡선 및 이들의 미분 전도도(differential conductance) 스펙트럼을 나타낸다.
도 8은 금속 전극에 연결된 DNA 이중체-3(표 5에 열거됨)의 입체배치(a) 및 이의 투과 스펙트럼(b), DNA 이중체-1과 이중체-3 둘 다의 I-V 곡선(c) 및 이들의 미분 전도도 스펙트럼(d)을 도시한다.
도 9는 금속 전극에 연결된 DNA 이중체-4(표 5에 열거됨)의 입체배치(a), 이의 투과 스펙트럼(b), DNA 이중체-1과 이중체-4 둘 다의 I-V 곡선(c) 및 이들의 미분 전도도 스펙트럼(d)을 도시한다.
도 10은 금속 전극에 연결된 DNA 이중체-5(표 5에 열거됨)의 입체배치(a), 이의 투과 스펙트럼(b), DNA 이중체-1과 이중체-2뿐만 아니라 이중체-5의 I-V 곡선(c) 및 이들의 미분 전도도 스펙트럼(d)을 도시한다.
도 11은 금속 전극에 연결된 DNA 이중체-6의 입체배치(a), 이의 투과 스펙트럼(b), DNA 이중체-6과 이중체-2 둘 다의 I-V 곡선(c) 및 이들의 미분 전도도 스펙트럼(d)을 도시한다.
도 12는 금속 전극에 연결된 DNA 이중체-7의 입체배치(a), 이의 투과 스펙트럼(b), DNA 이중체-7과 이중체-5 둘 다의 I-V 곡선(c) 및 이들의 미분 전도도 스펙트럼(d)을 도시한다.
발명의 개요
본 발명은, 도 1a에 도시된 바와 같이, DNA 이중체의 가닥 또는 가닥들에서 나타나는 변형된 핵염기로 조작된 DNA를 제공한다. 변형된 염기는 DNA의 전도도를 개선하고 이의 염기쌍 형성 특이성을 유지한다. 조작된 DNA는 분자 전자 회로, 나노센서 및 기타 나노규모 전자 디바이스의 구성 요소로서 사용될 수 있다. 조작된 DNA는 나노갭을 브릿징하기 위해 전극에 부착시키기 위한 말단의 분자 앵커(도 1b의 B1) 및/또는 화학적 및 생물학적 감지를 위해 사용되는 다른 화학 및 생물학적 분자와의 접합을 위한 작용기(도 1c의 Bclick)를 포함한다. 이러한 변형들은 화학적 또는 효소적 합성에 의해 DNA 내로 쉽게 통합될 수 있다.
조작된 DNA는 자연 발생의, 합성된 또는 변형된 DNA, RNA, 단백질, 폴리펩티드, 올리고뉴클레오티드, 폴리사카라이드 및 이들의 유사체 등을 식별 및/또는 시퀀싱하기 위한 나노구조 또는 나노갭 디바이스를 포함하여, 특허 출원 US20170044605A1, US20180305727A1 및 또한 가특허 출원 US62794096, US62812736, US62833870, US62890251, US62861675 및 US62853119에 개시된 디바이스와 같지만 이에 제한되지 않는 바이오폴리머의 식별 및/또는 시퀀싱을 위한 나노갭 전자 측정 디바이스에서 사용될 수 있다. 상기 특허 출원들에 개시된 이러한 디바이스들의 화학적 또는 감지 프로브는, 네이티브, 돌연변이된, 발현된 또는 합성된, 핵산 프로브, 분자 핀셋, 효소, 수용체, 리간드, 항원 및 항체, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 효소는 자연 발생의, 돌연변이된 또는 합성된, DNA 폴리머라제, RNA 폴리머라제, DNA 헬리카제, DNA 리가제, DNA 엑소뉴클레아제, 역전사효소, RNA 프리마제, 리보솜, 수크라제, 락타제 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 먼저 DNA 조작을 위한 변형된 뉴클레오시드 및 이들의 포스포르아미다이트, 5-알케닐-2'-데옥시우리딘을 제공한다. 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 이들 화합물은 문헌25에 공개된 절차에 따라 합성되며, 여기서 R은 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, 부틸, 이소-부틸, 3급-부틸, 사이클로프로필, 사이클로헥실과 같지만 이에 제한되지 않는 알킬기, 또는 트리플루오로메틸과 같은 할로겐화 알킬, 및 또한 벤젠, 5원 헤테로사이클 및 이들의 유도체와 같은 방향족 고리이다.
[반응식 1]
Figure pct00001
본 발명의 일부 실시양태에서, DNA는 티미딘을 하기에 나타낸 바와 같은 화학 구조를 갖는 변형된 우리딘(101)(Um으로 표시됨)으로 대체함으로써 조작된다:
Figure pct00002
구체적으로, 뉴클레오시드(101)은 이의 탄소 5에 프로페닐기가 부착된 2'-데옥시우리딘의 유도체이며, 여기서 프로페닐기의 이중 결합은 E 입체배치를 갖는다. 뉴클레오시드(101)은 화학적 합성에 의한 DNA 내로의 이의 통합을 위해 포스포르아미다이트(102)로 전환된다(반응식 2).
[반응식 2]
Figure pct00003
절차 (i): 뉴클레오시드(101)을 건조 피리딘과의 반복적인 공증발에 의해 건조시키고 무수 피리딘에 용해시킨 후, 4,4'-디메톡시트리틸 클로라이드, 4-디메틸아미노피리딘 및 새로 증류된 트리에틸아민을 첨가한다. 용액을 질소 분위기 하에 교반하고, 유리 뉴클레오시드가 없을 때까지 TLC(CHCl3/에탄올 10:1)에 의해 조 반응 혼합물을 분석하여 모니터링하였다. 반응 혼합물을 물을 적가하여 켄칭(quench)하고 에틸 에테르로 추출(3×40ml)한다. 유기층을 합하고, Na2SO4로 건조시키고, 여과하고, 감압 하에 유성 잔사로 증발시켰다. 생성물(101-DMTr)을 실리카겔 상에서 컬럼 크로마토그래피를 사용하여 잔사로부터 분리한다.
절차 (ii): 뉴클레오시드(101-DMTr)를 진공에서 아세토니트릴과의 3회 반복 공증발에 의해 건조시키고 무수 CH2Cl2에 용해시킨다. 상기 용액에 2-시아노에틸 N,N,N',N'-테트라이소프로필포스포로디아미다이트와 함께 디이소프로필암모늄 테트라졸리드를 첨가하였다. 용액을 주위 온도에서 질소 하에 가끔씩 부드럽게 와류(swirling)시키면서 방치하고, 출발 물질이 완전히 없을 때까지 TLC로 모니터링하였다. 반응 혼합물을 0℃로 냉각시키고 메탄올/0.5% TEA를 적가하여 켄칭시킨다. 용액을 감압 하에 유성 잔사로 증발시켰다. 잔사를 CH2Cl2에 용해시키고 NaHCO3의 포화 용액으로 2회 세척하고 Na2SO4로 건조시키고 감압 하에 유성 잔사로 증발시킨다. 생성물(102)를 헥산/에틸 아세테이트/TEA(1%)로 용출시키면서 크로마토그래피로 정제하였다.
밀도 기능 이론(density function theory: DFT)에 의한 계산은 변형된 데옥시우리딘(101)(U m )이 0 eV를 최고점으로서 참조할 때 더 높은 HOMO 및 더 낮은 LUMO 에너지를 가짐으로써, 이의 모 뉴클레오시드 데옥시티미딘과 비교하여 HOMO와 LUMO 사이의 더 작은 에너지 갭을 초래함을 나타낸다(표 1). 도 2는 이들 뉴클레오시드의 HOMO와 LUMO 둘 다가 이들의 핵염기에 위치한다는 것을 도시한다. 변형된 염기 Um은 천연 염기 T보다 더 높은 HOMO 및 더 낮은 LUMO를 갖는다.
Figure pct00004
일 실시양태에서, Um은 자동화 DNA 합성기에 의해 DNA 내로 화학적으로 통합된다. 하나의 예시적인 서열은 5'-CGCGU m CGCG201이며, 이는 또한 금속 전극에의 부착을 위한 변형된 구아노신(201)(G201 또는 201G로 표시됨)을 이의 3'-말단에 포함한다. 변형된 G201은 선행 기술 방법26에 따라 합성되는 이의 포스포르아미다이트 유도체(202)를 통해 DNA 내로 통합될 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 뉴클레오시드(201) 및 이의 모 뉴클레오시드 데옥시구아노신의 HOMO 및 LUMO는 DFT 계산에 의해 결정되고 표 2에 열거되어 있다. 도 3은 각각의 핵염기에 위치하는 이들 뉴클레오시드의 HOMO 및 LUMO를 도시한다. 더욱이, 변형은 HOMO 에너지 준위를 변화시키지 않는다. 그런데도, 변형은 LUMO 에너지 준위를 낮추는데, 이는 변형된 구아닌이 전극으로부터 정공 주입을 위해 천연의 구아닌과 동일하거나 더 우수한 효율을 가져야 함을 암시한다.
Figure pct00005
본 발명의 일부 실시양태에서, DNA는 데옥시아데노신을 하기에 나타낸 바와 같은 화학 구조를 갖는 변형된 데옥시아데노신(301)(A m 로 표시됨)으로 대체함으로써 조작된다. 반응식 3에 나타낸 바와 같이, 먼저 스즈키 커플링(Suzuki coupling) 반응(반응 i)27을 실행하여 뉴클레오시드(301)를 합성한 다음, (301)의 아미노기를 벤조일기로 보호하고(반응 ii),28 이를 이어서 섹션 [0011]에 설명된 것과 동일한 방식으로 이의 상응하는 포스포르아미다이트로 전환시킨다(반응 iii). 구조 내의 메틸(CH3)기는 에틸, 프로필, 이소-프로필, 부틸, 이소-부틸, 3급-부틸, 사이클로프로필, 사이클로헥실과 같지만 이에 제한되지 않는 다른 알킬기, 또는 트리플루오로메틸과 같은 할로겐화 알킬, 또는 벤젠, 5원 헤테로사이클 및 이들의 유도체와 같지만 이에 제한되지 않는 방향족 고리로 치환될 수 있다.
[반응식 3]
Figure pct00006
DFT 계산은 변형된 데옥시아데노신(301)(A m )이 더 높은 HOMO 및 더 낮은 LUMO 에너지를 가짐으로써, 천연 발생 모 데옥시아데노신과 비교하여 HOMO와 LUMO 사이의 더 작은 에너지 갭을 초래함을 나타낸다(표 2). 도 4는 각각의 핵염기에 위치한 이들 뉴클레오시드의 HOMO와 LUMO를 도시한다.
Figure pct00007
표 4는 천연 발생 왓슨-크릭 염기쌍뿐만 아니라 변형된 A(A m )와 T의 염기쌍 형성 및 A와 변형된 U(U m )의 염기쌍 형성을 포함하는, DFT 계산에 의해 결정된 수소결합 염기쌍의 분자 오비탈 에너지를 열거한 것이다. 상기 뉴클레오시드들의 HOMO 및 LUMO는 이들의 각각의 핵염기에 위치하기 때문에, 이들 염기쌍에 대한 DFT 계산의 CPU 시간을 감소시키기 위해 이들의 당 고리는 메틸 그룹으로 대체된다(도 5). 도 5에 도시된 바와 같이, 모든 HOMO는 퓨린 고리에 위치하고 LUMO는 이들 상기 염기쌍에 대해 피리미딘 고리에 위치한다. 이들의 HOMO 및 LUMO의 에너지 준위는 표 4에 열거되어 있다. A:T 염기쌍과 비교하여, A m :T는 더 높은 HOMO 에너지 준위 및 유사한 LUMO 준위를 갖고; 대조적으로, A:U m 은 더 낮은 LUMO 에너지 및 유사한 HOMO 준위를 갖는다. 대조적으로, A m :U m 은 A:T 염기쌍보다 더 높은 HOMO와 더 낮은 LUMO 전위 둘 다를 갖는다. C:G 염기쌍과 비교하여, A m :T는 더 높은 LUMO 에너지 준위 및 유사한 LUMO 준위를 갖고; A:U m 은 더 낮은 HOMO 및 더 낮은 LUMO 준위를 갖고; A m :U m 은 더 낮은 LUMO 준위 및 유사한 HOMO 준위를 갖는다. 게다가, 이들 염기쌍의 쌍극자 모멘트는 천연의 A:T 염기쌍에 비해 증가되고, 이는 인접 염기쌍들 사이의 염기 적층 상호작용을 증가시킬 수 있다.
Figure pct00008
본 발명에서, DNA의 전도도는 나노규모 디바이스29-33를 통한 전자 수송을 모델링하기 위한 이론적 프레임워크인 비평형 그린 함수 형식(Non-Equilibrium Green's Functions formalism: NEGF)를 사용하여 결정된다. 먼저, 산란 영역을 통해 전파됨으로써 에너지 E에서 좌측 전극으로부터 우측 전극으로 전하가 수송될 확률을 설명하는 투과 함수 T(E)가 계산된다. 투과 함수를 이용하면, 란다우어-버티커(Landauer-Buttiker) 형식을 사용하여 전극들 사이에 인가된 소정의 전기 바이어스 전압에 대한 전류가 계산된다(S. Datta, Electronic Transport in Mesoscopic Systems, Cambridge University Press, Cambridge, 1995).
Figure pct00009
상기 식에서, f(E)는 소정의 전자 온도에 대한 페르미-디랙 분포 함수이고 화학 전위 μ s , μ D 는 각각 Ef+V 및 Ef이다. Ef는 각 전극의 페르미 준위이다(일반적으로 소스 및 드레인에 대해 동일).
일부 실시양태에서, DNA 이중체는 그 중간에 염기쌍 X를 갖는 회문 서열 5'-CGCG-X-CGCG를 포함한다(표 5). 이중체-1 및 이중체-2의 경우, X는 각각 표준 A:T 및 C:G 염기쌍이다. 이중체의 나머지에서, X는 A m :T, A m :U m 또는 U m :A이다. 이들 변형된 염기는, 도 5에 도시된 바와 같이, 천연 발생 염기와 함께 및 그들 자체 사이에 표준 왓슨-크릭 수소-결합된 염기쌍을 형성할 수 있다. 이들 염기쌍에서, 이들의 HOMO는 주로 퓨린 염기에 위치하고 LUMO는 피리미딘 염기에 위치한다. 이러한 이중체 각각은 금속 전극(이 경우에는 금)에 부착시키기 위해 3'-말단에 변형된 G(이 경우에는 201G)를 보유한다. 전류 흐름을 위해, 정공은 이것이 연결된 전극을 통해 구아닌에 주입되고; 그 다음, 전하는 DNA 와이어를 통해 다른 전극으로 수송된다.
Figure pct00010
일 실시양태에서, 이중체-1과 이중체-2 둘 다는, 도 6에 도시된 바와 같이, 이들의 말단에서 구아닌을 통해 2개의 전극에 각각 부착된다. 이중체-1 및 이중체-2를 통한 전자 수송의 투과 스펙트럼은 상기 언급한 계산에 의해 결정되었다. 결국, 이들의 전도도 역시 상기 언급한 방법에 의해 투과 스펙트럼으로부터 도출된다. 이들 이중체에 대한 I-V 곡선은 도 7a에 도시된 바와 같이 0 내지 3 V의 범위에서 생성된다. 첫째, 이중체-1과 이중체-2 둘 다는 오로지 천연 핵염기만을 포함하며 이들 사이의 유일한 차이점은 이들의 서열의 중간에 있는 염기쌍뿐이다. 결과는 이중체-2가 0에 가까운 바이어스(약 0 내지 0.25 v)에서 이중체-1보다 약간 더 전도성임을 보여주며, 이는 AT 염기쌍이 DNA 분자의 전도성을 감소시키기 때문에 문헌에 보고된 것과 일치한다. 0.5 내지 2.0 V 범위의 바이어스에서, 이중체-2는 이중체-1보다 덜 전도성이 된다. 전압 바이어스가 더 증가함에 따라, 이중체-2는 다시 이중체-1보다 더 전도성이 된다. 도 7b는 이중체-1과 이중체-2의 미분 전도도 곡선을 도시한다. 이들의 전이는 상이한 전압 바이어스에 위치하며, 이는 이들이 상이한 국소 상태 밀도(local density of state: LDOS)를 갖는다는 것을 반영한다.
다른 실시양태에서, A m (301)이 이중체-1의 핵염기 A를 대체하는 이중체-3의 전도도는 섹션 [0031]의 상기 방법에 의해 결정되었다. 이중체-3은 이중체-1 및 이중체-2(도 8a)와 동일한 방식으로 금 전극에 연결되고, 이를 통해 도 8b에 도시된 바와 같이 이의 투과 스펙트럼이 계산된다. 도 8c에 도시된 바와 같이, 핵염기 A에 대한 변형은 낮은 바이어스 범위에서 DNA 이중체의 전도성을 상당히 감소시킨다. 전압 바이어스가 증가함에 따라, 이중체-1과 이중체-3 둘 다의 전도도는 유사한 속도로 증가하여 이들의 제1 안정기(plateaus)에 도달한다. 곧, 이중체-3은 이전과 동일한 속도로 이의 전도도가 증가하여 제2 안정기를 갖는다. 대조적으로, 이중체-1은 1 내지 2 V의 범위에서 이의 전도도를 변경하지 않고 유지한 다음, 이전과 유사한 속도로 증가하여 제2 안정기에 도달한다. 결과적으로, 이들 두 DNA 이중체 사이의 전도도 차이는 낮은 바이어스보다 높은 바이어스에서 훨씬 작아진다. 이러한 결과는 미분 전도도(도 8d)에도 반영되며, 여기서 이중체-3은 이중체-1보다 훨씬 큰 동적 범위를 갖는다.
일 실시양태에서, A m :U m 이 이중체-1의 A:T 염기쌍을 대체하는 이중체-4의 전도도는 섹션 [0031]의 상기 방법에 의해 결정되었다. 이중체-4는 이중체-1과 동일한 방식으로 금 전극에 연결된다(도 9a). 입체배치에 기반하여, 이중체-4의 투과 스펙트럼이 계산되고 도 9b에 도시되어 있으며, I-V 곡선은 도 9c에 도시되어 있다. 비교를 위해, 이중체-1의 I-V 곡선도 도 9c에 포함된다. 전반적으로, 이중체-4는 이중체-1보다 더 전도성이다. 특히, 이중체-4는 낮은 바이어스에서 이중체-1보다 5.8×102배 높은 전도도를 갖는다. 이들의 미분 전도도(도 9d)로부터, 두 이중체 모두의 전도도는 전압 바이어스에 따라 증가한다; 그러나, 이중체-4는 낮은 바이어스 범위에서 이중체-1보다 더 빨리 피크에 도달한다. 그 다음, 더 높은 바이어스 범위에서, 이중체-1은 이중체-4보다 더 빨리 높은 피크에 도달한다. 이러한 결과는 염기쌍 변형이 DNA의 전도도를 증가시킨다는 것을 보여준다.
일 실시양태에서, U m :A 염기쌍이 이중체-2의 C:G 염기쌍을 대체하는 이중체-5의 전도도는 섹션 [0031]의 상기 방법에 의해 결정되었다. 이중체-5는 이중체-2와 동일한 방식으로 금 전극에 연결된다(도 10a). 입체배치에 기반하여, 이중체-5의 투과 스펙트럼이 계산되고 도 10b에 도시되어 있으며, I-V 곡선은 도 10c에 도시되어 있다. 비교를 위해, 이중체-1 및 이중체-2의 I-V 곡선도 도 10c에 포함된다. 데이터는 이중체-5의 전도도가 0 내지 2 V의 바이어스 범위에서 이중체-1의 전도도보다 10배 더 높고 이중체-2의 전도도보다 4배 더 높을 수 있음을 보여주며, 이는 U m :A 염기쌍이 천연 발생 A:T 및 C:G 염기쌍과 비교하여 DNA의 전도성을 증가시킴을 나타낸다. 더 높은 바이어스(> 2 V)에서, 천연 발생 염기쌍은 변형된 U m :A 염기쌍보다 더 전도성이 된다. 따라서, 변형된 염기를 낮은 전압 작동에서 사용하여 DNA의 전도성을 증가시킬 수 있다. 또한, 이중체-5의 전도도는 감지를 위해 더 높은 감도를 제공할 수 있는 0.3 V에서 가장 많이 변화된다(도 10d).
일 실시양태에서, 이중체-2의 내부 C:G 염기쌍은 A:U m 염기쌍으로 완전히 대체되었으며, 이는 하기와 같은 형태를 갖는 이중체-6을 구성한다:
5'-C-A-U m -A-U m -A-U m -A-G201
201G-U m -A-U m -A-U m -A-U m -C-5'
이중체-6은 이중체-2와 동일한 방식으로 금 전극에 연결된다(도 11a). 입체배치에 기반하여, 이의 전도도는 섹션 [0031]에 설명된 상기 방법에 의해 계산되었다. 먼저, 이의 투과 스펙트럼이 계산되고 도 11b에 도시되어 있으며, 이의 I-V 곡선은 도 11c에 도시되어 있다. 비교를 위해, 이중체-2의 I-V 곡선도 도 11c에 포함된다. 데이터는 이중체-6이 0 내지 2 V의 바이어스 범위에서 이중체-2보다 30 내지 70배 더 전도성이라는 것을 보여준다. 하나의 U m :A 염기쌍이 이중체-2의 중간 C:G를 대체하는 이중체-5와 비교하여, 다수의 U m :A 치환은 어느 정도 시너지 효과를 생성한다. 그러나, 이중체-2는 높은 전압 바이어스(>2.0)에서 이중체-6보다 더 전도성이다. 따라서, DNA 분자의 전도도는 G:C 염기쌍을 변형된 U m :A 염기쌍으로 대체함으로써 변경될 수 있다. 도 11d는 이들 두 이중체가 상이한 전이 상태를 가지며 이들의 제1 전이가 유사한 위치(약 0.2 V)에서 발생함을 도시한다. U m :A 염기쌍은 2개의 수소 결합을 형성함으로써 서로 상호작용하는 반면, G:C 염기쌍은 3개의 수소 결합을 형성함으로써 상호작용한다. 결과적으로, 이중체-6은 이중체-2보다 더 가요성이고 감지를 위해 외부 자극에 더 민감해야 한다. 그러나, 이중체-2는 미분 전도도로 나타난 바와 같이 이중체-6보다 더 뚜렷한 전이 상태를 갖는다(도 11d).
일부 실시양태에서, 본 발명은 또한 DNA를 금속 전극에 부착시키기 위한 변형된 구아노신(401)(G401 또는 401G로 표시됨)을 제공한다. Gm과 동일한 방식으로, 변형된 G 401 은 선행 기술 방법에 따라 합성되는 디설파이드 형태를 갖는 포스포르아미다이트 유도체(402)를 통해 DNA 내로 통합될 수 있다. 디설파이드는 사용 전에 금속 전극에 부착시키기 위해 티올로 환원될 수 있다.
일 실시양태에서, 이중체-7은 이중체-5의 G201을 G401로 대체하여 합성되었으며, 이는 하기에 나타낸 바와 같은 이중체를 형성한다:
Figure pct00011
5'-CGCG- A m -CGCG 401
401 GCGC-T-GCGC-5'
이중체-7은 이중체-5와 동일한 방식으로 금 전극에 연결된다(도 12a). 입체배치에 기반하여, 이의 전도도는 섹션 [0031]에 설명된 상기 방법에 의해 계산된다. 먼저, 이의 투과 스펙트럼이 계산되고 도 12b에 도시되어 있으며, 이의 I-V 곡선은 도 12c에 도시되어 있다. 낮은 전압 바이어스(0 내지 1 V)에서, 이중체-5는 이중체-7보다 100배 정도 더 전도성이다. 그러나, 이중체-7은 높은 전압 바이어스에서 이중체-5보다 5배 더 전도성이다. 게다가, 이중체-7은 전압이 0.7 V보다 높을 때 이중체-5보다 높은 미분 전도도를 갖는다.
본 발명은 DNA의 조작을 위한 5-알케닐-2'-데옥시시티딘 및 이의 포스포르아미다이트를 제공한다. 이들 화합물은 반응식 4에 나타낸 바와 같이 합성되며, 여기서 R은 알킬기, 예를 들어 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, 부틸, 이소-부틸, 3급-부틸, 사이클로프로필, 사이클로헥실이지만 이에 제한되지 않거나, 트리플루오로메틸과 같은 할로겐화 알킬이다. 또한, R은 벤젠, 5원 헤테로사이클 및 이들의 유도체와 같은 방향족 고리이다.
[반응식 4]
Figure pct00012
본 발명은 하기 나타낸 바와 같은 DNA의 염기쌍 형성을 위해 5-알케닐-2'-데옥시시티딘에 상보적인 7-데아자-7-알케닐-2'-데옥시구아노신을 제공하며, 여기서 R은 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, 부틸, 이소-부틸, 3급-부틸, 사이클로프로필, 사이클로헥실이지만 이에 제한되지 않거나, 트리플루오로메틸과 같은 할로겐화 알킬이다. 또한, R은 벤젠, 5원 헤테로사이클 및 이들의 유도체와 같은 방향족 고리이다. 이러한 화합물은 섹션 [0025]에 언급된 방법에 따라 합성된다.
Figure pct00013
본 발명은 변형을 DNA 내로 효소적으로 통합하기 위한, B가 상기 언급된 변형된 핵염기인 하기에 나타낸 바와 같은 뉴클레오시드 트리포스페이트를 제공한다. 효소는 주형의 존재 또는 부재 하에 DNA 사슬을 연장할 수 있는 DNA 폴리머라제이다.
일부 실시양태에서, 본 개시내용에서 논의된 상기 방법 또는 반응식을 사용하여 변형된 하나 이상의 핵염기
Figure pct00014
를 갖는 조작된 DNA는 특허 출원 US20170044605A1, US20180305727A1 및 또한 가특허 출원 US62794096, US62812736, US62833870, US62890251, US62861675 및 US62853119에 개시된 디바이스와 같지만 이에 제한되지 않는, 바이오폴리머의 식별 및/또는 시퀀싱을 위한 나노갭 전자 측정 디바이스에서 사용될 수 있다. 구체적으로, 조작된 DNA는 2개의 전극을 포함하는 나노갭을 브릿징하기 위해 나노와이어(또는 분자 와이어)로서 또는 나노와이어 또는 나노구조의 일부로서 사용될 수 있으며, 상기 전극들 사이의 거리는 3 nm 내지 1 ㎛, 바람직하게는 5 nm 내지 100 nm 및 가장 바람직하게는 5 내지 30 nm의 범위이다. 상기 나노구조는 핵산 이중체, 핵산 삼중체(triplex), 핵산 사중체(quadruplex), 핵산 오리가미(origami) 구조 또는 이들의 조합, 또는 핵산 염기 또는 혼합된 핵산 염기와 아미노산 염기로 구성된 기타 나노구조일 수 있다. 상기 전극은 귀금속, 예를 들어 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os) 및 이리듐(Ir)뿐만 아니라 기타 금속, 예컨대 구리(Cu), 레늄(Re), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta) 및 이들의 유도체, 예컨대 TiN 및 TaN 등, 또는 이들의 합금을 포함한다. 2개의 전극은 비전도성 기판 상에 서로 인접하게 배치되거나, 비전도성 층에 의해 분리되어 서로 중첩되게 배치되어 나노갭을 형성할 수 있다(참조 US62890251). 바이오폴리머의 감지, 식별 또는 시퀀싱을 위한 생화학적 반응을 수행하기 위해 나노와이어 또는 나노구조에 효소가 부착된다. 상기 바이오폴리머는, 자연 발생의, 변형된 또는 합성된, DNA, RNA, DNA 올리고, 단백질, 펩티드, 폴리사카라이드 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 효소는, 자연 발생의, 돌연변이된 또는 합성된, DNA 폴리머라제, RNA 폴리머라제, DNA 헬리카제, DNA 리가제, DNA 엑소뉴클레아제, 역전사효소, RNA 프리마제, 리보솜, 수크라제, 락타제 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시양태는 하나 이상의 핵산 염기쌍을 포함하는 나노구조를 포함하는, 전도성 또는 반전도성 분자 와이어의 시스템이며, 여기서 상기 나노구조 내의 적어도 하나의 핵산 염기는 변형되고, 변형된 핵산 염기의 존재는 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 나노구조의 전도도를 개선한다.
비전도성 기판 상에 서로 인접하게 배치되거나 비전도성 층에 의해 분리되어 서로 중첩되게 배치된 제1 전극 및 제2 전극에 의해 형성된 나노갭; 화학 결합을 통해 한 말단을 제1 전극에 부착시키고 다른 말단을 제2 전극에 부착시킴으로써 상기 나노갭을 브릿징하는 하나 이상의 핵산 염기쌍을 포함하는 나노구조로서, 상기 나노구조 내의 적어도 하나의 핵산 염기가 변형되고, 변형된 핵산 염기의 존재가 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 나노구조의 전도도를 개선하는 것인 나노구조; 바이오폴리머와 상호작용하거나 바이오폴리머와의 화학적 또는 생화학적 반응을 수행할 수 있는 감지 프로브를 포함하는, 바이오폴리머의 식별, 특성규명 또는 시퀀싱을 위한 시스템은 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가되는 바이어스 전압; 감지 프로브와 바이오폴리머 사이의 상호작용에 의해 유발되는 나노구조를 통한 전류 변동을 기록하는 디바이스; 및 바이오폴리머 또는 바이오폴리머의 서브유닛을 식별하거나 특성규명하는 데이터 분석용 소프트웨어를 추가로 포함한다. 추가 실시양태에서, 나노구조는 핵산 이중체, 핵산 삼중체, 핵산 사중체, 핵산 오리가미 구조 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 실시양태에서, 핵산 염기 변형은 변형이 없는 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 HOMO와 LUMO 사이의 에너지 갭을 감소시킨다. 추가 실시양태에서, 나노구조는 변형된 우라실(Um), 여기서 Um이 5-알케닐-우라실임; 또는 변형된 티민(Tm), 여기서 Tm이 5-알케닐-티민임; 또는 변형된 아데닌(Am), 여기서 Am이 7-데아자-7-알케닐-아데닌 또는 7-프로페닐-7-데아자-아데닌임; 또는 변형된 구아닌(Gm), 여기서 Gm이 7-데아자-7-알케닐-2'-구아닌임; 또는 변형된 시토신(Cm), 여기서 Cm이 5-알케닐-시토신임; 또는 전극 부착을 위한 변형된 구아닌(Gs), 여기서 Gs가 디설파이드와의 8-(3-머캅토프로피닐)-데옥시구아노신 또는 7-데아자-7-(3-머캅토프로피닐)-2'-데옥시구아노신임; 또는 Um과 Am의 염기쌍, 또는 Tm과 Am의 염기쌍, 또는 Gm과 Cm의 염기쌍, 또는 이들의 조합; 또는 상기한 것들의 조합을 포함한다. 추가 실시양태에서, 바이오폴리머는 자연 발생의, 합성된 또는 변형된 DNA, RNA, 단백질, 폴리펩티드, 올리고뉴클레오티드, 폴리사카라이드 및 이들의 유사체로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 실시양태에서, 감지 프로브는 천연의, 돌연변이된, 발현된 또는 합성된, 핵산 프로브, 분자 핀셋, 효소, 수용체, 리간드, 항원 및 항체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 실시양태에서, 효소는 자연 발생의, 돌연변이된 또는 합성된, DNA 폴리머라제, RNA 폴리머라제, DNA 헬리카제, DNA 리가제, DNA 엑소뉴클레아제, 역전사효소, RNA 프리마제, 리보솜, 수크라제, 락타제로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 실시양태에서, 나노갭 크기 또는 2개의 전극 사이의 거리는 약 3 내지 1000 nm, 바람직하게는 약 5 내지 100 nm 및 가장 바람직하게는 약 5 내지 30 nm이다. 추가 실시양태에서, 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir)으로 이루어진 군으로부터 선택된 귀금속, 또는 구리(Cu), 레늄(Re), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 다른 금속, 이들의 유도체, 예컨대 TiN 및 TaN, 또는 합금, 이들의 조합을 사용하여 제조된다.
일 실시양태는 분자 와이어의 전도도를 개선하는 방법으로서, 상기 방법은 변형된 핵산 염기의 존재가 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 분자 와이어의 전도도를 개선하도록 적어도 하나의 핵산 염기를 변형시키는 단계를 포함하고, 상기 분자 와이어는 하나 이상의 핵산 염기쌍을 포함하는 나노구조인, 방법에 관한 것이다.
또 다른 실시양태는 제1 전극 및 제2 전극을 비전도성 기판 상에 서로 인접하게 배치하거나 비전도성 층에 의해 분리되어 서로 중첩시켜 나노갭을 형성하는 단계; 나노갭에 필적하는 길이를 갖는 하나 이상의 핵산 염기쌍을 포함하는 나노구조를 제공하는 단계로서, 상기 나노구조 내의 적어도 하나의 핵산 염기는 변형되고, 변형된 핵산 염기의 존재는 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 나노구조의 전도도를 개선하는 것인 단계; 화학 결합을 통해 상기 나노구조의 한 말단을 제1 전극에 부착시키고 다른 말단을 제2 전극에 부착시키는 단계; 및 바이오폴리머와 상호작용하거나 바이오폴리머와 화학적 또는 생화학적 반응을 수행할 수 있는 감지 프로브를 상기 나노구조에 부착시키는 단계를 포함하는, 바이오폴리머의 식별, 특성규명 또는 시퀀싱 방법에 관한 것이다. 추가 실시양태에서, 실시양태는 제1 전극과 제2 전극 사이에 바이어스 전압을 인가하는 단계; 감지 프로브와 바이오폴리머 사이의 상호작용에 의해 야기되는 나노구조를 통한 전류 변동을 기록하는 디바이스를 제공하는 단계; 및 바이오폴리머 또는 바이오폴리머의 서브유닛을 식별하거나 특성규명하는 데이터 분석용 소프트웨어를 제공하는 단계를 포함한다. 추가 실시양태에서, 나노구조는 핵산 이중체, 핵산 삼중체, 핵산 사중체, 핵산 오리가미 구조 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 실시양태에서, 핵산 염기 변형은 변형이 없는 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 HOMO와 LUMO 사이의 에너지 갭을 감소시킨다. 추가 실시양태에서, 나노구조는 변형된 우라실(Um), 여기서 Um이 5-알케닐-우라실임, 또는 변형된 티민(Tm), 여기서 Tm이 5-알케닐-티민임; 또는 변형된 아데닌(Am), 여기서 Am이 7-데아자-7-알케닐-아데닌 또는 7-프로페닐-7-데아자-아데닌임; 또는 변형된 구아닌(Gm), 여기서 Gm이 7-데아자-7-알케닐-2'-구아닌임; 또는 변형된 시토신(Cm), 여기서 Cm이 5-알케닐-시토신임; 또는 전극 부착을 위한 변형된 구아닌(Gs), 여기서 Gs가 디설파이드와의 8-(3-머캅토프로피닐)-데옥시구아노신 또는 7-데아자-7-(3-머캅토프로피닐)-2'-데옥시구아노신임; 또는 Um과 Am의 염기쌍, 또는 Tm과 Am의 염기쌍, 또는 Gm과 Cm의 염기쌍, 또는 이들의 조합; 또는 상기한 것들의 조합을 포함한다. 추가 실시양태에서, 바이오폴리머는 자연 발생의, 합성된 또는 변형된, DNA, RNA, 단백질, 폴리펩티드, 올리고뉴클레오티드, 폴리사카라이드 및 이들의 유사체로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 실시양태에서, 감지 프로브는 천연의, 돌연변이된, 발현된 또는 합성된, 핵산 프로브, 분자 핀셋, 효소, 수용체, 리간드, 항원 및 항체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 실시양태에서, 효소는 자연 발생의, 돌연변이된 또는 합성된, DNA 폴리머라제, RNA 폴리머라제, DNA 헬리카제, DNA 리가제, DNA 엑소뉴클레아제, 역전사효소, RNA 프리마제, 리보솜, 수크라제, 락타제로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 실시양태에서, 나노갭 크기 또는 2개의 전극 사이의 거리는 약 3 내지 1000 nm, 바람직하게는 약 5 내지 100 nm 및 가장 바람직하게는 약 5 내지 30 nm이다. 추가 실시양태에서, 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os) 및 이리듐(Ir)으로 이루어진 군으로부터 선택된 귀금속, 또는 구리(Cu), 레늄(Re), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 다른 금속, 이들의 유도체, 예컨대 TiN 및 TaN, 또는 합금, 이들의 조합을 사용하여 제조된다. 추가 실시양태에서, 본 개시내용은 5-알케닐-2'-데옥시시티딘 트리포스페이트, 5-알케닐-2'-데옥시우리딘, 트리포스페이트, 5-알케닐-2'-데옥시티미딘 트리포스페이트, 7-데아자-7-알케닐-2'-데옥시아데노신 트리포스페이트, 7-데아자-7-알케닐-2'-데옥시구아노신 트리포스페이트, 8-(3-머캅토프로피닐)-데옥시구아노신 트리포스페이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 뉴클레오시드 트리포스페이트를 제공하고; 제공된 뉴클레오시드 트리포스페이트를 사용하여 나노구조 내의 핵산 가닥 내로 변형된 핵산 염기를 효소적으로 통합시키는 것에 관한 것이다.
일반 사항:
본 발명은 DNA 조작을 위한 핵산 염기의 변형을 설명한다. 동일한 원칙 또는 개념 및 절차가 RNA 조작에도 적용된다.
본원에 언급된 모든 간행물, 특허 및 다른 문서는 그 전문이 참고로 포함된다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 발명이 다양한 실시양태의 설명에 의해 예시되었고 이러한 실시양태가 상당히 상세하게 설명되었지만, 출원의 범위를 한정하거나 어떤 식으로든 제한하려는 것은 본 출원인의 의도가 아니다. 추가적인 이점 및 수정은 당업자에게 용이하게 나타날 것이다. 따라서, 본 발명은 더 넓은 측면에서 특정 세부사항, 대표적인 디바이스, 장치 및 방법, 및 도시되고 설명된 예시적인 실시예로 제한되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적인 발명적 개념의 사상을 벗어나지 않으면서 이러한 세부사항으로부터 벗어날 수 있다.
참고문헌
Figure pct00015
Figure pct00016
Figure pct00017
Figure pct00018

Claims (23)

  1. 하나 이상의 핵산 염기쌍을 포함하는 나노구조를 포함하는, 전도성 또는 반전도성 분자 와이어의 시스템으로서, 상기 나노구조 내의 적어도 하나의 핵산 염기가 변형되고, 변형된 핵산 염기의 존재가 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 나노구조의 전도도를 개선하는 것인 시스템.
  2. 바이오폴리머의 식별, 특성규명 또는 시퀀싱을 위한 시스템으로서,
    a. 비전도성 기판 상에 서로 인접하게 배치되거나 비전도성 층에 의해 분리되어 서로 중첩되게 배치된 제1 전극 및 제2 전극에 의해 형성된 나노갭;
    b. 화학 결합을 통해 한 말단을 제1 전극에 부착시키고 다른 말단을 제2 전극에 부착시킴으로써 상기 나노갭을 브릿징하는 하나 이상의 핵산 염기쌍을 포함하는 나노구조로서, 상기 나노구조 내의 적어도 하나의 핵산 염기가 변형되고, 변형된 핵산 염기의 존재가 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 나노구조의 전도도를 개선하는 것인 나노구조; 및
    c. 바이오폴리머와 상호작용하거나 화학적 또는 생화학적 반응을 수행할 수 있는, 상기 나노구조에 부착된 감지 프로브
    를 포함하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    a. 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가되는 바이어스 전압;
    b. 감지 프로브와 바이오폴리머 사이의 상호작용에 의해 유발되는 나노구조를 통한 전류 변동을 기록하는 디바이스; 및
    c. 바이오폴리머 또는 바이오폴리머의 서브유닛을 식별하거나 특성규명하는 데이터 분석용 소프트웨어
    를 추가로 포함하는 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 나노구조가 핵산 이중체, 핵산 삼중체, 핵산 사중체, 핵산 오리가미(origami) 구조 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 핵산 염기 변형이 변형이 없는 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 HOMO와 LUMO 사이의 에너지 갭을 감소시키는 것인 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 나노구조가
    a. 변형된 우라실(Um), 여기서 Um이 5-알케닐-우라실임; 또는
    b. 변형된 티민(Tm), 여기서 Tm이 5-알케닐-티민임; 또는
    c. 변형된 아데닌(Am), 여기서 Am이 7-데아자-7-알케닐-아데닌 또는 7-프로페닐-7-데아자-아데닌임; 또는
    d. 변형된 구아닌(Gm), 여기서 Gm이 7-데아자-7-알케닐-2'-구아닌임; 또는
    e. 변형된 시토신(Cm), 여기서 Cm이 5-알케닐-시토신임; 또는
    f. 전극 부착을 위한 변형된 구아닌(Gs), 여기서 Gs가 디설파이드와의 8-(3-머캅토프로피닐)-데옥시구아노신 또는 7-데아자-7-(3-머캅토프로피닐)-2'-데옥시구아노신임; 또는
    g. Um과 Am의 염기쌍, 또는 Tm과 Am의 염기쌍, 또는 Gm과 Cm의 염기쌍, 또는 이들의 조합; 또는
    h. 상기한 것들의 조합
    을 포함하는 것인 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 바이오폴리머가, 자연 발생의, 합성된 또는 변형된, DNA, RNA, 단백질, 폴리펩티드, 올리고뉴클레오티드, 폴리사카라이드 및 이들의 유사체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 감지 프로브가, 천연의, 돌연변이된, 발현된 또는 합성된, 핵산 프로브, 분자 핀셋, 효소, 수용체, 리간드, 항원 및 항체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 효소가, 자연 발생의, 돌연변이된 또는 합성된, DNA 폴리머라제, RNA 폴리머라제, DNA 헬리카제, DNA 리가제, DNA 엑소뉴클레아제, 역전사효소, RNA 프리마제, 리보솜, 수크라제, 락타제로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 시스템.
  10. 제2항에 있어서, 나노갭 크기 또는 2개의 전극 사이의 거리가 약 3 내지 1000 nm, 바람직하게는 약 5 내지 100 nm, 및 가장 바람직하게는 약 5 내지 30 nm인 시스템.
  11. 제2항에 있어서, 전극이 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir)으로 이루어진 군으로부터 선택된 귀금속, 또는 구리(Cu), 레늄(Re), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 다른 금속, 이들의 유도체, 예컨대 TiN 및 TaN, 또는 합금, 이들의 조합을 사용하여 제조되는 것인 시스템.
  12. 분자 와이어의 전도도를 개선하는 방법으로서, 변형된 핵산 염기의 존재가 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 분자 와이어의 전도도를 개선하도록 적어도 하나의 핵산 염기를 변형시키는 단계를 포함하고, 분자 와이어는 하나 이상의 핵산 염기쌍을 포함하는 나노구조인, 분자 와이어의 전도도를 개선하는 방법.
  13. 바이오폴리머의 식별, 특성규명 또는 시퀀싱 방법으로서,
    a. 제1 전극 및 제2 전극을 비전도성 기판 상에 서로 인접하게 배치하거나 비전도성 층에 의해 분리되어 서로 중첩시켜 나노갭을 형성하는 단계;
    b. 나노갭에 필적하는 길이를 갖는 하나 이상의 핵산 염기쌍을 포함하는 나노구조를 제공하는 단계로서, 상기 나노구조 내의 적어도 하나의 핵산 염기가 변형되고, 변형된 핵산 염기의 존재가 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 나노구조의 전도도를 개선하는 것인 단계;
    c. 화학 결합을 통해 상기 나노구조의 한 말단을 제1 전극에 부착시키고 다른 말단을 제2 전극에 부착시키는 단계; 및
    d. 바이오폴리머와 상호작용하거나 화학적 또는 생화학적 반응을 수행할 수 있는 감지 프로브를 상기 나노구조에 부착시키는 단계
    를 포함하는, 바이오폴리머의 식별, 특성규명 또는 시퀀싱 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    a. 제1 전극과 제2 전극 사이에 바이어스 전압을 인가하는 단계;
    b. 감지 프로브와 바이오폴리머 사이의 상호작용에 의해 유발되는 나노구조를 통한 전류 변동을 기록하는 디바이스를 제공하는 단계; 및
    c. 바이오폴리머 또는 바이오폴리머의 서브유닛을 식별하거나 특성규명하는 데이터 분석용 소프트웨어를 제공하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 나노구조가 핵산 이중체, 핵산 삼중체, 핵산 사중체, 핵산 오리가미 구조 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  16. 제12항 또는 제13항에 있어서, 핵산 염기 변형이 변형이 없는 동일한 위치의 표준 핵산 염기와 비교하여 HOMO와 LUMO 사이의 에너지 갭을 감소시키는 것인 방법.
  17. 제12항 또는 제13항에 있어서, 나노구조가
    a. 변형된 우라실(Um), 여기서 Um이 5-알케닐-우라실임; 또는
    b. 변형된 티민(Tm), 여기서 Tm이 5-알케닐-티민임; 또는
    c. 변형된 아데닌(Am), 여기서 Am이 7-데아자-7-알케닐-아데닌 또는 7-프로페닐-7-데아자-아데닌임; 또는
    d. 변형된 구아닌(Gm), 여기서 Gm이 7-데아자-7-알케닐-2'-구아닌임; 또는
    e. 변형된 시토신(Cm), 여기서 Cm이 5-알케닐-시토신임; 또는
    f. 전극 부착을 위한 변형된 구아닌(Gs), 여기서 Gs가 디설파이드와의 8-(3-머캅토프로피닐)-데옥시구아노신 또는 7-데아자-7-(3-머캅토프로피닐)-2'-데옥시구아노신임; 또는
    g. Um과 Am의 염기쌍, 또는 Tm과 Am의 염기쌍, 또는 Gm과 Cm의 염기쌍, 또는 이들의 조합; 또는
    h. 상기한 것들의 조합
    을 포함하는 것인 방법.
  18. 제13항에 있어서, 바이오폴리머가, 자연 발생의, 합성된 또는 변형된, DNA, RNA, 단백질, 폴리펩티드, 올리고뉴클레오티드, 폴리사카라이드 및 이들의 유사체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  19. 제13항에 있어서, 감지 프로브가, 천연의, 돌연변이된, 발현된 또는 합성된, 핵산 프로브, 분자 핀셋, 효소, 수용체, 리간드, 항원 및 항체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  20. 제19항에 있어서, 효소가, 자연 발생의, 돌연변이된 또는 합성된, DNA 폴리머라제, RNA 폴리머라제, DNA 헬리카제, DNA 리가제, DNA 엑소뉴클레아제, 역전사효소, RNA 프리마제, 리보솜, 수크라제, 락타제로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  21. 제13항에 있어서, 나노갭 크기 또는 2개의 전극 사이의 거리가 약 3 내지 1000 nm, 바람직하게는 약 5 내지 100 nm, 및 가장 바람직하게는 약 5 내지 30 nm인 방법.
  22. 제13항에 있어서, 전극이 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os) 및 이리듐(Ir)으로 이루어진 군으로부터 선택된 귀금속, 또는 구리(Cu), 레늄(Re), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 다른 금속, 이들의 유도체, 예컨대 TiN 및 TaN, 또는 합금, 이들의 조합을 사용하여 제조되는 것인 방법.
  23. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    a. 5-알케닐-2'-데옥시시티딘 트리포스페이트, 5-알케닐-2'-데옥시우리딘 트리포스페이트, 5-알케닐-2'-데옥시티미딘 트리포스페이트, 7-데아자-7-알케닐-2'-데옥시아데노신 트리포스페이트, 7-데아자-7-알케닐-2'-데옥시구아노신 트리포스페이트, 8-(3-머캅토프로피닐)-데옥시구아노신 트리포스페이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 뉴클레오시드 트리포스페이트를 제공하는 단계; 및
    b. 제공된 뉴클레오시드 트리포스페이트를 사용하여 나노구조 내의 핵산 가닥 내로 변형된 핵산 염기를 효소적으로 통합시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
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