KR20230030582A - 전극들 사이의 브리지들의 전기적 특성들을 적어도 변경하는 것을 사용하여 서열분석하기 위한 조성물들 및 방법들 - Google Patents

전극들 사이의 브리지들의 전기적 특성들을 적어도 변경하는 것을 사용하여 서열분석하기 위한 조성물들 및 방법들 Download PDF

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일루미나, 싱가포르 피티이 엘티디
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Abstract

본원은 중합체 브리지들의 전기적 특성들을 적어도 변경하는 것을 사용하여 서열분석하기 위한 조성물들 및 방법들을 제공한다. 일부 예들에서, 상기 브리지들은 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간을 가로지를 수 있고 단일-가닥 공액 중합체 사슬을 포함할 수 있다. 다수의 뉴클레오티드들이 상응하는 라벨들에 결합될 수 있다. 중합효소가 상기 브리지에 결합될 수 있고 적어도 제2 폴리뉴클레오티드의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드들을 첨가할 수 있다. 이들 뉴클레오티드들 각각에 상응하는 라벨들은 상기 공액 중합체 사슬의 전기적 특성을 변경할 수 있다. 검출 회로는, 상기 브리지를 통한 전기 신호의 적어도 변화들을 사용하여, 상기 중합효소가 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 뉴클레오티드들을 첨가하는 서열을 검출할 수 있으며, 상기 변화들은 이들 뉴클레오티드들에 상응하는 라벨들을 사용하는 혼성화의 각각의 변경들에 반응한다.

Description

전극들 사이의 브리지들의 전기적 특성들을 적어도 변경하는 것을 사용하여 서열분석하기 위한 조성물들 및 방법들
관련 출원의 상호 참조
본원은 2020년 6월 30일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Compositions and Methods for Sequencing Using at Least Altering Electrical Characteristics of Bridges Between Electrodes"인 미국 임시 특허 출원 제63/046,663호의 이익을 주장하며, 이의 전체 내용은 본원에 참고로 포함된다.
DNA와 같은 폴리뉴클레오티드의 서열분석에 상당한 양의 학계 및 기업의 시간과 에너지가 투자되어 왔다. 일부 서열분석 시스템들은 "합성에 의한 서열분석"(SBS: sequencing by synthesis) 기술 및 검출을 위한 형광 기반 검출을 사용한다. 그러나 형광 기반 검출은 여기 광원, 이미징 장치 등과 같은 광학 구성요소를 필요로 할 수 있으며, 이는 복잡하고, 작동하는 데 시간이 많이 걸리고, 비용이 많이 들 수 있다.
본원에 제공된 예들은 전극들 사이의 브리지들의 전기적 특성들을 적어도 변경하는 것을 사용하는 서열분석에 관한 것이다. 이러한 서열분석을 수행하기 위한 조성물들 및 방법들이 개시된다.
일부 예들에서, 본원에 제공된 조성물은 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간을 가로지르는 브리지를 포함한다. 상기 브리지는 단일-가닥 공액 중합체 사슬을 포함할 수 있다. 상기 조성물은 제1 폴리뉴클레오티드 및 제2 폴리뉴클레오티드, 및 복수의 뉴클레오티드들을 추가로 포함할 수 있으며, 각각의 뉴클레오티드는 상응하는 라벨에 결합된다. 상기 조성물은, 적어도 상기 제2 폴리뉴클레오티드의 서열을 사용하여 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 복수의 뉴클레오티드들의 뉴클레오티드들을 첨가하는 중합효소를 추가로 포함할 수 있다. 이들 뉴클레오티드 각각에 상응하는 라벨들은 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬의 전기적 특성을 변경할 수 있다. 상기 조성물은, 상기 브리지를 통한 전기 신호의 변화들을 적어도 사용하여, 상기 중합효소가 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 뉴클레오티드들을 첨가하는 서열을 검출하기 위한 검출 회로를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 변화들은 이들 뉴클레오티드에 상응하는 라벨들을 사용하는 상기 전기적 특성의 변경에 반응한다.
일부 예들에서, 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 제1 비편재화된 오비탈 세트를 포함하고, 상기 라벨들 각각은, 상기 라벨이 상기 단일-가닥 중합체 사슬과 회합될 때 상기 제1 비편재화된 오비탈 세트와 전자들을 공유하는 각각의 비편재화된 오비탈 세트를 포함한다. 일부 예들에서, 상기 라벨들 각각 및 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 공여체:수용체 복합체를 형성한다. 일부 예들에서, 상기 라벨들은 각각의 수용체들을 포함하고, 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 공여체를 포함하며, 전자들은 상기 단일-가닥 중합체 사슬로부터 상기 라벨들 각각으로 π-π 상호작용들을 통해 이동한다. 일부 예들에서, 상기 라벨들은 상이한 분자 오비탈들을 포함하고 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬의 전기 전도도를 검출 가능하게 상이하게 변화시킨다.
일부 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 동종중합체를 포함한다. 일부 예들에서, 상기 동종중합체는 반복 단량체 단위들 M1을 포함하고, 상기 단량체 단위들 M1 각각은 가용화 기 R에 결합된다.
다른 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1 및 제2 단량체 단위들 M2를 포함하는 공중합체를 포함하고, 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각은 가용화 기 R에 결합된다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M1-M2 단위들을 포함한다.
또 다른 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1 및 제2 단량체 단위들 M3을 포함하는 공중합체를 포함하고, (i) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각, 또는 (ii) 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각, 또는 (iii) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합된다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M1-M3 단위들을 포함한다.
다른 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M3 및 제2 단량체 단위들 M2를 포함하는 공중합체를 포함하고, 상기 제1 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합된다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M3-M2 단위들을 포함한다.
일부 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1, 제2 단량체 단위들 M2 및 제3 단량체 단위들 M3을 포함하는 공중합체를 포함하고, (i) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각, 또는 (ii) 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각, 또는 (iii) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합된다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M1-M2 단위들을 포함한다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M3-M2 단위들을 포함한다.
일부 예들에서, M1은 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
Figure pct00001
상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타낸다.
일부 예들에서, R은 (N,N,N-트리메틸 암모늄)알킬, (N,N,N-트리부틸 암모늄)알킬, 1-메틸-3-(알킬)-이미다졸륨, 및 1-(알킬)피리디늄으로 구성된 군으로부터 선택된 양이온성 가용화 기이다.
일부 예들에서, R은 알킬 설포네이트, 알킬 카르복실레이트, 및 알킬 포스포네이트로 구성된 군으로부터 선택된 음이온성 가용화 기이다.
일부 예들에서, M2는 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-공여성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-공여성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되며:
Figure pct00002
,
상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타낸다.
일부 예들에서, M3은 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
Figure pct00003
,
상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타낸다.
일부 예들에서, M3은 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-흡인성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-흡인성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되며:
Figure pct00004
,
상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타낸다.
일부 예들에서, 상기 조성물은 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬을 상기 제1 전극에 결합시키는 제1 말단기 및 상기 단일-가닥 공액 중합체를 상기 제2 전극에 결합시키는 제2 말단기를 추가로 포함한다. 일부 예들에서, 상기 제1 말단기 및 제2 말단기 각각은 벤젠티올, 페닐아세틸렌, 벤젠디아조늄, 벤질아민, 메틸 벤질 설파이드 및 메틸 헥실 설파이드로 구성된 군으로부터 선택된다.
일부 예들에서, 상기 라벨들은 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
Figure pct00005
상기 식에서 L은 링커를 나타내고 물결선은 링커 L과 상기 뉴클레오티드의 결합을 나타낸다.
본원의 일부 예들에서, 방법이 제공된다. 상기 방법은, 중합효소를 사용하여, 적어도 제2 폴리뉴클레오티드의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드들을 첨가하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 상기 뉴클레오티드들에 각각 결합된 라벨들을 사용하여, 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간을 가로지르는 브리지의 단일-가닥 공액 중합체 사슬의 전기적 특성을 변경하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 이들 뉴클레오티드에 상응하는 라벨들을 사용하는 상기 전기적 특성의 각각의 변경들에 반응하는 상기 브리지를 통한 전기 신호의 변화들을 적어도 사용하여, 상기 중합효소가 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 뉴클레오티드들을 첨가하는 서열을 검출하는 단계를 포함한다.
일부 예들에서, 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 제1 비편재화된 오비탈 세트를 포함하고, 상기 라벨들 각각은, 상기 라벨이 상기 단일-가닥 중합체 사슬과 회합될 때 상기 제1 비편재화된 오비탈 세트와 전자들을 공유하는 각각의 비편재화된 오비탈 세트를 포함한다. 일부 예들에서, 상기 라벨들 각각 및 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 공여체:수용체 복합체를 형성한다. 일부 예들에서, 상기 라벨들은 각각의 수용체들을 포함하고, 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 공여체를 포함하며, 전자들은 상기 단일-가닥 중합체 사슬로부터 상기 라벨들 각각으로 π-π 상호작용들을 통해 이동한다. 일부 예들에서, 상기 라벨들은 상이한 분자 오비탈들을 포함하고 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬의 전기 전도도를 검출 가능하게 상이하게 변화시킨다.
일부 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 동종중합체를 포함한다. 일부 예들에서, 상기 동종중합체는 반복 단량체 단위들 M1을 포함하고, 상기 단량체 단위들 M1 각각은 가용화 기 R에 결합된다.
다른 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1 및 제2 단량체 단위들 M2를 포함하는 공중합체를 포함하고, 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각은 가용화 기 R에 결합된다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M1-M2 단위들을 포함한다.
또 다른 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1 및 제2 단량체 단위들 M3을 포함하는 공중합체를 포함하고, (i) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각, 또는 (ii) 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각, 또는 (iii) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합된다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M1-M3 단위들을 포함한다.
다른 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M3 및 제2 단량체 단위들 M2를 포함하는 공중합체를 포함하고, 상기 제1 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합된다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M3-M2 단위들을 포함한다.
일부 예들에서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1, 제2 단량체 단위들 M2 및 제3 단량체 단위들 M3을 포함하는 공중합체를 포함하고, (i) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각, 또는 (ii) 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각, 또는 (iii) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합된다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M1-M2 단위들을 포함한다. 일부 예들에서, 상기 공중합체는 반복 M3-M2 단위들을 포함한다.
일부 예들에서, M1은 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
Figure pct00006
,
상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타낸다.
일부 예들에서, R은 (N,N,N-트리메틸 암모늄)알킬, (N,N,N-트리부틸 암모늄)알킬, 1-메틸-3-(알킬)-이미다졸륨, 및 1-(알킬)피리디늄으로 구성된 군으로부터 선택된 양이온성 가용화 기이다.
일부 예들에서, R은 알킬 설포네이트, 알킬 카르복실레이트, 및 알킬 포스포네이트로 구성된 군으로부터 선택된 음이온성 가용화 기이다.
일부 예들에서, M2는 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-공여성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-공여성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되며:
Figure pct00007
,
상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타낸다.
일부 예들에서, M3은 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
Figure pct00008
,
상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타낸다.
일부 예들에서, M3은 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-흡인성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-흡인성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되며:
Figure pct00009
,
상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타낸다.
일부 예들에서, 상기 조성물은 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬을 상기 제1 전극에 결합시키는 제1 말단기 및 상기 단일-가닥 공액 중합체를 상기 제2 전극에 결합시키는 제2 말단기를 추가로 포함한다. 일부 예들에서, 상기 제1 말단기 및 제2 말단기 각각은 벤젠티올, 페닐아세틸렌, 벤젠디아조늄, 벤질아민, 메틸 벤질 설파이드 및 메틸 헥실 설파이드로 구성된 군으로부터 선택된다.
일부 예들에서, 상기 라벨들은 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
Figure pct00010
상기 식에서 L은 링커를 나타내고 물결선은 링커 L과 상기 뉴클레오티드의 결합을 나타낸다.
본원에 기술된 바와 같은 본 개시내용의 양태들 각각의 임의의 각각의 특징들/예들은 임의의 적합한 조합으로 함께 구현될 수 있고, 이러한 양태들 중 임의의 하나 이상으로부터의 임의의 특징들/예들은 본원에 기술된 바와 같은 이점들을 달성하기 위해 본원에 기술된 바와 같은 다른 양태(들)의 특징들 중 임의의 것과 함께 임의의 적합한 조합으로 구현될 수 있음이 이해되어야 한다.
도 1a 및 도 1b는 단일-가닥 공액 중합체 브리지 및 상기 브리지의 전기적 특성을 변경하는 라벨링된 뉴클레오티드들을 포함하는 서열분석을 위한 예시적인 조성물을 개략적으로 도시한다.
도 2a 내지 도 2e는 단일-가닥 중합체 브리지에 사용될 수 있는 예시적인 공액 중합체들을 개략적으로 도시한다.
도 3a는 단일-가닥 중합체 브리지를 전극에 공유 결합으로 결합시키기 위해 사용될 수 있는 예시적인 말단기들을 개략적으로 도시한다.
도 3b는 단일-가닥 중합체 브리지를 전극에 비-공유 결합으로 결합시키기 위해 사용될 수 있는 예시적인 말단기들을 개략적으로 도시한다.
도 4는 단일-가닥 공액 중합체 브리지와 함께 사용하기 위한 예시적인 수용체-라벨링된 뉴클레오티드를 개략적으로 도시한다.
도 5는 수용체-라벨링된 뉴클레오티드를 사용하여 단일-가닥 공액 중합체 브리지의 전기적 특성을 변경하기 위한 예시적인 전하 이동 방식을 개략적으로 도시한다.
도 6은 단일-가닥 공액 중합체 브리지 및 상기 브리지의 전기적 특성을 변경하는 라벨링된 뉴클레오티드들을 사용하여 서열분석하기 위한 방법에서의 동작들의 예시적인 흐름을 도시한다.
본원에 제공된 예들은 중합체 사슬들의 전기적 특성들을 적어도 변경하는 것을 사용하는 서열분석에 관한 것이다. 이러한 서열분석을 수행하기 위한 조성물들 및 방법들이 개시된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 조성물들 및 방법들은 적합하게는, 견고하고, 재현가능하고, 민감하고, 정확하고, 실시간으로 작동하고, 단일 분자들을 검출하고, 높은 처리량을 갖는 방식으로 폴리뉴클레오티드들을 서열분석하는 데 사용된다는 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 조성물들은 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 전극들 사이의 공간을 가로지르는 브리지를 포함할 수 있다. 상기 브리지는, 상기 브리지를 통해 전류가 한 전극에서 다른 전극으로 흐르도록 하는 단일-가닥 공액 중합체 사슬을 포함할 수 있다. 각각의 뉴클레오티드들에 결합될 수 있는 라벨들은 상기 브리지의 하나 이상의 전기적 특성들, 예를 들어 상기 브리지의 전기 전도도 또는 전기 임피던스를 변경할 수 있으며, 적어도 이러한 변경들을 사용하여 각각의 뉴클레오티드가 식별될 수 있다.
먼저, 본원에서 사용되는 일부 용어들에 대해 간략히 설명할 것이다. 이어서, 폴리뉴클레오티드들을 전자적으로 서열분석하기 위한 일부 예시적인 조성물들 및 예시적인 방법들이 기술될 것이다.
용어
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 용어 "포함하는"뿐만 아니라 "포함하다", "포함한다", 및 "포함된"과 같은 다른 형태들의 사용은 제한적이지 않다. 용어 "갖는"뿐만 아니라 "갖다", "갖는다", 및 "가진"과 같은 다른 형태들의 사용은 제한적이지 않다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 청구항의 전제부에서든 또는 본문에서든, 용어 "포함한다" 및 "포함하는"은 개방형(open-ended) 의미를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 즉, 상기 용어들은 어구 "적어도 갖는" 또는 "적어도 포함하는"과 동의어로 해석되어야 한다. 예를 들어, 공정과 관련하여 사용되는 경우, 용어 "포함하는"은, 상기 공정이 적어도 언급된 단계들을 포함하지만 추가적인 단계들을 포함할 수도 있음을 의미한다. 화합물, 조성물 또는 장치와 관련하여 사용되는 경우, 용어 "포함하는"은, 상기 화합물, 조성물 또는 장치가 적어도 언급된 특징들 또는 구성요소들을 포함하지만, 또한 추가적인 특징들 또는 구성요소들을 포함할 수도 있음을 의미한다.
본원 전반에 걸쳐 사용된 용어 "실질적으로", "대략", 및 "약"은, 예를 들어 처리에 있어서의 변동으로 인한 작은 변동을 기술하고 설명하는 데 사용된다. 예를 들어, 이들은 ±5% 이하, 예를 들어 ±2% 이하, 예를 들어 ±1% 이하, 예를 들어 ±0.5% 이하, 예를 들어 ±0.2% 이하, 예를 들어 ±0.1% 이하, 예를 들어 ±0.05% 이하를 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "전극"은 전기를 전도하는 고체 구조를 의미하도록 의도된다. 전극들은 금, 팔라듐, 백금, 또는 이들의 조합과 같은 임의의 적합한 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "브리지"는 2개의 다른 구조 사이에서 연장되고 이들에 부착되는 구조를 의미하도록 의도된다. 브리지는 두 전극 사이와 같은 다른 구조들 사이의 공간을 가로지를 수 있다. 브리지의 모든 요소들이 두 구조에 직접 부착될 필요는 없다. 그러나, 일부 브리지들은 두 구조에 직접 부착된다. 예를 들어, 두 전극 사이의 공간을 가로지르는 중합체 사슬을 포함하는 브리지에서, 상기 중합체 사슬의 일 말단이 상기 전극들 중 하나에 직접 부착될 수 있고, 상기 중합체 사슬의 다른 말단은 다른 전극에 직접 부착될 수 있다. 브리지는 화학 결합, 예를 들어 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 쌍극자-쌍극자 결합, 런던 분산력(London dispersion forces) 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 통해 전극과 같은 다른 구조에 부착될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "단일-가닥"은, 브리지를 언급할 때, 상기 브리지가 단일 중합체 가닥을 포함함을 의미하도록 의도된다.
본원에 사용된 바와 같이, "중합체"는 서로 결합된, 단량체로 지칭될 수 있는 많은 하위 단위의 사슬을 포함하는 분자를 지칭한다. 상기 하위 단위는 반복될 수 있거나, 또는 서로 상이할 수 있다. 일부 중합체들은 "공액"되며, 이는, 이러한 중합체들을 구성하는 단량체들이, 전자들이 중합체의 길이를 따라 흐르게 하는 비편재화된 오비탈 세트를 제공하도록 서로 충분히 정렬되는 충분한 개수의 sp2 혼성화된 원자 중심들을 포함함을 의미하도록 의도된다. 공액 중합체들 및 이들의 구성 단량체들의 비제한적인 예들이 하기에 추가로 제공된다.
본원에 사용된 바와 같이, "공여체"는 전자가 풍부한 분자를 의미하도록 의도되는 반면, "수용체"는 전자가 부족한 분자를 의미하도록 의도된다. "수용체"는 "공여체"와 회합(예를 들어, 이와 전하-이동 복합체를 형성)할 수 있다. 예를 들어, 이러한 방식으로 "공여체" 공액 중합체와 회합하는 "수용체" 분자는 상기 중합체로부터 전자를 흡인함으로써 복합체를 형성한다. 이는 공여체 중합체의 자유 전하 캐리어 농도를 증가시키고 결과적으로 전도도를 증가시킨다.
본원에 사용된 바와 같이, "혼성화하다"는 제1 중합체를 제2 중합체에 이들 중합체의 길이를 따라 비-공유 결합으로 회합시키는 것을 의미하도록 의도된다. 예를 들어, 2개의 DNA 폴리뉴클레오티드 가닥들은 상보적인 염기쌍 형성을 통해 회합될 수 있다. 상기 제1 중합체와 제2 중합체 사이의 회합 강도는 이들 중합체 내의 단량체 단위들의 서열들 사이의 상보성에 따라 증가한다. 예를 들어, 제1 폴리뉴클레오티드와 제2 폴리뉴클레오티드 사이의 회합의 강도는 이들 폴리뉴클레오티드 내의 뉴클레오티드들의 서열들 사이의 상보성에 따라 증가한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "뉴클레오티드"는 당 및 적어도 하나의 포스페이트기를 포함하고 일부 예들에서는 핵염기도 포함하는 분자를 의미하도록 의도된다. 핵염기가 결여된 뉴클레오티드는 "비염기성"으로 지칭될 수 있다. 뉴클레오티드들은 데옥시리보뉴클레오티드들, 변형된 데옥시리보뉴클레오티드들, 리보뉴클레오티드들, 변형된 리보뉴클레오티드들, 펩티드 뉴클레오티드들, 변형된 펩티드 뉴클레오티드들, 변형된 포스페이트 당 주쇄 뉴클레오티드들, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 뉴클레오티드들의 예들은 아데노신 모노포스페이트(AMP), 아데노신 디포스페이트(ADP), 아데노신 트리포스페이트(ATP), 티미딘 모노포스페이트(TMP), 티미딘 디포스페이트(TDP), 티미딘 트리포스페이트(TTP), 시티딘 모노포스페이트(CMP), 시티딘 디포스페이트(CDP), 시티딘 트리포스페이트(CTP), 구아노신 모노포스페이트(GMP), 구아노신 디포스페이트(GDP), 구아노신 트리포스페이트(GTP), 우리딘 모노포스페이트(UMP), 우리딘 디포스페이트(UDP), 우리딘 트리포스페이트(UTP), 데옥시아데노신 모노포스페이트(dAMP), 데옥시아데노신 디포스페이트(dADP), 데옥시아데노신 트리포스페이트(dATP), 데옥시티미딘 모노포스페이트(dTMP), 데옥시티미딘 디포스페이트(dTDP), 데옥시티미딘 트리포스페이트(dTTP), 데옥시시티딘 디포스페이트(dCDP), 데옥시시티딘 트리포스페이트(dCTP), 데옥시구아노신 모노포스페이트(dGMP), 데옥시구아노신 디포스페이트 (dGDP), 데옥시구아노신 트리포스페이트(dGTP), 데옥시우리딘 모노포스페이트(dUMP), 데옥시우리딘 디포스페이트(dUDP) 및 데옥시우리딘 트리포스페이트(dUTP)를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "뉴클레오티드"는 또한, 천연 발생 뉴클레오티드들과 비교하여, 변형된 핵염기, 당 및/또는 포스페이트 모이어티를 포함하는 뉴클레오티드 유형인 임의의 뉴클레오티드 유사체를 포함하도록 의도된다. 변형된 핵염기들의 예들은 이노신, 크산틴, 하이포크산틴, 이소시토신, 이소구아닌, 2-아미노퓨린, 5-메틸시토신, 5-히드록시메틸 시토신, 2-아미노아데닌, 6-메틸 아데닌, 6-메틸 구아닌, 2-프로필 구아닌, 2-프로필 아데닌, 2-티오우라실, 2-티오티민, 2-티오시토신, 15-할로우라실, 15-할로시토신, 5-프로피닐 우라실, 5-프로피닐 시토신, 6-아조 우라실, 6-아조 시토신, 6-아조 티민, 5-우라실, 4-티오우라실, 8-할로 아데닌 또는 구아닌, 8-아미노 아데닌 또는 구아닌, 8-티올 아데닌 또는 구아닌, 8-티오알킬 아데닌 또는 구아닌, 8-히드록실 아데닌 또는 구아닌, 5-할로 치환된 우라실 또는 시토신, 7-메틸구아닌, 7-메틸아데닌, 8-아자구아닌, 8-아자아데닌, 7-데아자구아닌, 7-데아자아데닌, 3-데아자구아닌, 3-데아자아데닌 등을 포함한다. 당업계에 공지된 바와 같이, 특정 뉴클레오티드 유사체들, 예를 들어 아데노신 5'-포스포설페이트와 같은 뉴클레오티드 유사체들은 폴리뉴클레오티드 내로 혼입될 수 없다. 뉴클레오티드들은 임의의 적합한 개수의 포스페이트들, 예를 들어 3개, 4개, 5개, 6개 또는 6개 초과의 포스페이트들을 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "폴리뉴클레오티드"는 서로 결합된 뉴클레오티드들의 서열을 포함하는 분자를 지칭한다. 폴리뉴클레오티드는 중합체의 비제한적인 일례이다. 폴리뉴클레오티드들의 예들은 데옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA) 및 이들의 유사체를 포함한다. 폴리뉴클레오티드는, RNA 또는 단일 가닥 DNA와 같은 뉴클레오티드들의 단일 가닥 서열, 이중 가닥 DNA와 같은 뉴클레오티드들의 이중 가닥 서열일 수 있거나, 또는 뉴클레오티드들의 단일 가닥 및 이중 가닥 서열들의 혼합물을 포함할 수 있다. 이중 가닥 DNA(dsDNA)는 게놈 DNA, PCR 및 증폭 생성물을 포함한다. 단일 가닥 DNA(ssDNA)는 dsDNA로 변환될 수 있으며 그 반대도 마찬가지이다. 폴리뉴클레오티드들은 거울상 이성질체 DNA와 같은 비-천연 발생 DNA를 포함할 수 있다. 폴리뉴클레오티드의 뉴클레오티드들의 정확한 서열은 알려지거나 알려지지 않을 수 있다. 하기는 폴리뉴클레오티드들의 예들이다: 유전자 또는 유전자 단편(예를 들어 프로브, 프라이머, 발현된 서열 태그(EST) 또는 유전자 발현의 연속 분석(SAGE) 태그), 게놈 DNA, 게놈 DNA 단편, 엑손, 인트론, 메신저 RNA(mRNA), 전달 RNA, 리보솜 RNA, 리보자임, cDNA, 재조합 폴리뉴클레오티드, 합성 폴리뉴클레오티드, 분지형 폴리뉴클레오티드, 플라스미드, 벡터, 임의의 서열의 분리된 DNA, 임의의 서열의 분리된 RNA, 핵산 프로브, 프라이머 또는 전술한 것 중 임의의 것의 증폭된 복제본.
본원에 사용된 바와 같이, "중합효소"는 뉴클레오티드들을 폴리뉴클레오티드들로 중합함으로써 폴리뉴클레오티드들을 조립하는 활성 부위를 갖는 효소를 의미하도록 의도된다. 중합효소는 프라이밍된 단일 가닥 폴리뉴클레오티드 주형에 결합할 수 있으며, 성장하는 프라이머에 뉴클레오티드들을 순차적으로 첨가하여 상기 주형의 서열에 상보적인 서열을 갖는 폴리뉴클레오티드를 형성할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "프라이머"는 뉴클레오티드들이 유리 3' OH기를 통해 첨가되는 폴리뉴클레오티드로 정의된다. 프라이머는 블록이 제거될 때까지 중합을 방지하는 3' 블록을 가질 수 있다. 프라이머는 또한 결합 반응을 허용하거나 상기 프라이머를 다른 모이어티에 결합하기 위해 5' 말단에 변형을 가질 수 있다. 프라이머 길이는 임의의 개수의 염기 길이일 수 있으며, 다양한 비-천연 뉴클레오티드들을 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "라벨"은, 브리지의 전기적 특성, 예를 들어 전기 임피던스 또는 전기 전도도의 변화를 야기하도록 브리지에 부착되는 구조를 의미하도록 의도되며, 이러한 변화에 기초하여 뉴클레오티드가 식별될 수 있다. 예를 들어, 수용체 기반 라벨은 이러한 브리지 내의 중합체 사슬과 비-공유 결합으로 회합할 수 있으며, 상기 회합은 상기 브리지의 전기 전도도 또는 전기 임피던스 변화를 유발할 수 있다. 또는, 예를 들어, 중합체 기반 라벨은 이러한 브리지 내의 중합체 사슬과 혼성화할 수 있으며, 상기 혼성화는 상기 브리지의 전기 전도도 또는 전기 임피던스 변화를 유발할 수 있다. 그러나, 라벨은 브리지 내의 중합체 사슬의 임의의 적절한 전기적 특성을 변경할 수 있음이 이해되어야 한다. 본원에 제공된 예들에서, 라벨들은 뉴클레오티드들에 부착될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "기판"은 본원에 기술된 조성물에 대한 지지체로 사용되는 물질을 의미한다. 예시적인 기판 물질은 유리, 실리카, 플라스틱, 석영, 금속, 금속 산화물, 유기 규산염(예를 들어, 다면체 유기 실세스퀴옥산(POSS)), 폴리아크릴레이트, 산화 탄탈륨, 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. POSS의 예는 문헌[Kehagias et al., Microelectronic Engineering 86 (2009), pp. 776-778]에 기술된 것일 수 있으며, 이 문헌은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다. 일부 예들에서, 본원에서 사용되는 기판들은 유리, 용융 실리카 또는 기타 실리카-함유 물질과 같은 실리카계 기판들을 포함한다. 일부 예들에서, 기판들은 실리콘, 실리콘 질화물 또는 실리콘 수소화물을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 본원에서 사용되는 기판들은 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에스테르, 폴리카보네이트 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)와 같은 플라스틱 물질들 또는 구성요소들을 포함한다. 예시적인 플라스틱 물질들은 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리스티렌 및 환형 올레핀 중합체 기판들을 포함한다. 일부 예들에서, 상기 기판은 실리카계 물질 또는 플라스틱 물질 또는 이들의 조합이거나 이를 포함한다. 특정 예들에서, 상기 기판은 유리 또는 실리콘계 중합체를 포함하는 적어도 하나의 표면을 갖는다. 일부 예들에서, 상기 기판들은 금속을 포함할 수 있다. 일부 이러한 예들에서, 상기 금속은 금이다. 일부 예들에서, 상기 기판은 금속 산화물을 포함하는 적어도 하나의 표면을 갖는다. 일례에서, 상기 표면은 탄탈륨 산화물 또는 주석 산화물을 포함한다. 아크릴아미드, 에논, 또는 아크릴레이트도 기판 물질 또는 구성요소로 사용될 수 있다. 다른 기판 물질들은 갈륨 비소, 인듐 인화물, 알루미늄, 세라믹, 폴리이미드, 석영, 수지, 중합체 및 공중합체를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 일부 예들에서, 상기 기판 및/또는 상기 기판 표면은 석영일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 일부 다른 예들에서, 상기 기판 및/또는 상기 기판 표면은 GaAs 또는 ITO와 같은 반도체일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 전술한 목록들은 본원을 예시하기 위한 것이지만 이에 제한되지 않는다. 기판들은 단일 물질 또는 복수의 상이한 물질들을 포함할 수 있다. 기판들은 복합체들 또는 라미네이트들일 수 있다. 일부 예들에서, 상기 기판은 유기 규산염 물질을 포함한다.
기판들은 평평하거나, 둥글거나, 구형이거나, 막대형이거나, 또는 임의의 다른 적합한 형태일 수 있다. 기판들은 단단하거나 유연할 수 있다. 일부 예들에서, 기판은 비드(bead) 또는 플로우 셀(flow cell)이다.
기판들은 상기 기판의 하나 이상의 표면 상에서 패턴화되지 않거나, 텍스처화되거나, 또는 패턴화될 수 있다. 일부 예들에서, 상기 표면은 패턴화된다. 이러한 패턴들은 포스트(post)들, 패드(pad)들, 웰(well)들, 융기(ridge)들, 채널(channel)들 또는 기타 3차원 오목 또는 볼록 구조들을 포함할 수 있다. 패턴들은 상기 기판 표면 전체에 걸쳐 규칙적이거나 불규칙적일 수 있다. 패턴들은, 예를 들어 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography)에 의해, 또는 예를 들어 비금속 표면 상에 피처(feature)들을 형성하는 금속 패드들을 사용하여 형성될 수 있다.
일부 예들에서, 본원에 기술된 기판은 플로우 셀의 적어도 일부를 형성하거나 또는 플로우 셀에 위치하거나 또는 플로우 셀에 결합된다. 플로우 셀들은 복수의 레인(lane)들 또는 복수의 섹터들로 구분되는 플로우 챔버를 포함할 수 있다. 예시적인 플로우 셀들 및 본원에 기재된 방법들 및 조성물들에 사용될 수 있는 플로우 셀들의 제조를 위한 기판들은 Illumina, Inc.(캘리포니아주 샌디에이고 소재)로부터 상업적으로 입수 가능한 것들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
폴리뉴클레오티드들을 서열분석하기 위한 예시적인 조성물들 및 방법들
도 1a 및 도 1b는 단일-가닥 공액 중합체 브리지 및 상기 브리지의 전기적 특성을 변경하는 라벨링된 뉴클레오티드들을 포함하는 서열분석을 위한 예시적인 조성물을 개략적으로 도시한다. 이제 도 1a를 참조하면, 조성물(100)은 기판(101), 제1 전극(102), 제2 전극(103), 중합효소(104), 브리지(110), 뉴클레오티드들(121, 122, 123 및 124), 이들 뉴클레오티드에 각각 결합된 라벨들(131, 132, 133 및 134), 제1 폴리뉴클레오티드(140), 제2 폴리뉴클레오티드(150), 및 검출 회로(160)를 포함한다. 중합효소(105)는 브리지(110) 근처에 있고, 일부 예들에서, 당업계에 공지된 방식으로 링커(106)를 통해 브리지(110)에 결합될 수 있다. 이러한 링커 화학 반응은 예를 들어, 시스테인 잔기들 상의 반응성 티올들에 대한 말레이미드 화학 반응, 리신 잔기들 상의 반응성 아민들에 대한 NHS 에스테르 화학 반응, 비오틴-스트렙타비딘 및 스파이태그-스파이캐처(Spytag-SpyCatcher)를 포함한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 예에서, 조성물(100)의 구성요소들은, 뉴클레오티드들(121, 122, 123 및 124)(결합된 라벨들 포함), 폴리뉴클레오티드들(140, 150), 및 적절한 시약이 보유될 수 있는 유체(120)로 채워진 플로우 셀(예를 들어, 벽들(161, 162, 162)을 가짐)로 둘러싸일 수 있다.
기판(101)은 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)을 지지할 수 있다. 제1 전극(102)과 제2 전극(103)은 일정 간격, 예를 들어 도 1a에 표시된 바와 같이 길이 L의 간격만큼 서로 분리될 수 있다. L의 값은 일부 예들에서 약 1nm 내지 약 1 μm, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 또는 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 25 nm, 또는 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 또는 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 50 nm일 수 있다. 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)은 임의의 적합한 형상 및 배열을 가질 수 있으며, 도 1a에 제안된 대략적으로 직사각형인 형상에 제한되지 않는다. 도 1a에 도시된 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)의 측벽들은 서로 수직이거나 평행할 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없으며, 이러한 전극들의 상단 표면들이 반드시 직각으로 닿을 필요는 없다. 예를 들어, 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)은 불규칙한 형상일 수 있고, 곡선일 수 있거나, 임의의 적절한 개수의 둔각들 또는 예각들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)은 서로에 대해 수직으로 배열될 수 있다. L 값은 제1 전극(102)과 제2 전극(103)이 서로 가장 가까워진 지점들 사이의 간격을 지칭할 수 있다.
브리지(110)는 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간을 가로지를 수 있고, 단일-가닥 공액 중합체 사슬(111)을 포함할 수 있다(상기 중합체 사슬 내의 원들은 상기 중합체 사슬의 길이를 따라 서로 결합된 단량체 단위들을 표시하기 위한 것임). 공액 중합체 사슬(111)은 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간의 길이 L과 대략 동일한 길이를 가질 수 있거나, 또는 그렇지 않으면, 중합체 사슬(111)이 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간을 가로지르도록 허용하는 길이를 가져, 예를 들어, 중합체 사슬(111)은 (예를 들어, 각각의 결합들을 통해) 제1 전극(102) 및 제2 전극(103) 각각에 직접 부착될 수 있다. 일부 구성들에서, 중합체 사슬(111)은 반드시 제1 전극(102) 또는 제2 전극(103) 중 하나 또는 둘 모두에 직접 부착될 필요는 없다는 것이 이해되어야 한다. 대신에, 중합체 사슬(111)은, 각각 제1 전극(102) 및 제2 전극(103) 중 하나 또는 둘 모두에 직접 또는 간접적으로 부착된 하나 이상의 다른 구조들에 직접 부착될 수 있다.
본원에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 라벨들(131, 132, 133 및 134)은 각각, 브리지(110)의 전기 전도도 또는 임피던스를 조절하도록 단일-가닥 공액 중합체 사슬(111)의 전기적 특성을 변경할 수 있으며, 이러한 조절에 기초하여, 상응하는 뉴클레오티드들(121, 122, 123 및 124)의 정체가 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 1b를 참조하여 보다 상세히 설명된 바와 같이, 라벨(131, 132, 133 및 134)은 각각 브리지(110)의 전기 전도도 또는 임피던스를 조절할 수 있으며, 이에 기초하여 대응하는 뉴클레오티드(121, 122, 123 및 124)의 정체가 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 내지 도 2e, 도 3a 및 도 3b, 도 4 및 도 5를 참조하여 하기에 기술된 바와 같이, 중합체 사슬(111)은 제1 비편재화된 오비탈 세트를 포함하는 공액 중합체일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 라벨들(131, 132, 133 및 134) 각각은, 상기 공액 중합체와 결합될 때, 상기 공액 중합체의 전기 전도도를 변경하도록 제1 비편재화된 오비탈 세트와 전자들을 공유하는 각각의 비편재화된 오비탈 세트를 포함할 수 있다. 예시적으로, 단일-가닥 공액 중합체 사슬(111) 및 라벨들(131, 132, 133, 134) 각각은 상응하는 전하 이동 복합체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 공액 중합체 사슬(111)은 공여체의 역할을 하고 상기 라벨들(131, 132, 133, 134)은 수용체의 역할을 할 수 있다. 각각의 라벨(131, 132, 133, 134)과 상기 공액 중합체 사슬(111)은 π-π 상호작용들을 통해 공여체:수용체 복합체를 형성할 수 있으며, 이러한 상호작용들을 통해 전자들이 상기 공여체로부터 상기 수용체로 이동하여 상기 공액 중합체 사슬의 전기 전도도 변화를 일으킬 수 있다. 공여체로부터 수용체로의 전자 이동의 정도는 상기 공여체의 분자 오비탈들과 상기 수용체의 분자 오비탈들 사이의 중첩 정도에 따라 달라진다. 따라서, 상이한 분자 오비탈들을 포함하는 라벨들은 상기 공액 중합체 사슬과의 상이한 π-π 상호작용들을 갖고, 따라서 상기 공액 중합체 사슬의 전기 전도도를 검출 가능하게 상이하게 변화시켜, 검출 회로(160)가 이러한 라벨들이 결합된 뉴클레오티드들을 고유하게 식별할 수 있게 할 것으로 예상된다.
도 1a에 도시된 조성물(100)은 상응하는 라벨들에 결합된 임의의 적합한 개수의 뉴클레오티드들, 예를 들어 하나 이상의 뉴클레오티드들, 2개 이상의 뉴클레오티드들, 3개 이상의 뉴클레오티드들 또는 4개의 뉴클레오티드들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 뉴클레오티드(121)(예시적으로, G)는, 일부 예들에서 링커(135)를 통해, 상응하는 라벨(131)에 결합될 수 있다. 뉴클레오티드(122)(예시적으로, T)는, 일부 예들에서 링커(136)를 통해, 상응하는 라벨(132)에 결합될 수 있다. 뉴클레오티드(123)(예시적으로, A)는, 일부 예들에서 링커(137)를 통해, 상응하는 라벨(133)에 결합될 수 있다. 뉴클레오티드(124)(예시적으로, C)는, 일부 예들에서 링커(138)를 통해, 상응하는 라벨(134)에 결합될 수 있다. 뉴클레오티드들과 라벨들 사이의 결합(일부 예들에서, 상기 라벨들과 동일하거나 상이한 중합체를 포함할 수 있는 링커들을 통함)은 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법, 예를 들어 n-히드록시석신이미드(NHS) 에스테르 화학 반응 또는 클릭 화학 반응을 사용하여 제공될 수 있다.
도 4를 참조하여 하기에 기술된 바와 같이, 일부 예들에서 라벨들(131, 132, 133 및 134)은, 공액 중합체를 통한 전자들의 흐름을 감소시키도록 브리지(110) 내의 공액 중합체(111)와 각각 결합(예를 들어, 전하 이동 착물들을 형성)할 수 있는 상이한 수용체들을 포함할 수 있다. 도 1b를 참조하여 더 상세히 기술된 바와 같은 방식으로, 라벨들(131, 132, 133, 및 134)의 특정 특성들은, 이들 라벨이 각각 중합체 사슬(111)의 전기적 특성을 변경할 때, 브리지(110)를 통한 전류 또는 전압과 같은 구별 가능한 전기 신호들의 생성을 용이하게 하도록 각각 선택될 수 있다. 상기 라벨들은 동일한 전기적 특성을 변경할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 상기 라벨들은 동일한 중합체 사슬의 전기적 특성을 변경할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 예를 들어, 라벨들은 상기 중합체 사슬의 상이한 전기적 특성들을 변경할 수 있거나, 또는 동일한 중합체 사슬의 동일한 전기적 특성들을 변경할 수 있다.
도 1a에 도시된 조성물(100)은 제1 폴리뉴클레오티드(140) 및 제2 폴리뉴클레오티드(150), 및 적어도 제2 폴리뉴클레오티드(150)의 서열을 사용하여 상기 복수의 뉴클레오티드들(121, 122, 123 및 124)의 뉴클레오티드들을 제1 폴리뉴클레오티드(140)에 첨가할 수 있는 중합효소(105)를 포함한다. 검출 회로(160)는, 브리지(110)를 통한 전류 또는 임피던스의 변화들을 적어도 사용하여, 중합효소(105)가 제1 폴리뉴클레오티드(140)에 상기 뉴클레오티드들(121, 122, 123 및 124)(반드시 이 순서일 필요는 없음)을 각각 첨가하는 서열을 검출할 수 있으며, 상기 변화들은 이러한 뉴클레오티드들에 상응하는 라벨들(131, 132, 133 및 134)을 사용하여 상기 전기적 특성의 변경들에 반응한다. 예를 들어, 검출 회로(160)는 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 양단에 전압을 인가할 수 있고, 이러한 전압에 반응하여 브리지(110)를 통해 흐르는 임의의 전류를 검출할 수 있다. 또는, 예를 들어, 검출 회로(160)는 브리지(110)를 통해 정전류를 흐르게 하고, 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 전압 차이를 검출할 수 있다.
도 1a에 도시된 특정 시간에, 라벨들(131, 132, 133, 및 134) 중 어느 것도 브리지(110)와 접촉하지 않으며, 따라서 순수 중합체(111)의 베이스라인 전기적(예를 들어, 전류) 특성이 브리지(110)를 통해 흐를 수 있다. 뉴클레오티드들(121, 122, 123, 124)이 유체(120)를 통해 자유롭게 확산될 수 있고 각각의 라벨들(131, 132, 133, 134)이 이러한 확산의 결과로 브리지(110)와 잠깐 접촉할 수는 있지만, 상기 라벨들은 상대적으로 빠르게 해리될 수 있으므로, 이로 인한 브리지(110)의 전기 전도도 또는 임피던스에 대한 임의의 변화들은 너무 짧아서 검출할 수 없거나 또는 제1 폴리뉴클레오티드(140)에 대한 뉴클레오티드의 첨가와 상응하지 않는 것으로 명확하게 식별할 수 있을 것으로 예상된다. 예를 들어, 확산의 결과로 인해 또는 중합효소-지향된 뉴클레오티드 혼입으로 인해 회합하는 라벨들은 (통계적으로 말하면) 동일한 혼성화 수명(hybridized lifetime)을 가질 수 있다. 상기 수명은 상기 상호작용의 오프-레이트(off-rate)에 의해 결정된다. 상기 오프-레이트는 상기 상호작용의 특성, 온도, 염분, 완충제 및 기타 요인에 의해 지배되는 상수이다. 실제 신호와 확산성 신호를 구별하는 것은 상기 레이블이 결합되는 시간의 백분율이며, 이것은 온-레이트(on rate)에 의해 결정된다. 상기 온-레이트는 (상기 오프-레이트와는 대조적으로) 상기 라벨의 농도에 따라 증가한다. 예를 들어, 농도는 특정 부피에서 분자를 찾을 확률에 상응한다. 결합된 뉴클레오티드들의 경우 확산성 뉴클레오티드들에 비해 상기 레이블의 농도가 훨씬 더 높을 수 있는데, 그 이유는 상기 뉴클레오티드가 활성 부위에 유지되기 때문이다. 따라서, 온-레이트가 훨씬 높다. 상기 레이블들은 확산 상태 및 특이적 상태에서 동일하게 빠르게 해리될 수 있지만, 특이적 상태는 상기 레이블들이 상대적으로 빠르게 다시 결합하도록 만든다. 상기 뉴클레오티드가 혼입된 후, 상기 라벨과 상기 뉴클레오티드 사이의 링커가 절단된다. 상기 라벨은 상대적으로 약한 정전기 상호작용들을 통해 상기 브리지에 결합될 수 있기 때문에, 다음에 상기 라벨이 해리될 때, 확산성 라벨과 동일한 확률로 떠내려간다.
이에 비해, 도 1b는, 중합효소(105)가 적어도 제2 폴리뉴클레오티드(150)의 서열을 사용하여 (예를 들어, 해당 서열에서의 C에 상보적이 되도록) 제1 폴리뉴클레오티드(140)에 뉴클레오티드(121)(예시적으로, G)를 첨가하는 시간을 도시한다. 중합효소(105)는 라벨(131)이 부착된(일부 예들에서는 링커(137)를 통함) 뉴클레오티드(121)에 작용하기 때문에, 이러한 작용은, 변경 영역(113) 내의 중합체 사슬(111)의 전기적 특성을 변경하기에 충분한 시간 동안 브리지(110)에 충분히 가까운 위치에 라벨(131)을 유지하여, 검출 회로(160)를 사용하여 검출할 수 있을 만큼 브리지(110)의 전기 전도도 또는 임피던스와 같은 전기적 특성에 충분히 긴 변화를 야기하여, 뉴클레오티드(121)가 제1 폴리뉴클레오티드(140)에 첨가되는 것으로 식별할 수 있게 한다. 추가로, 라벨(131)은, 중합체 사슬(111)의 전기적 특성을 변경할 때, 브리지(110)의 전기 전도도 또는 임피던스와 같은 전기적 특성을 변경하는 특성을 가질 수 있으며, 이를 통해 검출 회로(160)는 다른 뉴클레오티드들 중 임의의 것과 비교하여 첨가된 뉴클레오티드를 121(예시적으로 G)로 고유하게 식별할 수 있다.
유사하게, 라벨(132)은, 중합체 사슬(111)의 전기적 특성을 변경할 때, 브리지(110)의 전기 전도도 또는 임피던스와 같은 전기적 특성을 변경하는 특성을 가질 수 있으며, 이를 통해 검출 회로(160)는 다른 뉴클레오티드들 중 임의의 것과 비교하여 첨가된 뉴클레오티드를 122(예시적으로 T)로 고유하게 식별할 수 있다. 유사하게, 라벨(133)은, 중합체 사슬(111)의 전기적 특성을 변경할 때, 브리지(110)의 전기 전도도 또는 임피던스와 같은 전기적 특성을 변경하는 특성을 가질 수 있으며, 이를 통해 검출 회로(160)는 다른 뉴클레오티드들 중 임의의 것과 비교하여 첨가된 뉴클레오티드를 123(예시적으로 C)으로 고유하게 식별할 수 있다. 유사하게, 라벨(134)은, 중합체 사슬(111)의 전기적 특성을 변경할 때, 브리지(110)의 전기 전도도 또는 임피던스와 같은 전기적 특성을 변경하는 특성을 가지며, 이를 통해 검출 회로(160)는 다른 뉴클레오티드들 중 임의의 것과 비교하여 첨가된 뉴클레오티드를 124(예시적으로 C)로 식별한다. 라벨들(131, 132, 133 및 134)은 임의의 적합한 각각의 특성들을 가질 수 있으며, 이러한 특성들에 기초하여 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 전기 신호는 검출 회로(160)가 이들 라벨들에 각각 결합된 뉴클레오티드들(121, 122, 123, 124)을 식별할 수 있도록 변화할 수 있음이 이해되어야 한다.
일부 예들에서, 본 발명의 공액 중합체 사슬들은 중합체 주쇄에 걸쳐 π-전극들의 확장된 공액을 제공할 수 있다. 상기 공액 중합체 사슬들은 전자가 풍부한 방향족 분자와 전자가 부족한 방향족 분자를 번갈아 포함할 수 있으며, 이는 전자들이 중합체 사슬을 따라 이동할 수 있는 π-오비탈의 중첩을 야기한다. 본 발명의 중합체 사슬들은, 설포네이트, 카르복실레이트 또는 4급 아민과 같은 전해질을 상기 중합체 사슬에 결합시키는 데 사용될 수 있는 펜던트기를 포함하는 적어도 하나의 빌딩 블록, 예를 들어 단량체 단위를 포함할 수 있다. 가용화 기로 지칭될 수도 있는 이러한 기들은 수성 매질에서의 상기 중합체 사슬의 용해도를 향상시킬 수 있으며, 도입될 수 있다. 가용화 기들은, 예를 들어 PEG 링커들을 통한 직교 클릭 반응들을 사용하거나 또는 펜던트기의 직접 전환을 통해, 상기 중합체 사슬에 결합될 수 있다.
예를 들어, 도 2a 내지 도 2e는 단일-가닥 중합체 브리지에 사용될 수 있는 예시적인 공액 중합체들을 개략적으로 도시한다. 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 기술된 공액 중합체들 중 임의의 것은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 기술된 브리지(110)를 위해 사용될 수 있는 비제한적인 예들이며, 다른 공액 중합체들이 브리지(110)에 적절하게 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 일부 예들에서, 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 기술된 것들과 같은 공액 중합체들의 주쇄들은 스즈키·미야우라(Suzuki-Miyaura) 중합을 사용하여 제조될 수 있다.
이제 도 2a를 참조하면, 공액 중합체(211)는 주쇄(221), 주쇄(221)에 결합된 복수의 가용화 기들(231), 및 주쇄(221)의 각각의 말단들에 결합된 제1 및 제2 말단기들(241, 251)을 포함한다. 이 예에서, 주쇄(221)는 서로 중합되는 복수의 단량체 단위들(M1)을 포함한다. 따라서, 공액 중합체(211)는 M1의 "동종중합체"로 지칭될 수 있다. 각각의 가용화 기 R(231)은 상기 단량체 단위들 M1 각각에 결합될 수 있어서, 예를 들어, 공액 중합체(211)는 약 n개의 단량체 단위들 M1에 상응하는 약 n개의 가용화 기들 R을 포함한다. 제1 말단기(241)는, (예를 들어, 주쇄(221)의 제1 말단 단량체 단위 M1을 통해) 주쇄(221)에 결합될 수 있고 제1 전극(102)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제1 작용기를 포함할 수 있다. 제2 말단기(251)는, (예를 들어, 주쇄(221)의 제2 말단 단량체 단위 M1을 통해) 주쇄(221)에 결합될 수 있고 제2 전극(103)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제2 작용기를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 및 제2 말단기들(241, 251)은 서로 동일할 수 있다. 공액 중합체(211)는 상기 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 전체 공간을 실질적으로 가로지를 만큼 충분한 개수의 중합된 단량체 단위들 M1을 포함할 수 있다. 즉, 상기 주쇄와 제1 및 제2 말단기들을 포함하는 공액 중합체(211)의 길이는 적어도 길이 L일 수 있다. 예시적으로, 공액 중합체(211)에 대한 n의 값은 약 10 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 100, 또는 약 100 내지 약 150, 또는 약 150 내지 약 200, 또는 약 200 내지 약 300의 범위일 수 있다. 단량체 단위들 M1, 가용화 기들 R, 및 말단기들의 비제한적인 예들은 하기에 추가로 제공된다.
도 2b에 도시된 공액 중합체(212)는 주쇄(222), 주쇄(222)에 결합된 복수의 가용화 기들(232), 및 주쇄(222)의 각각의 말단들에 결합된 제1 및 제2 말단기들(242, 252)을 포함한다. 이 예에서, 주쇄(222)는 M1과 상이한 복수의 단량체 단위들 M2와 중합되는 복수의 단량체 단위들 M1을 포함한다. 따라서, 공액 중합체(212)는 M1과 M2의 "교대 공중합체"로 지칭될 수 있다. 예시적으로, 공액 중합체(212)는 복수의 반복 M1-M2 하위 단위들, 예를 들어 약 n개의 반복 M1-M2 하위 단위들을 포함할 수 있다. 각각의 가용화 기 R(232)은 상기 단량체 단위들 M1 각각에 결합될 수 있어서, 예를 들어, 상기 공액 중합체(212)는 약 n개의 M1-M2 하위 단위들에 상응하는 약 n개의 가용화 기들을 포함한다. 제1 말단기(242)는, (예를 들어, 주쇄(222)의 말단 단량체 단위 M1을 통해) 주쇄(222)에 결합될 수 있고 제1 전극(102)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제1 작용기를 포함할 수 있다. 제2 말단기(252)는, (예를 들어, 주쇄(222)의 말단 단량체 단위 M2를 통해) 주쇄(222)에 결합될 수 있고 제2 전극(103)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제2 작용기를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 및 제2 말단기들(242, 252)은 서로 동일할 수 있다. 공액 중합체(212)는 상기 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 전체 공간을 실질적으로 가로지를 만큼 충분한 개수의 중합된 단량체 단위들 M1, M2를 포함할 수 있다. 즉, 상기 주쇄와 제1 및 제2 말단기들을 포함하는 공액 중합체(212)의 길이는 적어도 길이 L일 수 있다. 예시적으로, 공액 중합체(212)에 대한 n의 값은 약 10 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 100, 또는 약 100 내지 약 150, 또는 약 150 내지 약 200, 또는 약 200 내지 약 300의 범위일 수 있다. 단량체 단위들 M1 및 M2, 가용화 기들 R, 및 말단기들의 비제한적인 예들은 하기에 추가로 제공된다.
도 2c에 도시된 공액 중합체(213)는 주쇄(223), 주쇄(223)에 결합된 복수의 가용화 기들(233), 및 주쇄(223)의 각각의 말단들에 결합된 제1 및 제2 말단기들(243, 253)을 포함한다. 이 예에서, 주쇄(223)는 M1과 상이한 복수의 단량체 단위들 M3과 중합되는 복수의 단량체 단위들 M1을 포함한다. 따라서, 공액 중합체(213)는 M1과 M3의 "교대 공중합체"로 지칭될 수 있다. 예시적으로, 공액 중합체(213)는 복수의 반복 M1-M3 하위 단위들, 예를 들어 약 n개의 반복 M1-M3 하위 단위들을 포함할 수 있다. 상기 단량체 단위들 M1 각각, 또는 상기 단량체 단위들 M3 각각, 또는 상기 단량체 단위들 M1 및 상기 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합될 수 있다. 예를 들어, 각각의 가용화 기 R(233)은 상기 단량체 단위들 M1 각각에 결합될 수 있어서, 예를 들어, 상기 공액 중합체(213)는 약 n개의 M1-M3 하위 단위들에 상응하는 약 n개의 가용화 기들을 포함한다. 대안적으로, 각각의 가용화 기 R(233)은 상기 단량체 단위들 M3 각각에 결합될 수 있어서, 예를 들어, 상기 공액 중합체(213)는 약 n개의 M1-M3 하위 단위들에 상응하는 약 n개의 가용화 기들을 포함한다. 추가적인 대안으로서, 각각의 가용화 기 R(233)은 상기 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 단량체 단위들 M3 각각에 결합될 수 있어서, 예를 들어, 상기 공액 중합체(213)는 약 n개의 M1-M3 하위 단위들에 상응하는 약 n개의 가용화 기들을 포함한다. 제1 말단기(243)는, (예를 들어, 주쇄(223)의 말단 단량체 단위 M1을 통해) 주쇄(223)에 결합될 수 있고 제1 전극(102)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제1 작용기를 포함할 수 있다. 제2 말단기(253)는, (예를 들어, 주쇄(223)의 말단 단량체 단위 M3을 통해) 주쇄(223)에 결합될 수 있고 제2 전극(103)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제2 작용기를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 및 제2 말단기들(243, 253)은 서로 동일할 수 있다. 공액 중합체(213)는 상기 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 전체 공간을 실질적으로 가로지를 만큼 충분한 개수의 중합된 단량체 단위들 M1, M3을 포함할 수 있다. 즉, 상기 주쇄와 제1 및 제2 말단기들을 포함하는 공액 중합체(213)의 길이는 적어도 길이 L일 수 있다. 예시적으로, 공액 중합체(213)에 대한 n의 값은 약 10 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 100, 또는 약 100 내지 약 150, 또는 약 150 내지 약 200, 또는 약 200 내지 약 300의 범위일 수 있다. 단량체 단위들 M1 및 M3, 가용화 기들 R, 및 말단기들의 비제한적인 예들은 하기에 추가로 제공된다.
도 2d에 도시된 공액 중합체(214)는 주쇄(224), 주쇄(224)에 결합된 복수의 가용화 기들(234), 및 주쇄(224)의 각각의 말단들에 결합된 제1 및 제2 말단기들(244, 254)을 포함한다. 이 예에서, 주쇄(224)는 M3과 상이한 복수의 단량체 단위들 M2와 중합되는 복수의 단량체 단위들 M3을 포함한다. 따라서, 공액 중합체(214)는 M3과 M2의 "교대 공중합체"로 지칭될 수 있다. 예시적으로, 공액 중합체(214)는 복수의 반복 M3-M2 하위 단위들, 예를 들어 약 n개의 반복 M3-M2 하위 단위들을 포함할 수 있다. 각각의 가용화 기 R(234)은 상기 단량체 단위들 M3 각각에 결합될 수 있어서, 예를 들어, 상기 공액 중합체(214)는 약 n개의 M3-M2 하위 단위들에 상응하는 약 n개의 가용화 기들을 포함한다. 제1 말단기(244)는, (예를 들어, 주쇄(224)의 말단 단량체 단위 M3을 통해) 주쇄(224)에 결합될 수 있고 제1 전극(102)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제1 작용기를 포함할 수 있다. 제2 말단기(254)는, (예를 들어, 주쇄(224)의 말단 단량체 단위 M2를 통해) 주쇄(224)에 결합될 수 있고 제2 전극(103)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제2 작용기를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 및 제2 말단기들(244, 254)은 서로 동일할 수 있다. 공액 중합체(214)는 상기 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 전체 공간을 실질적으로 가로지를 만큼 충분한 개수의 중합된 단량체 단위들 M3, M2를 포함할 수 있다. 즉, 상기 주쇄와 제1 및 제2 말단기들을 포함하는 공액 중합체(214)의 길이는 적어도 길이 L일 수 있다. 예시적으로, 공액 중합체(214)에 대한 n의 값은 약 10 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 100, 또는 약 100 내지 약 150, 또는 약 150 내지 약 200, 또는 약 200 내지 약 300의 범위일 수 있다. 단량체 단위들 M3 및 M2, 가용화 기들 R, 및 말단기들의 비제한적인 예들은 하기에 추가로 제공된다.
도 2e에 도시된 공액 중합체(215)는 주쇄(225), 주쇄(225)의 각각의 부분들에 결합된 복수의 가용화 기들(235, 236), 및 주쇄(225)의 각각의 말단들에 결합된 제1 및 제2 말단기들(245, 255)을 포함한다. 이 예에서, 주쇄(225)는 상이한 복수의 단량체 단위들 M1, M2, M3을 포함한다. 따라서, 공액 중합체(215)는 M1, M2, 및 M3의 "랜덤 공중합체"로 지칭될 수 있다. 예시적으로, 공액 중합체(215)는 복수의 반복 M1-M2 하위 단위들, 예를 들어 약 n개의 반복 M1-M2 하위 단위들, 및 복수의 반복 M3-M2 하위 단위들, 예를 들어 약 m개의 반복 M3-M2 하위 단위들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 M1-M2 하위 단위들은 상기 복수의 M3-M2 하위 단위들에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 M1-M2 하위 단위들의 말단 단량체 단위 M2는 상기 복수의 M3-M2 하위 단위들의 말단 단량체 단위 M3에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, (i) 상기 단량체 단위들 M1 각각, (ii) 또는 상기 단량체 단위들 M3 각각, 또는 (iii) 상기 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합될 수 있다. 예를 들어, 각각의 가용화 기 R(235)은 상기 단량체 단위들 M1 각각에 결합될 수 있어서, 예를 들어, 상기 공액 중합체(215)는 약 n개의 M1-M2 하위 단위들에 상응하는 약 n개의 가용화 기들을 포함한다. 추가로 또는 대안적으로, 각각의 가용화 기 R(236)은 상기 단량체 단위들 M3 각각에 결합될 수 있어서, 예를 들어, 상기 공액 중합체(215)는 약 m개의 M3-M2 하위 단위들에 상응하는 약 m개의 가용화 기들을 포함한다. 가용화 기들(235, 236)은 서로 동일한 유형일 수도 있고 다른 유형일 수도 있다. 제1 말단기(245)는, (예를 들어, 주쇄(225)의 말단 단량체 단위 M1을 통해) 주쇄(225)에 결합될 수 있고 제1 전극(102)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제1 작용기를 포함할 수 있다. 제2 말단기(255)는, (예를 들어, 주쇄(225)의 말단 단량체 단위 M2를 통해) 주쇄(225)에 결합될 수 있고 제2 전극(103)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있는 제2 작용기를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 및 제2 말단기들(245, 255)은 서로 동일할 수 있다. 공액 중합체(215)는 상기 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 전체 공간을 실질적으로 가로지를 만큼 충분한 개수의 중합된 단량체 단위들 M1, M2, M3을 포함할 수 있다. 즉, 상기 주쇄와 제1 및 제2 말단기들을 포함하는 공액 중합체(215)의 길이는 적어도 길이 L일 수 있다. 예시적으로, 공액 중합체(215)에 대한 n의 값은 약 10 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 100, 또는 약 100 내지 약 150, 또는 약 150 내지 약 200, 또는 약 200 내지 약 300의 범위일 수 있고, m 의 값은 약 10 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 100, 또는 약 100 내지 약 150, 또는 약 150 내지 약 200, 또는 약 200 내지 약 300의 범위일 수 있다. 단량체 단위들 M1, M2, 및 M3, 가용화 기들 R, 및 말단기들의 비제한적인 예들은 하기에 추가로 제공된다.
도 2a 내지 도 2c 및 도 2e를 참조하여 기술된 것과 같은 예들에서, 단량체 단위 M1은, 순전히 예로서, 하나 이상의 가용화 기들을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위일 수 있다. 예시적으로, 상기 하나 이상의 가용화 기들을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위는, 티오펜, 플루오렌, 카르바졸, 시클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜, 실롤로[3,2-b:4,5-b']디티오펜, 페닐렌, 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(벤조디티오펜으로 지칭될 수도 있음) 및 벤조[1,2-b:6,5-b'3,4-c']트리티오펜으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고, 이들의 예시적인 구조들을 하기에 나타내었으며:
Figure pct00011
,
상기 식에서 *는 단량체와 다른 요소(예를 들어 말단기 또는 다른 단량체 단위)의 결합을 나타내고 R은 상기 가용화 기를 나타낸다.
상기 중합체 사슬의 가용화 기들 R은 수성 매질에서의 상기 중합체 사슬의 적절한 용해도를 제공하도록 선택될 수 있다. 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 기술된 것과 같은 예들에서, 가용화 기 R은, 순전히 예로서, 양이온성 기 또는 음이온성 기와 같은 하전된 기일 수 있다. 예시적으로, 상기 양이온성 가용화 기는 (N,N,N-트리메틸 암모늄)알킬, (N,N,N-트리부틸 암모늄)알킬, 1-메틸-3-(알킬)-이미다졸륨, 및 1-(알킬)피리디늄으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 예시적으로, 상기 음이온성 가용화 기는 알킬 설포네이트, 알킬 카르복실레이트, 및 알킬 포스포네이트로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 예시적으로, 가용화 기 R에 대한 p의 값은 약 2 내지 약 4, 또는 약 4 내지 약 8, 또는 약 8 내지 약 12의 범위일 수 있다. 이러한 양이온성 가용화 기들의 예시적인 구조들은 하기와 같으며:
Figure pct00012
상기 식에서 X 는 반대 이온이다(X = Cl -, Br -, 또는 I -).
이러한 음이온성 가용화 기들의 예시적인 구조들은 하기와 같으며:
Figure pct00013
상기 식에서 X 는 반대 이온이다(X = H +, Na +, K +, 또는 (n-C2H9)4N+).
도 2b, 2d 및 2e를 참조하여 기술된 것과 같은 예들에서, 단량체 단위 M2는 가용화 기를 배제하는 전자-공여성 단량체 단위일 수 있다. 순전히 예로서, 가용화 기를 배제하는 전자-공여성 단량체 단위는 티오펜, 2,5-디에티닐티오펜, 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 티에노[3,2-b]티오펜, 1,4-디에티닐벤젠 및 페난트로[1,2-b:8,7-b']디티오펜으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고, 이들의 예시적인 구조들을 하기에 나타내었으며:
Figure pct00014
,
상기 식에서 *는 단량체와 다른 요소(예를 들어 말단기 또는 다른 단량체 단위)의 결합을 나타내고 R은 상기 가용화 기를 나타낸다.
도 2c 내지 도 2e를 참조하여 기술된 것과 같은 예들에서. 단량체 단위 M3은, 하나 이상의 가용화 기들을 포함하거나 또는 가용화 기를 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위일 수 있다. 순전히 예로서, 가용화 기를 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위는 벤조[c][1,2,5]티아디아졸, 5,6-디플루오로벤조[c][1,2,5]티아디아졸, 티아졸로[5,4-d]티아졸, 및 나프토[1,2-c:5,6-c']비스([1,2,5]티아디아졸)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 가용화 기들을 포함하는 전자-흡인성 단량체 단위는 티에노[3,4-c]피롤-4,6(5H)-디온, [3,3'-비인돌리닐리덴]-2,2'-디온, 1,4:5,8-나프탈렌테트라카르복실산 디이미드, 3,4:9,10-페릴렌테트라카르복실산 디이미드 및 1,7-디에티닐-3,4:9,10-페릴렌테트라카르복실산 디이미드로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 하나 이상의 가용화 기들을 포함하는 이러한 전자-흡인성 단량체들에 대한 예시적인 구조들이 하기에 제공되며:
Figure pct00015
,
상기 식에서 *는 다른 단량체 단위 또는 말단기에 대한 결합을 나타낸다. 하나 이상의 가용화 기들을 포함하는 이러한 전자-흡인성 단량체들에 대한 예시적인 구조들이 하기에 제공되며:
Figure pct00016
,
상기 식에서 *는 다른 단량체 단위 또는 말단기에 대한 결합을 나타낸다.
상기 중합체 사슬의 말단기들은 각각의 전극들에 대한 부착을 제공하도록 적절하게 선택될 수 있다. 일부 예들에서, 상기 말단기들은 상기 중합체 사슬을 상기 전극에 공유 결합으로 결합시킨다. 일부 예들에서, 상기 말단기들은 상기 중합체 사슬을 상기 전극들에 비-공유 결합으로 결합시키며, 예를 들어 상기 중합체 사슬은 상기 말단기들을 통해 상기 전극들에 약하게 물리 흡착된다. 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 기술된 것과 같은 예들에서, 상기 제1 말단기 및 제2 말단기 각각은, 순전히 예로서, 벤젠티올, 페닐아세틸렌, 벤젠디아조늄, 벤질아민, 메틸 벤질 설파이드 및 메틸 헥실 설파이드로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 도 3a는 단일-가닥 중합체 브리지를 전극에 공유 결합으로 결합시키기 위해 사용될 수 있는 예시적인 말단기들을 개략적으로 도시하고, 도 3b는 단일-가닥 중합체 브리지를 전극에 비-공유 결합으로 결합시키기 위해 사용될 수 있는 예시적인 말단기들을 개략적으로 도시하며, 이 예에서 상기 말단기들(341)과 금속 전극들(301) 사이의 예시적인 반응들은 점선으로 도시되어 있고, 상기 말단기들과 상기 중합체(311) 사이의 결합들은 실선으로 도시되어 있다. 예시적으로, 도 3a에 도시된 비제한적인 예들에서, 벤젠티올의 경우, 티올 모이어티는 상기 금속 전극과 반응하여 공유 결합을 형성할 수 있고; 페닐아세틸렌의 경우, 아세틸렌 모이어티는 상기 금속 전극과 반응하여 공유 결합을 형성할 수 있고; 벤젠디아조늄의 경우, 디아조늄 모이어티는 상기 금속 전극과 반응하여 공유 결합을 형성할 수 있다. 도 3b에 도시된 것과 같은 다른 비제한적인 예들에서, 벤질아민의 경우, 아민 모이어티는 상기 금속 전극과 회합하여 비공유 결합을 형성할 수 있고; 메틸 벤질 설파이드의 경우, 메틸 설파이드 모이어티는 상기 금속 전극과 회합하여 비공유 결합을 형성할 수 있고; 메틸 헥실 설파이드의 경우, 메틸 설파이드 모이어티는 상기 금속 전극과 회합하여 비공유 결합을 형성할 수 있다.
임의의 적합한 라벨들(131, 132, 133, 134)은, 도 1a 및 도 1b, 도 2a 내지 도 2e, 및 도 3a 및 도 3b를 참조하여 기술된 것과 같은 단일-가닥 공액 중합체 브리지에 의해 전자 흐름의 전도를 조절하도록 선택될 수 있음이 이해될 것이다. 도 4는 단일-가닥 공액 중합체 브리지와 함께 사용하기 위한 예시적인 수용체-라벨링된 뉴클레오티드(421)를 개략적으로 도시한다. 수용체-라벨링된 뉴클레오티드(421)는, 임의의 적합한 개수의 포스페이트기들(442)에 결합된 뉴클레오티드(441), 링커(443) 및 수용체(444)를 포함할 수 있다. 링커(443)는 상기 포스페이트기들(442) 중 말단 포스페이트에 수용체(444)를 결합시킨다. 예시적인 뉴클레오티드들, 포스페이트기들 및 링커들은 본원의 다른 곳에 기술된다. 순전히 예로서, 상기 수용체들은 3,4:9,10-페릴렌테트라카르복실산 디이미드, 7,7,8,8-테트라시아노 퀴노디메탄, 2,5-디플루오로-7,7,8,8-테트라시아노 퀴노디메탄, 1-(디시아노메틸렌)-3-인단온, 6,7-디플루오로-1-(디시아노메틸렌)-3-인단온, 및 1,3-비스(디시아노메틸리덴)인단으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고, 이들의 예시적인 구조들을 하기에 나타내었으며:
Figure pct00017
상기 식에서 L은 링커를 나타내고 물결선은 링커 L과 상기 뉴클레오티드의 결합을 나타낸다.
상기 라벨링된 뉴클레오티드들의 링커들 L은, 수성 매질에서의 상기 라벨링된 뉴클레오티드의 적절한 용해도를 제공하고 상기 중합체 사슬과의 이온 상호작용들을 강화하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, DNA 중합효소를 사용하는 뉴클레오티드들의 혼입에 대한 부피가 큰 수용체 라벨들의 억제 효과를 극복하기 위해, 상기 수용체는 상대적으로 긴 링커, 예를 들어 상대적으로 긴 PEG기를 포함하는 링커를 사용하여 상기 뉴클레오티드로부터 이격될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 상기 링커는 하전될 수 있다. 이러한 링커는 하나 이상의 pH-의존성 중합체 전해질들, 예를 들어 폴리리신과 같은 하나 이상의 하전된 기들을 포함할 수 있다. 이러한 링커는 또한 PEG기들과 pH-의존성 중합체 전해질들의 조합을 포함할 수 있다. 대안적으로, 이러한 링커는 중성 아미노산 및 하전된 아미노산의 조합을 함유하는 상대적으로 긴 폴리펩티드 사슬을 포함할 수 있다. 상기 공액 중합체 사슬에 결합된 전해질들과 상기 라벨링된 뉴클레오티드의 링커 상의 전해질들 사이의 정전기적 상호작용들은 상기 공액 중합체 사슬의 분자 오비탈들을 상기 라벨의 분자 오비탈들에 정렬시키는 데 도움을 주어 전하 이동 복합체 형성을 촉진시킬 수 있다. 순전히 예로서, 수용체들(예를 들어 상기에 열거된 것들)을 뉴클레오티드들에 결합시키는 데 사용될 수 있는 링커들 L은 폴리에틸렌 글리콜, 폴리알라닌, 폴리글리신, 폴리리신, 및 폴리글루탐산으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고, 이들의 예시적인 구조들을 하기에 나타내었으며:
Figure pct00018
,
상기 식에서 물결선은 상기 수용체와 상기 뉴클레오티드에 대한 각각의 결합들을 나타낸다. 예시적으로, 링커 L에 대한 p의 값은 약 2 내지 약 4, 또는 약 4 내지 약 8, 또는 약 8 내지 약 12, 또는 약 12 내지 약 14, 또는 약 14 내지 약 16의 범위일 수 있다.
도 2a 내지 도 2e, 도 3a 및 도 3b, 및 도 4를 참조하여 기술된 것과 같은 예들에서, 상기 중합체 사슬의 특정 구성들(예를 들어, 선택된 단량체 하위 단위(들) 및 이의 구성)뿐만 아니라 상기 라벨링된 뉴클레오티드의 구성(예를 들어, 상기 라벨 및 링커)는, 라벨링된 뉴클레오티드의 라벨과의 회합에 의해 야기된 상기 중합체 사슬을 통한 전기 전도도의 변화의 검출을 적합하게 허용하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 라벨들은, 상기 중합체 사슬과의 전하 이동 복합체의 형성이 π-π 상호작용들에 의해 촉진되도록, 분자 오비탈들의 중첩을 향상시키는 융합된 고리 구조들을 포함하는 전자가 부족한 π-코어들을 가질 수 있다. 전하 이동 복합체의 전자 특성은 공여체들과 수용체들의 선택에 의해 영향을 받을 수 있다. 상기 전하 이동 상태들의 전자 결합은 상기 공여체의 최고 점유 분자 오비탈(HOMO) 에너지 준위와 상기 수용체의 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO) 에너지 준위 사이의 차이에 따라 결정된다. 예를 들어, 도 5는 수용체 라벨링된 뉴클레오티드를 사용하여 단일-가닥 공액 중합체 브리지의 전기적 특성을 변경하기 위한 예시적인 전하 이동 방식을 개략적으로 도시하며, 여기서 바람직한 에너지 정렬에서는 상기 수용체의 LUMO(전자 친화도)가 상기 공여체의 HOMO(이온화 포텐셜)보다 낮으며(Eoffset < 0); 오비탈 혼성화에서는 상기 공여체와 수용체의 프론티어 오비탈(frontier orbital)들이 중첩되고 새로운 오비탈들로 분할된다(Eoffset > 0). 폴리티오펜 폴리(플루오렌-alt-티오펜)은 본 발명의 브리지들에 포함될 수 있는 공액 중합체 사슬들의 비제한적인 예들이다. 릴렌 디이미드 및 페릴렌디이미드(PDI)는, 예를 들어 폴리티오펜 또는 폴리(플루오렌-alt-티오펜) 중합체 사슬들과 함께 사용하기 위해, 본 발명의 라벨링된 뉴클레오티드들에 포함될 수 있는 수용체들의 비제한적인 예들이다.
본 발명의 중합체들은 실시예 2 및 4를 참조하여 기술된 것과 같은 합성 기술들을 포함하는 기술들의 임의의 적합한 조합을 사용하여 제조될 수 있다. 공액 중합체의 길이는, 적어도 부분적으로, 상기 중합체의 분자량 및 용액(예를 들어, 수성 매질)에서의 해당 중합체의 입체형태와 관련될 수 있다. 상기 분자량은 촉매 로딩, 단량체 농도, 용매, 반응 시간 및 온도와 같은 중합 매개변수들을 사용하여 제어할 수 있다. 상기 중합체의 입체형태는 상기 용매의 극성 및 상기 중합체와 상기 용매 사이의 상호작용의 성질과 관련될 수 있다. 중합체 전해질들의 전하들 사이의 정전기적 반발은 단량체 단위들 사이의 소수성 상호작용들을 감소시키거나 억제하고, 브리지 형성을 촉진시킬 수 있는 상대적으로 확장된 중합체 입체형태를 제공할 수 있다. 따라서, 일부 예들에서, DNA와 같은 하전된 중합체들이 정전 주형들로 사용되어, 용액에서의 본 발명의 공액 중합체 사슬의 입체형태를 변형할 수 있으며, 예를 들어 본 발명의 공액 중합체로 하여금 상기 중합체의 말단기들이 각각의 전극들과 접촉하고 이들과 반응할 수 있는 확장된 입체형태를 획득하도록 할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 공액 중합체들은 음으로 하전된 DNA 주형들을 사용하여 정렬될 수 있다. 예시적으로, DNA와 중합체의 혼합물은 정렬된 DNA-중합체 복합체를 획득하기 위해 "분자 빗질(molecular combing)"을 사용하여 소수성 표면 상에서 신장될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 본 발명의 공액 중합체 사슬들은 상기 전극들 주위의 중합체 사슬들을 극성화하기 위해 상기 전극들 사이에 전압을 인가함으로써 상기 전극들 사이에 정전기적으로 포획될 수 있다. 극성화된 중합체 사슬들은 상기 전극들 사이의 최대 필드 영역으로 끌어당겨질 수 있다.
도 1a 및 도 1b, 도 2a 내지 도 2e, 도 3a 및 도 3b, 도 4 및 도 5를 참조하여 기술된 것과 같은 조성물들은 서열분석을 위한 임의의 적합한 방법에서 사용될 수 있다. 도 6은 단일-가닥 중합체 브리지 및 상기 브리지의 전기적 특성을 변경하는 라벨링된 뉴클레오티드들을 사용하여 서열분석하기 위한 방법에서의 동작들의 예시적인 흐름을 도시한다. 도 6에 도시된 예에서, 상기 브리지의 단일-가닥 중합체는 공액되지만; 상기 중합체가 반드시 공액될 필요는 없음이 이해되어야 한다. 방법(600)은, 중합효소를 사용하여, 적어도 제2 폴리뉴클레오티드의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드들을 첨가하는 단계(동작 610)를 포함한다. 예를 들어, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 기술된 중합효소(105)는 적어도 제2 폴리뉴클레오티드(150)의 서열을 사용하여 뉴클레오티드들(121, 122, 123 및 124) 각각을 제1 폴리뉴클레오티드(160)에 첨가할 수 있다.
도 6에 예시된 방법(600)은, 상기 뉴클레오티드들에 각각 결합된 라벨들을 사용하여, 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간을 가로지르는 브리지의 공액 중합체 사슬의 전기적 특성을 변경하는 단계(동작 620)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 기술된 라벨들(131, 132, 133, 134) 중 임의의 것은 각각 뉴클레오티드들(121, 122, 123 및 124)에 결합될 수 있다. 중합효소(105)가 이들 뉴클레오티드를 제1 폴리뉴클레오티드(140)에 각각 첨가함에 따라, 이들 뉴클레오티드에 각각 결합된 라벨들은 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간을 가로지르는 브리지(110) 내의 공액 중합체 사슬(111)의 전기적 특성을 변경할 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 방법(600)은, 이들 뉴클레오티드에 상응하는 라벨들을 사용하는 상기 전기적 특성의 각각의 변경들에 반응하는 상기 브리지를 통한 전기 신호, 예를 들어 전류 또는 전압의 변화들을 적어도 사용하여, 상기 중합효소가 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 뉴클레오티드들을 첨가하는 서열을 검출하는 단계(동작 630)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 기술된 검출 회로(160)는 라벨들(131, 132, 133, 및 134)을 사용하여 각각의 변경들에 반응하는 브리지(110)를 통한 전기 신호의 변화들을 검출할 수 있다.
추가적인 실시예
추가적인 실시예가 하기의 실시예에서 더 상세히 개시되며, 이러한 실시예는 결코 본 발명의 범주를 제한하고자 의도되지 않는다. 실시예 2 및 4에 기재된 예시적인 반응식들은 본원에 제공된 임의의 적합한 공액 중합체 사슬을 제조하는 데 사용하기 위해 적응될 수 있음이 이해될 것이다. 유사하게, 실시예 8에 기재된 예시적인 반응식들은 본원에 제공된 임의의 적합한 라벨링된 뉴클레오티드를 제조하는 데 사용하기 위해 적응될 수 있음이 이해될 것이다.
실시예 1. 예시적인 단일-가닥 공액 중합체
비제한적인 일례에서, 공여체로서 작용할 수 있는 단일-가닥 공액 중합체는 화학식 1의 구조를 가졌다:
Figure pct00019
화학식 1.
화학식 1의 중합체는 단량체 단위들 M1과 M2의 공중합체를 포함하였고, 가용화 기 R은 상기 단량체 단위들 M1 각각에 결합되어 있었다. 화학식 1의 중합체의 단량체 단위들 M1의 출발 물질은 하기 구조를 가졌다:
Figure pct00020
예시적인 M1 출발 물질.
화학식 1의 중합체의 단량체 단위들 M2의 출발 물질은 하기 구조를 가졌다:
Figure pct00021
예시적인 M2 출발 물질.
하기 실시예 2의 방법을 사용하여, M1 단량체 단위들의 출발 물질의 브롬기들을 M2 단량체 단위들의 출발 물질의 보론산 피나콜 에스테르기들과 반응시켜 M1-M2 교대 공중합체를 형성하였다.
화학식 1의 중합체의 가용화 기들 R은 하기 구조를 가졌다:
Figure pct00022
Figure pct00023
.
화학식 1의 중합체의 제1 및 제2 말단기들은 하기 구조를 가졌으며:
Figure pct00024
상기 식에서 점선은 티올과 금속 전극 사이의 공유 결합을 나타낸다.
실시예 2. 화학식 1의 단일-가닥 공액 중합체의 예시적인 합성
화학식 1의 구조를 갖는 실시예 1의 단일-가닥 공액 중합체를 하기와 같이 합성하였다:
단계 1. 단량체 단위 M1의 출발 물질의 제조
M1의 출발 물질은 상업적으로 입수 가능한 전구체 A인 2,7-디브로모-9,9-비스(6-브로모헥실)플루오렌(Tokyo Chemical Industries Co. Ltd.)으로부터 합성되었다. 간단히, A(500 mg, 0.77 mmol), 아황산나트륨(7.7 mmol) 및 테트라부틸암모늄 브로마이드(0.23 mmol)를 20 mL의 물에 첨가하고 1일 동안 환류시켰다. 증발에 의해 용매를 제거한 후, 잔류물을 메탄올로 수회 세척하였다. 여과액을 건조하여 단량체 단위 M1의 출발 물질을 70% 수율로 수득하였다.
Figure pct00025
단계 2. 단량체 단위 M2의 출발 물질의 제조
M2의 출발 물질은 Sigma-Aldrich로부터 상업적으로 입수하였다.
Figure pct00026
M2 출발 물질.
단계 3. 중합체 주쇄의 제조
중합체 주쇄는, 탄소-탄소 결합들이 아릴 할라이드와 아릴 보로네이트 에스테르의 결합을 통해 형성되는 전통적인 전이 금속 촉매 중축합 반응을 사용하여 합성되었다. 단량체 M1의 출발 물질은 말단 브롬기들로 작용화되었고, 단량체 M2의 출발 물질은 말단 보론산 피나콜 에스테르로 작용화되었다. 팔라듐 촉매 및 염기의 존재 하에, M1의 이브롬화된 단량체는 M2의 디보로네이트 에스테르 결합 파트너와 선택적으로 반응하여, 직교 말단기들을 갖는 M1-M2 단위들을 형성한다. 중합체 사슬은, 2개 이상의 M1-M2 단위들의 서로 간의 반응 또는 M1-M2 단위의 양쪽 말단 상의 개별 단량체들의 반응에 의해 전파되었다. 이로 인해 사슬 길이들의 분포를 갖는 중합체들이 형성되었다.
중합체 주쇄에 대한 말단기들의 결합을 촉진시키기 위해, 실시예 1에 예시된 바와 같이, 펜타플루오로벤젠을 캡핑기로서 중합체의 말단에 첨가하였다. 이것은 반응 초기에 단량체들 M1 및 M2의 출발 물질들과 함께 브롬 작용화된 시약 G1을 첨가함으로써 달성되었다. M1의 출발 물질, M2의 출발 물질, 및 G1의 화학양론비는, 직교 반응기들(아릴 브로마이드 및 아릴 보로네이트 에스테르)의 총 개수가 동일하도록 유지되었다. M1의 출발 물질과 비교하여 단량체 M2의 출발 물질이 약간 과량이면, 펜타플루오로벤젠-M2 말단기들을 갖는 중합체들의 형성에 유리하다. 충분한 정도의 중합 후, 보론산 피나콜 에스테르 작용화된 시약 G2를 동일한 포트(pot)에 첨가하여 임의의 중합체 사슬들을 M1 말단기들로 캡핑한다. 이것은 양 말단이 펜타플루오로벤젠으로 캡핑된 중합체 사슬들을 높은 비율로 형성하는 것을 촉진시킨다. 중합체 주쇄의 합성 절차는 하기와 같다:
간단히 설명하면, M1의 출발 물질(0.25 mmol), M2의 출발 물질(85.73, 0.255 mmol), G1(2.5 mg, 0.01 mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(14.4 mg, 0.012 mmol), 및 탄산나트륨(265 mg, 2.5 mmol)을 건조 THF(0.5 mL), 메탄올(1.5 mL) 및 탈이온수(0.5 mL)의 혼합물에 용해시키고 3회의 동결-펌프-해동 사이클을 적용하여 탈기시켰다. 85oC 아르곤 분위기에서 36시간 동안 교반한 후 G2(7.5 mg, 0.0255 mmol)를 첨가하고, 2시간 동안 반응을 계속한 후, G1(18.89 mg, 0.0765 mmol)을 첨가하고, 추가로 2시간 동안 교반하였다. 반응을 냉각시키고 차가운 THF에 침전시켰다. 침전물을 속슬렛 팀블(Soxhlet thimble)을 통해 여과하고, 클로로포름과 아세톤으로 연속적으로 세척하고, 마지막으로 메탄올로 추출하였다. 진공에서 메탄올을 제거한 후, 중합체를 진공에서 건조하여 주황색 분말을 수득하였다.
Figure pct00027
단계 4. 말단기들의 제조
그런 다음, 중합체 주쇄의 펜타플루오로벤젠 캡핑기들을 하기 화학식의 화합물과 반응시켜, 보호된 말단기들을 갖는 중합체의 제조를 완료하였다:
Figure pct00028
.
1,4-벤젠디티올을 펜타플루오로벤젠과 반응시켜 실시예 1에 예시된 바와 같이 벤젠티올 말단기들을 도입하였다. 그러나, 중합체 사슬들의 가교 결합을 피하기 위해, 보호기를 사용하여 이황화 결합을 형성함으로써 하나의 티올기를 선택적으로 차폐하였다.
간단히 설명하면, 중합체 주쇄(50 mg), 6-((4-메르캅토페닐)디티오)헥산-1-올(50 umol) 및 탄산칼륨(75 umol)을 메탄올(1 mL)에 첨가하고 70oC에서 12시간 동안 교반하였다. 용액을 여과하고 여과액을 진공에서 농축하였다. 고체를 클로로포름으로 세척하고 진공 하에 건조하여, 보호된 말단기들을 갖는 중합체를 수득하였다.
Figure pct00029
단계 5. 말단기들과 각각의 전극들과의 반응
중합체 말단기들과 전극들의 반응을 촉진시키기 위해, 보호된 말단기들을 환원시켜 유리 티올 모이어티를 수득하였다. 간단히 설명하면, 말단기들을 갖는 중합체를 100 몰 당량의 트리스(2-카르복시에틸)포스핀 염산염을 함유하는 용액에서 실온에서 4시간 동안 인큐베이션하여 화학식 1의 중합체를 수득하였다.
실시예 3. 예시적인 단일-가닥 공액 중합체
비제한적인 일례에서, 공여체로서 작용할 수 있는 단일-가닥 공액 중합체는 화학식 2의 구조를 가졌다:
Figure pct00030
화학식 2.
화학식 2의 중합체는 단량체 단위들 M1과 M2의 공중합체를 포함하였고, 가용화 기 R은 상기 단량체 단위들 M1 각각에 결합되어 있었다. 화학식 2의 중합체의 단량체 단위들 M1의 출발 물질은 하기 구조를 가졌다:
Figure pct00031
M1 출발 물질.
화학식 2의 중합체의 단량체 단위들 M2의 출발 물질은 하기 구조를 가졌다:
Figure pct00032
M2 출발 물질.
화학식 2의 중합체의 가용화 기들 R은 하기 구조를 가졌다:
Figure pct00033
.
화학식 2의 중합체의 제1 및 제2 말단기들은 하기 구조를 가졌으며:
Figure pct00034
상기 식에서 점선은 티올과 금속 전극 사이의 공유 결합을 나타낸다.
실시예 4. 화학식 2의 단일-가닥 공액 중합체의 예시적인 합성
화학식 2의 구조를 갖는 실시예 3의 단일-가닥 공액 중합체를 하기와 같이 합성하였다:
단계 1. 단량체 단위 M1의 출발 물질의 제조
M1의 출발 물질은 상업적으로 입수 가능한 전구체 A인 2-브로모-3-(브로모메틸)티오펜으로부터 2단계 공정으로 제조되었다. 간단히 설명하면, A(500 mg, 1.95 mmol) 및 N-브로모석신이미드(NBS, 2.9 mmol)를 0oC에서 10 mL의 DMF에 첨가하고 16시간 동안 교반하였다. 용매를 증발에 의해 제거하고 미정제 생성물을 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 중간체 B를 80% 수율로 수득하였다. 다음 단계에서, B(500 mg, 1.49 mmol), 아황산나트륨(15 mmol) 및 테트라부틸암모늄 브로마이드(0.3 mmol)를 20 mL의 1:1 물/아세톤 혼합물에 첨가하고 1일 동안 환류시켰다. 증발에 의해 용매를 제거한 후, 잔류물을 메탄올로 수회 세척하였다. 여과액을 증발시켜 M1 출발 물질을 60% 수율로 수득하였다.
Figure pct00035
.
단계 2. 단량체 단위 M2의 출발 물질의 제조
M2의 출발 물질은 Sigma-Aldrich로부터 상업적으로 입수하였다.
Figure pct00036
.
단계 3. 중합체 주쇄의 제조
중합체 주쇄는, 탄소-탄소 결합들이 M1의 출발 물질인 브롬 작용화된 단량체와 M2의 출발 물질인 보론산 피나콜 에스테르 작용화된 단량체의 결합을 통해 형성되는 전통적인 전이 금속 촉매 중축합 반응을 사용하여 합성되었다. 간단히 설명하면, M1의 출발 물질(0.25 mmol), M2의 출발 물질(85.73, 0.255 mmol), G1(2.5 mg, 0.01 mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(14.4 mg, 0.012 mmol), 및 탄산나트륨(265 mg, 2.5 mmol)을 건조 THF(0.5 mL), 메탄올(1.5 mL) 및 탈이온수(0.5 mL)의 혼합물에 용해시키고 3회의 동결-펌프-해동 사이클을 적용하여 탈기시켰다. 85oC 아르곤 분위기에서 36시간 동안 교반한 후 G2(7.5 mg, 0.0255 mmol)를 첨가하고, 2시간 동안 반응을 계속한 후, G1(18.89 mg, 0.0765 mmol)을 첨가하고, 추가로 2시간 동안 교반하였다. 반응을 냉각시키고 차가운 THF에 침전시켰다. 침전물을 속슬렛 팀블(Soxhlet thimble)을 통해 여과하고, 클로로포름과 아세톤으로 연속적으로 세척하고, 마지막으로 메탄올로 추출하였다. 진공에서 메탄올을 제거한 후, 중합체를 진공에서 건조하여 갈색 분말을 수득하였다.
Figure pct00037
.
단계 4. 말단기들의 제조
이어서, 펜타플루오로벤젠 캡핑기들을 하기 화학식의 화합물과 반응시켜, 화학식 2의 중합체의 제조를 완료하였다:
Figure pct00038
.
간단히 설명하면, 중합체 주쇄(50 mg), 6-((4-메르캅토페닐)디티오)헥산-1-올(50 umol) 및 탄산칼륨(75 umol)을 메탄올(1 mL)에 첨가하고 70oC에서 12시간 동안 교반하였다. 용액을 여과하고 여과액을 진공에서 농축하였다. 고체를 클로로포름으로 세척하고 진공 하에 건조하여, 보호된 말단기들을 갖는 중합체를 수득하였다.
Figure pct00039
.
단계 5. 말단기들과 각각의 전극들과의 반응
중합체 말단기들과 전극들의 반응을 촉진시키기 위해, 보호된 말단기들을 환원시켜 유리 티올 모이어티를 수득하였다. 간단히 설명하면, -OH 말단기들을 갖는 중합체를 100 몰 당량의 트리스(2-카르복시에틸)포스핀 염산염을 함유하는 용액에서 실온에서 4시간 동안 인큐베이션하여 화학식 2의 중합체를 수득하였다.
실시예 5. 예시적인 수용체-라벨링된 뉴클레오티드
비제한적인 일례에서, 화학식 1 및 화학식 2의 중합체들과 각각의 전하 이동 복합체를 형성할 수 있는 수용체-라벨링된 뉴클레오티드는 화학식 3의 구조를 갖는다:
Figure pct00040
화학식 3.
화학식 3의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드는 링커를 통해 수용체에 결합된 뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 화학식 3의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 뉴클레오티드 dT6P는 하기 구조를 가지며:
Figure pct00041
dT6P
상기 식에서 점선은 뉴클레오티드와 링커의 결합을 나타낸다.
화학식 3의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 링커는 하기 구조를 가지며:
Figure pct00042
상기 식에서 점선은 수용체와 뉴클레오티드에 대한 링커의 각각의 결합들을 나타낸다.
화학식 3의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 수용체는 하기 구조를 가지며:
Figure pct00043
상기 식에서 점선은 수용체와 링커의 결합을 나타낸다.
실시예 6. 예시적인 수용체-라벨링된 뉴클레오티드
비제한적인 일례에서, 화학식 1 및 화학식 2의 중합체들과 각각의 전하 이동 복합체를 형성할 수 있는 수용체-라벨링된 뉴클레오티드는 화학식 4의 구조를 갖는다:
Figure pct00044
화학식 4.
화학식 4의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드는 링커를 통해 수용체에 결합된 뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 화학식 4의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 뉴클레오티드 dT6P는 화학식 3의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드와 동일한 구조를 갖는다. 화학식 4의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 링커는 하기 구조를 가지며, 여기서 점선은 수용체 및 뉴클레오티드에 대한 각각의 부착들을 나타낸다:
Figure pct00045
.
화학식 4의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 수용체는 하기 구조를 가지며:
Figure pct00046
상기 식에서 점선은 수용체와 링커의 결합을 나타낸다.
실시예 7. 예시적인 수용체-라벨링된 뉴클레오티드
비제한적인 일례에서, 화학식 1 및 화학식 2의 중합체들과 각각의 전하 이동 복합체를 형성할 수 있는 수용체-라벨링된 뉴클레오티드는 화학식 5의 구조를 갖는다:
Figure pct00047
화학식 5.
화학식 5의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드는 링커를 통해 수용체에 결합된 뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 화학식 5의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 뉴클레오티드는 하기 구조를 갖는다:
Figure pct00048
.
화학식 5의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 링커의 출발 물질은 하기 구조를 가질 수 있다:
Figure pct00049
.
화학식 5의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 수용체의 출발 물질은 하기 구조를 가질 수 있다:
Figure pct00050
.
실시예 8. 화학식 5의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 예시적인 합성
화학식 5의 구조를 갖는 실시예 7의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드는 하기와 같이 합성될 수 있다:
단계 1. 수용체의 제조
수용체는 상업적으로 입수 가능한 전구체 A인 페릴렌-3,4,9,10-테트라카르복실산 이무수물(Sigma Aldrich) 및 B, DBCO-PEG4-아민(BroadPharm)으로부터 합성된다. 간단히 설명하면, A(100 mg, 0.25 mmol), B(0.75 mmol) 및 이미다졸(3.75 mmol)을 플라스크에 첨가하고 아르곤 분위기 하에서 130oC에서 2일 동안 가열한다. 미정제 생성물을 디클로로메탄에 용해시키고 1 M HCl 및 물로 세척한다. 유기상을 농축하고, 잔류물을 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 수용체를 적색 고체로 40% 예상 수율로 수득하였다.
Figure pct00051
.
단계 2. 뉴클레오티드의 제조
이 실시예에서 사용된 뉴클레오티드는 MyChem LLC로부터 상업적으로 입수한 것이다.
단계 3. 수용체-라벨링된 뉴클레오티드의 제조
수용체-라벨링된 뉴클레오티드는 2단계 과정에 의해 제조되며, 제1 단계는 링커기인 아지도-PEG24-NHS(BroadPharm)를 뉴클레오티드에 첨가하는 것을 포함한다. 제2 단계는 뉴클레오티드-링커 단위를 수용체에 공액시키는 것을 포함한다.
간단히 설명하면, 뉴클레오티드(1.6 mg, 2 umol) 및 아지도-PEG24-NHS(5 umol)를 pH 7.4의 1x 포스페이트-완충 식염수에서 실온에서 16시간 동안 혼합한다. 미정제 생성물을 역상 크로마토그래피로 정제하여 뉴클레오티드-링커 단위를 50% 예상 수율로 수득한다.
뉴클레오티드-링커 단위(2 mg, 1 umol) 및 수용체(1 umol)를 pH 7.4의 1x 포스페이트 완충 식염수에서 실온에서 16시간 동안 교반한다. 미정제 생성물을 역상 크로마토그래피로 정제하여 화학식 5의 수용체-라벨링된 뉴클레오티드를 40% 예상 수율로 수득한다.
Figure pct00052
따라서, 실시예 1, 2, 3 및 4로부터, 예를 들어 실시예 2 및 4에 기술된 것과 같은 반응식들을 사용하여 다양한 공액 중합체 브리지들이 제조될 수 있음을 이해할 수 있다. 추가로, 실시예 5, 6, 7 및 8로부터, 예를 들어 실시예 8에 기술된 것과 같은 반응식들을 사용하여 다양한 수용체-라벨링된 뉴클레오티드들이 제조될 수 있음을 이해할 수 있다.
추가적인 실시예
다양한 예시적인 실시예가 전술되었지만, 본 발명을 벗어나지 않으면서 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 속하는 이러한 모든 변경 및 변형을 포함하도록 의도된다.
본원에 기술된 바와 같은 본 개시내용의 양태들 각각의 임의의 각각의 특징들/예들은 임의의 적합한 조합으로 함께 구현될 수 있고, 이러한 양태들 중 임의의 하나 이상으로부터의 임의의 특징들/예들은 본원에 기술된 바와 같은 이점들을 달성하기 위해 본원에 기술된 바와 같은 다른 양태(들)의 특징들 중 임의의 것과 함께 임의의 적합한 조합으로 구현될 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims (50)

  1. 조성물로서,
    공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간을 가로지르는, 단일-가닥 공액 중합체 사슬을 포함하는 브리지;
    제1 폴리뉴클레오티드 및 제2 폴리뉴클레오티드;
    복수의 뉴클레오티드들로서, 각각의 뉴클레오티드는 상응하는 라벨에 결합되는, 상기 복수의 뉴클레오티드들;
    적어도 상기 제2 폴리뉴클레오티드의 서열을 사용하여 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 복수의 뉴클레오티드들의 뉴클레오티드들을 첨가하는 중합효소,
    상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬의 전기적 특성을 각각 변경하는 이들 뉴클레오티드들에 상응하는 라벨들; 및
    상기 브리지를 통한 전기 신호의 적어도 변화들을 사용하여, 상기 중합효소가 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 뉴클레오티드들을 첨가하는 서열을 검출하기 위한 검출 회로로서, 상기 변화들은 이들 뉴클레오티드들에 상응하는 라벨들을 사용하는 상기 전기적 특성의 변경에 반응하는, 상기 검출 회로를 포함하는, 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 제1 비편재화된 오비탈 세트를 포함하고, 상기 라벨들 각각은, 상기 라벨이 상기 단일-가닥 중합체 사슬과 결합될 때 상기 제1 비편재화된 오비탈 세트와 전자들을 공유하는 각각의 비편재화된 오비탈 세트를 포함하는, 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 라벨들 각각과 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 공여체:수용체 복합체를 형성하는, 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 라벨들은 각각의 수용체들을 포함하고, 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 공여체를 포함하며, 전자들은 상기 단일-가닥 중합체 사슬로부터 상기 라벨들 각각으로 π-π 상호작용들을 통해 이동하는, 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 라벨들은 상이한 분자 오비탈들을 포함하고 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬의 전기 전도도를 검출 가능하게 상이하게 변화시키는, 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 동종중합체를 포함하는, 조성물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 동종중합체는 반복 단량체 단위들 M1을 포함하고, 상기 단량체 단위들 M1 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 조성물.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1 및 제2 단량체 단위들 M2를 포함하는 공중합체를 포함하고, 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 조성물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M1-M2 단위들을 포함하는, 조성물.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1 및 제2 단량체 단위들 M3을 포함하는 공중합체를 포함하고, (i) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각, 또는 (ii) 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각, 또는 (iii) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M1-M3 단위들을 포함하는, 조성물.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M3 및 제2 단량체 단위들 M2를 포함하는 공중합체를 포함하고, 상기 제1 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 조성물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M3-M2 단위들을 포함하는, 조성물.
  14. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1, 제2 단량체 단위들 M2, 및 제3 단량체 단위들 M3을 포함하는 공중합체를 포함하고, (i) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각, 또는 (ii) 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각, 또는 (iii) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 조성물.
  15. 제14항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M1-M2 단위들을 포함하는, 조성물.
  16. 제14항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M3-M2 단위들을 포함하는, 조성물.
  17. 제7항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, M1은 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
    Figure pct00053

    상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타내는, 조성물.
  18. 제7항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, R은 (N,N,N-트리메틸 암모늄)알킬, (N,N,N-트리부틸 암모늄)알킬, 1-메틸-3-(알킬)-이미다졸륨, 및 1-(알킬)피리디늄으로 구성된 군으로부터 선택된 양이온성 가용화 기인, 조성물.
  19. 제7항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, R은 알킬 설포네이트, 알킬 카르복실레이트 및 알킬 포스포네이트로 구성된 군으로부터 선택된 음이온성 가용화 기인, 조성물.
  20. 제7항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, M2는 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-공여성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-공여성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되며:
    Figure pct00054

    상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타내는, 조성물.
  21. 제7항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, M3은 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
    Figure pct00055

    상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타내는, 조성물.
  22. 제7항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, M3은 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-흡인성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-흡인성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되며:
    Figure pct00056

    상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타내는, 조성물.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬을 상기 제1 전극에 결합시키는 제1 말단기 및 상기 단일-가닥 공액 중합체를 상기 제2 전극에 결합시키는 제2 말단기를 추가로 포함하는, 조성물.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 말단기 및 제2 말단기 각각은 벤젠티올, 페닐아세틸렌, 벤젠디아조늄, 벤질아민, 메틸 벤질 설파이드 및 메틸 헥실 설파이드로 구성된 군으로부터 선택되는, 조성물.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 라벨들은 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
    Figure pct00057

    상기 식에서 L은 링커를 나타내고 물결선은 링커 L과 상기 뉴클레오티드의 결합을 나타내는, 조성물.
  26. 방법으로서,
    중합효소를 사용하여, 적어도 제2 폴리뉴클레오티드의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드들을 첨가하는 단계;
    상기 뉴클레오티드들에 각각 결합된 라벨들을 사용하여, 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간을 가로지르는 브리지의 단일-가닥 공액 중합체 사슬의 전기적 특성을 변경하는 단계; 및
    이들 뉴클레오티드들에 상응하는 라벨들을 사용하는 상기 전기적 특성의 각각의 변경들에 반응하는 상기 브리지를 통한 전기 신호의 적어도 변화들을 사용하여, 상기 중합효소가 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 뉴클레오티드들을 첨가하는 서열을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 제1 비편재화된 오비탈 세트를 포함하고, 상기 라벨들 각각은, 상기 라벨이 상기 단일-가닥 중합체 사슬과 결합될 때 상기 제1 비편재화된 오비탈 세트와 전자들을 공유하는 각각의 비편재화된 오비탈 세트를 포함하는, 방법.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 라벨들 각각 및 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 공여체:수용체 복합체를 형성하는, 방법.
  29. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 라벨들은 각각의 수용체들을 포함하고, 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬은 공여체를 포함하며, 전자들은 상기 단일-가닥 중합체 사슬로부터 상기 라벨들 각각으로 π-π 상호작용들을 통해 이동하는, 방법.
  30. 제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 라벨들은 상이한 분자 오비탈들을 포함하고 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬의 전기 전도도를 검출 가능하게 상이하게 변화시키는, 방법.
  31. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 동종중합체를 포함하는, 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 동종중합체는 반복 단량체 단위들 M1을 포함하고, 상기 단량체 단위들 M1 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 방법.
  33. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1 및 제2 단량체 단위들 M2를 포함하는 공중합체를 포함하고, 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M1-M2 단위들을 포함하는, 방법.
  35. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1 및 제2 단량체 단위들 M3을 포함하는 공중합체를 포함하고, (i) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각, 또는 (ii) 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각, 또는 (iii) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M1-M3 단위들을 포함하는, 방법.
  37. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M3 및 제2 단량체 단위들 M2를 포함하는 공중합체를 포함하고, 상기 제1 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M3-M2 단위들을 포함하는, 방법.
  39. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일-가닥 중합체 사슬은 제1 단량체 단위들 M1, 제2 단량체 단위들 M2, 및 제3 단량체 단위들 M3을 포함하는 공중합체를 포함하고, (i) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각, 또는 (ii) 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각, 또는 (iii) 상기 제1 단량체 단위들 M1 각각 및 상기 제2 단량체 단위들 M3 각각은 가용화 기 R에 결합되는, 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M1-M2 단위들을 포함하는, 방법.
  41. 제39항에 있어서, 상기 공중합체는 반복 M3-M2 단위들을 포함하는, 방법.
  42. 제32항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, M1은 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-공여성 또는 전자-중성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
    Figure pct00058

    상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타내는, 방법.
  43. 제32항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, R은 (N,N,N-트리메틸 암모늄)알킬, (N,N,N-트리부틸 암모늄)알킬, 1-메틸-3-(알킬)-이미다졸륨, 및 1-(알킬)피리디늄으로 구성된 군으로부터 선택된 양이온성 가용화 기인, 방법.
  44. 제32항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, R은 알킬 설포네이트, 알킬 카르복실레이트 및 알킬 포스포네이트로 구성된 군으로부터 선택된 음이온성 가용화 기인, 방법.
  45. 제32항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, M2는 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-공여성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-공여성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되며:
    Figure pct00059

    상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타내는, 방법.
  46. 제32항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, M3은 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 배제하는 전자-흡인성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
    Figure pct00060

    상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타내는, 방법.
  47. 제32항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, M3은 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-흡인성 단량체 단위이고, 상기 가용화 기 R을 포함하는 전자-흡인성 단량체 단위는 하기로 구성된 군으로부터 선택되며:
    Figure pct00061

    상기 식에서 *는 말단기 또는 다른 단량체 단위에 대한 결합을 나타내는, 방법.
  48. 제26항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 상기 단일-가닥 공액 중합체 사슬을 상기 제1 전극에 결합시키는 제1 말단기, 및 상기 단일-가닥 공액 중합체를 상기 제2 전극에 결합시키는 제2 말단기를 추가로 포함하는, 방법.
  49. 제48항에 있어서, 상기 제1 말단기 및 제2 말단기 각각은 벤젠티올, 페닐아세틸렌, 벤젠디아조늄, 벤질아민, 메틸 벤질 설파이드 및 메틸 헥실 설파이드로 구성된 군으로부터 선택되는, 방법.
  50. 제26항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 라벨들은 하기로 구성된 군으로부터 선택되고:
    Figure pct00062

    상기 식에서 L은 링커를 나타내고 물결선은 링커 L과 상기 뉴클레오티드의 결합을 나타내는, 방법.
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