KR20230034945A - 전극에 커플링된 입자를 포함하는 장치, 및 이의 제조 및 사용 방법 - Google Patents

Abstract

일부 예에서, 장치는 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극; 제1 복수의 결합을 통해 제1 전극에 커플링되고 제2 복수의 결합을 통해 제2 전극에 커플링된 입자; 및 당해 입자에 커플링된 폴리머라아제를 포함한다. 일부 예에서, 조성물은 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극; 적어도 공간 길이만큼 긴 길이를 갖는 제1 전기 전도성 표지를 포함하는 유체; 및 제1 전기 전도성 표지를 사용하여, 제1 전극과 제2 전극 사이의 제1 전기 전도성 브릿지의 일시적 형성에 반응하여 제1 신호를 생성하는 검출 회로를 포함한다.

Description

전극에 커플링된 입자를 포함하는 장치, 및 이의 제조 및 사용 방법

관련 출원의 교차 참조

본 출원은 하기 출원의 이익을 주장하고, 이들 각각의 전체 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다: 2020년 5월 11자로 출원된 명칭 "Devices Including Particles Coupled to Electrodes, and Methods of Making and Using the Same"의 미국 임시 특허 출원 제63/022,990호 및 2020년 5월 11자로 출원된 명칭 "Compositions Including Labels That Transiently Form or Selectively Complete Bridges Between Electrodes"의 미국 임시 특허 출원 제63/023,001호.

상당한 양의 연구 기관 및 법인의 시간과 에너지가 DNA와 같은 폴리뉴클레오티드 시퀀싱에 투자되었다. 일부 시퀀싱 시스템은 "합성에 의한 시퀀싱(sequencing by synthesis)" (SBS) 기술 및 형광 기반 검출을 사용한다. 그러나, 형광-기반 검출은 여기 광원, 이미징 장치 등과 같은 광학 구성성분을 필요로 할 수 있어, 작동이 복잡하고, 시간 소모적이고 비쌀 수 있다. 추가로, 다수의 시퀀싱 전략은 DNA 세그먼트의 앙상블 클러스터에 대한 짧은 판독으로 한정된다. 단일 DNA 분자의 긴 판독을 가능하게 하는 기술은 시퀀싱의 전반적인 정확도를 향상시키는 데 매우 중요하다.

전극 사이에 입자-기반 브릿지를 포함하는 장치가 본원에 제공된다. 상기 장치의 제조 방법, 및 각 염기(A, T, C, 또는 G)의 개별 전기적 신호를 통해 전기적으로 폴리뉴클레오티드를 시퀀싱하기 위한 상기 장치를 사용하는 조성물 및 방법이 개시되어 있다. 장치는 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극, 입자, 및 폴리머라아제를 포함할 수 있다. 입자는 복수의 결합을 통해 제1 전극에 커플링될 수 있고 복수의 결합을 통해 제2 전극에 커플링될 수 있다. 폴리머라아제는 입자에 커플링될 수 있다.

본원의 일부 예에서, 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 장치가 제공된다. 장치는, 복수의 결합을 통해 제1 전극에 커플링되고 복수의 결합을 통해 제2 전극에 커플링된 입자를 포함한다. 장치는 입자에 커플링된 폴리머라아제를 포함한다.

일부 예에서, 입자는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성한다.

일부 예에서, 입자는 전기적으로 비전도성이다.

일부 예에서, 입자는 3차 구조를 갖는 중합체를 포함한다. 일부 예에서, 3차 구조를 갖는 중합체는 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드를 포함한다. 일부 예에서, 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드는 중앙 협소부를 갖는 3차 구조로 접히고 가교결합된다. 중앙 협소부는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 일부를 형성할 수 있다.

일부 예에서, 입자는 나노입자를 포함하며 나노입자는 제1 전극 및 제2 전극에 당해 나노입자를 결합시키는 관능기를 갖는다. 일부 예에서, 나노입자는 무기물이다.

부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 입자는 공간 길이의 적어도 약 10%의 직경을 갖는다.

부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 입자는 링커에 의해 서로 커플링된 나노입자의 쌍을 포함한다.

본원의 일부 예에서, 장치의 제조 방법이 제공된다. 방법은 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극 상에 용액을 침착시키는 단계를 포함한다. 용액은 액체 중 입자를 포함하고, 각 입자는 각각의 폴리머라아제에 커플링된다. 방법은 하나의 입자를 용액으로부터 제1 전극 및 제2 전극에 인접한 공간으로 이동시키는 것을 포함한다. 방법은 하나의 입자를 각각의 제1 전극 및 제2 전극에 결합시키는 단계를 포함한다.

일부 예에서, 이동 단계는 제1 전극 및 제2 전극에서 하나의 입자를 유전영동적으로 또는 자기적으로 포획하는 단계를 포함한다.

부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 결합 단계는 제1 전극과 하나의 입자 사이에 제1 복수의 결합을 형성하는 단계, 및 제2 전극과 하나의 입자 사이에 제2 복수의 결합을 형성하는 단계를 포함한다.

부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 방법은 하나의 입자를 사용하여, 제1 전극 및 제2 전극에 인접한 공간으로부터 다른 입자를 입체적으로 배제하는 단계를 추가로 포함한다.

일부 예에서, 입자는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성한다.

일부 예에서, 입자는 전기적으로 비전도성이다.

일부 예에서, 입자는 3차 구조를 갖는 중합체를 포함한다. 일부 예에서, 3차 구조를 갖는 중합체는 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드를 포함한다. 일부 예에서, 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드는 중앙 협소부를 갖는 3차 구조로 접히고 가교결합되며, 중앙 협소부는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지 일부를 형성한다.

일부 예에서, 입자는 나노입자를 포함하며 나노입자는 제1 전극 및 제2 전극에 당해 나노입자를 결합시키는 관능기를 갖는다. 일부 예에서, 나노입자는 무기물이다.

부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 입자는 공간 길이의 적어도 약 10%의 직경을 갖는다.

본원의 일부 예에서, 고체 기재를 포함하고, 고체 기재 상에 배치된 복수의 전극 쌍을 포함하는 장치 어레이가 제공된다. 각 전극 쌍의 전극은 각각의 공간에 의해 서로 분리된다. 장치 어레이는 각각의 전극 쌍의 전극에 각각 결합된 복수의 입자를 포함한다. 다수의 전극 쌍은 각각 단 하나의 입자에 결합된다. 장치 어레이는 복수의 폴리머라아제를 포함하고, 각 폴리머라아제는 각각의 하나의 입자에 커플링된다.

일부 예에서, 각각의 공간은 입자가 각각 결합되는 전극 쌍들 사이에서 가변적이다.

본원의 일부 예에서, 고체 기재 상에 복수의 전극 쌍이 배치된 고체 기재 상에 용액을 침착하는 단계를 포함하는 장치 어레이의 제조 방법이 제공된다. 각 전극 쌍의 전극은 각각의 공간에 의해 서로 분리된다. 용액은 액체 중 입자를 포함한다. 각 입자는 각각의 폴리머라아제에 커플링되어 있다. 방법은 입자를 용액으로부터 각각 하나의 공간으로 이동시키는 단계, 및 하나의 입자를 각 전극 쌍의 전극에 결합하는 단계를 포함한다. 다수의 전극 쌍은 정확하게 하나의 입자에 각각 결합된다.

일부 예에서, 이동 단계는 각각의 하나의 전극 쌍의 전극에서 하나의 입자를 유전영동적으로 또는 자기적으로 포획하는 단계를 포함한다.

부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 결합 단계는 각각의 하나의 전극 쌍의 각 전극과 하나의 입자 사이의 복수의 결합을 형성하는 단계를 포함한다.

부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 방법은 하나의 입자를 사용하여, 각각의 하나의 전극 쌍의 전극을 임의의 다른 입자에 접촉시키는 것을 입체적으로 배제하는 단계를 추가로 포함한다.

본원의 일부 예에서, 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 조성물이 제공된다. 조성물은, 복수의 결합을 통해 제1 전극에 커플링되고 복수의 결합을 통해 제2 전극에 커플링된 입자를 포함한다. 조성물은 제1 폴리뉴클레오티드 및 제2 폴리뉴클레오티드를 포함한다. 조성물은 복수의 뉴클레오티드를 포함하고, 각각의 뉴클레오티드는 상응하는 표지에 커플링된다. 조성물은 적어도 하나의 제2 폴리뉴클레오티드의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드를 부가하기 위해, 입자에 커플링된 폴리머라아제를 포함한다. 조성물은 적어도 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류 변화를 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에 대한 뉴클레오티드의 추가 서열을 검출하기 위한 검출 회로를 포함한다. 변화는 상기 뉴클레오티드에 상응하는 표지에 반응한다.

일부 예에서, 입자는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성하고, 상기 표지는 브릿지를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경한다.

일부 예에서, 입자는 전기적으로 비전도성이고, 상기 표지는 전류가 흐르는 제1 전극과 제2 전극 사이에 일시적 전기 전도성 브릿지를 각각 형성한다.

일부 예에서, 입자는 3차 구조를 갖는 중합체를 포함한다. 추가의 옵션으로서, 3차 구조를 갖는 중합체는 DNA 또는 폴리펩티드를 포함한다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 3차 구조는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지를 형성하고, 상기 표지는 전기 전도성 브릿지에의 혼성화를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경한다.

일부 예에서, 입자는 나노입자를 포함하며 나노입자는 제1 전극 및 제2 전극에 당해 나노입자를 결합시키는 관능기를 갖는다.

일부 예에서, 나노입자는 전기적으로 비전도성이다. 표지는 각각 전류가 흐르는 제1 전극과 제2 전극 사이에 일시적 전기 전도성 브릿지를 형성할 수 있다. 일부 예에서, 적어도 하나의 표지는 카본 도트, 전기 전도성 중합체, 파이-콘쥬게이트 소분자, 나노튜브, 및 풀러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 나노입자 및 관능기는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성한다. 표지는 관능기에의 혼성화를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경한다.

일부 예에서, 입자는 링커에 의해 서로 커플링된 나노입자의 쌍을 포함한다. 표지는 링커에의 혼성화를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경한다.

본원의 일부 예에서, 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱 방법이 제공된다. 방법은 제2 폴리뉴클레오티드의 적어도 한 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에, 폴리머라아제를 사용하여, 뉴클레오티드를 부가하는 단계를 포함한다. 방법은 뉴클레오티드에 각각 커플링된 표지를 사용하여, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경하는 단계를 포함한다. 입자는 복수의 결합을 통해 제1 전극에 커플링되고, 복수의 결합을 통해 제2 전극에 커플링된다. 방법은 적어도 상기 뉴클레오티드에 상응하는 표지를 사용하여 유발되는 전류의 변화를 사용하여 폴리머라아제가 뉴클레오티드를 제1 폴리뉴클레오티드에 부가하는 서열을 검출하는 단계를 포함한다.

일부 예에서, 입자는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성하고, 상기 표지는 브릿지를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경한다.

일부 예에서, 입자는 전기적으로 비전도성이고, 상기 표지는 전류가 흐르는 제1 전극과 제2 전극 사이에 일시적 전기 전도성 브릿지를 각각 형성한다.

일부 예에서, 입자는 3차 구조를 갖는 중합체를 포함한다. 일부 예에서, 3차 구조를 갖는 중합체는 DNA 또는 폴리펩티드를 포함한다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 3차 구조는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지를 형성한다. 표지는 전기 전도성 브릿지에의 혼성화를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경한다.

일부 예에서, 입자는 나노입자를 포함하며 나노입자는 제1 전극 및 제2 전극에 당해 나노입자를 결합시키는 관능기를 갖는다. 일부 예에서, 나노입자는 전기적으로 비전도성이다. 표지는 각각 전류가 흐르는 제1 전극과 제2 전극 사이에 일시적 전기 전도성 브릿지를 각각 형성한다. 일부 예에서, 적어도 하나의 표지는 카본 도트, 전기 전도성 중합체, 파이-콘쥬게이트 소분자, 나노튜브, 및 풀러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 나노입자 및 관능기는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성한다. 표지는 관능기에의 혼성화를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경한다.

일부 예에서, 입자는 링커에 의해 서로 커플링된 나노입자의 쌍을 포함하고, 표지는 링커에의 혼성화를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경한다.

전극들 사이의 브릿지를 포함하는 장치가 본원에 또한 제공된다. 상기 장치의 제조 방법, 및 각 염기(A, T, C, 또는 G)의 개별 전기적 신호를 통해 전기적으로 폴리뉴클레오티드를 시퀀싱하기 위한 상기 장치를 사용하는 조성물 및 방법이 개시되어 있다. 장치는 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극, 및 폴리머라아제를 포함할 수 있다. 표지를 사용하여, 제1 전극과 제2 전극 사이에 브릿지가 완성될 수 있거나, 일시적으로 형성될 수 있다.

본원의 일부 예에서, 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 조성물이 제공된다. 조성물은 적어도 공간 길이만큼 긴 길이를 갖는 제1 전기 전도성 표지를 포함하는 유체를 포함한다. 조성물은 제1 전기 전도성 표지를 사용하여 제1 전극과 제2 전극 사이의 제1 전기 전도성 브릿지의 일시적 형성에 반응하여 제1 신호를 생성하는 검출 회로를 포함한다.

일부 예에서, 제1 전기 전도성 표지는 카본 도트, 전기 전도성 중합체, 파이-콘쥬게이트 소분자, 나노튜브, 및 풀러렌을 포함한다.

부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 유체는 적어도 공간 길이만큼 긴 길이를 갖는 제2 전기 전도성 표지를 추가로 포함한다. 검출 회로는 제2 전기 전도성 표지를 사용하여 제1 전극과 제2 전극 사이의 제2 전기 전도성 브릿지의 일시적 형성에 반응하여 제2 신호를 생성하기 위한 것이다. 일부 예에서, 검출 회로는 추가로, 제1 신호와 제2 신호 사이의 적어도 하나의 차이를 사용하여 제1 전기 전도성 브릿지 및 제2 전기 전도성 브릿지의 형성을 구별하기 위한 것이다.

일부 예에서, 제1 전기 전도성 표지는 제1 전기 전도성 브릿지를 형성하기 위해 각각의 제1 전극 및 제2 전극에 일시적으로 결합한다. 일부 예에서, 제1 전기 전도성 표지는 제1 전극에 일시적으로 결합되기 위한 제1 반응성 기, 및 제2 전극에 일시적으로 결합되기 위한 제2 반응성 기를 포함한다. 일부 예에서, 제1 반응성 기 및 제2 반응성 기는 아민, 이소티오시아나이드, 포스핀, 카르복실, 셀레노, 피리딘, 및 메틸설파이드로 이루어진 군으로부터 선택된다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 검출 회로는 제1 반응성 기와 제1 전극 사이의 일시적 결합 또는 제2 반응성 기와 제2 전극 사이의 일시적 결합을 중단하는 제1 전기 전도성 브릿지를 가로질러 바이어스 전압을 추가로 인가하기 위한 것이다. 일부 예에서, 바이어스 전압은 제1 반응성 기와 제1 전극 사이의 일시적 결합 및 제2 반응성 기와 제2 전극 사이의 일시적 결합을 중단한다.

일부 예에서, 조성물은 제1 전극 및 제2 전극에 인접하여 커플링된 폴리머라아제; 및 제1 전기 전도성 표지에 커플링된 뉴클레오티드를 추가로 포함한다. 제1 전기 전도성 표지는 뉴클레오티드 상에서, 폴리머라아제를 사용하여, 작용에 대한 반응으로 제1 전기 전도성 브릿지를 형성한다. 일부 예에서, 조성물은, 제1 전극 및 제2 전극에 커플링되고 폴리머라아제에 커플링된 입자를 포함한다. 일부 예에서, 입자는 전기적으로 비전도성이다.

본원의 일부 예에서, 시퀀싱 방법이 제공된다. 방법은 제2 폴리뉴클레오티드의 적어도 한 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에, 폴리머라아제를 사용하여, 뉴클레오티드를 부가하는 단계를 포함한다. 방법은 뉴클레오티드에 각각 커플링된 전기 전도성 표지를 사용하여, 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지를 일시적으로 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 폴리머라아제가 적어도 전기 전도성 브릿지의 일시적 형성을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드를 부가하는 서열을 검출하는 단계를 포함한다. 일부 예에서, 전기 전도성 표지는 독립적으로 카본 도트, 전기 전도성 중합체, 파이-콘쥬게이트 소분자, 나노튜브, 및 풀러렌 중 하나 이상을 포함한다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 서열은 적어도 전기 전도성 브릿지를 가로지르는 전기 전도성의 차이를 사용하여 검출된다.

일부 예에서, 전기 전도성 표지는 전기 전도성 브릿지를 형성하기 위해 각각의 제1 전극 및 제2 전극에 일시적으로 결합한다. 일부 예에서, 각각의 전기 전도성 표지는 제1 전극에 일시적으로 결합되기 위한 제1 반응성 기, 및 제2 전극에 일시적으로 결합되기 위한 제2 반응성 기를 포함한다. 일부 예에서, 제1 반응성 기 및 제2 반응성 기는 아민, 이소티오시아나이드, 포스핀, 카르복실, 셀레노, 피리딘, 및 메틸설파이드로 이루어진 군으로부터 선택된다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 방법은 제1 반응성 기와 제1 전극 사이의 일시적 결합 또는 제2 반응성 기와 제2 전극 사이의 일시적 결합을 중단하는 전기 전도성 브릿지를 가로질러 바이어스 전압을 추가로 인가하는 단계를 포함한다. 일부 예에서, 바이어스 전압은 제1 반응성 기와 제1 전극 사이의 일시적 결합 및 제2 반응성 기와 제2 전극 사이의 일시적 결합을 중단한다.

일부 예에서, 방법은 제1 전극 및 제2 전극에 인접하여 커플링된 폴리머라아제를 사용하여, 전기 전도성 표지 중 하나에 커플링된 뉴클레오티드를 작용시키는 단계를 추가로 포함한다. 상기 전기 전도성 표지는 뉴클레오티드 상에서, 폴리머라아제를 사용하여, 작용에 대한 반응으로 하나의 전기 전도성 브릿지를 형성한다. 일부 예에서, 입자는 제1 전극 및 제2 전극에 커플링되고 폴리머라아제에 커플링된다. 일부 예에서, 입자는 전기적으로 비전도성이다.

본원의 일부 예에서, 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 조성물이 제공된다. 브릿지는 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있다. 조성물은 전기 전도성 브릿지를 형성하는 방식으로, 브릿지에 일시적으로 결합하는 표지를 포함하는 유체를 포함한다. 조성물은, 전기 전도성 브릿지의 형성에 대한 반응인 신호를 생성하기 위한, 그리고 신호 생성 후 전기 전도성 브릿지를 중단하도록 선택된 바이어스 전압을 생성하기 위한 검출 회로를 포함한다.

본원의 일부 예에서, 검출 방법이 제공된다. 방법은 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있는 브릿지에 대한 표지의 일시적 결합을 사용하여 전기 전도성 브릿지를 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 전기 전도성 브릿지의 형성을 검출하는 단계를 포함한다. 방법은 후속하여 바이어스 전압의 인가에 대한 반응으로서 일시적 결합을 중단하는 단계를 포함한다.

본원의 일부 예에서, 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 조성물이 제공된다. 조성물은 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있는 제1 브릿지 및 제2 브릿지를 포함한다. 제1 브릿지는 제1 중합체 사슬을 포함하고, 제2 브릿지는 제1 중합체 사슬과 상이한 제2 중합체 사슬을 포함한다. 조성물은, 제1 중합체 사슬에 혼성화되고 제2 중합체 사슬에는 혼성화되지 않는 제1 올리고머를 포함하는 유체를 포함한다. 조성물은 제1 중합체 사슬에의 제1 올리고머의 혼성화에 대한 반응으로서 제1 신호를 생성하도록 구성된 검출 회로를 포함한다.

일부 예에서, 유체는, 제2 중합체 사슬에 혼성화되고 제1 중합체 사슬에는 혼성화되지 않는 제2 올리고머를 추가로 포함한다. 검출 회로는 제2 중합체 사슬에의 제2 올리고머의 혼성화에 대한 반응으로서 제2 신호를 생성하는 것이다. 일부 예에서, 검출 회로는 추가로, 제1 신호와 제2 신호 사이의 적어도 하나의 차이를 사용하여 제1 중합체 사슬을 갖는 제1 올리고머의 혼성화와, 제2 중합체 사슬을 갖는 제2 올리고머의 혼성화를 구별하기 위한 것이다.

일부 예에서, 제1 중합체 사슬 및 제2 중합체 사슬은 3차 구조의 상이한 부분을 포함한다. 일부 예에서, 3차 구조는 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드 3차 구조를 포함한다. 제1 중합체 사슬 및 제2 중합체 사슬 각각은 제1 단일 가닥 DNA 서열 및 제2 단일 가닥 DNA 서열을 포함할 수 있다. 제1 올리고머 및 제2 올리고머 각각은 제1 단일 가닥 DNA 서열 및 제2 단일 가닥 DNA 서열을 각각 보충하는 제3 단일 가닥 DNA 서열 및 제4 단일 가닥 DNA 서열을 포함할 수 있다.

일부 예에서, 3차 구조는 폴리펩티드를 포함한다.

본원의 일부 예에서, 시퀀싱 방법이 제공된다. 방법은 제2 폴리뉴클레오티드의 적어도 한 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에, 폴리머라아제를 사용하여, 뉴클레오티드를 부가하는 단계를 포함한다. 방법은 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드를 부가하는 폴리머라아제에 대한 반응으로서 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있는 브릿지의 제1 중합체 사슬에 하나의 제1 뉴클레오티드에 커플링된 제1 표지를 혼성화하는 단계를 포함한다. 방법은 이후 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있는 브릿지의 제2 중합체 사슬에 하나의 제2 뉴클레오티드에 커플링된 제2 표지를 혼성화하는 단계를 포함한다. 방법은 적어도 제1 중합체 사슬을 갖는 제1 표지 및 제2 중합체 사슬을 갖는 제2 표지 사이에 각각의 혼성화에 대해 반응하는 브릿지를 통한 전류 변화를 사용하여 폴리머라아제가 하나의 제1 뉴클레오티드 및 하나의 제2 뉴클레오티드를 제1 폴리뉴클레오티드에 부가하는 서열을 검출하는 단계를 포함한다.

일부 예에서, 제1 표지는 제2 중합체 사슬과 혼성화되지 않고, 제2 표지는 제1 중합체 사슬과 혼성화되지 않는다.

일부 예에서, 제1 표지 및 제2 표지는 각각의 중합체를 포함한다.

일부 예에서, 제1 중합체 사슬 및 제2 중합체 사슬은 3차 구조의 상이한 부분을 포함한다.

일부 예에서, 3차 구조는 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드 3차 구조를 포함한다. 제1 중합체 사슬 및 제2 중합체 사슬 각각은 제1 단일 가닥 DNA 서열 및 제2 단일 가닥 DNA 서열을 포함할 수 있다. 제1 표지 및 제2 표지 각각은 제1 단일 가닥 DNA 서열 및 제2 단일 가닥 DNA 서열을 각각 보충하는 제3 단일 가닥 DNA 서열 및 제4 단일 가닥 DNA 서열을 포함할 수 있다.

일부 예에서, 3차 구조는 폴리펩티드를 포함한다.

본원에서 설명되는 바와 같은 본 개시내용의 양태들 각각의 임의의 각 특징부/예는 임의의 조합으로 함께 구현될 수 있고, 이러한 양태들 중 임의의 하나 이상으로부터의 임의의 특징부/예는 본원에서 설명된 바와 같은 이점을 달성하기 위해 임의의 적절한 조합으로 본원에서 설명된 바와 같은 다른 양태(들)의 임의의 특징부와 함께 구현될 수 있음을 이해할 것이다.

도 1a 내지 도 1b는 전극들 사이에 입자-기반 브릿지를 포함하는 예시 장치를 개략적으로 예시한다.
도 2는 전극들 사이에 3차 중합체 구조를 포함하는 예시 장치를 개략적으로 예시한다.
도 3a 내지 3d는 전극들 사이에 나노입자-기반 브릿지를 포함하는 예시 장치를 개략적으로 예시한다.
도 4는 도 1a 및 도 1b, 도 2, 또는 도 3a 내지 도 3d의 장치의 제조 방법의 예시 작업 흐름을 예시한다.
도 5는 도 4의 방법에서 예시 작업을 개략적으로 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 도 1, 도 2, 또는 도 3a 내지 도 3d의 복수의 장치를 포함하는 예시 장치 어레이를 개략적으로 예시한다.
도 7은 도 6a 및 도 6b의 장치 어레이의 제조 방법의 예시 작업 흐름을 예시한다.
도 8a 및 도 8b는 전극들 사이에 입자-기반 브릿지를 포함하는 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱을 위한 예시 조성물을 개략적으로 예시한다.
도 9a 및 도 9b는 전극들 사이에 입자-기반 브릿지를 포함하는 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱을 위한 다른 예시 조성물을 개략적으로 예시한다.
도 10은 도 8a 및 도 8b 또는 도 9a 및 도 9b의 임의의 조성물을 사용하는 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱 방법에서 예시 작업 흐름을 예시한다.
도 11a는 도 3b에 예시된 것과 같은 장치의 제조 방법의 예시 작업 흐름을 예시한다.
도 11b는 도 11a에 예시된 작업의 예시 결과를 예시한다.
도 11c는 도 3b에 예시된 것과 같은 장치의 제조 방법의 예시 부가 작업 흐름을 예시한다.
도 11d는 도 11c에 예시된 작업의 예시 결과를 예시한다.
도 12a는 도 3c에 예시된 것과 같은 장치의 제조 방법의 예시 작업 흐름을 예시한다.
도 12b는 도 12a에 예시된 작업의 예시 결과를 예시한다.
도 13은 입자를 자기적으로 끌어당기는 예시 장치를 개략적으로 예시한다.
도 14는 전극들 사이에 일시적 브릿지를 포함하는 예시 조성물을 개략적으로 예시한다.
도 15는 전극들 사이에 일시적 브릿지를 포함하는 예시 조성물을 개략적으로 예시한다.
도 16a 내지 16c는 선택적으로 완성될 수 있는 브릿지를 갖는 예시 조성물을 개략적으로 예시한다.

본원에 제공된 예는 전극들 사이에 입자-기반 브릿지를 사용하여 폴리뉴클레오티드를 전자적으로 시퀀싱하는 것에 관한 것이다. 입자-기반 브릿지를 포함하는 장치 및 상기 장치의 형성 방법, 및 상기 장치의 어레이와 같은 전자 시퀀싱을 수행하기 위한 조성물 및 방법이 개시되어 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 조성물, 장치, 및 방법은 견고하고 재생가능하며 민감하고, 높은 처리량을 갖는 방식으로 폴리뉴클레오티드를 시퀀싱하기 위해 적합하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 장치는 제1 전극 및 제2 전극에 커플링되는 입자를 포함할 수 있다. 입자는 이들 전극 사이의 전류의 변화를 측정하는 데 용이할 수 있다. 일부 예에서, 폴리뉴클레오티드는 적어도 이들 변화를 사용하여 시퀀싱될 수 있다. 보다 구체적으로, 폴리뉴클레오티드는 뉴클레오티드 혼입 사건 도중 전극 브릿지와 뉴클레오티드의 상호작용으로부터 발생한 전기 전도성의 일시적 변화의 검출을 사용하여 시퀀싱될 수 있다. 이들 뉴클레오티드 중 하나 이상(및 일부 예에서, 이들 뉴클레오티드 전부)은 각각의 뉴클레오티드가 식별될 수 있는 변화를 기초로 한, 전극들 사이의 전류의 뚜렷한 변화를 유발하는 표지에 각각 커플링된다. 표지로 변형된 뉴클레오티드는, 수소 결합, 파이-파이 스태킹, 및 정전기 상호작용을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 여러 분자간 상호작용을 통해 브릿지의 전기 전도성을 변경할 수 있다. 일부 예에서, 표지는 각각 전극들 사이의 폴리뉴클레오티드 브릿지에 혼성화될 수 있고, 상기 혼성화는 각 특정 뉴클레오티드에 고유한 수준으로 브릿지를 통해 전류를 각각 변화시킬 수 있다. 다른 예에서, 표지는 DNA 인터칼레이션(intercalation) 메커니즘을 통해 브릿지와 상호작용할 수 있다. 다른 예에서, 표지는 DNA 그루브 결합 메커니즘을 통해 브릿지와 상호작용할 수 있다. 입자는, 이와 같은 브릿지의 일부를 형성할 수 있지만, 반드시 그렇지는 않다. 일부 예에서, 표지는 전극들 사이에 일시적 브릿지를 형성할 수 있고, 상기 브릿지는 뉴클레오티드가 각각 식별될 수 있음에 기반하여 서로 상이한 전류를 제공할 수 있다. 이들 및 다른 예에서, 폴리머라아제는 입자에 커플링될 수 있고, 성장하는 상보성 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드를 부가할 수 있다.

본 발명의 입자-기반 장치, 조성물, 및 방법은 견고하게 제작될 수 있고, 사용될 수 있다. 예를 들어, 입자 대신에, 유기 분자(예컨대, DNA, π-콘쥬게이트 중합체 등)를 포함하는 전자 장치는 제작이 어려울 수 있는데, 이는 분자 성분의 어셈블리의 확률적 성질, 예를 들어 두 개의 전극을 연결하는 유기 분자의 바텀-업(bottom-up) 자가 어셈블리 수행으로 인한 것일 수 있다. 특히, 본 개시내용은 각각의 전극들 사이에 입자를 국소화시키는 습식 화학 기술을 사용하여 용액에서의 입자-기반 전자 장치의 어셈블리 방법을 제공한다. 이와 같은 접근법은 입자, 및 입자에 커플링된 임의의 관능기를 각각의 전자 장치 내에 제어가능하도록 배치하는 것을 허용한다. 예를 들어, 일부 예에서 입자를 전극에 커플링시키기 전, 입자는 전기적 관능성을 갖는 관능기(예를 들어, DNA, π-콘쥬게이트 중합체 등과 같은 폴리뉴클레오티드) 또는 생화학적 관능성을 갖는 관능기(예를 들어, 효소, 항원 등)를 포함할 수 있거나 이에 커플링될 수 있다. 장치는 센서로서 사용될 수 있고, 예를 들어 일부 예에서 단일-분자 민감성을 갖는, 폴리뉴클레오티드의 실시간 시퀀싱에 사용될 수 있는 바이오센서로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 관능기는 장치의 전극들 사이에서 전기 전도성 변경을 통해 단일-분자 피분석물 검출을 촉진할 수 있다.

하기에 상세히 기재된 바와 같이, 일부 예는 예를 들어 적어도 입자와 전극 사이의 표면 상호작용을 사용하여, 단일 입자가 전극 사이에 공간 내 또는 공간에 인접하게 포획되는 "수동" 흡착을 사용하여 각각의 장치 내에 입자가 국소화될 수 있다는 것을 제공한다. 일부 예는 직류(DC) 또는 교류(AC) 전기적 바이어스가 전극을 가로질러 인가되어 이들 전극 사이에 공간 내 또는 공간에 인접하여 단일 입자가 포획되는 것을 가속화하는, 본원에서 유전영동 포획으로서 지칭될 수 있는, "활성" 흡착을 사용하여 각각의 장치 내에 입자가 국소화될 수 있다는 것을 제공한다. 다른 예에서, 입자는 자성 또는 강자성 물질을 포함할 수 있고, 자기장을 인가함으로써 각각의 장치 내에서 국소화될 수 있다.

일부 예에서, 입자는 각각, 장치의 각 전극과 입자 사이의 복수의 결합을 통해, 일부 예에서 전극의 하나 이상의 표면에 공유 결합될 수 있다. 입자와 전극 사이의 결합은 직접 결합일 수 있거나, 중간체 구조(들), 예를 들어 본원에 다른 곳에 기재된 것과 같은 관능기를 통한 간접 결합일 수 있다. 예를 들어, 금속(예를 들어, 금) 나노입자는 전극들 사이에 전기 전도성 브릿지를 제공하기 위해 전극(예를 들어, 금 전극)에 공유 결합될 수 있는, 디설파이드 또는 티올 기와 같은 말초 반응성 기를 갖는 전기 전도성 폴리뉴클레오티드(예를 들어, DNA) 듀플렉스(duplex)와 같은 관능기를 포함할 수 있다.

본원에서 사용된 일부 용어가 간략히 설명될 것이다. 이후, 폴리뉴클레오티드의 전자 시퀀싱을 위한 일부 예시 조성물 및 예시 방법이 설명될 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 형태의 사용은 제한적이지 않다. 용어 "갖는"뿐만 아니라 "갖다", "갖는다", 및 "가진"과 같은 다른 형태의 사용은 제한적이지 않다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 청구항의 전제부에서든 또는 본문에서든, 용어 "포함한다" 및 "포함하는"은 개방형(open-ended) 의미를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 즉, 상기 용어는 어구 "적어도 갖는" 또는 "적어도 포함하는"과 동의어로 해석되어야 한다. 예를 들어, 공정과 관련하여 사용되는 경우, 용어 "포함하는"은 공정이 적어도 언급된 단계들을 포함하지만, 추가의 단계들을 포함할 수 있음을 의미한다. 화합물, 조성물 또는 장치와 관련하여 사용되는 경우, 용어 "포함하는"은 화합물, 조성물 또는 장치가 적어도 언급된 특징부들 또는 구성요소들을 포함하지만, 또한 추가의 특징부들 또는 구성요소들을 포함할 수 있음을 의미한다.

본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "실질적으로", "대략", 및, 예를 들어 처리의 변동(variation in processing)으로 인한 작은 변동을 기재하고 설명하는 데 사용된다. 예를 들어, 이들은 ±5% 이하, 예컨대 ±2% 이하, 예컨대 ±1% 이하, 예컨대 ±0.5% 이하, 예컨대 ±0.2% 이하, 예컨대 ±0.1% 이하, 예컨대 ±0.05% 이하를 지칭할 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "입자"는 다량의 원자(예를 들어, 약 100개 초과의 원자)로 구성되고, 적어도 하나의 외부 치수가 약 5 nm 초과인 3차원 구조를 갖는 구조를 의미하는 것으로 의도된다. 일부 예에서, 입자는 적어도 2개의 외부 치수가 약 5 nm 초과인 3차원 구조를 갖는다. 일부 예에서, 입자는 모든 3개의 외부 치수가 약 5 nm 초과인 3차원 구조를 갖는다.

일부 예에서, 입자는 유체에서 이의 번역 운반 특성에 관하여 단일 단위로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 입자의 첫번째 부분의 번역 운동은 입자의 다른 부분이 유체에서 동시에 번역 운동하도록 한다. 이에 비해, 연장된 가요성의 2차원 구조(예컨대, 3차 구조가 부재한 중합체)는 유체에서 이의 번역 운반 특성에 관하여 반드시 단일 단위로 작용하지 않을 수 있다. 예를 들어, 이와 같은 구조의 첫번째 말단의 번역 운동은 이와 같은 구조의 두번째 말단의 번역 운동을 야기하지 않을 수 있다.

본원에서 일부 입자는 3차 구조를 갖는 중합체와 같은 단일 분자를 포함할 수 있거나 이로 이루어질 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "3차 구조"를 갖는 입자는 접힌 부분을 제자리에 유지하는 내부 가교결합을 갖는 3차원 3차 구조로 접히는 입자를 의미하도록 의도된다. 이에 비해, 1차 구조(예를 들어, 함께 연결된 특정 단량체의 서열) 및 2차 구조(예를 들어, 국소 구조)를 갖지만, 접힌 부분을 제자리에 유지하는 내부 가교결합은 갖지 않는 중합체는 본원에서 사용된 용어인 3차 구조를 갖는 것으로 간주되지 않을 수 있으며, 상기 중합체는 본원에서 사용된 용어인 입자로 간주되지 않을 수 있다. 예를 들어, 1차 구조(특정 서열의 각 가닥의 염기) 및 2차 구조(예를 들어, 이중 나선)를 갖지만, 접히지 않고 3차 구조로 가교결합되는 이중 가닥 폴리뉴클레오티드(예를 들어, dsDNA), 단일 가닥 폴리뉴클레오티드(예를 들어, ssDNA), 또는 부분 이중 가닥(예를 들어, 부분 dsDNA 및 부분 ssDNA)은 본원에서 사용된 용어인 "입자"로 간주되지 않는다. 이에 비해, 3차 구조를 갖는 단일 가닥, 이중 가닥, 또는 부분 이중 가닥 폴리뉴클레오티드, 또는 3차 구조를 갖는 폴리펩티드 사슬은 본원에서 사용된 용어인 "입자"로 간주될 수 있다.

본원의 입자는 서로 부착되어 있는, 예를 들어 서로 결합되어 있는 개별 원자 또는 분자의 집합을 포함할 수 있거나 이로 이루어질 수 있다. 이와 같은 입자의 예는 나노입자이다. 나노입자는 약 5 nm 내지 약 100 nm 범위의 하나 이상의 외부 치수, 또는 약 5 nm 내지 약 100 nm 범위의 둘 이상의 외부 치수, 및 일부 예에서 약 5 nm 내지 약 100 nm 범위의 모든 외부 치수를 갖는다. "외부 치수"란, 한 방향에서 입자의 외부 표면 사이의 거리를 의미한다. 나노입자는 구형일 수 있거나, 비구형일 수 있다. 구형 또는 대략 구형 나노입자는 약 5 nm 내지 약 100 nm의 직경을 가질 수 있다. 비구형 나노입자는 규칙적으로 형상화될 수 있고, 예를 들어 연장될 수 있거나, 불규칙하게 형상화될 수 있다. 비구형 나노입자는 이들이 구형이 아니라 하더라도, 직경을 갖는 것으로 언급될 수 있다. 비구형 입자의 직경은 입자의 적어도 하나의 치수의 평균 값을 지칭할 수 있고, 일부 예에서, 입자의 모든 치수의 평균 값을 지칭할 수 있다. 연장된 나노입자는 약 5 nm 내지 약 100 nm의 직경 및 약 100 nm 초과의 길이를 가질 수 있다.

입자는 전기 전도성, 반도체성, 또는 전기 비전도성(예를 들어, 전기 절연체일 수 있음)일 수 있다. 입자는 임의의 적합한 물질 또는 물질의 조합을 포함할 수 있다. 전기 전도성 입자는 예를 들어 금, 백금, 탄소, 은, 팔라듐, 등을 포함할 수 있다. 반도체성 입자는 예를 들어 카드뮴, 아연, 티타늄, 수은, 망간, 황, 셀레늄, 텔루륨, 탄소, 등을 포함하는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 전기 비전도성 입자는 예를 들어 산화규소, 산화철, 산화알루미늄, 유기 중합체, 단백질 등을 포함할 수 있다.

입자는 관능기를 포함할 수 있거나 이에 커플링될 수 있다. "관능기"란 입자의 표면에 결합된 하나의 말단을 갖고, 다른 구조에 결합될 수 있는 분자의 표면으로부터 멀리 연장되는 다른 말단을 갖는 분자 모이어티를 의미한다.

본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "전극"은 전기를 전도하는 고형 구조를 의미하도록 의도된다. 전극은 임의의 적합한 전기 전도성 물질, 예컨대 금, 백금, 또는 팔라듐을 포함할 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "브릿지"는 다른 구조 사이에서 연장되고, 다른 구조에 부착되는 구조를 의미하도록 의도된다. 브릿지는 다른 구조 사이의 공간에 걸쳐 있을 수 있다. 브릿지는 브릿지가 다른 구조에 부착되는 위치를 제외하고, 상기 공간 내에서 적어도 부분적으로 지지되지 않을 수 있다. 브릿지는 다른 구조 사이에서 연장되고, 다른 구조에 집합적으로 연결되는 방식으로 서로에 부착되는 다중 성분을 포함할 수 있다. 브릿지는 화학적 결합을 통해, 예를 들어 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 쌍극자-쌍극자 결합, 런던 분산력, 또는 이의 임의의 적합한 조합을 통해 다른 구조, 예컨대 전극에 부착될 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, "일시적(transient)"은 임시적임을 의미하거나, 영구적이지 않음을 의미하도록 의도된다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 다른 요소에 "인접한" 요소는 상기 다른 요소와 직접적으로 또는 간접적으로 상호작용하도록 충분히 가까움을 의미하도록 의도된다.

본원에서 사용되는 바와 같이, "중합체"는 서로 커플링되고, 단량체로 지칭될 수 있는 다수의 서브단위 사슬을 포함하는 분자를 지칭한다. 서브단위는 반복될 수 있거나, 서로 상이할 수 있다. 중합체는 생물학적 중합체 또는 합성 중합체일 수 있다. 적합하게는 브릿지 또는 표지 내에 포함될 수 있는 예시 생물학적 중합체는 폴리뉴클레오티드, 폴리펩티드, 폴리사카라이드, 폴리뉴클레오티드 유사체, 및 폴리펩티드 유사체를 포함한다. 브릿지 또는 표지에서 사용하기에 적합한 예시 폴리뉴클레오티드 및 폴리뉴클레오티드 유사체는 DNA, 거울상이성질체 DNA, RNA, PNA(펩티드-핵산), 모르폴리노, 및 LNA(잠금 핵산)를 포함한다. 중합체는 Glen Research(버지니아 주 스털링 소재)에서 시판되는 것과 같은, 폴리뉴클레오티드에 커플링될 수 있지만 뉴클레오염기가 부재할 수 있는 스페이서 포스포르아미다이트를 포함할 수 있다. 예시 합성 폴리펩티드는 친수성 및 소수성 잔기뿐만 아니라 하전된 또는 중성 아미노산을 포함할 수 있다. 적합하게는 브릿지 또는 표지 내에 포함될 수 있는 예시 합성 중합체는 PEG(폴리에틸렌 글리콜), PPG(폴리프로필렌 글리콜), PVA(폴리비닐 알코올), PE(폴리에틸렌), LDPE(저밀도 폴리에틸렌), HDPE(고밀도 폴리에틸렌), 폴리프로필렌, PVC(폴리비닐 클로라이드), PS(폴리스티렌), NYLON(지방족 폴리아미드), TEFLON®(테트라플루오로에틸렌), 열가소성 폴리우레탄, 폴리알데히드, 폴리올레핀, 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(ω-알켄산 에스테르), 폴리(알킬 메타크릴레이트), 및 다른 중합체성 화학적 링커 및 생물학적 링커를 포함한다. 합성 중합체는 전기 전도성, 반도체성, 또는 절연성일 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, "혼성화"는 뉴클레오티드 염기의 특정 수소 결합 쌍을 통해 폴리뉴클레오티드의 길이에 따라 제1 폴리뉴클레오티드를 제2 폴리뉴클레오티드에 비공유적으로 부착시키는 것을 의미하도록 의도된다. 제1 폴리뉴클레오티드와 제2 폴리뉴클레오티드 사이의 부착 강도는 상기 중합체 내 단량체 단위의 서열 사이의 상보성 및 길이에 따라 증가한다. 예를 들어, 제1 폴리뉴클레오티드와 제2 폴리뉴클레오티드 사이의 부착 강도는 상기 폴리뉴클레오티드 내 뉴클레오티드의 서열들 사이의 상보성, 및 상보성의 길이에 따라 증가한다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "뉴클레오티드"는 당 및 적어도 하나의 포스페이트 기를 포함하는 분자를 의미하도록 의도되고, 일부 예에서 또한 뉴클레오염기를 포함한다. 뉴클레오염기가 부재하는 뉴클레오티드는 "무염기"로서 지칭될 수 있다. 뉴클레오티드는 데옥시리보뉴클레오티드, 변형된 데옥시리보뉴클레오티드, 리보뉴클레오티드, 변형된 리보뉴클레오티드, 펩티드 뉴클레오티드, 변형된 펩티드 뉴클레오티드, 변형된 포스페이트 당 백본 뉴클레오티드, 및 이의 혼합물을 포함한다. 뉴클레오티드의 예는 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.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "뉴클레오티드"는 또한 자연 발생 뉴클레오티드에 비해 변형된 뉴클레오염기, 당 및/또는 포스페이트 모이어티를 포함하는 뉴클레오티드의 유형인 임의의 뉴클레오티드 유사체를 포함하도록 의도된다. 예시 변형된 뉴클레오염기는 이노신, 자탄닌, 하이포자타닌, 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. 당업계에서 알려진 바와 같이, 특정한 뉴클레오티드 유사체는 폴리뉴클레오티드, 예를 들어 아데노신 5'-포스포설페이트와 같은 뉴클레오티드 유사체에 혼입될 수 없다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "폴리뉴클레오티드"는 서로 결합되어 있는 뉴클레오티드의 서열을 포함하는 분자를 지칭한다. 폴리뉴클레오티드는 중합체의 하나의 비제한적 예이다. 폴리뉴클레오티드의 예는 데옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 및 이의 유사체를 포함한다. 폴리뉴클레오티드는 뉴클레오티드의 단일 가닥 서열, 예컨대 RNA 또는 단일 가닥 DNA, 뉴클레오티드의 이중 가닥 서열, 예컨대 이중 가닥 DNA 또는 이중 가닥 RNA일 수 있거나, 뉴클레오티드의 단일 가닥 서열 및 이중 가닥 서열의 혼합물을 포함할 수 있다. 이중 가닥 DNA(dsDNA)는 게놈 DNA, 및 PCR 및 증폭 생성물을 포함한다. 단일 가닥 DNA(ssDNA)는 dsDNA로 전환될 수 있거나 그 반대도 가능할 수 있다. 폴리뉴클레오티드는 거울상이성질체 DNA와 같은 비자연 발생 DNA를 포함할 수 있다. 폴리뉴클레오티드 중 뉴클레오티드의 정확한 서열은 알려지거나 알려지지 않을 수 있다. 하기는 폴리뉴클레오티드의 예식적인 예이다: 유전자 또는 유전자 단편(예를 들어, 프로브, 프라이머, 발현 서열 태그(EST) 또는 유전자 발현의 연속 분석(SAGE) 태그), 게놈 DNA, 게놈 DNA 단편, 엑손, 인트론, 메신저 RNA(mRNA), 운반 RNA, 리보솜 RNA, 리보자임, cDNA, 재조합 폴리뉴클레오티드, 합성 폴리뉴클레오티드, 분지형 폴리뉴클레오티드, 플라스미드, 벡터, 임의의 서열의 단리된 DNA, 임의의 서열의 단리된 RNA, 핵산 프로브, 프라이머 또는 상기 중 임의의 것의 증폭된 카피.

본원에서 사용되는 바와 같이, "폴리머라아제"는 폴리뉴클레오티드로 뉴클레오티드를 중합시킴으로써 폴리뉴클레오티드를 조립하는 활성 부위를 갖는 효소를 의미하도록 의도된다. 폴리머라아제는 프라이밍된 단일 가닥 폴리뉴클레오티드 주형에 결합할 수 있고, 주형의 서열에 상보성인 서열을 갖는 폴리뉴클레오티드를 형성하기 위해 성장 프라이머로 뉴클레오티드를 연속 부가할 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "프라이머"는 자유 3' OH 기를 갖는 단일 가닥을 갖는 폴리뉴클레오티드로서 정의된다. 프라이머는 또한 다른 모이어티에 프라이머를 커플링시키거나 커플링 반응을 허용하도록 5' 말단에서 변형을 가질 수 있다. 프라이머 길이는 임의의 수의 염기 길이일 수 있으며, 다양한 비-천연 뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 프라이머는 차단이 제거될 때까지 중합을 억제하도록 3' 말단에서 차단될 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "표지"는 두 전극 사이에 전기 전도성 변화를 야기하는 구조를 의미하도록 의도된다. 표지는 뉴클레오티드가 식별될 수 있는 전기 전도도 변화에 기초하여 해당 브릿지의 전기 전도도 변화를 일으키는 방식으로 두 전극 사이의 브릿지에 부착될 수 있다. 예를 들어, 표지는 이와 같은 브릿지 내에서 중합체 사슬에 혼성화될 수 있고, 혼성화는 전기 전도성 변화를 야기할 수 있다. 또는, 표지는 두 전극 사이에 전기 전도성 변화를 야기하는 방식으로 각각의 두 전극에 부착될 수 있다. 본원에 제공된 예에서, 표지는 뉴클레오티드에 부착될 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "기재"는 본원에 기재된 조성물에 대한 지지체로서 사용된 물질을 지칭한다. 예시 기재 물질은 유리, 실리카, 플라스틱, 석영, 금속, 금속 옥사이드, 오르가노-실리케이트(예를 들어, 다면체 유기 실세스퀴옥산(POSS)), 폴리아크릴레이트, 산화탄탈룸, 상보성 금속 옥사이드 반도체(CMOS), 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. POSS의 예는 전체적으로 참고로 포함된 문헌[Kehagias et al., Microelectronic Engineering 86 (2009), pp. 776-778]에 기재된 것일 수 있다. 일부 예에서, 본 명세서에서 사용된 기재는 실리카-기반 기재, 예컨대 유리, 융합된 실리카, 또는 다른 실리카-함유 물질을 포함한다. 일부 예에서, 실리카-기반 기재는 규소, 이산화규소, 질화규소, 또는 실리콘 수소화물을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 본 명세서에서 사용된 기재는 플라스틱 물질 또는 성분, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)를 포함한다. 예시 플라스틱 물질은 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리스티렌, 및 시클릭 올레핀 중합체 기재를 포함한다. 일부 예에서, 기재는 실리카-기반 물질 또는 플라스틱 물질 또는 이의 조합이거나 이를 포함한다. 특정 예에서, 기재는 유리 또는 규소-기반 중합체를 포함하는 적어도 하나의 표면을 갖는다. 일부 예에서, 기재는 금속을 포함할 수 있다. 일부 상기 예에서, 금속은 금이다. 일부 예에서, 기재는 금속 옥사이드를 포함하는 적어도 하나의 표면을 갖는다. 일 예에서, 표면은 산화탄탈룸 또는 산화주석을 포함한다. 아크릴아미드, 에논, 또는 아크릴레이트는 또한 기재 물질 또는 성분으로서 이용될 수 있다. 다른 기재 물질은 갈륨 아르세나이드, 인듐 포스파이드, 알루미늄, 세라믹, 폴리이미드, 석영, 수지, 중합체 및 공중합체를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 일부 예에서, 기재 및/또는 기재 표면은 석영일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 일부 다른 예에서, 기재 및/또는 기재 표면은 반도체, 예컨대 GaAs 또는 ITO일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 상기 목록은 본 명세서를 예시하고자 의도되지만, 이에 제한되지는 않는다. 기재는 단일 물질 또는 복수의 상이한 물질을 포함할 수 있다. 기재는 복합체 또는 적층물일 수 있다. 일부 예에서, 기재는 오르가노-실리케이트 물질을 포함한다.

기재는 편평형, 원형, 구형, 막대형, 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 기재는 강성 또는 가요성일 수 있다. 일부 예에서, 기재는 비드 또는 플로우 셀이다.

기재는 기재의 하나 이상의 표면에 대해 비-패턴화, 텍스쳐화, 또는 패턴화될 수 있다. 일부 예에서, 기재는 패턴화된다. 상기 패턴은 기둥, 패드, 웰, 융기부, 채널 또는 기타 3차원 오목 또는 볼록 구조를 포함할 수 있다. 패턴은 기재의 표면을 가로질러 규칙적이거나 불규칙할 수 있다. 패턴은 예를 들어 나노임프린트 리쏘그래피에 의해, 또는 예를 들어 비금속성 표면 상에 특징을 형성하는 금속 패드를 사용함으로써 형성될 수 있다.

일부 예에서, 본원에 기재된 기재는 적어도 일부의 플로우 셀을 형성하거나 플로우 셀 내에 위치하거나 이에 커플링될 수 있다. 플로우 셀은 복수의 레인 또는 복수의 섹터로 나눠지는 플로우 챔버를 포함할 수 있다. 본원에 설명된 방법 및 조성물에서 사용될 수 있는 예시 플로우 셀 및 플로우 셀의 제조를 위한 기재는 Illumina, Inc. 사(캘리포니아주, 샌디에고 소재)에서 시판되는 것을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.

폴리뉴클레오티드의 시퀀싱을 위한 예시 조성물 및 방법

도 1a 내지 도 1b는 전극들 사이에 입자-기반 브릿지를 포함하는 예시 장치를 개략적으로 예시한다. 도 1a에서 나타난 예에서, 장치(100)는 제1 전극(102), 제2 전극(103), 입자(120), 및 폴리머라아제(105)를 포함한다. 폴리머라아제(105)는 입자(120)에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 일 예에서, 폴리머라아제(105)는 당업계에 알려진 것과 같은 방식으로 링커(106)를 통해 입자(120)에 커플링될 수 있다. 입자(120)에 대한 폴리머라아제(105)의 부착은, 예를 들어 알킨/아자이드 클릭, 아민/알데히드 쉬프(Schiff) 염기, 아민/에폭시, spy 태그/spy 캐쳐, 비오틴/스트렙타비딘, 티올/알켄, 무-구리 클릭 화학 반응물(즉, 시클로옥틴/아자이드), Ni/NTA를 포함하지만 이에 제한되지는 않는 다수의 화학적 반응물을 통해 달성될 수 있다. 다른 예에서, 입자(120)에 대한 폴리머라아제(105)의 부착은 정전기적 결합 또는 수소 결합을 포함하는 비-공유결합 상호작용을 통해 달성될 수 있다.

이러한 예에서, 기재(101)는 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)을 지지할 수 있다. 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)은 공간에 의해, 예를 들어 도 1a에 나타난 바와 같은 길이 L의 공간에 의해 서로 분리될 수 있다. L 값은 일부 예에서, 약 5 nm 내지 약 1 μm, 예를 들어, 약 5 nm 내지 약 100 nm, 예를 들어, 약 5 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 50 nm일 수 있다. 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있고, 도 1a에 제시된 대략 직사각형 형상에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 도 1a에 예시된 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)의 사이드월은, 서로 수직이거나 평행일 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없을 수 있고, 반드시 상기 전극의 상부 표면과 직각으로 만날 필요는 없다. 예를 들어, 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)은 불규칙하게 형상화될 수 있고, 만곡될 수 있거나, 임의의 적합한 수의 둔각 또는 예각을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 전극(102) 및 전극(103)은 기재(101)와 동일 표면에 있을 수 있다. 다른 예에서, 전극은 서로의 상단에 수직으로 적층될 수 있고, 이들 사이의 공간은 두께 L의 적절한 절연층에 의해 한정될 수 있다. 값 L은 서로에 대해 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)의 가장 가까운 지점들 사이의 간격(길이)을 지칭할 수 있다. 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)의 각각의 폭(예를 들어, 도 1a에 예시된 평면 안팎 치수)은 길이 L과 상이할 수 있다. 이와 같이, 전극(102)과 전극(103) 사이의 공간의 폭은 L과 상이할 수 있다. 예를 들어, 서로에 대해 제1 전극(102)과 제2 전극(103)의 가장 가까운 지점에서, 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)의 각각의 폭은 L보다 작을 수 있고, 그 결과 전극들 사이의 공간의 폭은 전극들 사이의 공간의 길이보다 작을 수 있다. 예를 들어, 폭은 약 1 nm 내지 약 1 μm, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 예를 들어, 약 2 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 4 nm 내지 약 50 nm일 수 있다.

도 1a에 예시된 예에서, 입자(120)는 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간 내에, 적어도 부분적으로 배치되고, 일부 예에서, 완전히 배치된다. 일 예에서, 입자(120)는 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간에서 기재(101)와 접촉된다. 입자(120)는 임의의 적합한 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 입자(120)가 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간 내에 적어도 부분적으로 배치되어 있는 구성에서, 입자(120)는 L보다 작은 직경 D를 가질 수 있다. 예를 들어, 입자(120)는 L의 적어도 약 10%인 직경 D, L의 적어도 약 20%인 직경 D, L의 적어도 약 30%인 직경 D, L의 적어도 약 40%인 직경 D, L의 적어도 약 50%인 직경 D, L의 적어도 약 60%인 직경 D, L의 적어도 약 70%인 직경 D, L의 적어도 약 80%인 직경 D, L의 적어도 약 90%인 직경 D, L의 적어도 약 95%인 직경 D, 또는 L의 적어도 약 100% 미만인 직경 D를 가질 수 있다. 직경 D는 예를 들어 L의 약 10% 내지 약 90% 범위, 또는 L의 약 20% 내지 약 90% 범위, 또는 L의 약 50% 내지 약 90% 범위, 또는 L의 약 60% 내지 약 80% 범위일 수 있다. 일부 예에서, 입자(120)는 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간의 폭 미만의 직경 D를 가질 수 있다. 예를 들어, 입자(120)는 폭의 적어도 약 10%인 직경 D, 폭의 적어도 약 20%인 직경 D, 폭의 적어도 약 30%인 직경 D, 폭의 적어도 약 40%인 직경 D, 폭의 적어도 약 50%인 직경 D, 폭의 적어도 약 60%인 직경 D, 폭의 적어도 약 70%인 직경 D, 폭의 적어도 약 80%인 직경 D, 폭의 적어도 약 90%인 직경 D, 의 적어도 약 95%인 직경 D, 또는 폭의 적어도 약 100% 미만인 직경 D를 가질 수 있다. 직경 D는 예를 들어 폭의 약 10% 내지 약 90% 범위, 또는 폭의 약 20% 내지 약 90% 범위, 또는 폭의 약 50% 내지 약 90% 범위, 또는 폭의 약 60% 내지 약 80% 범위일 수 있다.

입자(120)는 임의의 적합한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 입자(120)는 전기 전도성일 수 있고, 예를 들어 도 2 또는 3b 내지 3d를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로, 예를 들어 적어도 일부의 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 전기 전도성 브릿지를 형성할 수 있다. 또는, 예를 들어, 입자(102)는 도 3a를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 반도체성 또는 전기 비전도성일 수 있다. 본 발명의 입자에서 사용하기에 적합한 전기 전도성 및 전기 비전도성 물질의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다.

입자(120)는 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1a에서, 입자(120)는 비구형인 것으로 제안되지만, 입자(120)는 대신 구형 또는 대략 구형일 수 있다. 본 발명의 입자에서 사용하기에 적합한 형상의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다.

입자(120)는 일부 예에서 제1 전극(102)과 입자(120)의 첫번째 부분 사이에서 연장되는 제1 관능기를 포함하는 복수의 결합(111)을 통해 제1 전극(102)에 커플링될 수 있고, 일부 예에서 제2 전극(103)과 입자(120)의 두번째 부분 사이에서 연장되는 제2 관능기를 포함하는 복수의 결합(112)을 통해 제2 전극(103)에 커플링될 수 있다. 도 1a에 나타난 예가 각각 모든 결합(111) 및 결합(112)이 전극(102) 및 전극(103)의 수직 표면에 부착(일부 예에서, 제1 관능기 및 제2 관능기를 통해)되어 있다는 것을 시사하지만, 임의의 적합한 수의 상기 결합이 대신 전극의 각각의 상부 표면에 부착(일부 예에서, 제1 관능기 및 제2 관능기를 통해)될 수 있음이 이해되어야 한다. 입자(120), 결합(111), 결합(112), 및 입자에 커플링된 임의의 관능기는 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간에 걸쳐 있을 수 있다. 결합(111)은 임의의 적합한 결합 또는 결합의 조합을 포함할 수 있다. 결합(112)은 임의의 적합한 결합 또는 결합의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합(111) 및 결합(112) 각각은, 서로 독립적으로, 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 쌍극자-쌍극자 결합, 런던 분산력, 및 이의 임의의 적합한 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 결합을 포함할 수 있다. 결합(111) 및 결합(112)은 도 2, 도 3a 및 도 3d를 참조로 예시된 것과 같은 입자(120)와 각각의 전극 사이의 직접 결합일 수 있거나 이를 포함할 수 있고, 예를 들어 도 3b 및 도 3c를 참조로 예시된 관능기와 같은 하나 이상의 중간체 구조를 통한 간접 결합을 포함할 수 있다.

본 발명의 입자(예를 들어, 입자(120) 또는 본원에 기재된 다른 입자)가 복수의 결합을 통해 직접적으로 또는 간접적으로 제1 전극에 커플링되고, 복수의 결합을 통해 직접적으로 또는 간접적으로 제2 전극에 커플링되는 예에서, 장치는 전자적으로 견고할 수 있다. 예를 들어, 전류가 단일 결합을 통해 전극에서 입자로, 단일 결합을 통해 입자에서 다른 전극으로 이동한 경우, 상기 전류는 이러한 결합 중 하나 또는 둘 모두의 온도를 올리고, 파손시켜 장치를 손상시킬 수 있다. 이에 비해, 도 1a에 제시된 것과 같은 방식으로 입자의 표면에 걸쳐 복수의 결합이 분포될 수 있는, 복수의 결합을 통해 전극에서 입자로, 그리고 복수의 결합을 통해 입자에서 다른 전극으로 전류를 통과시키는 것은, 이러한 결합들 사이에 전류를 분배하여, 결합의 과열을 억제하고 그렇지 않으면, 상기 과열로 인해 발생할 수 있는 장치의 손상을 억제할 수 있다.

도 1b에서 나타난 예에서, 장치(100')는 제1 전극(102), 제2 전극(103), 입자(120'), 및 폴리머라아제(105)를 포함한다. 폴리머라아제는 일부 예에서 링커(106)를 통해 입자(120')에 커플링될 수 있다. 이러한 예에서, 기재(101)는 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)을 지지할 수 있고, 이는 도 1a를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 공간으로 서로 분리될 수 있다. 도 1b에 예시된 예에서, 입자(120')는 제1 전극(102) 및 제2 전극(103) 위 공간 내에, 적어도 부분적으로 배치되고, 일부 예에서, 완전히 배치된다. 예를 들어, 입자(120')는 기재(101) 위의 높이 H에 배치될 수 있다. 일부 예에서, H 값은 약 1 nm 내지 약 100 nm, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 50 nm일 수 있다. 일부 예에서, H 값은 입자(120)의 일부가 전극들 사이에 수직으로 위치하지 않도록 하나 또는 두 전극(102, 103)의 높이보다 더 높을 수 있다(높이는 서로 대략 동일할 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없음).

도 1b에 예시된 입자(120')는 도 1a를 참조로 기재된 입자(120)에 대해 기재된 것과 유사한 조성 및 형상을 가질 수 있지만, 입자(120)와 유사하게 또는 상이하게 크기 조정될 수 있다. 예를 들어, 입자(120')가 제1 전극(102) 및 제2 전극(103) 위 공간 내에 적어도 부분적으로 배치되는 구성에서, 입자(120)는 L보다 작은 직경 D를 가질 수 있거나 L보다 더 큰 직경 D를 가질 수 있다. 예를 들어, 입자(120')는 L의 적어도 약 10%인 직경 D, L의 적어도 약 20%인 직경 D, L의 적어도 약 30%인 직경 D, L의 적어도 약 40%인 직경 D, L의 적어도 약 50%인 직경 D, L의 적어도 약 60%인 직경 D, L의 적어도 약 70%인 직경 D, L의 적어도 약 80%인 직경 D, L의 적어도 약 90%인 직경 D, L의 적어도 약 95%인 직경 D, 또는 L의 적어도 약 100%인 직경 D를 가질 수 있거나, L의 적어도 약 110%인 직경 D, 또는 L의 적어도 약 120%인 직경 D, 또는 L의 적어도 약 130%인 직경 D, 또는 L의 적어도 약 150%인 직경 D, 또는 L의 적어도 약 200%인 직경 D, 또는 L의 적어도 약 300%인 직경 D, 또는 L의 적어도 약 400%인 직경 D, 또는 L의 적어도 약 500%인 직경 D를 가질 수 있다. 직경 D는 예를 들어 L의 약 10% 내지 약 500% 범위, 또는 L의 약 20% 내지 약 400% 범위, 또는 L의 약 50% 내지 약 300% 범위, 또는 L의 약 60% 내지 약 200% 범위, 또는 L의 약 70% 내지 약 100% 범위일 수 있다.

입자(120')는 복수의 결합(111')을 통해 제1 전극(102)에 커플링될 수 있고(제1 관능기를 포함하는 일부 예에서), 복수의 결합(112')을 통해 제2 전극(103)에 커플링될 수 있다(제2 관능기를 포함하는 일부 예에서). 도 1b에 나타난 예에서, 하나 이상의 결합(111') 및 결합(112'), 일부 예에서 모든 결합(111') 및 결합(112') 각각은 전극(102) 및 전극(103)의 각각의 상부(수평)면에 부착된다. 입자(120'), 결합(111'), 및 결합(112')은 제1 전극(102)과 제2 전극(103) 사이의 공간에 걸쳐 있을 수 있다. 일부 예에서, 입자(120')는 하나 또는 두 개의 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)과 접촉하고, 이에 직접 결합하는 한편, 다른 예에서, 입자(120')는 관능기와 같은 중간체 구조(들)를 통해 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)에 간접적으로 결합된다.

일부 예에서, 도 1a에 예시된 입자(120) 또는 도 1b에 예시된 입자(120')는 3차 구조를 갖는 중합체를 포함한다. 도 2는 전극들 사이에 3차 중합체 구조를 포함하는 예시 장치(200)를 개략적으로 예시한다. 도 2에서 나타난 예에서, 장치(200)는 제1 전극(202), 제2 전극(203), 3차 중합체 구조(220), 및 폴리머라아제(205)를 포함한다. 폴리머라아제(205)는 3차 중합체 구조(220)에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 폴리머라아제(205)는 일부 예에서 당업계에 알려진 것과 같은 방식으로 링커(206)를 통해 3차 중합체 구조(220)에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 폴리머라아제(205)는 알킨/아자이드 클릭, 아민/알데히드 쉬프 염기, 아민/에폭시, spy 태그/spy 캐쳐, 비오틴/스트렙타비딘, 티올/알켄, 무구리(copper free) 클릭 반응물(즉, 시클로옥틴/아자이드), Ni/NTA를 포함하지만 이에 제한되지는 않는 다수의 화학적 반응물을 통해 3차 중합체 구조(206)에 부착될 수 있다. 대안적으로, 폴리머라아제(205)의 3차 중합체 구조(206)에의 부착은 정전기적 결합 또는 수소 결합을 포함하는 비-공유결합 상호작용을 통해 달성될 수 있다.

이러한 예에서, 기재(201)는 제1 전극(202) 및 제2 전극(203)을 지지할 수 있다. 제1 전극(202) 및 제2 전극(203)은 공간에 의해, 예를 들어 도 2에 나타난 바와 같은 길이 L의 공간에 의해 서로 분리될 수 있고, 도 1a를 참조하여 보다 상세히 기재된 것과 같은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. L 값은 일부 예에서, 약 5 nm 내지 약 1 μm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 50 nm일 수 있다. 도 2에 예시된 예에서, 도 1a를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 3차 중합체 구조(220)는 제1 전극(202)과 제2 전극(203) 사이의 공간 내에, 적어도 부분적으로 배치되고, 일부 예에서, 완전히 배치된다. 일부 예에서, 3차 중합체 구조(220)는 제1 전극(202)과 제2 전극(203) 사이의 공간의 기재(201)와 접촉된다. 도 1b를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 3차 중합체 구조(220)는 제1 전극(202)과 제2 전극(203) 사이의 공간 위에, 적어도 부분적으로 배치되고, 일부 예에서, 완전히 배치된다. 즉, 3차 중합체 구조(220)는 기재(201) 위 임의의 적합한 높이를 가질 수 있고, 도 1a 및 도 1b를 참조로 예시된 것과 같은 임의의 적합한 직경을 가질 수 있다.

3차 중합체 구조(220)는 임의의 적합한 조성을 가질 수 있다. 일부 예에서, 3차 중합체 구조는 DNA와 같은 폴리뉴클레오티드, 또는 폴리펩티드를 포함한다. 도 2에 예시된 비제한적인 예에서, 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드는 중앙 협소부(290), 예를 들어 다수의 지점에서 전극(202, 203)에 각각 부착되어 있는 보다 넓은 영역 사이의 상대적으로 좁은 영역을 갖는 3차 구조로 접히고 가교결합될 수 있다. 일부 예에서, 중앙 협소부(290)는 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 일부를 형성한다. 예를 들어, 3차 중합체 구조(220)는 전기 전도성일 수 있고, 예를 들어 제1 전극(202)과 제2 전극(203) 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 일부 예에서 중앙 협소부(290)를 통한 브릿지의 전기 전도성은 예를 들어 도 9b를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 조절될 수 있다. 일 비제한적인 구성에서, 3차 중합체 구조(220)는 단일 분자를 포함하거나, 이로 이루어진다.

3차 중합체 구조(220)는 복수의 결합(211)을 통해 제1 전극(202)에 커플링될 수 있고, 복수의 결합(212)을 통해 제2 전극(203)에 커플링될 수 있다. 도 2에 제시된 예가 각각 결합(211) 및 결합(212)의 혼합물이 전극(202 및 203)의 수직 또는 수평면에 부착되는 것을 시사하지만, 상기 결합의 임의의 적합한 조합이 대신 각각의 전극의 상부면 또는 수직면에 부착될 수 있음이 이해되어야 한다. 3차 중합체 구조(220), 결합(211), 및 결합(212)은 제1 전극(202)과 제2 전극(203) 사이의 공간에 걸쳐 있을 수 있다. 결합(211)은 임의의 적합한 결합 또는 결합의 조합을 포함할 수 있다. 결합(212)은 임의의 적합한 결합 또는 결합의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합(211) 및 결합(212) 각각은, 서로 독립적으로, 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 쌍극자-쌍극자 결합, 런던 분산력, 및 이의 임의의 적합한 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 결합을 포함할 수 있다. 결합(211 및 212)은 3차 중합체 구조(220)와 각각의 전극 사이에 직접 결합일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 3차 중합체 구조는 각각의 전극에 대해 구조를 결합시키기 위한 관능기를 포함할 수 있다. 전극 사이에 공간의 특정 길이에 맞춰진 크기와 형상의 3차 중합체 구조(예컨대, DNA 오리가미)를 사용함으로써, 이와 같은 공간은 정확히 하나의 상기 구조로 관능화될 수 있다. 3차 중합체 구조가 제자리에 있는 경우, 이는 임의의 추가의 3차 중합체 구조가 입체적 또는 기하학적 배제로 인해 공간에 도입되는 것을 억제할 수 있다.

일부 구성에서, 3차 중합체 구조(220)의 중합체는 DNA이거나 이를 포함한다. 일부 예에서, 의도된 3차 구조를 갖는 DNA를 의미하는 "DNA 오리가미"는 "주형"으로 지칭될 수 있는 단일 긴 DNA 분자와, "스테이플"로 지칭될 수 있는 짧은 상보성 서열을 혼합함으로써 구성될 수 있다. 각각의 스테이플은 긴 DNA 분자 내의 특정 영역에 결합할 수 있고, 원하는 형상으로 긴 DNA 분자를 끌어 당길 수 있으며, 이의 비제한적인 예는 도 2에 예시되어 있다. 각각의 스테이플은 고유의 서열을 가질 수 있고, 최종 3차 구조 중 잘 정의된 위치에서 끝날 수 있다. 모든 스테이플은 다른 스테이플의 임의의 관능화와 독립적으로 개별적으로 관능화될 수 있기 때문에, 이는 폴리머라아제에 커플링되기 위해 사용될 수 있는 관능성 요소, 또는 전극에 결합하기 위해 사용될 수 있는 관능성 요소와 같은, 3차 구조 상의 특정 관능성 요소의 정확한 배치를 허용한다. 하나 이상의 스테이플에 포함될 수 있거나 이에 부착될 수 있는 예시적인 관능성 요소는 나노입자, 효소, 화학적 링커, 분자 와이어, 예컨대 탄소 나노튜브, 펩티드, 또는 다른 DNA 오리가미 또는 DNA 서열을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 상대적으로 큰 DNA 오리가미 구조는 다중의 보다 작은 DNA 오리가미 구조로부터 형성될 수 있다. DNA 오리가미 디자인과 제조에 관한 추가 세부사항의 경우, 하기 참조문헌을 참고하고, 이의 전체 내용은 본원에 참조로 포함되어 있다: 문헌[Wang et al., "The Beauty and Utility of DNA Origami," Chem 2: 359-382 (2017)].

일 비제한적인 예에서, 관능적 요소가 DNA 오리가미에 위치할 수 있도록 하는 높은 정확도는 폴리뉴클레오티드 시퀀싱을 용이하게 할 수 있는 다수의 상이한 적용을 제공할 수 있다. 예를 들어, 선택된 크기 및 조성의 금속 나노입자는 DNA 오리가미에서 잘 정의된 위치에 배치될 수 있다. 서로 수 나노미터의 거리에서, 금속성 나노입자는 나노입자 사이의 근거리 커플링과 같은 나노플라즈몬 효과를 나타낼 수 있다. 금속성 나노입자의 나노플라즈몬 효과에 관한 추가 세부사항의 경우, 하기 참조문헌을 참고하고, 이의 전체 내용은 본원에 참조로 포함되어 있다: 문헌[Danckwerts et al., "Optical frequency mixing at coupled gold nanoparticles," Phys. Rev. Lett. 98: 026104(2007)]. 본 발명의 장치는 임의의 적합한 유형의 입자와 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 3d는 전극들 사이에 나노입자-기반 브릿지를 포함하는 예시 장치를 개략적으로 예시한다. 도 3a에서 나타난 예에서, 장치(300)는 제1 전극(302), 제2 전극(303), 나노입자(320), 및 폴리머라아제(305)를 포함한다. 폴리머라아제(305)는 나노입자(320)에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 폴리머라아제(305)는 도 3a에 제안된 것과 같이 링커(306)를 통해, 또는 직접적으로 나노입자(320)에 커플링될 수 있다. 이러한 예에서, 기재(301)는 제1 전극(302) 및 제2 전극(303)을 지지할 수 있다. 제1 전극(302) 및 제2 전극(303)은 공간에 의해, 예를 들어 길이 L의 공간에 의해 서로 분리될 수 있고, 예를 들어, 도 1a를 참조로 보다 상세히 기재된 것과 같은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. L 값은 일부 예에서, 약 5 nm 내지 약 1 μm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 30 nm 내지 약 50 nm일 수 있다. 도 3a에 예시된 예에서, 도 1a를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 나노입자(320)는 제1 전극(302)과 제2 전극(303) 사이의 공간 내에, 적어도 부분적으로 배치되고, 일부 예에서, 완전히 배치된다. 도 3a에서 예시된 예에서, 나노입자(320)는 제1 전극(302)과 제2 전극(303) 사이의 공간의 기재(301)와 접촉한다. 그러나, 도 1b를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 나노입자(320)는 제1 전극(302)과 제2 전극(303) 사이의 공간 위에, 적어도 부분적으로 배치될 수 있고, 일부 예에서, 완전히 배치됨을 이해해야 한다. 즉, 나노입자(320)는 기재(301) 위 임의의 적합한 높이를 가질 수 있고, 도 1a 및 도 1b를 참조로 예시된 것과 같은 임의의 적합한 직경을 가질 수 있다. 도 3a에 구체적으로 예시된 예에서, 나노입자(320)는 전극(302, 303) 사이의 공간 길이와 대략 동일한 직경을 가질 수 있다.

나노입자(320)는 복수의 결합(311)을 통해 제1 전극(302)에 커플링될 수 있고, 복수의 결합(312)을 통해 제2 전극(303)에 커플링될 수 있다. 도 3a에 제시된 예가 결합(311) 및 결합(312)이 전극(302 및 303)의 수직면에 부착되는 것을 시사하지만, 상기 결합의 임의의 적합한 조합이 대신 각각의 전극의 상부면 또는 수직면에 부착될 수 있음이 이해되어야 한다. 나노입자(320), 결합(311), 및 결합(312)은 제1 전극(302)과 제2 전극(303) 사이의 공간에 걸쳐 있을 수 있다. 결합(311)은 임의의 적합한 결합 또는 결합의 조합을 포함할 수 있다. 결합(312)은 임의의 적합한 결합 또는 결합의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합(311) 및 결합(312) 각각은, 서로 독립적으로, 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 쌍극자-쌍극자 결합, 런던 분산력, 및 이의 임의의 적합한 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 결합을 포함할 수 있다. 도 3a에 나타난 예에서, 결합(311 및 312)은 나노입자(320)와 각각의 전극 사이에 직접 결합되거나 이를 포함한다. 예를 들어, 나노입자(320)는 각각의 전극에 구조를 결합시키기 위한 관능기를 포함한다.

나노입자(320)는 임의의 적합한 조성을 가질 수 있다. 일부 예에서, 나노입자(320)는 무기물이다. 무기 물질을 포함하여, 나노입자에서 사용하기에 적합한 물질의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다. 일부 예에서 나노입자(320)는 전류가 제1 전극(302)과 제2 전극(303) 사이의 나노입자(320)를 실질적으로 통과하지 않도록, 전기적으로 비전도성일 수 있다. 본 발명의 입자에서 사용하기에 적합한 전기 비전도성 물질의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다. 일부 예에서, 도 9a를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로, 표지와 같은 구조는 각각 제1 전극(302)과 제2 전극(303) 사이의 전기 전도성 브릿지를 형성하기 위해 사용될 수 있다.

도 3b에 나타난 예에서, 장치(300a)는 제1 전극(302a), 제2 전극(303a), 나노입자(320a), 및 폴리머라아제 - 본원의 다른 곳에 기재된 것과 유사한 방식으로 나노입자(320)에 커플링됨 - 를 포함한다(폴리머라아제는 도 3b에 구체적으로 도시되지 않음). 이러한 예에서, 기재(301a)는 제1 전극(302a) 및 제2 전극(303a)을 지지할 수 있다. 제1 전극(302a) 및 제2 전극(303a)은 공간에 의해, 예를 들어 길이 L의 공간에 의해 서로 분리될 수 있고, 예를 들어 도 1a를 참조로 보다 상세히 기재된 것과 같은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 도 3b에 예시된 예에서, 도 1b를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 나노입자(320a)는 제1 전극(302a)과 제2 전극(303a) 사이의 공간 위에, 적어도 부분적으로 배치되고, 일부 예에서, 완전히 배치된다. 즉, 나노입자(320a)는 기재(301a) 위 임의의 적합한 높이를 가질 수 있고, 도 1a 및 도 1b를 참조로 예시된 것과 같은 임의의 적합한 직경을 가질 수 있다.

나노입자(320a)는 복수의 관능기(311a)를 통해 제1 전극(302a)에 커플링될 수 있고, 복수의 관능기(312a)를 통해 제2 전극(303a)에 커플링될 수 있다. 임의의 적합한 조합의 상기 관능기는 각각의 전극의 임의의 적합한 조합의 상부면 또는 수직면에 부착될 수 있다. 나노입자(320a), 관능기(311a), 및 관능기(312a)는 제1 전극(302a)과 제2 전극(303a) 사이의 공간에 걸쳐 있을 수 있다. 관능기(311a)는 임의의 적합한 조합의 결합을 포함할 수 있다. 관능기(312a)는 임의의 적합한 조합의 결합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 관능기(311a) 및 관능기(312a) 각각은, 서로 독립적으로, 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 쌍극자-쌍극자 결합, 런던 분산력, 및 이의 임의의 적합한 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 결합을 포함할 수 있다. 도 3b에 나타난 예에서, 관능기(311a 및 312a)는 나노입자(320)와 각각의 전극 사이에 간접 결합을 제공한다. 예를 들어, 나노입자(320a)는 "X"로 지칭된 기를 통해 나노입자의 물질에 부착되는 제1 올리고뉴클레오티드(예컨대, DNA), 및 제1 올리고뉴클레오티드에 혼성화되어 있는 제2 올리고뉴클레오티드(예컨대, DNA)를 포함하는 관능기를 포함한다. 제2 올리고뉴클레오티드는 "Y"로 지칭된 반응성 기를 포함하고, 이는 제1 전극(302a) 및 제2 전극(303a)의 각각의 하나와 반응하여 전극에 나노입자(320a)를 커플링시킬 수 있으며, 일부 예에서 전극들 사이에 전기 전도성 브릿지를 형성할 수 있다.

도 3b에 예시된 나노입자(320a)는 임의의 적합한 조성을 가질 수 있다. 일부 예에서, 나노입자(320a)는 무기물이다. 무기 물질을 포함하여, 나노입자에서 사용하기에 적합한 물질의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다. 일부 예에서 나노입자(320a)는 관능기를 통해 제1 전극(302a)과 제2 전극(303a) 사이의 나노입자(320a)를 통해 전류가 통과하도록 전기 전도성일 수 있다. 본 발명의 입자에서 사용하기에 적합한 전기 전도성 물질의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다. 일부 예에서, 전극(302a, 303a) 사이의 전기 전도성은 도 8a 및 8b를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 조절될 수 있다.

일 비제한적 예에서, 나노입자(320a)(예를 들어, 금 나노입자)는 나노입자를 제1 전극(302a) 및 제2 전극(303a)에 결합시키는 DNA 듀플렉스(311a, 312b)를 포함하는 관능기에 커플링될 수 있다. 여기서, DNA가 전기 전도성을 나타내는 것으로 알려져 있기 때문에, DNA는 제1 전극(302a)과 제2 전극(303a) 사이의 전기 전도도에서 역할을 할 수 있다. DNA 듀플렉스(311a, 312b)와 같은 관능기를 통해 나노입자(320a)와 전극(302a, 303a) 사이에 연결을 형성하는 것은 DNA 듀플렉스를 통해 하나의 전극에서 다른 전극으로의 전기 전도성 통로를 제공할 수 있다. DNA 듀플렉스(311a, 312b)의 반응성 기 "Y"는 제1 전극(302a) 및 제2 전극(303a)과 반응할 수 있는 코로나, 예를 들어 금-디설파이드 반응을 통해 직접적으로 또는 적합한 환원제를 통해 티올로 절단된 후, 설파이드 결합(예를 들어, Au-S)을 형성하도록 전극의 물질(예를 들어, 금)과 반응하는 디설파이드 기 또는 티올 기를 제공할 수 있다. 이와 같은 전략은 DNA-나노입자 결합을 형성하기 위해 상용가능한 기를 선택함으로써 다른 나노입자 조성물에 적용될 수 있다.

도 3c에 나타난 예에서, 장치(300b)는 제1 전극(302b), 제2 전극(303b), 나노입자(320b), 및 폴리머라아제 - 본원의 다른 곳에 기재된 것과 유사한 방식으로 나노입자(320)에 커플링됨 - 를 포함한다(폴리머라아제는 도 3b에 구체적으로 도시되지 않음). 이러한 예에서, 기재(301b)는 제1 전극(302b) 및 제2 전극(303b)을 지지할 수 있다. 제1 전극(302b) 및 제2 전극(303b)은 공간에 의해, 예를 들어 길이 L의 공간에 의해 서로 분리될 수 있고, 예를 들어 도 1a를 참조로 보다 상세히 기재된 것과 같은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 도 3c에 예시된 예에서, 도 1b를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 나노입자(320b)는 제1 전극(302b)과 제2 전극(303b) 사이의 공간 위에, 적어도 부분적으로 배치되고, 일부 예에서, 완전히 배치된다. 즉, 나노입자(320b)는 기재(301b) 위 임의의 적합한 높이를 가질 수 있고, 도 1a 및 도 1b를 참조로 예시된 것과 같은 임의의 적합한 직경을 가질 수 있다.

나노입자(320b)는 복수의 관능기(311b)를 통해 제1 전극(302b)에 커플링될 수 있고, 복수의 관능기(312b)를 통해 제2 전극(303b)에 커플링될 수 있다. 임의의 적합한 조합의 상기 관능기는 각각의 전극의 임의의 적합한 조합의 상부면 또는 수직면에 부착될 수 있다. 나노입자(320b), 관능기(311b), 및 관능기(312b)는 제1 전극(302b)과 제2 전극(303b) 사이의 공간에 걸쳐 있을 수 있다. 관능기(311b)는 임의의 적합한 조합의 결합을 포함할 수 있다. 관능기(312b)는 임의의 적합한 조합의 결합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 관능기(311b) 및 관능기(312b) 각각은, 서로 독립적으로, 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 쌍극자-쌍극자 결합, 런던 분산력, 및 이의 임의의 적합한 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 결합을 포함할 수 있다. 도 3c에 나타난 예에서, 관능기(311b 및 312b)는 나노입자(320)와 각각의 전극 사이에 간접 결합을 제공한다. 예를 들어, 나노입자(320b)는 각각의 기(구체적으로 예시되지 않음)를 통해 나노입자의 물질에 부착되는 제1 올리고뉴클레오티드(예컨대, DNA)를 포함하는 관능기를 포함하고, 제1 전극(302b) 및 제2 전극(303b)은 제1 올리고뉴클레오티드에 혼성화되어 있는 제2 올리고뉴클레오티드(예컨대, DNA)에 부착되어, 일부 예에서 전극에 나노입자(320b)를 커플링시켜, 전극 사이에 전기 전도성 브릿지를 형성한다.

도 3c에 예시된 나노입자(320b)는 임의의 적합한 조성을 가질 수 있다. 일부 예에서, 나노입자(320b)는 무기물이다. 무기 물질을 포함하여, 나노입자에서 사용하기에 적합한 물질의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다. 일부 예에서 나노입자(320b)는 관능기를 통해 제1 전극(302b)과 제2 전극(303b) 사이의 나노입자(320b)를 통해 전류가 통과하도록 전기 전도성일 수 있다. 본 발명의 입자에서 사용하기에 적합한 전기 전도성 물질의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다. 일부 예에서, 전극(302b, 303b) 사이의 전기 전도성은 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 조절될 수 있다.

도 3d에 나타난 예에서, 장치(300c)는 제1 전극(302c), 제2 전극(303c), 링커(330c)에 의해 함께 커플링된 나노입자의 쌍(320c, 321c), 및 폴리머라아제 - 본원에 다른 곳에 기재된 것과 유사한 방식으로 나노입자(320)에 결합됨 -를 포함한다(폴리머라아제는 도 3b에 구체적으로 도시되지 않음). 이러한 예에서, 기재(301c)는 제1 전극(302c) 및 제2 전극(303c)을 지지할 수 있다. 제1 전극(302c) 및 제2 전극(303c)은 공간에 의해, 예를 들어 길이 L의 공간에 의해 서로 분리될 수 있고, 예를 들어 도 1a를 참조로 보다 상세히 기재된 것과 같은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 도 3d에 예시된 예에서, 도 1a를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 나노입자 쌍(320c, 321c)은 제1 전극(302c)과 제2 전극(303c) 사이의 공간 내에, 적어도 부분적으로 배치되고, 일부 예에서, 완전히 배치된다. 즉, 나노입자 쌍(320c, 321c)은 기재(301c) 위 임의의 적합한 높이를 가질 수 있고, 도 1a 및 도 1b를 참조로 예시된 것과 같은 임의의 적합한 직경을 가질 수 있다. 도 3d에 구체적으로 예시된 예에서, 나노입자(320c)는 전극(302c, 303c) 사이의 공간 길이의 40% 미만의 직경을 가질 수 있고, 나노입자(321c)는 전극(302c, 303c) 사이의 공간 길이의 40% 미만의 직경을 가질 수 있어, 나노입자(320c 및 320d) 및 링커(330c)는 전극 사이의 공간 내에 맞춰질 수 있다.

나노입자(320c)는 제1 복수의 결합(311c)을 통해 제1 전극(302c)에 커플링될 수 있고, 나노입자(321c)는 제2 복수의 결합(312c)을 통해 제2 전극(303c)에 커플링될 수 있다. 임의의 적합한 조합의 상기 결합은 각각의 전극의 임의의 적합한 조합의 상부면 또는 수직면에 부착될 수 있다. 나노입자(320c)는 하나 이상의 관능기를 포함할 수 있는 링커(330c)를 통해 나노입자(321c)에 연결될 수 있다. 나노입자(320c), 나노입자(321c), 결합(311c), 결합(312c) 및 링커(330c)는 제1 전극(302c)과 제2 전극(303c) 사이의 공간에 걸쳐 있을 수 있다. 결합(311c)은 임의의 적합한 결합 또는 결합의 조합을 포함할 수 있다. 결합(312c)은 임의의 적합한 결합 또는 결합의 조합을 포함할 수 있다. 링커(330c)는 임의의 적합한 결합 또는 결합의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합(311c), 결합(312c), 및 링커(330c) 각각은, 서로 독립적으로, 공유 결합, 수소 결합, 이온 결합, 쌍극자-쌍극자 결합, 런던 분산력, 및 이의 임의의 적합한 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 결합을 포함할 수 있다. 도 3d에 나타난 예에서, 결합(311c)은 나노입자(320c)와 전극(302c) 사이에 직접 결합되거나 이를 포함하고; 결합(312c)은 나노입자(321c)와 전극(303c) 사이에 직접 결합되거나 이를 포함하고; 링커(330c)는 나노입자(320c)와 나노입자(321c) 사이에 간접 결합을 포함한다. 예를 들어, 도 3d에서, 나노입자(320c)는 각각의 기(구체적으로 예시되지 않음)를 통해 나노입자의 물질에 부착되는 하나 이상의 제1 올리고뉴클레오티드(예컨대, DNA)를 포함하는 하나 이상의 관능기에 커플링되고, 나노입자(321c)는 각각의 기(구체적으로 예시되지 않음)를 통해 나노입자의 물질에 부착되는 하나 이상의 제2 올리고뉴클레오티드(예컨대, DNA)를 포함하는 하나 이상의 관능기에 커플링된다. 하나 이상의 제2 올리고뉴클레오티드는 일부 예에서 링커(330c)를 통해 나노입자(320b)를 나노입자(321c)에 커플링시켜, 전극들 사이에 전기 전도성 브릿지를 형성하도록 하나 이상의 제1 올리고뉴클레오티드에 혼성화된다.

도 3d에 예시된 나노입자(320c, 321c)는 임의의 적합한 조성을 가질 수 있다. 일부 예에서, 나노입자(320c, 321c)는 무기물이다. 무기 물질을 포함하여, 나노입자에서 사용하기에 적합한 물질의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다. 일부 예에서 나노입자(320c, 321c)는 제1 전극(302c)과 제2 전극(303c) 사이에 나노입자(320c 및 321c)를 통해 전류가 통과하도록 전기 전도성일 수 있다. 본 발명의 입자에서 사용하기에 적합한 전기 전도성 물질의 예는 본원에 다른 부분에 제공된다. 일부 예에서, 전극(302c, 303c) 사이의 전기 전도성은 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 조절될 수 있다.

일 비제한적인 예에서, 금 나노입자(320c, 321c) 및 DNA 링커(330c)는 덤벨형 복합체를 형성하여 나노입자-분자 연결 장치(300c)를 제공한다. 덤벨형 복합체는 DNA 링커(330c) 상의 반응성 기를 통해 폴리머라아제(명백히 예시되지 않음)에 결합될 수 있다(예를 들어, 폴리머라아제에 커플링된 비오틴에 결합하기 위한 스트렙타비딘). 복합체는 본원의 다른 곳에서 보다 상세히 기재된 것과 같은 수동 또는 능동 작동을 사용하여 전극(302c, 303c) 사이의 공간 내에 국소화될 수 있다. 이와 같은 전략은 장치(300c)의 복합성이 대부분 용액에서 제조되도록 한다. 금 나노입자(320c, 321c)는 금이거나 금을 포함할 수도 있는 전극(302c, 303c)에 직접 접촉될 수 있고, 직접 결합할 수 있고, 이에 관하여 나노입자는 전극 그 자체의 확장으로 작용할 수 있다.

본원에 예시된 것과 같은 장치는 임의의 적합한 작업을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 도 1, 도 2, 또는 도 3a 내지 도 3d의 장치의 제조 방법(400)의 예시 작업 흐름을 예시한다. 방법(400)은 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극 상에 용액을 침착시키는 단계를 포함한다(작업 410). 용액은 액체 중 입자를 포함할 수 있고, 각 입자는 각각의 폴리머라아제에 커플링된다. 예를 들어, 도 5는 도 4의 방법에서 예시 작업을 개략적으로 예시하고, 여기서 폴리머라아제(505)에 커플링된 복수의 입자(520)를 포함하는 용액(570)은 기재(501)에 의해 지지될 수 있는 제1 전극(502) 및 제2 전극(503) 상에 침착된다. 일 비제한적인 예에서, 도 3a에 예시된 나노입자(320)는 반응성 표면 기(예를 들어, 스트렙타비딘)를 포함하고, 예를 들어, 비오틴-스트렙타비딘 결합을 통해 폴리머라아제(305)에 결합된다. 나노입자-폴리머라아제 듀플렉스(320, 305)는 적합한 용액에 현탁되고, 전극(302, 303) 상에서 침착된다.

도 4에 예시된 방법(400)은 하나의 입자를 용액으로부터 제1 전극 및 제2 전극에 인접한 공간으로 이동시키는 것(작업 420)을 포함한다. 예를 들어, 도 5에 예시된 작업에서, 하나의 입자(520)(이에 부착된 폴리머라아제(105))는 제1 전극(502) 및 제2 전극(503)에 인접한 공간으로, 예를 들어 하나 또는 둘 모두의 제1 전극(502)과 제2 전극(503) 사이의 공간 및 위의 공간으로 용액(570)을 통해 이동된다. 일부 예에서, 상기 이동(큰 화살표로 나타남)은 확산-기반일 수 있고, 예를 들어 중력 및 브라운 운동의 적어도 임의의 적합한 조합을 사용하여 용액(570)을 통해 입자(520)의 확산 번역 운반으로부터 유도될 수 있다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 일부 예에서 상기 이동은, 예를 들어 적어도 입자와 전극 사이의 표면 상호작용을 사용하여, 단일 입자가 전극들 사이의 공간 내에 또는 당해 공간에 인접하게 포획되는 "수동" 흡착을 포함할 수 있다. 상기 표면 상호작용은 이와 같은 형태에서 최대화될 수 있다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 상기 이동은 자기 또는 유전영동 포획에 의해 구동될 수 있으며, 이는 본원에서 "능동" 흡착으로도 지칭될 수 있다. 유전영동 포획에서, 직류(DC) 또는 교류(AC) 전기적 바이어스가 전극을 가로질러 인가되어 전극들 사이의 공간 내 또는 공간에 인접한 단일 입자를 포획하는 것을 가속화한다.

예를 들어, 입자(520)가 도 2를 참조로 기재된 것과 같은 3차 중합체 구조를 포함하는 구성에서, 유전영동 포획은 전극에 인접한 공간으로 하나의 입자의 이동을 가속화하기 위해 사용될 수 있다. 또는, 예를 들어, 입자(520)가 도 3a 내지 3d를 참조로 기재된 것과 같은 나노입자를 포함하는 구성에서, 유전영동 포획은 전극에 인접한 공간으로 하나의 상기 입자들을 이동시키기 위해 사용될 수 있다.

자기 포획의 일부 예에서, 입자는 자성 또는 강자성 물질을 포함할 수 있고, 자기장을 인가함으로써 각각의 장치 내에서 국소화될 수 있다. 예를 들어, 도 13은 입자를 자기적으로 끌어당기는 예시 장치를 개략적으로 예시한다. 장치(1300)는 제1 전극(1302), 제2 전극(1303), 입자(1320), 제1 포획 전극(1380), 및 제2 포획 전극(1381)을 포함한다. 제1 전극(1302) 및 제2 전극(1303)은 도 1a 및 도 1b를 참조로 기재된 제1 전극(102) 및 제2 전극(103)과 유사하게 구성될 수 있다. 입자(1320)는 자성 또는 강자성 물질을 포함할 수 있다. 제1 포획 전극(1380) 및 제2 포획 전극(1381)은 제1 전극(1302) 및 제2 전극(1303)에 직각으로 배열될 수 있고, 제어 회로에 커플링되어 상기 전극을 가로질러 바이어스를 인가할 수 있으며, 이는 입자(1320)를 제1 포획 전극(1380)과 제2 포획 전극(1381) 사이의 공간에, 또 그럼에 따라 제1 전극(1302)과 제2 전극(1303) 사이의 공간에 자기적으로 끌어당기기에 적합하다.

다시 도 4를 참조하면, 방법(400)은 제1 전극 및 제2 전극에 하나의 입자를 결합시키는 것을 포함한다(작업 430). 결합 단계는 제1 전극과 하나의 입자 사이에 제1 복수의 결합을 형성하는 단계, 및 제2 전극과 하나의 입자 사이에 제2 복수의 결합을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 결합 단계는 도 1a를 참조로 기재된 장치(100) 또는 도 1b를 참조로 기재된 장치(100')의 형성을 유도할 수 있으며, 이들은 도 2를 참조로 기재된 장치(200), 도 3a를 참조로 기재된 장치(300), 도 3b를 참조로 기재된 장치(300a), 도 3c를 참조로 기재된 장치(300b), 또는 도 3d를 참조로 기재된 장치(300c) 중 임의의 것으로 예시될 수 있다. 결합은 관능기와 같은 중간체 구조(들)를 통해 직접적이거나 간접적일 수 있다.

도 4에 예시된 방법(400)의 작업(420 및 430) 동안에, 제1 전극 및 제2 전극에 인접한 공간으로 이동되는 입자는 제1 전극 및 제2 전극에 인접한 공간으로부터 다른 입자를 입체적으로 배제할 수 있다는 것을 유의한다. 예를 들어, 도 5에 예시된 바와 같이, 입자(520)는 제1 전극(502)과 제2 전극(503) 사이의 공간에 비해 충분히 크기 때문에 제1 전극 및 제2 전극에 인접한 공간으로부터 다른 입자를 배제할 수 있다. 예를 들어, 입자(520)는 전극들 사이의 공간 길이 L의 약 10% 이상인 직경을 가질 수 있다. 이와 같이, 상기 전극들 사이 또는 상기 전극 위의 공간에서 하나 초과의 상기 입자에 대해 공간이 불충분할 수 있다. 상기 배제는 대안적으로 기하학적 배제로서 지칭될 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조로 기재된 것과 같은 용액-기반 입자 침착 방법을 사용하는 것은 다수 장치를 서로 병렬로 용이하게 제작할 수 있도록 한다. 예를 들어, 도 6a 및 도 6b는 도 1, 도 2, 또는 도 3a 내지 도 3d의 복수의 장치를 포함하는 예시 장치 어레이를 개략적으로 예시한다. 도 6a의 평면도로 예시된 어레이(600)는 도 1a를 참조로 기재된 장치(100) 또는 도 1b를 참조로 기재된 장치(100')와 유사하게 구성된 복수의 장치를 포함하며, 이들은 도 2를 참조로 기재된 장치(200), 도 3a를 참조로 기재된 장치(300), 도 3b를 참조로 기재된 장치(300a), 도 3c를 참조로 기재된 장치(300b), 또는 도 3d를 참조로 기재된 장치(300c) 중 임의의 것으로서 예시될 수 있다. 예를 들어, 어레이(600) 장치는 제1 전극(602), 제2 전극(603), 단일 입자(620), 및 폴리머라아제 - 일반 기재(601) 상에 배치된 입자에 커플링됨 - 를 포함할 수 있다(폴리머라아제는 도 6a에 구체적으로 도시되지 않음). 이러한 예에서, 각각의 장치의 전극(602 및 603) 사이의 공간은 실질적으로 서로 동일할 수 있고, 입자(620)는 실질적으로 서로 동일한 크기를 가질 수 있고, 복수의 결합을 통해 각각의 전극에 직접적으로 또는 간접적으로 유사하게 결합될 수 있다.

그러나, 실제 처리 변동(processing variation)으로 인해 입자(620)는 크기 분포를 가질 수 있음이 이해되어야 한다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 실제 처리 변동으로 인해 전극(602, 603)의 크기 및 간격, 특히 보다 작은 전극 및 보다 작은 간격의 경우 분포를 가질 수 있다. 예를 들어, 약 100 nm 이하의 간격을 갖는 "나노전극"의 경우, 상이한 전극 쌍의 전극들 사이의 간격은 심지어 일반 제조 공정 내에서도 약 10% 이상, 약 20% 이상, 또는 심지어 약 30% 이상으로 가변적일 수 있다.

본 발명의 입자-기반 브릿지는 도 6b에 예시된 것과 같이 불규칙한 전극 크기 및 간격과 입자 크기 변화를 가질 수 있는 어레이의 제작을 위한 특정 효율성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 6b에 예시된 어레이(600')는 일반 기재(601) 상에 배치된, 상대적으로 큰 간격을 갖는 일부 전극 쌍(602, 603), 상대적으로 작은 간격을 갖는 일부 전극 쌍(602, 603), 및 또한 사이에 간격을 갖는 다른 쌍(602, 603)을 포함한다. 상기 전극 크기와 간격 변화는 예를 들어 제조 변화로부터 유도될 수 있다. 도 6b에 예시된 어레이(600')는 상대적으로 큰 일부 입자(620), 상대적으로 작은 일부 입자(620), 및 사이에 크기를 갖는 일부 입자(620)를 포함한다. 상기 입자 크기 변화는 예를 들어 제조 변화로부터 유도될 수 있다. 입자 크기 및 전극들 사이 간격 변화는 장치가 정확히 하나의 입자를 포함하는 어레이의 제작을 상승적으로 허용할 수 있다. 예를 들어, 보다 큰 입자는 보다 큰 간격을 갖는 전극 쌍으로부터 다른 입자를 입체적으로 배제할 수 있지만, 상기 입자 그 자체는 이들의 크기로 인해, 보다 작은 간격을 갖는 전극 쌍으로부터 입체적으로 배제될 수 있다. 보다 작은 입자는 보다 작은 간격을 갖는 전극 쌍으로부터 다른 입자를 입체적으로 배제할 수 있고, 다른 보다 큰 입자를 사용하여 보다 큰 간격을 갖는 전극 쌍으로부터 입체적으로 배제될 수 있다. 대조적으로, 모든 입자가 동일한 크기를 갖는 경우, 전극 간격 변화가 얼마나 큰지에 따라 입자를 수용하기에 너무 작거나, 입체적 배제가 적용되지 않아 잠재적으로 전극들 사이에 여러 입자를 허용할 만큼 충분히 큰 일부 전극 쌍이 있을 수 있다.

도 7은 도 6a 및 도 6b의 장치 어레이의 제조 방법(700)의 예시 작업 흐름을 예시한다. 방법(700)은 기재 상에 배치된 복수의 전극 쌍을 갖는 기재 상에 용액을 침착하는 것을 포함한다(작업 710). 각 전극 쌍의 전극은 각각의 공간에 의해 서로 분리될 수 있다. 용액은 액체 중 입자를 포함할 수 있고, 각 입자는 각각의 폴리머라아제에 커플링된다. 작업(710) 도중 적용된 용액이 폴리머라아제에 이미 커플링되어 있는 입자를 포함하기 때문에, 용액은 입자가 전극에 결합되기 전에, 예를 들어 입자와 폴리머라아제 사이의 적절한 커플링을 확인하고, 폴리머라아제의 활성을 확인하고, 적절할 수 있는 임의의 교정 작용을 받도록, 적절한 품질 관리에 적용될 수 있음을 유의한다. 이와 같이, 용액은 상대적으로 높은 수율의 각각의 입자에 정확히 커플링되어 있는 관능성 폴리머라아제를 가질 수 있고, 이에 따라, 어레이 장치는 상대적으로 높은 수율로 제조될 수 있다. 다른 예에서, 입자는 대신 입자에 폴리머라아제를 커플링시키기 전에 전극에 결합된다.

도 7에 예시된 방법(700)은 하나의 입자를 용액으로부터 제1 전극 및 제2 전극에 인접한 공간으로 이동시키는 것(작업 720)을 포함한다. 작업(720)은 도 4 내지 5를 참조로 기재된 것과 같은 이동 방법을 포함할 수 있고, 예를 들어 임의의 적합한 조합의 하나 이상의 확산-기반 이동, 수동 흡착, 유전영동 포획, 및 자기성 포획을 포함할 수 있다.

다시 도 7을 참조로 하면, 방법(700)은 각 전극 쌍의 전극에 하나의 입자를 결합하는 것을 포함하고, 대다수의 전극 쌍은 정확히 하나의 입자에 각각 결합된다(작업 730). 결합 단계는 도 4의 작업(430)을 참조로 기재된 것과 유사한 방식으로, 전극 쌍의 제1 전극과 하나의 입자 사이에 제1 복수의 결합을 형성하는 단계, 및 전극 쌍의 제2 전극과 하나의 입자 사이에 제2 복수의 결합을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 결합은 관능기와 같은 중간체 구조(들)를 통해 직접적이거나 간접적일 수 있다. 상기 결합 단계는 도 1a를 참조로 기재된 장치(100) 어레이 또는 도 1b를 참조로 기재된 장치(100') 어레이의 형성을 유도할 수 있으며, 이들은 도 2를 참조로 기재된 장치(200), 도 3a를 참조로 기재된 장치(300), 도 3b를 참조로 기재된 장치(300a), 도 3c를 참조로 기재된 장치(300b), 또는 도 3d를 참조로 기재된 장치(300c) 중 임의의 것으로 예시될 수 있다. 도 4에 예시된 방법(400)의 작업(420 및 430)을 참조로 기재된 것과 유사하게, 방법(700) 도중, 전극 쌍에 인접한 공간으로 이동하는 입자 각각은 전극 쌍의 전극에 인접한 공간으로부터 다른 입자를 입체적으로 배제할 수 있다. 도 6a 및 도 6b를 참조로 기재된 것에 따라, 심지어 전극 쌍의 전극들 사이의 간격 변동이 있다고 하더라도, 본 발명의 입자 각각은 상기 입자를 위해 적절한 간격의 전극 쌍으로 상승적으로 이동시키고 - 이로부터 다른 입자를 입체적으로 배제할 수 있다.

대조적으로, 입체적 배제 또는 전극 쌍에 하나 초과의 입자가 결합하는 것을 억제하는 다른 방식이 존재하지 않는 한계에서, 어레이 장치는 각각의 장치의 전극들 사이에 다중 브릿지를 포함할 수 있고, 각각의 장치의 전극 사이에 상이한 수의 브릿지를 포함할 수 있다. 이와 같은 한계에서, 장치당 브릿지 분포는 푸아송 분포를 따를 수 있다. 이와 같은 장치 구성의 분포는 사용가능한 장치의 낮은 수율을 유도할 수 있고, 예를 들어 서열에 추가되는 뉴클레오티드에 커플링되어 있는 표지보다는 브릿지간 차이로부터 유도된 전기 전도성의 변화를 유발할 수 있다. 이에 관하여, 본 발명의 입자는 장치 제작의 서브-푸아송 분포를 제공할 수 있고, 예를 들어 각각의 전극 쌍에 결합된 정확히 하나의 입자를 갖는 대다수의 장치, 예를 들어 약 50% 초과, 예를 들어 약 60% 초과, 약 70% 초과, 약 80% 초과, 약 90% 초과, 약 95% 초과, 또는 심지어 약 100%의 각각의 전극 쌍에 결합된 정확히 하나의 입자를 갖는 장치를 제공할 수 있다. 도 6a 내지 6b에 예시된 어레이에서 제안된 것과 같이, 때때로 입자가 없는 장치가 제작되더라도, 적어도 본 발명의 입자를 사용하여 사용 가능한 장치의 수율은 푸아송 분포가 제작을 통제하는 장치보다 유의하게 높을 것으로 예측될 수 있다.

본 발명의 장치는 임의의 적합한 목적을 위해 사용될 수 있다. 하기 제공된 실시예가 폴리뉴클레오티드 시퀀싱을 위한 본 발명의 장치의 사용을 설명하고 있지만, 상기 장치는 이에 따라 제한되지 않음이 이해되어야 한다.

도 8a 및 도 8b는 전극들 사이에 입자-기반 브릿지를 포함하는 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱을 위한 예시 조성물을 개략적으로 예시한다. 이제 도 8a를 참조하면, 조성물(800)은 기재(801), 제1 전극(802), 제2 전극(803), 폴리머라아제(804), 입자(820), 뉴클레오티드(821, 822, 823, 및 824), 상기 뉴클레오티드에 각각 커플링된 표지(831, 832, 833, 및 834), 제1 폴리뉴클레오티드(840), 제2 폴리뉴클레오티드(850), 및 검출 회로(860)를 포함한다. 일부 예에서, 폴리머라아제(805)는 당업계에 알려진 것과 같은 방식으로 링커(806)를 통해 입자(820)에 커플링될 수 있다. 도 8a 및 도 8b에 예시된 예에서, 조성물(800)의 성분은 뉴클레오티드(821, 822, 823, 및 824)(관련 표지 포함), 폴리뉴클레오티드(840, 850), 및 적합한 시약이 수반될 수 있는 유체(820)로 채워진 플로우 셀(예를 들어, 벽(861, 862, 862)을 가짐) 내에 동봉될 수 있다.

기재(801)는 제1 전극(802) 및 제2 전극(803)을 지지할 수 있다. 제1 전극(802) 및 제2 전극(803)은 공간에 의해, 예를 들어 도 1a 내지 도 1b를 참조로 기재된 것과 같은 치수를 가질 수 있는, 도 8a에 나타난 바와 같은 길이 L의 공간에 의해 서로 분리될 수 있다. 입자(820)는 관능기(811)를 포함하는 제1 복수의 결합을 통해 제1 전극(802)에 결합될 수 있고, 관능기(812)를 포함하는 제2 복수의 결합을 통해 제2 전극(803)에 결합될 수 있고, 따라서 제1 전극(802)과 제2 전극(803) 사이에 간격에 걸쳐 있는 브릿지를 형성할 수 있다. 입자(820), 전극(802, 803) 및 관능기(811, 812)를 포함하는 결합에 대한 비제한적인 예시 구성은 본원의 다른 곳, 예를 들어 도 1a 및 도 1b, 도 2, 및 도 3a 내지 도 3d를 참조로 제공되어 있다.

도 8b를 참조로 하기에 보다 상세히 설명된 것과 같이, 본 실시예에서, 표지(831, 832, 833, 및 834) 각각은 전극(802, 803) 사이의 전기 전도성을 조절하는 방식으로 관능기(811, 812) 중 하나 이상에 혼성화될 수 있으며, 이에 따라 상응하는 뉴클레오티드(821, 822, 823, 및 824)의 유사성이 조절될 수 있다. 예를 들어, 입자(820) 및 관능기(811, 812)는 적어도 일부의 제1 전극(802)과 제2 전극(803) 사이에 전기 전도성 브릿지를 형성할 수 있고, 표지(831, 832, 833, 및 834)는 하나 이상의 관능기에의 혼성화를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경할 수 있다. 다른 예에서, 입자는 도 3d를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 링커에 의해 서로 커플링된 나노입자의 쌍을 포함하고, 표지(831, 832, 833, 및 834)는 링커에의 혼성화를 통해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경할 수 있다.

예를 들어, 도 8a에 예시된 조성물(800)은 상응하는 표지에 커플링된 임의의 적합한 개수의 뉴클레오티드, 예를 들어 하나 이상의 뉴클레오티드, 둘 이상의 뉴클레오티드, 셋 이상의 뉴클레오티드, 네 개의 뉴클레오티드, 또는 다섯 이상의 뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 뉴클레오티드(821)(예시적으로, G)는 일부 예에서 링커(835)를 통해 상응하는 표지(831)에 커플링될 수 있다. 뉴클레오티드(822)(예시적으로, T)는 일부 예에서 링커(836)를 통해 상응하는 표지(832)에 커플링될 수 있다. 뉴클레오티드(823)(예시적으로, A)는 일부 예에서 링커(836)를 통해 상응하는 표지(833)에 커플링될 수 있다. 뉴클레오티드(824)(예시적으로, C)는 일부 예에서 링커(837)를 통해 상응하는 표지(834)에 커플링될 수 있다. 일부 예에서 표지와 동일하거나 상이한 중합체를 포함할 수 있는 링커를 통한 뉴클레오티드와 표지 사이의 커플링은 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법을 사용하여 제공될 수 있다. 표지(831, 832, 833, 및 834)는 서로 동일한 유형의 중합체를 포함할 수 있지만, 적어도 하나의 측면에서 서로 상이할 수 있고, 예를 들어 서로 상이한 순서의 단량체 단위를 가질 수 있다. 일부 예에서, 표지(831, 832, 833, 및 834)는 일부 예에서 관능기(811, 812)에서와 동일한 유형의 중합체를 포함할 수 있다. 도 8b를 참조로 보다 상세히 기재된 것과 같은 방식으로, 각각의 표지(831, 832, 833, 및 834) 내의 단량체 단위의 순서는 각각 하나 이상의 관능기(811, 812)와 상기 표지가 혼성화될 때 입자(820)를 통해 구별가능한 전류를 생성하는 것을 촉진하도록 선택될 수 있다.

도 8a에 예시된 조성물(800)은 제1 폴리뉴클레오티드(840) 및 제2 폴리뉴클레오티드(850), 및 적어도 하나의 제2 폴리뉴클레오티드(850)의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드(840)에 복수의 뉴클레오티드(821, 822, 823, 및 824) 중 뉴클레오티드를 부가하기 위한 폴리머라아제(805)를 포함한다. 상기 뉴클레오티드에 상응하는 표지(831, 832, 833, 및 834) 각각은 도 8b를 참조로 하기에 보다 상세히 기재된 것과 같은 방식으로 하나 이상의 관능기(811, 812)에 혼성화될 수 있다. 검출 회로(860)는 폴리머라아제(805) 각각이 적어도 입자(820)를 통한 전류의 변화를 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드(840)에 뉴클레오티드(821, 822, 823, 및 824)(반드시 이 순서일 필요는 없음)를 부가하는 서열을 검출하기 위한 것이며, 상기 변화는 하나 이상의 관능기(811)와 상기 뉴클레오티드에 상응하는 표지(831, 832, 833, 및 834) 사이의 혼성화에 대한 반응이다. 예를 들어, 검출 회로(860)는 제1 전극(802) 및 제2 전극(803)을 가로질러 전압을 인가할 수 있고, 예를 들어 트랜스암피던스(transampedance) 증폭 회로의 사용을 통해 상기 전압에 반응하여 입자(820)를 통해 흐르는 임의의 전류를 검출할 수 있다. 도 8a에 예시된 특정 시점에서, 표지(831, 832, 833, 및 834) 중 어느 것도 임의의 관능기(811, 812)에 혼성화되지 않고, 이에 따라 상대적으로 낮은 전류가 입자(820)를 통해 흐를 수 있다(또는 전류 없음). 뉴클레오티드(821, 822, 823, 824)가 유체(820)를 통해 자유롭게 확산할 수 있고, 각각의 표지(831, 832, 833, 834)가 상기 확산의 결과로서 하나 이상의 관능기(811, 812)에 간략히 혼성화될 수 있지만, 표지는 신속히 탈혼성화되어, 입자(820)의 전기 전도성에 대한 임의의 결과적인 변화는 너무 짧아서 감지할 수 없거나, 제1 폴리뉴클레오티드(840)에 뉴클레오티드를 부가하는 것에 해당하지 않는 것으로 명확하게 식별될 수 있을 것으로 예측된다.

대조적으로, 도 8b는 폴리머라아제(805)가 적어도 제2 폴리뉴클레오티드(850)의 서열을 사용하여(예를 들어, 상기 서열의 C에 상보적이 되도록) 제1 폴리뉴클레오티드(840)에 뉴클레오티드(821)(예시적으로, G)를 부가하는 시점을 예시한다. 표지(831)가 부착되는(일부 예에서, 링커(837)를 통해) 뉴클레오티드(821)에서 폴리머라아제(805)가 작용하기 때문에, 상기 작용은 검출 회로(860)를 사용하여 검출될 수 있을 정도로 입자(820)의 전기 전도성의 충분히 긴 변화를 야기하여, 제1 폴리뉴클레오티드(840)에 부가되는 뉴클레오티드(821)의 식별을 허용하도록 적어도 하나의 관능기(811)와의 혼성화를 유지하기 위한 충분한 시간 동안 상기 관능기(811)에 충분하게 근접한 위치에서 표지(831)를 유지한다. 예를 들어, 표지(831)는, 관능기(811)에 혼성화될 때, 다른 뉴클레오티드 중 하나에 비해, 검출 회로(860)가 부가된 뉴클레오티드를 821(예시적으로, G)로서 단독으로 식별할 수 있도록 하는 전기 전도성을 갖는 브릿지를 부여하는 특성을 가질 수 있다. 유사하게, 표지(832)는, 관능기(811)에 혼성화될 때, 다른 뉴클레오티드 중 하나에 비해, 검출 회로(860)가 부가된 뉴클레오티드를 822(예시적으로, T)로서 단독으로 식별할 수 있도록 하는 전기 전도성을 갖는 브릿지를 부여하는 특성을 가질 수 있다. 유사하게, 표지(833)는, 관능기(811)에 혼성화될 때, 다른 뉴클레오티드 중 하나에 비해, 검출 회로(860)가 부가된 뉴클레오티드를 823(예시적으로, C)으로서 단독으로 식별할 수 있도록 하는 전기 전도성을 갖는 브릿지를 부여하는 특성을 가질 수 있다. 유사하게, 표지(834)는, 관능기(811)에 혼성화될 때, 다른 뉴클레오티드 중 하나에 비해, 검출 회로(860)가 부가된 뉴클레오티드를 824(예시적으로, C)로서 단독으로 식별할 수 있도록 하는 전기 전도성을 갖는 브릿지를 부여하는 특성을 가질 수 있다.

일 비제한적인 예에서, 표지(831, 832, 833, 834)는 서로 적어도 부분적으로 상이한 서열을 갖는 각각의 올리고뉴클레오티드를 포함하고, 적어도 하나의 관능기(811)는 일부 예에서 상기 올리고뉴클레오티드와 동일한 길이를 가져, 상기 관능기(811)에 대한 표지의 혼성화가 입자(820)의 길이에 따라 완전 이중 가닥 폴리뉴클레오티드를 제공하도록 하는 폴리뉴클레오티드(예를 들어, 도 3b 내지 3d를 참조로 기재된 것과 같음)를 포함한다. 표지의 각각의 올리고뉴클레오티드 서열은 상기 관능기(811)의 폴리뉴클레오티드의 서열과 상이하게 혼성화될 수 있다. 예를 들어, 표지(831) 내의 하나 이상의 단량체는 서로 동일하거나 상이한 뉴클레오티드일 수 있다. 다른 표지의 제1 및 제2 시그널 단량체는 다른 표지의 상응하는 단량체와 서열 또는 유형, 또는 둘 모두가 상이한 뉴클레오티드일 수 있어, 각각의 표지(831, 832, 833, 834)는 고유한 순서의 상응하는 단량체를 갖는다. 각 표지에 대한 상기 단량체와 상기 관능기(811)의 폴리뉴클레오티드 사이의 각각의 혼성화는 입자(820)를 통해 특정 전류를 제공할 수 있다. 예를 들어, 표지(831)는 제1 수준으로 브릿지의 전기 전도성을 조절하도록 혼성화되는 특정 염기 쌍을 갖는 서열을 가질 수 있고; 표지(832)는 제1 수준과 상이한 제2 수준으로 브릿지의 전기 전도성을 조절하도록 혼성화되는 특정 염기 쌍을 갖는 서열을 가질 수 있고; 표지(833)는 제1 수준 및 제2 수준과 상이한 제3 수준으로 브릿지의 전기 전도성을 조절하도록 혼성화되는 특정 염기 쌍을 갖는 서열을 가질 수 있고; 표지(834)는 제1 수준, 및 제2 수준, 및 제3 수준과 상이한 제4 수준으로 브릿지의 전기 전도성을 조절하도록 혼성화되는 특정 염기 쌍을 갖는 서열을 가질 수 있다.

표지가 혼성화되는 관능기(811)는, 상이한 표지로부터 생성된 전류가 검출되는 것과 서로 구별되는 것을 가능하게 하도록, 단량체 단위(예를 들어 뉴클레오티드)의 임의의 적합한 조합, 순서, 및 유형을 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 유사하게, 표지(831, 832, 833, 및 834) 각각은 상이한 표지로부터의 전류가 검출되는 것과 서로 구별되는 것을 가능하게 하도록, 단량체 단위(예를 들어, 뉴클레오티드)의 임의의 적합한 조합, 순서, 및 유형을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 하나 이상의 다른 관능기(811, 812)(그리고 일부 예에서, 모든 다른 관능기(811, 812))는 표지에의 혼성화를 억제하기 위해 선택된 단량체 단위의 상이한 조합, 순서, 및 유형을 가질 수 있으므로, 표지가 상기 다른 관능기(811, 812)에 혼성화되지 않는다.

전극들 사이 브릿지 그리고 뉴클레오티드에 커플링된 표지 내에 포함된 성분은 본원에 예시된 것과 같은 임의의 적합한 물질(들)을 포함할 수 있다. 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 것과 같은 특정한 예에서, 이들 물질은 폴리뉴클레오티드와 같은 중합체를 포함할 수 있다. 도 9a 및 도 9b는 전극들 사이에 입자-기반 브릿지를 포함하는 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱을 위한 다른 예시 조성물을 개략적으로 예시한다. 도 9a는 전기적으로 비전도성인 입자-기반 브릿지를 포함하는 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱을 위한 예시 조성물(900)을 개략적으로 예시한다. 도 9a에 나타난 예에서, 조성물(900)은 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 조성물(800)과 유사하게 구성될 수 있으며, 예를 들어 제1 전극(902), 제2 전극(903), 폴리머라아제(905), 및 입자(920)를 포함하되, 입자는 제1 복수의 결합(911)을 통해 제1 전극(902)에 직접 결합되거나 관능기를 통해 간접 결합되고, 제2 복수의 결합(912)을 통해 제2 전극(903)에 직접 결합되거나 관능기를 통해 간접 결합된다. 폴리머라아제(905)는 링커를 통해 입자(920)에 커플링될 수 있고, 적어도 제2 폴리뉴클레오티드(950)의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드(940)에 뉴클레오티드(921)와 같은 뉴클레오티드를 부가할 수 있다. 조성물(900)은 여기서 생략된 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 것과 같은 다른 성분을 포함할 수 있다.

도 9a에 예시된 예에서, 입자(920)는 입자(920) 및 결합(911, 912)이 제1 전극(902)과 제2 전극(903) 사이의 전류를 위한 경로를 제공하지 않도록, 전기적으로 비전도성일 수 있다. 뉴클레오티드(921)에 커플링된 표지(931)는 전류가 흐르는 제1 전극(902)과 제2 전극(903) 사이에 일시적인 전기 전도성 브릿지를 형성할 수 있다. 다른 뉴클레오티드(구체적으로 도시되지 않음)의 다른 표지는 유사하게 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 것과 유사한 방식으로 서로 구별가능한 각각의 전류를 제공하는 일시적인 전기 전도성 브릿지를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 표지(그리고 일부 예에서, 서로 독립적으로 모든 표지)는 카본 도트, 전기 전도성 중합체, 파이-콘쥬게이트 소분자, 나노튜브, 풀러렌, 및 무기 나노입자로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 일부 예에서, 표지는 전극들 사이의 공간 길이보다 길 수 있다.

도 9b는 3차 중합체 구조-기반 브릿지를 포함하는 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱을 위한 예시 조성물(900')을 개략적으로 예시한다. 도 9b에 나타난 예에서, 조성물(900')은 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 조성물(800)과 유사하게 구성될 수 있고, 예를 들어 제1 전극(902), 제2 전극(903), 폴리머라아제(905), 및 올리고뉴클레오티드 표지(931')에 커플링된 뉴클레오티드(921)를 포함한다. 3차 중합체 구조(920')는 도 2를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 구성될 수 있고, 예를 들어 폴리뉴클레오티드(예컨대, DNA) 또는 폴리펩티드를 포함할 수 있다. 3차 중합체 구조(920')는 제1 복수의 결합(911)을 통해 제1 전극(902)에 직접, 또는 관능기를 통해 간접 결합될 수 있고, 제2 복수의 결합(912)을 통해 제2 전극(903)에 직접 결합되거나, 관능기를 통해 간접 결합될 수 있다. 폴리머라아제(905)는 링커를 통해 3차 중합체 구조(920')에 커플링될 수 있고, 적어도 제2 폴리뉴클레오티드(950)의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드(940)에 뉴클레오티드(921)와 같은 뉴클레오티드를 부가할 수 있다. 조성물(900')은 여기서 생략된 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 것과 같은 다른 성분을 포함할 수 있다.

도 9b에 예시된 예에서, 3차 중합체 구조(920')는 3차 중합체 구조(920') 및 결합(911, 912)(일부 예에서 관능기 포함)이 제1 전극(902)과 제2 전극(903) 사이에 전기 전도성 브릿지를 형성하도록, 전기 전도성일 수 있다. 뉴클레오티드(921)의 표지(931')는 3차 중합체 구조(920')의 일부에의 혼성화를 통해 제1 전극(902)과 제2 전극(903) 사이의 전류를 변경할 수 있다. 다른 뉴클레오티드(구체적으로 도시되지 않음)의 다른 표지는 유사하게 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 것과 유사한 방식으로 서로 구별가능한 각각의 전류를 제공하기 위해 3차 중합체 구조(920')의 일부에 혼성화할 수 있다.

도 8a 및 도 8b 및 도 9a 및 도 9b를 참조로 기재된 것과 같은 조성물은 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱을 위한 임의의 적합한 방법에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 10은 도 8a 및 도 8b 또는 도 9a 내지 도 9b의 임의의 조성물의 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱 방법(1000)에서 예시 작업 흐름을 예시한다. 도 10에 예시된 방법(1000)은 제2 폴리뉴클레오티드의 적어도 한 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에, 폴리머라아제를 사용하여, 뉴클레오티드를 부가하는 단계를 포함한다(작업(1010)). 예를 들어, 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 폴리머라아제(805)는 적어도 제2 폴리뉴클레오티드(850)의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드(840)에 각각의 뉴클레오티드(821, 822, 823, 및 824)를 부가할 수 있다. 또는, 예를 들어, 도 9a 및 도 9b를 참조로 기재된 폴리머라아제(905)는 적어도 제2 폴리뉴클레오티드의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드(921) 및 다른 뉴클레오티드를 부가할 수 있다(다른 뉴클레오티드 및 제1 및 제2 폴리뉴클레오티드는 구체적으로 도시되지 않음).

도 10에 예시된 방법(1000)은 뉴클레오티드에 각각 커플링된 표지를 사용하여, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경하는 단계를 포함할 수 있다(작업(1020)). 입자는, 제1 복수의 결합을 통해 제1 전극에 커플링될 수 있고 제2 복수의 결합을 통해 제2 전극에 커플링될 수 있다. 상기 결합은 직접적 또는 간접적일 수 있다(예를 들어, 관능기를 포함할 수 있다). 예를 들어, 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 표지(831, 832, 833, 834) 각각은 뉴클레오티드(821, 822, 823, 및 824)에 커플링될 수 있다. 폴리머라아제(805) 각각이 제1 폴리뉴클레오티드(840)에 상기 뉴클레오티드를 부가하기 때문에, 상기 뉴클레오티드 각각에 커플링된 표지는 제1 전극(802)과 제2 전극(803) 사이의 전기 전도성을 변경하기 위해 관능기(811)에 혼성화될 수 있다. 또는, 예를 들어, 도 9a를 참조로 기재된 표지(931)는 뉴클레오티드(921)에 커플링될 수 있고, 다른 표지는 다른 뉴클레오티드에 커플링될 수 있다(다른 표지 및 다른 뉴클레오티드는 구체적으로 도시되지 않음). 폴리머라아제(905) 각각이 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 뉴클레오티드를 부가하기 때문에, 상기 뉴클레오티드 각각에 커플링된 표지는 제1 전극(902)과 제2 전극(903) 사이의 일시적인 전기 전도성 브릿지를 형성할 수 있다. 또는, 예를 들어, 도 9b를 참조로 기재된 표지(931')는 뉴클레오티드(921)에 커플링될 수 있고, 다른 표지는 다른 뉴클레오티드에 커플링될 수 있다(다른 표지 및 다른 뉴클레오티드는 구체적으로 도시되지 않음). 폴리머라아제(905) 각각이 제1 폴리뉴클레오티드(940)에 상기 뉴클레오티드를 부가하기 때문에, 상기 뉴클레오티드 각각에 커플링된 표지는 3차 중합체 구조의 일부에 혼성화되어 제1 전극(902)과 제2 전극(903) 사이의 전류를 변경할 수 있다.

다시 도 10을 참조로, 방법(1000)은 상기 뉴클레오티드에 상응하는 표지를 사용하여 유발된, 적어도 브릿지를 통한 전류의 변화를 사용하여 폴리머라아제가 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드를 부가하는 서열을 검출하는 것을 포함할 수 있다(작업(1030)). 예를 들어, 도 8a 및 도 8b를 참조로 기재된 검출 회로(860)는 표지(831, 832, 833, 및 834)와 관능기(811) 사이에 각각의 혼성화에 대한 반응으로 브릿지를 통한 전류의 변경을 검출할 수 있다. 유사한 검출 회로(구체적으로 예시되지 않음)는 도 9a에 예시된 것과 같은 표지(931)(그리고 다른 유사한 표지)를 사용하여 일시적인 전기 전도성 브릿지의 형성으로부터 유도된 전류의 변경을 검출할 수 있다. 유사한 검출 회로(구체적으로 예시되지 않음)는 표지(931')(그리고 다른 유사한 표지)와 일부 3차 중합체 구조(920') 사이의 각각의 혼성화에 대한 반응으로, 도 9b에 예시된, 3차 중합체 구조(920')를 통한 전류의 변경을 검출할 수 있다.

다른 비제한적인 예에서, 도 3a에 예시된 나노입자(320)는 반응성 표면 기(예를 들어, 스트렙타비딘)를 포함하고, 예를 들어, 비오틴-스트렙타비딘 결합을 통해 폴리머라아제(305)에 결합된다. 뉴클레오티드 시약은, 표지가 전극(302, 303) 사이의 공간에 매우 근접할 때, 상기 전극들 사이에 전기 전도성(또는 전기 저항성)을 변경할 수 있는 각각의 전도성 표지를 포함하도록 변형될 수 있다. 검출 회로는 적어도 제2 폴리뉴클레오티드의 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드가 연장됨에 따라 적어도 전기 신호를 관찰하는 것을 사용하여 염기 호출(뉴클레오티드 검출)을 수행할 수 있고, 여기서 구별가능한 전기 전도성 표지에 커플링된 뉴클레오티드는 뉴클레오티드 혼입 사건 중 전기 전도성의 구별가능한 일시적 변경을 생성한다.

다른 비제한적인 예에서, 도 3b에 예시된 나노입자(320a)는 DNA 듀플렉스(311a, 312b) - 제1 전극(302a) 및 제2 전극(303a)에 나노입자를 결합시키고, DNA 듀플렉스를 통해 하나의 전극에서 다른 전극으로 전기 전도성 경로를 제공함 - 에 커플링될 수 있다. 피분석물(예컨대, 뉴클레오티드에 커플링된 표지)의 감지는 피분석물과 예를 들어 수소 결합, 혼성화, 인터칼레이션, 그루브 결합 등을 통해 DNA 듀플렉스(311a, 312b)가 커플링된 나노입자(320a) 사이의 임의의 적합한 방식의 분자 상호작용을 통해 달성될 수 있다.

다른 비제한적인 예에서, 도 3d에 예시된 금 나노입자(320c, 321c) 및 DNA 링커(330c)는 덤벨형 복합체를 형성하여 나노입자-분자 연결 장치(300c)를 제공하고, 여기서 상기 나노입자는 전극 그 자체의 연장으로서 작용할 수 있다. DNA 듀플렉스 링커는, 이의 단일-분자 성질에 의해, 예를 들어 수소 결합, 혼성화, 인터칼레이션, 그루브 결합 등을 통해 피분석물(예컨대, 뉴클레오티드에 커플링된 표지)과의 임의의 방식의 분자간 상호작용에 매우 민감할 수 있다.

도 9a 및 도 9b를 참조로 기재된 것과 같은 조성물의 성분은 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱에서의 용도에 한정되지 않으며, 실제로 입자 또는 폴리머라아제와 사용하는 것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 14는 전극들 사이에 일시적인 브릿지를 포함하는 예시 조성물(1400)을 개략적으로 예시한다. 조성물(1400)은 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극(1402) 및 제2 전극(1403); 적어도 공간 길이만큼 긴 길이를 갖는 제1 전기 전도성 표지(1431)를 포함하는 유체; 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 제1 전기 전도성 브릿지의, 제1 전기 전도성 표지를 사용하여, 일시적 형성에 반응하여 제1 신호를 생성하는 검출 회로(도 14에 구체적으로 예시되지 않음)를 포함한다. 예시적으로, 유체는 도 9a를 참조로 기재된 전기 전도성 표지(931)와 유사하게 구성될 수 있는 전기 전도성 표지(1431), 예를 들어 적어도 제1 전극(1402)과 제2 전극(1403) 사이의 공간 길이만큼 긴 길이를 갖지만, 반드시 뉴클레오티드에 커플링될 필요는 없는 표지를 포함할 수 있다. 검출 회로(860)와 유사하게 구성된 검출 회로는 제1 전극(1402)과 제2 전극(1403) 사이의 전기 전도성 브릿지의, 전기 전도성 표지(1431)를 사용하여, 일시적인 형성에 반응하는 신호를 생성할 수 있다. 일부 예에서, 전기 전도성 표지(1431)는 제1 전기 전도성 브릿지를 형성하기 위해 각각의 제1 전극(1402) 및 제2 전극(1403)에 일시적으로 결합할 수 있다. 유체는 임의의 적합한 개수의 전기 전도성 표지, 예를 들어 적어도 공간 길이만큼 긴 길이를 갖는 제2 전기 전도성 표지(구체적으로 예시되지 않음)를 포함할 수 있고, 검출 회로는 제1 전극(1402)과 제2 전극(1403) 사이의 제2 전기 전도성 브릿지의, 제2 전기 전도성 표지를 사용하여, 일시적 형성에 반응하여 제2 신호를 생성할 수 있다. 검출 회로는 추가로, 예를 들어 검출 회로(860)가 어떻게 상이한 표지를 구별할 수 있는지와 유사한 방식으로, 제1 신호와 제2 신호 사이의 적어도 하나의 차이를 사용하여 제1 전기 전도성 브릿지 및 제2 전기 전도성 브릿지의 형성을 구별할 수 있다.

일부 예에서, 전기 전도성 표지(1431)는 제1 전극(1402)에 일시적으로 결합되기 위한 제1 반응성 기, 및 제2 전극(1403)에 일시적으로 결합되기 위한 제2 반응성 기를 포함한다. 일부 비제한적인 예에서, 제1 반응성 기 및 제2 반응성 기는 티올, 아민, 이소티오시아나이드, 포스핀, 카르복실, 셀레노, 피리딘, 및 메틸설파이드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 검출 회로는 추가로, 제1 반응성 기와 제1 전극 사이의 일시적 결합 또는 제2 반응성 기와 제2 전극 사이의 일시적 결합을 중단하는 제1 전기 전도성 브릿지를 가로질러 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 상기 반응성 기를 통해 전극에 일시적으로 결합할 수 있고, 일시적 결합이 적절한 바이어스 전압의 인가를 사용하여 중단될 수 있는 분자의 예에 대해, 하기 문헌을 참조하고, 이의 전체 내용은 본원에 참조로 포함되어 있다: 문헌[Li et al., "Electric field breakdown in single molecule junctions," J. Am. Chem. Soc. 137(15): 5028-5033 (2015)]. Li에 기재된 것과 같은 예시 분자는 본원에 기재된 것과 같은 방식으로 표지로서 사용될 수 있다. 상기 예의 유용한 특징은 전극에 대한 표지의 결합이 중단된 후, 전극들 사이의 전류가 중단되고, 전극이 다른 상기 표지와의 일시적 결합을 즉시 받아들일 준비가 된다는 것이다. 부가적으로, 각각의 표지가 전극에 일시적으로 결합되는 시간의 양은 적어도 일시적 결합을 중단하기 위해 바이어스 전압을 인가하는 타이밍을 사용하여 제어될 수 있다.

일부 예에서, 각 전기 전도성 표지(1431)는 특정 임계 전압 초과에서 중단될 수 있는 하나의 각각의 유형의 반응성 기를 포함한다. 일부 비제한적인 예에서, 반응성 기는 티올, 아민, 이소티오시아나이드, 포스핀, 카르복실, 셀레노, 피리딘, 및 메틸설파이드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 표지 식별은 일시적 브릿지의 전기 전도성에서 인코딩될 수 있다. 예를 들어, 일시적 브릿지는 각각의 표지가 식별될 수 있는 것에 따라 전극들 사이에 상이한 전도성을 제공할 수 있는 서로 상이한 중합체 서열을 포함할 수 있다. 이러한 전기 전도성은 표지의 물리적 또는 화학적 특성을 변경함으로써 설정 또는 조정될 수 있다. 상기 예에서, 각 유형의 표지가 서로 동일한 유형의 반응성 기를 포함할 수 있기 때문에, 각 유형의 표지에 대해 상이한 반응성 기를 제공하는 것에 비해, 제조 및 실행은 단순화될 수 있다.

도 15는 전극들 사이에 일시적 브릿지를 포함하는 예시 조성물(1500)을 개략적으로 예시한다. 조성물(1500)은 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱에서의 용도에 한정되지 않으며, 실제로 입자 또는 폴리머라아제와 사용하는 것으로 한정되지 않지만, 일부 예에서 도 9b를 참조로 기재된 조성물(900')과 유사한 방식으로 폴리뉴클레오티드를 시퀀싱하는 데 사용될 수 있다. 조성물(1500)은 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극(1502) 및 제2 전극(1503)을 포함하고, 브릿지(1520)는 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있다. 브릿지(1520)는 중합체 사슬(예컨대, 폴리뉴클레오티드) 또는 다른 적합한 구조를 포함할 수 있고, 일부 예에서, 이는 도 15에 예시된 것과 같은 구성(1590)을 포함하는 3차 구조로 제공될 수 있거나, 도 3b 내지 3d에 예시된 것과 같은 관능기로 제공될 수 있다. 전기 전도성 표지(1531)는 표지 식별이 결정될 수 있음에 따라 제1 전극(1502)과 제2 전극(1503) 사이에 전기 전도성 브릿지를 제공하기 위한 방식으로 브릿지(1520)에 일시적으로 결합할 수 있다. 일 비제한적인 예에서, 표지(예를 들어, 표지(1531))는 올리고뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 적합한 검출 회로는 전기 전도성 브릿지의 형성에 반응하여 신호를 생성할 수 있다. 검출 회로는 추가로, 신호 생성 후 표지(1531) 및 브릿지(1520) 사이의 일시적 결합을 중단하는 생성된 전기 전도성 브릿지를 가로질러 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 표지(1531)가 일시적으로 브릿지(1520)에 결합하는 속도는 온 레이트(on rate)로 지칭될 수 있다. 상기 일시적 결합에 따라, 표지(1531)는 예를 들어 높은 신뢰도의 베이스 콜에 대해 충분한 데이터가 수집된 후 원하는 시간 동안 제자리에 남아 있을 수 있으며, 이에 따라 제거 바이어스 전압을 인가할 때 선택되고 제어된 오프 레이트(off rate)가 발생할 수 있다. 표지 식별은 각각의 표지(1531) 사이의 전기 전도성 차이로 인코딩될 수 있거나, 표지의 파열 특징을 사용하여 인코딩될 수 있다(예를 들어, 인가된 바이어스 전압에 반응하여 표지 각각이 브릿지로부터 분해되는 전압 또는 시간). 일부 예에서, 브릿지(1520)의 중합체 사슬 및 표지는 각각 DNA, RNA, PNA 등과 같은 폴리뉴클레오티드를 포함한다. 일 비제한적인 예에서, 브릿지의 중합체 사슬은 ssDNA를 포함하고, 적어도 하나의 표지는 A-형태 dsDNA를 제공하도록 브릿지에 혼성화되는 ssDNA를 포함하고, 적어도 하나의 표지는 B-형태 dsDNA를 제공하도록 브릿지에 혼성화되는 ssDNA를 포함한다. 생성된 A-형태 dsDNA 및 B-형태 dsDNA는 생성된 뉴클레오티드가 식별될 수 있는 것을 기초로 서로 상이한 전도성을 가질 수 있다. 바이어스 전압의 인가는, 예를 들어 브릿지 자체보다 덜 안정한 브릿지의 중합체 사슬과 표지 사이의 각각의 혼성화를 기초로 표지를 분해시킬 수 있다.

도 16a 내지 16c는 선택적으로 완성될 수 있는 브릿지를 갖는 예시 조성물(1600)을 개략적으로 예시한다. 조성물(1600)은 폴리뉴클레오티드의 시퀀싱에서의 용도에 한정되지 않으며, 실제로 입자 또는 폴리머라아제와 사용하는 것으로 한정되지 않지만, 일부 예에서 도 9b를 참조로 기재된 조성물(900')과 유사한 방식으로 폴리뉴클레오티드를 시퀀싱하는 데 사용될 수 있다. 조성물(1600)은 공간에 의해 서로 분리된 제1 전극(1602) 및 제2 전극(1603)을 포함하고, 제1 브릿지 및 제2 브릿지는 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있다. 제1 브릿지는 제1 중합체 사슬을 포함할 수 있고, 제2 브릿지는 제1 중합체 사슬과 상이한 제2 중합체 사슬을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 16a 내지 도 16c에서 예시된 비제한적인 구성에서, 도 2 또는 도 9b를 참조로 기재된 것과 같은 3차 중합체 구조(1620)는 구별가능한 중합체 사슬(1621, 1622)을 형성하도록 여러 번 접히고, 가교결합되는 단일 중합체 분자를 포함할 수 있으며, 이의 각각은 선택적으로 완성될 수 있는 브릿지에 상응한다. 예를 들어, 유체는 제1 중합체 사슬(1621)에 혼성화되고, 제2 중합체 사슬(1622)에는 혼성화되지 않는 제1 올리고머(1631)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 올리고머(1631)는 도 8a를 참조로 기재된 표지(831)와 유사하게 구성될 수 있지만, 반드시 뉴클레오티드에 커플링될 필요는 없을 수 있고, 올리고머(1631)가 도 16b에 예시된 것과 같은 방식으로 제2 중합체 사슬(1622)이 아닌 제1 중합체 사슬(1621)에 혼성화될 것을 기초하여 서열을 가질 수 있다. 검출 회로(860)와 유사한 검출 회로는 제1 중합체 사슬에의 제1 올리고머(1631)의 혼성화에 대한 반응으로 제1 신호를 생성할 수 있다.

유체는 각각 3차 중합체(1620) 구조의 임의의 적합한 중합체 사슬(들)과 혼성화되는 임의의 적합한 개수의 올리고머를 포함할 수 있다. 예시적으로, 유체는 도 16c에 예시된 것과 같은 방식으로 제2 중합체 사슬(1622)에 혼성화될 수 있지만 제1 중합체 사슬(1631)에는 혼성화되지 않을 수 있는 제2 올리고머(1632)를 추가로 포함할 수 있고, 검출 회로는 제2 중합체 사슬에의 제2 올리고머(1632)의 혼성화에 대한 반응으로 제2 신호를 생성할 수 있다. 본원의 다른 곳에 기재된 것과 유사한 방식으로, 검출 회로는 추가로, 제1 신호와 제2 신호 사이의 적어도 하나의 차이를 사용하여, 예를 들어 적어도 제1 중합체 사슬(1621) 및 제2 중합체 사슬(1622)의 상이한 서열을 사용하여 또는 적어도 제1 올리고머(1631) 및 제2 올리고머(1632)의 상이한 서열을 사용하여, 제1 중합체 사슬(1621)과 제1 올리고머(1631)의 혼성화와, 제2 중합체 사슬(1622)과 제2 올리고머(1632)의 혼성화를 구별할 수 있다. 이에 관하여, 제1 올리고머(1631) 및 제2 올리고머(1632)는 3차 중합체 구조(1620) 내의 선택적으로 완전한 브릿지로 간주될 수 있다. 유사하게, 유체는 제3 올리고머 및 제4 올리고머를 포함할 수 있고, 3차 구조(1620)의 제3 중합체 사슬 및 제4 중합체 사슬과 선택적으로 혼성화되어, 전극들(1602, 1603) 사이의 상이한 전기 전도성을 제공할 수 있다. 3차 구조의 예는 도 2 및 도 9b를 참조로 기재된 것과 같은 폴리뉴클레오티드 3차 구조(예를 들어, DNA 오리가미) 또는 폴리펩티드 3차 구조를 포함한다. 예를 들어, 일부 예에서 제1 중합체 사슬(1621) 및 제2 중합체 사슬(1622)(및 제공된 경우, 임의의 부가적인 중합체 사슬)은 각각의 단일 가닥 DNA 서열을 포함할 수 있고, 제1 올리고뉴클레오티드(1631) 및 제2 올리고뉴클레오티드(1632)(및 제공된 경우, 임의의 부가적인 올리고뉴클레오티드) 각각은 하나의 단일 가닥 DNA 서열에 선택적으로 혼성화하고 각각 상보적인 단일 가닥 DNA 서열을 포함한다. 일부 예에서, 각각의 중합체 사슬(예를 들어, 1621, 1622)은 적어도 일부의 컨스트릭션(constriction)(1690)에 걸쳐 있을 수 있다. 일부 예에서 제1 올리고뉴클레오티드(1631) 및 제2 올리고뉴클레오티드(1632)는 도 15를 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 바이어스 전압을 인가함으로써 제거될 수 있다.

따라서, 본원에 기재된 장치, 조성물, 및 방법은 상대적으로 적은 성분을 갖는 전자 장치의 제작의 향상된 제어를 제공할 수 있다. 본 발명의 장치, 조성물, 및 방법은 임의의 적합한 입자와 사용될 수 있고, 일부 예에서 이는 관능기를 포함할 수 있다. 상기 관능기는 예를 들어 폴리뉴클레오티드(예컨대, DNA), 유기 소분자, 중합체, 또는 π-콘쥬게이트 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 장치, 조성물, 및 방법의 다른 예시 특징에는 전극들 사이의 공간의 가변성을 수용하는 능력이 포함될 수 있는데, 이는 상이한 크기의 입자가 용이하게 제조될 수 있음에 따라 상이한 사이징된 공간에 대해 적합화될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 크기 분포를 갖는 나노입자의 단일 용액은 어레이에서 각 장치 별로 적절히 사이징된 입자를 자기선택(self-select)하기 위해 사용될 수 있고, 이에 따라 예를 들어 도 6a 및 도 6b 그리고 도 7을 참조로 기재된 것과 같은 방식으로 상기 어레이 내의 전극들 사이의 공간의 가변성을 수용할 수 있다. 본 발명의 장치, 조성물, 및 방법의 다른 예시 특징에는 용이한 품질 제어를 포함될 수 있는데, 이는 각각의 입자, 폴리머라아제, 및 전극의 어셈블리가 주사 전자 현미경(SEM), 원자간력 현미경(AFM) 등과 같은 표준 현미경 기술을 사용하여 용이하게 이미징될 수 있기 때문이다.

비제한적인 실시예

하기 실시예는 순전히 예시적인 것이며, 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 11a는 도 3b에 예시된 것과 같은 장치의 제조 방법의 예시 작업 흐름을 예시한다. 도 11a에 예시된 비제한적인 예에서, 공정 (a)에서, 대략 20 nm의 금 나노입자를 5'-변형된 30-머(mer) 올리고뉴클레오티드(명목상 10 nm 길이)의 말단에서의 티올 기와 반응시켰다. 공정 (b)에서, 이후 5'-변형된 올리고뉴클레오티드를 외부 방향의 말단에 디설파이드 기를 갖는 5'-변형된 상보성 30-머 올리고뉴클레오티드와 혼성화시켰고, 이에 따라 반응성 디설파이드 코로나(도 11a에서 "Y" 기로 나타남)를 갖는 DNA 듀플렉스에 의해 둘러싸인 금 나노입자를 제공했다. 도 11b는 도 11a에 예시된 방법의 예시 결과를 예시한다. 보다 구체적으로, 도 11b에서는, 나노입자(1101)에 대한 단일 가닥 올리고뉴클레오티드의 그래프팅 후 및 상보성 올리고뉴클레오티드(1102)에 대한 상기 단일 가닥 올리고뉴클레오티드의 혼성화 후, 입자 당 올리고뉴클레오티드의 개수의 형광 어세이 특징화가 나타나 있다.

도 11c는 도 3b에 예시된 것과 같은 장치의 제조 방법의 예시 부가 작업 흐름을 예시한다. 도 11a를 참조로 기재된 작업 (a) 및 (b)를 사용하여 반응성 디설파이드 코로나(도 11c에서 "DS"기로 나타남)를 갖는 DNA 듀플렉스에 의해 둘러싸인 금 나노입자를 제조한 후, 상기 제조된 금 나노입자를 전극에 커플링시켰다. 보다 구체적으로, 공정 (c)에서, 관능화된 나노입자를 액체에 용해시키고, 약 50 내지 60 nm로 서로 이격된 금 전극 쌍에 액체를 도포하였다. 액체 중 단일 입자를 금 전극으로 이동시키고, 전극에 결합시켰다. 도 11d는 도 11c에 예시된 작업의 예시 결과를 예시한다. 도 11d의 이미지 (a)는 도 11c의 공정 (c) 이전의 원래의 금 전극의 SEM 이미지이다. 전극은 100 nm 미만, 여기서 대략 30 nm 만큼 서로 이격된 것으로 확인될 수 있다. 도 11d의 이미지 (b)는 도 11c의 공정 (c) 이후의 금 전극의 SEM 이미지이고, 여기서 이는 금 전극들 사이에 단일 금 나노입자가 배치되어 있는 것으로 확인할 수 있다. 도 11d의 이미지 (c)는 금 전극들 사이에 배치된 단일 금 나노입자의 확대된 SEM 이미지이다. 도 11d의 이미지 (c)로부터, 금 나노입자가 전극들 사이의 공간보다 더 작은 직경을 갖고, 나노입자가 각각의 전극으로부터 대략 균일하게 이격되어 있음이 이해될 수 있다. 이러한 접근법은 대략 5 내지 10%의 수율로 단일 나노입자 장치를 제조하였다. 각각의 전극 쌍에 의해 인가된 AC 또는 DC 전기장을 사용하여 단일 입자를 능동적으로 포획함으로써 보다 높은 수율을 예측할 수 있다.

도 12a는 도 3c에 예시된 것과 같은 장치의 제조 방법의 예시 작업 흐름을 예시한다. 도 12a에 예시된 비제한적인 예에서, 공정 (a)에서, 도 11a 내지 11d를 참조로 기재된 것과 유사한 원래의 금 전극을 완충액 중에서 5'-변형된 30-머 올리고뉴클레오티드의 말단에서의 티올 기와 반응시켰다. 공정 (b)에서, 이후 5'-변형된 올리고뉴클레오티드를 도 11a의 공정 (a)를 사용하여 제조된 대략 20 nm의 금 나노입자에 부착된 5'-변형된 상보성 30-머 올리고뉴클레오티드와 혼성화시켰다. 결과는 약 50 내지 60 nm 만큼 서로 이격된 금 전극에 커플링된 단일 가닥 DNA와 듀플렉스를 형성한 단일 가닥 DNA에 의해 둘러싸인 금 나노입자였다. 도 12b는 도 12a에 예시된 작업의 예시 결과를 예시한다. 보다 구체적으로, 도 12b는 도 12a의 공정 (b) 이후의 금 전극의 SEM 이미지이고, 여기서 이는 금 전극들 사이에 단일 금 나노입자가 배치되어 있는 것으로 확인할 수 있다. 이러한 접근법은 대략 5 내지 10%의 수율로 단일 나노입자 장치를 제조하였다. 각각의 전극 쌍에 의해 인가된 AC 또는 DC 전기장을 사용하여 단일 입자를 능동적으로 포획함으로써 보다 높은 수율을 예측할 수 있다.

다양한 예시적인 실시예가 위에서 설명되었지만, 본 발명을 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 및 범위에 속하는 모든 변경 및 수정을 포함하도록 의도된다.

Claims (87)

1. 장치로서,
   공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극;
   제1 복수의 결합을 통해 상기 제1 전극에 커플링되고 제2 복수의 결합을 통해 상기 제2 전극에 커플링된 입자; 및
   상기 입자에 커플링된 폴리머라아제를 포함하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지(bridge)의 적어도 일부를 형성하는, 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 입자는 전기적으로 비전도성인, 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 입자는 3차 구조를 갖는 중합체를 포함하는, 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 3차 구조를 갖는 상기 중합체는 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드를 포함하는, 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드는 중앙 협소부를 갖는 3차 구조로 접히고 가교결합되며, 상기 중앙 협소부는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전기 전도성 브릿지의 일부를 형성하는, 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 입자는 나노입자를 포함하며 상기 나노입자는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 상기 나노입자를 결합시키는 관능기를 갖는, 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 나노입자는 무기물인, 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 공간의 길이의 적어도 약 10%의 직경을 갖는, 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 링커에 의해 서로 커플링된 나노입자의 쌍을 포함하는, 장치.
11. 장치의 제조 방법으로서,
    서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극 상에 용액을 침착시키는 단계로서,
    상기 용액은 액체 중 입자를 포함하고, 각 입자는 각각의 폴리머라아제에 커플링된, 단계;
    하나의 입자를 상기 용액으로부터 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인접한 공간으로 이동시키는 단계; 및
    각각의 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 하나의 입자를 결합시키는 단계를 포함하는, 장치의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 이동 단계는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에서 하나의 입자를 유전영동적으로 또는 자기적으로 포획하는 단계를 포함하는, 장치의 제조 방법.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 결합 단계는 상기 제1 전극과 상기 하나의 입자 사이에 제1 복수의 결합을 형성하는 단계, 및 상기 제2 전극과 상기 하나의 입자 사이에 제2 복수의 결합을 형성하는 단계를 포함하는, 장치의 제조 방법.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나의 입자를 사용하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인접한 상기 공간으로부터 다른 입자를 입체적으로 배제하는 단계를 추가로 포함하는, 장치의 제조 방법.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성하는, 장치의 제조 방법.
16. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 전기적으로 비전도성인, 장치의 제조 방법.
17. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 3차 구조를 갖는 중합체를 포함하는, 장치의 제조 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 3차 구조를 갖는 상기 중합체는 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드를 포함하는, 장치의 제조 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드는 중앙 협소부를 갖는 3차 구조로 접히고 가교결합되며, 상기 중앙 협소부는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지 일부를 형성하는, 장치의 제조 방법.
20. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 나노입자를 포함하며 상기 나노입자는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 상기 나노입자를 결합시키는 관능기를 갖는, 장치의 제조 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 나노입자는 무기물인, 장치의 제조 방법.
22. 제11항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 상기 공간의 길이의 적어도 약 10%의 직경을 갖는, 장치의 제조 방법.
23. 장치 어레이로서,
    고체 기재;
    상기 고체 기재 상에 배치된 복수의 전극 쌍으로서, 각 전극 쌍의 전극은 각각의 공간에 의해 서로 분리되는, 상기 복수의 전극 쌍;
    복수의 입자로서, 각각의 전극 쌍의 전극에 각각 결합되며,
    다수의 전극 쌍이 각각 단 하나의 입자에 결합되어 있는, 상기 복수의 입자; 및
    복수의 폴리머라아제로서, 각 폴리머라아제는 각각의 하나의 입자에 커플링되어 있는, 상기 복수의 폴리머라아제를 포함하는, 장치 어레이.
24. 제23항에 있어서, 상기 각각의 공간은 상기 입자가 각각 결합되는 전극 쌍들 사이에서 가변적인, 장치 어레이.
25. 장치 어레이의 제조 방법으로서,
    고체 기재 상에 배치된 복수의 전극 쌍을 갖는 상기 고체 기재 상에 용액을 침착하는 단계로서, 각 전극 쌍의 전극은 각각의 공간에 의해 서로 분리되고,
    상기 용액은 액체 중 입자를 포함하고, 각 입자는 각각의 폴리머라아제에 커플링된, 단계;
    상기 입자를 상기 용액으로부터 각각의 하나의 공간으로 이동시키는 단계; 및
    각각의 전극 쌍의 전극에 하나의 입자를 결합시키는 단계를 포함하며,
    다수의 전극 쌍은 정확하게 하나의 입자에 각각 결합되어 있는, 장치 어레이의 제조 방법.
26. 제25항에 있어서, 상기 이동 단계는 각각의 하나의 전극 쌍의 전극에서 하나의 입자를 유전영동적으로 또는 자기적으로 포획하는 것을 포함하는, 장치 어레이의 제조 방법.
27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 결합 단계는 하나의 입자와 각각의 하나의 전극 쌍의 각 전극 사이에 복수의 결합을 형성하는 것을 포함하는, 장치 어레이의 제조 방법.
28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 입자를 사용하여, 임의의 다른 입자가 각각의 하나의 전극 쌍의 전극과 접촉하는 것을 입체적으로 배제하는 단계를 추가로 포함하는, 장치 어레이의 제조 방법.
29. 조성물로서,
    공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극;
    제1 복수의 결합을 통해 상기 제1 전극에 커플링되고 제2 복수의 결합을 통해 상기 제2 전극에 커플링된 입자; 및
    제1 폴리뉴클레오티드 및 제2 폴리뉴클레오티드;
    복수의 뉴클레오티드로서, 각각의 뉴클레오티드는 상응하는 표지에 커플링되는, 상기 복수의 뉴클레오티드; 및
    폴리머라아제로서, 상기 입자에 커플링되고, 적어도 상기 제2 폴리뉴클레오티드의 한 서열을 사용하여 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 상기 뉴클레오티드를 부가하는 상기 폴리머라아제; 및
    적어도 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전류 변화를 사용하여 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 대한 상기 뉴클레오티드의 추가 서열을 검출하기 위한 검출 회로로서, 상기 변화는 상기 뉴클레오티드에 상응하는 상기 표지에 대한 반응인, 상기 검출 회로를 포함하는 조성물.
30. 제29항에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성하고, 상기 표지는 상기 브릿지를 통해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전류를 변경하는, 조성물.
31. 제29항에 있어서, 상기 입자는 전기적으로 비전도성이고, 상기 표지는 상기 전류가 흐르는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 일시적 전기 전도성 브릿지를 각각 형성하는, 조성물.
32. 제29항에 있어서, 상기 입자는 3차 구조를 갖는 중합체를 포함하는, 조성물.
33. 제32항에 있어서, 상기 3차 구조를 갖는 상기 중합체는 DNA 또는 폴리펩티드를 포함하는, 조성물.
34. 제32항에 있어서, 상기 3차 구조는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지를 형성하고, 상기 표지는 상기 전기 전도성 브릿지에의 혼성화를 통해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전류를 변경하는, 조성물.
35. 제29항에 있어서, 상기 입자는 나노입자를 포함하며 상기 나노입자는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 상기 나노입자를 결합시키는 관능기를 갖는, 조성물.
36. 제35항에 있어서, 상기 나노입자는 전기적으로 비전도성이고, 상기 표지는 상기 전류가 흐르는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 일시적 전기 전도성 브릿지를 각각 형성하는, 조성물.
37. 제36항에 있어서, 상기 적어도 하나의 표지는 카본 도트, 전기 전도성 중합체, 파이-콘쥬게이트 소분자, 나노튜브, 및 풀러렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 조성물.
38. 제35항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노입자 및 상기 관능기는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성하고, 상기 표지는 상기 관능기에의 혼성화를 통해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 전류를 변경하는, 조성물.
39. 제29항에 있어서, 상기 입자는 링커에 의해 서로 커플링된 나노입자의 쌍을 포함하고, 상기 표지는 상기 링커에의 혼성화를 통해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전류를 변경하는, 조성물.
40. 시퀀싱 방법으로서,
    제2 폴리뉴클레오티드의 적어도 한 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에, 폴리머라아제를 사용하여, 뉴클레오티드를 부가하는 단계;
    상기 뉴클레오티드에 각각 커플링된 표지를 사용하여, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류를 변경하는 단계로서, 입자는 제1 복수의 결합을 통해 상기 제1 전극에 커플링되고 제2 복수의 결합을 통해 상기 제2 전극에 커플링되는, 상기 전류를 변경하는 단계; 및
    적어도 상기 뉴클레오티드에 상응하는 상기 표지를 사용하여 유발되는 전류의 변화를 사용하여 상기 폴리머라아제가 상기 뉴클레오티드를 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 부가하는 서열을 검출하는 단계를 포함하는, 시퀀싱 방법.
41. 제40항에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성하고, 상기 표지는 상기 브릿지를 통해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전류를 변경하는, 시퀀싱 방법.
42. 제40항에 있어서, 상기 입자는 전기적으로 비전도성이고, 상기 표지는 상기 전류가 흐르는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 일시적 전기 전도성 브릿지를 각각 형성하는, 시퀀싱 방법.
43. 제40항에 있어서, 상기 입자는 3차 구조를 갖는 중합체를 포함하는, 시퀀싱 방법.
44. 제43항에 있어서, 상기 3차 구조를 갖는 상기 중합체는 DNA 또는 폴리펩티드를 포함하는, 시퀀싱 방법.
45. 제44항에 있어서, 상기 3차 구조는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지를 형성하고, 상기 표지는 상기 전기 전도성 브릿지에의 혼성화를 통해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 전류를 변경하는, 시퀀싱 방법.
46. 제40항에 있어서, 상기 입자는 나노입자를 포함하며 상기 나노입자는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 상기 나노입자를 결합시키는 관능기를 갖는, 시퀀싱 방법.
47. 제46항에 있어서, 상기 나노입자는 전기적으로 비전도성이고, 상기 표지는 상기 전류가 흐르는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 일시적 전기 전도성 브릿지를 각각 형성하는, 시퀀싱 방법.
48. 제47항에 있어서, 상기 적어도 하나의 표지는 카본 도트, 전기 전도성 중합체, 파이-콘쥬게이트 소분자, 나노튜브, 및 풀러렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 시퀀싱 방법.
49. 제46항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노입자 및 상기 관능기는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지의 적어도 일부를 형성하고, 상기 표지는 상기 관능기에의 혼성화를 통해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 전류를 변경하는, 시퀀싱 방법.
50. 제40항에 있어서, 상기 입자는 링커에 의해 서로 커플링된 나노입자의 쌍을 포함하고, 상기 표지는 상기 링커에의 혼성화를 통해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 전류를 변경하는, 시퀀싱 방법.
51. 조성물로서,
    공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극;
    적어도 상기 공간의 길이만큼 긴 길이를 갖는 제1 전기 전도성 표지를 포함하는 유체; 및
    상기 제1 전기 전도성 표지를 사용하여, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 제1 전기 전도성 브릿지의 일시적 형성에 반응하여 제1 신호를 생성하는 검출 회로를 포함하는 조성물.
52. 제51항에 있어서, 상기 제1 전기 전도성 표지는 카본 도트, 전기 전도성 중합체, 파이-콘쥬게이트 소분자, 나노튜브, 및 풀러렌을 포함하는, 조성물.
53. 제51항 또는 제52항에 있어서,
    상기 유체는 적어도 상기 공간의 길이만큼 긴 길이를 갖는 제2 전기 전도성 표지를 추가로 포함하고;
    상기 검출 회로는 상기 제2 전기 전도성 표지를 사용하여, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 제2 전기 전도성 브릿지의 일시적 형성에 반응하여 제2 신호를 생성하기 위한 것인, 조성물.
54. 제53항에 있어서, 상기 검출 회로는 추가로, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호 사이의 적어도 하나의 차이를 사용하여 상기 제1 전기 전도성 브릿지 및 상기 제2 전기 전도성 브릿지의 형성을 구별하기 위한 것인, 조성물.
55. 제51항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전기 전도성 표지는 상기 제1 전기 전도성 브릿지를 형성하기 위해 각각의 제1 전극 및 제2 전극에 일시적으로 결합하는, 조성물.
56. 제55항에 있어서, 상기 제1 전기 전도성 표지는 상기 제1 전극에 일시적으로 결합되기 위한 제1 반응성 기, 및 상기 제2 전극에 일시적으로 결합되기 위한 제2 반응성 기를 포함하는, 조성물.
57. 제56항에 있어서, 상기 제1 반응성 기 및 제2 반응성 기는 아민, 이소티오시아나이드, 포스핀, 카르복실, 셀레노, 피리딘, 및 메틸설파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는, 조성물.
58. 제56항 또는 제57항에 있어서, 상기 검출 회로는 추가로, 상기 제1 반응성 기와 상기 제1 전극 사이의 일시적 결합 또는 상기 제2 반응성 기와 상기 제2 전극 사이의 일시적 결합을 중단하는 상기 제1 전기 전도성 브릿지를 가로질러 바이어스 전압을 인가하기 위한 것인, 조성물.
59. 제58항에 있어서, 상기 바이어스 전압은 상기 제1 반응성 기와 상기 제1 전극 사이의 상기 일시적 결합 및 상기 제2 반응성 기와 상기 제2 전극 사이의 상기 일시적 결합을 중단하는, 조성물.
60. 제51항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극에 인접하여 커플링된 폴리머라아제; 및
    상기 제1 전기 전도성 표지에 커플링된 뉴클레오티드를 추가로 포함하며,
    상기 제1 전기 전도성 표지는 상기 뉴클레오티드 상에서, 상기 폴리머라아제를 사용하여, 작용에 대한 반응으로 상기 제1 전기 전도성 브릿지를 형성하는, 조성물.
61. 제60항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 그리고 상기 폴리머라아제에 커플링된 입자를 추가로 포함하는 조성물.
62. 제61항에 있어서, 상기 입자는 전기적으로 비전도성인, 조성물.
63. 시퀀싱 방법으로서,
    제2 폴리뉴클레오티드의 적어도 한 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에, 폴리머라아제를 사용하여, 뉴클레오티드를 부가하는 단계;
    상기 뉴클레오티드에 각각 커플링된 전기 전도성 표지를 사용하여, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 브릿지를 일시적으로 형성하는 단계; 및
    적어도 상기 폴리머라아제가 상기 전기 전도성 브릿지의 일시적 형성을 사용하여 상기 뉴클레오티드를 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 부가하는 서열을 검출하는 단계를 포함하는, 시퀀싱 방법.
64. 제63항에 있어서, 상기 전도성 표지는 카본 도트, 전기 전도성 중합체, 파이-콘쥬게이트 소분자, 나노튜브, 및 풀러렌 중 하나 이상을 독립적으로 포함하는, 시퀀싱 방법.
65. 제63항 또는 제64항에 있어서, 상기 서열은 적어도 상기 전기 전도성 브릿지를 가로지르는 전기 전도성의 차이를 사용하여 검출되는, 시퀀싱 방법.
66. 제63항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전기 전도성 표지는 상기 전기 전도성 브릿지를 형성하기 위해 각각의 상기 제1 전극 및 제2 전극에 일시적으로 결합하는, 시퀀싱 방법.
67. 제66항에 있어서, 각각의 전기 전도성 표지는 상기 제1 전극에 일시적으로 결합되기 위한 제1 반응성 기, 및 상기 제2 전극에 일시적으로 결합되기 위한 제2 반응성 기를 포함하는, 시퀀싱 방법.
68. 제67항에 있어서, 상기 제1 반응성 기 및 제2 반응성 기는 아민, 이소티오시아나이드, 포스핀, 카르복실, 셀레노, 피리딘, 및 메틸설파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는, 시퀀싱 방법.
69. 제67항 또는 제68항에 있어서, 상기 제1 반응성 기와 상기 제1 전극 사이의 일시적 결합 또는 상기 제2 반응성 기와 상기 제2 전극 사이의 일시적 결합을 중단하는 상기 전기 전도성 브릿지를 가로질러 바이어스 전압을 인가하는 단계를 추가로 포함하는, 시퀀싱 방법.
70. 제69항에 있어서, 상기 바이어스 전압은 상기 제1 반응성 기와 상기 제1 전극 사이의 상기 일시적 결합 및 상기 제2 반응성 기와 상기 제2 전극 사이의 상기 일시적 결합을 중단하는, 시퀀싱 방법.
71. 제67항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 인접하여 커플링된 폴리머라아제를 사용하여, 하나의 전기 전도성 표지에 커플링된 뉴클레오티드 상에서 작용하는 단계를 추가로 포함하며,
    상기 하나의 전기 전도성 표지는 상기 뉴클레오티드 상에서, 상기 폴리머라아제를 사용하여, 상기 작용에 대한 반응으로 하나의 상기 전기 전도성 브릿지를 형성하는, 시퀀싱 방법.
72. 제71항에 있어서, 입자는 상기 제1 전극 및 제2 전극에 그리고 상기 폴리머라아제에 커플링되는, 시퀀싱 방법.
73. 제72항에 있어서, 상기 입자는 전기적으로 비전도성인, 시퀀싱 방법.
74. 조성물로서,
    공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 상기 공간에 걸쳐 있는 브릿지;
    전기 전도성 브릿지를 형성하는 방식으로, 상기 브릿지에 일시적으로 결합하는 표지를 포함하는 유체; 및
    상기 전기 전도성 브릿지의 형성에 대한 반응인 신호를 생성하기 위한, 그리고 상기 신호 생성 후 전상기 기 전도성 브릿지를 중단하도록 선택된 바이어스 전압을 생성하기 위한 검출 회로를 포함하는 조성물.
75. 검출 방법으로서,
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있는 브릿지에 대한 표지의 일시적 결합을 사용하여 전기 전도성 브릿지를 형성하는 단계;
    상기 전기 전도성 브릿지의 형성을 검출하는 단계; 및
    후속하여, 바이어스 전압의 인가에 대한 반응으로서 상기 일시적 결합을 중단하는 단계를 포함하는, 검출 방법.
76. 조성물로서,
    공간에 의해 서로 분리된 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 상기 공간에 걸쳐 있는 제1 브릿지 및 제2 브릿지,
    상기 제1 브릿지는 제1 중합체 사슬을 포함함,
    상기 제2 브릿지는 상기 제1 중합체 사슬과 상이한 제2 중합체 사슬을 포함함;
    상기 제1 중합체 사슬에 혼성화되고 상기 제2 중합체 사슬에는 혼성화되지 않는 제1 올리고머를 포함하는 유체; 및
    상기 제1 중합체 사슬에의 상기 제1 올리고머의 혼성화에 대한 반응으로서 제1 신호를 생성하는 검출 회로를 포함하는 조성물.
77. 제76항에 있어서,
    상기 유체는 상기 제2 중합체 사슬에 혼성화되고 상기 제1 중합체 사슬에는 혼성화되지 않는 제2 올리고머를 추가로 포함하고;
    상기 검출 회로는 상기 제2 중합체 사슬에의 상기 제2 올리고머의 혼성화에 대한 반응으로서 제2 신호를 생성하기 위한 것인, 조성물.
78. 제77항에 있어서, 상기 검출 회로는 추가로, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호 사이의 적어도 하나의 차이를 사용하여, 상기 제1 중합체 사슬과 상기 제1 올리고머의 혼성화와, 상기 제2 중합체 사슬과 상기 제2 올리고머의 혼성화를 구별하기 위한 것인, 조성물.
79. 제76항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 중합체 사슬 및 제2 중합체 사슬은 상이한 부분의 3차 구조를 포함하는, 조성물.
80. 제79항에 있어서,
    상기 3차 구조는 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드 3차 구조를 포함하고;
    상기 제1 중합체 사슬 및 제2 중합체 사슬 각각은 제1 단일 가닥 DNA 서열 및 제2 단일 가닥 DNA 서열을 포함하고;
    상기 제1 올리고머 및 제2 올리고머 각각은 상기 제1 단일 가닥 DNA 서열 및 제2 단일 가닥 DNA 서열을 각각 보충하는 제3 단일 가닥 DNA 서열 및 제4 단일 가닥 DNA 서열을 포함하는, 조성물.
81. 제79항 또는 제80항에 있어서, 상기 3차 구조는 폴리펩티드를 포함하는, 조성물.
82. 시퀀싱 방법으로서,
    제2 폴리뉴클레오티드의 적어도 한 서열을 사용하여 제1 폴리뉴클레오티드에, 폴리머라아제를 사용하여, 뉴클레오티드를 부가하는 단계;
    상기 제1 폴리뉴클레오티드에 뉴클레오티드를 부가하는 상기 폴리머라아제에 대한 반응으로서 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있는 브릿지의 제1 중합체 사슬로 하나의 제1 뉴클레오티드에 커플링된 제1 표지를 혼성화하는 단계;
    후속하여, 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에 걸쳐 있는 브릿지의 제2 중합체 사슬에 하나의 제2 뉴클레오티드에 커플링된 제2 표지를 혼성화하는 단계; 및
    적어도 상기 제1 중합체 사슬을 갖는 상기 제1 표지와 상기 제2 중합체 사슬을 갖는 상기 제2 표지 사이에 각각의 혼성화에 대해 반응하는 상기 브릿지를 통한 전류 변화를 사용하여 상기 폴리머라아제가 하나의 제1 뉴클레오티드 및 하나의 제2 뉴클레오티드를 상기 제1 폴리뉴클레오티드에 부가하는 서열을 검출하는 단계를 포함하는, 시퀀싱 방법.
83. 제82항에 있어서, 상기 제1 표지는 상기 제2 중합체 사슬과 혼성화되지 않고, 상기 제2 표지는 상기 제1 중합체 사슬과 혼성화되지 않는, 시퀀싱 방법.
84. 제82항 또는 제83항에 있어서, 상기 제1 표지 및 제2 표지는 각각의 중합체를 포함하는, 시퀀싱 방법.
85. 제82항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 중합체 사슬 및 제2 중합체 사슬은 상이한 부분의 3차 구조를 포함하는, 시퀀싱 방법.
86. 제82항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3차 구조는 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드 3차 구조를 포함하고;
    상기 제1 중합체 사슬 및 제2 중합체 사슬 각각은 제1 단일 가닥 DNA 서열 및 제2 단일 가닥 DNA 서열을 포함하고;
    상기 제1 표지 및 제2 표지 각각은 상기 제1 단일 가닥 DNA 서열 및 제2 단일 가닥 DNA 서열을 각각 보충하는 제3 단일 가닥 DNA 서열 및 제4 단일 가닥 DNA 서열을 포함하는, 시퀀싱 방법.
87. 제85항 또는 제86항에 있어서, 상기 3차 구조는 폴리펩티드를 포함하는, 시퀀싱 방법.

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