RU2806069C2 - Concentration-based dna sequencing device - Google Patents

Concentration-based dna sequencing device Download PDF

Info

Publication number
RU2806069C2
RU2806069C2 RU2020108126A RU2020108126A RU2806069C2 RU 2806069 C2 RU2806069 C2 RU 2806069C2 RU 2020108126 A RU2020108126 A RU 2020108126A RU 2020108126 A RU2020108126 A RU 2020108126A RU 2806069 C2 RU2806069 C2 RU 2806069C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reaction chamber
nucleotide
sequencing
reaction
concentration
Prior art date
Application number
RU2020108126A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020108126A (en
RU2020108126A3 (en
Inventor
Мохамед Мохамед Адель ЕЛЬ-СОККАРЫ
Original Assignee
Мохамед Мохамед Адель ЕЛЬ-СОККАРЫ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Мохамед Мохамед Адель ЕЛЬ-СОККАРЫ filed Critical Мохамед Мохамед Адель ЕЛЬ-СОККАРЫ
Priority claimed from PCT/EG2018/000010 external-priority patent/WO2019020153A2/en
Publication of RU2020108126A publication Critical patent/RU2020108126A/en
Publication of RU2020108126A3 publication Critical patent/RU2020108126A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2806069C2 publication Critical patent/RU2806069C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: biotechnology; genetic engineering.
SUBSTANCE: device for DNA sequencing, containing: a reaction chamber configured to receive a nucleic acid sample, contains a solid substrate carrying fragments of genomic DNA to be amplified, and the reaction chamber is equipped with cooling and heating systems of any type to regulate the temperature of the reaction chamber, a liquid transfer system for the appropriate delivery of all components for the addition of one nucleotide at each step of the sequencing reaction, a sensor of any type that can be placed in any part inside or outside the reaction chamber, providing information about the concentration of nucleotides before and after addition of each nucleotide, and a control system connected to the input unit and the output unit for corresponding programming, configured to control parts of the device, regulate the temperature of the reaction chamber and collect data obtained from sensors in the reaction chamber.
EFFECT: performing DNA sequencing based on changes in the concentration of added nucleotides before or after the reaction.
8 cl, 1 dwg

Description

Область техникиField of technology

Данная заявка относится к методам секвенирования ДНК, основанным на измерении изменения концентрации добавленных нуклеотидов до и после реакции.This application relates to DNA sequencing methods based on measuring changes in the concentration of added nucleotides before and after a reaction.

Уровень техникиState of the art

Принципы секвенирования:Sequencing principles:

Ранее разработаны два основных метода секвенирования ДНК:Two main DNA sequencing methods have been previously developed:

1 - Секвенирование путем синтеза:1 - Sequencing by synthesis:

- метод Сэнгера/метод обрыва цепи (Life Technologies, Applied Biosystems)- Sanger method/chain termination method (Life Technologies, Applied Biosystems)

- пиросеквенирование (Roche/454)- pyrosequencing (Roche/454)

- секвенирование на основе обратимых терминаторов (Illumina)- sequencing based on reversible terminators (Illumina)

- секвенирование третьего поколения с использованием волноводов с нулевым режимом (Pacific Biosciences)- third generation sequencing using zero-mode waveguides (Pacific Biosciences)

2 - Секвенирование путем лигирования и детекции олигонуклеотидов2 - Sequencing by ligation and detection of oligonucleotides

- SOLiD (Applied Biosystems)- SOLiD (Applied Biosystems)

Ниже приводится более подробное описание этих методов.Below is a more detailed description of these methods.

1 - Секвенирование методом обрыва цепи (по Сэнгеру)1 - Chain termination sequencing (Sanger)

В этом методе используют модифицированную реакцию репликации ДНК, в которой растущие цепи обрываются дидезоксинуклеотидами (ddNTP). В дидезоксинуклеотидах (ddNTP) отсутствует 3'-ОН группа, необходимая для образования фосфодиэфирной связи. При добавлении фермента (ДНК-полимеразы) праймер удлиняется до тех пор, пока не будет обнаружен ddNTP. Цепь завершится включением ddNTP. При правильном соотношении dNTP: ddNTP цепь обрывается по всей длине шаблона. Все оборванные цепи завершаются ddNTP, добавленным к этой реакции. Полученные оборванные цепи разделяют электрофорезом. Для каждого из четырех ddNTP используется отдельный краситель или «цвет». Поскольку обрывающие нуклеотиды можно различить по цвету, все четыре реакции можно проводить в одной пробирке.This method uses a modified DNA replication reaction in which the growing strands are terminated by dideoxynucleotides (ddNTPs). Dideoxynucleotides (ddNTPs) lack the 3'-OH group required to form a phosphodiester bond. When an enzyme (DNA polymerase) is added, the primer is extended until the ddNTP is detected. The chain will end by enabling ddNTP. With the correct dNTP:ddNTP ratio, the chain breaks along the entire length of the template. All dangling strands are terminated by ddNTP added to this reaction. The resulting broken chains are separated by electrophoresis. A different dye or "color" is used for each of the four ddNTPs. Since terminating nucleotides can be distinguished by color, all four reactions can be performed in the same tube.

2 - Пиросеквенирование2 - Pyrosequencing

Каждый нуклеотид добавляется по очереди в каждом цикле. Тогда только один из четырех генерирует световой сигнал. Для подготовки к следующему циклу оставшиеся нуклеотиды удаляют ферментативно. Световой сигнал записывается на пирограмму.Each nucleotide is added in turn in each cycle. Then only one of the four generates a light signal. To prepare for the next cycle, the remaining nucleotides are removed enzymatically. The light signal is recorded on a pyrogram.

Пиросеквенирование основано на генерировании светового сигнала за счет высвобождения пирофосфата (PPi) при добавлении нуклеотидов.Pyrosequencing is based on the generation of a light signal by the release of pyrophosphate (PPi) upon addition of nucleotides.

- DNAn+dNTP → DNAn+i+PPI - DNA n +dNTP → DNA n+i +PP I

- PPI применяют для генерирования аденозинтрифосфата (АТР) из аденозинпирофосфата (APS).- PP I is used to generate adenosine triphosphate (ATP) from adenosine pyrophosphate (APS).

- APS+PPI → ATP- APS+PP I → ATP

ATP и люцифераза генерируют свет за счет преобразования люциферина в оксилюциферин.ATP and luciferase generate light by converting luciferin to oxyluciferin.

3 - Волновод с нулевым режимом3 - Waveguide with zero mode

Этот метод представляет собой секвенирование отдельной молекулы в реальном времени, основанное на детекции идентичности каждого нуклеотида сразу после его включения в растущую цепь ДНК.This method is real-time sequencing of a single molecule, based on detecting the identity of each nucleotide immediately after its incorporation into the growing DNA strand.

4 - Секвенирование лигированием4 - Sequencing by ligation

Вместо полимеразы используется лигаза, которая соединяет последовательности зонда (фрагменты ДНК вместо олигонуклеотидов). После добавления зонда вырабатывается флуоресцентный сигнал. На основании флуоресценции можно сделать вывод об идентичности нуклеотида. Этот метод секвенирования включает более одного праймера, который отличается от предыдущего только одним основанием.Instead of a polymerase, a ligase is used, which joins probe sequences (DNA fragments instead of oligonucleotides). Upon addition of the probe, a fluorescent signal is generated. Based on fluorescence, the identity of the nucleotide can be inferred. This sequencing method includes more than one primer, which differs from the previous one by only one base.

5 - Нанопоровое секвенирование5 - Nanopore sequencing

Используется наноразмерное устройство, которое перемещает молекулы полимера в последовательном порядке мономеров через очень небольшой объем пространства. Устройство включает детектор, который напрямую преобразует характерные особенности перемещающегося полимера в электрический сигнал. Трансдукция и распознавание происходят в режиме реального времени, от молекулы к молекуле. Устройство может исследовать тысячи различных молекул за несколько минут и может исследовать очень длинные участки ДНК.A nanoscale device is used that moves polymer molecules in a sequential monomer pattern through a very small volume of space. The device includes a detector that directly converts the characteristics of the moving polymer into an electrical signal. Transduction and recognition occur in real time, molecule to molecule. The device can examine thousands of different molecules in a few minutes and can examine very long stretches of DNA.

6 - Секвенирование путем синтеза (SBS)6 - Sequencing by synthesis (SBS)

Секвенирование путем синтеза включает детекцию идентичности каждого нуклеотида сразу после его включения в растущую цепь ДНК в полимеразной реакции. SBS включает «флуоресцентное секвенирование «на месте» (FISSEQ) и метод пиросеквенирования.Sequencing by synthesis involves detecting the identity of each nucleotide immediately after it is incorporated into the growing DNA strand in a polymerase reaction. SBS includes fluorescent in situ sequencing (FISSEQ) and pyrosequencing techniques.

С помощью фоторасщепляемого линкера к каждому из четырех оснований присоединяют разный флуорофор. ДНК-полимер аза включает комплементарный однонуклеотидный аналог. Обнаруживаемая уникальная флуоресценция зависит от включенного нуклеотида. Затем флуорофор удаляют фотохимически, группа 3-ОН химически регенерируется, и цикл продолжается.Using a photocleavable linker, a different fluorophore is attached to each of the four bases. The DNA polymer aza includes a complementary single nucleotide analogue. The unique fluorescence detected depends on the included nucleotide. The fluorophore is then photochemically removed, the 3-OH group is chemically regenerated, and the cycle continues.

Новое в данной заявке:New in this application:

Принципы секвенирования и устройства для секвенирования включают в себя очень дорогостоящие приборы и инструменты. Кроме того, приобрести такую аппаратуру в наших лабораториях непросто. Большинство из этих методов сложны и требуют использования специальных ферментов или специальных меток, например флуоресцентных красителей, что увеличивает затраты на эксперименты. Поэтому необходимо разрабатывать и внедрять новые методы для упрощения технологии и снижения связанных с ней затрат.Sequencing principles and sequencing devices involve very expensive instruments and instruments. In addition, it is not easy to purchase such equipment in our laboratories. Most of these methods are complex and require the use of special enzymes or special labels, such as fluorescent dyes, which increases the cost of the experiments. Therefore, it is necessary to develop and implement new methods to simplify the technology and reduce the associated costs.

Описание изобретенияDescription of the invention

Новый принцип:New principle:

Термин «секвенирование ДНК» обычно применяется к нескольким методам и технологиям, которые используются для определения порядка расположения нуклеотидных оснований: аденина, гуанина, цитозина и тимина в молекуле ДНК. Секвенирование ДНК широко применяют во многих прикладных областях, таких как диагностика, биотехнология, судебная биология и биологическая систематика, при секвенировании генома человека и в проекте «Геном человека». В предлагаемом устройстве для секвенирования фрагменты образцов ДНК амплифицируются обычным методом ПЦР. К синтезируемой ДНК добавляются отдельные нуклеотиды. Если нуклеотид комплементарен исследуемому фрагменту ДНК, изменение концентрации добавленного нуклеотида может быть отслежено любым методом.The term "DNA sequencing" is commonly applied to several methods and technologies that are used to determine the order of the nucleotide bases: adenine, guanine, cytosine and thymine in a DNA molecule. DNA sequencing is widely used in many application areas such as diagnostics, biotechnology, forensic biology and biological systematics, in the sequencing of the human genome and the Human Genome Project. In the proposed sequencing device, DNA sample fragments are amplified using the conventional PCR method. Individual nucleotides are added to the synthesized DNA. If the nucleotide is complementary to the DNA fragment being studied, changes in the concentration of the added nucleotide can be monitored by any method.

Подробное описание устройстваDetailed description of the device

Фрагменты геномной ДНК закреплены на твердой подложке. Каждый фрагмент ДНК амплифицируется методом ПЦР для получения кластера ДНК. В методе ПЦР температура реакционной смеси должна изменяться во время цикла ПЦР от 95°С до 40-60°С и, наконец, до 72°С в течение определенного количества циклов. Каждый кластер, происходящий из одного фрагмента ДНК, действует как одна реакция секвенирования. В реакции секвенирования кластер ДНК тестируется путем добавления одного из нуклеотидов за один раз. Если нуклеотид комплементарен, можно проследить изменение концентрации добавленного dNTP. Это изменение можно тестировать непосредственно в любой части камеры секвенирования.Genomic DNA fragments are fixed on a solid support. Each DNA fragment is amplified by PCR to produce a DNA cluster. In the PCR method, the temperature of the reaction mixture must vary during the PCR cycle from 95°C to 40-60°C and finally to 72°C for a certain number of cycles. Each cluster, originating from a single DNA fragment, acts as one sequencing reaction. In a sequencing reaction, a DNA cluster is tested by adding one of the nucleotides at a time. If the nucleotide is complementary, the change in concentration of the added dNTP can be monitored. This change can be tested directly in any part of the sequencing chamber.

Подробное описание камеры секвенированияDetailed description of the sequencing chamber

1. Твердая подложка, несущая фрагменты геномной ДНК, которые необходимо амплифицировать и затем протестировать на наличие комплементарных нуклеотидов. Эта камера оборудована электронными системами нагрева и охлаждения.1. A solid support carrying fragments of genomic DNA that must be amplified and then tested for complementary nucleotides. This chamber is equipped with electronic heating and cooling systems.

2. Каждый фрагмент ДНК амплифицируется методом ПЦР для получения кластера ДНК. В методе ПЦР температура реакционной смеси должна изменяться во время цикла ПЦР от 95°С до 40-60°С и, наконец, до 72°С в течение определенного количества циклов.2. Each DNA fragment is amplified by PCR to obtain a DNA cluster. In the PCR method, the temperature of the reaction mixture must vary during the PCR cycle from 95°C to 40-60°C and finally to 72°C for a certain number of cycles.

3. Четыре разных раствора, каждый из которых содержит все необходимые компоненты для добавления одного из четырех типов нуклеотидов в амплифицированный кластер ДНК, помещают в четыре разных контейнера.3. Four different solutions, each containing all the necessary components to add one of the four types of nucleotides to the amplified DNA cluster, are placed in four different containers.

4. В реакции секвенирования кластер ДНК тестируется путем добавления одного из нуклеотидов за один раз. Если нуклеотид комплементарен, можно проследить изменение концентрации. Это изменение можно тестировать непосредственно в любой части камеры секвенирования или вне ее.4. In a sequencing reaction, a DNA cluster is tested by adding one of the nucleotides at a time. If the nucleotide is complementary, the change in concentration can be monitored. This change can be tested directly in any part of the sequencing chamber or outside of it.

Краткое описание фиг. 1Brief Description of FIG. 1

1 - Реакционная камера (1), содержащая твердую подложку, несущую фрагменты геномной ДНК, подлежащие амплификации любым методом.1 - Reaction chamber (1) containing a solid support carrying fragments of genomic DNA to be amplified by any method.

2 - Система (2) нагрева и охлаждения любого типа для управления температурой реакционной камеры.2 - System (2) of heating and cooling of any type to control the temperature of the reaction chamber.

3 - Блок управления для управления всеми процессами, выполняемыми в реакционной камере (4), соединенный с блоком ввода в средства программирования и датчиками (5), (6) внутри или снаружи реакционной камеры, которые собирают данные и отправляют их в блок управления.3 - A control unit for controlling all processes carried out in the reaction chamber (4), connected to a programming input unit and sensors (5), (6) inside or outside the reaction chamber, which collect data and send them to the control unit.

4 - Система (3) переноса жидкости и воды, несущая все необходимые растворы для тестирования кластера ДНК на наличие комплементарных нуклеотидов путем добавления одного из нуклеотидов за один раз и промывки.4 - Liquid and water transfer system (3) carrying all the necessary solutions for testing the DNA cluster for complementary nucleotides by adding one of the nucleotides at a time and washing.

5 - Измерительный блок, подключенный к датчикам (5) и (6), включая все типы датчиков, необходимые для проверки того, является ли нуклеотид комплементарным или нет, и для детекции любого изменения концентрации, которое можно отследить. Это изменение можно тестировать внутри камеры секвенирования или вне ее. Затем данные собираются и могут быть отправлены в главный блок управления.5 - Measuring unit connected to sensors (5) and (6), including all types of sensors needed to check whether the nucleotide is complementary or not, and to detect any change in concentration that can be monitored. This change can be tested inside or outside the sequencing chamber. The data is then collected and can be sent to the main control unit.

Claims (13)

1. Устройство для секвенирования ДНК, содержащее: 1. A DNA sequencing device containing: а) реакционную камеру, выполненную с возможностью приема образца нуклеиновой кислоты, содержит твердую подложку, несущую фрагменты геномной ДНК, подлежащие амплификации,a) a reaction chamber configured to receive a nucleic acid sample contains a solid support carrying genomic DNA fragments to be amplified, при этом реакционная камера оснащена системами охлаждения и нагрева любого типа для регулирования температуры реакционной камеры,wherein the reaction chamber is equipped with cooling and heating systems of any type to regulate the temperature of the reaction chamber, б) систему переноса жидкости для соответствующей доставки всех компонентов для добавления одного нуклеотида на каждом этапе реакции секвенирования,b) a fluid transfer system for the appropriate delivery of all components for the addition of one nucleotide at each step of the sequencing reaction, в) датчик любого типа, который может быть размещен в любой части внутри или снаружи реакционной камеры, обеспечивая информацию о концентрации нуклеотидов до и после добавления каждого нуклеотида, иc) a sensor of any type that can be placed at any part inside or outside the reaction chamber, providing information about the concentration of nucleotides before and after the addition of each nucleotide, and г) систему управления, соединенную с блоком ввода и блоком вывода для соответствующего программирования, выполненную с возможностью управления частями устройства, регулирования температуры реакционной камеры и сбора данных, полученных от датчиков в реакционной камере.d) a control system connected to an input unit and an output unit for appropriate programming, configured to control parts of the device, regulate the temperature of the reaction chamber and collect data received from sensors in the reaction chamber. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система управления соединена с блоком ввода для разработки программного обеспечения, системой переноса жидкости, реакционной камерой, датчиками контроля температуры и датчиками процессов секвенирования, которые различаются в зависимости от способа, используемого для обнаружения изменения концентрации любым способом, известным в данной области, и могут быть расположены внутри или снаружи реакционной камеры.2. The device according to claim 1, characterized in that the control system is connected to an input unit for software development, a liquid transfer system, a reaction chamber, temperature control sensors and sequencing process sensors, which differ depending on the method used to detect a change in concentration by any method known in the art, and may be located inside or outside the reaction chamber. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система переноса жидкости удаляет непрореагировавший нуклеотид после измерения концентрации нуклеотида на каждом этапе реакции секвенирования.3. The device according to claim 1, characterized in that the liquid transfer system removes unreacted nucleotide after measuring the nucleotide concentration at each step of the sequencing reaction. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок ввода включен для разработки программного обеспечения и выбора параметров.4. The device according to claim 1, characterized in that the input unit is included for software development and parameter selection. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система управления регулирует температуру, необходимую для амплификации образца перед началом реакции секвенирования, и поддерживает температуру для соответствующего добавления одного нуклеотида на каждом этапе реакции реакционной камеры, при этом системы охлаждения и нагрева любого типа и датчики соединены с реакционной камерой и подключены к блоку управления.5. The device according to claim 1, characterized in that the control system regulates the temperature necessary for amplification of the sample before starting the sequencing reaction, and maintains the temperature for the corresponding addition of one nucleotide at each stage of the reaction of the reaction chamber, with cooling and heating systems of any type and the sensors are connected to the reaction chamber and connected to the control unit. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутри реакционной камеры можно размещать много контрольных образцов для большей точности и воспроизводимости результатов.6. The device according to claim 1, characterized in that many control samples can be placed inside the reaction chamber for greater accuracy and reproducibility of the results. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обнаружение изменения концентрации добавленного нуклеотида осуществляют датчиком любого типа, при этом датчики системы обнаружения могут быть расположены внутри или снаружи реакционной камеры.7. The device according to claim 1, characterized in that the detection of changes in the concentration of the added nucleotide is carried out by a sensor of any type, and the sensors of the detection system can be located inside or outside the reaction chamber. 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нем не определено конкретное количество образцов.8. The device according to claim 1, characterized in that it does not specify a specific number of samples.
RU2020108126A 2017-07-26 2018-07-25 Concentration-based dna sequencing device RU2806069C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EG2017071237 2017-07-26
EG2017071237 2017-07-26
PCT/EG2018/000010 WO2019020153A2 (en) 2017-07-26 2018-07-25 Concentration based dna sequencing machine

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2020108126A RU2020108126A (en) 2021-08-27
RU2020108126A3 RU2020108126A3 (en) 2022-03-09
RU2806069C2 true RU2806069C2 (en) 2023-10-25

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006089192A2 (en) * 2005-02-18 2006-08-24 Canon U.S. Life Sciences, Inc. Devices and methods for identifying genomic dna of organisms
WO2007123744A2 (en) * 2006-03-31 2007-11-01 Solexa, Inc. Systems and devices for sequence by synthesis analysis
RU2525706C2 (en) * 2009-04-15 2014-08-20 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Device for time-controlled fluorescence determination
WO2014144548A3 (en) * 2013-03-15 2014-11-27 Nanobiosym, Inc. Systems and methods for mobile device analysis of nucleic acids and proteins

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006089192A2 (en) * 2005-02-18 2006-08-24 Canon U.S. Life Sciences, Inc. Devices and methods for identifying genomic dna of organisms
WO2007123744A2 (en) * 2006-03-31 2007-11-01 Solexa, Inc. Systems and devices for sequence by synthesis analysis
RU2525706C2 (en) * 2009-04-15 2014-08-20 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Device for time-controlled fluorescence determination
WO2014144548A3 (en) * 2013-03-15 2014-11-27 Nanobiosym, Inc. Systems and methods for mobile device analysis of nucleic acids and proteins

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5725670B2 (en) Real-time gene expression profile analysis
EP1407046B1 (en) Method of dna sequencing using cleavable tags
EP2956550B1 (en) Enhanced probe binding
US11274341B2 (en) Assay methods using DNA binding proteins
JP2017533709A (en) Sequencing from multiple primers to increase data speed and density
US9322060B2 (en) Methods and apparatus to sequence a nucleic acid
JP3752466B2 (en) Genetic testing method
RU2806069C2 (en) Concentration-based dna sequencing device
US7838236B2 (en) Analytical method and kit
US20200318176A1 (en) Concentration based dna sequencing machine
WO2023243147A1 (en) Gene analysis method, gene analysis apparatus, and gene analysis kit
WO2016077602A1 (en) Next generation sequencing methods