【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生物聚合物测序的装置，方法和化学试剂
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年1月18日提交的美国临时申请系列号62/794,096的优先权，其完整公开通过引用方式纳入本文。
[0003]本专利技术的实施方式涉及利用电子信号测序或鉴定生物聚合物的系统、方法、装置、和组合物。更具体地，本公开包括基于酶活(包括复制)教导构建系统以电子方式检测生物聚合物的实施方式。本专利技术中的生物聚合物包括但不限于天然或合成的DNA、RNA、DNA寡核苷酸、蛋白质、肽、多糖等。酶包括但不限于天然的、突变的或合成的DNA聚合酶、RNA聚合酶、DNA解旋酶、DNA连接酶、DNA外切核酸酶、逆转录酶、RNA引物酶、核糖体、蔗糖酶、乳糖酶等。在下文中，主要讨论并使用DNA和DNA聚合酶以说明本专利技术概念。
[0004]专利技术背景
[0005]通过酶促合成进行DNA测序可以追溯到桑格的链终止法，该方法在靶序列的体外复制期间通过DNA聚合酶把双脱氧核苷酸选择性地纳入DNA中。
1,2
这种酶促方法已经以高通量或实时方式扩展到下一代测序(NGS)。
3,4
尽管NGS已经将人类基因组测序的成本降低到$1000的范围，但最近的数据显示成本的降低可能已经达到了最低水平(https://www.genome.gov/27565109/the
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cost
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of
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sequencing
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a
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于鉴定、表征或测序生物聚合物的系统，其包括(a)非导电性基材；(b)通过第一电极和第二电极彼此相邻放置在所述非导电性基材上形成的纳米间隙；(c)通过化学键将一端附接所述第一电极，另一端附接所述第二电极桥接所述纳米间隙的纳米结构，其中所述纳米结构包括核酸，其为脱氧核糖核酸(DNA纳米结构)或核糖核酸(RNA纳米结构)或其组合；(d)附接到进行生化反应的所述纳米结构上的酶；(e)在所述第一电极和第二电极之间施加偏压；(f)记录通过所述纳米结构的电流波动的装置，所述电流波动是由附接到所述纳米结构上的酶引发的构象改变导致的所述纳米结构内部变形导致的；和(g)用于数据分析鉴定生物聚合物或生物聚合物的亚单位的软件。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述非导电性基材包括：硅、氧化硅、氮化硅、玻璃、二氧化铪、任何金属氧化物、任何非导电性聚合物膜、具有氧化硅或氮化硅或其他非导电涂层的硅、具有氮化硅涂层的玻璃、任何非导电性有机材料和/或任何非导电性无机材料。3.如权利要求1所述的系统，其中所述生物聚合物选自下组：DNA，RNA，寡核苷酸，蛋白质，肽，多糖，天然的、修饰的或合成的任何上述生物聚合物，及其组合。4.如权利要求1所述的系统，其中所述酶选自下组：DNA聚合酶，RNA聚合酶，DNA解旋酶，DNA连接酶，DNA外切核酸酶，逆转录酶，RNA引物酶，核糖体，蔗糖酶，乳糖酶，天然的、突变的、表达的或合成的任何上述酶，及其组合。5.如权利要求4所述的系统，其中所述酶选自下组：T7 DNA聚合酶，Tag聚合酶，DNA聚合酶Y，DNA聚合酶Pol I，Pol II，Pol III，Pol IV和PolV，Polα(阿尔法)，Polβ(贝塔)，Polσ(西格玛)，Polλ(兰姆达)，Polδ(德尔塔)，Polε(艾普希龙)，Polμ(缪)，PolI(埃欧塔)，Polκ(卡帕)，polη(艾塔)，末端脱氧核苷酸转移酶，端粒酶，天然的、突变的、表达的或合成的任何上述酶，及其组合。6.如权利要求4所述的系统，其中所述DNA聚合酶是天然的、突变的、表达的或合成的Phi29(Φ29)DNA聚合酶。7.如权利要求1所述的系统，其中形成所述纳米间隙的所述两个电极由约2nm至约1000nm，优选约5nm至约500nm，最优选约5nm至约50nm的距离分隔。8.如权利要求1所述的系统，其中所述电极的末端具有基本矩形面，宽度为约3nm至约1000nm，优选约10至约100nm，深度为约2nm至约1000nm，优选约2nm至约100nm。9.如权利要求1所述的系统，其中，所述电极由以下构成：d)可与硫醇、胺、硒醇和其他有机官能团反应的金属电极；e)可以通过可与锚定分子反应形成共价键的自组装单层在所述表面上被官能化的金属电极；f)可以用硅烷官能化的金属氧化物电极，其可以与所述锚定分子反应形成共价键；或g)可以用有机试剂官能化的碳电极，其可以与所述锚定分子反应形成共价键。
10.如权利要求1所述的系统，其中除了所述电极末端表面在纳米间隙处未被覆盖，所述电极和所述基材被绝缘层覆盖。11.如权利要求10所述的系统，其中所述绝缘层包括单层或多层钝化的惰性化学品。12.如权利要求11所述的系统，其中所述惰性化学品包括用于金属表面钝化的11
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巯基十一烷
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六甘醇(CR
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1)，和用于基材表面钝化的氨基丙基三乙氧基硅烷(CR
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2)以及N
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羟基琥珀酰亚胺2
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(ω
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O
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甲氧基
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六甘醇)乙酸酯(CR
‑
3)。13.如权利要求1所述的系统，其中所述核酸纳米结构是由线性和/或环状DNA；或线性和/或环状RNA或其组合自组装而成。14.如权利要求1所述的系统，其中所述核酸纳米结构具有下述形状：(i)基本上是一维的几何形状，例如线性DNA或线性RNA结构；(j)基本上是二维的几何形状，包括但不限于，基本矩形结构、基本正方形结构、基本三角形结构、基本环形结构或其组合；(k)基本上是三维的几何形状，包括但不限于，基本圆柱形结构、基本中空管结构、基本柱状结构、包括基本柱束结构的几何形状、包括基本堆叠二维结构的几何形状、包括基本折叠的折纸状结构的几何形状或其组合。15.如权利要求1所述的系统，其中，所述纳米结构包括：a.包含酰胺、胍或三唑连接的非磷酸盐骨架；b.糖修饰的核苷或核苷类似物；和/或c.具有修饰核苷或核苷类似物的核碱基。16.如权利要求1所述的系统，其中，所述纳米结构包括：a.配置用于附接到电极的官能团；和/或b.配置用于固定所述酶的官能团。17.如权利要求16所述的系统，其中，所述配置用于电极附接的官能团包括(e)核苷糖环上的硫醇；(f)核苷核碱基上的硫醇和硒醇；(g)核苷上的脂肪胺；和/或(h)核苷上的儿茶酚；以及配置用于固定所述酶的所述官能团包括：(d)通过化学或酶促合成被纳入DNA和RNA的胺官能化核苷；(e)通过化学或酶促合成被纳入DNA和RNA的环辛炔和/或衍生物官能化核苷；和/或(f)通过化学或酶促合成被纳入DNA和RNA的儿茶酚官能化核苷。18.如权利要求9所述的系统，其中所述锚定分子包括(d)配置为用于通过多价键与金属表面相互作用的分子；(e)配置为用于通过三价键与金属表面相互作用的三脚架结构；或(f)由四苯基甲烷核构成的分子，其中三个苯环由
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CH2SH和
‑
CH2SeH官能化，一个苯环由叠氮化物、羧酸、硼酸和/或配置为用于与纳入所述DNA和/或RNA纳米结构的官能团反应的有机基团官能化。
19.如权利要求9所述的系统，其中所述锚定分子包括(e)N
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杂环碳烯(NHC)；(f)金属络合物中的N
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杂环碳烯(NHC)，其配置为用于在溶液中通过电化学方法选择性沉积在阴极电极上；(g)N
‑
杂环碳烯(NHC)，其配置为用于在有机和/或水性溶液中都沉积在金属电极上；和/或(h)N
‑
杂环碳烯(NHC)，其包含的官能团包括胺基、羧酸、硫醇、硼酸和/或配置用于附接的任何有机基团。20.如权利要求19所述的系统，其中所述金属络合物包括Au、Pd、Pt、Cu、Ag、Ti和/或任何过渡金属。21.如权利要求1所述的系统，还包括：配置成被固定在所述纳米间隙底部以支撑并稳定所述核酸纳米结构的蛋白质。22.如权利要求21所述的系统，其中所述纳米间隙的非导电性底部由化学试剂官能化以固定蛋白质，其中所述化学试剂包括：(g)配置用于氧化物表面反应的硅烷；(h)配置用于与氧化物表面反应的毒鼠硅；(i)包含毒鼠硅和官能团的多臂接头；(j)包含金刚烷核心的四臂接头；(k)包含两个毒鼠硅和两个生物素部分的四臂接头；和/或(l)包含金刚烷核心和毒鼠硅和生物素的四臂接头。23.如权利要求21所述的系统，其中所述蛋白质选自下组：抗体、受体、适体及其组合。24.如权利要求21所述的系统，其中所述蛋白质是链霉亲和素或亲和素。25.如权利要求1所述的系统，其中所述纳米结构是由生物素官能化的。26.如权利要求1所述的系统，其中所述酶是具有配置用于附接所述纳米结构的正交官能团的重组DNA聚合酶或重组逆转录酶。27.如权利要求26所述的系统，其中所述重组DNA聚合酶包括(e)配置用于在所述DNA纳米结构上点击反应的N
‑
末端和/或C
‑
末端的有机基团；(f)配置用于在所述DNA纳米结构上点击反应的非天然的、修饰的或合成的氨基酸；(g)配置用于在所述DNA纳米结构上点击反应的N
‑
末端和/或C
‑
末端的叠氮基团；和/或(h)配置用于在所述DNA和/或RNA纳米结构上点击反应的2
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氨基
‑8‑
叠氮己酸(6
‑
叠氮基
‑
L
‑
赖氨酸)。28.如权利要求27所述的系统，其中所述核酸纳米结构包括(a)带有由有机基团官能化的配置用于点击反应的核碱基和/或糖环的核苷；(b)带有由乙炔基官能化的配置用于点击反应的核碱基或糖环的核苷。29.如权利要求26所述的系统，其中所述重组逆转录酶包括(e)配置用于在所述DNA纳米结构上点击反应的N
‑
末端和/或C
‑
末端的有机基团；(f)配置用于在所述DNA纳米结构上点击反应的非天然的、修饰的或合成的氨基酸；(g)配置用于在所述DNA纳米结构上点击反应的N
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末端和/或C
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末端的叠氮基团；和/或
(h)配置用于在所述DNA和/或RNA纳米结构上点击反应的2
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氨基
‑6‑
叠氮己酸(6
‑
叠氮基
‑
L
‑
赖氨酸)。30.如权利要求1所述的系统，其中所述生化反应包括(c)以DNA为模板，以DNA核苷酸为底物，由DNA聚合酶催化的反应；和/或(d)以RNA为模板，以DNA核苷酸为底物，由逆转录酶催化的反应。31.如权利要求30所述的系统，其中所述DNA核苷酸包括(a)DNA核苷多磷酸；(b)带有机分子标签的DNA核苷多磷酸；(c)带嵌入剂标签的DNA核苷多磷酸；(d)带小沟结合剂标签的DNA核苷多磷酸；和/或(e)带药物分子标签的DNA核苷多磷酸。32.如权利要求1所述的系统，其中所述纳米间隙包括多个纳米间隙，每个纳米间隙包括一对电极、酶、纳米结构和与单个纳米间隙相关的任何特征。33.如权利要求32所述的系统，其中所述多个纳米间隙形成纳米间隙阵列，其介于约100至约1亿个纳米间隙之间，优选介于约10,000至约1百万个纳米间隙之间。34.如权利要求1所述的系统，其中所述核酸纳米结构选自下组：具有霍利迪连结体(HJ)、多臂连结体、双交叉(DX)块、三交叉(TX)块、平行交叉(PX)、张力三角、六螺旋束和单链环状DNA或DNA折纸或其组合的DNA折纸状结构，以及具有双链体、发夹、90
°‑
扭结、轻触茎环、开放3向连结体、开放4向连结体、堆叠3向连结体或3向茎环或其组合的DNA块状结构。35.如权利要求1所述的系统，其中所述核酸纳米结构包括有机超导体。36.一种用于鉴定、表征或测序生物聚合物的方法，其包括(a)提供非导电性基材；(b)通过...
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