用于生物分子的测量和测序的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了用于生物分子的测量和测序的系统和方法。核酸分子的序列可以使用包含传感器的芯片高准确度地识别，其中每个单个传感器可以包含被间隙隔开的至少两个电极。所述电极可以被构造成在和与核苷酸相结合的隧穿标记物结合后产生至少一个电信号。表观遗传信息也可以与核酸序列同时被确定。也可以与核酸序列同时被确定。也可以与核酸序列同时被确定。

【技术实现步骤摘要】
用于生物分子的测量和测序的系统和方法
[0001]本申请为国际申请日2017年4月27日、国际申请号PCT/US2017/029978于2018年12月11日进入中国国家阶段、申请号201780036219.9、专利技术名称“用于生物分子的测量和测序的系统和方法”的分案申请。
[0002]交叉引用
[0003]本申请要求2016年4月27日提交的美国临时专利申请号62/328,527、2016年9月9日提交的美国临时专利申请号62/385,782和2016年7月7日提交的美国临时专利申请号62/359,648的利益，每个所述美国临时专利申请都通过引用以整体并入本文。


[0004]本专利技术涉及用于生物分子的测量和测序的系统和方法。

技术介绍

[0005]新的研究持续不断地增加我们对遗传信息的了解，并对如何检测核酸序列和表观遗传学提出了挑战。
[0006]在快速数据测量和提取方面存在挑战。一些方法依赖于通过修饰碱基的光学信号测量。一些方法依赖于离子电流测量和对本源碱基的某些修饰。然而，这些方法可能缺乏速度和通量，并且可能具有误差例如相位误差、光毒性、缺失和重复碱基误差以及均聚物计数误差。此外，许多方法可能需要克隆或全基因组扩增，导致扩增偏倚。没有系统能够同时直接确定DNA和RNA序列和表观遗传学。

技术实现思路

[0007]在这里，认识到了对以高准确度和低成本进行高通量且快速地测量本源DNA碱基的需求。
[0008]本公开的某些方面提供了通过在芯片上的大规模并行系统中以高通量测量来自于带有隧穿标记物的碱基的隧穿电流的多核苷酸测序方法。
[0009]本公开的某些方面提供了用于测序多核苷酸分子例如DNA的系统。所述系统可以包含配置在衬底上的被非导电间隙隔开的两个电极。所述电极和间隙可以被构造成将聚合酶容纳在所述两个电极附近。所述电极和间隙可以被进一步构造成用于在至少一个包含隧穿标记物的核苷酸在所述聚合酶存在下被并入到多核苷酸的单链部分中或结合到所述单链部分旁边时检测电子或空穴隧穿电流。
[0010]本公开的某些方面提供了一种设备，其包含配置在衬底上的被非导电间隙隔开的至少两个电极。所述电极和间隙可以被构造成将聚合酶容纳在所述两个电极附近。所述电极和间隙可以被调整以适于在核苷酸在所述聚合酶存在下并入或结合到多核苷酸期间检测电子或空穴隧穿电流。所述核苷酸可以包含隧穿标记物。所述核苷酸可以被并入到所述多核苷酸的单链部分中或结合到所述单链部分。
[0011]在某些实施方式中，可以监测核苷酸的结合和释放动力学。所述结合动力学可用
于提供关于例如靶核酸链的表观遗传组成的信息。
[0012]本公开的某些方面提供了一种用于在寡核苷酸中测定生物信息的方法。所述方法可以包括将所述寡核苷酸置于衬底上的两个电极之间，在所述两个电极之间施加偏压，测量所述两个电极之间的电流，计算所述寡核苷酸的电导或电阻，并在所述电导或电阻的基础上确定所述生物信息。
[0013]本公开的一个方面提供了一种用于测序核酸分子的方法，所述方法包括：(a)提供包含被间隙隔开的至少两个电极的衬底，其中所述衬底是固体；(b)将反应混合物导向间隙，所述反应混合物包含一种或多种标记的核苷酸类型和核酸扩增反应所必需的试剂；(c)在足以产生核酸分子的扩增产物的条件下使至少一部分反应混合物进行核酸扩增反应，所述扩增产物可以包括一种或多种标记的核苷酸类型中的至少一种；(d)使用至少两个电极来检测来自于扩增产物的至少一个电信号，所述电信号可以是扩增产物在间隙中延伸的结果，或者可以是扩增产物被引导通过间隙的结果，其中至少一个电信号包含隧穿电流；以及(e)在(d)中检测到的电信号的基础上鉴定核酸分子或其一部分的核酸序列。
[0014]在某些实施方式中，至少一个电信号至少部分是非法拉第电流。在某些实施方式中，至少一个信号包含多个信号。在某些实施方式中，至少一个信号可以包含隧穿电流，或隧穿电流和跳跃电流。在某些实施方式中，一种或多种标记的核苷酸类型可以用可促进隧穿电流和/或跳跃电流的形成的一种或多种分子和/或其他组成部分标记。在某些实施方式中，一种或多种分子和/或其他组成部分可以包含导电部分。在某些实施方式中，导电部分在一种或多种分子或其他组成部分经受电压时允许电流从所述导电部分通过。在某些实施方式中，电流可以是直流电流(DC)。在某些实施方式中，电流可以是交流电流(AC)。在某些实施方式中，分子可以包含隧穿标记物。在某些实施方式中，隧穿标记物可以被结合到一种或多种标记的核苷酸类型的给定核苷酸的碱基部分。在某些实施方式中，隧穿标记物可以被结合到一种或多种标记的核苷酸类型的给定核苷酸类型的磷酸酯链。在某些实施方式中，隧穿标记物可以被可逆地结合到一种或多种标记的核苷酸类型的给定核苷酸类型。在某些实施方式中，一种或多种标记的核苷酸类型包含至少两种不同类型的核苷酸类型或其修饰物。在某些实施方式中，至少两种类型的核苷酸或其修饰物中的每种类型可以用不同的隧穿标记物标记。在某些实施方式中，隧穿标记物可以包含两性离子化合物。在某些实施方式中，隧穿标记物可以包含核酸序列。在某些实施方式中，核酸序列可以包含大于或等于约10个碱基。在某些实施方式中，核酸序列可以包含双链部分和单链部分。在某些实施方式中，所述一种或多种标记的核苷酸类型中的至少一种可以包含终止物。在某些实施方式中，方法还包括在检测电信号后从并入到扩增产物中的给定的标记的核苷酸除去终止物。在某些实施方式中，隧穿标记物可以被结合到终止物。在某些实施方式中，隧穿标记物可以被可逆地结合到终止物。在某些实施方式中，至少一个电信号可以以大于或等于约100比1的信噪比被检测。在某些实施方式中，信噪比可以大于或等于约1000比1。在某些实施方式中，至少一个电信号可以被实时检测。在某些实施方式中，试剂可以包含酶。在某些实施方式中，酶可以具有核酸聚合酶活性。在某些实施方式中，酶可以是聚合酶。在某些实施方式中，聚合酶可以包含脱氧核糖核酸(DNA)聚合酶。在某些实施方式中，聚合酶可以包含核糖核酸(RNA)聚合酶。在某些实施方式中，方法还可以包括将聚合酶配置在至少两个电极的流体环境中。在某些实施方式中，方法还可以包括将聚合酶配置在至少两个电极之间的电介质上。
在某些实施方式中，方法还可以包括将聚合酶配置在至少两个电极中的至少一者的表面上。在某些实施方式中，方法还可以包括将聚合酶配置在至少两个电极的顶部。在某些实施方式中，聚合酶可以促进一种或多种标记的核苷酸类型中的至少一者并入到扩增产物中。在某些实施方式中，试剂可以包含离子。在某些实施方式中，离子可以包含阳离子。在某些实施方式中，阳离子可以包含Ca
2+
、Mg
2+
、Mn
2+
、Zn
2+
或其组合。在某些实施方式中，阳离子可以包含催化性阳离子、非催化性阳离子或其组合。在某些实施方式中，间隙宽度或间距可以大于或等于约1纳米(nm)。在某些实施方式中，间隙宽度或间距可以小于或等于约20nm。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核酸测序方法，其包括：使用与衬底上的两个电极附连的聚合酶来结合与样品核酸的被查问碱基互补的核苷酸，所述聚合酶通过两个接头与所述两个电极附连；测量由所述核苷酸的结合期间所述聚合酶的构象变化引起的所述两个电极之间的隧穿电流；根据所述隧穿电流测量值，从互补碱基与所述被查问碱基的结合来鉴定核苷酸。2.根据权利要求1所述的核酸测序方法，其中所述接头是肽接头。3.根据权利要求1所述的核酸测序方法，其中在使用所述聚合酶之前，所述方法还包括将所述聚合酶配置在非导电间隙中，其中所述间隙在所述电极之间被蚀刻到10nm或更大的深度。4.根据权利要求3所述的核酸测序方法，其中所述间隙具有比所述聚合酶的宽度更大的较宽部分和比所述聚合酶的尺寸更小的较小部分。5.根据权利要求1所述的核酸测序方法，其中在使用所述聚合酶之前，所述方法还包括将将所述聚合酶配置在非导电间隙上方，其中所述非导电间隙小于所述聚合酶的尺寸，并且其中所述非导电间隙被蚀刻到10nm或更小的深度。6.根据权利要求1所述的核酸测序方法，其中在使用所述聚合酶之前，所述方法还包括分别将所述接头结合到在所述两个电极上的自组装单层。7.根据权利要求6所述的核酸测序方法，其中各个所述自组装单层通过硫醇结合到所述两个电极中的对应电极。8.根据权利要求1所述的核酸测序方法，其中所述核苷酸还包含终止物。9.根据权利要求8所述的核酸测序方法，其中所述终止物被结合到核糖的3
’
。10.根据权利要求1所述的核酸测序方法，其中核苷酸是未标记的。11.一种核酸测序设备，其包含：a.配置在衬底上的被非导电间隙隔开的两个电极；b.所述两个电极和间隙被构造成容纳聚合酶，具有两个接头以将所述聚合酶与所述两个电极附连；以及c....

【专利技术属性】
技术研发人员：马苏德，
申请(专利权)人：因美纳剑桥有限公司，
类型：发明
国别省市：