JP7018940B2 - ナノトランジスタを使用した核酸配列決定 - Google Patents

Description

ナノメートル程度の寸法を有するトランジスタであるナノトランジスタ（ｎａｎｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、化学センサまたは生物センサとして使用されている（Ｓ．Ｓｏｒｇｅｎｆｒｅｉ他、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．１１（９）：３７３９～３７４３（２０１１）；Ｒ．Ｃｈｅｎ他、ＰＮＡＳ １００（９）：４９８４～４９８９（２００３）；Ｓ．Ｐｅｎｇ他、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐａｐｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ（第３回構造的健康管理に関する国際ワークショップのための会議資料）。この文献はionicviper.org/system/files/Carbon%20Nanotube%20Sensor_resource.pdfにおいて閲覧可能である）。ナノトランジスタはしばしば固体素子（ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含み、いくつかの場合には、固体ナノトランジスタが２つの電極間の半導体材料を含む。それらの電極間の半導体材料を通して電流が送られる。ナノトランジスタ内の電気特性は、化合物の存在またはナノトランジスタへの化合物の近接に基づいて変化する。ナノトランジスタ上のナノメートル規模の素子と相互作用した化合物はしばしば、それらのナノトランジスタの電気特性および動作を変化させ、このことが、ナノトランジスタをセンサとして使用することを可能にする。ナノトランジスタは、核酸配列決定に関して、例えば単分子配列決定において検討されてきた（米国特許出願公開第２００６／０２４６４９７Ａ１号）。

本明細書に記載された技術は、ナノトランジスタ配列決定の正確さ、精度、操作、効率、経済性および／またはその他の側面の向上を対象とする。

本発明の技術の実施形態は、ナノトランジスタを使用して核酸分子を分析することを可能にする。ナノトランジスタは、ナノトランジスタの近くに分子があるときまたは分子がナノトランジスタと接触したときに、電流振動数または電流振幅などの電気特性の変化を経験しうる。核酸分子を分析するため、部分（ｍｏｉｅｔｙ）を標識として使用し、部分を、ヌクレオチドまたは他の核酸分子前駆体に付着させることができる。部分を有するヌクレオチドは、核酸分子とハイブリダイズ（ｈｙｂｒｉｄｉｚｅ）することができる。次いで、ナノトランジスタ内の電気特性の変化を測定することができる。電気特性のこの変化に基づいて部分を同定することができ、次いで、これに対応して、部分に関連づけられたヌクレオチドも同定することができる。次いで、それに応じて、核酸分子の配列を決定することができる。

いくつかの実施形態では、ヌクレオチドの感知を助けるために、係留化合物（ｔｅｔｈｅｒ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）を用いてトランジスタにポリメラーゼを係留することができる。ヌクレオチドは、部分を含む標識化合物（ｌａｂｅｌ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）に付着している。ポリメラーゼは、ヌクレオチドを核酸分子とハイブリダイズさせる。ヌクレオチドのこのハイブリダイゼーションによって、ヌクレオチドは、標識化合物から分離することができる。ヌクレオチドが標識化合物から分離した後、標識化合物の一部分が係留化合物の一部分と結合することができる。その結果、部分は、その部分が検出される十分な位置までナノトランジスタに接近することができる。標識化合物の残りの部分は、係留化合物から部分的にまたは完全に分離することができる。次いで、標識化合物は係留化合物に再び結合することができ、標識化合物はこの過程を繰り返す。その結果生じるトランジスタ内の電気特性変化が、部分を同定する際の助けとなることがある。標識化合物が係留化合物から完全に分離した後、次いで、ポリメラーゼによって、配列を決定する対象核酸分子に、別の部分を有する別のヌクレオチドを付加することができる。本発明の技術の実施形態は、光学特性によってではなく電気特性によって核酸分子を分析することを可能にする。さらに、実施形態は、分析における洗浄サイクルの必要性も回避することができる。

いくつかの実施形態は、核酸配列、例えばＤＮＡを決定する方法を含む。この方法は、係留化合物によってトランジスタに付着させた核酸ポリメラーゼによって新生鎖（ｎａｓｃｅｎｔ ｓｔｒａｎｄ）を伸長させることを含むことができる。この核酸ポリメラーゼは、部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチドを組み込むことができる。核酸ポリメラーゼは、新生鎖および部分からヌクレオチドを切断することもできる。この方法はさらに、部分に起因するトランジスタの電気特性の変化を測定することを含むこともできる。この方法はさらに、電気特性の測定された変化に基づいてヌクレオチドを同定することを含むことができる。

実施形態は、核酸分子システムを含むことができる。このシステムは、係留化合物に付着させた核酸ポリメラーゼを含むことができる。このポリメラーゼは、新生鎖を伸長させるように構成されていてもよい。このシステムはさらに、標識化合物に付着させたヌクレオチドを含むこともできる。この標識化合物は部分を含んでいてもよい。このシステムはさらに、電源と電気的に連絡したトランジスタも含むことができる。このトランジスタにポリマーが付着していてもよい。このシステムはさらに、核酸ポリメラーゼによってヌクレオチドから標識化合物が切断された後に、部分によるトランジスタの電気特性を測定するように構成された計測装置を含むことができる。

いくつかの実施形態は、複数の核酸配列を決定する方法を含む。この方法は、鋳型親鎖をトランジスタに固定することを含むことができる。この方法は、核酸ポリメラーゼによって新生鎖を伸長させることを含む。この核酸ポリメラーゼは、部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチドを組み込むことができる。このポリメラーゼは、新生鎖の伸長中にヌクレオチドを標識化合物から切断することができる。新生鎖は鋳型親鎖とハイブリダイズしている。この方法はさらに、部分に起因するトランジスタの電気特性の変化を測定することを含む。この方法はさらに、電気特性の測定された変化に基づいてヌクレオチドを同定することを含む。

実施形態はさらに、核酸分子分析システムを含むことができる。このシステムは、トランジスタに固定された鋳型親鎖を含む。このシステムはさらに、鋳型親鎖とハイブリダイズした新生鎖を伸長させるように構成された核酸ポリメラーゼも含む。このシステムはさらに、標識化合物に付着させたヌクレオチドを含む。この標識化合物は部分を含んでいてもよい。このシステムはさらに、トランジスタと電気的に連絡した電源を含むことができる。このシステムはさらに、核酸ポリメラーゼが標識化合物からヌクレオチドを切断した後に、部分によるトランジスタの電気特性を測定するように構成された計測装置を含むことができる。

本発明は、核酸配列を決定する方法を提供する。この方法は、係留化合物によってトランジスタに付着させた核酸ポリメラーゼによって新生鎖を伸長させることを含み、核酸ポリメラーゼは、部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチドを組み込み、鋳型親鎖とハイブリダイズした新生鎖の伸長中にヌクレオチドを標識化合物から切断し、この方法はさらに、部分に起因するトランジスタの電気特性の変化を測定すること、および電気特性の測定された変化に基づいてヌクレオチドを同定することを含む。係留化合物は、ペプチド配列およびポリマーを含むことができ、ポリマーは、トランジスタに固定されていてもよい。標識化合物は、部分に付着させた第１の核酸鎖を含むことができる。この方法はさらに、第１の核酸鎖の一部分を第２の核酸鎖の一部分とハイブリダイズさせること、および任意選択で、第１の核酸鎖のこの部分を第２の核酸鎖のこの部分を用いて分離することを含むことができる。電気特性は、電流とすることができ、電流振幅または電流振動数を含むことができる。

この方法はさらに、部分をトランジスタに近づけたり、トランジスタから遠ざけたりすることを含むことができ、部分を移動させると電気特性が変化する。ヌクレオチドが第１のヌクレオチドであり、部分が第１の部分であり、標識化合物が第１の標識化合物であり、電気特性の変化が電気特性の第１の変化である場合、この方法はさらに、核酸ポリメラーゼによって新生鎖をさらに伸長させることを含むことができ、核酸ポリメラーゼは、第２の部分を含む第２の標識化合物に付着させた第２のヌクレオチドを組み込み、新生鎖のこのさらなる伸長中に第２のヌクレオチドを第２の標識化合物から切断し、この方法はさらに、第２の部分に起因するトランジスタの電気特性の第２の変化を測定すること、および電気特性の測定された変化に基づいて第２のヌクレオチドを同定することを含むことができる。

第１の部分は、第２の部分とは異なっていてもよく、第１の部分に起因するトランジスタの電気特性の第２の変化は、第２の部分に起因するトランジスタの電気特性の第１の変化とは異なることがある。第１の標識化合物は第１の核酸鎖を含むことができ、第２の標識化合物は第２の核酸鎖を含み、第２の核酸鎖は、第１の核酸鎖と同じ配列を含む。

ヌクレオチドが第１のヌクレオチドである場合、次いで、この方法はさらに、第２のヌクレオチドを同定することを含むことができ、鋳型親鎖はこの第２のヌクレオチドを含む。一実施形態では、この新規の方法がさらに、部分が振動してトランジスタに近づいたりトランジスタから遠ざかったりしている間に、トランジスタを流れる電流の測定の振幅および振動数を測定することを含むことができる。

本発明はさらに、核酸配列を決定する方法を提供する。この方法は、鋳型親鎖をトランジスタに固定すること、および核酸ポリメラーゼによって新生鎖を伸長させることを含み、核酸ポリメラーゼは、部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチドを組み込み、鋳型親鎖とハイブリダイズした新生鎖の伸長中にヌクレオチドを標識化合物から切断し、この方法はさらに、部分に起因するトランジスタの電気特性の変化を測定すること、および電気特性の測定された変化に基づいてヌクレオチドを同定することを含む。

この方法はさらに、それぞれが同一の配列を含む複数の鋳型親鎖をトランジスタに固定すること、および複数の核酸ポリメラーゼによって複数の新生鎖を伸長させることを含み、複数の核酸ポリメラーゼは、複数のヌクレオチドを組み込み、複数のそれぞれのヌクレオチドは、複数の標識化合物のうちの１つの標識化合物に付着しており、複数のそれぞれの標識化合物は、複数の部分のうちの１つの部分を含み、複数の核酸ポリメラーゼは、複数の新生鎖の伸長中に複数のヌクレオチドを複数の標識化合物から切断し、複数の新生鎖のそれぞれの新生鎖は、複数の鋳型鎖のうちの１つの鋳型親鎖とハイブリダイズしており、トランジスタの電気特性の変化を測定することは、複数の部分に起因する電気特性の変化を測定することを含み、電気特性の測定された変化に基づいてヌクレオチドを同定することは、電気特性の測定された変化に基づいて複数のヌクレオチドを同定することを含む。

鋳型親鎖をトランジスタに固定することは、鋳型親鎖をトランジスタに接触させることを含むことができる。鋳型親鎖をトランジスタに固定することは、鋳型親鎖を粒子に固定することを含むこともでき、新生鎖の伸長中、粒子はトランジスタと接触している。この粒子をビーズとすることができ、または係留化合物によってこの粒子をトランジスタに固定することができる。

本発明はさらに、上に開示された本発明に基づく方法を実行するためのシステムおよび機器を提供する。

本発明の技術の実施形態に基づくナノトランジスタを示す図である。 本発明の技術の実施形態に基づくナノトランジスタからの電気特性のグラフである。 ナノトランジスタの半導体材料上に化合物が存在するときの、本発明の技術の実施形態に基づくナノトランジスタを示す図である。 本発明の技術の実施形態に基づくナノトランジスタの半導体材料と化合物が接触する前後のナノトランジスタからの電気特性のグラフである。 本発明の技術の実施形態に基づく核酸分析システムを示す図である。 部分がナノトランジスタと接触した、本発明の技術の実施形態に基づく核酸分析システムを示す図である。 核酸配列を決定する、本発明の技術の実施形態に基づく方法を示す図である。 異なる部分に起因する電流の変化を示す、本発明の技術の実施形態に基づく図である。 本発明の技術の実施形態に基づく核酸分析システムを示す図である。 部分がナノトランジスタと接触した、本発明の技術の実施形態に基づく核酸分析システムを示す図である。 核酸配列を決定する、本発明の技術の実施形態に基づく方法を示す図である。 本発明の技術の実施形態に基づくコンピュータシステムを示す図である。 本発明の技術の実施形態に基づく配列決定システムを示す図である。 本発明の技術の実施形態に基づくコンピュータシステムを示す図である。

定義
「核酸」は、デオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチド、および１本鎖または２本鎖の形態のデオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチドのポリマーを指すことがある。この用語は、合成、天然および非天然であり、基準核酸と同様の結合特性を有し、基準ヌクレオチドと同様に代謝される、知られているヌクレオチド類似体または修飾された骨格鎖残基（ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｂａｃｋｂｏｎｅ ｒｅｓｉｄｕｅ）もしくは連鎖（ｌｉｎｋａｇｅ）を含む、核酸を包含することがある。このような類似体の例には、限定はされないが、ホスホロチオアート、ホスホラミダイト、メチルホスホナート、キラル－メチルホスホナート、２－Ｏ－メチルリボヌクレオチド、ペプチド－核酸（ＰＮＡ）が含まれる。

特段の記載がない限り、特定の核酸配列は暗に、明示的に示された配列だけでなく、その核酸配列の保存的に修飾された異形（ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅｌｙ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｖａｒｉａｎｔ）（例えば縮退コドン置換（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ ｃｏｄｏｎ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ））および相補配列も包含する。具体的には、縮退コドン置換は、１つまたは複数の選択された（または全ての）コドンの第３位が混合基および／またはデオキシイノシン残基で置換された配列を生成することによって達成することができる（Ｂａｔｚｅｒ他、Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｒｅｓ．１９：５０８１（１９９１）；Ｏｈｔｓｕｋａ他、Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２６０：２６０５～２６０８（１９８５））；Ｒｏｓｓｏｌｉｎｉ他、Ｍｏｌ．Ｃｅｌｌ．Ｐｒｏｂｅｓ ８：９１～９８（１９９４））。核酸という用語は、遺伝子、ＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチドおよびポリヌクレオチドと相互に交換可能に使用される。

用語「ヌクレオチド」は、そうでないことが文脈から明らかである場合を除き、天然に存在するリボヌクレオチド単量体またはデオキシリボヌクレオチド単量体を指すことに加えて、誘導体および類似体を含む、それらに関係した構造的異形であって、ヌクレオチドが使用されている特定の文脈（例えば相補塩基とのハイブリダイゼーション）に関して機能的に等価である構造的異形をも指すと理解することができる。

用語「振動する」は、ブラウン運動または他の力の結果として流体中で物体が運動することを指すことがある。物体は、人または機械による能動的介入なしに振動することがある。いくつかの場合には、印加電界または圧力駆動の流れの結果として物体が振動する。

用語「接触させる」は、１つの物体の電子が別の物体を通り抜けるような態様で、１つの物体を別の物体の近くに置くことを指すことがある。原子以下のレベルでは、物体が互いに接近することを物体中の電子雲からの反発力が妨げることがあるため、２つの物体が物理的に互いに決して接触しないことがある。

用語「部分」は、この技術用語が化学分野で使用されるときと同様に、官能基を含むことがある。さらに、部分が、より大きな化合物の部分を構成する１つの原子または互いに結合した一群の原子を指すこともある。

用語「デバイ長（Ｄｅｂｙｅ ｌｅｎｇｔｈ）」は、化合物または化合物の一部分の電気的効果の尺度であることがある。デバイ長は、電荷が分離する距離であることがある。より長いデバイ長は、より強い電気的効果を示すことがある。

詳細な説明
従来の配列決定法は、蛍光染料でヌクレオチドを標識することを含む。使用可能な染料の限界および異なる染料を区別することの光学的限界のため、標識されたヌクレオチドのそれぞれの使用後を含め、定期的に染料を洗い流す必要がある。その後に、異なるヌクレオチド用の異なる染料を導入することができる。この染料の洗浄が、配列決定の効率を低下させることがある。

固体トランジスタは、核酸分子の配列決定を含む分子分析の有望なシステムを提供する。これらの固体トランジスタは、ナノメートル程度または０．１μｍ未満の規模を有することがあり、ナノトランジスタと呼ばれる。例として、ナノトランジスタには、カーボンナノチューブトランジスタ、グラフェントランジスタ、半導体遷移金属ジカルコゲニド（ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）２Ｄ結晶トランジスタ（例えばＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、ＷＳ_２、ＷＳｅ_２、ＭｏＴｅ_２、ＷＴｅ_２、ＴｅＳ_２、ＳｎＳｅ_２、ＴｅＳｅ_２）、またはシリコンナノワイヤトランジスタが含まれる。基板上に１つまたは複数のナノトランジスタを配置することができ、それぞれのナノトランジスタは、核酸分子の配列を決定するために使用される。

ナノトランジスタの近くにある分子またはナノトランジスタと接触した分子が、ナノトランジスタのドレイン電流または他の電気特性に影響を及ぼすことがある。核酸分子および他の分子を分析するときには通常、媒質として水が使用される。水は極性溶媒であり、水のデバイ長は１ｎｍ未満である。したがって、水は、他の媒質に比べて、所与の距離におけるナノトランジスタに対する分子の影響を低減させることがある。その結果、分析対象の分子は、ナノトランジスタのごく近くに位置しなければならないことがある。分子は、ナノトランジスタと直接に接触してもよい。液体媒質中では、評価可能な信号を測定するのに十分な持続時間の間、遊離した分子が、静止したナノトランジスタのすぐ近くにあるか、または静止したナノトランジスタと接触している確率は低い。このことは、単一の小分子を同定することさえ困難にする。

大きな分子では、その分子のどの部分がナノトランジスタに最も近いかによって、ナノトランジスタに対するその分子の影響が異なることがある。ナノトランジスタを使用して、分子の特定の部分を同定することができる。核酸分子の配列を決定するためには、核酸分子中の１つのヌクレオチドだけではなく、核酸分子中のいくつかのヌクレオチドを同定する必要がある。その結果、ナノトランジスタによって同定されるためには、同じ核酸分子中の１つのヌクレオチドだけではなく、同じ核酸分子中のいくつかのヌクレオチドが、ナノトランジスタのすぐ近くになければならない。したがって、ナノトランジスタによって同じ核酸分子中のいくつかのヌクレオチドが同定される確率は、単一のヌクレオチドまたは小分子が同定される確率よりもはるかに低いであろう。さらに、ヌクレオチドが核酸分子とハイブリダイズするときにヌクレオチドから標識が分離されることがあり、このことは、ナノトランジスタによって標識が感知される可能性を低下させる。本明細書に記載された技術は、トランジスタに固定された係留化合物に核酸分子を付着させることによって、分子がナノトランジスタの近くにある持続時間および確率を増大させる。

Ｉ．ナノトランジスタを用いた配列決定
図１はナノトランジスタ１００を示す。ナノトランジスタ１００は、ソース電極１０２およびドレイン電極１０４を含む。ソース電極１０２とドレイン電極１０４は半導体材料１０６によって接続されている。半導体材料１０６は、ゲート電極１０８に電圧が印加されない限り、ソース電極１０２とドレイン電極１０４の間に電流が流れることを許さない。この電圧は、電圧源１０９によって供給することができる。半導体材料は、カーボンナノチューブ、グラフェン、半導体遷移金属ジカルコゲニド２Ｄ結晶（例えばＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、ＷＳ_２、ＷＳｅ_２、ＭｏＴｅ_２、ＷＴｅ_２、ＴｅＳ_２、ＳｎＳｅ_２、ＴｅＳｅ_２）またはシリコンナノワイヤを含むことができる。次いで、ソース電極１０２とドレイン電極１０４の間に、電源１１０によって供給された電流を流すことができる。半導体材料内の電気特性、例えば電流または電圧を計測器１１２によって測定することができる。この電気特性は、半導体材料１０６の近くの化合物の存在に基づいて変化することがある。電気特性のデータはコンピュータシステム１１４によって分析される。

図２は、ナノトランジスタ１００を流れる電流の簡略化された図を示す。ｙ軸には電気特性が示されており、ｘ軸には時間が示されている。半導体材料１０６の近くには化合物が存在していないため、時間が経過しても電気特性は一定のままである。

図３は、半導体材料１０６上に化合物１１６が存在するときのナノトランジスタ１００を示す。化合物１１６は、半導体材料１０６の寸法と同程度の寸法を有することがある。化合物１１６は、１ｎｍ、１０ｎｍ、１００ｎｍまたは１μｍ程度の特性サイズを有することがある。化合物１１６は、強い静電界効果を有する化合物であることがある。これらの理由またはその他の理由から、化合物１１６は、ソース電極１０２とドレイン電極１０４の間の電気特性に影響を及ぼすことがある。

図４は、半導体材料１０６上に化合物１１６が瞬時に加えられたときの、ナノトランジスタ１００を流れる電流の簡略化された図を示す。この図では、化合物１１６が、ナノトランジスタ１００内の電気特性を瞬時に増大させる効果を有する。いくつかの実施形態では、化合物が、ナノトランジスタ１００内の電気特性を低下させる効果を有する。

ナノトランジスタ１００を流れる電流またはナノトランジスタ１００の他の電気特性は、化合物１１６の素性（ｉｄｅｎｔｉｔｙ）に依存することがある。異なる化合物は、ナノトランジスタ１００を流れる電流またはナノトランジスタ１００内の他の電気特性に対して異なる効果を有することがある。また、異なる化合物は、異なる速度でナノトランジスタ１００に近づきまたはナノトランジスタ１００から遠ざかることがある。これは、化合物に作用する静電気力もしくは流体工学的な力またはその他の力の結果であることがある。実際には、化合物１１６は半導体材料１０６上に瞬時には現れず、その結果、電気特性は、図４に示された階段関数（ｓｔｅｐ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）のようにはすぐには変化しないと考えられる。

化合物が異なると、ナノトランジスタ１００内で測定される電気特性も異なることがあるため、ナノトランジスタ１００を使用して、異なる化合物を識別することができる。特に、ナノトランジスタを使用して核酸分子の配列を決定することができる。核酸分子はヌクレオチドの組合せを含む。それぞれのヌクレオチドが、ナノトランジスタに十分に近い位置に、十分な持続時間の間、存在し、ナノトランジスタに対するそのヌクレオチドの影響を、近隣のヌクレオチドの影響から区別することができる場合には、ナノトランジスタを使用して、核酸分子のそれぞれのヌクレオチドを識別することができる。次いで、ヌクレオチドの素性に基づいて配列を決定することができる。後に説明するように、ヌクレオチドに付着させた標識化合物から配列を決定することもできる。その場合には、異なるタイプのヌクレオチド（例えばＣ、Ｔ、ＡおよびＧ）が異なる標識化合物を有し、それによって配列を決定することができる。

ＩＩ．係留されたポリメラーゼを用いた核酸配列決定
ナノトランジスタの近傍にヌクレオチドが留まる確率およびその持続時間を増大させるために、ナノトランジスタに核酸ポリメラーゼを係留することができる。この係留は、（図３および４の場合のように）ナノトランジスタ内の電気特性に影響を及ぼすのに十分に近い位置にヌクレオチドがある間に、ヌクレオチドが新生鎖に組み込まれることを可能にする。化合物が、ナノトランジスタにポリメラーゼを係留してもよい。

ポリメラーゼを係留しただけでは、ナノトランジスタの電気特性に影響を及ぼすためにナノトランジスタに十分に近い位置にヌクレオチドを置くことはできない可能性がある。ナノトランジスタの近くにヌクレオチドを移動させる代わりに、部分に付着させたポリマーでヌクレオチドを標識することができる。この部分は、十分に近い位置において、ナノトランジスタの強いフィールドディスラプション（ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎ）を引き起こす。このポリマーは、ナノトランジスタにポリメラーゼを係留する化合物と少なくとも部分的にハイブリダイズする１本鎖核酸を含んでもよい。このようにすると、ヌクレオチドの三リン酸エステルが加水分解した後、ポリマーおよび部分はヌクレオチドから分離される。このポリマーは、ナノトランジスタにポリメラーゼを係留する化合物と結合することができる。ポリマーがこの化合物（すなわち係留化合物）に結合すると、部分がナノトランジスタに接近し、この接近が、ナノトランジスタのコンダクタンスに影響を及ぼす。次いで、電気特性の変化を測定することができる。部分は、ナノトランジスタを流れる電流の振幅に影響を及ぼす可能性があるだけでなく、含まれる特定の結合のために、ある振動数で振動する可能性もある。ナノトランジスタを流れる電流の振幅および振動数は、ヌクレオチドを同定する助けになることがある。

Ａ．係留されたポリメラーゼを用いたシステム
図５および６は、本発明の技術の実施形態に基づく核酸分析システム５００を示す。示されているとおり、システム５００は、係留化合物５０４に固定された核酸ポリメラーゼ５０２を含み、係留化合物５０４は、核酸ポリメラーゼ５０２をトランジスタ５０６に付着させている。核酸ポリメラーゼ５０２は、係留化合物５０４と共有結合していてもよい。トランジスタ５０６は、ナノトランジスタ１００または本明細書に記載された任意のトランジスタとすることができる。核酸ポリメラーゼ５０２は、新生鎖５１６を伸長させるように構成されている。新生鎖５１６は、鋳型親鎖５１４とハイブリダイズする。新生鎖５１６と鋳型親鎖５１４は中間核酸分子５１２を形成する。係留化合物５０４は、核酸鎖５０３（すなわち第１の核酸鎖）およびポリマー５０５を含む。

図５において、ポリマー５０５は、係留化合物５０４のトランジスタ５０６と接触した部分として示されており、核酸鎖５０３は、係留化合物５０４の、係留化合物５０４の主線から分かれた水平線を有する部分として示されている。ポリマー５０５は、ポリエチレングリコール、ペプチドまたは生体ポリマーを含むことができる。ポリマー５０５は、同様の性質を有する別のポリマーに対して特定の親和性を有することができる。例えば、ポリマー５０５は、別のペプチドに対して既知の親和性を有する短いペプチドとすることができる。このペプチドはある配列を有することができ、特定の配列のオリゴヌクレオチドと相互作用するために、このペプチドを使用することができる。核酸鎖５０３はオリゴヌクレオチドとすることができる。

システム５００は、ヌクレオチド５２０などのヌクレオチドを含むことができる。それらのヌクレオチドは、鋳型親鎖５１４とハイブリダイズすることができ、新生鎖５１６に組み込まれることができる。ヌクレオチド５２０は第１の標識化合物５１８に付着している。第１の標識化合物５１８は、核酸鎖５２２（すなわち第２の核酸鎖）および部分５２４を含む。部分５２４は、強い電界を有するものとすることができ、または、さもなければ、トランジスタ５０６のデバイ長内にあるときにトランジスタ５０６に対して強い電界効果を有するものとすることができる。例えば、部分５２４を、金属クラスタ、ハロゲンまたは酸化還元剤とすることができる。金属クラスタは、多金属有機金属化合物または金属ナノ粒子を含むことができる。部分５２４は、これらのカテゴリのうちの１つのカテゴリに限定されていてもよく、これらのカテゴリのうちの任意のカテゴリを排除してもよく、またはこれらのカテゴリの組合せであってもよい。部分５２４または核酸鎖５２２のうちの少なくとも一方が、特定のタイプのヌクレオチドを標識する役割を果たしてもよい。例えば、このシステムはさらに、第２の標識化合物５２６に付着させたヌクレオチド５２８を含むことができる。第２の標識化合物５２６は、核酸鎖５３０および部分５３２を含む。ヌクレオチド５２８および部分５３２はそれぞれ、第１の標識化合物５１８中のヌクレオチド５２０および部分５２４とは異なる。異なるヌクレオチドの同定を助けるために異なる部分を使用することができる。いくつかの実施形態では、異なるヌクレオチドが、同一の部分および異なる核酸鎖で標識される。これらの実施形態では、異なる核酸鎖が、部分の振動または運動に影響を及ぼすことがあり、その結果として、異なる核酸鎖が、トランジスタ５０６内の電気特性の変化に影響を及ぼすことがある。

第１の標識化合物５１８中の核酸鎖５２２と第２の標識化合物５２６中の核酸鎖５３０は、異なるヌクレオチド５２０および５２８に対して同じとすることができ、または、いくつかの場合には、これらの核酸鎖が、異なるヌクレオチド５２０および５２８に対して異なる。異なる核酸鎖は、異なる数のミスマッチを有する配列を含んでもよく、このことが、標識化合物と係留化合物との結合に影響を及ぼすことがある。ミスマッチの数が多いほうが部分の振動は増大する可能性がある。異なるヌクレオチドに対して核酸鎖が異なる場合、部分は、異なるヌクレオチドに対して同じでもまたは異なっていてもよい。ＤＮＡの４つの異なるヌクレオチド（Ａ、Ｔ、Ｃ、Ｇ）の場合、このシステムは、ヌクレオチドのタイプごとに１つの部分、合わせて４つの異なる部分を有する４つの異なる化合物を含むことができる。このシステムは、これらの化合物を複数含むことができ、それぞれのタイプの化合物を、これらの複数の化合物のうちの１つの化合物とすることができる。いくつかの場合、特に係留化合物の一部分が標識化合物の一部分に対して親和性を有する場合には、係留化合物と標識化合物のうちの一方または両方が核酸鎖を含まなくてもよい。例えば、両方の係留化合物は、標識化合物上のペプチドに対して親和性を有するペプチドを有することができる。

トランジスタ５０６を、電源５３４と電気的に連絡させることができる。係留化合物５０４をトランジスタ５０６に固定することができ、係留化合物５０４は、係留化合物５０４のポリマー部分によってトランジスタ５０６と接触することができる。電源５３４は直流電源でもまたは交流電源でもよい。

さらに、システム５００は、ヌクレオチド５２０が新生鎖５１４とハイブリダイズした後に、部分５２４によるトランジスタ５０６の電気特性を測定するように構成された計測装置５３６を含むことができる。最初に、標識化合物５１８がヌクレオチド５２０から切り離され、核酸鎖５２２が核酸鎖５０３とハイブリダイズする。

図６は、係留化合物５０４が第１の標識化合物５１８の一部分とハイブリダイズした後のシステム５００を示す。ヌクレオチド５２０は新生鎖５１６に組み込まれており、鋳型親鎖５１４とハイブリダイズしている。ヌクレオチド５２０中の三リン酸エステルが加水分解され、その結果、ヌクレオチド５２０は第１の標識化合物５１８から分離する。ヌクレオチド５２０の分離後、核酸鎖５２２は係留化合物５０４とハイブリダイズする。これは、核酸鎖５０３と核酸鎖５２２が、相補的な配列または実質的に相補的な配列を有するためである。係留化合物５０４を第１の標識化合物５１８の残りの部分とハイブリダイズさせると、部分５２４はトランジスタ５０６により近づくことができる。いくつかの場合には、部分５２４がトランジスタ５０６と接触する。部分５２４は１つの位置には固定されないことがある。部分５２４は、トランジスタ５０６に近づいたり、トランジスタ５０６から遠ざかったりすることがある。言い換えると、部分５２４は振動することがある。係留化合物５０４は、部分的にまたは完全に脱ハイブリダイズすることができ、いくつかの場合には、第１の標識化合物５１８の残りの部分と再びハイブリダイズする。ハイブリダイゼーションと脱ハイブリダイゼーションのこの過程も、トランジスタ５０６に近づいたりトランジスタ５０６から遠ざかったりする部分５２４の振動を引き起こすことがある。最終的に、第１の標識化合物５１８の残りの部分は完全に脱ハイブリダイズし、図５と同様の系を形成することができる。新生鎖５１６は、さらなる伸長のために別のヌクレオチドを受け入れることができる。例えば、ヌクレオチド５２８が新生鎖５１６に組み込まれることがある。

この核酸分子分析システムは、複数のトランジスタを含むことができる。電源を、それらの複数のトランジスタと電気的に連絡させることができ、この電気的連絡は、それぞれのトランジスタに電流を送ることを含むことができる。多くのトランジスタの電気特性を並列に測定するように装備された単一の計測装置によって、電流もしくは電圧などのトランジスタ内の電気特性を測定することができ、または、それぞれのトランジスタの電気特性を対応するそれぞれの計測装置が測定する複数の計測装置によって、トランジスタ内の電気特性を測定することができる。数百万個または数億個のトランジスタがこれらの複数のトランジスタを構成してもよい。これらの複数のトランジスタは多重化を可能にすることができる。この多重化は、従来のシステムおよび方法よりも効率的かつ正確であることがある。たとえシステムに数億個のナノトランジスタが含まれる場合であっても、半導体製造法によって、ナノトランジスタのコストを低くすることができる。

Ｂ．係留されたポリメラーゼを用いた方法
図７は、核酸鎖を分析する、本発明の技術の実施形態に基づく方法を示す。核酸配列は、ＤＮＡの部分配列または完全配列とすることができる。方法７００とともにシステム５００を使用することができる。

ブロック７０２で、方法７００は、係留化合物によってトランジスタに付着させた核酸ポリメラーゼによって新生鎖を伸長させることを含む。新生鎖は、鋳型親鎖とハイブリダイズしていてもよい。

ブロック７０２ａは、新生鎖に第１のヌクレオチドを組み込むことを含み、ブロック７０２ａを、新生鎖を伸長させることの一部とすることができる。ヌクレオチドは、図５のヌクレオチド５２０とすることができる。

ブロック７０２ｂは、第１のヌクレオチドを鋳型親鎖とハイブリダイズさせることを含む。ブロック７０２ｂを、新生鎖を伸長させる際の操作とすることができる。第１のヌクレオチドは、部分を含む第１の標識化合物に付着してもよい。この標識化合物はさらに、部分に付着させた第１の核酸鎖を含むことができる。この部分は、部分５２４を含む、本明細書に記載された任意の部分とすることができる。第１の標識化合物は、図５の第１の標識化合物５１８を含むことができる。

核酸ポリメラーゼは、係留化合物５０４などの化合物によってトランジスタに付着していてもよい。係留化合物は第２の核酸鎖を含むことができる。係留化合物はポリマーを含むことができる。このポリマーはトランジスタと接触していてもよく、トランジスタに固定されていてもよい。このポリマーは、本明細書に記載された任意のポリマーとすることができる。

ブロック７０４で、第１の部分を含む第１の標識化合物から第１のヌクレオチドを切断することができる。第１の標識化合物はヌクレオチドの三リン酸基に付着しているため、核酸ポリメラーゼは、第１の標識化合物からヌクレオチドを切断することができる。新生鎖にヌクレオチドが付加されるときに三リン酸エステルが加水分解されると、第１の標識化合物はヌクレオチドから分離することができる。係留化合物の第２の核酸鎖は、その一部または全部が、第１の標識化合物の第１の核酸鎖と結合またはハイブリダイズすることができる。例えば、図６に示されているように、ヌクレオチド５２０が新生鎖５１６に付加されることがある。係留化合物５０４と第１の標識化合物５１８の一部分とが互いに結合することがある。この結合が、このような結合がない場合よりも長い時間、部分５２４がトランジスタ５０６と接触した状態を維持すること、または部分５２４がトランジスタ５０６のデバイ長内に留まることを可能にすることがある。部分５２４は、ナノトランジスタに接近したりまたはナノトランジスタから遠ざかったりすることがあり、このことが電気特性に影響を及ぼすことがある。部分５２４は、ナノトランジスタと接触するように移動したり、またはナノトランジスタとの接触を解くように移動したりすることがある。いくつかの場合には、部分がナノトランジスタの近くで振動する。

ブロック７０６で、方法７００はさらに、部分に起因するトランジスタの電気特性の第１の変化を測定することを含む。この電気特性は電流または電圧とすることができる。この電気特性は、電流または電圧の振幅または振動数のうちの少なくとも一方を含むことができる。振動数は、ナノトランジスタの近くで部分が振動している間に測定することができる。いくつかの場合には、この振動が、電界またはブラウン運動のうちの少なくとも一方の結果である。この振動が、図６に示されているような第１の標識化合物中の核酸配列と係留化合物の核酸配列との一時的なハイブリダイゼーションの結果であることもある。このハイブリダイゼーションおよび脱ハイブリダイゼーションは、トランジスタ電位を含むトランジスタの電気特性および／または流体の特性の結果であることがある。電気特性のこの測定された変化は、部分がトランジスタと接触し始めたこと、トランジスタと接触したこと、トランジスタとの接触を終えたこと、またはこれらの任意の組合せに起因することがある。電気特性のこの測定された変化は、部分とトランジスタとの間の接触の量（例えば表面積）または強度に関係していることがある。

ブロック７０８で、方法７００は、電気特性の測定された第１の変化に基づいてヌクレオチドを同定することを含む。電気特性パターンを分析する際にコンピュータシステムを使用してもよく、そのコンピュータシステムがヌクレオチドを同定してもよい。

ポリメラーゼによって新生鎖に組み込まれたヌクレオチドは鋳型親鎖上のヌクレオチドと相補的であるため、鋳型親鎖上の相補ヌクレオチドも同定することができる。例えば、図６では、ヌクレオチド５２０を同定することができ、このことが、鋳型親鎖５１４上の相補ヌクレオチドの同定にもつながることになる。どちらのヌクレオチドも、本明細書に記載された方法によって決定される核酸配列の部分でありうる。

第１の標識化合物の第１の核酸鎖は、係留化合物の第２の核酸鎖から分離することができる。トランジスタ電位は、ハイブリダイズした２本の鎖を融解する効果を有することがある。第１の標識化合物は次いで、ナノトランジスタに対するその部分の影響をもはや測定することができないような態様で、ナノトランジスタから離れてバックグラウンド中へ移動または拡散することができる。言い換えると、部分は、ナノトランジスタから離れデバイ長よりも遠くへ移動することができる。第１の標識化合物が分離し、離れ去った後、係留化合物の第２の核酸鎖は、別の核酸鎖と自由にハイブリダイズすることができる。

ブロック７１０で、核酸ポリメラーゼによって新生鎖をさらに伸長させる。核酸ポリメラーゼは、新生鎖に第２のヌクレオチドを組み込む。第２のヌクレオチドは第２の標識化合物に付着していてもよく、第２の標識化合物は、第２の部分に付着させた第３の核酸鎖を含んでいてもよい。第２のヌクレオチドは第１のヌクレオチドとは異なっていてもよい。上で論じたとおり、異なるヌクレオチドの同定を助けるために、異なる部分および／または異なる核酸鎖を含む異なる標識化合物を方法で使用することができる。第２の標識化合物の第３の核酸鎖は、第１の標識化合物の第１の核酸鎖と同じ配列を含むことができる。同じ配列は、係留化合物とのハイブリダイズを可能にすることができる。

ブロック７１２で、第２の標識化合物から第２のヌクレオチドを切断することができる。三リン酸エステルが加水分解された後、核酸ポリメラーゼは、第２のヌクレオチドを切断することができる。上記の第１の標識化合物と同様に、次いで第２の標識化合物は自由に移動して、係留化合物とハイブリダイズすることができる。係留化合物とハイブリダイズすることは、第２の部分が、トランジスタの電気特性に影響を及ぼすことを可能にすることができる。

ブロック７１４で、第２の部分に起因するトランジスタの電気特性の第２の変化を測定することができる。電気特性のこの変化は、本明細書に記載された任意の変化とすることができる。

ブロック７１６で、方法７００は、電気特性の測定された第２の変化に基づいて第２のヌクレオチドを同定することを含むことができる。第２の部分に起因する電気特性の第２の変化は、第１の部分に起因する電気特性の第１の変化とは異なることがある。核酸配列中のヌクレオチドを同定する際にコンピュータシステムを使用してもよい。

トランジスタに固定された第２の化合物（例えば第２の係留化合物）によってトランジスタに第２の核酸ポリメラーゼを付着させることができる。第２の係留化合物は、別の核酸鎖および第２のポリマーを含むことができる。第２のポリマーをトランジスタに固定することができる。第２の核酸ポリメラーゼは、標識化合物の追加のヌクレオチドがハイブリダイズすることを可能にすることができ、これによって、電気特性に対する効果を増大させることができる。さらに、２つ以上の核酸ポリメラーゼを含む複数の核酸ポリメラーゼを複数の係留化合物によってトランジスタに付着させることもできる。

図８は、異なる部分が電気特性の異なる変化をどのように引き起こすのかを示す図である。異なるヌクレオチドを異なる部分で標識することができる。例えば、Ａヌクレオチドは常に部分８０２と関連づけられ、Ｃヌクレオチドは常に部分８０４と関連づけられ、Ｇヌクレオチドは常に部分８０６と関連づけられ、Ｔヌクレオチドは常に部分８０８と関連づけられる。それぞれの部分は、トランジスタ内の電流または電圧に対して異なる効果を有する。図８に示されているように、電気特性の違いは、振幅、振動数および／または持続時間の違いとして現れうる。電気特性は電流または電圧とすることができる。電気特性の振幅、振動数または持続時間の違いは、標識化合物の核酸鎖の結果であることがあり、異なるヌクレオチドに対する配列の変化が、係留化合物と標識化合物の間の結合の強度に影響を及ぼす。異なる標識化合物および／または異なる部分の電気特性は、ヌクレオチドに対する電気的な指紋を形成することができる。部分、したがってヌクレオチドを同定するため、コンピュータシステムが、電気特性の変化を、電気特性の基準変化に対して分析してもよい。電気特性の基準変化は経験的に決定してもよく、または原子特性および分子特性に基づいて算出してもよい。

Ｃ．例
システム５００と同様の核酸分析システムを使用して、核酸分子の配列を決定する。異なるタイプのヌクレオチドは異なる部分で標識される。異なる部分は、ナノトランジスタの近傍にあるときに、異なる電流シグナチャ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を示す。その結果、ナノトランジスタ内の電流パターンによってヌクレオチドが同定される。

ＩＩＩ．ナノトランジスタ上の多数の核酸
いくつかの実施形態では、核酸鎖または１本鎖オリゴヌクレオチドの多数のコピーをナノトランジスタに付着させる（係留する）。核酸鎖の多数のコピーは、多数のヌクレオチドを同時にまたはほぼ同時に付加することを可能にする。この場合、ヌクレオチドはそれぞれ同じ部分で標識されていてもよい。したがって、ナノトランジスタに対する部分の効果が倍加および集中することがあり、このことが、ナノトランジスタの電気特性の信号を、単一の部分だけが使用される場合よりも強くすることを可能にする。

核酸鎖の多数のそれぞれのコピーに対して多数のポリメラーゼを使用することができる。ナノトランジスタに核酸鎖の多数のコピーが付着している場合には、ポリメラーゼがナノトランジスタに係留されている必要がない。ポリメラーゼをナノトランジスタに係留する係留化合物がない場合には、部分を含む標識化合物を、係留化合物とハイブリダイズするように構成する必要がない。その結果、ヌクレオチドおよび部分は核酸鎖に付着していなくてもよい。

Ａ．係留された核酸を用いたシステム
図９は、核酸分子分析システム９００の一実施形態を示す。当業者であれば気づくことだが、システム９００は、以前に説明したシステム５００と類似のシステムとすることができる。システム９００は、ナノトランジスタ９０４に固定された鋳型親鎖９０２を含むことができる。ナノトランジスタ９０４は、ナノトランジスタ１００または本明細書に記載された任意のトランジスタとすることができる。鋳型親鎖９０２は、ナノトランジスタ９０４と直接に接触していてもよく、または図９に示されているように粒子９０６に固定されていてもよい。粒子９０６は、ナノトランジスタ９０４に固定されていてもよい。いくつかの実施形態では、粒子９０６がポリマーに固定されており、ポリマーが、ナノトランジスタ９０４に固定されている。図９は、多数の鋳型親鎖９０２を示しているが、システム９００は、ナノトランジスタ９０４に固定された単一の鋳型親鎖だけを含んでいてもよい。

粒子９０６はビーズとすることができ、または球形とすることができる。粒子９０６を係留化合物と考えることもできる。粒子９０６が球形でない場合、粒子９０６は特性寸法を有することができる。実施形態では、粒子９０６が、１０ｎｍから１５ｎｍ、１５ｎｍから２０ｎｍ、２０ｎｍから３０ｎｍ、３０ｎｍから４０ｎｍ、４０ｎｍから５０ｎｍ、または５０ｎｍ以上の範囲の直径または特性寸法を有することができる。

鋳型親鎖９０２は、第１の鋳型親鎖９０８および第２の鋳型親鎖９１０を含むことができる。これらの鋳型親鎖は、３つ、４つ、５つまたはそれよりも多くの鋳型親鎖を含むことができる。それぞれの鋳型親鎖は同一のヌクレオチド配列を含むことができる。この同一のヌクレオチド配列は、それぞれの鋳型親鎖中の全てのヌクレオチドを含んでもよく、またはそれぞれの鋳型親鎖中のヌクレオチドのサブセットを含んでもよい。

システム９００はさらに、鋳型親鎖９０２を使用した新生鎖９１６の伸長を促すように構成されたポリメラーゼ９１２を含むことができる。いくつかの場合には、核酸ポリメラーゼ９１２が、本明細書に記載された任意の係留化合物と同様の化合物によってナノトランジスタ９０４または粒子９０６に係留されている。いくつかの場合には、核酸ポリメラーゼ９１２がナノトランジスタ９０４に係留されておらず、その代わりに水性媒質中を自由に移動する。核酸ポリメラーゼ９１２がナノトランジスタ９０４または粒子９０６に係留されている場合、係留化合物は、上述の実施形態ならびに図５および図６で説明した実施形態と同様に、標識化合物の少なくとも一部分と結合またはハイブリダイズする核酸鎖を含むことができる。しかしながら、核酸ポリメラーゼをナノトランジスタに係留しないことは、核酸ポリメラーゼを係留する係留化合物を必要としないことによって、および係留化合物と結合するように標識化合物を構成しないことによって、システムを単純にすることができる。

システム９００はさらに複数の標識化合物を含むことができる。部分９２２を含む標識化合物９１８にヌクレオチド９２０を付着することができる。図５および図６と同様に、異なる部分を異なるヌクレオチドに関連づけることができ、それぞれのタイプのヌクレオチドには同じ部分を付着させることができる。例えば、ヌクレオチド９２０とは異なるヌクレオチド９２６は、部分９２２とは異なる部分９２４を含む化合物で標識されている。標識化合物９１８は、本明細書に記載された任意の標識化合物とすることができ、ヌクレオチド９２０は、本明細書に記載された任意のヌクレオチドとすることができる。部分９２２と同じ部分である部分９３２が、ヌクレオチド９２０と同じヌクレオチドであるヌクレオチド９３４を標識する部分として示されている。

さらに、システム９００は、ナノトランジスタ９０４と電気的に連絡した電源９２８を含むことができる。電源９２８は、本明細書に記載された任意の電源とすることができる。

システム９００はさらに、複数の部分が新生鎖に付着し、次いで複数の部分が新生鎖から分離した後に、複数の部分によるナノトランジスタ９０４の電気特性を測定するように構成された計測装置９３０を含むことができる。計測装置９３０は、本明細書に記載された任意の計測装置とすることができる。

図１０は、ヌクレオチド９２０およびヌクレオチド９３４が鋳型親鎖９０２とハイブリダイズした後のシステム９００を示す。部分９２２および部分９３２はヌクレオチドから分離し、ナノトランジスタ９０４のすぐ近くに移動するか、またはナノトランジスタ９０４と接触する。計測装置９３０は次いで、部分に起因する電気特性の変化を測定することができる。次いで、複数の核酸鎖とハイブリダイズしたヌクレオチドを同定することができる。

この核酸分子分析システムは、複数のナノトランジスタを含むことができる。システム５００と同様に、システム９００は、単一の電源と電気的に連絡した複数のナノトランジスタを含むことができる。複数のナノトランジスタは多重化を可能にすることができる。

Ｂ．係留された核酸を用いた方法
図１１に示されているように、実施形態は、核酸配列を決定する方法１１００を含むことができる。方法１１００は、システム９００を使用することを含むことができる。

ブロック１１０２で、方法１１００は、鋳型親鎖をトランジスタに固定することを含む。いくつかの実施形態では、方法１１００が、複数の鋳型親鎖をトランジスタに固定することを含む。複数のそれぞれの鋳型親鎖は、同一のヌクレオチド配列を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、複数の鋳型親鎖を粒子に固定し、次いでその粒子をナノトランジスタに固定する。この粒子は、本明細書に記載された任意の粒子とすることができる。別の実施形態では、鋳型親鎖がトランジスタと接触する。

ブロック１１０４で、方法１１００はさらに、核酸ポリメラーゼによって新生鎖を伸長させることを含むこともできる。複数の鋳型親鎖を含む実施形態では、方法が、複数の核酸ポリメラーゼによって複数の新生鎖を伸長させることを含むことができる。

ブロック１１０４ａで、方法１１００は、核酸ポリメラーゼが、部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチドを組み込むことを含むことができる。標識化合物は、本明細書に記載された任意の標識化合物とすることができ、部分は、本明細書に記載された任意の部分とすることができる。いくつかの実施形態は、複数の核酸ポリメラーゼが、部分をそれぞれが含む複数の標識化合物に付着させた複数のヌクレオチドを組み込むことを含む。それらの複数のヌクレオチドは同一のヌクレオチドとすることができる。複数のそれぞれのヌクレオチドは、複数のそれぞれの新生鎖に同時にまたはほぼ同時に付加することができる。ほぼ同時にという表現は、複数の新生鎖のうちの他のいずれかの新生鎖に異なるヌクレオチドが付加される前に、それぞれのヌクレオチドが複数の新生鎖に付加されることを意味することがある。

ブロック１１０４ｂで、方法１１００は、ヌクレオチドを鋳型親鎖とハイブリダイズさせることを含むことができる。ブロック１１０４ｂを、新生鎖を伸長させる際の操作とすることができる。いくつかの実施形態では、方法が、複数のヌクレオチドを複数の鋳型親鎖とハイブリダイズさせることを含む。

ブロック１１０６で、新生鎖の伸長中に核酸ポリメラーゼによって標識化合物からヌクレオチドを切断する。新生鎖は鋳型親鎖とハイブリダイズしている。いくつかの実施形態では、複数の核酸ポリメラーゼによって複数の標識化合物から複数のヌクレオチドを切断する。切断した後、部分または複数の部分はナノトランジスタに向かって移動することができる。例えば、図１０に示されているように、部分９２２と部分９３２は同時にナノトランジスタ９０４のすぐ近くに位置することができる。いくつかの場合には、部分９２２と部分９３２が同時にナノトランジスタ９０４と接触する。複数の標識化合物、したがって複数の部分がナノトランジスタの近くにあることにより、部分がナノトランジスタの近傍にある確率を増大させることができる。多数の部分は、トランジスタに対するそれらの部分の電界効果を結合することができるため、複数の標識化合物はさらに、ナノトランジスタに対する効果を増大させることができる。

ブロック１１０８で、方法１１００は、部分に起因するナノトランジスタの電気特性の変化を測定することを含むことができる。実施形態はさらに、複数の部分に起因する電気特性の変化を測定することを含むこともできる。この電気特性は、本明細書に記載された任意の電気特性とすることができる。

ブロック１１１０で、方法１１００はさらに、電気特性の測定された変化に基づいてヌクレオチドを同定することを含むことができる。方法は、電気特性の測定された変化に基づいて複数のヌクレオチドを同定することを含むことができる。ヌクレオチドまたは複数のヌクレオチドを同定することは、本明細書に記載された任意の同定操作を含むことができる。

複数の核酸ポリメラーゼによって複数の第２のヌクレオチドを組み込むことができる。複数の第２のヌクレオチドはそれぞれ、第２の部分を含む第２の標識化合物に付着していてもよい。第２のヌクレオチドが組み込まれた後に、複数の核酸ポリメラーゼによって複数の第２の標識化合物を第２のヌクレオチドから切断することができる。複数の第２の部分は次いで、トランジスタの電気特性の変化を引き起こすことができ、この電気特性の変化は、第２の部分、したがって第２のヌクレオチドを同定することを可能にすることができる。このようにすると、新生鎖の核酸配列を決定することができる。それに応じて、新生鎖に対して相補的な鋳型親鎖の核酸配列も決定することができる。

Ｃ．係留された核酸を用いた例
システム９００と同様の核酸分析システムを使用して、核酸分子の配列を決定する。異なるタイプのヌクレオチドは異なる部分で標識される。異なる部分は、ナノトランジスタの近傍にあるときに、異なる電流シグナチャを示す。その結果、ナノトランジスタ内の電流パターンによってヌクレオチドが同定される。

ＩＶ．コンピュータシステム
本明細書に記載されたコンピュータシステムはいずれも、適当な数のサブシステムを利用することができる。このようなサブシステムの例が図１２のコンピュータシステム１０に示されている。いくつかの実施形態では、コンピュータシステムが単一のコンピュータ装置を含み、その場合には、上記サブシステムを、そのコンピュータ装置の構成要素とすることができる。別の実施形態では、コンピュータシステムが、内部構成要素を含む多数のコンピュータ装置を含むことができ、それらのコンピュータ装置はそれぞれがサブシステムである。コンピュータシステムは、デスクトップコンピュータおよびラップトップコンピュータ、タブレット、携帯電話ならびに他の携帯型装置を含むことができる。

図１２に示されたサブシステムは、システムバス７５を介して相互に接続されている。プリンタ７４、キーボード７８、記憶装置７９、モニタ７６などの追加のサブシステムが示されており、モニタ７６はディスプレイアダプタ８２に結合されている。入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート７７などの当技術分野で知られている任意の数の手段（例えばＵＳＢ、ＦｉｒｅＷｉｒｅ（登録商標）、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔ）によって、Ｉ／Ｏコントローラ７１に結合する周辺装置および入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置を、コンピュータシステムに接続することができる。例えば、Ｉ／Ｏポート７７または外部インタフェース８１（例えばＥｔｈｅｒｎｅｔ、Ｗｉ－Ｆｉなど）を使用して、コンピュータシステム１０を、インターネットなどのワイドエリアネットワーク、マウス入力装置またはスキャナに接続することができる。システムバス７５を介した相互接続は、中央処理装置７３がそれぞれのサブシステムと通信すること、ならびに、中央処理装置７３が、システムメモリ７２または記憶装置７９（例えばハードドライブなどの固定ディスクまたは光ディスク）からの命令の実行およびサブシステム間の情報交換を制御することを可能にする。システムメモリ７２および／または記憶装置７９は、コンピュータ可読媒体を具体的に示すものであることがある。別のサブシステムは、カメラ、マイクロホン、加速度計などのデータ収集装置８５である。本明細書に記載されたデータはいずれも、１つの構成要素から別の構成要素に出力することができ、またユーザに出力することができる。

コンピュータシステムは、同じ複数の構成要素またはサブシステムを含むことができ、それらは例えば、外部インタフェース８１または内部インタフェースによって互いに接続されている。いくつかの実施形態では、コンピュータシステム、サブシステムまたは装置が、ネットワークを介して通信することができる。このような例では、１つのコンピュータをクライアント、別のコンピュータをサーバと考えることができ、それぞれを、同じコンピュータシステムの部分とすることができる。クライアントおよびサーバはそれぞれ、多数のシステム、サブシステムまたは構成要素を含むことができる。

本発明の実施形態はいずれも、ハードウェア（例えば特定用途向け集積回路もしくはフィールドプログラマブルゲートアレイ）を使用して、および／またはコンピュータソフトウェアを、汎用的にプログラム可能な処理装置とともに、モジュール方式でもしくは統合された形で使用して、制御論理の形態で実施することができることを理解すべきである。本明細書で使用されるとき、処理装置は、シングルコア処理装置、同じ集積チップ上のマルチコア処理装置、または単一の回路板上の多数の処理ユニットもしくはネットワーク化された多数の処理ユニットを含む。本明細書に提供された開示および教示に基づいて、当業者は、ハードウェアおよびハードウェアとソフトウェアの組合せを使用して本発明の実施形態を実施するための他の手法および／または方法を知り、理解するであろう。

本出願に記載されたソフトウェア構成要素または機能はいずれも、処理装置によって実行されるソフトウェアコードであって、例えば従来の技法またはオブジェクト指向の技法を使用する、例えばＪａｖａ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ－Ｃ、Ｓｗｉｆｔまたはスクリプト言語、例えばＰｅｒｌもしくはＰｙｔｈｏｎなどの適当なコンピュータ言語を使用したソフトウェアコードとして実施することができる。このソフトウェアコードは、記憶および／または伝送用のコンピュータ可読媒体上に、一連の命令またはコマンドとして記憶することができる。適当な非一時的コンピュータ可読媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、磁気媒体、例えばハードドライブもしくはフロッピーディスク、または光学媒体、例えばコンパクトディスク（ＣＤ）もしくはＤＶＤ（ディジタルバーサタイルディスク）、フラッシュメモリなどを含むことができる。コンピュータ可読媒体は、このような記憶装置または伝送装置の任意の組合せとすることができる。

このようなプログラムはさらに、さまざまなプロトコルに準拠したインターネットを含む有線、光学および／または無線ネットワークを介して伝送されるように適合された搬送信号を使用してコード化および伝送することができる。そのため、このようなプログラムでコード化されたデータ信号を使用して、本発明の一実施形態に基づくコンピュータ可読媒体を生成することができる。このプログラムコードでコード化されたコンピュータ可読媒体は、適合する装置と一緒にパッケージ化することができ、または他の装置とは別個に（例えばインターネットダウンロードによって）提供することができる。このようなコンピュータ可読媒体は、単一のコンピュータ製品（例えばハードドライブ、ＣＤまたはコンピュータシステム全体）上または単一のコンピュータ製品内に存在してもよく、システム内またはネットワーク内の異なるコンピュータ製品上またはコンピュータ製品内に存在してもよい。本明細書に記載された結果をユーザに提供するために、コンピュータシステムは、モニタ、プリンタまたは他の適当な表示装置を含むことができる。

本明細書に記載された方法はいずれも、その全体または部分を、１つまたは複数の処理装置を含むコンピュータシステムを用いて実行することができる。この１つまたは複数の処理装置は、ステップを実行するように構成することができる。したがって、実施形態は、本明細書に記載された任意の方法のステップを実行するように構成されたコンピュータシステムを対象とすることができ、潜在的には、異なる構成要素が、対応するそれぞれのステップまたは対応するそれぞれのステップ群を実行する。番号がつけられたステップとして示されているが、本明細書の方法のステップは、同時にまたは異なる順序で実行することができる。さらに、それらのステップの一部を、他の方法の他のステップの一部とともに使用することもできる。さらに、１つのステップの全体または部分を任意選択とすることもできる。さらに、任意の方法の任意のステップを、それらのステップを実行するためのモジュール、ユニット、回路または他の手段を用いて実行することもできる。

図１３は、例示的な配列決定システムを示す。図１３に示されたシステムは、配列決定装置１３０２およびインテリジェンスモジュール１３０４を含む。インテリジェンスモジュール１３０４はコンピュータシステム１３０６の一部である。配列決定装置１３０２は、システム５００またはシステム９００を含むことができる。コンピュータシステム１３０６は、コンピュータシステム１０の一部または全部を含むことができる。データセット（電気特性データセット）は、ネットワーク接続または直接接続を介して、配列決定装置１３０２からインテリジェンスモジュール１３０４に、またはインテリジェンスモジュール１３０４から配列決定装置１３０２に転送される。このデータセットを例えば、ヌクレオチドを同定するために処理することができる。その同定ステップは、コンピュータシステム１３０６のハードウェア上に記憶されたソフトウェアによって実施することができる。このデータセットは、処理装置上で実行される、インテリジェンスモジュールの記憶装置上に記憶されたコンピュータコードによって処理することができ、処理後に、分析モジュールの記憶装置に戻すことができ、分析モジュールで、変更されたデータを表示装置上に表示することができる。いくつかの実施形態では、インテリジェンスモジュールも配列決定装置内に実施される。

図１４は、コンピュータシステム１４００が受信手段１４１０を備えることができることを示している。受信手段１４１０は例えば、配列決定装置から得られた電気特性データを受信することを含むことができる。コンピュータシステム１４００はさらに、このデータ中の電気特性の変化を引き起こした部分を同定する同定手段１４２０も含むことができる。コンピュータシステム１４００はさらに、その部分に関連づけられたヌクレオチドを同定する同定手段１４３０も含むことができる。コンピュータシステム１４００はさらに、同定手段１４３０によって同定されたヌクレオチドの相補ヌクレオチドを同定する同定手段１４４０も含むことができる。

本発明の実施形態の趣旨および範囲から逸脱することなく、特定の実施形態の特定の詳細を適当に組み合わせることができる。しかしながら、本発明の他の実施形態は、それぞれの個々の態様に関する特定の実施形態、またはそれらの個々の態様の特定の組合せに関する特定の実施形態を対象とすることがある。

本発明の例示的な実施形態の上記の説明は、例示および説明のために提示されたものである。網羅的であること、または記載されたとおりの形態に本発明を限定することは意図されておらず、上記の教示を考慮した多くの変形および変更が可能である。

本発明の技術のさまざまな実施形態の理解を提供するために、上記の説明には、説明のための多数の詳細が記載されている。しかしながら、ある種の実施形態は、これらの詳細の一部がなくても、または追加の詳細を用いて実施することができることが当業者に明らかになるであろう。

いくつかの実施形態を説明したが、本発明の趣旨から逸脱することなく、さまざまな変形、代替構造および等価物を使用することができることを当業者は理解するであろう。さらに、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるため、よく知られているいくつかのプロセスおよび要素については説明しなかった。さらに、特定の実施形態の詳細がその実施形態の変更形態に常に存在するわけではなく、または、特定の実施形態の詳細を他の実施形態に追加することができる。

値の範囲が示されている場合には、そうでないことが文脈から明らかである場合を除き、その範囲の上限と下限の間に含まれる、下限の単位の１／１０までのそれぞれの介在値も、明確に開示されているものと理解される。所定の範囲内の所定の値または介在値とその所定の範囲内の別の所定の値または介在値との間のより小さなそれぞれの範囲も包含される。これらのより小さな範囲の上限および下限は、個々に独立して、その範囲に含まれることまたはその範囲に含まれないことがあり、また、明確に排除された限界がその所定の範囲内にあることを条件として、上限と下限のうちの一方もしくは両方がそれらのより小さな範囲に含まれるそれぞれの範囲、または上限と下限の両方がそれらのより小さな範囲に含まれないそれぞれの範囲も本発明に包含される。所定の範囲が、上限と下限のうちの一方または両方を含む場合、含まれる限界のうちの一方または両方を除いた範囲も含まれる。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、そうでないことが文脈から明らかである場合を除き、複数の指示物を含む。したがって、例えば、「方法（ａ ｍｅｔｈｏｄ）」への言及は、そのような複数の方法を含み、「粒子（ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ）」への言及は、１つまたは複数の粒子および当業者に知られている粒子の等価物への言及を含む。明瞭にするためおよび理解を提供するために、これまで本発明を詳細に説明してきた。しかしながら、添付の請求項の範囲内である種の変更および改変を実施することができることが理解される。

Claims (13)

1. 核酸配列を決定する方法であって、
   係留化合物によってトランジスタに付着させた核酸ポリメラーゼによって新生鎖を伸長させること、
   を含み、
   前記核酸ポリメラーゼが、
   部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチドを組み込み、ここで、前記部分は各ヌクレオチドに付着させた標識を含むものであり、
   鋳型親鎖とハイブリダイズした前記新生鎖の前記伸長中に前記ヌクレオチドを前記標識化合物から切断し、
   前記方法がさらに、
   前記部分に起因する前記トランジスタの電気特性の変化を測定すること、および、
   前記電気特性の測定された前記変化に基づいて前記ヌクレオチドを同定すること、
   を含み、
   ここで、前記電気特性が電流であり、
   前記トランジスタが、カーボンナノチューブトランジスタ、グラフェントランジスタ、半導体遷移金属ジカルコゲニド２Ｄ結晶トランジスタ、またはシリコンナノワイヤトランジスタである、
   前記方法。
2. 核酸分子を分析するためのシステムまたは機器であって、
   係留化合物に付着させた核酸ポリメラーゼであり、新生鎖を伸長させるように構成された、前記核酸ポリメラーゼ、
   部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチド、ここで、前記部分は各ヌクレオチドに付着させた標識を含むものである、
   電源と電気的に連絡したトランジスタ、ならびに、
   前記核酸ポリメラーゼが前記ヌクレオチドを組み込んだ後、および前記核酸ポリメラーゼが前記標識化合物から前記ヌクレオチドを切断した後に、前記部分による前記トランジスタの電気特性を測定するように構成された計測装置、
   を備え、
   前記係留化合物がポリマーを含み、
   前記ポリマーが前記トランジスタに固定されたものであり、
   ここで、前記電気特性が電流であり、
   前記トランジスタが、カーボンナノチューブトランジスタ、グラフェントランジスタ、半導体遷移金属ジカルコゲニド２Ｄ結晶トランジスタ、またはシリコンナノワイヤトランジスタである、
   前記システムまたは機器。
3. 前記係留化合物が、前記ポリマーに付着させた核酸鎖を含む、請求項２に記載のシステムまたは機器。
4. 前記ヌクレオチドが第１のヌクレオチドであり、
   前記部分が第１の部分であり、
   前記標識化合物が第１の標識化合物であり、
   前記システムまたは機器がさらに、
   第２の部分を含む第２の標識化合物に付着させた第２のヌクレオチド、
   を含み、
   前記第２のヌクレオチドが前記第１のヌクレオチドとは異なり、
   前記第２の部分が前記第１の部分とは異なる、
   請求項２または３に記載のシステムまたは機器。
5. 前記第１の標識化合物が、複数の第１の標識化合物のうちの１つであり、
   前記第２の標識化合物が、複数の第２の標識化合物のうちの１つである、
   請求項４に記載のシステムまたは機器。
6. 前記システムが複数のトランジスタを備え、
   前記電源が、前記複数のトランジスタと電気的に連絡した、
   請求項２～５のいずれか１項に記載のシステムまたは機器。
7. 前記部分が金属を含む、請求項２～６のいずれか１項に記載のシステムまたは機器。
8. 核酸配列を決定する方法であって、
   鋳型親鎖をトランジスタに固定すること、および、
   核酸ポリメラーゼによって新生鎖を伸長させること、
   を含み、前記核酸ポリメラーゼが、
   部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチドを組み込み、ここで、前記部分は各ヌクレオチドに付着させた標識を含むものであり、
   前記鋳型親鎖とハイブリダイズした前記新生鎖の前記伸長中に前記ヌクレオチドを前記標識化合物から切断し、
   前記方法がさらに、
   前記部分に起因する前記トランジスタの電気特性の変化を測定すること、および、
   前記電気特性の測定された前記変化に基づいて前記ヌクレオチドを同定すること、
   を含み、
   ここで、前記電気特性が電流であり、
   前記トランジスタが、カーボンナノチューブトランジスタ、グラフェントランジスタ、半導体遷移金属ジカルコゲニド２Ｄ結晶トランジスタ、またはシリコンナノワイヤトランジスタである、
   前記方法。
9. 核酸分子を分析するためのシステムまたは機器であって、前記システムが、
   トランジスタに固定された鋳型親鎖、
   前記鋳型親鎖とハイブリダイズした新生鎖を伸長させるように構成された核酸ポリメラーゼ、
   部分を含む標識化合物に付着させたヌクレオチド、ここで、前記部分は各ヌクレオチドに付着させた標識を含むものである、
   前記トランジスタと電気的に連絡した電源、ならびに、
   前記核酸ポリメラーゼが前記ヌクレオチドを組み込んだ後、および前記核酸ポリメラーゼが前記標識化合物から前記ヌクレオチドを切断した後に、前記部分による前記トランジスタの電気特性を測定するように構成された計測装置、
   を備え、
   ここで、前記電気特性が電流であり、
   前記トランジスタが、カーボンナノチューブトランジスタ、グラフェントランジスタ、半導体遷移金属ジカルコゲニド２Ｄ結晶トランジスタ、またはシリコンナノワイヤトランジスタである、
   前記システムまたは機器。
10. 前記トランジスタに固定された複数の鋳型親鎖、
    前記複数の鋳型親鎖とハイブリダイズした複数の新生鎖を伸長させるように構成された複数の核酸ポリメラーゼ、
    複数の標識化合物に付着させた複数のヌクレオチドであり、それぞれの標識化合物が、複数の部分のうちの１つの部分を含む、前記複数のヌクレオチド、
    をさらに備える、請求項９に記載のシステムまたは機器。
11. 前記鋳型親鎖が前記トランジスタと接触した、請求項９または１０に記載のシステムまたは機器。
12. 前記鋳型親鎖が粒子に固定され、前記粒子が前記トランジスタに固定された、請求項９～１１のいずれか１項に記載のシステムまたは機器。
13. 前記粒子がポリマーに固定され、前記ポリマーが前記トランジスタに固定された、請求項９～１２のいずれか１項に記載のシステムまたは機器。

Images