KR20180072717A

KR20180072717A - 핵산 시퀀싱을 위한 장치, 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20180072717A
Application number: KR1020187012759A
Authority: KR
Inventors: 에릭 에스. 노르드만; 마크 올덤; 타케시 아카츠
Original assignee: 퀀텀 바이오시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2018-06-29
Also published as: EP3359691A4; US20190071720A1; CA3000942A1; EP3359691A1; CN108350493A; JP2018533935A; WO2017061129A1

Abstract

본 발명의 개시는 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 핵산 분자의 서열은 센서의 어레이를 포함하는 칩을 이용하여 높은 정확도로 확인될 수 있으며, 각각의 개별적 센서는 나노-갭 전극 쌍의 적어도 하나의 나노-갭을 통과하거나 이에 근접하여 핵산 분자의 유동시 전기 신호를 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 나노-갭 전극 쌍을 포함한다.

Description

핵산 시퀀싱을 위한 장치, 시스템 및 방법

교차-참조

본 출원은 전체내용이 참조로서 본원에 포함되는 2015년 10월 8일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/239,171호의 이익을 주장한다.

핵산 시퀀싱은 데옥시리보핵산(DNA) 또는 리보핵산(RNA)과 같은 핵산 분자 내의 뉴클레오티드의 순서를 결정하는 과정이다. 핵산 분자 서열의 결정은 대상체를 진단하고/하거나 치료하는 것을 돕는 것과 같은 다양한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 대상체의 핵산 서열은 유전 질병을 확인하고, 진단하고, 유전 질병에 대한 치료를 잠재적으로 개발하는데 사용될 수 있다.

현재 이용 가능한 핵산 시퀀싱 방법 및 시스템이 존재하지만, 상기 시스템과 관련된 다양한 제한이 본원에서 인지되며, 예를 들어, 이들은 고비용일 수 있거나, 대상체를 진단하고/하거나 치료하는데 필요할 수 있는 정확도로 시간 내에 충분한 서열 정보를 제공하지 못할 수 있다.

본 발명의 개시는 종 확인 및/또는 핵산 시퀀싱에 유용할 수 있는 방법, 시스템 및 컴퓨터 프로그램을 제공한다. 상기 방법 및 시스템은 표준화될 수 있는 고도로 민감한 신호를 이용하여 독립적으로 또는 동시에 핵산 분자(예를 들어, DNA, RNA 또는 이들의 변이체)를 시퀀싱함으로써 고-정확도 시퀀싱을 수행할 수 있다.

본 발명의 개시의 일 양태는, (a) 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩을 제공하는 단계로서, 어레이의 각각의 개별적 센서가 적어도 하나의 나노-갭(nano-gap)을 갖는 고상 막을 포함하고, 적어도 하나의 나노-갭이 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함하는, 단계; (b) 핵산 분자 또는 이의 일부를 적어도 하나의 나노-갭을 통과하거나 이에 근접하도록 유도하는 단계; 및 (c) 적어도 약 97%의 정확도로 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 확인하는 단계를 포함하는, 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 방법을 제공한다.

본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 핵산 분자의 적어도 약 100개의 연속적 핵산 염기의 스팬(span)에 걸쳐 적어도 약 97%의 정확도로 결정된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 핵산 분자 또는 이의 일부의 재-시퀀싱의 부재하에서 적어도 약 97%의 정확도로 결정된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 전기 회로에 커플링된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 센서는 전기 신호를 처리하는 집적 회로에 커플링된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 센서는 칩의 일부이다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 센서의 어레이는 1 mm² 당 약 50 또는 500개 이상의 개별적 센서의 밀도로 개별적 센서를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 개별적 센서 각각은 독립적으로 어드레싱 가능하다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 데옥시리보핵산(DNA) 및/또는 리보핵산 RNA를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 적어도 부분적으로 형성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 물질로 적어도 부분적으로 형성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리미터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 전극간 커패시턴스를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 정확도는 적어도 약 99.5%이다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 정확도는 핵산 분자 또는 이의 일부의 5개 이하의 핵산 염기를 확인하는 경우 적어도 약 97%이다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 정확도는 핵산 분자 또는 이의 일부의 3개 이하의 핵산 염기를 확인하는 경우 적어도 약 97%이다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 정확도는 핵산 분자 또는 이의 일부의 단일 핵산 염기를 확인하는 경우 적어도 약 97%이다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 적어도 약 97%의 정확도는 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 최대 20회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 달성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 적어도 약 97%의 정확도는 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 최대 5회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 달성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 적어도 약 97%의 정확도는 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 단일 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 달성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 적어도 10회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 확인된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 적어도 20회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 확인된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전기 신호는 전류를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 적어도 약 1 피코암페어의 전류 수준, 적어도 약 1 나노암페어의 백그라운드 전류 수준, 및 적어도 약 1 대 2의 신호 대 노이즈 비에서 적어도 약 0.5 킬로헤르츠(KHz)의 전위 속도로 적어도 하나의 나노-갭을 통과하여 유도된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 터널링 전극(tunneling electrode)을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전기 신호는 터널링 전류(tunneling current)를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 약 0.1 킬로헤르츠(KHz) 내지 100 KHz의 주파수에서 확인된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 확인 단계는 적어도 약 80%의 미가공 정확도를 발생시키는 것을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 확인 단계는 컨센서스 서열을 발생시키는 것을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 적어도 약 80%의 단일 통과 정확도로 확인된다.

본 발명의 개시의 또 다른 양태는 (a) 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩을 제공하는 단계로서, 어레이의 각각의 개별적 센서가 적어도 하나의 나노-갭을 갖는 고상 막을 포함하고, 적어도 하나의 나노-갭이 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함하는, 단계; (b) 분자 모터의 부재하에서 적어도 하나의 나노-갭을 통과하거나 이에 근접하도록 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동을 유도하는 단계; 및 (c) 다수의 시점에서 전기 신호를 검출함으로써 핵산 분자를 시퀀싱하는 단계를 포함하는, 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 방법을 제공한다.

본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 전기 회로에 커플링된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 센서는 전기 신호를 처리하는 집적 회로에 커플링된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 센서는 칩의 일부이다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 센서의 어레이는 1 mm² 당 약 500개 이상의 개별적 센서의 밀도로 개별적 센서를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 개별적 센서 각각은 독립적으로 어드레싱 가능하다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 데옥시리보핵산(DNA) 및/또는 리보핵산(RNA)을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 물질로 형성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리리터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 커패시턴스를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 적어도 약 95%의 정확도로 시퀀싱된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전기 신호는 전류를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 터널링 전극을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전기 신호는 터널링 전류를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자의 하나 이상의 핵산 서브유닛을 검출함으로써 시퀀싱된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 하나 이상의 핵산 서브유닛은 적어도 약 10 대 1, 50 대 1, 또는 100 대 1의 신호 대 노이즈 비로 검출된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자의 개별적 서브유닛은 최대 약 1 마이크로초 또는 1 밀리초의 기간에서 검출된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다.

본 발명의 개시의 또 다른 양태는 (a) 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩으로서, 어레이의 각각의 개별적 센서가 그 안에 적어도 하나의 나노-갭을 갖도록 구성된 고상 막을 포함하고, 적어도 하나의 나노-갭이 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호(들)를 발생시키도록 적합화된 전기 회로에 커플링된 전극을 포함하는, 칩; 및 (b) 칩에 커플링된 컴퓨터 프로세서로서, 컴퓨터 프로세서가 적어도 약 97%의 정확도로 개별적 센서의 어레이로부터 수신된 전기 신호(들)를 기초로 하여 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 특성규명하는 것을 돕도록 프로그램된, 컴퓨터 프로세서를 포함하는, 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 시스템을 제공한다.

본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 핵산 분자의 적어도 약 100개의 연속적 핵산 염기의 스팬에 걸쳐 적어도 약 97%의 정확도로 결정된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 핵산 분자 또는 이의 일부의 재-시퀀싱의 부재하에서 적어도 약 97%의 정확도로 결정된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 개별적 센서의 어레이는 1 mm² 당 적어도 약 500개의 개별적 센서의 밀도로 존재한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 개별적 센서 각각은 독립적으로 어드레싱 가능하다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 데옥시리보핵산(DNA) 및/또는 리보핵산(RNA)을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 물질로 형성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리미터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 커패시턴스를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전기 신호는 전류를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 터널링 전극을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전기 신호는 터널링 전류를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 시스템은 컴퓨터 프로세서에 작동 가능하게 커플링된 트랜스임피던스(transimpedence) 증폭기를 추가로 포함한다.

본 발명의 개시의 또 다른 양태는 (a) 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩으로서, 어레이의 각각의 개별적 센서가 그 안에 적어도 하나의 나노-갭을 갖도록 구성된 고상 막을 포함하고, 적어도 하나의 나노-갭이 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전기 회로에 커플링된 전극을 포함하고, 개별적 센서 각각이 독립적으로 어드레싱 가능한, 칩; 및 (b) 칩에 커플링된 컴퓨터 프로세서로서, 컴퓨터 프로세서가 다수의 시점에서 전기 신호를 검출함으로써 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 특성규명하는 것을 돕도록 프로그램된, 컴퓨터 프로세서를 포함하는, 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 시스템을 제공한다.

본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동은 분자 모터의 사용 없이 촉진된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 개별적 센서의 어레이는 1 mm² 당 적어도 약 500개의 개별적 센서의 밀도로 존재한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 데옥시리보핵산(DNA) 및/또는 리보핵산(RNA)을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리미터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 커패시턴스를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전기 신호는 전류를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 터널링 전극을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전기 신호는 터널링 전류를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 적어도 약 95%의 정확도로 시퀀싱된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다.

본 발명의 개시의 또 다른 양태는 (a) 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩을 활성화시키는 단계로서, 어레이의 각각의 개별적 센서가 적어도 하나의 나노-갭을 갖는 고상 막을 포함하고, 적어도 하나의 나노-갭이 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함하고, 전극이 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는, 단계; (b) 핵산 분자 또는 이의 일부를 적어도 하나의 나노-갭을 통과하거나 이에 근접하도록 유도하는 단계; 및 (c) 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 확인하는 단계를 포함하는, 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 방법을 제공한다.

본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 핵산 분자의 적어도 약 100개의 연속적 핵산 염기의 스팬에 걸쳐 적어도 약 97%의 정확도로 결정된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 핵산 분자 또는 이의 일부의 재-시퀀싱의 부재하에서 적어도 약 97%의 정확도로 결정된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 전기 회로에 커플링된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 센서는 전기 신호를 처리하는 집적 회로에 커플링된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 센서는 칩의 일부이다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 센서의 어레이는 1 mm² 당 약 50 또는 500개 이상의 개별적 센서의 밀도로 개별적 센서를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 적어도 약 0.5 킬로헤르츠(KHz)의 전위 속도로 적어도 하나의 나노-갭을 통과하여 유도된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 적어도 10회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 확인된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 적어도 20회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 확인된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 미만의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 확인 단계는 컨센서스 서열을 발생시키는 것을 포함한다.

본 발명의 개시의 또 다른 양태는 (a) 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩으로서, 어레이의 각각의 개별적 센서가 적어도 하나의 나노-갭을 갖는 고상 막을 포함하고, 적어도 하나의 나노-갭이 적어도 약 0.5 킬로헤르츠(KHz)의 전위 속도로의 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 적어도 약 1 피코암페어의 전류 수준의 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함하고, 전극이 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는, 칩; 및 (b) 칩에 커플링된 컴퓨터 프로세서로서, 컴퓨터 프로세서가 전류를 검출함으로써 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 특성규명하는 것을 돕도록 프로그램된, 컴퓨터 프로세서를 포함하는, 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 시스템을 제공한다.

본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동은 분자 모터의 사용 없이 촉진된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 다수의 시점에서 전기 신호를 검출함으로써 특성규명된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 개별적 센서의 어레이는 1 mm² 당 적어도 약 500개의 개별적 센서의 밀도로 존재한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 데옥시리보핵산(DNA) 및/또는 리보핵산(RNA)을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 물질로 제조된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 물질로 형성된다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리미터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 고상 막은 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 커패시턴스를 갖는다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전극은 터널링 전극을 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 전류는 터널링 전류를 포함한다. 본원에 제공된 양태의 일부 구현예에서, 핵산 분자는 적어도 약 95%의 정확도로 시퀀싱된다.

본 발명의 개시의 추가 양태 및 장점은 본 발명의 개시의 단지 예시적인 구현예가 제시되고 기재되는 하기 상세한 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명백할 것이다. 이해되는 바와 같이, 본 발명의 개시는 다른 상이한 구현예가 가능하며, 이의 여러 세부사항은 모두 본 발명의 개시를 벗어남이 없이 다양한 명백한 관점에서 변형될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적이지 않다.

본 발명의 신규한 특징은 첨부된 청구범위에서 상세하게 기재되어 있다. 본 발명의 특징 및 장점의 더 나은 이해는 본 발명의 원리가 이용되는 예시적 구현예 및 첨부된 도면(또한, 본원에서 "도" 및 "FIG")을 설명하는 하기 상세한 설명을 참조하여 획득될 것이다:
도 1은 핵산 시퀀싱을 위한 일반적인 작업 흐름을 제시한다;
도 2는 센서 어레이를 갖는 시험 칩 및 나노-갭 전극을 포함하는 센서의 구성의 예를 개략적으로 예시한다;
도 3은 나노-갭을 통해 통과하는 핵산 분자를 제시한다;
도 4는 센서에 의해 측정된 시간에 따른 신호의 플롯을 제시한다;
도 5는 본 발명의 개시의 장치, 시스템 및 방법을 이행하도록 프로그램되거나 달리 구성된 컴퓨터 시스템을 개략적으로 예시한다.

본 발명의 다양한 구현예가 본원에 제시되고 기재되었으나, 상기 구현예는 단지 예로서 제공되는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명을 벗어나지 않고 당업자에게 다수의 변경, 변화 및 대체가 발생할 수 있다. 본원에 기재된 본 발명의 구현예에 대한 다양한 대안이 이용될 수 있음이 이해되어야 한다.

본원에서 사용되는 용어 "갭"은 일반적으로 물질 내에 또는 전극 사이에 형성되거나 달리 제공되는 포어, 채널 또는 통로를 나타낸다. 물질은 고상 물질, 예를 들어, 기판일 수 있다. 갭은 감지 회로 또는 감지 회로에 커플링된 전극에 인접하거나 근접하여 배치될 수 있다. 일부 예에서, 갭은 0.1 나노미터(nm) 내지 약 1000 nm 정도의 특징적인 폭 또는 직경을 갖는다. 나노미터 정도의 폭을 갖는 갭은 "나노-갭"(본원에서 또한 "나노-갭")으로 언급될 수 있다. 일부 상황에서, 나노-갭은 약 0.1 나노미터(nm) 내지 약 50 nm, 0.5 nm 내지 30 nm, 또는 0.5 nm 또는 10 nm, 0.5 nm 내지 5 nm, 또는 0.5 nm 내지 2 nm, 또는 약 2 nm, 1 nm, 0.9 nm, 0.8 nm, 0.7 nm, 0.6 nm 또는 0.5 nm 이하의 폭을 갖는다. 일부 경우에, 나노-갭은 적어도 약 0.5 nm, 0.6 nm, 0.7 nm, 0.8 nm, 0.9 nm, 1 nm, 2 nm, 3 nm, 4 nm 또는 5 nm의 폭을 갖는다. 일부 경우에, 나노-갭의 폭은 생체분자 또는 생체분자의 서브유닛(예를 들어, 단량체)의 직경 미만일 수 있다.

본원에서 사용되는 용어 "나노포어"는 일반적으로 나노미터 정도의 최소 직경을 갖고, 기판을 통해 연장되는 포어 또는 구멍을 나타낸다. 나노포어는 크기가 다양할 수 있고, 직경이 약 1 나노미터(nm) 내지 약 수백 나노미터(예를 들어, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm) 또는 그 이상의 범위일 수 있다. 일부 경우에, 효과적인 나노포어는 직경이 대략 1.5 nm 내지 30 nm 정도이다. 나노포어가 연장되는 기판의 두께는 약 1 nm 내지 약 1 마이크론(μm) 범위일 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "나노-갭" 및 "나노포어"는 상호교환 가능하다.

본원에서 사용되는 용어 "전극"은 일반적으로 전류를 측정하기 위해 사용될 수 있는 물질 또는 부분을 나타낸다. 전극(또는 전극 부분)은 또 다른 전극으로의 또는 또 다른 전극으로부터의 전류를 측정하는데 사용될 수 있다. 일부 상황에서, 전극은 채널(예를 들어, 나노-갭)에 배치될 수 있고, 채널을 가로지르는 전류를 측정하는데 사용될 수 있다. 전류는 터널링 전류일 수 있다. 상기 전류는, 예를 들어, 나노-갭을 통한 생체분자(예를 들어, 단백질)의 유동시, 또는 나노-갭에서의 생체 분자 또는 이의 일부의 존재 또는 부재하에서 검출될 수 있다. 일부 경우에, 전극에 커플링된 감지 회로는 전극을 가로질러 적용된 전압을 제공하여 전류를 생성시킨다. 대안적으로 또는 추가로, 전극은 생체분자(예를 들어, 단백질의 아미노산 서브유닛 또는 단량체)와 관련된 전기 전도도를 측정하고/하거나 확인하기 위해 사용될 수 있다. 상기 경우에, 터널링 전류는 전기 전도도와 관련될 수 있다.

본원에서 사용되는 용어 "생체분자" 또는 "생체중합체"는 일반적으로 나노-갭 전극 전체에 걸친 전기 파라미터(들)(예를 들어, 전류, 전압, 차동 임피던스, 터널링 전류, 저항, 커패시턴스 및/또는 전도도)로 조사될 수 있는 임의의 생물학적 물질을 나타낸다. 생체분자는 핵산 분자, 단백질 또는 탄수화물일 수 있다. 생체분자는 하나 이상의 서브유닛, 예를 들어, 뉴클레오티드 또는 아미노산을 포함할 수 있다.

본원에서 사용되는 용어 "전위" 또는 "전위하다"는 일반적으로 기판의 한면으로부터 다른 면으로의 나노-갭 또는 나노포어를 통한 생체분자의 이동을 나타낸다. 이동은 규정된 방향 또는 무작위 방향으로 발생할 수 있다. 나노-갭 또는 나노포어를 통한 생체분자의 전위와 관련하여, 용어 "내"는 전체 생체분자가 나노-갭 또는 나노포어 "내에" 존재하고/하거나 이의 일부가 나노-갭 또는 나노포어의 외부에 존재할 수 있는 상황을 포함한다. 예를 들어, 나노-갭 또는 나노포어 "내"의 생체분자는 전체 생체분자가 나노-갭 또는 나노포어의 개구부 내부에 존재하거나, 이의 단지 적은 부분이 나노포어 내에 위치하면서 실질적인 부분이 나노-갭 또는 나노포어 외부에 존재하는 것을 의미한다.

본원에서 사용되는 용어 "핵산"은 일반적으로 하나 이상의 핵산 서브유닛을 포함하는 분자를 나타낸다. 핵산은 아데노신(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T) 및 우라실(U) 또는 이들의 변이체로부터 선택되는 하나 이상의 서브유닛, 예를 들어, 임의의 천연 발생 또는 비-천연 발생(예를 들어, 변형 또는 조작), 어베이직(abasic) 염기를 포함하는 후생적으로 변형된 데옥시뉴클레오티드 또는 리보뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 뉴클레오티드는 A, C, G, T 또는 U, 또는 이들의 변이체를 포함할 수 있다. 뉴클레오티드는 성장하는 핵산 가닥에 혼입될 수 있는 임의의 서브유닛을 포함할 수 있다. 상기 서브유닛은 A, C, G, T 또는 U, 또는 하나 이상의 상보적인 A, C, G, T 또는 U에 특이적이거나 퓨린(즉, A 또는 G, 또는 이들의 변이체) 또는 피리미딘(즉, C, T 또는 U, 또는 이들의 변이체)에 상보적인 임의의 다른 서브유닛일 수 있다. 서브유닛은 개별적 핵산 염기 또는 염기의 그룹(예를 들어, AA, TA, AT, GC, CG, CT, TC, GT, TG, AC, CA, 또는 이들의 우라실-대응물)이 분석될 수 있게 한다. 일부 예에서, 핵산은 데옥시리보핵산(DNA) 또는 리보핵산(RNA), 또는 이들의 유도체이다. 핵산은 단일 가닥 또는 이중 가닥일 수 있다.

본원에서 사용되는 용어 "단백질"은 일반적으로 하나 이상의 아미노산 단량체, 서브유닛 또는 잔기를 갖는 생물학적 분자 또는 거대분자를 나타낸다. 예를 들어, 50개 이하의 아미노산을 함유하는 단백질은 "펩티드"로 언급될 수 있다. 아미노산 단량체는 임의의 천연 발생 및/또는 합성 아미노산 단량체, 예를 들어, 20, 21 또는 22개의 천연 발생 아미노산으로부터 선택될 수 있다. 일부 경우에, 20개의 아미노산이 대상체의 유전 부호에서 인코딩된다. 일부 단백질은 약 500개의 천연 및 비-천연 발생 아미노산으로부터 선택되는 아미노산을 포함할 수 있다. 일부 상황에서, 단백질은 이소류신, 류신, 리신, 메티오닌, 페닐알라닌, 트레오닌, 트립토판 및 발린, 아르기닌, 히스티딘, 알라닌, 아스파라긴, 아스파르트산, 시스테인, 글루타민, 글루탐산, 글리신, 프롤린, 세린 및 티로신으로부터 선택되는 하나 이상의 아미노산을 포함할 수 있다.

본원에서 사용되는 용어 "인접한" 또는 "-에 인접한"은 '- 옆에', '부근의', '-와 접촉한' 및 '-에 근접한'을 포함한다. 일부 예에서, 구성요소에 대한 인접은 하나 이상의 개재 층에 의해 서로 분리된다. 예를 들어, 하나 이상의 개재 층은 약 10 마이크로미터("마이크론"), 1 마이크론, 500 나노미터("nm"), 100 nm, 50 nm, 10 nm, 1 nm, 또는 그 미만의 두께를 가질 수 있다. 한 예에서, 제1 층은 이러한 제1 층이 제2 층과 직접 접촉하는 경우에 제2 층에 인접한다. 또 다른 예에서, 제1 층은 이러한 제1 층이 제3 층에 의해 제2 층으로부터 분리되는 경우에 제2 층에 인접한다.

일반 개요

본 발명의 개시는 생체분자, 예를 들어, 단백질, 다당류, 지질 및 핵산 분자를 감지하거나 확인하기 위한 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 핵산 분자는 DNA, RNA 및 이들의 변이체를 포함할 수 있다. 핵산 분자는 단일 또는 이중 가닥일 수 있다. 본 발명의 개시의 장치 및 시스템은 하나 이상의 나노-갭 전극 쌍을 추가로 포함할 수 있는 센서 어레이를 갖는 칩을 포함할 수 있다. 각각의 개별적 나노-갭 전극 쌍은 특정한 전극간 공간(또는 나노-갭 폭)을 갖도록 구성될 수 있어, 이는 특정 유형의 분자, 예를 들어, dsDNA 또는 ssDNA를 시퀀싱하는데 사용될 수 있다.

도 1은 본원에 제공된 방법의 일반적인 작업 흐름을 제시한다. 첫번째 작업(101)에서, 시퀀싱을 위해 샘플(예를 들어, 핵산 분자)이 준비될 수 있다. 임의의 물질이 샘플의 공급원이 될 수 있다. 물질은 유체, 예를 들어, 생물학적 유체일 수 있다. 유체성 물질은 혈액(예를 들어, 전혈, 혈장), 제대혈, 타액, 소변, 땀, 혈청, 정액, 질액, 위액 및 소화액, 척수액, 태반액, 공동액, 안구 유체, 혈청, 모유, 림프액 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

물질은 고체, 예를 들어, 생물학적 조직일 수 있다. 물질은 정상적인 건강한 조직을 포함할 수 있다. 조직은 다양한 유형의 기관과 관련될 수 있다. 기관의 비제한적인 예는 뇌, 유방, 간, 폐, 신장, 전립선, 난소, 비장, 림프절(편도 포함), 갑상선, 췌장, 심장, 골격근, 장, 후두, 식도, 위 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.

물질은 종양을 포함할 수 있다. 종양은 양성(비-암) 또는 악성(암)일 수 있다. 종양의 비제한적 예로는 섬유 육종, 점액육종, 지방육종, 연골육종, 골육종, 척삭종, 혈관육종, 내피육종, 림프관육종, 림프관내피육종, 윤활막종, 중피종, 유잉 종양, 평활근육종, 횡문근육종, 위장계 암종, 결장 암종, 췌장암, 유방암, 비뇨생식계 암종, 난소암, 전립선암, 편평 세포 암종, 기저 세포 암종, 샘암종, 한선 암종, 피지선 암종, 유두모양 암종, 유두모양 샘암종, 낭샘암종, 수질암종, 기관지유래 암종, 신세포 암종, 간암, 담관 암종, 융모막암종, 고환종, 배아 암종, 윌름즈 종양, 자궁경부암, 내분비계 암종, 고환 종양, 폐 암종, 소세포폐암종, 비소세포폐암종, 방광 암종, 상피 암종, 신경아교종, 별아교세포종, 속질모세포종, 머리인두종, 뇌실막종, 송과체종, 혈관모세포종, 청신경초종, 희소돌기아교세포종, 수막종, 흑색종, 신경모세포종, 망막모세포종, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 종양은 다양한 유형의 기관과 관련될 수 있다. 기관의 비제한적인 예는 뇌, 유방, 간, 폐, 신장, 전립선, 난소, 비장, 림프절(편도 포함), 갑상선, 췌장, 심장, 골격근, 장, 후두, 식도, 위 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.

샘플은 임의의 적합한 방법 또는 기술을 이용하여 공급원 물질로부터 분리될 수 있다. 일부 경우에, 샘플은 처리된 공급원 물질(예를 들어, 분리된 핵산 분자)을 핵산 증폭 조건에 추가로 적용시켜 하나 이상의 증폭된 생성물(또는 앰플리콘)을 생성시킴으로써 획득된다.

다음으로, 샘플이 준비되면, 두번째 작업(102)에서, 준비된 샘플과 관련된 하나 이상의 신호가 검출되고/되거나 측정될 수 있다. 신호는 데이터로 저장될 수 있다. 예를 들어, 준비된 샘플은 본원에 제공된 칩의 센서 어레이에 포함된 하나 이상의 나노-갭 전극 쌍을 통과하거나 이에 근접하여 유동하도록 유도될 수 있다. 나노-갭 전극 쌍의 전극은 나노-갭을 통한 샘플 분자의 각각의 단량체 또는 서브유닛의 유동시 신호를 발생시키도록 구성될 수 있다.

다음으로, 세번째 작업(103)에서, 검출되거나 측정된 신호는 샘플 분자의 서열과 같은 샘플 분자의 결정/확인을 돕기 위해 처리될 수 있다. 다음으로, 네번째 작업(104)에서, 샘플 결정/확인의 결과(예를 들어, 샘플 분자의 서열)는 수용자(예를 들어, 사람 또는 전자 시스템, 예를 들어, 하나 이상의 컴퓨터 및/또는 하나 이상의 컴퓨터 서버 저장 및 컴퓨터-판독 가능 매체)로 출력되거나 전달될 수 있다.

일부 경우에, 샘플 분자의 하나 이상의 단량체 또는 서브유닛은 라벨(예를 들어, 터널링 라벨, 후핑(hooping) 라벨, 또는 전류 차단 라벨)을 포함할 수 있거나, 이로 변형될 수 있다. 다양한 라벨은 동일하거나 상이한 신호를 생성할 수 있다. 라벨은 샘플 분자 또는 이의 일부의 전위 속도를 조절할 수 있다. 라벨은 나노-갭을 통한 샘플 분자의 전위 동안 별개의 검출 가능한 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 샘플 분자의 단량체 또는 서브유닛의 적어도 약 1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 이상이 라벨링된다. 일부 경우에, 샘플 분자의 단량체 또는 서브유닛의 약 100%, 80%, 60%, 40%, 20%, 10% 또는 5% 미만이 라벨링된다. 단량체가 각각이 상이한 신호를 생성하는 라벨로 변형되는 경우, 상기 라벨링된 단량체 또는 서브유닛 각각은 나노-갭을 통해 샘플 분자가 통과함에 따라 차별적으로 검출될 수 있다. 이와 같이, 샘플 분자는 적어도 부분적으로 라벨로 인한 신호 또는 신호에서의 변화를 검출함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 전도체, 반도체, 자성 물질, 유기 물질, 무기 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 다양한 물질이 라벨로 사용될 수 있다. 예를 들어, 단량체는 직경이 약 100 nm 이하인 금속 및 금속 합금 및 이들의 산화물, 예를 들어, 금, 은, 구리, 주석, 티타늄, 철, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 알루미늄, 아연, 비스무트, 지르코니아, 텅스텐 카바이드, 마그네슘, 세륨을 포함하나 이에 제한되지는 않는 공명 터널링 전류를 조절하는 라벨로 변형될 수 있다.

핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 방법

본 발명의 개시의 한 양태는 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩을 제공하는 단계를 포함하는 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 방법을 제공한다. 어레이의 각각의 개별적 센서는 적어도 하나의 나노-갭을 갖는 고상 막을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 각각의 개별적 센서는 복수의 나노-갭을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 나노-갭은 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함할 수 있다.

이후, 핵산 분자 또는 이의 일부는 적어도 하나의 나노-갭을 통과하거나 이에 근접하도록 유도될 수 있다. 예를 들어, 핵산 분자는 핵산 분자의 개별적 서브유닛이 나노-갭을 통해 유동할 수 있도록 나노-갭을 통한 유동에 적용될 수 있다.

다음으로, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열이 확인될 수 있다. 핵산 서열은 적어도 약 60%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 95.5%, 96%, 96.5%, 97%, 97.5%, 98%, 98.5%, 99%, 99.5%, 99.9% 또는 99.99%의 정확도로 확인될 수 있다. 일부 경우에, 핵산 서열은 본원에 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이, 예를 들어, 약 94%의 정확도로 결정/확인될 수 있다. 일부 경우에, 소정의 정확도가 사용자에 의해 특정되며, 시스템은 원하는 정확도 또는 소정의 정확도에 도달시키기 위해 하나 이상의 파라미터, 예를 들어, 나노-갭을 통한 분자 또는 이의 일부의 통과 수, 분자의 전위 속도, 전극에 적용되는 전압, 또는 질의(interrogation)의 길이를 변형시킬 수 있다.

추가로 또는 대안적으로, 본 발명의 개시의 또 다른 양태에서, 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 방법은 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩을 활성화시키는 단계를 포함할 수 있다. 어레이의 각각의 개별적 센서는 적어도 하나의 나노-갭을 갖는 고상 막을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 나노-갭은 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함할 수 있다. 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 적어도 약 0.01배, 0.05배, 0.1배, 0.2배, 0.3배, 0.4배, 0.5배, 0.6배, 0.7배, 0.8배, 0.9배, 1배, 1.5배, 2배, 2.5배, 3배, 3.5배, 4배, 4.5배 또는 5배의 갭에 의해 이격될 수 있다. 일부 경우에, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 100배, 90배, 80배, 70배, 60배, 50배, 40배, 30배, 20배, 15배, 10배, 9배, 8배, 7배, 6배, 5배, 4배, 3배, 2배, 1배, 0.8배, 0.6배, 0.4배, 0.2배 또는 0.1배 이하의 갭에 의해 이격될 수 있다. 일부 경우에, 전극은 본원에 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이에 해당하는 갭, 예를 들어, 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 갭에 의해 이격될 수 있다.

다음으로, 핵산 분자 또는 이의 일부는 적어도 하나의 나노-갭을 통과하여 또는 이에 근접하게 유도될 수 있고, 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 생성된 전기 신호(들)를 기초로 하여 확인될 수 있다.

핵산 서열은 적어도 약 60%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 95.5%, 96%, 96.5%, 97%, 97.5%, 98%, 98.5%, 99%, 99.5%, 99.9% 또는 99.99%의 정확도로 확인될 수 있다. 일부 경우에, 핵산 서열은 본원에 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이의 정확도로 결정/확인될 수 있다. 일부 예에서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 핵산 분자의 적어도 약 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 2,000 또는 3,000개의 연속적 핵산 염기의 스팬에 걸쳐 적어도 약 60%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 95.5%, 96%, 96.5%, 97%, 97.5%, 98%, 98.5%, 99%, 99.5%, 99.9% 또는 99.99%의 정확도로 결정된다.

일부 경우에, 높은 정확도는 핵산 분자 또는 이의 일부의 재-시퀀싱의 부재하에서 달성된다. 일부 경우에, 핵산 서열의 고-정확도 확인은 다수의 통과를 수행(즉, 예를 들어, 적어도 한 세트의 전극을 통해 핵산 분자 또는 이의 일부를 수회 통과시키고, 전극 쌍의 적어도 하나의 나노-갭을 통해 분자 또는 이의 일부가 통과할 때마다 핵산 서열을 결정함으로써 핵산 분자 또는 이의 일부를 수회 시퀀싱함)하여 달성된다. 통과의 수는 임의의 수, 정수 또는 비-정수일 수 있다. 일부 경우에, 핵산 서열은 동일한 핵산 분자 또는 이의 일부를 적어도 약 2회, 3회, 4회, 5회, 6회, 7회, 8회, 9회, 10회, 12회, 14회, 16회, 18회, 20회, 25회, 30회, 35회, 40회, 45회, 50회, 60회, 70회, 80회, 90회, 100회, 250회, 500회 이상 시퀀싱함으로써 높은 정확도로 확인된다. 일부 경우에, 핵산 분자 또는 이의 일부는 최대 1000회, 750회, 500회, 250회, 100회, 75회, 50회, 40회, 30회, 25회, 20회, 15회, 10회, 9회, 8회, 7회, 6회, 5회, 4회, 3회, 2회, 1회 이하로 시퀀싱된다. 일부 경우에, 통과의 수 또는 다수의 시퀀싱은 본원에 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이, 예를 들어, 11회에 해당한다.

다수의 통과가 이용되는 경우, 다수의 통과는 단일 쌍(또는 세트)의 전극 또는 복수의 세트의 전극에서 발생할 수 있고, 다수의 통과로부터의 데이터는 조합될 수 있다. 예를 들어, 핵산 서열은 전체 약 5회 통과, 10회 통과, 50회 통과, 또는 그 사이의 임의의 수의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 높은 정확도로 결정될 수 있다. 일부 예에서, 높은 정확도(예를 들어, 적어도 약 97%)는 최대 약 100회 통과, 80회 통과, 60회 통과, 50회 통과, 40회 통과, 30회 통과, 20회 통과, 10회 통과, 9회 통과, 8회 통과, 7회 통과, 6회 통과, 5회 통과, 4회 통과, 3회 통과, 2회 통과, 또는 단일 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 달성된다. 일부 경우에, 다수의 통과 또는 결합이 단일 데이터 획득 내에서 조합된다.

핵산 서열 확인시, 컨센서스 서열이 생성될 수 있다. 컨센서스 서열은 다수의 시퀀싱 판독의 정렬시 생성될 수 있다. 컨센서스 서열은 핵산 분자를 1회 이상 시퀀싱 및 재시퀀싱함으로써 생성될 수 있다. 핵산 분자의 동일 서열이 다수의 횟수로 시퀀싱될 수 있다.

일부 상황에서, 핵산 염기의 하나 이상의 그룹이 본 발명의 개시의 방법을 이용하여 확인된다. 예를 들어, 3개의 핵산 염기의 조합이 나노-갭에서 발생된 전기 신호에 대한 이들의 특징적인 효과에 의해 결정된다. 상기 경우에, 높은 정확도(예를 들어, 적어도 약 90%, 95%, 97% 또는 99%)는 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 또는 8개 이상의 핵산 염기를 확인(즉, 그룹으로서 확인)하는 경우에 달성된다. 대안적으로 또는 추가로, 약 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3 또는 2개 이하의 핵산 염기를 확인하는 경우에 핵산 시퀀싱의 정확도가 높다. 일부 경우에, 핵산 분자 또는 이의 일부의 단일 핵산 염기를 확인하는 경우에 정확도가 높다(예를 들어, 적어도 약 90%, 95%, 97% 또는 99%).

상기 및 본원의 다른 곳에 기재된 바와 같이, 핵산 분자는 다양한 공급원, 예를 들어, 하나 이상의 핵산 분자를 함유하는 생물학적 샘플로부터 유래될 수 있다. 생물학적 샘플은 대상체의 신체 샘플, 예를 들어, 체액으로부터 획득(예를 들어, 추출 또는 분리)될 수 있다. 신체 샘플은 혈액(예를 들어, 전혈), 혈장, 혈청, 소변, 타액, 점액 배설물, 가래, 대변 및 눈물로부터 선택될 수 있다. 신체 샘플은 대상체의 유체 또는 조직 샘플(예를 들어, 피부 샘플)일 수 있다. 일부 예에서, 샘플은 전혈과 같이 대상체의 세포 비함유 체액으로부터 획득된다. 상기 예에서, 샘플은 세포 비함유 DNA 및/또는 세포 비함유 RNA를 포함할 수 있다. 일부 다른 예에서, 샘플은 환경 샘플(예를 들어, 토양, 폐기물, 주위 공기 등), 산업 샘플(예를 들어, 임의의 산업 공정으로부터의 샘플), 및 식품 샘플(예를 들어, 낙농 제품, 야채 제품 및 육류 제품)이다.

막은 장치일 수 있다. 예를 들어, 막은 적어도 하나의 나노-갭을 갖는 고상 장치이다. 막은 다수의 고상 서브유닛으로 형성될 수 있다. 막은 다양한 물질, 예를 들어, 생물학적, 비-생물학적, 유기적, 무기적, 반도체성, 절연성, 자성 또는 금속성 물질로 형성(예를 들어, 적어도 부분적으로 형성)될 수 있다. 물질의 비제한적인 예는 탄소, 실리카, 실리콘, 알루미나, 플라스틱, 유리, 금속, 금속-합금, 중합체, 나일론, 중합된 랭뮤어 블로젯(Langmuir Blodgett) 필름, 기능화 유리, Ge, GaAs, Gap, SiN₄, 변형된 실리콘, 또는 다양한 젤 또는 중합체 중 어느 하나, 예를 들어, (폴리)테트라플루오로에틸렌, (폴리)비닐리덴디플루오라이드, 폴리스티렌, 폴리카르보네이트, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 막은 입자, 가닥, 침전물, 젤, 시트, 관류, 구체, 용기, 모세관, 패드, 슬라이스, 필름, 플레이트, 슬라이드 등의 형태로 존재할 수 있다. 막은 임의의 표면 형태(예를 들어, 평면 또는 비평면)를 취할 수 있다. 예를 들어, 기판은 적어도 한 쌍의 전극의 제조 또는 증착이 발생할 수 있는 융기된 영역 또는 함몰된 영역을 함유할 수 있다.

고상 막의 두께는 다양할 수 있다. 일부 경우에, 고상 막은 약 0.01 나노미터(nm), 0.05 nm, 0.075 nm, 0.1 nm, 0.25 nm, 0.5 nm, 0.75 nm, 1 nm, 2.5 nm, 5 nm, 7.5 nm, 10 nm, 25 nm, 50 nm, 75 nm, 100 nm, 250 nm, 500 nm, 750 nm, 1 마이크로미터(μm), 5 μm, 10 μm, 25 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, 250 μm, 500 μm, 750 μm, 1 밀리미터(mm), 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm 이상의 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 고상 막의 두께는 약 100 mm, 50 mm, 25 mm, 10 mm, 5 mm, 1 mm, 900 μm, 800 μm, 700 μm, 600 μm, 500 μm, 400 μm, 300 μm, 200 μm, 100 μm, 80 μm, 60 μm, 40 μm, 20 μm, 10 μm, 9 μm, 8 μm, 7 μm, 6 μm, 5 μm, 4 μm, 3 μm, 2 μm, 1 μm, 800 nm, 600 nm, 400 nm, 200 nm, 100 nm, 80 nm, 60 nm, 40 nm, 20 nm, 10 nm, 5 nm, 1 nm, 0.5 nm, 0.1 nm 이하일 수 있다. 일부 경우에, 고상 막의 두께는 상기 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 1 mm일 수 있다.

막은 저항, 커패시턴스 및/또는 전도도와 같은 특정한 전기적 특성을 가질 수 있는 기능성 막일 수 있다. 예를 들어, 막은 약 10 피코패럿(pF), 9 pF, 8 pF, 7 pF, 6 pF, 5 pF, 4 pF, 3 pF, 2 pF, 1 pF, 0.9 pF, 0.8 pF, 0.7 pF, 0.6 pF, 0.5 pF, 0.4 pF, 0.3 pF, 0.2 pF, 0.1 pF, 0.075 pF, 0.05 pF, 0.025 pF, 0.01 pF, 0.005 pF, 0.001 pF 이하의 커패시턴스 또는 본원에 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이의 커패시턴스를 가질 수 있다.

또한, 막은 특정한 전극간 커패시턴스(즉, 전극 사이의 커패시턴스)를 가질 수 있다. 일부 경우에, 전극간 커패시턴스는 약 0.1 펨토패럿(fF), 0.25 fF, 0.5 fF, 0.75 fF, 1 fF, 2.5 fF, 5 fF, 7.5 fF, 10 fF, 20 fF, 30 fF, 40 fF, 50 fF, 60 fF, 70 fF, 80 fF, 90 fF, 100 fF, 200 fF, 300 fF, 400 fF, 500 fF, 600 fF, 700 fF, 800 fF, 900 fF, 1,000 fF 이상일 수 있다. 일부 경우에, 전극간 커패시턴스는 약 2000 fF, 1500 fF, 1000 fF, 800 fF, 600 fF, 400 fF, 200 fF, 100 fF, 80 fF, 60 fF, 40 fF, 20 fF, 10 fF, 9 fF, 8 fF, 7 fF, 6 fF, 5 fF, 4 fF, 3 fF, 2 fF, 1 fF, 0.5 fF, 0.1fF 이하일 수 있다.

도 2는 n x m (예를 들어, 4x4) 센서 어레이를 포함하는 예시적 칩(여기서 'n' 및 'm'은 1 이상의 정수일 수 있음), 뿐만 아니라 각각의 센서에 포함된 예시적 나노-갭 전극 쌍(1)의 구성을 제시한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 나노-갭 전극 쌍(1)에 대해, 마주하는 전극(5 및 6)이 기판(2) 상에 배치된다. 나노규모(예를 들어, 1000 나노미터 이하)인 폭 W1을 갖는 나노-갭 NG가 전극(5 및 6) 사이에 형성된다. 폭 W1은 0.1 나노미터(nm) 내지 1,000 nm, 또는 약 500 nm, 400 nm, 300 nm, 200 nm, 100 nm, 80 nm, 60 nm, 40 nm, 20 nm, 10 nm, 9 nm, 8 nm, 7 nm, 6 nm, 5 nm, 4 nm, 3 nm, 2 nm, 1 nm, 0.9 nm, 0.8 nm, 0.7 nm, 0.6 nm 또는 0.5 nm 이하, 또는 본원에 기재된 임의의 다른 폭일 수 있다. 일부 경우에, 전극은 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛(또는 핵산 서브유닛의 조합물)의 분자 직경의 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 40, 60, 80 또는 100배 이상의 나노-갭 폭으로 이격된다. 일부 경우에, 전극은 나노-갭 폭이 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛(또는 핵산 서브유닛의 조합물)의 분자 직경의 약 20, 15, 10, 8, 6, 4, 2, 1, 0.5, 0.25 또는 0.1배 이하가 되도록 이격된다. 일부 경우에, 나노-갭 폭은 상기 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이의 범위, 예를 들어, 제공된 핵산 서브유닛의 한 분자 직경의 약 0.5배 내지 약 5배, 약 0.5배 내지 약 2배, 또는 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하에 해당한다.

기판(2)은, 예를 들어, 실리콘 기판(3) 및 그 위에 형성된 실리콘 옥사이드 층(4)으로 구성될 수 있다. 대안으로서, 기판(2)은 IV 족 또는 III-V 족 반도체, 예를 들어, 게르마늄 또는 갈륨 아르세나이드, 예를 들어, 이들의 산화물을 포함하는 다른 반도체 물질(들)을 포함할 수 있다. 기판(2)은 실리콘 옥사이드 층(4) 상에 쌍을 형성하는 2개의 전극(5 및 6)이 형성될 수 있는 구성을 가질 수 있다. 전극(5 및 6) 각각은, 예를 들어, 금속 및 금속 실리사이드를 포함하는 물질로 형성될 수 있고, 일부 경우에 기판(2) 상의 나노-갭 NG를 가로질러 거의 좌우 대칭으로 형성될 수 있다. 전극-형성 물질의 비제한적인 예는 백금, 구리, 은, 금, 합금, 티타늄 니트라이드(TiN), 티타늄 실리사이드, 몰리브덴 실리사이드, 백금 실리사이드, 니켈 실리사이드, 코발트 실리사이드, 팔라듐 실리사이드, 니오븀 실리사이드, 실리사이드와 다른 물질(예를 들어, 탄소 나노튜브 또는 그래핀 등)의 합금, 반도체의 도핑에 적합한 다양한 물질로 도핑된 실리사이드, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.

일부 경우에, 전극(5 및 6)은 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 나노-갭 NG를 형성하는 리딩 전극 엣지(5b 및 6b)로 구성될 수 있으며, 베이스 부분(5a 및 6a)은 리딩 전극 엣지(5b 및 6b)의 근원 부분과 일체로 형성될 수 있다. 리딩 전극 엣지(5b 및 6b)는, 예를 들어, 세로 방향이 y-방향으로 연장될 수 있는 직사각형 고체를 포함할 수 있고, 리딩 전극 엣지(5b 및 6b)의 선단 표면이 서로 마주하도록 배치될 수 있으며; 리딩 엣지(5b 및 6b)는 곡선을 가질 수 있다(제시되지 않음).

베이스 부분(5a 및 6a)은 이의 중심 선단부에 돌출부를 가질 수 있어 리딩 전극 엣지(5b 및 6b)가 형성될 수 있다. 중심부에 중심 선단을 갖는 각각의 베이스 부분(5a 및 6a)의 양 측면을 향해 완만하게 곡선을 이룬 표면이 형성될 수 있다. 따라서, 베이스 부분(5a 및 6a)은 정점에 위치된 리딩 전극 엣지(5b 및 6b)를 갖는 곡선을 이룬 형태로 형성될 수 있다. 전극(5 및 6)은 단일 가닥 DNA를 함유하는 용액이, 예를 들어, 전극(5 및 6)의 세로 방향일 수 있는 y-방향 및 전극(5 및 6)의 수직 방향일 수 있는 z-방향에 직교하는 x-방향으로부터 이들 y-방향 및 z-방향으로 공급되고, 이러한 y-방향과 직각으로 교차할 수 있음을 주목하며, 용액은 베이스 부분(5a 및 6a)의 곡선을 이룬 표면을 따라 리딩 전극 엣지(5b 및 6b)로 유도되어 용액이 나노-갭 NG를 통해 확실하게 통과할 수 있게 한다.

또한, 상기 기재된 바와 같이 구성된 나노-갭 전극 쌍(1)에 대해, 예를 들어, 전원(제시되지 않음)으로부터 전극(5 및 6)으로 전류가 공급될 수 있고, 전극(5 및 6)을 가로질러 흐르는 전류의 값은 전류계(제시되지 않음)로 측정될 수 있다. 따라서, 나노-갭 전극 쌍(1)은, 예를 들어, 단일 가닥 DNA와 같은 핵산 분자가 x-방향으로부터 전극(5 및 6) 사이의 나노-갭 NG를 통해 통과하고; 전류계가 전극(5 및 6) 사이의 나노-갭 NG를 통해 단일-가닥 DNA의 염기(예를 들어, 변형된 염기)가 통과하는 경우에 전극(5 및 6)을 가로질러 흐르는 전류의 값을 측정하는 것을 가능하게 하고; 상관된 전류 값을 기초로 하여 단일 가닥 DNA를 구성하는 염기가 결정될 수 있다.

상기 및 본원의 다른 곳에 기재된 바와 같이, 센서 어레이의 각각의 개별적 센서는 적용에 따라 동일하거나 상이한 구성(예를 들어, 갭 폭 W1, 전극의 형태, 전극간 거리, 기판 물질 및 전극 물질 등)를 갖는 하나 이상의 나노-갭 전극 쌍을 포함할 수 있다. 나노-갭 전극의 설계, 제작, 구성 및 적용은, 예를 들어, 각각의 전체내용이 참조로서 본원에 포함되는 PCT 특허 공개 번호 WO/2015/057870호, 및 PCT 특허 공개 번호 WO/2015/028886호에 기재된 바와 같을 수 있다.

도 3은 핵산 분자가 나노-갭을 통해 통과하는 동안 나노-갭 전극을 갖는 센서를 이용하여 핵산 서열의 검출 및/또는 확인을 개략적으로 예시한다. 도 3을 참조로 하여, 단일-가닥 핵산 분자의 핵산 염기는 x-방향으로 전극(5 및 6) 사이의 나노-갭을 통해 통과하도록 유도된다(도 2에 제시됨). 나노-갭을 통한 핵산 분자의 흐름 또는 이동은 분자 모터(예를 들어, 효소)의 도움으로 또는 도움 없이, 또는 전기 자극(예를 들어, 특정 방향을 따라 핵산 분자의 흐름을 유도하는 전기장을 제공할 수 있는 전극 사이의 전위(V))의 적용시에 촉진될 수 있다. 나노-갭을 통한 핵산 분자의 흐름이 분자 모터로 촉진되는 경우에, 분자 모터는 살아 있는 유기체에서 필수적인 운동 물질인 생물학적 분자 기계, 또는 에너지를 하나의 형태로 소비하고 운동 또는 기계적 작용으로 이를 전환시키는 장치일 수 있다. 예를 들어, 많은 단백질 기반 분자 모터는 기계적 작업을 수행하기 위해 ATP의 가수분해에 의해 방출된 화학 자유 에너지를 이용한다. 분자 모터의 비제한적인 예는 RNA 중합효소, DNA 중합효소, RNA 의존성 중합효소, DNA 의존성 중합효소, 헬리카제, 국소이성화효소, 염색질 구조 리모델링(RSC) 복합체, 뉴클레오솜 리모델링 복합체, 예를 들어, SWI/SNF, 염색체의 구조적 유지(SMC) 단백질, 바이러스 DNA 패키징 모터, 합성 분자 모터, 염색체를 응축시키는 단백질 등을 포함한다.

핵산 분자가 적어도 하나의 나노-갭을 통해 통과하는 전위 속도는, 예를 들어, 생성된 전기 신호의 수준, 백그라운드 신호의 수준, 핵산 분자의 크기, 형태, 구조 및/또는 조성, 나노-갭 전극 쌍의 구성, 분자 모터의 존재 또는 부재, 외부 자극(예를 들어, 전위)의 존재 또는 부재, 및/또는 원하는 신호 대 노이즈 비(S/N 비)에 따라 가변적일 수 있다. 예를 들어, 핵산 분자는 적어도 약 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000 피코암페어(pA), 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 또는 5 나노암페어(nA)의 전류 수준, 약 5, 4.5, 4, 3.5, 3, 2.5, 2, 1.5, 1, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 또는 0.1 nA 이하의 백그라운드 전류 수준, 및 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 이상의 신호 대 노이즈 비에서 적어도 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4, 또는 5 KHz의 전위 속도로 적어도 하나의 나노-갭을 통과하여 유도될 수 있다.

나노-갭 전극 쌍의 2개의 전극은 단량체(즉, 핵산 분자의 각각의 핵산 염기가 시퀀싱됨) 또는 핵산 서브유닛의 조합물(예를 들어, 아데닌, 시토신, 및 티민과 같은 핵산 염기의 그룹)이 나노-갭을 통해 통과하는 경우마다 단일한 전기 신호가 생성되도록 하는 나노-갭 폭 W1을 갖도록 이격될 수 있다. 이후, 생성된 신호 또는 이의 변화가 검출(또는 측정)될 수 있고, 핵산 서열은 각 유형의 단량체 또는 서브유닛에 해당하는 검출된 신호를 기초로 하여 확인될 수 있다(도 4에 제시됨). 일부 경우에, 전기 신호를 검출하거나 측정하는 것은 하나 이상의 참조 분자에 비해 핵산 분자의 전기 신호의 변화를 측정하는 것을 포함할 수 있고, 전기 신호와 참조 신호(들) 사이의 상대 값은 핵산 분자의 핵산 서열을 결정하기 위해 이용될 수 있다.

신호는 각각의 개별적 센서 상의 하나 이상의 나노-갭을 통한 핵산 분자의 통과시 생성된 임의의 유형의 전기 신호, 예를 들어, 전압, 전류, 전도도 등일 수 있다. 전기 신호는 터널링 전극이 이용되는 경우 터널링 전류를 포함할 수 있고, 나노-갭(들)을 통한 핵산 서브유닛의 통과시 생성된 터널링 전류를 측정하기 위해 측정 장치가 이용될 수 있다. 일부 경우에, 신호를 측정하기 위해 측정 장치(또는 측정 유닛)가 제공될 수 있다. 측정 장치는 전류계, 전류 미러, 또는 임의의 다른 전류 측정 또는 증폭 접근법, 및 전류를 정량하기 위한 접근법을 포함할 수 있으며, 이는 아날로그-디지털 전환기(ADC), 델타 시그마 ADC, 플래쉬 ADC, 이중 슬로프 ADC, 연속 근사 ADC, 적분 ADC, 또는 임의의 다른 적절한 유형의 ADC를 포함할 수 있다. ADC는 이의 출력과 입력 사이에 선형 상관관계를 가질 수 있거나, 염기의 특정 조합, 예상된 변형 염기 및 나노-갭 전극 쌍에서 이용되는 금속에 대해 예상될 수 있는 특정 전류 수준으로 조정된 출력을 가질 수 있다. 반응은 고정될 수 있거나, 조정될 수 있으며, 특히 상이한 핵염기 및/또는 이용될 수 있는 핵염기 변형과 관련된 상이한 출력과 관련하여 조정될 수 있다.

또한, 측정된 터널링 전류를 기초로 하여, 전도도가 획득되어 전도도-시간 프로파일이 생성될 수 있으며, 이는 이후에 핵산 서열을 결정하거나 확인하기 위해 이용될 수 있다. 전도도는 나노-갭 전극 쌍의 전극에 적용된 전압 V에 의해 터널링 전류의 값을 나눔으로써 계산될 수 있다. 전도도의 사용으로, 적용된 전압이 변하거나 측정 사이에서 변동하는 경우에도, 통일된 기준을 갖는 프로파일이 획득될 수 있다.

추가로 또는 대안적으로, 전류 증폭기는 전류계에 의해 측정된 전류를 증폭시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 전류 증폭기는 칩에서 분리되거나, 칩에 부분적으로 엠베딩되거나, 칩에 완전히 엠베딩될 수 있다. 전류 증폭기의 사용시, 측정된 전류의 값은 증폭될 수 있으며, 신호는 더 높은 민감도 및 정확도로 측정될 수 있다.

일부 상황에서, 신호는 노이즈 신호에 의해 적어도 부분적으로 가려진다. 신호 대 노이즈(S/N) 비는 핵산 서열을 높은 정확도로 확인할 수 있는 임의의 적합한 높은 값일 수 있다. 일부 경우에, 하나 이상의 핵산 서브유닛은 약 1 대 1, 2 대 1, 3 대 1, 4 대 1, 5 대 1, 6 대 1, 7 대 1, 8 대 1, 9 대 1, 10 대 1, 20 대 1, 50 대 1, 75 대 1, 100 대 1, 250 대 1, 500 대 1, 750 대 1, 1000 대 1, 10000 대 1 이상의 S/N 비로 검출될 수 있다. 일부 경우에, 하나 이상의 핵산 서브유닛은 상기 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이, 예를 들어, 약 1 대 2의 S/N 비로 검출될 수 있다.

전기 신호를 측정하거나 개별적 핵산 서브유닛을 결정하기 위해 이용되는 시간은 제한되지 않으나, 이용되는 기간은 약 1분(min), 50초(s), 40 s, 30 s, 20 s, 10 s, 5 s, 1 s, 800 밀리초(ms), 600 ms, 400 ms, 200 ms, 100 ms, 80 ms, 60 ms, 40 ms, 20 ms, 10 ms, 9 ms, 8 ms, 7 ms, 6 ms, 5 ms, 4 ms, 3 ms, 2 ms, 1 ms, 900 마이크로초(μs), 800 μs, 700 μs, 600 μs, 500 μs, 400 μs, 300 μs, 200 μs, 100 μs, 80 μs, 60 μs, 40 μs, 20 μs, 10 μs, 5 μs, 1 μs 이하일 수 있다. 일부 경우에, 개별적 핵산 서브유닛을 검출하기 위한 기간은 적어도 약 0.1 μs, 0.5 μs, 1 μs, 10 μs, 50 μs, 100 μs, 250 μs, 500 μs, 750 μs, 1 ms, 5 ms, 10 ms, 25 ms, 50 ms, 75 ms, 100 ms, 250 ms, 500 ms, 750 ms, 1 s 이상이다. 일부 경우에, 개별적 핵산 서브유닛을 검출하기 위한 기간은 상기 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이, 예를 들어, 1 μs 내지 1 ms이다.

핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 특정 주파수(즉, 서열 검출 속도)에서 확인될 수 있다. 일부 경우에, 핵산 서열은 약 500 KHz(1/초), 400 KHz, 300 KHz, 200 KHz, 150 KHz, 100 KHz, 80 KHz, 60 KHz, 40 KHz, 20 KHz, 10 KHz, 5 KHz, 1 KHz, 0.9 KHz, 0.8 KHz, 0.7 KHz, 0.6 KHz, 0.5 KHz, 0.4 KHz, 0.3 KHz, 0.2 KHz, 0.1 KHz, 0.05 KHz, 0.01 KHz 이하의 주파수에서 확인될 수 있다. 일부 경우에, 핵산 서열은 약 0.001 KHz, 0.01 0.1KHz, 0.5 KHz, 1 KHz, 10 KHz, 30 KHz, 50 KHz, 70 KHz, 90 KHz, 100 KHz, 200 KHz, 250 KHz, 300 KHz 이상의 주파수에서 확인될 수 있다. 일부 경우에, 핵산 서열은 상기 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이, 예를 들어, 약 0.1 KHz 내지 약 100 KHz의 주파수에서 확인될 수 있다.

핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 시스템

본 발명의 개시의 또 다른 양태에서, 핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 시스템은 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩을 포함한다. 어레이의 각각의 개별적 센서는 그 안에 적어도 하나의 나노-갭을 갖도록 구성된 고상 막을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 나노-갭은 적어도 하나의 나노-갭을 통한 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전기 회로에 커플링된 전극을 포함할 수 있다.

본 발명의 개시의 시스템은 칩에 커플링된 컴퓨터 프로세서를 추가로 포함할 수 있다. 컴퓨터 프로세서는 개별적 센서의 어레이로부터 수신된 전기 신호를 기초로 하여 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 특성규명하는 것을 돕도록 프로그램될 수 있다. 전기 신호는 측정 가능한 임의의 신호, 예를 들어, 전압, 전류, 전도도, 또는 저항을 포함할 수 있다. 전기 신호는 다수의 시점에서 검출될 수 있거나, 실시간으로 모니터될 수 있다. 검출된 신호를 이용하여, 핵산 서열을 결정하거나 확인하는데 사용될 수 있는 신호-시간 프로파일이 생성될 수 있다.

핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열은 적어도 약 60%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 95.5%, 96%, 96.5%, 97%, 97.5%, 98%, 98.5%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.99% 이상의 정확도로 특성규명될 수 있다. 상기 높은 정확도는 핵산 분자 또는 이의 일부의 재-시퀀싱의 부재하에서 달성될 수 있다. 일부 경우에, 높은 정확도는 핵산 분자 또는 이의 일부의 단일 통과를 수행함으로써 달성된다. 일부 경우에, 높은 정확도는 다수의 통과를 수행하고(즉, 예를 들어, 하나 이상의 나노-갭을 통과하거나 이에 근접하도록 핵산 분자를 다수의 횟수로 통과시키고, 핵산 분자의 핵산 염기를 시퀀싱함으로써 핵산 분자를 복수의 횟수로 시퀀싱함), 일부 통과 또는 모든 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 달성된다.

전극은 나노-갭 전극 쌍의 전극을 가로질러 전압을 적용하도록 구성된 전기 회로에 커플링될 수 있다. 일부 경우에, 상이한 나노-갭 전극 쌍을 가로지르는 전압은 상이할 수 있고, 특히 특정 전극 쌍과 관련된 나노-갭 간격의 함수로서 상이할 수 있다. 일부 상황에서, 센서는 전기 신호를 측정하고, 수집하고, 처리하는 집적 회로에 커플링된다. 일부 경우에, 센서는 복수의 집적 센서에 커플링되고, 각각의 센서는 독립적으로 어드레싱 가능한 개별적 집적 회로와 관련된다(즉, 각각의 집적 회로는 관련 센서로부터 독립적으로 조절하고, 신호를 보내고, 관련 센서로부터 데이터를 수집하도록 구성된다). 일부 경우에, 센서는 상이한 그룹으로 분류되고, 각각의 센서의 그룹은 독립적으로 어드레싱 가능한 집적 회로에 연결된다. 집적 회로(들)는 칩의 일부일 수 있다. 일부 상황에서, 센서는 칩의 일부일 수 있다. 일부 경우에서, 시스템은 트랜스임피던스 증폭기를 추가로 포함할 수 있다. 트랜스임피던스 증폭기는 컴퓨터 프로세서에 작동 가능하게 커플링될 수 있다. 일부 경우에, 시스템은 이산 시간 또는 연속 모드로 사용되는 전하 감응성 증폭기를 추가로 포함할 수 있다.

인지되는 바와 같이, 일부 경우에, 고밀도(즉, 단위 영역 당 개별적 센서의 수)의 개별적 센서를 갖는 센서 어레이를 갖는 칩을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 고밀도의 개별적 센서를 갖는 칩은 휴대용이고, 비용이 적게 드는 더 작은 풋프린트(footprint)를 갖는 장치의 제작을 도울 수 있다. 제공된 표면적으로, 고밀도의 개별적 센서를 갖는 칩은 높은 처리량 및/또는 저비용의 시퀀싱(즉, 더 많은 수의 핵산 분자가 동시에 시퀀싱됨)을 가능하게 한다.

칩은 적합할 수 있는 임의의 밀도(예를 들어, 소정의 민감도 및/또는 정확도로 핵산 시퀀싱에 적합한 밀도)의 센서 어레이를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 센서 어레이는 약 10, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 2,000, 3,000, 4,000, 5,000, 6,000, 7,000, 8,000, 9,000, 10,000, 20,000, 30,000, 40,000, 50,000, 60,000, 70,000, 80,000, 90,000, 100,000, 200,000, 300,000, 400,000, 500,000, 750,000, 1,000,000, 2,000,000, 3,000,000, 4,000,000, 5,000,000, 6,000,000, 7,000,000, 8,000,000, 9,000,000, 10,000,000, 20,000,000, 30,000,000, 40,000,000, 50,000,000, 60,000,000, 70,000,000, 80,000,000, 90,000,000, 100,000,000, 200,000,000, 300,000,000, 400,000,000, 또는 500,000,000개의 개별적 센서/mm² 이상의 밀도로 개별적 센서를 포함한다. 일부 경우에, 센서 어레이는 약 1,000,000,000, 800,000,000, 600,000,000, 400,000,000, 100,000,000, 80,000,000, 60,000,000, 40,000,000, 10,000,000, 8,000,000, 6,000,000, 4,000,000, 2,000,000, 1,000,000, 800,000, 600,000, 400,000, 200,000, 100,000, 80,000, 60,000, 40,000, 20,000, 10,000, 8,000, 6,000, 5,000, 4,000, 2,000, 1,000, 800, 600, 400, 200, 100, 50개의 개별적 센서/mm² 이하의 밀도로 개별적 센서를 포함한다. 일부 경우에, 개별적 센서의 밀도는 상기 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이, 예를 들어, 약 5,500, 37,500, 또는 250,000개의 개별적 센서/mm²에 해당한다.

센서는 독립적으로 또는 개별적으로 어드레싱 가능할 수 있다. 독립적으로 또는 개별적으로 어드레싱 가능한 센서는 개별적 또는 별개로 조절될 수 있고/있거나(예를 들어, 적용된 바이어스 전압에 의함), 어드레싱 가능하고/할 수 있거나, 처리되고/될 수 있거나, 데이터 판독을 가질 수 있다. 대안적으로, 개별적 센서는 상이한 그룹으로 분류될 수 있고, 센서의 각각의 그룹은 독립적으로 어드레싱될 수 있다. 각각의 그룹에 포함된 센서는 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 센서의 각각의 그룹은, 예를 들어, 약 1, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 200, 400, 600, 800, 1,000, 2,000, 3,000, 4,000, 또는 5,000개 이상의 센서를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 센서의 각각의 그룹은 약 50,000, 25,000, 10,000, 8,000, 6,000, 4,000, 2,000, 1,000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 또는 10개 이하의 센서를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 각각의 그룹에 포함된 센서의 수는 상기 기재된 2개의 값 중 임의의 값 사이, 예를 들어, 그룹 당 5 내지 500개의 센서일 수 있다.

컴퓨터 시스템

본 발명의 개시는 본 발명의 개시의 센서를 교정하는 것과 같이 본원에 제공된 방법을 이행하도록 프로그램되거나 달리 구성된 컴퓨터 제어 시스템을 제공한다. 도 5는 단일 코어 또는 다중 코어 프로세서, 또는 병렬 처리를 위한 복수의 프로세서일 수 있는 중앙 처리 유닛(CPU, 또한 본원에서 "프로세서" 및 "컴퓨터 프로세서")(505)을 포함하는 컴퓨터 시스템(501)을 제시한다. 컴퓨터 시스템(501)은 또한 메모리 또는 메모리 위치(510)(예를 들어, 무작위-접근 메모리, 판독 전용 메모리, 플래쉬 메모리), 전자 저장 유닛(515)(예를 들어, 하드 디스크), 하나 이상의 다른 시스템과의 통신을 위한 통신 인터페이스(520)(예를 들어, 네트워크 어댑터), 및 주변 장치(525), 예를 들어, 캐쉬, 다른 메모리, 데이터 저장 및/또는 전자 디스플레이 어댑터를 포함한다. 메모리(510), 저장 유닛(515), 인터페이스(520) 및 주변 장치(525)는 마더보드와 같은 통신 버스(실선)를 통해 CPU(505)와 통신한다. 저장 유닛(515)은 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장 유닛(또는 데이터 저장소)일 수 있다. 컴퓨터 시스템(501)은 통신 인터페이스(520)의 도움으로 컴퓨터 네트워크("네트워크")(530)에 작동 가능하게 커플링될 수 있다. 네트워크(530)는 인터넷, 인터넷 및/또는 엑스트라넷, 또는 인터넷과 통신하는 인트라넷 및/또는 엑스트라넷일 수 있다. 네트워크(530)는 일부 경우에 원격통신 및/또는 데이터 네트워크이다. 네트워크(530)는 클라우드 컴퓨팅과 같은 분산 컴퓨팅을 가능하게 할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 서버를 포함할 수 있다. 네트워크(530)는 일부 경우에 컴퓨터 시스템(501)의 도움으로 컴퓨터 시스템(501)에 커플링된 장치가 클라이언트 또는 서버로 작동할 수 있도록 하는 피어-투-피어(peer-to-peer) 네트워크를 이행할 수 있다.

CPU(505)는 프로그램 또는 소프트웨어로 구현될 수 있는 일련의 기계-판독 가능한 명령어를 실행할 수 있다. 명령어는 메모리(510)와 같은 메모리 위치에 저장될 수 있다. 명령어는 CPU(505)로 유도될 수 있으며, 이는 이후 본 발명의 개시의 방법을 이행하기 위해 CPU(505)를 프로그램하거나 달리 구성될 수 있다. CPU(505)에 의해 수행되는 작업의 예는 펫치(fetch), 디코드(decode), 실행(execute) 및 라이트백(writeback)을 포함할 수 있다.

CPU(505)는 집적 회로와 같은 회로의 일부일 수 있다. 시스템(501)의 하나 이상의 다른 구성요소가 회로 내에 포함될 수 있다. 일부 경우에, 회로는 주문형 집적 회로(ASIC)이다.

저장 유닛(515)은 드라이버, 라이브러리 및 저장된 프로그램과 같은 파일을 저장할 수 있다. 저장 유닛(515)은 사용자 데이터, 예를 들어, 사용자 선호도 및 사용자 프로그램을 저장할 수 있다. 컴퓨터 시스템(501)은 일부 경우에 인트라넷 또는 인터넷을 통해 컴퓨터 시스템(501)과 통신하는 원격 서버 상에 위치하는 것과 같이 컴퓨터 시스템(501)의 외부에 있는 하나 이상의 추가 데이터 저장 유닛을 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(501)은 네트워크(530)를 통해 하나 이상의 원격 컴퓨터 시스템과 통신할 수 있다.

본원에 기재된 바와 같은 방법은, 예를 들어, 메모리(510) 또는 전자 저장 유닛(515)과 같은 컴퓨터 시스템(501)의 전자 저장 위치에 저장되는 기계(예를 들어, 컴퓨터 프로세서) 실행 가능한 코드에 의해 이행될 수 있다. 기계 실행가능 또는 기계 판독가능 코드는 소프트웨어의 형태로 제공될 수 있다. 사용 동안, 코드는 프로세서(505)에 의해 실행될 수 있다. 일부 경우에, 코드는 저장 유닛(515)으로부터 검색될 수 있고, 프로세서(505)의 의한 액세스를 용이하게 하기 위해 메모리(510)에 저장될 수 있다. 일부 상황에서, 전자 저장 유닛(515)은 배제될 수 있고, 기계-실행 가능한 명령어는 메모리(510)에 저장된다.

코드는 사전 컴파일되고, 코드를 실행하도록 적합화된 프로세서를 갖는 기계와 함께 사용하도록 구성될 수 있거나, 런타임(runtime) 동안 컴파일될 수 있다. 코드는 사전 컴파일 또는 그대로-컴파일된 방식으로 코드를 실행할 수 있도록 선택될 수 있는 프로그래밍 언어로 제공될 수 있다.

컴퓨터 시스템(501)은 나노-갭 전극 쌍의 전극을 가로질러 적용된 전압, 온도, 핵산 분자의 유량, 및 신호 획득을 위한 기간과 같은 하나 이상의 파라미터를 조절하도록 프로그램되거나 달리 구성될 수 있다.

본원에 제공된 시스템 및 방법, 예를 들어, 컴퓨터 시스템(501)의 양태는 프로그램으로 구현될 수 있다. 기술의 다양한 양태는 통상적으로 기계 판독 가능한 매체의 형태로 수행되거나 구현되는 기계(또는 프로세서) 실행가능 코드 및/또는 관련 데이터의 형태의 "제품" 또는 "제조 물품"으로 생각될 수 있다. 기계 실행가능 코드는 메모리(예를 들어, 판독 전용 메모리, 무작위 접근 메모리, 플래쉬 메모리) 또는 하드 디스크와 같은 전자 저장 유닛에 저장될 수 있다. "저장" 유형 매체는 소프트웨어 프로그래밍을 위해 언제든지 비-일시적 저장을 제공할 수 있는 컴퓨터, 프로세서 등의 실체적 메모리(tangible memory), 또는 이의 관련 모듈, 예를 들어, 다양한 반도체 메모리, 테이프 드라이브, 디스크 드라이브 등 중 임의의 것 또는 모두를 포함할 수 있다. 소프트웨어의 모두 또는 일부는 때때로 인터넷 또는 다양한 다른 통신 네트워크를 통해 통신될 수 있다. 이러한 통신은, 예를 들어, 하나의 컴퓨터 또는 프로세서로부터 또 다른 것까지, 예를 들어, 관리 서버 또는 호스트 컴퓨터에서 적용 서버의 컴퓨터 프로그램까지 소프트웨어의 로딩을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 소프트웨어 요소를 가질 수 있는 또 다른 유형의 매체는 유선 및 광학 유선 네트워크를 통하거나 다양한 에어-링크(air-link) 상에서 로컬 장치 사이에 물리적 인터페이스를 통해 사용되는 것과 같은 광학, 전기 및 전자기파를 포함한다. 유선 또는 무선 링크, 광학 링크 등과 같은 상기 파를 갖는 물리적 요소가 또한 소프트웨어를 갖는 매체로 간주될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 비-일시적인 실체적 "저장" 매체로 제한되지 않는 한, 컴퓨터 또는 기계 "판독 가능 매체"와 같은 용어는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 나타낸다.

그러므로, 기계 판독가능 매체, 예를 들어, 컴퓨터-실행 가능 코드는 실체적 저장 매체, 반송파 매체 또는 물리적 전송 매체를 포함하나 이에 제한되지는 않는 많은 형태를 취할 수 있다. 비-휘발성 저장 매체는, 예를 들어, 도면에 제시된 데이터베이스 등을 이행하는데 사용될 수 있는 것과 같은 임의의 컴퓨터(들) 등의 저장 장치 중 임의의 것과 같은 광학 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 저장 매체는 상기 컴퓨터 플랫폼의 메인 메모리와 같은 동적 메모리를 포함한다. 실체적 전송 매체는 동축 케이블; 컴퓨터 시스템 내의 버스를 포함하는 전선을 포함하는 구리선 및 광섬유를 포함한다. 반송파 전송 매체는 전기 또는 전자기 신호 또는 무선 주파수(RF) 및 적외선(IR) 데이터 통신 동안 생성되는 것과 같은 음파 또는 광파의 형태를 취할 수 있다. 따라서, 컴퓨터-판독가능 매체의 일반적인 형태는, 예를 들어, 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, DVD 또는 DVD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드 종이 테이프, 구멍의 패턴을 갖는 임의의 다른 물리적 저장 매체, RAM, ROM, PROM 및 EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 데이터 또는 명령어를 전송하는 반송파, 이러한 반송파를 전송하는 케이블 또는 링크, 또는 컴퓨터가 프로그래밍 코드 및/또는 데이터를 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 이러한 형태의 컴퓨터 판독가능 매체 중 많은 것은 실행을 위해 프로세서에 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 전달하는 것과 관련될 수 있다.

컴퓨터 시스템(501)은, 예를 들어, 시간이 지남에 따라 칩으로부터의 신호를 제공하기 위한 사용자 인터페이스(UI)(540)를 포함하는 전자 디스플레이(535)를 포함할 수 있거나, 이와 통신할 수 있다. UI의 예는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 및 웹-기반 사용자 인터페이스를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.

본 발명의 개시의 방법 및 시스템은 하나 이상의 알고리즘에 의해 이행될 수 있다. 알고리즘은 중앙 처리 유닛(505)에 의한 실행시 소프트웨어에 의해 이행될 수 있다.

본 발명의 개시의 장치, 시스템 및 방법은, 예를 들어, 각각의 전체내용이 참조로서 본원에 포함되는 PCT 특허 공개 번호 WO/2015/057870호, 및 PCT 특허 공개 번호 WO/2015/028886호에 기재된 것과 같은 다른 장치, 시스템, 또는 방법에 의해 조합되고/되거나 변형될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예는 본원에 제시되고 기재되었으나, 상기 구현예가 단지 예로서 제공되는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 명세서 내에 제공된 특정 예로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명은 전술한 명세서를 참조하여 기재되었으나, 본원의 구현예의 설명 및 예시는 제한적인 의미로 해석되는 것을 의미하지는 않는다. 본 발명으로부터 벗어나지 않고 다수의 변형, 변화 및 대체가 당업자에게 이제 이루어질 것이다. 또한, 본 발명의 모든 양태는 다양한 조건 및 변수에 따라 본원에 설명된 특정 묘사, 구성 또는 상대 비율로 제한되지 않음이 이해될 것이다. 본원에 기재된 본 발명의 구현예에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 임의의 상기 대안, 변형, 변화 또는 등가물을 또한 포함하는 것으로 고려된다. 하기 청구범위는 본 발명의 범위를 정의하고, 이들 청구범위 및 이의 등가물의 범위 내의 방법 및 구조가 이에 의해 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 방법으로서,
a. 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩을 제공하는 단계로서, 상기 어레이의 각각의 개별적 센서가 적어도 하나의 나노-갭(nano-gap)을 갖는 고상 막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 나노-갭이 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함하는, 단계;
b. 상기 핵산 분자 또는 이의 일부를 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통과하거나 이에 근접하도록 유도하는 단계; 및
c. 적어도 약 97%의 정확도로 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 확인하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 핵산 분자의 적어도 약 100개의 연속적 핵산 염기의 스팬(span)에 걸쳐 적어도 약 97%의 정확도로 결정되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 재-시퀀싱의 부재하에서 적어도 약 97%의 정확도로 결정되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 전극이 전기 회로에 커플링되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 센서가 상기 전기 신호를 처리하는 집적 회로에 커플링되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 센서가 상기 칩의 일부인 방법.
제1항에 있어서, 센서의 상기 어레이가 1 mm² 당 약 500개 이상의 개별적 센서의 밀도로 개별적 센서를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 개별적 센서 각각이 독립적으로 어드레싱 가능한 방법.
제1항에 있어서, 상기 핵산 분자가 데옥시리보핵산 또는 리보핵산을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 고상 막이 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 적어도 부분적으로 형성되는 방법.
제10항에 있어서, 상기 고상 막이 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 적어도 부분적으로 형성되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 고상 막이 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리미터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는 방법.
제1항에 있어서, 상기 고상 막이 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 전극간 커패시턴스를 갖는 방법.
제1항에 있어서, 상기 정확도가 적어도 약 99.5%인 방법.
제1항에 있어서, 상기 정확도가 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 5개 이하의 핵산 염기를 확인하는 경우 적어도 약 97%인 방법.
제15항에 있어서, 상기 정확도가 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 3개 이하의 핵산 염기를 확인하는 경우 적어도 약 97%인 방법.
제16항에 있어서, 상기 정확도가 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 단일 핵산 염기를 확인하는 경우 적어도 약 97%인 방법.
제1항에 있어서, 적어도 약 97%의 상기 정확도가 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 최대 20회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 달성되는 방법.
제18항에 있어서, 적어도 약 97%의 상기 정확도가 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 최대 5회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 달성되는 방법.
제19항에 있어서, 적어도 약 97%의 상기 정확도가 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 단일 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 달성되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 적어도 10회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 확인되는 방법.
제21항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 적어도 20회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 확인되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 전기 신호가 전류를 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 상기 핵산 분자가 적어도 약 1 피코암페어의 전류 수준, 적어도 약 1 나노암페어의 백그라운드 전류 수준, 및 적어도 약 1 대 2의 신호 대 노이즈 비에서 적어도 약 0.5 킬로헤르츠(KHz)의 전위 속도로 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통과하여 유도되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 전극이 터널링 전극(tunneling electrode)을 포함하는 방법.
제25항에 있어서, 상기 전기 신호가 터널링 전류(tunneling current)를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 약 0.1 킬로헤르츠(KHz) 내지 100 KHz의 주파수에서 확인되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 방법.
제28항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 방법.
제28항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 방법.
제1항에 있어서, 상기 확인 단계가 적어도 약 80%의 미가공 정확도를 발생시키는 것을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 확인 단계가 컨센서스 서열을 발생시키는 것을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 적어도 약 80%의 단일 통과 정확도로 확인되는 방법.
핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 방법으로서,
a. 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩을 제공하는 단계로서, 상기 어레이의 각각의 개별적 센서가 적어도 하나의 나노-갭을 갖는 고상 막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 나노-갭이 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함하는, 단계;
b. 분자 모터의 부재하에서 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통과하거나 이에 근접하도록 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동을 유도하는 단계; 및
c. 다수의 시점에서 상기 전기 신호를 검출함으로써 상기 핵산 분자를 시퀀싱하는 단계를 포함하는, 방법.
제34항에 있어서, 상기 전극이 전기 회로에 커플링되는 방법.
제34항에 있어서, 상기 센서가 상기 전기 신호를 처리하는 집적 회로에 커플링되는 방법.
제34항에 있어서, 상기 센서가 상기 칩의 일부인 방법.
제34항에 있어서, 센서의 상기 어레이가 1 mm² 당 약 500개 이상의 개별적 센서의 밀도로 개별적 센서를 포함하는 방법.
제34항에 있어서, 상기 개별적 센서 각각이 독립적으로 어드레싱 가능한 방법.
제34항에 있어서, 상기 핵산 분자가 데옥시리보핵산 또는 리보핵산을 포함하는 방법.
제34항에 있어서, 상기 고상 막이 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성되는 방법.
제41항에 있어서, 상기 고상 막이 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성되는 방법.
제34항에 있어서, 상기 고상 막이 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리미터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는 방법.
제34항에 있어서, 상기 고상 막이 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 커패시턴스를 갖는 방법.
제34항에 있어서, 상기 핵산 분자가 적어도 약 95%의 정확도로 시퀀싱되는 방법.
제34항에 있어서, 상기 전기 신호가 전류를 포함하는 방법.
제34항에 있어서, 상기 전극이 터널링 전극을 포함하는 방법.
제47항에 있어서, 상기 전기 신호가 터널링 전류를 포함하는 방법.
제34항에 있어서, 상기 핵산 분자가 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 상기 핵산 분자의 하나 이상의 핵산 서브유닛을 검출함으로써 시퀀싱되는 방법.
제49항에 있어서, 상기 하나 이상의 핵산 서브유닛이 적어도 약 10 대 1의 신호 대 노이즈 비로 검출되는 방법.
제49항에 있어서, 상기 핵산 분자의 개별적 서브유닛이 최대 약 1 밀리초의 기간에서 검출되는 방법.
제34항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 방법.
제52항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 방법.
제52항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 방법.
핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 시스템으로서,
a. 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩으로서, 상기 어레이의 각각의 개별적 센서가 그 안에 적어도 하나의 나노-갭을 갖도록 구성된 고상 막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 나노-갭이 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전기 회로에 커플링된 전극을 포함하는, 칩; 및
b. 상기 칩에 커플링된 컴퓨터 프로세서로서, 상기 컴퓨터 프로세서가 적어도 약 97%의 정확도로 개별적 센서의 상기 어레이로부터 수신된 상기 전기 신호를 기초로 하여 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 특성규명하는 것을 돕도록 프로그램된, 컴퓨터 프로세서를 포함하는, 시스템.
제55항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 핵산 분자의 적어도 약 100개의 연속적 핵산 염기의 스팬에 걸쳐 적어도 약 97%의 정확도로 결정되는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 재-시퀀싱의 부재하에서 적어도 약 97%의 정확도로 결정되는 시스템.
제55항에 있어서, 개별적 센서의 상기 어레이가 1 mm² 당 적어도 약 500개의 개별적 센서의 밀도로 존재하는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 개별적 센서 각각이 독립적으로 어드레싱 가능한 시스템.
제55항에 있어서, 상기 핵산 분자가 데옥시리보핵산 또는 리보핵산을 포함하는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 고상 막이 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성되는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 고상 막이 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성되는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 고상 막이 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리미터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 고상 막이 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 커패시턴스를 갖는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 전기 신호가 전류를 포함하는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 전극이 터널링 전극을 포함하는 시스템.
제66항에 있어서, 상기 전기 신호가 터널링 전류를 포함하는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 시스템.
제68항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 시스템.
제68항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 시스템.
제55항에 있어서, 상기 컴퓨터 프로세서에 작동 가능하게 커플링된 트랜스임피던스(transimpedence) 증폭기를 추가로 포함하는 시스템.
핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 시스템으로서,
a. 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩으로서, 상기 어레이의 각각의 개별적 센서가 그 안에 적어도 하나의 나노-갭을 갖도록 구성된 고상 막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 나노-갭이 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전기 회로에 커플링된 전극을 포함하고, 상기 개별적 센서 각각이 독립적으로 어드레싱 가능한, 칩; 및
b. 상기 칩에 커플링된 컴퓨터 프로세서로서, 상기 컴퓨터 프로세서가 다수의 시점에서 상기 전기 신호를 검출함으로써 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 특성규명하는 것을 돕도록 프로그램된, 컴퓨터 프로세서를 포함하는, 시스템.
제72항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 유동이 분자 모터의 사용 없이 촉진되는 시스템.
제72항에 있어서, 개별적 센서의 상기 어레이가 1 mm² 당 적어도 약 500개의 개별적 센서의 밀도로 존재하는 시스템.
제72항에 있어서, 상기 핵산 분자가 데옥시리보핵산 또는 리보핵산을 포함하는 시스템.
제72항에 있어서, 상기 고상 막이 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성되는 시스템.
제72항에 있어서, 상기 고상 막이 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성되는 시스템.
제72항에 있어서, 상기 고상 막이 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리미터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는 시스템.
제72항에 있어서, 상기 고상 막이 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 커패시턴스를 갖는 시스템.
제72항에 있어서, 상기 전기 신호가 전류를 포함하는 시스템.
제72항에 있어서, 상기 전극이 터널링 전극을 포함하는 시스템.
제81항에 있어서, 상기 전기 신호가 터널링 전류를 포함하는 시스템.
제72항에 있어서, 상기 핵산 분자가 적어도 약 95%의 정확도로 시퀀싱되는 시스템.
제72항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 시스템.
제84항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 시스템.
제84항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 시스템.
핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 방법으로서,
a. 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩을 활성화시키는 단계로서, 상기 어레이의 각각의 개별적 센서가 적어도 하나의 나노-갭을 갖는 고상 막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 나노-갭이 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함하고, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는, 단계;
b. 상기 핵산 분자 또는 이의 일부를 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통과하거나 이에 근접하도록 유도하는 단계; 및
c. 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 확인하는 단계를 포함하는, 방법.
제87항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 핵산 분자의 적어도 약 100개의 연속적 핵산 염기의 스팬에 걸쳐 적어도 약 97%의 정확도로 결정되는 방법.
제87항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 재-시퀀싱의 부재하에서 적어도 약 97%의 정확도로 결정되는 방법.
제87항에 있어서, 상기 전극이 전기 회로에 커플링되는 방법.
제87항에 있어서, 상기 센서가 상기 전기 신호를 처리하는 집적 회로에 커플링되는 방법.
제87항에 있어서, 상기 센서가 상기 칩의 일부인 방법.
제87항에 있어서, 센서의 상기 어레이가 1 mm² 당 대략 개별적 센서 이상의 밀도로 개별적 센서를 포함하는 방법.
제87항에 있어서, 상기 핵산 분자가 적어도 약 0.5 킬로헤르츠(KHz)의 전위 속도로 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통과하여 유도되는 방법.
제87항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 적어도 10회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 확인되는 방법.
제95항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 적어도 20회의 통과로부터 수집된 데이터를 조합함으로써 확인되는 방법.
제87항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 방법.
제97항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 미만의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는 방법.
제87항에 있어서, 상기 확인 단계가 컨센서스 서열을 발생시키는 것을 포함하는 방법.
핵산 분자를 시퀀싱하기 위한 시스템으로서,
a. 개별적 센서의 어레이를 포함하는 칩으로서, 상기 어레이의 각각의 개별적 센서가 적어도 하나의 나노-갭을 갖는 고상 막을 포함하고, 상기 적어도 하나의 나노-갭이 적어도 약 0.5 킬로헤르츠(KHz)의 전위 속도로의 상기 적어도 하나의 나노-갭을 통한 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 유동시 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 검출을 돕기 위한 적어도 약 1 피코암페어의 전류 수준의 전기 신호를 발생시키도록 적합화된 전극을 포함하고, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 5배의 간격을 갖는 갭에 의해 이격되어 있는, 칩; 및
b. 상기 칩에 커플링된 컴퓨터 프로세서로서, 상기 컴퓨터 프로세서가 상기 전류를 검출함으로써 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 핵산 서열을 특성규명하는 것을 돕도록 프로그램된, 컴퓨터 프로세서를 포함하는, 시스템.
제100항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 유동이 분자 모터의 사용 없이 촉진되는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 핵산 분자 또는 이의 일부의 상기 핵산 서열이 다수의 시점에서 상기 전기 신호를 검출함으로써 특성규명되는 시스템.
제100항에 있어서, 개별적 센서의 상기 어레이가 1 mm² 당 적어도 약 500개의 개별적 센서의 밀도로 존재하는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 핵산 분자가 데옥시리보핵산 또는 리보핵산을 포함하는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 고상 막이 금속 물질 및 반도체 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 물질로 제조되는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 고상 막이 실리콘 니트라이드, 실리카 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 물질로 형성되는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 고상 막이 약 10 나노미터(nm) 내지 약 1 밀리미터(mm)의 범위 내의 두께를 갖는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 고상 막이 약 0.1 피코패럿(pF) 미만의 커패시턴스를 갖는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 전극이 터널링 전극을 포함하는 시스템.
제109항에 있어서, 상기 전류가 터널링 전류를 포함하는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 핵산 분자가 적어도 약 95%의 정확도로 시퀀싱되는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 2배의 갭에 의해 이격되어 있는 시스템.
제100항에 있어서, 상기 전극이 상기 핵산 분자의 제공된 핵산 서브유닛의 분자 직경의 약 0.5배 내지 상기 분자 직경 이하의 갭에 의해 이격되어 있는 시스템.