用于在納米孔中操作分子的系統和方法
【專利說明】用于在納米孔中操作分子的系統和方法
[0001]本申請是申請日2011年2月4日，申請號201180016647.8、發明名稱“用于在納米孔中操作分子的系統和方法”的中國專利申請的分案申請。
技術領域
[0002]本發明涉及用于在納米孔中操作分子的系統和方法。
[0003]發明背景
具有大約1納米內徑孔徑的納米孔膜裝置在快速核苷酸測序中已經顯示有前途。當跨越在浸于導電液體中的納米孔施加電勢時，可觀察到因跨越納米孔的離子傳導而產生的微弱離子電流。電流大小對孔徑敏感。當諸如DNA或RNA分子等分子穿過納米孔時，會部分地或完全地阻塞納米孔，這引起通過納米孔的電流量值改變。業已顯示離子電流阻塞可能與DNA分子的堿基對序列相關。
[0004]然而，該技術仍然面對各種挑戰，其至今還不能鑒別至單個堿基對。具體而言，在納米孔中吸引ssDNA分子所需的電位往往使ssDNA分子非常快速穿過納米孔，這使分析變得困難。為了解決這個問題，試圖把ssDNA栓到珠粒以阻止ssDNA分子穿過納米孔的移動。然而，所述方法可能涉及大量樣品制備，可能不適合于小的樣本大小。需要改進的用于使用納米孔膜裝置的DNA分析的技術。
【附圖說明】
[0005]
在以下詳述和附圖中揭示了本發明各種實施方案。注意附圖意欲闡明本發明各種實施方案，不必按比例畫圖。
[0006]圖1是包含含納米孔的脂質雙層的納米孔裝置實施方案的示意圖。
[0007]圖2是在用于控制電刺激并用于檢測分析物分子的電特征(electricalsignature)的納米孔裝置中所用電路實施方案的示意圖。
[0008]圖3A是包括納米孔裝置陣列的芯片實施方案示意圖的透視圖。
[0009]圖3B是圖3A中所示的芯片的橫斷面視圖。
[0010]圖4是描述用于在固體基質上形成脂質雙層的過程的實施方案的示意圖。
[0011]圖5是用于將納米孔插入脂質雙層的過程的實施方案的示意圖。
[0012]圖6是闡明用于在納米孔中操作、檢測、表征、關聯、分析分子和/或對分子進行測序的過程的實施方案的示意圖。
[0013]如先前所述，圖7A-D闡明除倒“V”形前進電刺激(progress1n electricalstimulus)外的前進電刺激的不同實施方案。
[0014]圖8是闡明用于在納米孔中逆轉分子前進的過程的實施方案的示意圖。
[0015]圖9是被驅動通過納米孔的分子的電阻曲線實施方案。
【具體實施方式】
[0016]
本發明可以以多種方式實施，所述方式包括如:方法；設備?’系統;組合物；呈現在計算機可讀儲存介質上的計算機程序產品；和/或處理器，例如配置用于執行儲存在與處理器耦合的存儲器上的指令和/或由與處理器耦合的存儲器提供的指令的處理器。在本說明書中，可將這些實施或本發明可采用的其它任何形式稱為技術。一般而言，在本發明范圍內可改變所揭示方法的步驟的次序。除非另有說明，否則描述為配置用于執行任務的元件例如處理器或存儲器，可作為暫時配置用于在特定時間執行該任務的通用元件來實施，或作為制造用于執行該任務的特殊元件來實施。本發明所用術語“處理器”指配置用于處理數據的一種或多種裝置、電路和/或處理核心，所述數據例如計算機程序指令。
[0017]本發明包括以下技術方案:
技術方案1.一種在嵌入脂質雙層的納米孔中操作分子的方法，所述方法包括:
跨越脂質雙層施加獲取性電刺激水平，其中含有納米孔的脂質雙層的區域由電阻表征，其中所述獲取性電刺激水平趨于將所述分子從周圍流體中拉進所述納米孔；
檢測因獲得分子的至少一部分進入所述納米孔而導致的所述脂質雙層電阻的改變；
改變所述獲取性電刺激水平到保持性電刺激水平，其中當所述獲取性電刺激水平改變至所述保持性電刺激水平時，所述分子的所述部分仍保留在所述納米孔中。
[0018]2.技術方案1的方法，其中所述納米孔為α -溶血素納米孔。
[0019]3.技術方案1的方法，其中所述納米孔為嵌入在二植烷酰基磷脂酰膽堿(DPhPC)脂質雙層中的α-溶血素納米孔。
[0020]4.技術方案1的方法，其中所述獲取性電刺激和所述保持性電刺激各自包含施加的電壓(V)水平。
[0021 ] 5.技術方案1的方法，其中改變所述獲取性電刺激水平到保持性電刺激水平包括降低所述獲取性電刺激水平到所述保持性電刺激水平。
[0022]6.技術方案5的方法，其中降低所述獲取性電刺激水平到所述保持性電刺激水平，包括在檢測到因獲得所述分子的至少一部分進入所述納米孔而導致的所述雙層的電阻的變化后10毫秒內降低所述獲取性電刺激水平。
[0023]7.技術方案1的方法，其中所述分子包括帶電或極性聚合物。
[0024]8.技術方案1的方法，其中所述分子包括核酸分子。
[0025]9.技術方案1的方法，其中所述分子包括脫氧核糖核酸(DNA)分子。
[0026]10.技術方案1的方法，其中所述分子包括雙鏈脫氧核糖核酸(dsDNA)分子。
[0027]11.技術方案1的方法，其中所述獲取性電刺激水平范圍從100到400 mV。
[0028]12.技術方案1的方法，其中所述保持性電刺激水平范圍從50到150 mV。
[0029]13.技術方案1的方法，其進一步包括施加可變前進電刺激以移動所述分子穿過所述納米孔。
[0030]14.技術方案13的方法，其中所述前進電壓水平范圍從100 mV到200 mV。
[0031]15.技術方案13的方法，其中施加以移動所述分子穿過所述納米孔的可變前進電刺激，辨別所述分子的結構組分。
[0032]16.技術方案13的方法，其中所述分子是核酸分子，施加所述前進電刺激以辨別所述核酸分子的核苷酸堿基。
[0033]17.技術方案13的方法，其中所述可變前進電刺激包括一系列相繼更強烈的電脈沖。
[0034]18.技術方案13的方法，其中所述前進電刺激模式包括不對稱的倒“V”時間曲線。
[0035]19.技術方案13的方法，其中所述分子是雙鏈DNA，所述前進電刺激解開所述雙鏈DNA，拉動所述DNA的單條鏈穿過所述納米孔。
[0036]20.技術方案13的方法，其進一步包括對所述含有納米孔的脂質雙層的區域施加逆向前進電刺激，以允許所述分子逆向穿過所述納米孔。
[0037]21.技術方案20的方法，其中所述逆向前進電刺激與所述獲取性電刺激具有相同極性，其中所述逆向前進電刺激的量值比所述獲取性電刺激的量值小，但比所述保持性電刺激的量值大。
[0038]22.技術方案20的方法，其中所述逆向前進電刺激具有與所述獲取性電刺激相反的極性。
[0039]23.技術方案20的方法，其中所述分子是雙鏈DNA分子，所述前進電刺激解開所述雙鏈DNA，拉動所述DNA的單條鏈穿過所述納米孔，當所述DNA逆向通過所述納米孔時，所述單鏈DNA重新退火為雙鏈。
[0040]24.技術方案20的方法，其中在所述分子逆向前進期間記錄所述分子的電特征。
[0041]25.一種用于在嵌入脂質雙層的納米孔中操作分子的系統，其包括:
可變電壓電源，其配置以跨越脂質雙層施加獲取性電刺激水平，其中含有所述納米孔的脂質雙層區域由電阻表征，其中所述獲取性電刺激水平趨于將所述分子從周圍流體中拉進所述納米孔；
傳感電路，其配置以檢測因獲得分子的至少一部分進入所述納米孔而導致的所述脂質雙層電阻的變化；
其中當所述獲取性電刺激水平改變到保持性電刺激水平時，進一步配置所述可變電壓電源以改變所述獲取性電刺激水平到保持性電刺激水平，其中所述分子的所述部分仍保留在所述納米孔中。
[0042]26.技術方案25的系統，其中所述納米孔為α-溶血素納米孔。
[0043]27.技術方案25的系統，其中所述納米孔為嵌入二植烷酰基磷脂酰膽堿(DPhPC)脂質雙層中的α-溶血素納米孔。
[0044]28.技術方案25的系統，其中所述獲取性電刺激和所述保持性電刺激各自包含施加的電壓(V)水平。
[0045]29.技術方案25的系統，其中改變所述獲取性電刺激水平到保持性電刺激水平包括降低所述獲取性電刺激水平到所述保持性電刺激水平。
[0046]30.技術方案29的系統，其中降低所述獲取性電刺激水平到所述保持性電刺激水平，包括在檢測到因獲得所述分子的至少一部分進入所述納米孔而導致的所述雙層的電阻的改變后10毫秒內降低所述獲取性電刺激水平。
[0047]31.技術方案25的系統，其中所述分子包括帶電或極性聚合物。
[0048]32.技術方案25的系統，其中所述分子包括核酸分子。
[0049]33.技術方案25的系統，其中所述分子包括脫氧核糖核酸(DNA)分子。
[0050]34.技術方案25的系統，其中所述分子包括雙鏈脫氧核糖核酸(dsDNA)分子。
[0051]35.技術方案25的系統，其中所述獲取性電刺激水平范圍從100到400 mV。
[0052]36.技術方案25的系統，其中所述保持性電刺激水平范圍從50到150 mV。
[0053]37.技術方案25的系統，其進一步包括施加可變前進電刺激以移動所述分子穿過所述納米孔。
[0054]38.技術方案37的系統，其中所述前進電壓水平范圍從100到200 mV。
[0055]39.技術方案37的系統，其中施加以移動所述分子穿過所述納米孔的可變前進電刺激，辨別所述分子的結構組分。
[0056]40.技術方案37的系統，其中所述分子是核酸分子，施加所述前進電刺激以辨別所述核酸分子的核苷酸堿基。
[0057]41.技術方案37的系統，其中所述可變前進電刺激包括一系列相繼更強烈的電脈沖。
[0058]42.技術方案37的系統，其中所述前進電刺激模式包括不對稱的倒“V”時間曲線。
[0059]43.技術方案37的系統，其中所述分子是雙鏈DNA分子，所述前進電刺激解開所述雙鏈DNA，拉動所述DNA的單條鏈穿過所述納米孔。
[0060]44.技術方案37的系統，其進一步包括對含有納米孔的脂質雙層區域施加逆向前進電刺激以允許所述分子逆向穿過所述納米孔。
[0061]45.技術方案44的系統，其中所述逆向前進電刺激與所述獲取性電刺激具有相同極性，其中所述逆向前進電刺激的量值比所述獲取性電刺激的量值小，但比所述保持性電刺激的量值大。
[0062]46.技術方案44的系統，其中所述逆向前進電刺激具有與所述獲取性電刺激相反的極性。
[0063]47.技術方案44的系統，其中所述分子是雙鏈DNA分子，所述前進電刺激解開所述雙鏈DNA，拉動所述DNA的單條鏈穿過所述納米孔，當所述DNA逆向通過所述納米孔時，所述單鏈DNA重新退火為雙鏈。
[0064]48.技術方案44的系統，其中在所述分子逆向前進期間記錄所述分子的電特征。
[0065]49.一種在嵌入脂質雙層的納米孔中操作分子的系統，其包括:
用于跨越脂質雙層施加獲取性電刺激水平的工具，其中含有所述納米孔的脂質雙層的區域由電阻表征，其中所述獲取性電刺激水平趨于將分子從周圍流體中拉進所述納米孔；用于檢測因獲得分子的至少部分進入所述納米孔而導致的所述脂質雙層的電阻變化的工具；
用于改變所述獲取性電刺激水平到保持性電刺激水平的工具，其中當所述獲取性電刺激水平改變到所述保持性電刺激水平時，所述分子的所述部分仍保留在所述納米孔中。
[0066]50.技術方案49的系統，其中所述納米孔為α -溶血素納米孔。
[0067]51.技術方案49的系統，其中所述納米孔為嵌入在二植烷酰基磷脂酰膽堿(DPhPC)脂質雙層中的α-溶血素納米孔。
[0068]52.技術方案49的系統，其中所述獲取性電刺激和所述保持性電刺激各自包含施加的電壓(V)水平。
[0069]53.技術方案49的系統，其中改變所述獲取性電刺激水平到保持性電刺激水平包括降低所述獲取性電刺激水平到所述保持性電刺激水平。
[0070]54.技術方案53的系統，其中降低所述獲取性電刺激水平到所述保持性電刺激水平，包括在檢測到因獲得所述分子的至少一部分進入所述納米孔而導致的所述雙層的電阻的改變后10毫秒內降低所述獲取性電刺激水平。
[0071]55.技術方案49的系統，其中所述分子是帶電或極性聚合物。
[0072]56.技術方案49的系統，其中所述分子是核酸分子。
[0073]57.技術方案49的系統，其中所述分子是脫氧核糖核酸(DNA)分子。
[0074]58.技術方案49的系統，其中所述分子是雙鏈脫氧核糖核酸(dsDNA)分子。
[0075]59.技術方案49的系統，其中所述獲取性電刺激水平范圍從100到400 mV。
[0076]60.技術方案49的系統，其中所述保持性電刺激水平范圍從50到150 mV。
[0077]61.技術方案49的系統，其進一步包括用于施加可變前進電刺激以移動所述分子穿過所述納米孔的工具。
[0078]62.技術方案61的系統，其中所述前進電壓水平范圍從100 mV到200 mV。
[0079]63.技術方案61的系統，其中施加以移動所述分子穿過所述納米孔的可變前進電刺激，辨別所述分子的結構組分。
[0080]64.技術方案61的系統，其中所述分子是核酸分子，施加所述前進電刺激以辨別所述核酸分子的核苷酸堿基。
[0081]65.技術方案61的系統，其中所述可變前進電刺激包括一系列相繼更強烈的電脈沖。
[0082]66.技術方案61的系統，其中所述前進電刺激模式包括不對稱的倒“V”時間曲線。
[0083]67.技術方案61的系統，其中所述分子是雙鏈DNA，所述前進電刺激解開所述雙鏈DNA，拉動所述DNA的單條鏈穿過所述納米孔。
[0084]68.技術方案61的系統，其進一步包括用于對含有納米孔的脂質雙層區域施加逆向前進電刺激以允許所述分子逆向穿過所述納米孔的工具。
[0085]69.技術方案68的系統，其中所述逆向前進電刺激與所述獲取性電刺激具有相同極性，其中