專利名稱：一種用于控制單個生物分子在納米孔中運動的系統及方法
技術領域：
本發明涉及生物領域，尤其涉及一種用于控制單個生物分子在納米孔中運動的系統及方法。
背景技術：
生物大分子，如DNA分子、蛋白質分子，在人類醫療和生物學中具有重要意義，其結構測定和性質表征一直是國際研究熱點，在醫療衛生行業中具有巨大的潛在市場。比如在人類基因組計劃的推動下，DNA序列的測定已經取得了很大的進展，已經有多種方法來表征其結構和性質，并逐漸開始產業化。目前，世界上多個國家都投入了大量的資源用于研發第三代基因測序儀，以期引領該領域的發展。
利用納米孔道測定單個鏈狀分子(DNA，蛋白質)的結構是一種全新的單分子結構測定技術，因具有廉價、無損等特點而一直被人們寄予厚望。這一技術的關鍵就是要實現對單個分子在納米孔中運動行為的測量和準確控制。由于生物大分子一般帶有一定的電荷(如DNA分子帶負電)，可以通過在納米孔兩側的電極施加不同極性的電壓，驅動生物大分子進出納米孔。人們可以通過離子電流的變化觀察到單個生物大分子穿過納米孔的信號(參考文獻 I :J. Clarke, Hai-Chen Wu, L. Jayasinghel et al, Continuousbase identification for single-molecule nanopore DNA sequencing. Naturenanotechnology, 2009，4 :265 270 ;參考文獻 2 :Β· Daniel，D. W. Deamer, A. Marziali etal，The potential and challenges of nanopore sequencing, nature biotechnology,2008,26(10) :1146 1153)。然而，目前的研究手段還沒有具體實現對單個生物分子在納米孔中運動的控制的系統和方法，以實現例如驅動、暫停、繼續運動、反向運動、停止等具體行為的控制。
發明內容
因此，本發明的目的在于克服上述現有技術的缺陷，提供一種可精確測量并操縱單個生物分子的運動的系統及方法。本發明特別適合單個鏈狀分子如DNA、蛋白質分子的運動控制及其快速序列測定。本發明的目的是通過以下技術方案實現的根據本發明的第一方面，提供一種控制單個生物分子在納米孔中運動的系統，包括監測器，設置于納米孔兩側，用于監測納米孔兩側的電學特性值，并將該電學特性值發送給信號甄別模塊；信號甄別模塊，其與監測器相連接，用于接收該電學特性值，并據此判定單個生物分子是否發生進入或退出納米孔的事件，并將判定結果發送給延遲模塊；延遲模塊，其與信號甄別模塊相連接，用于接收所述判定結果，并根據判定結果執行相應的動作延遲，其中在執行每個延遲時給電壓反饋模塊發出觸發信號；
電壓反饋模塊，其與延遲模塊相連接，用于接收所述觸發信號，并根據觸發信號輸出反饋電壓至納米孔兩側，以控制生物單分子的運動。在上述系統中，在所述信號甄別模塊中設置與所述電學特性相關的閾值，將所測的電學特性值與該電學特性閾值比較，由此判定單個生物分子是否發生進入或退出納米孔的事件。在上述系統中，所述電學特性閾值具有正向閾值和負向閾值，當由所述電學特性值下降至正向閾值以下時，判定生物分子進入納米孔；當由所述電學特性值下降至負向閾值以下時，判定生物分子退出納米孔。在上述系統中，當判定生物分子進入納米孔時，延遲模塊執行驅動定位延遲、檢測暫停延遲、退回等待延遲和重新入孔準備延遲；當判定生物分子退出納米孔時，延遲模塊執行退回等待延遲和重新入孔準備延遲。在上述系統中，當執行驅動定位延遲時，電壓反饋模塊的輸出反饋電壓為正向電壓；當執行檢測暫停延遲或重新入孔準備延遲時，輸出反饋電壓為零；當執行退回等待延·遲時，輸出反饋電壓為負向電壓。在上述系統中，所述電學特性為電壓、電流或電阻。根據本發明的第二方面，提供一種控制單個生物分子在納米孔中運動的方法，包括以下步驟步驟I):監測納米孔兩側的電學特性值；步驟2):根據該電學特性值，判定單個生物分子是否有進入或退出納米孔的事件；步驟3):如果判定單個生物分子發生進入或退出納米孔的事件，則執行相應的動作延遲同時輸出反饋電壓；如果判定單個生物分子沒發生進入或退出納米孔的事件，則繼續執行步驟I)。在上述方法中，所述步驟2)包括設置與該電學特性相關的閾值，比較所測的電學特性值與該電學特性閾值，由此判定單個生物分子是否發生進入或退出納米孔的事件。
在上述方法中，所述步驟2)中的電學特性閾值包括正向閾值和負向閾值，當所述電學特性值下降至正向閾值以下時，判定生物分子進入納米孔；當所述電學特性值下降至負向閾值以下時，判定生物分子退出納米孔。在上述方法中，在所述步驟3)中，當判定生物分子進入納米孔時，延遲模塊執行驅動定位延遲、檢測暫停延遲、退回等待延遲和重新入孔準備延遲；當判定生物分子退出納米孔時，延遲模塊執行退回等待延遲和重新入孔準備延遲。與現有技術相比，本發明的優點在于I、自動完成生物單分子在納米孔中運動的精確控制，有助于如DNA測序中單個堿基的重復測量，以此來提高信噪比；2、檢測暫停延遲的時段是專門用于做生物單分子其他物理信號檢測的，使測量到的信號種類更多，數據更可靠；3、可利用輸出反饋電壓按具體實驗需要決定單分子的運動行為；4、系統中模塊化程度高，邏輯信號清晰，同時控制方法簡單，操作簡便。
以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中圖Ia是根據本發明的用于控制單個生物分子在納米孔中運動的原理圖；圖Ib示出了根據本發明一個實施例的用于控制單個生物分子在納米孔中運動的測控系統的框圖；圖2示出根據本發明一個實施例的信號甄別模塊電路時序示意圖；圖3是根據本發明一個實施例的信號甄別模塊電路結構示意圖；圖4示出根據本發明一個實施例的延遲模塊電路時序示意圖； 圖5是根據本發明一個實施例的延遲模塊電路結構示意圖；圖6示出根據本發明一個實施例的電壓反饋模塊電路時序示意圖；圖7是根據本發明一個實施例的電壓反饋模塊電路結構示意圖；圖8示出根據本發明另一個實施例的電壓反饋模塊電路時序示意圖。
具體實施例方式總地來說，本發明設計了一種可以控制生物分子在納米孔中運動的系統及方法。本發明使用以下術語來描述生物分子在控制下的各個狀態“驅動定位”，是指通過諸如電壓等信號驅動生物分子使其一部分(例如一段長度)進入到納米孔中；“檢測暫停”，是指生物分子在納米孔中停止運動以便于對生物單分子做所需的物理信號檢測；“退回等待”，是指生物分子被負向電壓驅動退出納米孔；“重新入孔準備”，是指生物分子等待正向驅動電壓以重新進入納米孔。本文中所提到的“連接”既包括兩個部件之間的接觸性地、直接地接合，也包括兩個部件之間的非接觸地、間接地耦合。圖Ia示出了根據本發明的用于控制單個生物分子在納米孔中運動的原理圖。從圖Ia中可以看出，根據本發明的測控系統的輸入端與監測器(例如探頭)相連，該監測器可設置在納米孔兩側，用于檢測當生物分子進出納米孔時的電學特性的變化(例如電流、電壓或電阻變化)，并將檢測到的電學特性值發送給測控系統。測控系統的輸出端連接于納米孔兩側，用以將輸出電壓施加到納米孔兩側。由于測控系統可根據從監測器監測到的電學特性的變化，判斷出生物分子的狀態，并輸出下一步需要動作的驅動信號，從而實現對生物分子在納米孔中的運動的控制。圖Ib更詳細示出了根據本發明一個實施例的用于控制單個生物分子在納米孔中運動的測控系統的框圖。該測控系統包括信號甄別模塊、延遲模塊和電壓反饋模塊，下面具體描述各個模塊的功能。信號甄別模塊與監測器相連接，用于接收監測到的電流或電壓信號(以下以電壓信號為例進行說明)，并判定單個生物分子是否發生“進/出納米孔”的事件。具體地，可在該信號甄別模塊中設置生物分子進出納米孔的參考閾值電壓，通過比較監測電壓和參考閾值電壓，來判斷生物分子是否發生“進/出納米孔”事件，如果出現，則向延遲模塊發送觸發信號，例如短脈沖；如果不出現，則不產生。圖2示出根據本發明一個實施例的信號甄別模塊的電路時序圖。在信號甄別模塊中設置兩個閾值電壓土vth，當監測的電壓值低于+Vth時，例如在1\時刻，則認為生物分子進入納米孔，此時信號甄別模塊向延遲模塊發出短脈沖觸發信號S1，延遲模塊執行后續 t4延遲。當監測的電壓值低于-Vth時，例如在T2時刻，則認為生物分子退出納米孔，此時信號甄別模塊向延遲模塊發出短脈沖觸發信號S2,延遲模塊執行t3和t4延遲。作為舉例，實現本功能的信號甄別模塊的電路原理圖可如圖3所示。其電路運行的流程是通過數據采集設備的模擬電壓輸出通道給測控電路正負兩個參考電壓，分別接到兩個高速比較器上，而兩個高速比較器另外用作差分的輸入管腳同時接監測電流/電壓信號。圖2的時序圖顯示出高速比較器經過邏輯門后產生的短脈沖觸發信號。該短脈沖觸發信號被延遲模塊所利用延遲模塊與信號甄別模塊相連，用于接收來自于信號甄別模塊的觸發信號并相應完成預設動作的延遲時間。圖4示出根據本發明一個實施例的延遲模塊的電路時序圖。在本實施例中，將“驅動定位”、“檢測暫停”、“退回等待”和“重新入孔準備”的延遲時間分別設置為h、t2、t3、t4。當延遲模塊收到信號甄別模塊因發生“生物分子進入納米孔”事件而發出的觸發信號S1時，延遲模塊進行t2延遲，當收到信號甄別模塊因發生“生物分子退出納米孔”事件而發出的觸發信號S2時，延遲模塊進行t3、t4延遲。由于上述各個狀態的具體時長可根據分子運動的速度及信號檢測的要求設定，各個狀態的時長不一定相等。例如信號檢測可能需要幾個毫秒，驅動定位可能是幾十微秒到幾十個毫秒，退回等待和重新入·孔準備則可能長達幾百個毫秒。另外，對于不需要的延遲時間可以設定為零。在延遲模塊每完成一次延遲時，會產生新的短脈沖作為電壓反饋模塊的觸發信號。作為舉例，實現本功能的延遲模塊的電路原理圖可如圖5所示。電路運行的流程是通過數據采集設備的數字信號輸出通道給一級計數器一定的脈沖數。脈沖數是電腦程序根據延遲時長和石英振蕩器的標準時鐘精度計算得到的。一級計數器起到的作用就是將電腦輸出的脈沖數“翻譯”成二進制的數字電平信號后并行輸送給二級計數器的輸入端，相當于一個“緩存”。二級計數器的時鐘輸入會得到石英振蕩器的標準時鐘信號，因而，二級計數器從開始工作到完成對一定脈沖數的計數時間就是想得到的精確延遲時間。電壓反饋模塊與延遲模塊相連，用于接收延遲模塊的時長信號，再根據不同時長下要完成的不同生物單分子運動控制，將驅動或反饋電壓的輸出改變為正、負或零。圖6示出本發明一個實施例的電壓反饋模塊的電路時序圖。如圖所示，開始時，電壓反饋模塊輸出的正向電壓驅動使生物單分子向納米孔移動；一旦分子進孔，“監測電壓/電流”突然降低(如箭頭所指的A處)，信號甄別模塊以此變化給延遲模塊一觸發信號開始“驅動定位”的延遲計時，這時電壓反饋模塊仍為正向驅動電壓；當“驅動定位”延遲h結束，延遲模塊開始“檢測暫停”的延遲計時，此時電壓反饋模塊輸出電壓為0，“監測電壓/電流”也為0，生物單分子停留在納米孔中；當“檢測暫停”延遲t2結束后，電壓反饋模塊輸出電壓改變為負向電壓，“監測電壓/電流”是較小的負值；一旦分子退出納米孔，“監測電壓/電流”會由較小的負值變成較大的負值，信號甄別模塊以此變化給延遲模塊觸發信號以開始“退回等待”的延遲計時，這時電壓反饋模塊仍為負向驅動電壓，直至“退回等待”延遲t3結束；延遲模塊開始“重新入孔準備”的延遲計時，此時電壓反饋模塊輸出電壓為0，“監測電壓/電流”也為0，完成重新入孔準備延遲t4后，將電壓改變為正向電壓，重新驅動生物單分子再次向納米孔運動。作為舉例，可以實現上述功能的電壓反饋模塊的電路原理圖例如如圖7所示。電路運行的流程是多路復用器的通道分別接在正向驅動電壓、負驅動電壓上，其他通道均接地。從圖6的時序上，可以知道多路復用器在延遲t4結束和延遲&結束之間要輸出正向電壓，在延遲t2結束和延遲t3結束之間要輸出負向電壓。精確延遲模塊產生短脈沖觸發信號經過邏輯門和JK觸發器產生與設定時長相同的脈沖寬度，輸送給多路復用器的通路選擇輸入端，即可正確地選擇輸出不同的電壓值。另外，如果需要生物分子單向穿過納米孔的話，只要系統斷開給甄別模塊的“監測電壓/電流信號”的輸入端，則方向驅動電壓就不會被觸發，生物分子就會在正向電壓驅動下一直通過納米孔，參見圖8。根據本發明的實施例，提供一種用于控制單個生物分子在納米孔中運動的方法，包括步驟I):監測納米孔兩側的電學特性值；
步驟2):根據該電學特性閾值，判定單個生物分子是否發生進入或退出納米孔的事件；步驟3):如果判定單個生物分子發生進入或退出納米孔的事件，則執行相應的動作延遲同時輸出反饋電壓；如果判定單個生物分子沒發生進入或退出納米孔的事件，則繼續執行步驟I)。在上述方法中，步驟2)包括設置與該電學特性相關的閾值，比較所測的電學特性值與該電學特性閾值，由此判定單個生物分子是否發生進入或退出納米孔的事件。例如，該電學特性為電壓，設置電學特性閾值為正向閾值+Vth和負向閾值-Vth。當由監測器監測的電壓V下降至+Vth以下時，判定生物分子進入納米孔，接下來執行驅動定位延遲、檢測暫停延遲t2、退回等待延遲t3和重新入孔準備延遲t4。當監測的電壓V下降至負向閾值-Vt以下時，判定生物分子退出納米孔，接下來執行退回等待延遲t3和重新入孔準備延遲t4。在執行每個延遲時，需要同時輸出反饋電壓，當執行驅動定位延遲h時，電壓反饋模塊的輸出反饋電壓為正向電壓；當執行檢測暫停延遲t2或重新入孔準備延遲t4時，輸出反饋電壓為零；當執行退回等待延遲t3時，輸出反饋電壓為負向電壓。在本發明的上述實施例中，電壓極性僅為示意性的，然而本領域普通技術人員應理解，通過改變輸出反饋電壓的極性，可以改變生物分子進入或退出納米孔的方向。綜上所述，利用本發明的測控系統可以正確識別生物單分子進出納米孔的狀態，并以此觸發驅動電壓的改變，直接自動地按照用戶在電腦上給出的要求，完成生物單分子的運動測量和控制，有助于如DNA測序中單個堿基的重復測量，以此來提高信噪比。另外，本發明的控制方法簡單，模塊化程度高，邏輯信號清晰，電路運行的開始、結束和設定參數完全可以在電腦上完成，操作簡便。盡管參照上述的實施例已對本發明作出具體描述，但是對于本領域的普通技術人員來說，應該理解可以在不脫離本發明的精神以及范圍之內基于本發明公開的內容進行修改或改進，這些修改和改進都在本發明的精神以及范圍之內。
權利要求
1.一種控制單個生物分子在納米孔中運動的系統，包括 監測器，設置于納米孔兩側，用于監測納米孔兩側的電學特性值，并將該電學特性值發送給信號甄別模塊； 信號甄別模塊，其與監測器相連接，用于接收該電學特性值，并據此判定單個生物分子是否發生進入或退出納米孔的事件，并將判定結果發送給延遲模塊； 延遲模塊，其與信號甄別模塊相連接，用于接收所述判定結果，并根據判定結果執行相應的動作延遲，其中在執行每個延遲時給電壓反饋模塊發出觸發信號； 電壓反饋模塊，其與延遲模塊相連接，用于接收所述觸發信號，并根據觸發信號輸出反饋電壓至納米孔兩側，以控制生物單分子的運動。
2.根據權利要求I所述的系統，其特征在于，在所述信號甄別模塊中設置與所述電學特性相關的閾值，將所測的電學特性值與該電學特性閾值比較，由此判定單個生物分子是否發生進入或退出納米孔的事件。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述電學特性閾值具有正向閾值和負向閾值，當由所述電學特性值下降至正向閾值以下時，判定生物分子進入納米孔；當由所述電學特性值下降至負向閾值以下時，判定生物分子退出納米孔。
4.根據權利要求I所述的系統，其特征在于，當判定生物分子進入納米孔時，延遲模塊執行驅動定位延遲、檢測暫停延遲、退回等待延遲和重新入孔準備延遲；當判定生物分子退出納米孔時，延遲模塊執行退回等待延遲和重新入孔準備延遲。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，當執行驅動定位延遲時，電壓反饋模塊的輸出反饋電壓為正向電壓；當執行檢測暫停延遲或重新入孔準備延遲時，輸出反饋電壓為零；當執行退回等待延遲時，輸出反饋電壓為負向電壓。
6.根據權利要求I至5中任一所述的系統，其特征在于，所述電學特性為電壓、電流或電阻。
7.—種控制單個生物分子在納米孔中運動的方法，包括以下步驟 步驟I):監測納米孔兩側的電學特性值； 步驟2):根據該電學特性值，判定單個生物分子是否有進入或退出納米孔的事件； 步驟3):如果判定單個生物分子發生進入或退出納米孔的事件，則執行相應的動作延遲同時輸出反饋電壓；如果判定單個生物分子沒發生進入或退出納米孔的事件，則繼續執行步驟I)。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟2)包括設置與該電學特性相關的閾值，比較所測的電學特性值與該電學特性閾值，由此判定單個生物分子是否發生進入或退出納米孔的事件。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟2)中的電學特性閾值包括正向閾值和負向閾值，當所述電學特性值下降至正向閾值以下時，判定生物分子進入納米孔；當所述電學特性值下降至負向閾值以下時，判定生物分子退出納米孔。
10.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步驟3)中，當判定生物分子進入納米孔時，延遲模塊執行驅動定位延遲、檢測暫停延遲、退回等待延遲和重新入孔準備延遲；當判定生物分子退出納米孔時，延遲模塊執行退回等待延遲和重新入孔準備延遲。
全文摘要
本發明公開的控制單個生物分子在納米孔中運動的系統包括監測器，用于監測納米孔兩側的電學特性值并將該電學特性值發送給信號甄別模塊；信號甄別模塊，用于接收該電學特性值并據此判定單個生物分子是否發生進入或退出納米孔的事件，然后將判定結果發送給延遲模塊；延遲模塊，用于接收所述判定結果，并根據判定結果執行相應的動作延遲，其中在執行每個延遲時給電壓反饋模塊發出觸發信號；電壓反饋模塊，用于接收所述觸發信號并根據觸發信號輸出反饋電壓至納米孔兩側以控制生物單分子的運動。利用本發明的系統能正確識別生物單分子進出納米孔的狀態，完成生物單分子的運動測量和控制，有助于如DNA測序中單個堿基的重復測量，以此來提高信噪比。
文檔編號G05B19/401GK102890474SQ20111020510
公開日2013年1月23日 申請日期2011年7月21日 優先權日2011年7月21日
發明者胡穎, 周智, 孫云花, 顏世超, 單欣巖, 郭陽, 陸興華 申請人:中國科學院物理研究所