用于在纳米孔中操作分子的系统和方法
【专利说明】用于在纳米孔中操作分子的系统和方法
[0001]本申请是申请日2011年2月4日，申请号201180016647.8、发明名称“用于在纳米孔中操作分子的系统和方法”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及用于在纳米孔中操作分子的系统和方法。
[0003]发明背景
具有大约1纳米内径孔径的纳米孔膜装置在快速核苷酸测序中已经显示有前途。当跨越在浸于导电液体中的纳米孔施加电势时，可观察到因跨越纳米孔的离子传导而产生的微弱离子电流。电流大小对孔径敏感。当诸如DNA或RNA分子等分子穿过纳米孔时，会部分地或完全地阻塞纳米孔，这引起通过纳米孔的电流量值改变。业已显示离子电流阻塞可能与DNA分子的碱基对序列相关。
[0004]然而，该技术仍然面对各种挑战，其至今还不能鉴别至单个碱基对。具体而言，在纳米孔中吸引ssDNA分子所需的电位往往使ssDNA分子非常快速穿过纳米孔，这使分析变得困难。为了解决这个问题，试图把ssDNA栓到珠粒以阻止ssDNA分子穿过纳米孔的移动。然而，所述方法可能涉及大量样品制备，可能不适合于小的样本大小。需要改进的用于使用纳米孔膜装置的DNA分析的技术。
【附图说明】
[0005]
在以下详述和附图中揭示了本发明各种实施方案。注意附图意欲阐明本发明各种实施方案，不必按比例画图。
[0006]图1是包含含纳米孔的脂质双层的纳米孔装置实施方案的示意图。
[0007]图2是在用于控制电刺激并用于检测分析物分子的电特征(electricalsignature)的纳米孔装置中所用电路实施方案的示意图。
[0008]图3A是包括纳米孔装置阵列的芯片实施方案示意图的透视图。
[0009]图3B是图3A中所示的芯片的横断面视图。
[0010]图4是描述用于在固体基质上形成脂质双层的过程的实施方案的示意图。
[0011]图5是用于将纳米孔插入脂质双层的过程的实施方案的示意图。
[0012]图6是阐明用于在纳米孔中操作、检测、表征、关联、分析分子和/或对分子进行测序的过程的实施方案的示意图。
[0013]如先前所述，图7A-D阐明除倒“V”形前进电刺激(progress1n electricalstimulus)外的前进电刺激的不同实施方案。
[0014]图8是阐明用于在纳米孔中逆转分子前进的过程的实施方案的示意图。
[0015]图9是被驱动通过纳米孔的分子的电阻曲线实施方案。
【具体实施方式】
[0016]
本发明可以以多种方式实施，所述方式包括如:方法；设备?’系统;组合物；呈现在计算机可读储存介质上的计算机程序产品；和/或处理器，例如配置用于执行储存在与处理器耦合的存储器上的指令和/或由与处理器耦合的存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，可将这些实施或本发明可采用的其它任何形式称为技术。一般而言，在本发明范围内可改变所揭示方法的步骤的次序。除非另有说明，否则描述为配置用于执行任务的元件例如处理器或存储器，可作为暂时配置用于在特定时间执行该任务的通用元件来实施，或作为制造用于执行该任务的特殊元件来实施。本发明所用术语“处理器”指配置用于处理数据的一种或多种装置、电路和/或处理核心，所述数据例如计算机程序指令。
[0017]本发明包括以下技术方案:
技术方案1.一种在嵌入脂质双层的纳米孔中操作分子的方法，所述方法包括:
跨越脂质双层施加获取性电刺激水平，其中含有纳米孔的脂质双层的区域由电阻表征，其中所述获取性电刺激水平趋于将所述分子从周围流体中拉进所述纳米孔；
检测因获得分子的至少一部分进入所述纳米孔而导致的所述脂质双层电阻的改变；
改变所述获取性电刺激水平到保持性电刺激水平，其中当所述获取性电刺激水平改变至所述保持性电刺激水平时，所述分子的所述部分仍保留在所述纳米孔中。
[0018]2.技术方案1的方法，其中所述纳米孔为α -溶血素纳米孔。
[0019]3.技术方案1的方法，其中所述纳米孔为嵌入在二植烷酰基磷脂酰胆碱(DPhPC)脂质双层中的α-溶血素纳米孔。
[0020]4.技术方案1的方法，其中所述获取性电刺激和所述保持性电刺激各自包含施加的电压(V)水平。
[0021 ] 5.技术方案1的方法，其中改变所述获取性电刺激水平到保持性电刺激水平包括降低所述获取性电刺激水平到所述保持性电刺激水平。
[0022]6.技术方案5的方法，其中降低所述获取性电刺激水平到所述保持性电刺激水平，包括在检测到因获得所述分子的至少一部分进入所述纳米孔而导致的所述双层的电阻的变化后10毫秒内降低所述获取性电刺激水平。
[0023]7.技术方案1的方法，其中所述分子包括带电或极性聚合物。
[0024]8.技术方案1的方法，其中所述分子包括核酸分子。
[0025]9.技术方案1的方法，其中所述分子包括脱氧核糖核酸(DNA)分子。
[0026]10.技术方案1的方法，其中所述分子包括双链脱氧核糖核酸(dsDNA)分子。
[0027]11.技术方案1的方法，其中所述获取性电刺激水平范围从100到400 mV。
[0028]12.技术方案1的方法，其中所述保持性电刺激水平范围从50到150 mV。
[0029]13.技术方案1的方法，其进一步包括施加可变前进电刺激以移动所述分子穿过所述纳米孔。
[0030]14.技术方案13的方法，其中所述前进电压水平范围从100 mV到200 mV。
[0031]15.技术方案13的方法，其中施加以移动所述分子穿过所述纳米孔的可变前进电刺激，辨别所述分子的结构组分。
[0032]16.技术方案13的方法，其中所述分子是核酸分子，施加所述前进电刺激以辨别所述核酸分子的核苷酸碱基。
[0033]17.技术方案13的方法，其中所述可变前进电刺激包括一系列相继更强烈的电脉冲。
[0034]18.技术方案13的方法，其中所述前进电刺激模式包括不对称的倒“V”时间曲线。
[0035]19.技术方案13的方法，其中所述分子是双链DNA，所述前进电刺激解开所述双链DNA，拉动所述DNA的单条链穿过所述纳米孔。
[0036]20.技术方案13的方法，其进一步包括对所述含有纳米孔的脂质双层的区域施加逆向前进电刺激，以允许所述分子逆向穿过所述纳米孔。
[0037]21.技术方案20的方法，其中所述逆向前进电刺激与所述获取性电刺激具有相同极性，其中所述逆向前进电刺激的量值比所述获取性电刺激的量值小，但比所述保持性电刺激的量值大。
[0038]22.技术方案20的方法，其中所述逆向前进电刺激具有与所述获取性电刺激相反的极性。
[0039]23.技术方案20的方法，其中所述分子是双链DNA分子，所述前进电刺激解开所述双链DNA，拉动所述DNA的单条链穿过所述纳米孔，当所述DNA逆向通过所述纳米孔时，所述单链DNA重新退火为双链。
[0040]24.技术方案20的方法，其中在所述分子逆向前进期间记录所述分子的电特征。
[0041]25.一种用于在嵌入脂质双层的纳米孔中操作分子的系统，其包括:
可变电压电源，其配置以跨越脂质双层施加获取性电刺激水平，其中含有所述纳米孔的脂质双层区域由电阻表征，其中所述获取性电刺激水平趋于将所述分子从周围流体中拉进所述纳米孔；
传感电路，其配置以检测因获得分子的至少一部分进入所述纳米孔而导致的所述脂质双层电阻的变化；
其中当所述获取性电刺激水平改变到保持性电刺激水平时，进一步配置所述可变电压电源以改变所述获取性电刺激水平到保持性电刺激水平，其中所述分子的所述部分仍保留在所述纳米孔中。
[0042]26.技术方案25的系统，其中所述纳米孔为α-溶血素纳米孔。
[0043]27.技术方案25的系统，其中所述纳米孔为嵌入二植烷酰基磷脂酰胆碱(DPhPC)脂质双层中的α-溶血素纳米孔。
[0044]28.技术方案25的系统，其中所述获取性电刺激和所述保持性电刺激各自包含施加的电压(V)水平。
[0045]29.技术方案25的系统，其中改变所述获取性电刺激水平到保持性电刺激水平包括降低所述获取性电刺激水平到所述保持性电刺激水平。
[0046]30.技术方案29的系统，其中降低所述获取性电刺激水平到所述保持性电刺激水平，包括在检测到因获得所述分子的至少一部分进入所述纳米孔而导致的所述双层的电阻的改变后10毫秒内降低所述获取性电刺激水平。
[0047]31.技术方案25的系统，其中所述分子包括带电或极性聚合物。
[0048]32.技术方案25的系统，其中所述分子包括核酸分子。
[0049]33.技术方案25的系统，其中所述分子包括脱氧核糖核酸(DNA)分子。
[0050]34.技术方案25的系统，其中所述分子包括双链脱氧核糖核酸(dsDNA)分子。
[0051]35.技术方案25的系统，其中所述获取性电刺激水平范围从100到400 mV。
[0052]36.技术方案25的系统，其中所述保持性电刺激水平范围从50到150 mV。
[0053]37.技术方案25的系统，其进一步包括施加可变前进电刺激以移动所述分子穿过所述纳米孔。
[0054]38.技术方案37的系统，其中所述前进电压水平范围从100到200 mV。
[0055]39.技术方案37的系统，其中施加以移动所述分子穿过所述纳米孔的可变前进电刺激，辨别所述分子的结构组分。
[0056]40.技术方案37的系统，其中所述分子是核酸分子，施加所述前进电刺激以辨别所述核酸分子的核苷酸碱基。
[0057]41.技术方案37的系统，其中所述可变前进电刺激包括一系列相继更强烈的电脉冲。
[0058]42.技术方案37的系统，其中所述前进电刺激模式包括不对称的倒“V”时间曲线。
[0059]43.技术方案37的系统，其中所述分子是双链DNA分子，所述前进电刺激解开所述双链DNA，拉动所述DNA的单条链穿过所述纳米孔。
[0060]44.技术方案37的系统，其进一步包括对含有纳米孔的脂质双层区域施加逆向前进电刺激以允许所述分子逆向穿过所述纳米孔。
[0061]45.技术方案44的系统，其中所述逆向前进电刺激与所述获取性电刺激具有相同极性，其中所述逆向前进电刺激的量值比所述获取性电刺激的量值小，但比所述保持性电刺激的量值大。
[0062]46.技术方案44的系统，其中所述逆向前进电刺激具有与所述获取性电刺激相反的极性。
[0063]47.技术方案44的系统，其中所述分子是双链DNA分子，所述前进电刺激解开所述双链DNA，拉动所述DNA的单条链穿过所述纳米孔，当所述DNA逆向通过所述纳米孔时，所述单链DNA重新退火为双链。
[0064]48.技术方案44的系统，其中在所述分子逆向前进期间记录所述分子的电特征。
[0065]49.一种在嵌入脂质双层的纳米孔中操作分子的系统，其包括:
用于跨越脂质双层施加获取性电刺激水平的工具，其中含有所述纳米孔的脂质双层的区域由电阻表征，其中所述获取性电刺激水平趋于将分子从周围流体中拉进所述纳米孔；用于检测因获得分子的至少部分进入所述纳米孔而导致的所述脂质双层的电阻变化的工具；
用于改变所述获取性电刺激水平到保持性电刺激水平的工具，其中当所述获取性电刺激水平改变到所述保持性电刺激水平时，所述分子的所述部分仍保留在所述纳米孔中。
[0066]50.技术方案49的系统，其中所述纳米孔为α -溶血素纳米孔。
[0067]51.技术方案49的系统，其中所述纳米孔为嵌入在二植烷酰基磷脂酰胆碱(DPhPC)脂质双层中的α-溶血素纳米孔。
[0068]52.技术方案49的系统，其中所述获取性电刺激和所述保持性电刺激各自包含施加的电压(V)水平。
[0069]53.技术方案49的系统，其中改变所述获取性电刺激水平到保持性电刺激水平包括降低所述获取性电刺激水平到所述保持性电刺激水平。
[0070]54.技术方案53的系统，其中降低所述获取性电刺激水平到所述保持性电刺激水平，包括在检测到因获得所述分子的至少一部分进入所述纳米孔而导致的所述双层的电阻的改变后10毫秒内降低所述获取性电刺激水平。
[0071]55.技术方案49的系统，其中所述分子是带电或极性聚合物。
[0072]56.技术方案49的系统，其中所述分子是核酸分子。
[0073]57.技术方案49的系统，其中所述分子是脱氧核糖核酸(DNA)分子。
[0074]58.技术方案49的系统，其中所述分子是双链脱氧核糖核酸(dsDNA)分子。
[0075]59.技术方案49的系统，其中所述获取性电刺激水平范围从100到400 mV。
[0076]60.技术方案49的系统，其中所述保持性电刺激水平范围从50到150 mV。
[0077]61.技术方案49的系统，其进一步包括用于施加可变前进电刺激以移动所述分子穿过所述纳米孔的工具。
[0078]62.技术方案61的系统，其中所述前进电压水平范围从100 mV到200 mV。
[0079]63.技术方案61的系统，其中施加以移动所述分子穿过所述纳米孔的可变前进电刺激，辨别所述分子的结构组分。
[0080]64.技术方案61的系统，其中所述分子是核酸分子，施加所述前进电刺激以辨别所述核酸分子的核苷酸碱基。
[0081]65.技术方案61的系统，其中所述可变前进电刺激包括一系列相继更强烈的电脉冲。
[0082]66.技术方案61的系统，其中所述前进电刺激模式包括不对称的倒“V”时间曲线。
[0083]67.技术方案61的系统，其中所述分子是双链DNA，所述前进电刺激解开所述双链DNA，拉动所述DNA的单条链穿过所述纳米孔。
[0084]68.技术方案61的系统，其进一步包括用于对含有纳米孔的脂质双层区域施加逆向前进电刺激以允许所述分子逆向穿过所述纳米孔的工具。
[0085]69.技术方案68的系统，其中所述逆向前进电刺激与所述获取性电刺激具有相同极性，其中