KR20210095796A - 감지 시스템들 - Google Patents

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KR20210095796A
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보얀 보야노프
세르지오 페이사요비치
제프리 쥐. 맨델
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일루미나, 인코포레이티드
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Abstract

감지 시스템은, 전하 센서를 포함하고, 전하 센서는 2개의 전극들, 및 2개의 전극들을 연결하는 전기 전도성 채널을 포함한다. 감지 시스템은 또한 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자를 포함한다. 하전된 분자는 라벨링된 뉴클레오티드의 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 인식 부위를 포함하고; 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 인식 부위가 라벨에 바인딩될 때, 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조를 갖는다. 전하 구성은 바인딩되지 않은 전하 구성과 상이하다. 감지 시스템은, 전기 전도성 채널에 또는 하전된 분자에 부착된 중합효소를 더 포함한다.

Description

감지 시스템들
[0001] 본 출원은 2018년 12월 21일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 제62/783,951호의 이점을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0002] 생물학적 또는 화학적 연구의 다양한 프로토콜들은 로컬 지지 표면들 상의 또는 미리 규정된 반응 챔버들 내의 매우 많은 제어되는 반응들을 수행하는 것을 수반한다. 그후, 지정된 반응들이 관찰되거나 검출될 수 있고, 후속 분석은 반응에 수반된 화학물질들의 특성들을 식별하거나 밝혀내는 데 도움이 될 수 있다. 일부 예들에서, 제어되는 반응들은 형광(fluorescence)을 생성하고, 그리고 따라서 광학 시스템이 검출을 위해 사용될 수 있다. 다른 예들에서, 제어되는 반응들은 전하, 전도도 또는 일부 다른 전기적 특성을 변경하고, 따라서 전자 시스템이 검출을 위해 사용될 수 있다.
[0003] 본원에 개시된 제1 양상은 감지 시스템이고, 감지 시스템은 전하 센서(charge sensor) ― 전하 센서는 2개의 전극들; 및 2개의 전극들을 연결하는 전기 전도성 채널(electrically conductive channel)을 포함함 ― ; 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자(charged molecule); 및 전기 전도성 채널 또는 하전된 분자에 부착된 중합효소(polymerase)를 포함하고, 하전된 분자는: 라벨링된 뉴클레오티드(labeled nucleotide)의 라벨에 가역적으로(reversibly) 바인딩(bind)하기 위한 인식 부위(recognition site)를 포함하고; 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조(favored conformation)를 갖고, 인식 부위가 라벨에 바인딩될 때, 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조를 갖고, 전하 구성은 바인딩되지 않은 전하 구성과 상이하다.
[0004] 이러한 제1 양상의 예에서, 하전된 분자는 하전된 앱타머(charged aptamer)이다. 이러한 예에서, 하전된 앱타머는 DNA 앱타머, RNA 앱타머 및 이들의 유사물로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
[0005] 이러한 제1 양상의 예에서, 하전된 분자는 하전된 단백질 및 하전된 펩티드로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
[0006] 이러한 제1 양상의 예에서, 하전된 분자는: 제2 라벨링된 뉴클레오티드의 제2 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제2 인식 부위를 더 포함하고, 제2 인식 부위가 제2 라벨에 바인딩될 때 제2 전하 구성과 연관된 제2 호감성 입체구조를 갖고; 제3 라벨링된 뉴클레오티드의 제3 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제3 인식 부위를 더 포함하고, 제3 인식 부위가 제3 라벨에 바인딩될 때 제3 전하 구성과 연관된 제3 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 제4 라벨링된 뉴클레오티드의 제4 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제4 인식 부위를 더 포함하고, 제4 인식 부위가 제4 라벨에 바인딩될 때 제4 전하 구성과 연관된 제4 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조는, 인식 부위, 제2 인식 부위, 제3 인식 부위, 및 제4 인식 부위 각각이 바인딩되지 않을 때 발생한다.
[0007] 이러한 제1 양상의 예에서, 감지 시스템은 전기 전도성 채널에 부착된 제2 하전된 분자를 더 포함할 수 있고, 제2 하전된 분자는: 제2 라벨링된 뉴클레오티드의 제2 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제2 인식 부위를 포함하고; 제2 하전된 분자 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 제2 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 제2 인식 부위가 제2 라벨에 바인딩될 때, 제2 하전된 분자 전하 구성과 연관된 제2 하전된 분자 호감성 입체구조를 갖는다. 이러한 예에서, 감지 시스템은 또한 전기 전도성 채널에 부착된 제3 하전된 분자: 및 전기 전도성 채널에 부착된 제4 하전된 분자를 더 포함할 수 있고, 제3 하전된 분자는: 제3 라벨링된 뉴클레오티드의 제3 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제3 인식 부위를 포함하고; 제3 하전된 분자 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 제3 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 제3 인식 부위가 제3 라벨에 바인딩될 때, 제3 하전된 분자 전하 구성과 연관된 제3 하전된 분자 호감성 입체구조를 갖고; 제4 하전된 분자는: 제4 라벨링된 뉴클레오티드의 제4 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제4 인식 부위를 포함하고; 제4 하전된 분자 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 제4 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 제4 인식 부위가 제4 라벨에 바인딩될 때, 제4 하전된 분자 전하 구성과 연관된 제4 하전된 분자 호감성 입체구조를 갖는다.
[0008] 이러한 제1 양상의 예에서, 하전된 분자는 제2 라벨링된 뉴클레오티드의 제2 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제2 인식 부위를 더 포함하고, 제2 인식 부위가 제2 라벨에 바인딩될 때 제2 전하 구성과 연관된 제2 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 감지 시스템은 전기 전도성 채널에 부착된 제2 하전된 분자를 더 포함하고, 제2 하전된 분자는: 제3 라벨링된 뉴클레오티드의 제3 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제3 인식 부위; 및 제4 라벨링된 뉴클레오티드의 제4 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제4 인식 부위를 포함하고; 제2 하전된 분자 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 제2 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 제3 인식 부위가 제3 라벨에 바인딩될 때, 제3 전하 구성과 연관된 제3 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 제4 인식 부위가 제4 라벨에 바인딩될 때, 제4 전하 구성과 연관된 제4 호감성 입체구조를 갖는다.
[0009] 이러한 제1 양상의 예에서, 하전된 분자는, 라벨링된 뉴클레오티드의 제2 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제2 인식 부위를 더 포함한다.
[0010] 본원에 개시된 감지 시스템의 임의의 특징들이 임의의 원하는 방식 및/또는 구성으로 함께 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0011] 본원에 개시된 제2 양상은 감지 장치이고, 감지 장치는 플로우 셀(flow cell); 및 플로우 셀에 통합된 감지 시스템을 포함하고, 감지 시스템은: 전기 전도성 채널을 포함하는 전하 센서; 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자; 및 전기 전도성 채널 또는 하전된 분자에 부착된 중합효소를 포함하고, 하전된 분자는: 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 하전된 분자의 인식 부위가 라벨링된 뉴클레오티드의 라벨에 바인딩될 때, 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조를 갖고, 전하 구성은 바인딩되지 않은 전하 구성과 상이하다.
[0012] 이러한 제2 양상의 예에서, 감지 장치는 시약을 플로우 셀의 입력에 선택적으로 도입하기 위한 시약 전달 시스템을 더 포함한다. 일부 예들에서, 시약은 샘플 용기(sample container) 내에 있고, 시약은 라벨링된 뉴클레오티드를 포함하고, 라벨링된 뉴클레오티드는: 뉴클레오티드; 뉴클레오티드의 인산기에 부착된 링킹 분자(linking molecule); 및 링킹 분자에 부착된 인식 부위 특정 라벨을 포함한다.
[0013] 이러한 제2 양상의 예에서, 감지 장치는 전하 센서로부터의 응답을 검출하기 위한 검출기를 더 포함한다.
[0014] 감지 장치의 임의의 특징들이 임의의 원하는 방식으로 함께 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 감지 시스템 및/또는 감지 장치의 특징들의 임의의 조합들이 함께 사용되고 그리고/또는 본원에 개시된 예들 중 임의의 예와 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0015] 본원에 개시된 제3 양상은 방법이고, 방법은 감지 시스템에 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인을 도입하는 단계 ― 감지 시스템은: 2개의 전극들, 및 2개의 전극들을 연결하는 전기 전도성 채널을 포함하는 전하 센서; 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자; 및 전기 전도성 채널에 또는 하전된 분자에 부착된 중합효소를 포함하고, 하전된 분자는 인식 부위를 포함함 ― ; 및 라벨링된 뉴클레오티드들을 포함한 시약들을 감지 시스템에 도입하는 단계 ― 이로써 라벨링된 뉴클레오티드들 중 하나의 뉴클레오티드가 중합효소와 연관되고, 라벨링된 뉴클레오티드들 중 하나의 라벨링된 뉴클레오티드의 인식 부위 특정 라벨이 인식 부위와 연관되어, 하전된 분자의 입체구조적 변화를 유도함 ― ; 및 하전된 분자의 입체구조적 변화에 대한 응답으로, 전하 센서의 응답을 검출하는 단계를 포함한다.
[0016] 이러한 제3 양상의 예에서, 방법은 전하 센서의 응답과 연관된 인식 부위 특정 라벨을 연관시키는 단계; 및 연관된 인식 부위 특정 라벨에 기반하여, 라벨링된 뉴클레오티드들 중 하나의 라벨링된 뉴클레오티드의 뉴클레오티드를 식별하는 단계를 더 포함한다.
[0017] 이러한 제3 양상의 예에서, 하전된 분자는 복수의 상이한 인식 부위들을 포함하고, 복수의 상이한 인식 부위들 각각은 상이한 라벨링된 뉴클레오티드의 상이한 라벨에 별개의 레이트로 가역적으로 바인딩하기 위한 것이다. 일부 예들에서, 방법은 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들이 중합효소와 각각 연관되고 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들의 상이한 인식 부위 특정 라벨들이 복수의 상이한 인식 부위들 중 하나에 각각 바인딩할 때, 하전된 분자의 상이한 입체구조적 변화들에 대한 응답으로, 전하 센서의 복수의 응답들을 검출하는 단계; 및 별개의 레이트들에 의해 각각 연관된 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들을 식별하는 단계를 더 포함한다.
[0018] 이러한 제3 양상의 예에서, 인식 부위는 복수의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들의 복수의 상이한 라벨들에 복수의 별개의 레이트들로 가역적으로 바인딩하기 위한 것이고, 방법은: 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들 중 적어도 일부가 중합효소와 각각 연관되고 상이한 라벨들 중 적어도 일부가 인식 부위에 각각 바인딩할 때, 하전된 분자의 상이한 입체구조적 변화들에 대한 응답으로 전하 센서의 복수의 응답들을 검출하는 단계; 및 별개의 레이트들에 의해 각각 연관된 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들을 식별하는 단계를 더 포함한다.
[0019] 이러한 제3 양상의 예에서, 인식 부위는 최대 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들에 가역적으로 바인딩하기 위한 것이고, 방법은: 최대 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들이 중합효소 및 인식 부위와 각각 연관될 때, 하전된 분자의 상이한 입체구조적 변화들에 대한 응답으로 전하 센서의 최대 4개의 상이한 응답들을 검출하는 단계 ― 최대 4개의 상이한 응답들 각각은 별개의 크기를 가짐 ― ; 및 별개의 크기들에 의해 각각 연관된 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들을 식별하는 단계를 더 포함한다.
[0020] 방법의 임의의 특징들이 임의의 원하는 방식으로 함께 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 방법 및/또는 감지 시스템 및/또는 감지 장치의 특징들의 임의의 조합들이 함께 사용되고 그리고/또는 본원에 개시된 예들 중 임의의 예와 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0021] 본원에 개시된 제4 양상은 감지 시스템이고, 감지 시스템은 전하 센서 ― 전하 센서는 2개의 전극들; 및 2개의 전극들을 연결하는 전기 전도성 채널을 포함함 ― ; 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자; 및 2개의 전극들 중 적어도 하나 또는 전하 센서가 포지셔닝된 기판에 부착된 중합효소를 포함하고, 하전된 분자는: 라벨링된 뉴클레오티드의 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 인식 부위를 포함하고; 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 인식 부위가 라벨에 바인딩될 때, 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조를 갖고, 전하 구성은 바인딩되지 않은 전하 구성과 상이하다.
[0022] 제4 양상의 일 예에서, 기판은 패터닝된 기판이고, 전하 센서는 패터닝된 기판의 함몰부(depression)에 포지셔닝되고, 그리고 중합효소는 함몰부의 표면에 부착된다.
[0023] 이러한 감지 시스템의 임의의 특징들이 임의의 원하는 방식으로 함께 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 이러한 감지 시스템 및/또는 방법 및/또는 다른 감지 시스템 및/또는 감지 장치의 특징들의 임의의 조합들이 함께 사용되고 그리고/또는 본원에 개시된 예들 중 임의의 예와 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0024] 본원에 개시된 제5 양상은 감지 장치이고, 감지 장치는 플로우 셀; 및 플로우 셀에 통합된 감지 시스템을 포함하고, 감지 시스템은: 전기 전도성 채널을 포함하는 전하 센서; 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자; 및 2개의 전극들 중 적어도 하나 또는 플로우 셀의 기판에 부착된 중합효소를 포함하고, 하전된 분자는: 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고 하전된 분자의 인식 부위가 라벨링된 뉴클레오티드의 라벨에 바인딩될 때, 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조를 갖고, 전하 구성은 바인딩되지 않은 전하 구성과 상이하다.
[0025] 제5 양상의 일 예에서, 기판은 패터닝된 기판이고, 전하 센서는 패터닝된 기판의 함몰부에 포지셔닝되고, 그리고 중합효소는 함몰부의 표면에 부착된다.
[0026] 이러한 감지 장치의 임의의 특징들이 임의의 원하는 방식으로 함께 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 이러한 감지 장치 및/또는 방법 및/또는 감지 시스템들 및/또는 다른 감지 장치의 특징들의 임의의 조합들이 함께 사용되고 그리고/또는 본원에 개시된 예들 중 임의의 예와 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0027] 또한, 방법들 중 임의의 방법 및/또는 감지 시스템들 중 임의의 감지 시스템 및/또는 감지 장치들 중 임의의 감지 장치의 임의의 특징들이 임의의 원하는 방식으로 함께 결합될 수 있고 그리고/또는 본원에 개시된 예들 중 임의의 예와 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0028] 본 개시내용의 예들의 특징들은 다음의 상세한 설명 및 도면들을 참조함으로써 맹백해질 것이고, 도면들에서 유사한 참조 번호들은, 아마도 동일하지는 않지만 유사한 컴포넌트들에 대응한다. 간결함을 위해, 이전에 설명된 기능을 갖는 참조 번호들 또는 특징들은, 이들이 나타나는 다른 도면들과 관련하여 설명될 수 있거나 설명되지 않을 수 있다.
[0029] 도 1a는, 하전된 분자가 자신의 바인딩되지 않은 호감성 입체구조("(i)"에 도시됨) 및 자신의 호감성 입체구조("(ii)"에 도시됨) 둘 모두에 있는 경우의, 본원에 개시된 센서의 예의 개략도이다.
[0030] 도 1b는, 하전된 분자가 자신의 바인딩되지 않은 호감성 입체구조("(i)"에 도시됨) 및 자신의 호감성 입체구조("(ii)"에 도시됨) 둘 모두에 있는 경우의, 본원에 개시된 센서의 또 다른 예의 개략도이다.
[0031] 도 2는 본원에 개시된 센서의 다른 예의 개략도이다.
[0032] 도 3a 내지 3e는, 4개의 상이한 인식 부위들을 갖는 하전된 분자를 포함하는 센서의 또 다른 예를 예시하는 개략도들이다.
[0033] 도 4는, 플로우 셀을 포함하는 감지 시스템의 예 및 본원에 개시된 센서의 예의 개략적인 사시도이다.
[0034] 도 5는 본원에 개시된 방법의 예를 개략적으로 예시한다.
[0035] 도 6a 및 6b는 본원에 개시된 센서들의 잠재적인 응답들을 예시하는 그래프들이다.
[0036] 도 7a는 플로우 셀의 다른 예의 상면도이다.
[0037] 도 7b는, 도 7a의 플로우 셀의 아키텍처에 포지셔닝된 센서들의 예의 확대된 부분 절취도이다.
[0038] 핵산 시퀀싱 절차들(nucleic acid sequencing procedures)에서 단일 분자 검출에 사용될 수 있는 감지 시스템이 본원에 개시된다. 감지 시스템은, 전하 센서의 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 모이어티(charged moiety)를 포함한다. 하전된 모이어티는, 전하 센서에 의해 검출 가능한 하전된 모이어티를 재구성하는 이벤트(예컨대, 타겟 라벨의 바인딩)가 발생할 때까지, 하전된 모이어티가 검출되지 않는 방식으로, 전기 전도성 채널에 부착된다. 더 구체적으로, 하전된 모이어티는, 중합효소에 의해 통합될 수 있는 뉴클레오티드에 부착된 타겟 라벨과의 가역적인 바인딩을 겪을 수 있다. 타겟 라벨이 하전된 모이어티에 바인딩한 결과로서, 바인딩된 하전된 모이어티는, 전하들의 공간 분포를 변경하는 입체구조적 변화를 겪는다. 전하 센서의 전기 전도성 채널에 대한 하전된 모이어티의 근접성으로 인해, 전하 센서는 새롭게 제공된 전하들에 응답하고, 검출 가능한 신호를 생성한다. 검출 가능한 신호는 심지어 염 이온들(salt ions)의 생물학적 관련 또는 생리적 농도들에서도 생성되고, 여기서 디바이(Debye) 스크리닝 길이들은 전형적으로 1nm 미만이다. 예들로서, 음으로 하전된 모이어티를 전기 전도성 채널에 더 가깝게 이동시키는 입체구조는 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 감소시킬 수 있는 반면, 음으로 하전된 모이어티를 전기 전도성 채널에서 멀리 이동시키는 입체구조는 트랜스컨덕턴스를 증가시킬 수 있다. 이로써, 상이한 하전된 모이어티 입체구조들은 별개의 검출 가능한 신호들을 발생시킨다. 검출 가능한 전하들이 하전된 모이어티에 상주하기 때문에, 전하들은 타겟 라벨에 상주할 필요가 없고, 이것이 유리할 수 있다.
[0039] 본원에 개시된 예들에서, 타겟 라벨은, 중합효소에 의해 통합될 수 있는 특정 뉴클레오티드에 맞춤화될 수 있다. 타겟 라벨이 하전된 모이어티에서 원하는 입체구조적 변화를 유도하기 때문에, 결과적인 신호는 특정 뉴클레오티드를 식별하는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 전하 크기 외에도, 타겟 라벨들과 하나 이상의 하전된 모이어티들 사이의 온- 및 오프-레이트들은, 고유한 주파수들로 나타나는 고유한 지문 신호들을 생성하는 데 사용될 수 있고, 고유한 지문 신호들은 타겟 라벨들에 링크된 개개의 뉴클레오티드들을 식별하는 데 사용할 수 있다.
[0040] 이제 도 1a 및 1b를 참조하면, 감지 시스템(10, 10')의 2개의 예들이 각각 묘사된다. 감지 시스템들(10, 10') 각각은 전하 센서(11, 11')를 포함하고, 전하 센서(11, 11')는 2개의 전극들(12, 14), 및 2개의 전극들(12, 14)을 연결하는 전기 전도성 채널(16)을 포함한다. 감지 시스템들(10, 10')은 또한, 전하 센서(11, 11')의 전기 전도성 채널(16)에 부착된 하전된 분자(18 또는 18'), 및 전기 전도성 채널(16)(도 1a)에 또는 하전된 분자(18')(도 1b)에 부착된 중합효소(20)를 포함한다.
[0041] 감지 시스템의 다른 예들에서, 중합효소(20)는 감지 시스템(10, 10')의 다른 컴포넌트들(예컨대, 전극(12 또는 14)), 및/또는 감지 시스템(10, 10')이 통합된 플로우 셀의 다른 컴포넌트들에 부착될 수 있다. 중합효소(20)는, 중합효소(20)에 의해 통합되는 뉴클레오티드의 라벨이 하전된 분자(18 또는 18')에 가역적으로 바인딩될 수 있는 한, 전하 센서(11, 11')에 인접한 임의의 영역에 부착될 수 있다. 일부 예들에서, 중합효소(20)는 하전된 분자(18 또는 18')의 약 5 nm 내지 약 50 nm의 거리 내에서 부착된다.
[0042] 전하 센서(11, 11')는 FET(field effect transistor), 이를테면, CNT(carbon nanotube) 기반 FET, SWNT(single-walled carbon nanotube) 기반 FET, SiNW(silicon nanowire) FET, 실리콘 나노튜브 FET, 중합체 나노와이어 FET, 그래핀 나노리본 FET(및 MoS2, 실리센 등과 같은 2D 재료들로 제조된 관련된 나노리본 FET들), MOSFET(metal-oxide semiconductor FET), TFET(tunnel FET), 또는 외부 필드에 의해 변조될 수 있는 컨덕턴스를 갖는 임의의 다른 장치, 예컨대, 금속성 CNT 또는 다중-벽 CNT일 수 있다. FET에서, 전극들(12, 14)은 소스 및 드레인 단자들이고, 전기 전도성 채널(16)은 게이트 단자이다. 전계 효과 트랜지스터는 n-타입 기판에 p-타입 소스 및 드레인 단자들을 갖는 PMOS 또는 p-채널, 또는 p-타입 기판에 n-타입 소스 및 드레인 단자들을 갖는 NMOS 또는 n-채널일 수 있다.
[0043] 전극들(12, 14)은 임의의 적절한 전도성 재료를 포함할 수 있다. 적합한 소스 및 드레인 재료들의 예들은 코발트, 코발트 실리사이드, 니켈, 니켈 실리사이드, 알루미늄, 텅스텐, 구리, 티타늄, 몰리브덴, ITO(indium tin oxide), 인듐 아연 산화물, 금, 백금, 탄소 등을 포함한다.
[0044] 전기 전도성 채널(16)은 나노스케일의 적어도 하나의 치수(1nm로부터 1㎛ 미만의 범위)를 갖는 나노구조일 수 있다. 일 예에서, 적어도 하나의 치수는 가장 큰 치수를 나타낸다.
[0045] 전기 전도성 채널(16)은 또한 튜브형 구조, 와이어 구조, 평면 구조 등과 같은 임의의 적절한 지오메트리(geometry)를 가질 수 있고, 임의의 적합한 반전도성 또는 전도성 재료일 수 있다. 예들로서, 전기 전도성 채널(16)은, 반전도성 나노구조, 그래핀 나노구조, 금속성 나노구조, 전도성 중합체 나노구조 또는 분자 와이어로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 일부 예들에서, 나노구조는 다중- 또는 단일-벽 나노튜브, 나노와이어, 나노리본 등일 수 있다. 특정 예들로서, 나노구조는 탄소 나노튜브, 단일-벽 탄소 나노튜브, 실리콘 나노와이어, 실리콘 나노튜브, 중합체 나노와이어, 그래핀 나노리본, MoS2 나노리본, 실리콘 나노리본 등일 수 있다.
[0046] 시스템(10, 10')에서, 하전된 분자(18, 18')는 전하 센서(11, 11')의 전기 전도성 채널(16)에 공유 결합으로(covalently) 또는 비-공유 결합으로 부착된다. 하전된 분자(18, 18')는 전기 연결 채널(16)에 직접 바인딩될 수 있거나, 테더를 통해 전기 전도성 채널(16)에 간접적으로 바인딩될 수 있다. 하전된 분자(18, 18')의 부착은 전기 전도성 채널(16)의 근방에, 예컨대 몇몇의 디바이스 길이들 내에서 하전된 분자(18, 18')를 유지한다. 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 타겟 라벨(24)과 가역적 바인딩을 겪을 수 있는 임의의 적합한 하전된 분자(18, 18')가 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 하전된 분자(18, 18')는 라벨(24)에 가역적으로 바인딩할 수 있는 인식 부위(28)를 포함하고, 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A(도 1a 및 도 1b 각각에서 최상부((i)로 라벨링됨) 참조)를 갖고, 인식 부위(28)가 라벨(24)에 바인딩될 때 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조 B(도 1a 및 도 1b 각각에서 최하부((ii)로 라벨링됨) 참조)를 갖는다.
[0047] 용어 "바인딩되지 않은 호감성 입체구조"는, 라벨(24)이 바인딩되지 않을 때 하전된 분자(18, 18')에 의해 우선적으로 나타나는 하나의 공간 배열을 지칭한다. 하전된 분자(18, 18')는, 라벨(24)이 바인딩되지 않을 때, 몇몇의 상이한 입체구조들 사이에서 동적으로 이동할 수 있다. 그러나, 하전된 분자(18, 18')는, 타겟 라벨(24)이 바인딩되지 않을 때, 다른 공간 배열들보다 더 자주 나타나는 선호되는 공간 배열을 갖는다. 이 예에서, 이 선호되는 공간 배열(또는 우선적으로 나타나는 공간 배열)은, 예컨대, 분자 안정성 및/또는 자신의 가장 낮은 에너지 상태에 있는 것으로 인해 가장 가능성이 높은 배열이며, 따라서 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A이다. 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A는, 일부 예시들에서, 가장 안정적인 입체구조 및/또는 가장 낮은 에너지 입체구조일 수 있다.
[0048] 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A는 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된다. 바인딩되지 않은 전하 구성은, 하전된 분자(18, 18')가 자신의 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A에 있을 때, 하전된 분자(18, 18')의 전하들의 분포이다.
[0049] 용어 "호감성 입체구조"는, 라벨(24)이 가역적으로 바인딩될 때, 하전된 분자(18, 18')에 의해 우선적으로 나타나는 하나의 공간 배열을 지칭한다. 하전된 분자(18, 18')의 호감성 입체구조 B는 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A와 상이하다. 타겟 분자가 하전된 분자(18, 18')에 바인딩할 때, 하전된 분자(18, 18')는, 타겟 라벨이 바인딩될 때, 다른 공간 배열들보다 더 자주 나타나는 선호되는 공간 배열로 이동한다. 이 예에서, 이 선호되는 공간 배열은, 타겟 라벨이 바인딩될 때, 예컨대, 분자 안정성으로 인해, 가장 가능성이 높은 배열이며, 따라서 호감성 입체구조이다. 일 예에서, 하전된 분자(18, 18')는 평형(equilibrium) 상태에서 다수의 입체구조들을 갖고, 라벨(24)은 입체구조들 중 하나를 안정화시킬 수 있다.
[0050] 호감성 입체구조 B는 전하 구성과 연관된다. 전하 구성은, 하전된 분자(18, 18')가 자신의 호감성 입체구조 B에 있을 때, 하전된 분자(18, 18')의 전하들의 분포이다. 호감성 입체구조 B와 연관된 전하 구성은 바인딩되지 않은 전하 구성과 검출 가능하게 상이하다. 전하 구성은 (전하 센서에 의해) 증가 또는 감소된 크기, 또는 주파수의 변화 등으로 검출 가능할 수 있다.
[0051] 언급된 바와 같이, 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 라벨(24)은 인식 부위(28)에 가역적으로 바인딩할 수 있다. 따라서, 인식 부위(28)는 라벨(24)에 대한 일시적인 수용체(temporary receptor)이다.
[0052] 도 1a 및 도 1b의 최상부들((i)로 라벨링됨)은 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A의 하전된 분자(18, 18')를 도시한다. 본원에 언급된 바와 같이, 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A는, 인식 부위(28)에 라벨(24)이 바인딩되어 있지 않을 때, 하전된 분자(18, 18')의 선호되는 배향 또는 공간 배열을 지칭한다. 바인딩되지 않은 입체구조 A(도 1a 및 도 1b의 (i)에 도시됨)는 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된다. 바인딩되지 않은 전하 구성은, 하전된 분자(18, 18')가 자신의 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A에 있을 때, 하전된 분자(18, 18')의 전하들의 분포이다. 도 1a 및 도 1b에서, 전하 분포의 중심(centroid)은 "·"로 도시되고, 전하 중심과 전기 전도성 채널(16)의 표면 사이의 거리는 "δ18A"(도 1a) 및 "δ18'A"(도 1b)로 도시된다. 이들 도면들에 예시된 바와 같이, 전하 분포, 중심 및 거리(δ18A, δ18'A)는 각각의 하전된 분자(18, 18')에 대해 상이하고, 하전된 분자(18, 18')가 타겟 라벨(24)에 바인딩할 때 변경될 수 있다.
[0053] 도 1a 및 도 1b의 최하부들((ii)로 라벨링됨)은 호감성 입체구조 B, 즉, 타겟 라벨(24)이 인식 부위(28)에 바인딩될 때의 하전된 분자(18, 18')를 도시한다. 본원에 언급된 바와 같이, 호감성 입체구조 B(도 1a 및 도 1b의 (ii)에 도시됨)는, 라벨(24)이 인식 부위(28)에 바인딩될 때, 하전된 분자(18, 18')의 선호되는 배향 또는 공간 배열을 지칭한다. 호감성 입체구조 B는 전하 구성과 연관된다. 전하 구성은, 하전된 분자(18, 18')가 자신의 호감성 입체구조 B에 있을 때, 하전된 분자(18, 18')의 전하들의 분포이다. 도 1a(ii)에서, 하전된 분자(18)의 호감성 입체구조 B는, 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A와 비교될 때, 하전된 분자(18)를 전기 전도성 채널(16)의 표면에 더 가깝게 이동시킨다. 호감성 입체구조 B의 이 예에서, δ18B는 δ18A보다 작고, 하전된 분자(18)의 음전하 또는 양전하는 전기 전도성 채널(16)에 근접하여 더 가까워진다. 도 1b(ii)에서, 하전된 분자(18)의 호감성 입체구조 B는, 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A와 비교될 때, 하전된 분자(18)를 전기 전도성 채널(16)의 표면으로부터 멀리 이동시킨다. 호감성 입체구조 B의 이 예에서, δ18'B는 δ18'A보다 더 크고 하전된 분자(18)의 음전하 또는 양전하는 전기 전도성 채널(16)에서 더 멀리 떨어져 있다. 전기 전도성 채널(16)의 전도도는 하전된 분자(18, 18')의 전하 모션에 대한 응답으로 변한다. 본원에 개시된 예들에서, 2개의 모션 방향들의 변화의 부호는 서로 반대이고, 실제 부호는 감지 시스템(10, 10')의 특성에 의존한다. 예들로서, 응답 및 반발(repulsion) 또는 후퇴의 부호는, 전하 센서(11, 11')가 FET인지 여부, FET인 경우, FET가 공핍(depletion) 또는 반전(inversion) 모드인지, 채널 캐리어들이 전자들인지 그리고 정공들인지에 의존한다.
[0054] 하전된 분자(18, 18')는 하전된 앱타머, 하전된 단백질 또는 하전된 펩티드일 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "하전된 앱타머"는: 1) 라벨에 가역적으로 바인딩하고, 2) 라벨에 가역적으로 바인딩할 때, 자신의 호감성 입체구조 그리고 이로써 전하들의 분포를 변경할 수 있는 구조화되고 하전된 핵산(nucleic acid)을 나타내고, 용어 "하전된 단백질"은: 1) 라벨에 가역적으로 바인딩하고, 2) 라벨에 가역적으로 바인딩할 때, 자신의 호감성 입체구조 그리고 이로써 전하들의 분포를 변경할 수 있는 구조화되고 하전된 거대 분자(macromolecule)를 나타내고, 그리고 용어 "하전된 펩티드"는: 1) 라벨에 가역적으로 바인딩하고, 2) 라벨에 가역적으로 바인딩할 때, 자신의 호감성 입체구조 그리고 이로써 전하들의 분포를 변경할 수 있는, 펩티드(아미드) 결합들에 의해 링크된 아미노산 단량체들(amino acid monomers)의 구조화되고 하전된 짧은 체인을 나타낸다.
[0055] 일부 예들에서, 하전된 분자(18, 18')는 음으로 하전된다. 적절히 음으로 하전된 분자들(18, 18')의 예들은 음으로 하전된 앱타머들, 음으로 하전된 단백질들, 음으로 하전된 펩티드들, 및 다른 음으로 하전된 분자들을 포함한다. 음으로 하전된 앱타머들의 일부 특정 예들은 DNA 앱타머들, RNA 앱타머들 또는 이들의 유사물들을 포함한다. 음으로 하전된 단백질들의 특정 예들은 HSF1(-17), SHFM1(-21), NFKBIA(-25), RBBP4(-26), APP(-55), PJA2(-87) 및 기타 다수를 포함한다. 음으로 하전된 펩티드들의 예들은 폴리글루타메이트(polyglutamate) 및 폴리아스파르테이트(polyaspartate)뿐만 아니라 음으로 하전된 표면들을 가진 코일형 코일들과 같은 보다 구조화된 펩티드들을 포함한다.
[0056] 일부 예들에서, 하전된 분자는 양으로 하전된다. 적절히 양으로 하전된 분자(18, 18')의 예들은 양으로 하전된 앱타머들, 양으로 하전된 단백질들, 양으로 하전된 펩티드들, 및 다른 양으로 하전된 분자들을 포함한다. 양으로 하전된 단백질들의 일부 특정 예들은 H2AFX(+17), PARP1(+21), ELN(+40), TERT(+98) 및 기타 다수를 포함한다. 양으로 하전된 펩티드들의 예들은 폴리라이신(polylysine) 및 폴리아르기닌(polyarginine)뿐만 아니라 양으로 하전된 표면들을 갖는 코일형 코일들과 같은 더 구조화된 펩티드들을 포함한다.
[0057] 예에서, 하전된 분자(18, 18')는 중합효소가 아니다.
[0058] 하전된 분자(18, 18')는 직접 또는 간접적으로 그리고/또는 공유 결합 또는 비공유 결합을 통해 전하 센서(11, 11')의 전기 전도성 채널(16)에 부착될 수 있다. 하전된 분자(18, 18')와 전기 전도성 채널(16) 사이에 형성된 결합의 타입은 사용되는 분자(18, 18') 및 채널(16)에 의존할 것이다. 앱타머가 하전된 분자(18, 18')로 사용될 때, 전기 전도성 채널(16)은 아민 말단 실란들(amine terminated silanes)을 생성하기 위해 실란화될 수 있으며, 이는 티올화 앱타머들과 바인딩할 수 있다. 하전된 분자(18, 18')에 바인딩하는 데 사용될 수 있는 적절한 표면 화학물질의 다른 예들은 (1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드 염산염)(EDC), DBCO(diarylcyclooctyne), 구리 촉매 클릭 반응(copper catalyzed click reaction)을 겪을 수 있는 아지드화물들(azides) 등을 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 전기 전도성 채널(16)에 하전된 분자(18, 18')를 부착하기 위해 테더(tether)가 사용될 수 있다. 이 테더는 테더(22)에 대해 본원에 설명된 예들 중 임의의 예일 수 있다.
[0059] 도 1a에 도시된 예에서, 중합효소(20)는 전하 센서(11, 11')의 전기 전도성 채널(16)에 고정(immobilize)된다. 도 1b에 도시된 예에서, 중합효소(20)는 하전된 분자(18')에 고정된다. 다른 예들에서, 중합효소(20)는 전극들(12 또는 14)(도 7b 참조) 중 하나에 고정된다. 또 다른 예들에서, 중합효소(20)는, 예컨대, 전하 센서(11, 11')(도 7b 참조)를 지지하는 기판 상에 고정된다. 어떤 경우에도, 중합효소(20)는 테더(22)를 통해 고정될 수 있다. 테더(22)는 중합효소(20)에 대한 앵커로서 사용된다. 적절한 테더(22)의 예는 PEG(polyethylene glycol)를 포함한다. 일부 예들에서, 테더(22)는, 전기 전도성 채널(16)로부터 또는 하전된 분자(18)로부터 적어도 10 nm 떨어져 중합효소(20)를 홀딩한다. 예컨대, 중합효소(20)에 대한 입체구조적 변화들, 중합효소(20)의 전하들 및/또는 중합효소(20)에 의해 홀딩된 타겟/템플릿 폴리뉴클레오티드 체인의 전하들이 전하 센서(11, 11')의 감지 동작을 간섭하지 않도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
[0060] 임의의 적절한 중합효소(20)가 사용될 수 있다. 예들은 Bsu 중합효소, Bst 중합효소, Taq 중합효소, T7 중합효소 및 기타 다수와 같은 계열(family) A로부터의 중합효소들; Phi29 중합효소, Pfu 중합효소, KOD 중합효소 및 기타 다수와 같은 계열 B로부터의 중합효소들; 대장균(Escherichia coli) DNA Pol III 및 기타 다수와 같은 계열 C로부터의 중합효소들, 파이로코커스 퓨리어서스(Pyrococcus furiosus) DNA Pol II 및 기타 다수와 같은 계열 D로부터의 중합효소들; DNA Pol μ, DNA Pol β, DNA Pol σ 및 기타 다수와 같은 계열 X로부터의 중합효소들을 포함한다.
[0061] 중합효소(20)가 타겟 라벨(24)이 하전된 분자(18, 18')에 바인딩하는 것의 결과로서 방출되지 않는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 중합효소(20)는, 바인딩 이벤트가 발생할 때 그리고 바인딩 이벤트가 발생한 후에, 예컨대, 채널(16) 또는 하전된 분자(18, 18') 또는 일부 다른 플로우 셀 컴포넌트에 테더링된 상태로 유지된다.
[0062] 본원에 개시된 일부 예들에서, 하전된 분자(18, 18') 및 중합효소(20)는, 상이한 역할들/기능들을 갖는 상이한(독립되고 별개의) 엔티티들이며, 이들은 함께 단일 분자 감지를 가능하게 한다. 단일 분자 감지의 예에서, 뉴클레오티드가 템플릿 체인을 따라 형성된 초기 가닥(nascent strand)에 통합될 때, 전하 센서(11, 11')에서 신호가 검출된다. 하나의 예시적인 뉴클레오티드 통합 이벤트 동안, 중합효소(20)는 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인을 홀딩하고, 템플릿을 따라 뉴클레오티드에 상보적인 초기 가닥에 하나의 뉴클레오티드를 통합하는 반면에, 하전된 분자(18, 18')는 라벨(통합되는 뉴클레오티드에 부착됨)에 가역적으로 바인딩하고, 전하 센서(11, 11')에서 식별 가능한 신호를 발생시키는 입체구조적 변화를 겪는다. 본원에 언급된 바와 같이, 일부 예들에서, 중합효소(20)의 임의의 입체구조적 변화들이 하전된 분자(18, 18')의 입체구조적 변화에 의해 생성된 신호를 간섭하지 않도록, (예컨대, 테더(22)의 길이를 조정함으로써) 중합효소(20)를 구성하는 것이 바람직할 수 있다.
[0063] 도 1a(ii) 및 1b(ii)에 도시된 바와 같이, 라벨링된 뉴클레오티드(26)는 감지 시스템(10, 10')에 도입된다. 라벨링된 뉴클레오티드(26)는 뉴클레오티드(30), 뉴클레오티드(30)의 인산기에 부착된 링킹 분자(32), 및 링킹 분자(32)에 부착된 인식 부위 특정 라벨(24)(라벨(24) 또는 타겟 라벨(24)로 또한 지칭됨)을 포함한다. 라벨링된 뉴클레오티드(26)는, 천연 뉴클레오티드와 구조적으로 또는 화학적으로 구별되기 때문에, 비-천연 또는 합성 뉴클레오티드로 간주될 수 있다.
[0064] 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 뉴클레오티드(30)는 천연 뉴클레오티드일 수 있다. 천연 뉴클레오티드들은 질소-함유 헤테로사이클릭 염기(nitrogen-containing heterocyclic base), 당(sugar) 및 하나 이상의 인산기들을 포함한다. 천연 뉴클레오티드들의 예들은, 예컨대, 리보뉴클레오티드들(ribonucleotides) 또는 디옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotides)를 포함한다. 리보뉴클레오티드에서, 당은 리보스(ribose)이고, 디옥시리보뉴클레오티드에서, 당은 디옥시리보스(deoxyribose)(즉, 리보스의 2' 포지션에 존재하는 하이드록실기(hydroxyl group)가 없는 당)이다. 예에서, 뉴클레오티드(30)는, 몇몇의 인산염기들(예컨대, 3-인산염(즉, 감마 인산염), 4-인산염, 5-인산염, 6-인산염(도 5에 도시됨) 등)을 포함하기 때문에, 폴리인산염 형태이다. 헤테로사이클릭 염기(즉, 핵염기)는 퓨린 염기 또는 피리미딘 염기 또는 임의의 다른 핵염기 유사물일 수 있다. 퓨린 염기들은 아데닌(A) 및 구아닌(G), 및 이들의 개질된 유도물들 또는 유사물들을 포함한다. 피리미딘 염기들은 시토신(C), 티민(T) 및 우라실(U) 및 이들의 개질된 유도물들 또는 유사물들을 포함한다. 디옥시리보스의 C-1 원자는 피리미딘의 N-1 또는 퓨린의 N-9에 결합된다.
[0065] 라벨링된 뉴클레오티드(26)는 또한 링킹 분자(32)를 포함한다. 링킹 분자(32)는, 일단에서, 뉴클레오티드(30)의 인산기(들)에 화학적으로 결합할 수 있고, 타단에서, 라벨(24)에 화학적으로 결합할 수 있는 임의의 긴 체인 분자일 수 있다. 링킹 분자(32)는 또한, 중합효소(20)와 상호작용하지 않도록 선택될 수 있다. 링킹 분자(32)는, 예컨대, 뉴클레오티드(30)가 중합효소(20)에 의해 홀딩되는 동안, 라벨(24)이 하전된 분자(18, 18')의 인식 부위(28)와 연관하도록 허용하기에 충분히 길도록 선택된다.
[0066] 예로서, 링킹 분자(32)는 알킬 체인, 폴리(에틸렌 글리콜) 체인, 아미도기, 인산기, 트리아졸과 같은 헤테로사이클, 뉴클레오티드들, 또는 이들의 결합들을 포함할 수 있다. 알킬 체인의 예들은 적어도 6개의 탄소 원자들을 포함할 수 있고, 폴리(에틸렌 글리콜) 체인의 예들은 적어도 3개의 에틸렌 글리콜 단위들을 포함할 수 있다.
[0067] 다음의 예는 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 예를 예시하고, 여기서 링킹 분자(32)는 알킬 체인, 아미드기, 폴리(에틸렌 글리콜) 체인 및 트리아졸을 포함한다.
Figure pct00001
다음의 예는 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 또 다른 예를 예시하고, 여기서 링킹 분자(32)는 알킬 체인들, 아미드기, 폴리(에틸렌 글리콜) 체인들, 트리아졸 및 인산염기를 포함한다.
Figure pct00002
다음의 예는 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 또 다른 예를 예시하고, 여기서 링킹 분자(32)는 알킬 체인들, 아미드기들, 폴리(에틸렌 글리콜) 체인들, 트리아졸 및 인산기를 포함한다.
Figure pct00003
다음의 예는 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 또 다른 예를 예시하고, 여기서 링킹 분자(32)는 알킬 체인들, 아미드기, 폴리(에틸렌 글리콜) 체인들, 트리아졸, 인산기 및 폴리뉴클레오티드 체인을 포함한다.
Figure pct00004
[0068] 몇몇의 예시적인 링킹 분자들(32)이 설명되었지만, 다른 링킹 분자들(32)이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
[0069] 인식 부위 특정 라벨(24)은, 하전된 분자(18, 18')에 의해 인식될 수 있고, 인식 부위(28)에서 하전된 분자(18, 18')에 가역적으로 바인딩할 수 있는 분자이다. 적절한 인식 부위 특정 라벨들(24)의 예들은 카나마이신, 리비도마이신, 토브라마이신, 네오마이신, 비오마이신, 스트렙토마이신 등과 같은 항생물질들(antibiotics); FMN, NAD, 비타민 B12, 크산텐 등과 같은 효소 보조 인자들(enzyme cofactors); 아르기닌, 시트룰린, 아르기닌아미드, 발린, 이소류신, 트립토판 등과 같은 아미노산들; 및 테오필린, 도파민, 설포로다민, 셀로비오스 등과 같은 여러 가지 종류의 작은 분자들을 포함한다.
[0070] 도 1a 및 도 1b는, 하나의 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 하나의 타겟 라벨(24)에 바인딩할 수 있는 하전된 분자(18, 18')의 예들을 예시한다. 다른 예들에서, 하나의 라벨링된 뉴클레오티드(26)는 단일 하전된 분자(18, 18')(도 2)에 바인딩할 수 있는 다수의 라벨들(24)을 포함할 수 있거나, 하나의 하전된 분자(18, 18')는 다수의 인식 부위들(28)을 포함할 수 있고, 이들 각각은 개개의 뉴클레오티드의 개개의 라벨(24)(도 3a 내지 도 3e)에 바인딩될 수 있다.
[0071] 도 2에서, 하전된 분자(18')는 라벨링된 뉴클레오티드(26')의 제1 라벨(24)을 가역적으로 부착하는 제1 인식 부위(28A)를 포함하고, 라벨링된 뉴클레오티드(26')의 제2 라벨(24')을 가역적으로 부착하는 제2 인식 부위(28B)를 더 포함한다. 이 예는 3개의 상이한 입체구조적 변경을 포함하는데, 하나는 제1 라벨(24)이 단독으로 바인딩될 때이고, 다른 하나는 제2 라벨(24')이 단독으로 바인딩될 때이고, 그리고 또 다른 하나는 라벨들(24, 24') 둘 모두가 동시에 바인딩될 때이다. 도 2에서, 하전된 분자(18')의 특정 입체구조적 변화는, 2개의 상이한 라벨들(24, 24')을 2개의 상이한 인식 부위들(28A, 28B)에 바인딩함으로써 달성된다. 예시된 바와 같이, 하나의 라벨링된 뉴클레오티드(26')는 라벨들(24 및 24') 둘 모두를 포함하고, 이들 라벨들(24, 24')은 개개의 링킹 분자들(32 및 32')에 의해 하나의 뉴클레오티드(30)에 부착된다. 라벨들(24) 및 링킹 분자들(32)의 임의의 예들은, 라벨들(24 및 24')이 서로 상이하고 하전된 분자(18')의 라벨의 인식 부위들(28A 및 28B)에 의해 개별적으로 또는 동시에 인식될 수 있는 한, 라벨링된 뉴클레오티드(26')의 이 예에서 사용될 수 있다. 도시된 예에서, 라벨들(24, 24') 둘 모두가 바인딩될 때, 하전된 분자(18')는 자신의 개질된 입체구조들 B 중 하나의 입체구조를 갖고 검출 가능한 신호를 발생시킨다.
[0072] 중합효소(20)가 부착된 하전된 분자(18')가 도 2에 도시되지만, 하전된 분자(18) 및 별개로 부착된 중합효소(20)가 도 2에 도시된 예에서 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
[0073] 도면들에 도시되지 않은 또 다른 예에서, 하전된 분자(18, 18')는 2개의 인식 부위들(예컨대, 28A, 28B)을 포함하고, 이들 중 어느 하나는 뉴클레오티드(30)에 부착된 단일 라벨(24)에 바인딩될 수 있다. 이 예는 2개의 상이한 호감성 입체구조적 변화들을 포함하는데, 하나는 라벨(24)이 제1 인식 부위(28A)에 바인딩할 때이고, 다른 하나는 라벨(24)이 제2 인식 부위(28B)에 바인딩할 때이다.
[0074] 도 3a 내지 도 3e에서, 하전된 분자(18')는 4개의 상이한 인식 부위들(28A, 28B, 28C, 28D)을 포함하고, 이들 각각은 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들(26A, 26B, 26C, 26D)의 상이한 타겟 라벨(24A, 24B, 24C, 24D)에 가역적으로 바인딩할 수 있다. 중합효소(20)가 부착된 하전된 분자(18')가 도 3a 내지 도 3e에 도시되지만, 하전된 분자(18) 및 별개로 부착된 중합효소(20)가 도 3a 내지 도 3e에 도시된 예에서 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
[0075] 이 예에서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 하전된 분자(18')는 제1 라벨링된 뉴클레오티드(26A)의 제1 라벨(24A)을 가역적으로 부착하기 위한 제1 인식 부위(28A)를 포함하고, 제1 인식 부위(28A)는 제1 라벨(24A)에 바인딩될 때, 제1 전하 구성과 연관된 제1 호감성 입체구조 B1을 갖는다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 하전된 분자(18')는 제2 라벨링된 뉴클레오티드(26B)의 제2 라벨(24B)을 가역적으로 부착하기 위한 제2 인식 부위(28B)를 더 포함하고, 제2 인식 부위((28B)가 제2 라벨(24B)에 바인딩될 때, 제2 전하 구성과 연관된 제2 호감성 입체구조 B2를 갖는다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 하전된 분자(18')는 제3 라벨링된 뉴클레오티드(26C)의 제3 라벨(24C)을 가역적으로 부착하기 위한 제3 인식 부위(28C)를 더 포함하고, 제3 인식 부위(28C)가 제3 라벨(24C)에 바인딩될 있을 때, 제3 전하 구성과 연관된 제3 호감성 입체구조 B3을 갖는다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 하전된 분자(18')는 제4 라벨링된 뉴클레오티드(26D)의 제4 라벨(24D)을 가역적으로 부착하기 위한 제4 인식 부위(28D)를 더 포함하고, 제4 인식 부위(28D)가 제4 라벨(24D)에 바인딩될 때, 제4 전하 구성과 연관된 제4 호감성 입체구조 B4를 갖는다.
[0076] 하전된 분자(18')의 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A가 도 3e에 도시된다. 도시된 바와 같이, (바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된) 이 예의 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A는, 제1 인식 부위(28A), 제2 인식 부위(28B), 제3 인식 부위(28C) 및 제4 인식 부위(28C) 각각이 바인딩되지 않을 때(즉, 어떠한 라벨링된 뉴클레오티드들(26A-26D)도 부위들(28A-28D)에 바인딩되지 않음) 발생한다. 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A에 대한 전하 분포의 중심은 전기 전도성 채널(16)의 표면으로부터 설정된 거리(δ0)를 갖는다. 이 거리(δ0)는, 하전된 분자(18')에 가역적으로 바인딩된 라벨링된 뉴클레오티드(26A-26D)에 의존하여 변경된다.
[0077] 도 3a에 도시된 예에서, 라벨링된 뉴클레오티드(26A)는 뉴클레오티드(30A)로서 구아닌 폴리인산, 링커(32A) 및 고유한 라벨(24A)을 포함한다. 중합효소(20)가 뉴클레오티드(30A)를 통합할 때, 라벨(24A)의 유효 농도는 하전된 분자(18')(라벨(24A)에 대한 인식 부위(24A)를 가짐) 근처에서 효과적으로 증가되어, 하전된 분자(18')가 라벨(24A)에 바인딩되게 한다. 도 3a에 도시된 예에서, 바인딩은, "δ++"로 표기된 바와 같이, 전하 중심과 채널 표면 사이의 거리(δ0)가 증가하게 한다.
[0078] 도 3b에 도시된 예에서, 라벨링된 뉴클레오티드(26B)는 뉴클레오티드(30B)로서 아데닌 폴리인산, 링커(32B) 및 고유한 라벨(24B)을 포함한다. 중합효소(20)가 뉴클레오티드(30B)를 포함할 때, 라벨(24B)의 유효 농도는 하전된 분자(18')(라벨(24A)에 대한 인식 부위(24B)를 가짐) 근처에서 효과적으로 증가되어, 하전된 분자(18')가 라벨(24B)에 바인딩되게 한다. 도 3b에 도시된 예에서, 바인딩은, "δ+"로 표기된 바와 같이, 전하 중심과 채널 표면 사이의 거리(δ0)가 증가하게 한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 호감성 입체구조적 변화들 둘 모두가 거리들(δ++ 및 δ+)을 증가시키지만, 거리들(δ++ 및 δ+)은 상이하고, 따라서 별개의 측정 가능한 신호들을 발생시킬 것이다.
[0079] 도 3c에 도시된 예에서, 라벨링된 뉴클레오티드(26C)는 뉴클레오티드(30C)로서 시토신 폴리인산, 링커(32C) 및 고유한 라벨(24C)을 포함한다. 중합효소(20)가 뉴클레오티드(30C)를 포함할 때, 라벨(24C)의 유효 농도는 하전된 분자(18')(라벨(24C)에 대한 인식 부위(24C)를 가짐) 근처에서 효과적으로 증가되어, 하전된 분자(18')가 라벨(24C)에 바인딩되게 한다. 도 3c에 도시된 예에서, 바인딩은, "δ_"로 표시된 바와 같이, 전하 중심과 채널 표면 사이의 거리(δ0)가 감소하게 한다.
[0080] 도 3d에 도시된 예에서, 라벨링된 뉴클레오티드(26D)는 뉴클레오티드(30D)로서 티민 폴리인산, 링커(32D) 및 고유한 라벨(24D)을 포함한다. 중합효소(20)가 뉴클레오티드(30D)를 포함할 때, 라벨(24D)의 유효 농도는 하전된 분자(18')(라벨(24D)에 대한 인식 부위(24D)를 가짐) 근처에서 효과적으로 증가되어, 하전된 분자(18')가 라벨(24D)에 바인딩되게 한다. 도 3d에 도시된 예에서, 바인딩은, "δ__"로 표시된 바와 같이, 전하 중심과 채널 표면 사이의 거리(δ0)가 감소하게 한다. 도 3c 및 도 3d에 도시된 호감성 입체구조적 변화들 둘 모두가 거리들(δ_ 및 δ__)을 감소시키지만, 거리들(δ_ 및 δ__)은 상이하고, 따라서 별개의 측정 가능한 신호들을 발생시킬 것이다.
[0081] 도 3a 내지 도 3e에 도시된 예에서, 하나의 하전된 분자(18')는 4개의 상이한 인식 부위들(28A-28D)을 갖고, 따라서 4개의 상이한 별개의 측정 가능한 신호들을 발생시키는 4개의 상이한 개질된 구성들을 갖는다. 이러한 상이하고 별개의 신호들은, 4개의 상이한 뉴클레오티드들(30A-30D)이 각각 템플릿 가닥에 통합될 때, 그들이 식별되는 것을 가능하게 한다.
[0082] 다중-인식 부위 하전된 분자의 다른 변형들이 또한 고려된다. 예컨대, 2개의 하전된 분자들(18, 18') ― 이들 각각은 2개의 상이한 인식 부위들(28)을 가짐 ― 은 전하 센서(11, 11')의 전기 전도성 채널(16)에 부착될 수 있다. 이들 하전된 분자들(18, 18') 각각에 대해, 2개의 상이한 인식 부위들이 바인딩되지 않은 상태로 유지될 때, 바인딩되지 않은 호감성 입체구조 A가 나타날 것이다. 이 예에서, 2개의 하전된 분자들(18, 18') 중 제1 하전된 분자는 제1 라벨링된 뉴클레오티드(예컨대, 도 3a의 26A)의 제1 라벨(예컨대, 도 3a의 24A)을 가역적으로 부착하기 위한 제1 인식 부위(예컨대, 도 3a에서 28A)를 포함하고, 제1 인식 부위가 제1 라벨에 바인딩될 때 제1 전하 구성과 연관된 제1 호감성 입체구조(예컨대, 도 3a의 B1)를 갖고, 제2 라벨링된 뉴클레오티드(예컨대, 도 3a-도 3e의 26B)의 제2 라벨(예컨대, 도 3a-도 3e의 28B)을 가역적으로 부착하기 위한 제2 인식 부위(예컨대, 도 3b의 28B)를 더 포함하고, 제2 인식 부위가 제2 라벨에 바인딩될 때 제2 전하 구성과 연관된 제2 호감성 입체구조(예컨대, 도 3b의 B2)를 갖는다. 이 예에서, 2개의 하전된 분자들(18, 18') 중 제2 하전된 분자는 제3 라벨링된 뉴클레오티드(예컨대, 도 3c의 26C)의 제3 라벨(예컨대, 도 3c에서 24C)을 가역적으로 부착하기 위한 제3 인식 부위(예컨대, 도 3c에서 28C), 및 제4 라벨링된 뉴클레오티드(예컨대, 도 3d의 26D)의 제4 라벨(예컨대, 도 3d의 24D)을 가역적으로 부착하기 위한 제4 인식 부위(예컨대, 도 3d의 28D)를 포함하고, 또한 제3 인식 부위가 제3 라벨에 바인딩될 때 제3 전하 구성과 연관된 제3 호감성 입체구조(예컨대, 도 3c의 B3)를 갖고, 제4 인식 부위가 제4 라벨에 바인딩될 때 제4 전하 구성과 연관된 제4 호감성 입체구조(예컨대, 도 3d의 B4)를 갖는다. 이 예에서, 2개의 상이한 하전된 분자들(18, 18')은 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들(26A-26D)을 식별하는 데 사용될 수 있다.
[0083] 또 다른 예들에서, 감지 시스템(10, 10')은, 전하 센서(11, 11')의 전기 전도성 채널(16)에 부착된 몇몇의 하전된 분자들(18, 18')을 포함할 수 있다. 일 예에서, 하전된 분자들(18, 18') 각각은 상이한 라벨링된 뉴클레오티드(26)에 가역적으로 바인딩할 수 있다. 이 감지 시스템(10")의 예가 도 4에 도시된다.
[0084] 이 예에서, 4개의 상이한 하전된 분자들(18A, 18B, 18C, 18D)은 전하 센서(11")의 전기 전도성 채널(16)에 부착된다. 이 예에서, 하전된 분자들(18A, 18B, 18C, 18D) 각각은 그 자신의 인식 부위, 바인딩되지 않은 호감성 입체구조, 및 다른 하전된 분자들(18A, 18B, 18C, 18D) 각각과 독립적인 자체 호감성 입체구조(라벨 바인딩 동안)를 갖는다. 보다 구체적으로, 전기 전도성 채널(16)에 부착된 제1 하전된 분자(18A)는 제1 라벨링된 뉴클레오티드의 제1 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제1 인식 부위, 제1 인식 부위가 바인딩되지 않을 때 바인딩되지 않은 호감성 입체구조, 및 제1 인식 부위가 제1 라벨에 바인딩될 때 전하 구성을 갖는 호감성 입체구조를 포함한다. 이 예에서, 전기 전도성 채널(16)에 부착된 제2 하전된 분자(18B)는 제2 라벨링된 뉴클레오티드의 제2 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제2 인식 부위, 제2 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조, 및 제2 인식 부위가 제2 라벨에 바인딩될 때 제2 하전된 분자 전하 구성을 갖는 제2 하전된 분자 호감성 입체구조를 포함한다. 또한, 이 예에서, 전기 전도성 채널(16)에 부착된 제3 하전된 분자(18C)는 제3 라벨링된 뉴클레오티드의 제3 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제3 인식 부위, 제3 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조, 및 제3 인식 부위가 제3 라벨에 바인딩될 때 제3 하전된 분자 전하 구성을 갖는 제3 하전된 분자 호감성 입체구조를 포함한다. 또한, 이 예에서, 전기 전도성 채널(16)에 부착된 제4 하전된 분자(18D)는 제4 라벨링된 뉴클레오티드의 제4 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제4 인식 부위, 제4 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조, 및 제4 인식 부위가 제4 라벨에 바인딩될 때 제4 하전된 분자 전하 구성을 갖는 제4 하전된 분자 호감성 입체구조를 포함한다.
[0085] 도 4에 도시된 바와 같이, 단일 중합효소(20)가 전기 전도성 채널(16)에 바인딩될 수 있다. 이 예에서, 개개의 라벨링된 뉴클레오티드들(26)의 각각의 링킹 분자(32)의 길이는, 개개의 뉴클레오티드(30)가 중합효소(20)에 의해 홀딩될 때, 개개의 라벨(24)이 인접한 하전된 분자(18A, 18B, 18C, 18D)가 아니라 자신의 대응하는 하전된 분자(18A, 18B, 18C, 18D)와 바인딩할 수 있도록 선택될 수 있다.
[0086] 도 4는 또한 감지 장치(40)의 예를 예시한다. 도 4에 도시된 감지 장치(40)의 예는 플로우 셀(41) 및 플로우 셀(41)에 통합된 감지 시스템(10")을 포함한다. 감지 시스템(10, 10', 10")의 임의의 예가 감지 장치(40)에서 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
[0087] 플로우 셀(41)은 감지 시스템(10")을 포함하는 용기이다. 웰(well), 튜브, 채널, 큐벳(cuvette), 페트리 플레이트(Petri plate), 병 등과 같은 다른 용기들이 대안적으로 감지 시스템(10")을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 핵산 시퀀싱 반응들과 같은 주기적 프로세스들이 특히 플로우 셀(41)에 매우 적합하다.
[0088] 예시적인 플로우 셀들(41)은 기판/지지부(13), 및 그에 직접 또는 간접적으로 결합되거나 그와 일체로 형성된 덮개(43)를 포함한다. 플로우 셀(41)은, 하나의 감지 시스템(10") 또는 플로우 셀(41) 내에 포함된 감지 시스템(10")의 어레이에 벌크 시약들(bulk reagents)을 전달하는 것을 가능하게 하는 유체 입구(45) 및 유체 출구(47)를 포함할 수 있다. 임의의 개별적인 플로우 셀(41)은 수십, 수백, 수천, 수백만 또는 심지어 수십억개의 개별적으로 어드레싱 가능하고 판독 가능한 감지 시스템들(10, 10', 10")을 포함할 수 있다.
[0089] 도 7a 및 7b에 도시된 예는, 감지 시스템들(10, 10', 10")의 어레이를 포함하는 플로우 셀(41')의 일 예이다. 어레이는 몇몇의 감지 시스템들(10, 10', 10")을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 기판 상에 포지셔닝되고, 개별적으로 어드레싱 가능하고 판독 가능하도록 전자 회로로 구성된다. 예에서, 어레이의 각각의 감지 시스템(10, 10', 10")은 개별 함몰부(depression)에서 기판 상에 포지셔닝될 수 있다. 함몰부들은 감지 시스템들(10, 10', 10") 각각을 물리적으로 분리한다.
[0090] 도 7a의 예에서, 플로우 셀(41')은 플로우 채널들(52)을 포함한다. 몇몇의 플로우 채널들(52)이 도시되지만, 임의의 개수의 채널들(52)(예컨대, 단일 채널(52), 4개의 채널들(52) 등)이 플로우 셀(41')에 포함될 수 있음을 이해해야 한다. 각각의 플로우 채널(52)은 2개의 결합된 컴포넌트들(예컨대, 기판 및 덮개 또는 2개의 기판들) 사이에 규정된 영역이며, 플로우 채널은 유체들(예컨대, 본원에 설명된 유체들)이 도입되고 그로부터 유체들이 제거될 수 있다. 각각의 플로우 채널(52)은, 임의의 특정 플로우 채널(52)에 도입된 유체가 임의의 인접한 플로우 채널(52)로 유동하지 않도록 각각의 다른 플로우 채널(52)로부터 격리될 수 있다. 플로우 채널들(52)에 도입된 유체들의 일부 예들은 반응 컴포넌트들(예컨대, 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 등), 세척 용액들 등을 도입할 수 있다.
[0091] 플로우 셀(41')의 플로우 채널들(52) 내의 아키텍처의 예가 도 7b에 도시된다. 도 7b에 도시된 예에서, 플로우 셀(41')은, 지지부(54) 및 지지부(54) 상에 포지셔닝된 패터닝된 재료(56)를 포함하는 기판(13)을 포함한다. 패터닝된 재료(56)는 간질 영역들(interstitial regions)(60)에 의해 분리된 함몰부들(58)을 규정한다. 이 예에서, 지지부(54)의 표면은 함몰부들(58) 각각에서 노출되고, 감지 시스템(10, 10', 10")이 각각의 함몰부(58) 내에 포지셔닝된다.
[0092] 도 7b의 지지부(54)는 플로우 셀(41')의 다른 컴포넌트들에 대한 지지부를 제공한다. 지지부(54)는 일반적으로 단단하고, 수성 액체(aqueous liquid)에서 불용성(insoluble)이다. 적절한 지지부들(54)의 예들은 에폭시 실록산, 유리, 개질된 유리, 플라스틱, 나일론, 세라믹/세라믹 산화물들, 실리카(실리콘 산화물(SiO2)), 용융 실리카, 실리카계 재료, 알루미늄 실리케이트, 실리콘, 개질된 실리콘(예컨대, 붕소 도핑된 p+ 실리콘), 실리콘 질화물(Si3N4), 탄탈륨 오산화물(TaO5) 또는 다른 탄탈륨 산화물(들)(TaOx), 하프늄 산화물(HaO2), 무기 유리들 등을 포함한다. 지지부(54)에 적절한 플라스틱의 일부 예들은 아크릴들, 폴리스티렌, 스티렌 및 다른 재료들의 공중합체들, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리우레탄들, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)(이를테면, Chemours의 TEFLON®), 사이클릭 올레핀들/COP(cyclo-olefin polymers)(이를테면, Zeon의 ZEONOR®), 폴리이미드들 등을 포함한다. 지지부(54)는 또한, 표면에 탄탈 산화물 또는 다른 세라믹 산화물의 코팅층을 갖는 유리 또는 실리콘일 수 있다.
[0093] 지지부(54)의 형태는 웨이퍼, 패널, 직사각형 시트, 다이 또는 임의의 다른 적절한 구성일 수 있다. 예에서, 지지부(54)는 약 2mm 내지 약 300mm 범위의 직경을 갖는 원형 웨이퍼 또는 패널일 수 있다. 더 구체적인 예로서, 지지부(54)는 약 200mm 내지 약 300mm 범위의 직경을 갖는 웨이퍼이다. 다른 예에서, 지지부(54)는 최대 약 10 피트(~3 미터)의 자신의 가장 큰 치수를 갖는 직사각형 시트 또는 패널일 수 있다. 특정 예로서, 지지부(54)는 약 0.1mm 내지 약 10mm 범위의 폭을 갖는 다이이다. 예시적인 치수들이 제공되었지만, 임의의 적절한 치수들을 갖는 지지부(54)가 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
[0094] 도 7b에 도시된 예에서, 패터닝된 재료(56)는 지지부(54) 상에 포지셔닝된다. 함몰부들(58) 및 간질 영역들(60)을 형성하기 위해 선택적으로 증착 또는 증착 및 패터닝될 수 있는 임의의 재료가 패터닝된 재료(56)에 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
[0095] 일 예로서, 무기 산화물은, 기상 증착, 에어로졸 인쇄 또는 잉크젯 인쇄를 통해 지지부(66)에 선택적으로 도포될 수 있다. 적절한 무기 산화물들의 예들은 탄탈 산화물(예컨대, Ta2O5), 알루미늄 산화물(예컨대, Al2O3), 실리콘 산화물(예컨대, SiO2), 하프늄 산화물(예컨대, HfO2) 등을 포함한다.
[0096] 다른 예로서, 수지가 지지부(54)에 도포되고 그후 패터닝될 수 있다. 적절한 증착 기법들은 화학 기상 증착, 딥 코팅, 덩크 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 퍼들 디스펜싱, 초음파 스프레이 코팅, 닥터 블레이드 코팅, 에어로졸 인쇄, 스크린 인쇄, 미세접촉 인쇄 등을 포함한다. 적절한 패터닝 기법들은 포토리소그래피, NIL(nanoimprint lithography), 스탬핑 기법들, 엠보싱 기법들, 몰딩 기법들, 마이크로에칭 기법들, 인쇄 기법 등을 포함한다. 적절한 수지의 일부 예들은 POSS(polyhedral oligomeric silsesquioxane resin)계 수지, 비-POSS 에폭시 수지, 폴리(에틸렌 글리콜) 수지, 폴리에테르 수지(예컨대, 고리 열림 에폭시들(ring opened epoxies), 아크릴 수지, 아크릴레이트 수지, 메타크릴레이트 수지, 비정질 플루오로중합체 수지(예컨대, Bellex의 CYTOP®) 및 이들의 조합들을 포함한다.
[0097] 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "POSS(polyhedral oligomeric silsesquioxane)"는 실리카(SiO2)와 실리콘(R2SiO) 사이의 하이브리드 중간체(예컨대, RSiO1.5)인 화학 조성을 나타낸다. POSS의 예는 "Kehagias et al., Microelectronic Engineering 86(2009), pp. 776-778"에 설명된 예일 수 있으며, 이는 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 예에서, 조성물은 화학식 [RSiO3/2]n을 갖는 유기실리콘 화합물이며, 여기서 R 그룹들은 동일하거나 상이할 수 있다. POSS에 대한 예시적인 R 그룹들은 에폭시, 아지드/아지도, 티올, 폴리(에틸렌 글리콜), 노보넨(norbornene), 테트라진, 아크릴레이트들 및/또는 메타크릴레이트들, 또는 추가로, 예컨대, 알킬, 아릴, 알콕시 및/또는 할로알킬기들을 포함한다. 본원에 개시된 수지 조성물은 단량체 단위들로서 하나 이상의 상이한 케이지 또는 코어 구조들을 포함할 수 있다. 다면체 구조는
Figure pct00005
과 같은 T8 구조일 수 있고,
Figure pct00006
로 표현될 수 있다. 이 단량체 단위는 전형적으로 R1 내지 R8의 작용기들의 8개의 암들(arms)을 갖는다.
[0098] 단량체 단위는
Figure pct00007
과 같이 10개의 실리콘 원자들 및 10개의 R 그룹들을 갖는 케이지 구조(T10으로 지칭됨)를 가질 수 있거나, 또는
Figure pct00008
과 같이 12개의 실리콘 원자들 및 12개의 R 그룹들을 갖는 케이지 구조(T12로 지칭됨)를 가질 수 있다. POSS계 재료는 대안적으로 T6, T14 또는 T16 케이지 구조들을 포함할 수 있다. 평균 케이지 내용물은 합성(synthesis) 동안 조정될 수 있고, 그리고/또는 정제 방법들에 의해 제어될 수 있으며, 단량체 단위(들)의 케이지 크기들의 분포는 본원에 개시된 예에서 사용될 수 있다.
[0099] 도 7b에 도시된 바와 같이, 패터닝된 재료(56)는 내부에 규정된 함몰부(58), 및 인접한 함몰부들(58)을 분리하는 간질 영역들(60)을 포함한다. 규칙적, 반복적 및 비규칙적 패턴들을 포함하여, 함몰부들(58)의 많은 상이한 레이아웃들이 예상될 수 있다. 예에서, 함몰부들(58)은 밀착 패킹 및 개선된 밀도를 위해 육각 격자(hexagonal grid)로 배치된다. 다른 레이아웃들은, 예컨대, 직선(직사각형) 레이아웃들, 삼각형 레이아웃들 등을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 레이아웃 또는 패턴은, 행들 및 열들에 있는 함몰부들(58)의 x-y 포맷일 수 있다. 일부 다른 예들에서, 레이아웃 또는 패턴은 함몰부들(58) 및/또는 간질 영역들(60)의 반복되는 배열일 수 있다. 또 다른 예들에서, 레이아웃 또는 패턴은 함몰부들(58) 및/또는 간질 영역들(60)의 랜덤 배열일 수 있다. 패턴은 스폿들, 패드들, 웰들, 포스트들, 스트라이프들, 소용돌이들, 라인들, 삼각형들, 직사각형들, 원들, 아크들, 체크들, 격자 무늬들(plaids), 대각선들, 화살표들, 정사각형들 및/또는 교차-해치들을 포함할 수 있다.
[00100] 함몰부들(58)의 레이아웃 또는 패턴은 규정된 영역에서 함몰부들(58)의 밀도(함몰부들(58)의 수)를 특징으로 할 수 있다. 예컨대, 함몰부들(58)은 mm2 당 대략 2 백만의 밀도로 존재할 수 있다. 밀도는, 예컨대, mm2 당 약 100개, mm2 당 약 1,000개, mm2 당 약 10 만개, mm2 당 약 1 백만개, mm2 당 약 2 백만개, mm2 당 약 5 백만개의 밀도, mm2 당 약 1 천만개, mm2 당 약 5 천만 개 또는 그 초과 또는 그 미만을 포함하는 상이한 밀도들로 튜닝될 수 있다. 패터닝된 재료(56)의 함몰부들(58)의 밀도가 위의 범위로부터 선택된 상위 값들 중 하나와 하위 값들 중 하나 사이에 있을 수 있다는 것이 추가로 이해되어야 한다. 예들로서, 고밀도 어레이는 약 100nm 미만만큼 분리된 함몰부들(58)을 갖는 것을 특징으로 할 수 있고, 중간 밀도 어레이는 약 400nm 내지 약 1㎛만큼 분리된 함몰부들(58)을 갖는 것을 특징으로 할 수 있으며, 저밀도 어레이는 약 1㎛ 초과만큼 분리된 함몰부들(58)을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 예시적인 밀도들이 제공되었지만, 임의의 적절한 밀도들이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
[00101] 함몰부들(58)의 레이아웃 또는 패턴은 또한 또는 대안적으로 평균 피치, 또는 함몰부(58)의 중심으로부터 인접 함몰부(58)의 중심까지의 간격(중심-중심 간격) 또는 하나의 함몰부(58)의 에지로부터 인접 함몰부(58)의 에지까지의 간격(에지-에지 간격)을 특징으로 할 수 있다. 패턴은 규칙적일 수 있어서, 평균 피치 중에서 변동 계수가 작거나, 패턴이 비규칙적일 수 있고, 이 경우에 변동 계수가 상대적으로 클 수 있다. 어느 경우에나, 평균 피치는, 예컨대, 약 50nm, 약 0.1㎛, 약 0.5㎛, 약 1㎛, 약 5㎛, 약 10㎛, 약 100㎛ 또는 그 초과 또는 그 미만일 수 있다. 함몰부들(58)의 특정 패턴에 대한 평균 피치는, 위의 범위로부터 선택된 상위 값들 중 하나와 하위 값들 중 하나 사이에 있을 수 있다. 예에서, 함몰부들(58)은 약 1.5㎛의 피치(중심-중심 간격)를 갖는다. 예시적인 평균 피치 값들이 제공되었지만, 다른 평균 피치 값들이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
[00102] 각각의 함몰부(58)의 크기는 함몰부(58)의 볼륨, 깊이 및/또는 직경을 특징으로 할 수 있다.
[00103] 각각의 함몰부(58)는, 유체를 가둘 수 있는 임의의 볼륨을 가질 수 있다. 예컨대, 플로우 셀(41')의 다운스트림 사용들을 위해 예상되는 스루풋(예컨대, 다원성(multiplexity)), 분해능, 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 또는 분석물 반응성을 수용하기 위해, 최소 또는 최대 볼륨이 선택될 수 있다. 예컨대, 볼륨은 적어도 약 1×10-3㎛3, 적어도 약 1×10-2㎛3, 적어도 약 0.1㎛3, 적어도 약 1㎛3, 적어도 약 10㎛3, 적어도 약 100㎛3 또는 그 초과일 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 볼륨은 최대 약 1×104㎛3, 최대 약 1×103㎛3, 최대 약 100㎛3, 최대 약 10㎛3, 최대 약 1㎛3, 최대 약 0.1㎛3 또는 그 미만일 수 있다.
[00104] 각각의 함몰부(58)의 깊이는 하나의 감지 시스템(10, 10', 10")을 하우징하기에 충분히 클 수 있다. 예에서, 깊이는 적어도 약 1㎛, 적어도 약 10㎛, 적어도 약 100㎛ 또는 그 초과일 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 깊이는 최대 약 1 × 103㎛, 최대 약 100㎛, 최대 약 10㎛ 또는 그 미만일 수 있다. 각각의 함몰부(58)의 깊이는 위에 명시된 값들보다 더 크거나, 더 작거나 또는 그 사이일 수 있다.
[00105] 일부 예시들에서, 각각의 함몰부(58)의 직경 또는 길이 및 폭은 적어도 약 50nm, 적어도 약 0.1㎛, 적어도 약 0.5㎛, 적어도 약 1㎛, 적어도 약 10㎛, 적어도 약 100㎛ 또는 그 초과일 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 직경 또는 길이 및 폭은 최대 약 1 × 103㎛, 최대 약 100㎛, 최대 약 10㎛, 최대 약 1㎛, 최대 약 0.5㎛, 최대 약 0.1㎛ 또는 그 미만(예컨대, 약 50nm)일 수 있다. 각각의 함몰부(58)의 직경 또는 길이 및 폭은 위에 명시된 값들보다 더 크거나, 더 작거나 또는 그 사이일 수 있다.
[00106] 도 7b에 도시된 바와 같이, 어레이의 함몰부들(58) 각각은 개개의 전하 센서(11, 11', 11")를 포함한다. 각각의 함몰부(58) 내의 각각의 전하 센서(11, 11', 11")가 하나의 하전된 분자(18, 18')가 부착되고 하나의 중합효소(20)가 그 근처에 부착되는 것이 바람직하다. 일부 예들에서, 각각의 함몰부(58)는 내부에 하나의 전하 센서(11, 11', 11"), 하나의 하전된 분자(18, 18) 및 하나의 중합효소(20)를 갖는다. 다른 예들에서, 일부 함몰부들(58)은 내부에 하나의 전하 센서(11, 11', 11"), 하나의 하전된 분자(18, 18) 및 하나의 중합효소(20)를 갖는 반면에; 다른 함몰부들(58)은 내부에 하나의 전하 센서(11, 11', 11"), 하나의 하전된 분자(18, 18) 및 하나 초과의 중합효소(20)를 갖고, 그리고 또 다른 함몰부들(58)은 내부에 하나의 전하 센서(11, 11', 11"), 하나의 하전된 분자(18, 18)를 갖고 어떠한 중합효소(20)도 없다. 이들 예들에서, 임의의 정해진 함몰부(58) 내에 부착되는 중합효소(들)(20)의 수는 랜덤하고 푸아송 분포(Poisson distribution)에 의해 결정될 수 있다.
[00107] 일부 예들에서, 하전된 분자(18, 18')가 부착된 전하 센서(11, 11', 11")는 함몰부들(58)에 사전-조립될 수 있다. 중합효소(20)를 개개의 함몰부들(58) 내에 부착하기 위해, 중합효소(20)를 포함하는 유체를 플로우 셀(41')의 각각의 레인(52)에 도입할 수 있다. 중합효소(20)는 함몰부(58) 내에 부착되는 테더(22)를 포함할 수 있거나, 링커(22)는 함몰부(58) 내에 사전-부착될 수 있고, 중합효소(20)는 링커(22)에 부착될 수 있다. 유체는, 중합효소(20)가 부착될 수 있도록 원하는 시간 동안 그리고 원하는 온도에서 배양(incubate)하도록 허용될 수 있다.
[00108] 도 7b에 도시된 바와 같이, 중합효소(20)는 플로우 셀(41') 내의 임의의 컴포넌트 및/또는 임의의 표면에 부착될 수 있다. 일부 예들에서, 중합효소(20)는 전기 전도성 채널(16) 상의, 하전된 분자(18, 18') 등 상의 전극(12 또는 14), 기판(13)의 표면(예컨대, 함몰부(58)의 최하부, 함몰부(58)의 측벽 등)에 부착된다.
[00109] 전하 센서들(11, 11', 11") 각각은 개별적으로 전기적으로 어드레싱 가능하고 판독 가능하다. 이로써, 각각의 함몰부(58) 내에서 발생하는 하전된 분자 입체구조적 변화들로부터 발생하는 신호들은 개별적으로 검출 및 분석될 수 있다.
[00110] 감지 장치(40)의 임의의 예들은 또한, 플로우 셀(41)의 입력(예컨대, 유체 입구(들)(45)) 또는 플로우 셀(41')의 레인(52)에, 감지 시스템(들)(10, 10', 10")을 통해, 그리고 그후 유체 배출구(47) 외부로 선택적으로 시약을 도입하기 위한 시약 전달 시스템(49)을 포함할 수 있다. 시약 전달 시스템(49)은, 유체 입구(45)에 영구적으로 또는 제거 가능하게 부착될 수 있는 튜빙 또는 다른 유체역학장치(fluidics)를 포함할 수 있다. 시약 전달 시스템(49)은 샘플 용기(51)를 포함할 수 있다. 시약(감지 시스템(10")에 도입될 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 임의의 예 포함함)은 샘플 용기에 저장되거나, 사용 직전에 준비되어 샘플 용기에 도입될 수 있다. 시약 전달 시스템(49)은 또한, 샘플 용기(51)로부터 시약을 회수하고 유체 입구(45)에 전달하기 위한 펌프 또는 다른 적절한 장비를 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 샘플 용기(51)는, 시약이 중력에 의해 유체 입구(45)로, 감지 시스템(10")을 통해 그리고 유체 출구(47) 외부로 유동할 수 있도록 포지셔닝된다.
[00111] 플로우 셀(41, 41')의 전하 센서(11, 11', 11")는 또한, 감지 시스템(10, 10', 10") 및 감지 장치(40)가 사용될 때, 전하 센서(11, 11', 11")의 컨덕턴스 변화들을 검출하기 위한 검출기(15)에 동작 가능하게 연결될 수 있다.
[00112] 본원에 개시된 감지 시스템들(10, 10', 10")은 감지 방법에 사용될 수 있다. 방법의 예는 도 5에 개략적으로 도시된다. 방법은:
감지 시스템(10, 10', 10")에 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)을 도입하는 단계 ― 상기 감지 시스템(10, 10', 10")은: 2개의 전극들(12, 14), 및 상기 2개의 전극들(12, 14)을 연결하는 전기 전도성 채널(16)을 포함하는 전하 센서(11, 11', 11"); 상기 전기 전도성 채널(16)에 부착된 하전된 분자(18, 18'); 및 상기 전기 전도성 채널(16)에 또는 상기 하전된 분자(18, 18')에 부착된 중합효소(20)를 포함하고, 상기 하전된 분자(18, 18')는 인식 부위(28)를 포함함 ― ;
라벨링된 뉴클레오티드들(26)을 포함한 시약들을 감지 시스템(10, 10', 10")에 도입하는 단계 ― 이로써 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 중 하나의 라벨링된 뉴클레오티드의 뉴클레오티드(30)가 중합효소(20)와 연관되고, 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 중 하나의 라벨링된 뉴클레오티드의 인식 부위 특정 라벨(24)이 인식 부위(28)와 연관되어, 하전된 분자(18, 18')의 입체구조적 변화를 유도함 ― ; 및
하전된 분자(18, 18')의 입체구조적 변화에 대한 응답으로, 전하 센서(11, 11', 11")의 응답을 검출하는 단계를 포함한다.
[00113] 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)은 시퀀싱(sequence)될 임의의 샘플일 수 있으며, DNA, RNA 또는 이들의 유사물들(예컨대, 펩티드 핵산들)로 구성될 수 있다. 템플릿(또는 타겟) 폴리뉴클레오티드 체인(48)의 소스는 게놈 DNA, 메신저 RNA, 또는 네이티브 소스들로부터의 다른 핵산들일 수 있다. 일부 경우들에서, 이러한 소스들로부터 유도된 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)은, 본원의 방법 또는 시스템(40)에서 사용하기 전에 증폭될 수 있다. PCR(polymerase chain reaction), RCA(rolling circle amplification), MDA(multiple displacement amplification) 또는 RPA(Recombinase Polymerse amplification)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 공지된 증폭 기법들 중 임의의 것이 사용될 수 있다. 본원에 제시된 방법 또는 시스템(40)에서 사용하기 전에, 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)의 증폭이 선택적이라는 것을 이해해야 한다. 이로써, 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)은, 일부 예들에서, 사용하기 전에 증폭되지 않을 것이다. 템플릿/타겟 폴리뉴클레오티드 체인들(48)은 선택적으로 합성 라이브러리들로부터 유도될 수 있다. 합성 핵산들은 네이티브 DNA 또는 RNA 조성들을 가질 수 있거나, 이들의 유사물들일 수 있다.
[00114] 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)이 유도될 수 있는 생물학적 샘플들은, 예컨대, 설치류, 생쥐, 쥐, 토끼, 기니피그, 유제류, 말, 양, 돼지, 염소, 소, 고양이,개, 영장류, 인간 또는 비인간 영장류와 같은 포유동물; 아라비돕시스 탈리아나, 옥수수, 수수, 귀리, 밀, 쌀, 캐놀라 또는 대두와 같은 식물; 녹조류(Chlamydomonas reinhardtii)와 같은 조류; 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)과 같은 선충류; 노랑초파리(Drosophila melanogaster), 모기, 초파리, 꿀벌 또는 거미와 같은 곤충; 제브라피쉬(zebrafish)와 같은 물고기; 파충류; 개구리 또는 제노푸스 라에비스(Xenopus laevis)와 같은 양서류; 세포성점균(dictyostelium discoideum); 주폐포자충(pneumocystis carinii), 자주복(Takifugu rubripes), 효모, 사카라모이스 세레비시아(Saccharamoyces cerevisiae) 또는 스키조사카로마이세스 폼베(Schizosaccharomyces pombe)와 같은 진균; 또는 열대열원충(plasmodium falciparum)으로부터의 생물학적 샘플들을 포함한다. 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인들(48)은 또한 박테리아, 대장균, 포도상 구균 또는 마이코플라스마 폐렴과 같은 원핵 생물들; 고세균(archae); C 형 간염 바이러스, 에볼라 바이러스 또는 인간 면역 결핍 바이러스와 같은 바이러스; 또는 바이로이드로부터 유도될 수 있다. 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인들(48)은, 위의 유기체들의 균질한 배양 또는 개체군으로부터 또는 대안적으로, 예컨대, 공동체 또는 생태계에서 여러 상이한 유기체들의 집합으로부터 유도될 수 있다.
[00115] 더욱이, 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인들(48)은 천연 소스들로부터 유도되지 않을 수 있고, 오히려 공지된 기법들을 사용하여 합성될 수 있다. 예컨대, 유전자 발현 프로브들(gene expression probes) 또는 유전자형 프로브들(genotyping probes)은, 본원에 제시된 예들에서 합성되어 사용될 수 있다.
[00116] 일부 예들에서, 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인들(48)은 하나 이상의 더 큰 핵산들의 단편들(fragments)로서 획득될 수 있다. 단편화(fragmentation)는, 예컨대, 분무화(nebulization), 음파 처리(sonication), 화학적 절단(chemical cleavage), 효소적 절단(enzymatic cleavage) 또는 물리적 전단(physical shearing)을 포함하는 당분야에 공지된 다양한 기법들 중 임의의 것을 사용하여 수행될 수 있다. 단편화는 또한, 더 큰 핵산 체인의 일부만을 복사함으로써 앰플리콘들(amplicons)을 생성하는 특정 증폭 기법의 사용으로부터 발생할 수 있다. 예컨대, PCR 증폭은, 증폭 동안 플랭킹 프라이머들(flanking primers)이 혼성화하는 위치들 사이에 있는 원래 템플릿 상의 뉴클레오티드 시퀀스의 길이에 의해 규정된 크기를 갖는 단편들을 생성한다. 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)의 길이는 단위를 뉴클레오티드들의 수 또는 미터 길이(예컨대, 나노미터)로 할 수 있다.
[00117] 템플릿/타겟 폴리뉴클레오티드 체인들(48)의 개체군, 또는 이의 앰플리콘들은, 본원에 제시된 방법 또는 시스템(40)의 특정 적용에 요구되거나 적합한 평균 가닥 길이를 가질 수 있다. 예컨대, 평균 가닥 길이는 약 100,000개의 뉴클레오티드들, 약 50,000개의 뉴클레오티드들, 약 10,000개의 뉴클레오티드들, 약 5,000개의 뉴클레오티드들, 약 1,000개의 뉴클레오티드들, 약 500개의 뉴클레오티드들, 약 100개의 뉴클레오티드들, 또는 약 50개의 뉴클레오티드들 미만일 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 평균 가닥 길이는 약 10개의 뉴클레오티드들, 약 50개의 뉴클레오티드들, 약 100개의 뉴클레오티드들, 약 500개의 뉴클레오티드들, 약 1,000개의 뉴클레오티드들, 약 5,000개의 뉴클레오티드들, 약 10,000개의 뉴클레오티드들, 약 50,000개의 뉴클레오티드들, 또는 약 100,000개의 뉴클레오티드들보다 더 길 수 있다. 타겟 폴리뉴클레오티드 체인들(48)의 개체군 또는 이의 앰플리콘들에 대한 평균 가닥 길이는 위에 제시된 최대 값과 최소값 사이의 범위에 있을 수 있다.
[00118] 일부 경우들에서, 템플릿/타겟 폴리뉴클레오티드 체인들(48)의 개체군은 조건들 하에서 생성될 수 있거나, 그렇지 않으면 개체군의 멤버들에 대한 최대 길이를 갖도록 구성될 수 있다. 예컨대, 멤버들의 최대 길이는 약 100,000개의 뉴클레오티드들, 약 50,000개의 뉴클레오티드들, 약 10,000개의 뉴클레오티드들, 약 5,000개의 뉴클레오티드들, 약 1,000개의 뉴클레오티드들, 약 500개의 뉴클레오티드들, 약 100개의 뉴클레오티드들 또는 약 50개의 뉴클레오티드들 미만일 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인들(48)의 개체군 또는 이들의 앰플리콘들은 조건들 하에서 생성되거나, 그렇지 않으면 개체군의 멤버들에 대해 최소 길이를 갖도록 구성될 수 있다. 예컨대, 멤버들의 최소 길이는 약 10개의 뉴클레오티드들, 약 50개의 뉴클레오티드들, 약 100개의 뉴클레오티드들, 약 500개의 뉴클레오티드들, 약 1,000개의 뉴클레오티드들, 약 5,000개의 뉴클레오티드들, 약 10,000개의 뉴클레오티드들, 약 50,000개의 뉴클레오티드들, 또는 약 100,000개의 뉴클레오티드들을 초과할 수 있다. 개체군의 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인들(48)에 대한 최대 및 최소 가닥 길이는 위에 제시된 최대 값과 최소값 사이의 범위에 있을 수 있다.
[00119] 도 5에 도시된 바와 같이, 감지 시스템(10)(또는 10', 10")에 도입된 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)은 중합효소(20)에 의해 제자리에 홀딩될 수 있으며, 중합효소(20)는, 이 예에서, 전기 전도성 채널(16)에 테더링된다. 도 5에 도시된 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)은 DNA의 템플릿 가닥이다. 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)은, 라벨링된 뉴클레오티드들(26)과 같이, 시약들과 함께 생물학적으로 안정한 용액에 도입될 수 있다. 생물학적으로 안정한 용액은, PCR(polymerase chain reaction) 또는 선형 증폭과 같은 중합효소 염기 합체 반응들(polymerase base incorporation reactions)에 적합한 임의의 버퍼일 수 있다. 예로서, 생물학적으로 안정한 용액은 7에 가까운 pH를 갖는 버퍼, 수 밀리몰을 초과하는 염 농도, 및 밀리몰 농도의 Mg2+ 이온들을 포함할 수 있다.
[00120] 또한 도 5에 도시된 바와 같이, 라벨링된 뉴클레오티드(26)는, 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)의 타겟 핵산에 상보적인 염기를 포함할 수 있다. 라벨링된 뉴클레오티드(26)는, 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)에 또한 바인딩된 중합효소(20)에 의해 부분적으로 제자리에 홀딩될 것이다. 예로서, 중합효소(20)는 특정 뉴클레오티드(30)를 통합할 수 있고, 뉴클레오티드(30)는 몇(예컨대, 2) 밀리초로부터 수백 밀리초 범위의 시간 기간 동안 홀딩될 수 있다.
[00121] 라벨링된 뉴클레오티드(26)와 중합효소(20) 사이의 상호작용 및 링킹 분자(32)의 길이는, 타겟 라벨(24)이 하전된 분자(18) 근처에서 연관되는 것을 가능하게 한다. 감지 시스템들(10, 10', 10")이 어레이에 존재하고 개별적으로 어드레싱 가능하고 개별적으로 판독 가능한 전하 센서들(11, 11', 11")을 포함하는 경우, 일단 라벨링된 뉴클레오티드(26)가 특정 감지 시스템(10, 10', 10")의 중합효소(20)와 상호작용하면, 링킹 분자(32)의 길이가 또한 임의의 개별 타겟 라벨(24)이 인접한 감지 시스템(10, 10', 10")과 연관되는 것을 금지한다는 것을 이해해야 한다.
[00122] 일부 예들에서, 타겟 라벨(24)의 연관은 라벨(24)의 유효 농도가 증가하게 하여, 하전된 분자(18)가 타겟 라벨(24)에 바인딩되게 한다. 하전된 분자(18)는 평형 상태(equilibrium)에서 자신의 입체구조를 동적으로 변경할 수 있으며, 타겟 라벨(24)이 없을 때, 하나의 특정 입체구조(즉, 바인딩되지 않은 호감성 입체구조)에서 대부분의 시간을 소비할 수 있다. 타겟 라벨(24)의 바인딩은 하전된 분자(18)가 (바인딩되지 않은 호감성 입체구조로부터) 상이한 호감성 입체구조로 이동하게 할 것이다. 바인딩 동안 호감성 입체구조는 바인딩되지 않은 호감성 입체구조(예컨대, 바인딩된 라벨(24)이 없을 때, 하전된 분자(18)에 의해 가장 많이 나타나는 입체구조)와 상이하다. 바인딩되지 않은 호감성 입체구조의 전하 분포는 (예컨대, 하전된 분자(18)가 라벨(24)에 바인딩될 때의) 호감성 입체구조의 전하 분포와 상이하다. 하전된 분자(18)의 전하 분포의 변화는, 차례로, 채널(16)의 컨덕턴스를 변경한다.
[00123] 전하 센서(11, 11', 11")의 응답은, 타겟 라벨(24)이 뉴클레오티드-특정적이기 때문에(즉, 특정 염기에 대해 특정 라벨(24)이 선택됨) 그리고 하전된 분자(18)의 인식 부위(28)가 라벨-특정적이기 때문에, 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 통합된 염기를 나타낼 수 있다. 이로써, 방법은 또한 전하 센서(11, 11', 11")의 응답을 연관된 인식 부위 특정 라벨(24)(즉, 하전된 분자(18)의 입체구조를 변경한 라벨(24))과 연관시키는 것, 및 연관된 인식 부위 특정 라벨(24)에 기반하여, 연관된 라벨링된 뉴클레오티드(26)(즉, 중합효소(20) 및 인식 부위(28)와 연관된 라벨링된 뉴클레오티드(26))의 뉴클레오티드(예컨대, 염기)를 식별하는 것을 수반할 수 있다.
[00124] 하전된 분자(들)(18, 18')와 라벨(들)(24) 사이의 온-레이트 및 오프-레이트가 고유한 지문 신호들(unique fingerprint signals)이 생성되도록 조정될 수 있음을 이해해야 한다.
[00125] 오프-레이트들이 느린 라벨들(24)에 대해, 라벨(24)은 상당한 지속기간 동안, 예컨대, 전체 뉴클레오티드 통합 사이클 동안 바인딩된 상태로 유지될 것이다. 이러한 확장된 바인딩은, 전하 센서(11, 11')의 채널(16)을 통과하는 전류의 DC 레벨의 변화들을 생성할 것이다. 이것은 도 6a에 개략적으로 예시되고, 여기서 오프-레이트들이 느린 상이한 라벨들(24)이 4개의 상이한 뉴클레오티드들에 대해 사용되어, 4개의 상이하고 별개의 검출 가능한 신호들을 발생시킨다. 이러한 신호들은 4개의 상이한 인식 부위들(28)에서 단일 하전된 분자(18, 18')를 통해, 또는 각각 라벨-특정인식 부위(28)가 있는 최대 4개의 상이한 하전된 분자들(18, 18')을 통해, 또는 별개의 느린 오프-레이트들로 최대 4개의 상이한 뉴클레오티드들에 바인딩할 수 있는 단일 인식 부위(28)에서 단일 하전된 분자(18, 18')를 통해 검출될 수 있다.
[00126] 온-레이트 및 오프-레이트가 빠른 라벨들(24)에 대해, 라벨(24)은, 전체 뉴클레오티드 통합 사이클 동안, 하전된 분자(18, 18')를 연관/하전된 분자(18, 18')로부터 연관 해제될 수 있다. 이러한 빠른 온 및 오프 바인딩은, 전하 센서(11, 11')로부터 채터형 신호들(chatter-like signals)(예컨대, DC 레벨, 진폭, 주파수, 백분위 레벨들, 특징 분포 등)을 생성한다. 이것은 도 6b에 개략적으로 예시되고, 여기서 온-레이트 및 오프-레이트가 빠른 상이한 라벨들(24)이 4개의 상이한 뉴클레오티드들에 대해 사용되어, 4개의 상이하고 별개의 검출 가능한 신호들을 발생시킨다. 이러한 신호들은 4개의 상이한 인식 부위들(28)에서 단일 하전된 분자(18, 18')를 통해, 또는 각각 라벨-특정 인식 부위(28)가 있는 최대 4개의 상이한 하전된 분자들(18, 18')을 통해, 또는 별개의 온-레이트 및 오프-레이트로 최대 4개의 상이한 뉴클레오티드들 중 하나에 바인딩할 수 있는 단일 인식 부위(28)에서 단일 하전된 분자(18, 18')를 통해 검출될 수 있다.
[00127] 하전된 분자(18, 18')의 입체구조적 상태가 변경되는 빈도가 또한 모니터링될 수 있다.
[00128] 전하 센서 응답들의 크기는 또한 구별될 수 있다. 일부 예들에서, 인식 부위(28)는 최대 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들(26)에 가역적으로 바인딩하기 위한 것이다. 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 중 하나가 중합효소(20) 및 인식 부위(28)와 연관될 때, 전하 센서(11, 11', 11")의 응답은, 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 중 하나를 식별하는 데 사용될 수 있는 별개의 크기를 갖는다. 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 각각은 또한 별개의 크기(예컨대, 다른 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 각각과 연관된 크기들과 상이한 크기)를 가질 수 있다.
[00129] 다른 예들에서, 도 6a 및 6b로부터의 모달리티들(modalities)은 일부 형태로 결합될 수 있다. 예컨대, 감지 시스템(10, 10', 10")에 노출된 복수의 라벨링된 뉴클레오티드들(26)에서, 느린 온-레이트 및 오프-레이트를 갖는 일부 라벨들(24)이 사용될 수 있고, 빠른 온-레이트 및 오프-레이트를 갖는 다른 라벨들(24)이 사용될 수 있다.
[00130] 본원에 설명된 통합 사이클의 결과로서, 연관된 라벨링된 뉴클레오티드(26)의 염기는, 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인(48)에 혼성화된 초기 가닥(50)에 통합될 것이다. 염기가 완전히 통합되고 초기 가닥(50)의 당 백본(sugar backbone)이 연장될 때, 뉴클레오티드(30)와 라벨(24) 사이의 링커(32)가 자연적으로 절단된다. 이는, 라벨(24)의 유효 농도를 배경 레벨들로 다시 감소시키게 한다. 타겟 라벨(24)은 연관해제(dissociate)되고, 하전된 분자(18, 18')는 자신의 바인딩되지 않은(때때로 "와일드 타입(wild type)"으로 지칭됨) 입체구조로 복귀하고, 여기서 하전된 분자는 호감성 바인딩되지 않은 입체구조를 우선적으로 나타낸다.
[00131] 본원에 개시된 방법은 원하는 수의 시퀀싱 사이클들 동안 반복될 수 있다.
[00132] 본원에 개시된 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 및 감지 시스템들(10, 10', 10")은 다양한 애플리케이션들 중 임의의 애플리케이션에 사용될 수 있다. 도 5를 참조하여 설명된 바와 같이, 특히 유용한 애플리케이션은 SBS(sequencing-by-synthesis)과 같은 핵산 시퀀싱이다. SBS에서, 템플릿 내의 뉴클레오티드들의 시퀀스를 결정하기 위해, 템플릿 핵산(48)을 따른 핵산 시퀀싱 프라이머의 확장이 모니터링된다. 근본적인 화학적 프로세스는 (예컨대, 본원에 설명된 바와 같은 중합효소 효소(20)에 의해 촉매화되는 바와 같이) 중합(polymerization)일 수 있다. 특정 중합효소계 SBS 예에서, 뉴클레오티드들(예컨대, 염기들)은, 템플릿의 시퀀스를 결정하기 위해, 초기 가닥을 형성하기 위해 프라이머에 추가된 뉴클레오티드들의 순서 및 타입의 검출이 사용될 수 있도록, 템플릿 의존적 방식으로 시퀀싱 프라이머에 추가된다(이로써 시퀀싱 프라이머가 확장됨). 어레이의 상이한 감지 시스템들(10, 10', 10")에서의 복수의 상이한 템플릿들(48)에는 SBS 기법이 실행될 수 있다. 상이한 템플릿들(48)에서 발생하는 이벤트들은, 어레이에서 특정 감지 시스템(10, 10', 10")의 위치로 인해 부분적으로 구별될 수 있다. 어레이 내의 각각의 감지 시스템(10, 10', 10")의 전하 센서들(11, 11')은 개별적으로 어드레싱 가능하고 판독 가능할 수 있으며, 따라서 각각의 센서(11, 11')에서 신호들이 검출될 수 있다.
[00133] 본원에 개시된 라벨링된 뉴클레오티드들(26) 및 감지 시스템들(10, 10', 10")에 대한 다른 적절한 애플리케이션들은 결찰에 의한 시퀀싱(sequencing-by-ligation) 및 혼성화에 의한 시퀀싱(sequencing-by-hybridization)을 포함한다.
[00134] 전술한 개념들 및 아래에 더 상세히 논의되는 부가적인 개념들의 모든 조합들은 (그러한 개념들이 서로 불일치하지 않는 경우) 본 명세서에 개시된 발명의 청구대상의 일부인 것으로 고려될 수 있음을 인식해야 한다. 특히, 본 개시내용의 끝에 나타나는 청구대상의 모든 조합들은 본원에 개시된 발명의 청구대상의 일부인 것으로 고려된다. 또한, 인용에 의해 본원에 통합된 임의의 개시내용에서도 나타날 수 있는, 본원에 명시적으로 사용된 용어는 본원에 개시된 특정 개념들과 가장 일치하는 의미를 부여받아야 한다는 것을 또한 인식해야 한다
[00135] 본 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 예", "다른 예", "예" 등의 언급은, 예와 관련하여 설명된 특정 엘리먼트(예컨대, 특징, 구조 및/또는 특성)가 본원에 설명된 적어도 하나의 예에 포함되고, 그리고 다른 예들에서 존재할 수 있거나 존재하지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 게다가, 임의의 예에 대해 설명된 엘리먼트가, 문맥이 달리 명확하게 지시하지 않는 한, 다양한 예들에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있음을 이해해야 한다.
[00136] 청구범위를 포함하여 본 개시내용 전반에 사용된 "실질적으로" 및 "약"이라는 용어들은, 이를테면, 프로세싱 시의 변형들로 인한 작은 변동들(fluctuations)을 설명하고 감안하는 데 사용된다. 예컨대, 이 용어들은 ±5 %보다 적거나 같은 것을, 이를테면, ±2 %보다 적거나 같은, 이를테면, ±1 %보다 적거나 같은, 이를테면, ±0.5 %보다 적거나 같은, 이를테면, ±0.2 %보다 적거나 같은, 이를테면, ±0.1 %보다 적거나 같은, 이를테면, ±0.05 %보다 적거나 같은 것을 지칭할 수 있다.
[00137] 또한, 본원에 제공된 범위들은, 명시적으로 언급된 것처럼, 명시된 범위 및 명시된 범위 내의 임의의 값 또는 하위-범위를 포함하는 것으로 이해 되어야 한다. 예컨대, 1nm으로부터 1㎛ 미만으로 표현된 범위는 1nm으로부터 1㎛ 미만의 명시적으로 언급된 한계들을 포함할 뿐만 아니라 약 15nm, 22.5 nm, 45 nm 등과 같은 개별 값들, 및 약 20 nm 내지 약 48 nm 등과 같은 하위-범위들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
[00138] 몇몇의 예들이 상세히 설명되었지만, 개시된 예들이 수정될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 전술된 설명은 비-제한적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (23)

  1. 전하 센서(charge sensor) ― 상기 전하 센서는 2개의 전극들; 및 상기 2개의 전극들을 연결하는 전기 전도성 채널(electrically conductive channel)을 포함함 ― ;
    상기 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자(charged molecule); 및
    상기 전기 전도성 채널 또는 상기 하전된 분자에 부착된 중합효소(polymerase)를 포함하고,
    상기 하전된 분자는:
    라벨링된 뉴클레오티드(labeled nucleotide)의 라벨에 가역적으로(reversibly) 바인딩(bind)하기 위한 인식 부위(recognition site)를 포함하고;
    바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조(favored conformation)를 갖고,
    상기 인식 부위가 상기 라벨에 바인딩될 때, 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조를 갖고,
    상기 전하 구성은 상기 바인딩되지 않은 전하 구성과 상이한,
    감지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하전된 분자는 하전된 앱타머(charged aptamer)인,
    감지 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 하전된 앱타머는 DNA 앱타머, RNA 앱타머 및 이들의 유사물로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    감지 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 하전된 분자는 하전된 단백질(charged protein) 및 하전된 펩티드(charged peptide)로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 하전된 분자는:
    제2 라벨링된 뉴클레오티드의 제2 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제2 인식 부위를 더 포함하고, 상기 제2 인식 부위가 상기 제2 라벨에 바인딩될 때 제2 전하 구성과 연관된 제2 호감성 입체구조를 갖고;
    제3 라벨링된 뉴클레오티드의 제3 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제3 인식 부위를 더 포함하고, 상기 제3 인식 부위가 상기 제3 라벨에 바인딩될 때 제3 전하 구성과 연관된 제3 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    제4 라벨링된 뉴클레오티드의 제4 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제4 인식 부위를 더 포함하고, 상기 제4 인식 부위가 상기 제4 라벨에 바인딩될 때 제4 전하 구성과 연관된 제4 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    상기 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 상기 바인딩되지 않은 호감성 입체구조는, 상기 인식 부위, 상기 제2 인식 부위, 상기 제3 인식 부위, 및 상기 제4 인식 부위 각각이 바인딩되지 않을 때 발생하는,
    감지 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 전도성 채널에 부착된 제2 하전된 분자를 더 포함하고,
    상기 제2 하전된 분자는:
    제2 라벨링된 뉴클레오티드의 제2 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제2 인식 부위를 포함하고;
    제2 하전된 분자 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 제2 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    상기 제2 인식 부위가 상기 제2 라벨에 바인딩될 때, 제2 하전된 분자 전하 구성과 연관된 제2 하전된 분자 호감성 입체구조를 갖는,
    감지 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 전기 전도성 채널에 부착된 제3 하전된 분자: 및
    상기 전기 전도성 채널에 부착된 제4 하전된 분자를 더 포함하고,
    상기 제3 하전된 분자는:
    제3 라벨링된 뉴클레오티드의 제3 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제3 인식 부위를 포함하고;
    제3 하전된 분자 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 제3 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    상기 제3 인식 부위가 상기 제3 라벨에 바인딩될 때, 제3 하전된 분자 전하 구성과 연관된 제3 하전된 분자 호감성 입체구조를 갖고;
    상기 제4 하전된 분자는:
    제4 라벨링된 뉴클레오티드의 제4 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제4 인식 부위를 포함하고;
    제4 하전된 분자 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 제4 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    상기 제4 인식 부위가 상기 제4 라벨에 바인딩될 때, 제4 하전된 분자 전하 구성과 연관된 제4 하전된 분자 호감성 입체구조를 갖는,
    감지 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 하전된 분자는 제2 라벨링된 뉴클레오티드의 제2 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제2 인식 부위를 더 포함하고, 상기 제2 인식 부위가 상기 제2 라벨에 바인딩될 때 제2 전하 구성과 연관된 제2 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    상기 감지 시스템은 상기 전기 전도성 채널에 부착된 제2 하전된 분자를 더 포함하고,
    상기 제2 하전된 분자는:
    제3 라벨링된 뉴클레오티드의 제3 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제3 인식 부위; 및 제4 라벨링된 뉴클레오티드의 제4 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제4 인식 부위를 포함하고;
    제2 하전된 분자 바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 제2 하전된 분자 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고;
    상기 제3 인식 부위가 상기 제3 라벨에 바인딩될 때, 제3 전하 구성과 연관된 제3 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    상기 제4 인식 부위가 상기 제4 라벨에 바인딩될 때, 제4 전하 구성과 연관된 제4 호감성 입체구조를 갖는,
    감지 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 하전된 분자는, 상기 라벨링된 뉴클레오티드의 제2 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 제2 인식 부위를 더 포함하는,
    감지 시스템.
  10. 전하 센서 ― 상기 전하 센서는 2개의 전극들; 및 상기 2개의 전극들을 연결하는 전기 전도성 채널을 포함함 ― ;
    상기 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자; 및
    상기 2개의 전극들 중 적어도 하나 또는 상기 전하 센서가 포지셔닝된 기판에 부착된 중합효소를 포함하고,
    상기 하전된 분자는:
    라벨링된 뉴클레오티드의 라벨에 가역적으로 바인딩하기 위한 인식 부위를 포함하고;
    바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    상기 인식 부위가 상기 라벨에 바인딩될 때, 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조를 갖고,
    상기 전하 구성은 상기 바인딩되지 않은 전하 구성과 상이한,
    감지 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 기판은 패터닝된 기판이고,
    상기 전하 센서는 상기 패터닝된 기판의 함몰부(depression)에 포지셔닝되고, 그리고
    상기 중합효소는 상기 함몰부의 표면에 부착되는,
    감지 시스템.
  12. 플로우 셀(flow cell); 및
    상기 플로우 셀에 통합된 감지 시스템을 포함하고,
    상기 감지 시스템은:
    전기 전도성 채널을 포함하는 전하 센서;
    상기 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자; 및
    상기 전기 전도성 채널 또는 상기 하전된 분자에 부착된 중합효소를 포함하고,
    상기 하전된 분자는:
    바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    상기 하전된 분자의 인식 부위가 라벨링된 뉴클레오티드의 라벨에 바인딩될 때, 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조를 갖고,
    상기 전하 구성은 상기 바인딩되지 않은 전하 구성과 상이한,
    감지 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    시약(reagent)을 상기 플로우 셀의 입력에 선택적으로 도입하기 위한 시약 전달 시스템을 더 포함하는,
    감지 장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 시약은 샘플 용기(sample container) 내에 있고, 상기 시약은 상기 라벨링된 뉴클레오티드를 포함하고,
    상기 라벨링된 뉴클레오티드는:
    뉴클레오티드;
    상기 뉴클레오티드의 인산기에 부착된 링킹 분자(linking molecule); 및
    상기 링킹 분자에 부착된 인식 부위 특정 라벨을 포함하는,
    감지 장치.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 전하 센서로부터의 응답을 검출하기 위한 검출기를 더 포함하는,
    감지 장치.
  16. 플로우 셀; 및
    상기 플로우 셀에 통합된 감지 시스템을 포함하고,
    상기 감지 시스템은:
    전기 전도성 채널을 포함하는 전하 센서;
    상기 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자; 및
    상기 2개의 전극들 중 적어도 하나에 또는 상기 플로우 셀의 기판에 부착된 중합효소를 포함하고,
    상기 하전된 분자는:
    바인딩되지 않은 전하 구성과 연관된 바인딩되지 않은 호감성 입체구조를 갖고; 그리고
    상기 하전된 분자의 인식 부위가 라벨링된 뉴클레오티드의 라벨에 바인딩될 때, 전하 구성과 연관된 호감성 입체구조를 갖고,
    상기 전하 구성은 바인딩되지 않은 전하 구성과 상이한,
    감지 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 기판은 패터닝된 기판이고, 상기 전하 센서는 상기 패터닝된 기판의 함몰부에 포지셔닝되고, 그리고 상기 중합효소는 상기 함몰부의 표면에 부착되는,
    감지 장치.
  18. 감지 시스템에 템플릿 폴리뉴클레오티드 체인을 도입하는 단계 ― 상기 감지 시스템은: 2개의 전극들, 및 상기 2개의 전극들을 연결하는 전기 전도성 채널을 포함하는 전하 센서; 상기 전기 전도성 채널에 부착된 하전된 분자; 및 상기 전기 전도성 채널에 또는 상기 하전된 분자에 부착된 중합효소를 포함하고, 상기 하전된 분자는 인식 부위를 포함함 ― ;
    라벨링된 뉴클레오티드들을 포함한 시약들을 상기 감지 시스템에 도입하는 단계 ― 이로써 상기 라벨링된 뉴클레오티드들 중 하나의 라벨링된 뉴클레오티드의 뉴클레오티드가 상기 중합효소와 연관되고, 상기 라벨링된 뉴클레오티드들 중 하나의 라벨링된 뉴클레오티드의 인식 부위 특정 라벨이 인식 부위와 연관되어, 상기 하전된 분자의 입체구조적 변화를 유도함 ― ; 및
    상기 하전된 분자의 상기 입체구조적 변화에 대한 응답으로, 상기 전하 센서의 응답을 검출하는 단계를 포함하는,
    방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 전하 센서의 응답과 상기 연관된 인식 부위 특정 라벨을 연관시키는 단계; 및
    상기 연관된 인식 부위 특정 라벨에 기반하여, 상기 라벨링된 뉴클레오티드들 중 하나의 라벨링된 뉴클레오티드의 뉴클레오티드를 식별하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 하전된 분자는 복수의 상이한 인식 부위들을 포함하고, 상기 복수의 상이한 인식 부위들 각각은 상이한 라벨링된 뉴클레오티드의 상이한 라벨에 별개의 레이트로 가역적으로 바인딩하기 위한 것인,
    방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    상이한 라벨링된 뉴클레오티드들이 상기 중합효소와 각각 연관되고 상기 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들의 상이한 인식 부위 특정 라벨들이 상기 복수의 상이한 인식 부위들 중 하나에 각각 바인딩할 때, 상기 하전된 분자의 상이한 입체구조적 변화들에 대한 응답으로, 상기 전하 센서의 복수의 응답들을 검출하는 단계; 및
    상기 별개의 레이트들에 의해 각각 연관된 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들을 식별하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  22. 제18 항에 있어서,
    상기 인식 부위는 복수의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들의 복수의 상이한 라벨들에 복수의 별개의 레이트들로 가역적으로 바인딩하기 위한 것이고,
    상기 방법은:
    상기 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들 중 적어도 일부가 상기 중합효소와 각각 연관되고 상기 상이한 라벨들 중 적어도 일부가 상기 인식 부위에 각각 바인딩할 때, 상기 하전된 분자의 상이한 입체구조적 변화들에 대한 응답으로 상기 전하 센서의 복수의 응답들을 검출하는 단계; 및
    상기 별개의 레이트들에 의해 각각 연관된 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들을 식별하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  23. 제18 항에 있어서,
    상기 인식 부위는 최대 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들에 가역적으로 바인딩하기 위한 것이고,
    상기 방법은:
    상기 최대 4개의 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들이 상기 중합효소 및 상기 인식 부위와 각각 연관될 때, 상기 하전된 분자의 상이한 입체구조적 변화들에 대한 응답으로 상기 전하 센서의 최대 4개의 상이한 응답들을 검출하는 단계 ― 상기 최대 4개의 상이한 응답들 각각은 별개의 크기를 가짐 ― ; 및
    상기 별개의 크기들에 의해 각각 연관된 상이한 라벨링된 뉴클레오티드들을 식별하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
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