用于对生物聚合物测序的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及用于对至少两种生物聚合物测序的方法。
【背景技术】
[0002] 在对生物聚合物、例如核酸或者蛋白质测序时，生物聚合物的各个基本粒子的序 列、也即核巧酸序列(或者碱基序列)或者氨基酸序列可W被分析。
[0003] 在例如借助于纳米孔测序时，所述生物聚合物经过生物的或者人造的纳米孔。生 物聚合物的各个基本粒子可W通过在经过时孔电阻的变化借助于纳米孔被分析。在经过不 同的基本粒子的纳米孔时，例如通过纳米孔传导的电流改变。所述变化取决于经过孔的基 本粒子，使得例如单个核巧酸可W被探测，并且例如核酸的序列可W被测定。
[0004] 可替代地，仅在经过生物聚合物时出现的、在纳米孔中的隧道电流可W被测量，其 中隧道电流的电流强度取决于例如位于纳米孔中的核巧酸或者氨基酸。
[0005] 例如在测量该隧道电流时的困难由在纳安范围中的所述隧道电流的小强度W及 隧道电极的相对高的容量得出。所述容量通过对于娃晶片的娃W及对于周围的液体的寄生 容量形成，其中纳米孔结构可W被布置在所述娃晶片上，所述液体与电极直接接触。为了测 量隧道电流，因此具有电流输入端的前置放大器是必要的，所述前置放大器承受相对高的 输入容量(M. C曰rmin曰ti, G. Ferrari, Μ. Sampietro, A. P. Ivanov, T. Albrecht:" Low-Noise Dual-Channel Current Amplifier for DNA Sensing with Solid-State Nanopores", 19th IEEE International Conference Electronics, Circuits and Systems (ICECS) 2012, 817-820)〇
[0006] 在化rminati等人的文章中，用于在各个微孔处进行测量的适当的分立电路被描 述。在Rosenstein等人的出版物（J. K. Rosenstein, M. Wanunu, C. A. Merchant, M. Drndic, Κ. Shepard: "Integrated nanopore sensig platform with sub-microsecond temporal resolution",化ture methods, 9, 2012, 487 - 492)中，用于探测隧道电流 的互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的应用被描述。
[0007] 利用在现有技术中描述的方法，多个试样的测序的性能然而不如期望的那样高。 此外，序列信号、也即由测量参量接收器(MessgreBenaufnehmer)根据生物聚合物的探测到 的基本粒子检测的信号具有小的电流强度和小的电荷量，并且经常由噪声叠加。所述问题 在其他测序方法、例如在离子半导体DNA测序系统中也出现。
【发明内容】
[000引由本发明要解决的任务是提高生物聚合物的测序的效率。
[0009] 所述任务由按照专利权利要求1所述的按照本发明的方法解决。此外所述任务由 按照专利权利要求10所述的按照本发明的测序装置解决。本发明的有利的改进方案通过从 属权利要求给出。
[0010] 本发明基于W下思想：将用于测序的装置、例如纳米孔装置与来自图像传感技术 的原理组合。由此多种生物聚合物可w并行地w小的电路损耗同时被测序。
[0011] 按照本发明的方法相应地用于对至少两种生物聚合物、例如多种相同的或者不同 的核酸或者蛋白质测序，包括步骤： -对每种生物聚合物，通过各自的测量参量接收器根据生物聚合物的序列接收序列信 号， -并行地将每个序列信号传输到移位寄存器中，并且由此缓存每个序列信号， -顺序地将缓存的序列信号从移位寄存器传输到评估设备、例如计算机的微处理器中， 并且 -通过评估设备评估序列信号。
[0012] 移位寄存器在此被理解为模拟斗链式存储器、也即顺序逻辑系统（Schaltwerk)， 其中，多个串联连接的触发元件在每个工作循环(Arbeitstakt)时按照斗链式原理将其存 储内容继续推移一个触发元件。移位寄存器的示例是CCD图像传感器。
[0013] 测量参量接收器的每个发出的序列信号的顺序传输包括到移位寄存器的各一个 触发元件中的传输。由此，移位寄存器可W通过其触发元件从并行前置的测量参量接收器 接收序列信号。运使得能够增多用于测序的同时能使用的装置的数量，也即增多同时测序 的数量。
[0014] 所述序列信号在此可W描述电流强度或者电压值。移位寄存器的使用保证无噪声 的和低损失的电荷输送。附加地，多种生物聚合物可W同时被测序，并且不同的生物聚合物 的序列信号可W并行地或者同时被"收集"，也即在不同的测量接收器处被检测。
[0015] 在按照本发明的方法的优选的实施方式中，将每个序列信号传输到移位寄存器 中，所述移位寄存器与测量参量接收器一起构成集成电路，例如在传感器阵列上作为微忍 片。运使得能够同时对生物聚合物测序，并且同时读出用于多个相同的或者不同的生物聚 合物的信号。第一生物聚合物的序列信号的接收在此可W优选地与其他生物聚合物的序列 信号的接收同时进行。由此能够实现信号的同时读出。
[0016] 由此使得能够非常快速地测序。测序可W通过集成装置例如在少于一个小时内进 行。
[0017] 序列信号借助于纳米孔装置的接收是按照本发明的方法的优选的实施方式，所述 纳米孔装置分别包括用于对生物聚合物之一测序的纳米孔。借助于纳米孔装置的测序方法 相对于其他方法能够实现更好的分辨率。于是各自的序列信号可W描述例如隧道电流，其 中如果所述生物聚合物经过纳米孔，那么所述隧道电流在纳米孔中流动。隧道电流方法与 例如孔电阻的测量相比由于在纳米孔内高的电场强而具有较好的分辨率。
[0018] 按照另一实施方式，每个序列信号的附加的放大可W分别通过前置放大器在将序 列信号传输到移位寄存器中之前实现。
[0019] 在按照本发明的方法的另一实施方式中，缓存的序列信号的顺序传输包括通过一 个或多个输出放大器对每个序列信号的一次或多次放大。在另一实施方式中，运样的输出 放大器可W包括一个或多个EMCCD级（"elechon multiplying charge-coupled device" (电子倍增电荷禪合器件），其中实现在移位寄存器和输出放大器之间的放大器区段）。运些 W几乎无损失的信号传输和信号强度的增多而突出，使得序列信号几乎不被减弱或者失 真。
[0020] 每个序列信号到移位寄存器中的传输可W例如WO.5千赫兹至10千赫兹之间的、 尤其1千赫兹的频率进行。该传输频率范围考虑在例如经过纳米孔1毫秒（von einer Mi 11 i s ekunde )时例如核素链的碱基的特征速度。
[0021] 在优选的实施方式中，移位寄存器的发出的信号和相同类型的另一移位寄存器的 发出的信号并行地被传输给总移位寄存器，所述总移位寄存器将信号顺序地传输给评估单 元。所述移位寄存器因此W梳状结构布置，其中从测量接收器分别接收序列信号的移位寄 存器如齿那样被接到总移位寄存器上。在此总移位寄存器在其触发元件中收集从移位寄存 器发出的信号。
[0022] 上面提出的任务同样地由用于对多种生物聚合物探测和/或测序的测序装置解 决，所述测序装置包括至少一个用于接收生物聚合物之一的序列信号的测量参量接收器和 与每个测量参量接收器电连接的移位寄存器。提及的实施方式的各自的优点分别由上面对 按照本发明的方法的描述得出。
[0023] 所述测量参量接收器和移位寄存器在此优选地被构造为集成电路，也即例如布置 在共同的微忍片或者娃晶片上。
[0024] 按照另一实施方式的按照本发明的测序装置此外包括多个用于对生物聚合物之 一测序的、具有各自纳米孔和各自测量参量接收器的纳米孔装置，其中各自的测量参量接 收器可W被设计用于，当在纳米孔中存在生物聚合物时接收隧道电流。
[0025] 此外，测序装置的实施方式可W分别包括在每个测量参量接收器和移位寄存器之 间的前置放大器。
[0026] 在另一实施方式中，所述测序装置可W包括至少一个用于放大序列信号的输出放 大器，所述输出放大器置于移位寄存器之后。运例如也可W包括一个或多个EMCCD级。
[0027] 在优选的实施方式中，按照本发明的测序装置包括已知类型的至少一个其他移位 寄存器，其中所述移位寄存器通过总移位寄存器与评估设备禪合。
【附图说明】
[0028] 本发明W下根据附图再次通过具体的实施例进一步被阐述。所示的示例是本发明 的优选的实施方式。功能相同的元件在图中具有相同的附图标记。其中： 图纵截面示出由现有技术已知的测序设备的示意图， 图2 W横截面示出由现有技术已知的测序设备的示意图， 图3示出按照一个实施例的按照本发明的设备的示意图， 图4示出按照另一实施例的按照本发明的设备的示意图， 图5示出按照另一实施例的按照本发明的设备的示意图，和 图6示出按照一个实施例的前置放大器的电路图。
【具体实施方式】
[0029] 来自现有技术的纳米孔测序器1的典型构造在图1中W纵截面示出。测序设备1包 括纳米孔2,所述纳米孔2例如在娃载体晶片3上被制造。
[0030] 图2从上示出典型的纳米孔装置10。运里，电极4之间的纳米孔2W横截面示意性地 被表明。所述纳米孔2例如是两个电极4之间的隔膜(在图1中未示出）的部分。两个隧道电极 4直接地被安置在纳米孔2处。所述隧道电极在图1的示例中被布置在绝缘层5之间。如果现 在生物聚合物6、例如DNA分子通过所施加的电压从在图1中上面的储层通过纳米孔2被拉到 下面的储层中，则在两个隧道电极4之间流动的隧道电流被调制。
[0031] 图3示出按照本发明的测序装置11的实施例，根据所述测序装置来阐述按照本发 明的方法的实施例。其中示例性地有四个纳米孔装置10,所述纳米孔装置10在其侧可W例 如具有带有例如一个纳米孔的隔膜和两个置于纳米孔两侧的电极，如例如在图巧日图2中所 描述的。
[0032] 隧道电压（"Vt")通过