[发明专利]通过微粒的有选择性的激励来进行核酸定序

说明书

技术领域

本发明主要地涉及核酸定序领域并且更具体地涉及一种用于通过微粒的有选择性的激励来进行DNA(脱氧核糖核酸)定序的方法和系统。

背景技术

图1图示了利用微粒的常规DNA定序方法。图1的方法通过定序反应104、微粒的无选择性的激励106和光学签名(opticalsignature)检测108的循环来从微粒阵列102中导出DNA序列数据112。微粒阵列102中的各微粒通常包含如下DNA分子，这些分子具有待确定的未知序列和在定序反应中使用的已知序列。数以千计到数以百万计(到可能数以十亿计或者更多)的这些微粒分布和固定于玻璃基片的表面上，如图2中在概念上所示，该图图示了微粒阵列102的例子。微粒阵列102包括分布和固定于基片202上的DNA定序微粒204。微粒204可以采用许多形式，比如1微米直径的珠子，这些珠子覆盖有通过油包水乳剂PCR(聚合酶链反应)技术放大的DNA分子或者通过桥放大技术放大的DNA分子簇或者个别未放大的DNA分子。微粒204可以随机(例如，间隔不规律)或者以有序图案(例如，间隔规律的图案，比如方形网格图案或者六边形网格图案)分布于基片202上。基片202通常由玻璃制成并且位于贯流分析池(flowcell)内，这允许微粒204暴露于一系列反应物以进行定序反应。在各定序反应循环结束时，各微粒常常由于并入四种荧光团(比如Cy3、Cy5、德克萨斯红(Texas Red)和荧光共振能量传送(FRET)对)之一而呈现光学签名，该光学签名揭示DNA的对应碱基，即腺嘌呤(缩写为“a”)、胞嘧啶(缩写为“c”)、鸟嘌呤(缩写为“g”)和胸腺嘧啶(缩写为“t”)。

图3A-图3C图示了可以用于DNA定序的不同类型的个别定序微粒。图3A图示了由覆盖有克隆DNA分子304的1微米直径的珠子302形成的个别微粒204，这些分子先前已经通过油包水乳剂PCR技术来放大。珠子302直接附着到流体306中的基片202。图3B图示了个别微粒204，该微粒作为附着到基片202并且放置于流体306中的克隆DNA分子304的簇。DNA分子先前已经通过桥放大技术来放大。图3C图示了个别微粒，该微粒作为附着到基片202并且放置于流体306中的单个DNA分子304。对单个DNA分子304无放大地进行定序。

回到图1以及图2和图3A-图3C，利用微粒的DNA定序包括对微粒阵列102进行定序反应104以使各微粒204呈现对DNA序列信息进行揭示的光学签名。微粒阵列102暴露于定序反应物，这实现以大规模并行方式进行各定序反应循环。例如，一个定序反应循环可以包括杂化锚定引物并且绑扎有荧光标记的查询引物的池。在定序反应140的各循环结束时，各微粒呈现对与该微粒关联的DNA序列信息进行揭示的光学签名。例如，光学签名可以归因于并入与DNA 304的碱基“a”、“c”、“g”和“t”对应的四种荧光团之一。

下一步是光学激励106微粒204并且检测108微粒的光学签名。如将参照图4A-图4C说明的那样，常规光学激励为无选择性的。多次重复反应104、无选择性的激励106和光学签名检测108的这一循环以对各微粒204中的DNA 304进行定序。从这一过程输出DNA序列数据112。

利用微粒的常规DNA定序方法受困于低吞吐量(以每秒的碱基为单位进行测量)，因为对微粒的光学签名进行检测的速率有限。这主要由于如在常规DNA定序方法中使用的那样使用常规无选择性的激励图案、继而使用光学显微镜方法的光学成像。图4A-图4C图示了用来激励微粒以便使用光学显微镜方法来后续成像的常规无选择性的激励图案。具体而言，图4A图示了与基片202上的微粒204一起使用的宽场激励图案402，其中照射视场(FOV)中的所有微粒。图4B图示了线扫描激励，其中微粒204由扫描基片202的光线402照射。图4C图示了斑扫描激励，其中微粒204由扫描基片202的光斑406照射。

可以通过各种手段来生成常规无选择性的激励图案。通常通过在Kohler外照射结构中经过显微镜光学链聚焦电弧灯源或者通过在轴外或者全内反射(TIR)照射结构中陡角度照耀激光源来生成宽场激励图案402。通常通过经过显微镜光学链聚焦空间相干激光并且并入扫描元件来生成线扫描激励图案404。通常通过在共焦结构中经过显微镜光学链聚焦空间相干激光源来生成斑扫描激励图案406。