[发明专利]随机测序方法的碱基识别

说明书

本发明提供了处理测序单元中随时间从核酸测量的信号值的方法。信号值可用于创建直方图，从该直方图确定不同状态（例如，每个对应于不同核苷酸）的概率函数。每个概率函数（例如，如使用混合模型确定的）可以指定对应于特定核苷酸的信号的发射概率。

背景

具有内径在大约1纳米的孔大小的纳米孔膜设备已显示了在快速核苷酸测序中的前景。当跨沉浸在导电流体中的纳米孔施加电压电位时，能够存在归因于离子跨所述纳米孔传导的小离子电流。电流的大小对孔径和哪个分子在纳米孔中敏感。分子可以是与特定核苷酸连接的特定标签，从而允许在核酸的特定位置检测核苷酸。可以测量包括纳米孔的电路中的电压或其他信号（例如，在积分电容器处）作为测量分子电阻的方式，从而允许检测哪个分子在纳米孔中。

基于纳米孔的测序芯片可以用于DNA测序。基于纳米孔的测序芯片可以包括配置成阵列的大量传感器单元。例如，100万个单元的阵列可以包括1000行乘以1000列的单元。

由于制造的可变性，所测量的信号可能在芯片之间以及同一芯片的单元之间变化。因此，可能难以确定正确的分子，其可能是或对应于单元中特定核酸或其他聚合物中的正确核苷酸。此外，测量信号中的其他时间相关的非理想因素可能导致不准确。并且，因为这些电路采用生化电路元件，例如脂质双层、纳米孔等，所以电学特征的可变性可能比传统半导体电路高得多。此外，测序方法本质上是随机的，且因此可变性可以在各种系统中发生，包括不使用纳米孔的测序装置。

因此，需要改进的表征技术以提高测序方法的准确性和稳定性。

概述

各种实施方案提供了与测序单元中核酸序列的测量相关的方法、技术和系统，所述测序单元可以在测序单元阵列中（例如，芯片上的纳米孔阵列）。

根据一个实施方案，从测序单元中的核酸随时间测量信号值。信号值可用于创建直方图，从该直方图确定不同状态（例如，每个对应于不同核苷酸）的概率函数。每个概率函数（例如，如使用混合模型确定的）可以指定对应于特定核苷酸的信号的发射概率。状态和发射概率之间的转变概率可用于确定随时间的最可能的一组状态，从而提供核酸序列的碱基（核苷酸）的测量。直方图和概率函数可以是针对测序单元特异性的，从而在确定特定测序单元的核酸序列中提供增加的准确性。使用从直方图确定的概率函数还可以通过针对所测量的特定数据定制发射概率来提高准确性。

根据另一个实施方案，从测序单元中的核酸随时间测量信号值。信号值可用于创建直方图，从该直方图确定不同状态（例如，每个对应于不同核苷酸）的概率函数。每个概率函数（例如，如使用混合模型确定的）可以指定对应于特定核苷酸的信号的发射概率。可以进一步使用初始概率函数，例如作为更新程序的一部分来确定概率函数。以这种方式，概率函数可以随时间多次更新以对核酸进行测序。这些时间依赖性概率函数可用于最可能的状态，从而提供核酸序列的碱基（核苷酸）的测量。时间相关的概率函数可以通过考虑物理测序单元的属性的漂移来提高准确性。

根据另一个实施方案，从测序单元中的核酸随时间测量信号值。信号值可以对应于聚合酶的不同结合状态，包括不同的核苷酸结合状态（统称为结合状态）和未结合状态。2状态分类器可以在不同时间步长将信号值分类为对应于结合状态或未结合状态。可以使用第二分类器进一步分析对应于结合状态的信号亚组，以区分各种核苷酸结合状态。最可能的核苷酸结合状态可用于提供核酸序列的碱基（核苷酸）的测量。

因此，本发明提供了使用测序单元的方法，且从而提供了对核酸进行测序的方法，其特征在于所有上文和下文公开的技术特征。本发明还包括计算机产品，其包括存储多个指令的计算机可读介质，所述指令用于控制计算机系统以执行所公开的任何方法的操作。本发明还包括系统和仪器，其包括上面公开的计算机产品；以及一个或多个用于执行存储在计算机可读介质上的指令的处理器。

附图简述

图1是根据本发明实施方案的具有纳米孔单元阵列的纳米孔传感器芯片的实施方案的顶视图。