[发明专利]用于直接电测量酶活性的装置、系统和方法

说明书

本公开涉及用于通过一个或多个电极直接附着至分子来感测单个蛋白质分子的功能性运动的装置、系统和方法。本公开还涉及阵列、包括阵列的系统以及使用阵列对生物聚合物测序的方法。

联邦赞助的研究或开发

本发明是在美国国立卫生研究院授予的HG009180的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

发明背景

电读出构成天然蛋白质功能基础的运动可以无需标记即可实现许多新型分析测量。例如，监测酶的功能波动将提供筛选候选药物分子的快速简便的方法。监测加工生物聚合物的蛋白质的波动将揭示有关其组成和构象的信息。

Choi等人证明了酶功能的电读出(Choi，Moody等，2012)，指出碳纳米管场效应晶体管中产生的电报噪声反映了溶菌酶在作用于其底物肽聚糖时的功能运动。已经认识到，监测诸如DNA聚合酶之类的进行性酶(precessive enzyme)的波动可以因此提供了一种测序DNA方法。在一篇有争议的论文中给出了一个实例，其中Huang小组(Chen，Lee等，2013)声称在延伸链中掺入核苷酸时测量聚合酶的电波动，信号报告了模板序列的高精度延伸。该论文随后被撤回(Nature Nanotechnology 8，452-458(2013)；2013年5月5日在线发布；2013年7月11日和2013年8月28日印刷后更正；2015年6月3日印刷后撤回)，但说明了如果可以通过电读数来监测蛋白质的结构波动什么是可能的。更重要的是，Collins小组在大约同一时间证明了该建议的可行实现，该小组使用了碳纳米管场效应晶体管，其上拴系有聚合酶(Olsen，Choi等，2013)。该信号由电报噪声组成，当掺入核苷酸时，该信号显示与聚合酶的开启和关闭有关。重要的是，噪声的特征反映了所掺入的特定核苷酸，从而为DNA序列的电单分子读出开辟了道路。

Olsen、Choi等，2013中，通过蛋白质产生的电场波动间接检测到蛋白质的波动，由紧邻聚合酶或溶菌酶的场效应晶体管通道检测到该场波动。图1说明了Chen等人的建议。在溶液3中存在核苷三磷酸的情况下，与引物引发的(primed)DNA模板2结合的聚合酶1通过抗体4与金珠5结合，所述金珠5跨越场效应晶体管的源极6和漏极7之间的间隙，其中通道8在栅电极9上形成。鉴于原始报道的撤回，不清楚本发明是否实际可行，但它包含了Collins小组成功发明的许多要素。这在图2A中示出，场效应晶体管的源极21和漏极22通过形成晶体管的通道的碳纳米管23接合。酶(在这种情况下为溶菌酶)24附着于碳纳米管。半导体背栅25用于将晶体管设置在导通和关断中间的最敏感操作点，并且通过FET电流中的波动来检测酶活性。在随后的论文中，同一小组显示了(图2B)附着于碳纳米管通道23并与引物引发的DNA模板27结合的聚合酶26如何产生噪声尖峰，每个噪声尖峰都与聚合酶掺入核苷酸有关。对于poly(dA)28和poly(dC)29在图2C中给出了所获得的信号串的两个实例。信号之间的明显差异表明，尽管与信号水平31相比，CNT FET的噪声背景30明显，但仍可以进行测序。Merriman和Mola提出了一种相当相似的方法(Merriman和Mola，2016)。这在图2C中示出。聚合酶436经由接头437化学连接至分子线433，该分子线433连接至场效应晶体管的源极438和漏极439。栅电极440位于分子线的下方。他们的专利申请中呈现的数据似乎表明信号水平甚至低于Olsen等人的装置中获得的信号水平。