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BR112017025723B1 - COMPOSITIONS, SYSTEMS AND METHODS FOR SEQUENCING POLYNUCLEOTIDES USING CHAINS ANCHORED TO POLYMERASES ADJACENT TO NANOPORES - Google Patents

COMPOSITIONS, SYSTEMS AND METHODS FOR SEQUENCING POLYNUCLEOTIDES USING CHAINS ANCHORED TO POLYMERASES ADJACENT TO NANOPORES Download PDF

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Publication number
BR112017025723B1
BR112017025723B1 BR112017025723-8A BR112017025723A BR112017025723B1 BR 112017025723 B1 BR112017025723 B1 BR 112017025723B1 BR 112017025723 A BR112017025723 A BR 112017025723A BR 112017025723 B1 BR112017025723 B1 BR 112017025723B1
Authority
BR
Brazil
Prior art keywords
nucleotide
polymerase
polynucleotide
nanopore
complementary
Prior art date
Application number
BR112017025723-8A
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Portuguese (pt)
Other versions
BR112017025723A2 (en
Inventor
Kevin L. Gunderson
Jeffrey G. Mandell
Original Assignee
Illumina, Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Illumina, Inc filed Critical Illumina, Inc
Priority claimed from PCT/US2016/035457 external-priority patent/WO2016196755A1/en
Publication of BR112017025723A2 publication Critical patent/BR112017025723A2/en
Publication of BR112017025723B1 publication Critical patent/BR112017025723B1/en

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Abstract

COMPOSIÇÕES, SISTEMAS E MÉTODOS PARA SEQUENCIAR POLINUCLEOTÍDEOS UTILIZANDO CORRENTES ANCORADAS À POLIMERASES ADJACENTES À NANOPOROS. Uma composição inclui um nanoporo incluindo o primeiro e segundo lados e uma abertura, cada um dos nucleotídeos incluindo um marcador alongado, e um primeiro polinucleotídeo que é complementar a um segundo polinucleotídeo. Uma polimerase pode estar disposta adjacente ao primeiro lado do nanoporo e configurada para adicionar nucleotídeos ao primeiro polinucleotídeo com base em uma sequência do segundo polinucleotídeo. Uma corrente permanente pode incluir uma região de cabeça ancorada à polimerase, uma região de cauda e um corpo alongado disposto entre eles, que ocorre na abertura do nanoporo. Uma primeira porção pode ser disposta sobre o corpo alongado que se liga ao marcador alongado de um primeiro nucleotídeo sobre o qual a polimerase está agindo. Uma região repórter pode ser disposta sobre o corpo alongado, que indica quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar a um próximo nucleotídeo na sequência do segundo polinucleotídeo.COMPOSITIONS, SYSTEMS AND METHODS FOR SEQUENCING POLYNUCLEOTIDES USING CHAINS ANCHORED TO POLYMERASES ADJACENT TO NANOPORES. A composition includes a nanopore including first and second sides and an opening, each of the nucleotides including an elongated tag, and a first polynucleotide that is complementary to a second polynucleotide. A polymerase may be disposed adjacent to the first side of the nanopore and configured to add nucleotides to the first polynucleotide based on a sequence of the second polynucleotide. A permanent chain may include a head region anchored to the polymerase, a tail region, and an elongated body disposed between them, which occurs at the opening of the nanopore. A first portion may be disposed on the elongated body that binds to the elongated marker of a first nucleotide upon which the polymerase is acting. A reporter region can be disposed on the elongated body, which indicates when the first nucleotide is complementary or not complementary to a next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS RELACIONADOSCROSS REFERENCE TO RELATED ORDERS

[0001] Este pedido reivindica o benefício do pedido a seguir, cujo conteúdo, na íntegra, é incorporado por referência nesse documento:[0001] This application claims the benefit of the following application, the contents of which, in full, are incorporated by reference in this document:

[0002] Pedido de Patente Provisório Norte-Americano N° 62/170,563, depositado em 3 de junho de 2015 e intitulado “Compositions, Systems, and Methods for Sequencing Polynucleotides Using Tethers Anchored to Polymerases Adjacent to Nanopores”.[0002] North American Provisional Patent Application No. 62/170,563, filed on June 3, 2015 and entitled “Compositions, Systems, and Methods for Sequencing Polynucleotides Using Tethers Anchored to Polymerases Adjacent to Nanopores”.

[0003] Este pedido está relacionado aos seguintes pedidos, cujos conteúdos são incorporados por referência nesse documento:[0003] This request is related to the following requests, the contents of which are incorporated by reference in this document:

[0004] Pedido de Patente Provisório Norte-Americano N° 62/007,248, depositado em 3 de junho de 2014 e intitulado “Compositions, Systems, and Methods for Detecting Events Using Tethers Anchored to or Adjacent to Nanopores”;[0004] North American Provisional Patent Application No. 62/007,248, filed on June 3, 2014 and entitled “Compositions, Systems, and Methods for Detecting Events Using Tethers Anchored to or Adjacent to Nanopores”;

[0005] Pedido de Patente Provisório Norte-Americano N° 62/157,371, depositado em 5 de maio de 2015 e intitulado “Compositions, Systems, and Methods for Detecting Events Using Tethers Anchored to or Adjacent to Nanopores”; e[0005] North American Provisional Patent Application No. 62/157,371, filed on May 5, 2015 and entitled “Compositions, Systems, and Methods for Detecting Events Using Tethers Anchored to or Adjacent to Nanopores”; It is

[0006] Pedido de Patente Norte-Americano N° 14/728,721, depositado em 2 de junho de 2015 e intitulado “Compositions, Systems, and Methods for Detecting Events Using Tethers Anchored to or Adjacent to Nanopores”.[0006] North American Patent Application No. 14/728,721, filed on June 2, 2015 and entitled “Compositions, Systems, and Methods for Detecting Events Using Tethers Anchored to or Adjacent to Nanopores”.

LISTAGEM DE SEQUÊNCIASSEQUENCE LISTING

[0007] O presente pedido contém uma Listagem de Sequências que foi eletronicamente submetida em formato ASCII e que é, por meio deste documento, incorporada por referência na sua totalidade. A dita cópia ASCII, criada em 25 de abril de 2016, tem o nome 12957-180-28_SL.txt e tamanho de 665 bytes.[0007] This application contains a Sequence Listing that has been electronically submitted in ASCII format and is hereby incorporated by reference in its entirety. Said ASCII copy, created on April 25, 2016, has the name 12957-180-28_SL.txt and a size of 665 bytes.

CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF INVENTION

[0008] Este pedido se refere, em geral, ao sequenciamento de polinucleotídeos.[0008] This application refers, in general, to polynucleotide sequencing.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION

[0009] Uma quantidade significativa de tempo acadêmico e empresarial e energia tem sido investida no sequenciamento de polinucleotídeos, como o DNA. Por exemplo, Olsen et al, “Electronic Measurements of Single-Molecule Processing by DNA Polymerase I (Klenow Fragment),” JACS 135: 7855-7860 (2013), cujo conteúdo é incorporado por referência nesse documento, divulga a bioconjugação de moléculas simples do fragmento de Klenow (KF) da DNA polimerase I em nanocircuitos eletrônicos a fim de permitir gravações elétricas da função enzimática e variabilidade dinâmica com a resolução de eventos de incorporação de nucleotídeos individuais. Ou, por exemplo, Hurt et al, “Specific Nucleotide Binding and Rebinding to Individual DNA Polymerase Complexes Captured on a Nanopore,” JACS 131: 37723778 (2009), cujo conteúdo, na íntegra, é incorporado por referência nesse documento, revela a medição do tempo de interrupção para complexos de DNA com o KF no topo de um nanoporo em um campo elétrico aplicado. Ou, por exemplo, Kim et al, “Detecting single-abasic residues within a DNA strand immobilized in a biological nanopore using an integrated CMOS sensor,” Sens. Actuators B Chem. 177: 1075-1082 (2012), cujo conteúdo é incorporado, na íntegra, por referência nesse documento, divulga o uso de um sensor de medição de corrente ou fluxo em experimentos envolvendo o DNA capturado em um nanoporo de α-hemolisina. Ou, por exemplo, Garalde et al., “Distinct Complexes of DNA Polymerase I (Klenow Fragment) for Based and Sugar Discrimination during Nucleotide Substrate Selection,” J. Biol. Chem. 286: 14480-14492 (2011), cujo conteúdo é incorporado, na totalidade, por referência nesse documento, revela complexos de KF-DNA distintivos com base nas suas propriedades quando são capturados em um campo elétrico no topo de um poro de α-hemolisina. Outras referências que divulgam medições envolvendo α-hemolisina incluem as seguintes, todas de Howorka et al, cujos conteúdos são incorporados, na íntegra, por referência nesse documento: “Kinetics of duplex formation for individual DNA strands within a single protein nanopore,” PNAS 98: 12996-13301 (2001); “Probing Distance and Electrical Potential within a Protein Pore with Tethered DNA,” Biophysical Journal 83: 3202-3210 (2002); e “Sequence-specific detection of individual DNA strands using engineered nanopores,” Nature Biotechnology 19: 636-639 (2001).[0009] A significant amount of academic and business time and energy has been invested in sequencing polynucleotides, such as DNA. For example, Olsen et al, “Electronic Measurements of Single-Molecule Processing by DNA Polymerase I (Klenow Fragment),” JACS 135: 7855-7860 (2013), the content of which is incorporated by reference herein, discloses the bioconjugation of single molecules of the Klenow fragment (KF) of DNA polymerase I into electronic nanocircuits in order to allow electrical recordings of enzymatic function and dynamic variability with the resolution of individual nucleotide incorporation events. Or, for example, Hurt et al, “Specific Nucleotide Binding and Rebinding to Individual DNA Polymerase Complexes Captured on a Nanopore,” JACS 131: 37723778 (2009), the contents of which, in full, are incorporated by reference herein, reveal the measurement of disruption time for DNA complexes with the KF at the top of a nanopore in an applied electric field. Or, for example, Kim et al, “Detecting single-abasic residues within a DNA strand immobilized in a biological nanopore using an integrated CMOS sensor,” Sens. Actuators B Chem. 177: 1075-1082 (2012), the content of which is incorporated, in full, by reference in this document, discloses the use of a current or flow measurement sensor in experiments involving DNA captured in an α-hemolysin nanopore. Or, for example, Garalde et al., “Distinct Complexes of DNA Polymerase I (Klenow Fragment) for Based and Sugar Discrimination during Nucleotide Substrate Selection,” J. Biol. Chem. 286: 14480-14492 (2011), the content of which is incorporated in its entirety by reference herein, reveals distinctive KF-DNA complexes based on their properties when they are captured in an electric field at the top of an α-hemolysin pore . Other references disclosing measurements involving α-hemolysin include the following, all by Howorka et al, the contents of which are incorporated, in full, by reference in this document: “Kinetics of duplex formation for individual DNA strands within a single protein nanopore,” PNAS 98 : 12996-13301 (2001); “Probing Distance and Electrical Potential within a Protein Pore with Tethered DNA,” Biophysical Journal 83: 3202-3210 (2002); and “Sequence-specific detection of individual DNA strands using engineered nanopores,” Nature Biotechnology 19: 636-639 (2001).

[0010] A patente Norte-Americana N° 8,652,779, de Turner et al., cujo conteúdo é, na íntegra, incorporado por referência nesse documento, revela composições e métodos de sequenciamento de ácido nucleico utilizando um complexo de enzima polimerase única incluindo uma enzima polimerase e um molde de ácido nucleico ligado próximo a um nanoporo, e os análogos de nucleotídeo em solução. Os análogos de nucleotídeo incluem marcadores de bloqueio de carga que estão ligados à porção polifosfato do análogo de nucleotídeo, de modo que os marcadores de bloqueio de carga são clivados quando o análogo de nucleotídeo é incorporado em um ácido nucleico crescente. De acordo com Turner, o marcador de bloqueio de carga é detectado pelo nanoporo para determinar a presença e a identidade do nucleotídeo incorporado e, assim, determinar a sequência de um ácido nucleico molde. A Publicação de Patente Norte-Americana N° 2014/0051069, de Jayasinghe et al., cujo conteúdo, na íntegra, é incorporado por referência nesse documento, se refere aos construtos que incluem uma subunidade de poro de proteína transmembranar e uma enzima de manipulação de ácido nucleico.[0010] North American Patent No. 8,652,779, to Turner et al., the contents of which are, in full, incorporated by reference in this document, discloses compositions and methods of nucleic acid sequencing using a single polymerase enzyme complex including an enzyme polymerase and a nucleic acid template bound near a nanopore, and the nucleotide analogues in solution. Nucleotide analogues include charge-blocking tags that are linked to the polyphosphate moiety of the nucleotide analogue, such that the charge-blocking tags are cleaved when the nucleotide analogue is incorporated into a growing nucleic acid. According to Turner, the charge-blocking marker is detected by the nanopore to determine the presence and identity of the incorporated nucleotide and thus determine the sequence of a template nucleic acid. U.S. Patent Publication No. 2014/0051069, to Jayasinghe et al., the entire contents of which are incorporated by reference herein, refers to constructs that include a transmembrane protein pore subunit and a handling enzyme of nucleic acid.

[0011] No entanto, composições, sistemas e métodos anteriormente conhecidos, tais como aqueles descritos por Olsen, Hurt, Kim, Garalde, Howorka, Turner e Jayasinghe, podem não necessariamente ser suficientemente robustos, reproduzíveis ou sensíveis, e podem não ter um rendimento suficientemente alto para aplicação prática, por exemplo, como aplicações comerciais exigentes como o sequenciamento do genoma em cenários clínicos e outros que demandam operações altamente precisas e baratas. Portanto, são necessários composições, sistemas e métodos aprimorados para o sequenciamento de polinucleotídeos.[0011] However, previously known compositions, systems and methods, such as those described by Olsen, Hurt, Kim, Garalde, Howorka, Turner and Jayasinghe, may not necessarily be sufficiently robust, reproducible or sensitive, and may not have a yield high enough for practical application, for example, as demanding commercial applications such as genome sequencing in clinical scenarios and others that demand highly accurate and inexpensive operations. Therefore, improved compositions, systems and methods for polynucleotide sequencing are needed.

SUMÁRIOSUMMARY

[0012] As modalidades da presente invenção fornecem composições, sistemas e métodos para sequenciar polinucleotídeos usando correntes ancoradas às polimerases adjacentes aos nanoporos.[0012] Embodiments of the present invention provide compositions, systems and methods for sequencing polynucleotides using chains anchored to polymerases adjacent to nanopores.

[0013] Em um aspecto, uma composição inclui um nanoporo incluindo um primeiro lado, um segundo lado e uma abertura que se estende através dos primeiro e segundo lados. A composição também pode incluir uma pluralidade de nucleotídeos, em que cada um dos nucleotídeos inclui um marcador alongado. A composição também pode incluir um primeiro e segundo polinucleotídeos, sendo o primeiro polinucleotídeo complementar ao segundo polinucleotídeo. A composição também pode incluir uma polimerase disposta adjacente ao primeiro lado do nanoporo, com a polimerase configurada para adicionar nucleotídeos da pluralidade dos nucleotídeos ao primeiro polinucleotídeo com base em uma sequência do segundo polinucleotídeo. A composição pode incluir também uma corrente permanente incluindo uma região de cabeça, uma região de cauda e um corpo alongado disposto entre eles, sendo a região da cabeça ancorada à polimerase, em que o corpo alongado ocorre na abertura do nanoporo. A composição também pode incluir uma primeira porção disposta no corpo alongado, em que a primeira porção é configurada para se ligar ao marcador alongado de um primeiro nucleotídeo, no qual a polimerase está agindo, bem como uma região repórter disposta no corpo alongado, em que a região repórter é configurada para indicar quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo.[0013] In one aspect, a composition includes a nanopore including a first side, a second side, and an opening extending through the first and second sides. The composition may also include a plurality of nucleotides, wherein each of the nucleotides includes an elongated tag. The composition may also include a first and second polynucleotides, the first polynucleotide being complementary to the second polynucleotide. The composition may also include a polymerase disposed adjacent the first side of the nanopore, with the polymerase configured to add nucleotides from the plurality of nucleotides to the first polynucleotide based on a sequence of the second polynucleotide. The composition may also include a permanent chain including a head region, a tail region and an elongated body disposed therebetween, the head region being anchored to the polymerase, wherein the elongated body occurs at the opening of the nanopore. The composition may also include a first portion disposed in the elongated body, wherein the first portion is configured to bind to the elongated marker of a first nucleotide on which the polymerase is acting, as well as a reporter region disposed in the elongated body, in which the reporter region is configured to indicate when the first nucleotide is complementary or not complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide.

[0014] Em algumas modalidades, a primeira porção é configurada para gerar um primeiro estado de sinal responsivo à polimerase agindo sobre o primeiro nucleotídeo, o primeiro nucleotídeo sendo identificável com base no primeiro estado de sinal. Em algumas modalidades, a polimerase que atua sobe o primeiro nucleotídeo inclui a polimerase que se liga ao primeiro nucleotídeo. Em algumas modalidades, o primeiro estado do sinal inclui um sinal elétrico ou óptico.[0014] In some embodiments, the first portion is configured to generate a first polymerase-responsive signal state acting on the first nucleotide, the first nucleotide being identifiable based on the first signal state. In some embodiments, the polymerase that acts upon the first nucleotide includes the polymerase that binds to the first nucleotide. In some embodiments, the first signal state includes an electrical or optical signal.

[0015] Em algumas modalidades, a região repórter é configurada para gerar um segundo estado de sinal, sendo ele detectável com base no segundo estado do sinal, seja o primeiro nucleotídeo complementar ou não complementar ao nucleotídeo seguinte do segundo polinucleotídeo. Em algumas modalidades, a região repórter é configurada para gerar o segundo estado do sinal responsivo à polimerase incorporando com sucesso o primeiro nucleotídeo no primeiro polinucleotídeo.[0015] In some embodiments, the reporter region is configured to generate a second signal state, which is detectable based on the second signal state, whether the first nucleotide is complementary or non-complementary to the following nucleotide of the second polynucleotide. In some embodiments, the reporter region is configured to generate the second state of the polymerase-responsive signal by successfully incorporating the first nucleotide into the first polynucleotide.

[0016] Em algumas modalidades, a região repórter é configurada para gerar o segundo estado do sinal responsivo à liberação do pirofosfato responsivo à polimerase, incorporando com sucesso o primeiro nucleotídeo no primeiro polinucleotídeo. Em algumas modalidades, a polimerase é modificada de modo a atrasar a liberação do pirofosfato responsivo à incorporação do primeiro nucleotídeo no primeiro polinucleotídeo. Em algumas modalidades, a polimerase inclui uma polimerase Φ29, B103, GA-1, PZA, Φ15, BS32, M2Y, Nf, G1, Cp-1, PRD1, PZE, SF5, Cp-5, Cp-7, PR4, PR5, PR722, ou L17 recombinante modificada. Em algumas modalidades, a polimerase inclui uma DNA polimerase Φ29 recombinante modificada tendo pelo menos uma substituição de aminoácido ou combinação de substituições selecionada do grupo consistindo em: uma substituição de aminoácido na posição 484; uma substituição de aminoácido na posição 198 e uma substituição do aminoácido na posição 381. Em algumas modalidades, a polimerase inclui uma DNA polimerase Φ29 recombinante modificada tendo pelo menos uma substituição de aminoácido ou combinação de substituições selecionada do grupo consistindo em E375Y, K512Y, T368F, A484E, A484Y, N387L, T372Q, T372L, K478Y, 1370W, F198W e L381A.[0016] In some embodiments, the reporter region is configured to generate the second state of the signal responsive to polymerase-responsive pyrophosphate release, successfully incorporating the first nucleotide into the first polynucleotide. In some embodiments, the polymerase is modified so as to delay the release of the pyrophosphate responsive to the incorporation of the first nucleotide into the first polynucleotide. In some embodiments, the polymerase includes a polymerase Φ29, B103, GA-1, PZA, Φ15, BS32, M2Y, Nf, G1, Cp-1, PRD1, PZE, SF5, Cp-5, Cp-7, PR4, PR5 , PR722, or modified recombinant L17. In some embodiments, the polymerase includes a modified recombinant Φ29 DNA polymerase having at least one amino acid substitution or combination of substitutions selected from the group consisting of: an amino acid substitution at position 484; an amino acid substitution at position 198 and an amino acid substitution at position 381. In some embodiments, the polymerase includes a modified recombinant Φ29 DNA polymerase having at least one amino acid substitution or combination of substitutions selected from the group consisting of E375Y, K512Y, T368F , A484E, A484Y, N387L, T372Q, T372L, K478Y, 1370W, F198W and L381A.

[0017] Em algumas modalidades, a região repórter é configurada para gerar o segundo estado do sinal responsivo a uma mudança conformacional da polimerase. Em algumas modalidades, uma magnitude ou um tempo de duração da alteração conformacional da polimerase sendo responsiva ao primeiro nucleotídeo sendo complementar ou não complementar ao próximo nucleotídeo do segundo polinucleotídeo, uma magnitude ou um tempo de duração, ou ambos, do segundo estado do sinal sendo baseado na mudança conformacional da polimerase.[0017] In some embodiments, the reporter region is configured to generate the second state of the signal responsive to a conformational change of the polymerase. In some embodiments, a magnitude or duration of the conformational change of the polymerase being responsive to the first nucleotide being complementary or noncomplementary to the next nucleotide of the second polynucleotide, a magnitude or duration of time, or both, of the second state of the signal being based on the conformational change of the polymerase.

[0018] Em algumas modalidades, o segundo estado do sinal inclui um sinal elétrico. Em algumas modalidades, o segundo estado do sinal inclui um sinal óptico.[0018] In some embodiments, the second state of the signal includes an electrical signal. In some embodiments, the second signal state includes an optical signal.

[0019] Em algumas modalidades, o marcador alongado inclui uma primeira sequência de nucleotídeos, e a primeira porção inclui uma segunda sequência nucleotídica que é complementar à primeira sequência de nucleotídeos. Um sistema pode incluir tal composição e ainda pode incluir circuitos de medição configurados para medir uma primeira corrente ou estado de fluxo através da abertura. Em algumas modalidades, a primeira corrente ou fluxo baseia-se no marcador alongado, sendo o primeiro nucleotídeo identificável com base na primeira corrente ou estado de fluxo. Em algumas modalidades, o circuito de medição é adicionalmente configurado para medir uma segunda corrente ou de fluxo através da abertura. Em algumas modalidades, a segunda corrente ou o estado de fluxo baseia-se em uma posição da região repórter dentro da abertura, sendo determinável com base na segunda corrente ou estado de fluxo, seja o primeiro nucleotídeo complementar ou não complementar ao nucleotídeo seguinte no segundo polinucleotídeo.[0019] In some embodiments, the elongated marker includes a first nucleotide sequence, and the first portion includes a second nucleotide sequence that is complementary to the first nucleotide sequence. A system may include such a composition and may further include measurement circuits configured to measure a first current or flow state through the opening. In some embodiments, the first stream or flow is based on the elongated marker, the first nucleotide being identifiable based on the first stream or flow state. In some embodiments, the measurement circuit is further configured to measure a second current or flow through the opening. In some embodiments, the second current or flow state is based on a position of the reporter region within the opening, being determinable based on the second current or flow state, whether the first nucleotide is complementary or non-complementary to the following nucleotide in the second. polynucleotide.

[0020] Em algumas modalidades, a primeira porção e uma segunda porção da corrente são configuradas para hibridizar entre si de modo a formar uma estrutura de grampo. Em algumas modalidades, as composições incluem ainda uma fonte de tensão configurada para aplicar uma tensão nos primeiros e segundo lados. Em algumas modalidades, a primeira porção e a segunda porção da corrente são configuradas para desibridizar entre si, em resposta à tensão em um processo de duas etapas.[0020] In some embodiments, the first portion and a second portion of the chain are configured to hybridize to each other to form a hairpin structure. In some embodiments, the compositions further include a voltage source configured to apply a voltage to the first and second sides. In some embodiments, the first portion and the second portion of the chain are configured to dehybridize each other in response to voltage in a two-step process.

[0021] Sob outro aspecto, um método pode incluir fornecer um nanoporo, incluindo um primeiro lado, um segundo lado e uma abertura que se estende através dos primeiro e segundo lados. O método pode adicionalmente incluir fornecer uma pluralidade de nucleotídeos, em que cada um dos nucleotídeos inclui um marcador alongado. O método pode incluir ainda fornecer um primeiro e segundo polinucleotídeos, sendo o primeiro polinucleotídeo complementar ao segundo polinucleotídeo. O método pode adicionalmente incluir fornecer uma polimerase disposta adjacente ao primeiro lado do nanoporo, com a polimerase configurada para adicionar nucleotídeos da pluralidade dos nucleotídeos ao primeiro polinucleotídeo com base em uma sequência do segundo polinucleotídeo, em que a polimerase é ancorada a uma corrente permanente incluindo uma região de cabeça, uma região de cauda e um corpo alongado disposto entre elas, com o corpo alongado ocorrendo na abertura do nanoporo. O método pode incluir ainda determinar que um primeiro nucleotídeo está atuando pela polimerase com base na ligação do marcador alongado a uma primeira porção disposta sobre o corpo alongado. O método pode incluir ainda uma região repórter disposta sobre o corpo alongado, indicando quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar a um próximo nucleotídeo na sequência do segundo polinucleotídeo.[0021] In another aspect, a method may include providing a nanopore, including a first side, a second side, and an opening extending through the first and second sides. The method may further include providing a plurality of nucleotides, each of the nucleotides including an elongated tag. The method may further include providing a first and second polynucleotides, the first polynucleotide being complementary to the second polynucleotide. The method may further include providing a polymerase disposed adjacent the first side of the nanopore, with the polymerase configured to add nucleotides of the plurality of nucleotides to the first polynucleotide based on a sequence of the second polynucleotide, wherein the polymerase is anchored to a permanent chain including a head region, a tail region, and an elongated body arranged between them, with the elongated body occurring at the opening of the nanopore. The method may further include determining that a first nucleotide is acting on the polymerase based on binding of the elongated tag to a first portion disposed on the elongated body. The method may further include a reporter region disposed on the elongated body, indicating when the first nucleotide is complementary or not complementary to a next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide.

[0022] Em algumas modalidades, a dita determinação inclui gerar um primeiro estado do sinal responsivo à polimerase que age sobre o primeiro nucleotídeo e identificar o primeiro nucleotídeo com base no primeiro estado do sinal. Em algumas modalidades, a polimerase que atua sobe o primeiro nucleotídeo inclui a polimerase que se liga ao primeiro nucleotídeo. Em algumas modalidades, o primeiro estado do sinal inclui um sinal elétrico ou óptico.[0022] In some embodiments, said determination includes generating a first state of the signal responsive to the polymerase acting on the first nucleotide and identifying the first nucleotide based on the first state of the signal. In some embodiments, the polymerase that acts upon the first nucleotide includes the polymerase that binds to the first nucleotide. In some embodiments, the first signal state includes an electrical or optical signal.

[0023] Em algumas modalidades, a dita indicação inclui detectar um segundo estado de sinal e determinar, com base no segundo estado do sinal, que o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte do segundo polinucleotídeo. Em algumas modalidades, o método inclui gerar o segundo estado do sinal responsivo à polimerase incorporando o primeiro nucleotídeo no primeiro polinucleotídeo.[0023] In some embodiments, said indication includes detecting a second signal state and determining, based on the second signal state, that the first nucleotide is complementary or not complementary to the following nucleotide of the second polynucleotide. In some embodiments, the method includes generating the second state of the polymerase-responsive signal by incorporating the first nucleotide into the first polynucleotide.

[0024] Em algumas modalidades, o método inclui gerar o segundo estado do sinal responsivo à liberação do pirofosfato responsivo à polimerase incorporando o primeiro nucleotídeo no primeiro polinucleotídeo. Em algumas modalidades, a polimerase é modificada de modo a atrasar a liberação do pirofosfato responsivo à incorporação do primeiro nucleotídeo no primeiro polinucleotídeo. Em algumas modalidades, a polimerase inclui uma polimerase Φ29, B103, GA-1, PZA, Φ15, BS32, M2Y, Nf, G1, Cp-1, PRD1, PZE, SF5, Cp-5, Cp-7, PR4, PR5, PR722, ou L17 recombinante modificada. Em algumas modalidades, a polimerase inclui uma DNA polimerase Φ29 recombinante modificada tendo pelo menos uma substituição de aminoácido ou combinação de substituições selecionada do grupo consistindo em: uma substituição de aminoácido na posição 484; uma substituição de aminoácido na posição 198 e uma substituição do aminoácido na posição 381. Em algumas modalidades, a polimerase inclui uma DNA polimerase Φ29 recombinante modificada tendo pelo menos uma substituição de aminoácido ou combinação de substituições selecionada do grupo consistindo em E375Y, K512Y, T368F, A484E, A484Y, N387L, T372Q, T372L, K478Y, 1370W, F198W e L381A.[0024] In some embodiments, the method includes generating the second state of the signal responsive to polymerase-responsive pyrophosphate release by incorporating the first nucleotide into the first polynucleotide. In some embodiments, the polymerase is modified so as to delay the release of the pyrophosphate responsive to the incorporation of the first nucleotide into the first polynucleotide. In some embodiments, the polymerase includes a polymerase Φ29, B103, GA-1, PZA, Φ15, BS32, M2Y, Nf, G1, Cp-1, PRD1, PZE, SF5, Cp-5, Cp-7, PR4, PR5 , PR722, or modified recombinant L17. In some embodiments, the polymerase includes a modified recombinant Φ29 DNA polymerase having at least one amino acid substitution or combination of substitutions selected from the group consisting of: an amino acid substitution at position 484; an amino acid substitution at position 198 and an amino acid substitution at position 381. In some embodiments, the polymerase includes a modified recombinant Φ29 DNA polymerase having at least one amino acid substitution or combination of substitutions selected from the group consisting of E375Y, K512Y, T368F , A484E, A484Y, N387L, T372Q, T372L, K478Y, 1370W, F198W and L381A.

[0025] Em algumas modalidades, o método inclui gerar o segundo estado do sinal responsivo a uma mudança conformacional da polimerase. Em algumas modalidades, uma magnitude ou um tempo de duração da alteração conformacional da polimerase sendo responsiva ao primeiro nucleotídeo sendo complementar ou não complementar ao próximo nucleotídeo do polinucleotídeo, uma magnitude ou um tempo de duração, ou ambos, do segundo estado do sinal sendo baseado na mudança conformacional da polimerase.[0025] In some embodiments, the method includes generating the second state of the signal responsive to a conformational change of the polymerase. In some embodiments, a magnitude or a time duration of the conformational change of the polymerase being responsive to the first nucleotide being complementary or noncomplementary to the next nucleotide of the polynucleotide, a magnitude or a time duration, or both, of the second state of the signal being based in the conformational change of the polymerase.

[0026] Em algumas modalidades, o segundo estado do sinal inclui um sinal elétrico. Em algumas modalidades, o segundo estado do sinal inclui um sinal óptico.[0026] In some embodiments, the second state of the signal includes an electrical signal. In some embodiments, the second signal state includes an optical signal.

[0027] Em algumas modalidades, o marcador alongado inclui uma primeira sequência de nucleotídeos, e a primeira porção inclui uma segunda sequência nucleotídica que é complementar à primeira sequência de nucleotídeos. Em algumas modalidades, a dita determinação inclui ainda medir uma primeira corrente ou estado de fluxo através da abertura. Em algumas modalidades, a primeira corrente ou estado de fluxo baseia-se no marcador alongado, me que a dita determinação inclui ainda identificar o primeiro nucleotídeo com base na primeira corrente ou estado de fluxo. Em algumas modalidades, a dita indicação inclui mover a região repórter dentro da abertura responsiva à polimerase agindo sobre o primeiro nucleotídeo. Em algumas modalidades, a dita indicação inclui ainda medir uma segunda corrente ou estado de fluxo através da abertura. Em algumas modalidades, a segunda corrente ou o estado de fluxo baseia-se em uma posição da região repórter dentro da abertura, com a dita indicação incluindo ainda determinar, com base na segunda corrente ou estado de fluxo, se o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte no segundo polinucleotídeo.[0027] In some embodiments, the elongated marker includes a first nucleotide sequence, and the first portion includes a second nucleotide sequence that is complementary to the first nucleotide sequence. In some embodiments, said determination further includes measuring a first current or flow state through the opening. In some embodiments, the first current or flow state is based on the elongated marker, wherein said determination further includes identifying the first nucleotide based on the first current or flow state. In some embodiments, said indication includes moving the reporter region within the polymerase-responsive opening acting on the first nucleotide. In some embodiments, said indication further includes measuring a second current or flow state through the opening. In some embodiments, the second current or flow state is based on a position of the reporter region within the opening, said indication further including determining, based on the second current or flow state, whether the first nucleotide is complementary or is not complementary to the following nucleotide in the second polynucleotide.

[0028] Em algumas modalidades, a primeira porção e uma segunda porção da corrente hibridizam uma com a outra de modo a formar uma estrutura de grampo. Algumas modalidades incluem ainda aplicar uma voltagem através do primeiro e segundo lados. Em algumas modalidades, a primeira porção e a segunda porção da corrente desibridizam uma da outra em resposta à voltagem em um processo de duas etapas.[0028] In some embodiments, the first portion and a second portion of the chain hybridize with each other to form a hairpin structure. Some embodiments further include applying a voltage across the first and second sides. In some embodiments, the first portion and the second portion of the current dehybridize from each other in response to voltage in a two-step process.

[0029] Em uma modalidade, o método inclui determinar que um nucleotídeo subsequente está atuando na polimerase com base na ligação do marcador alongado à primeira porção disposta no corpo alongado; e com uma região repórter disposta no corpo alongado, indicando quando o nucleotídeo subsequente é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo que é subsequente ao próximo nucleotídeo na sequência do segundo polinucleotídeo. Algumas modalidades incluem repetir tais etapas para uma pluralidade de nucleotídeos subsequentes que são complementares ou não complementares a uma pluralidade de nucleotídeos que são subsequentes ao próximo nucleotídeo.[0029] In one embodiment, the method includes determining that a subsequent nucleotide is acting on the polymerase based on binding of the elongated marker to the first portion disposed in the elongated body; and with a reporter region disposed in the elongated body, indicating when the subsequent nucleotide is complementary or not complementary to a nucleotide that is subsequent to the next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide. Some embodiments include repeating such steps for a plurality of subsequent nucleotides that are complementary or noncomplementary to a plurality of nucleotides that are subsequent to the next nucleotide.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0030] As figuras 1A a 1D ilustram esquematicamente composições para o sequenciamento de polinucleotídeos usando uma corrente ancorada a uma polimerase adjacente a um nanoporo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0030] Figures 1A to 1D schematically illustrate compositions for sequencing polynucleotides using a chain anchored to a polymerase adjacent to a nanopore, according to some embodiments of the present invention.

[0031] A figura 2A ilustra esquematicamente um sistema incluindo um circuito de medição configurado para medir o movimento de pelo menos uma região repórter dentro da abertura de um nanoporo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0031] Figure 2A schematically illustrates a system including a measurement circuit configured to measure the movement of at least one reporter region within the opening of a nanopore, in accordance with some embodiments of the present invention.

[0032] A figura 2B ilustra esquematicamente uma perspectiva plana de um sistema incluindo um circuito de medição configurado para medir o movimento das regiões repórteres respectivas dentro das respectivas aberturas de uma matriz de nanoporos, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0032] Figure 2B schematically illustrates a plan view of a system including a measurement circuit configured to measure the movement of respective reporter regions within respective openings of a nanopore array, in accordance with some embodiments of the present invention.

[0033] A figura 3 ilustra um método para o sequenciamento de polinucleotídeos usando uma corrente ancorada a uma polimerase adjacente a um nanoporo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0033] Figure 3 illustrates a method for sequencing polynucleotides using a chain anchored to a polymerase adjacent to a nanopore, according to some embodiments of the present invention.

[0034] As figuras 4A a 4E ilustram esquematicamente um uso exemplar de uma composição para o sequenciamento de um polinucleotídeo usando uma corrente ancorada a uma polimerase adjacente a um nanoporo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0034] Figures 4A to 4E schematically illustrate an exemplary use of a composition for sequencing a polynucleotide using a chain anchored to a polymerase adjacent to a nanopore, according to some embodiments of the present invention.

[0035] A figura 4F ilustra esquematicamente um sinal exemplar que pode ser gerado durante o uso da composição descrita nas figuras 4A a 4E, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0035] Figure 4F schematically illustrates an exemplary signal that can be generated during the use of the composition described in figures 4A to 4E, according to some embodiments of the present invention.

[0036] As figuras 5A a 5D ilustram esquematicamente um uso exemplar de uma composição para o sequenciamento de um polinucleotídeo usando uma corrente ancorada a uma polimerase adjacente a um nanoporo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0036] Figures 5A to 5D schematically illustrate an exemplary use of a composition for sequencing a polynucleotide using a chain anchored to a polymerase adjacent to a nanopore, according to some embodiments of the present invention.

[0037] A figura 6 ilustra esquematicamente um sinal exemplar que pode ser gerado durante o uso da composição descrita nas figuras 5A a 5D, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0037] Figure 6 schematically illustrates an exemplary signal that can be generated during the use of the composition described in figures 5A to 5D, according to some embodiments of the present invention.

[0038] As figuras 7A a 7B ilustram esquematicamente mudanças conformacionais exemplares de uma polimerase.[0038] Figures 7A to 7B schematically illustrate exemplary conformational changes of a polymerase.

[0039] As figuras 7C e 7D ilustram esquematicamente uma composição incluindo uma corrente ancorada a uma polimerase adjacente a um nanoporo e configurada para uso no sequenciamento de um polinucleotídeo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0039] Figures 7C and 7D schematically illustrate a composition including a chain anchored to a polymerase adjacent to a nanopore and configured for use in sequencing a polynucleotide, in accordance with some embodiments of the present invention.

[0040] A figura 8 ilustra parâmetros reacionais exemplares, por exemplo, constantes de velocidade e tempos de inatividade, para os esquemas reacionais nos quais um nucleotídeo respectivamente sob a ação de uma polimerase é uma correspondência ou não (adaptado de Johnson, “The kinetic and chemical mechanism of high-fidelity DNA polymerases,” Biochim Biophys Acta 1804(5): 1041-1048 (2010), todo o conteúdo do qual sendo incorporado por referência nesse documento).[0040] Figure 8 illustrates exemplary reaction parameters, for example, rate constants and inactivity times, for reaction schemes in which a nucleotide respectively under the action of a polymerase is a match or not (adapted from Johnson, “The kinetic and chemical mechanism of high-fidelity DNA polymerases,” Biochim Biophys Acta 1804(5): 1041-1048 (2010), the entire contents of which are incorporated by reference herein).

[0041] A figura 9A ilustra esquematicamente um nucleotídeo exemplar incluindo um marcador alongado, incluindo uma porção que interage com uma porção da corrente descrita nas figuras 1A a 1D durante o uso no sequenciamento de um polinucleotídeo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0041] Figure 9A schematically illustrates an exemplary nucleotide including an elongated marker, including a portion that interacts with a portion of the chain described in Figures 1A to 1D during use in sequencing a polynucleotide, in accordance with some embodiments of the present invention.

[0042] As figuras 9B e 9C ilustram esquematicamente nucleotídeos exemplares, incluindo marcadores alongados incluindo porções respectivas que podem interagir com uma corrente exemplar durante o uso no sequenciamento de um polinucleotídeo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0042] Figures 9B and 9C schematically illustrate exemplary nucleotides, including elongated markers including respective portions that can interact with an exemplary chain during use in sequencing a polynucleotide, in accordance with some embodiments of the present invention.

[0043] A figura 9D ilustra esquematicamente uma corrente exemplar e porções que podem interagir com a corrente durante o uso no sequenciamento de um polinucleotídeo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção. A figura divulga a SEQ ID NO: 1.[0043] Figure 9D schematically illustrates an exemplary chain and portions that can interact with the chain during use in sequencing a polynucleotide, according to some embodiments of the present invention. The figure discloses SEQ ID NO: 1.

[0044] As figuras 10A e 10B ilustram esquematicamente o movimento de uma corrente exemplar responsiva à hibridização com uma porção de um marcador alongado de um nucleotídeo exemplar durante o uso no sequenciamento de um polinucleotídeo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0044] Figures 10A and 10B schematically illustrate the movement of an exemplary chain responsive to hybridization with a portion of an elongated marker of an exemplary nucleotide during use in sequencing a polynucleotide, in accordance with some embodiments of the present invention.

[0045] As figuras 11A a 11C ilustram esquematicamente estruturas exemplares para uso na modificação de uma constante cinética em um esquema reacional que pode ser usado no sequenciamento de um polinucleotídeo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0045] Figures 11A to 11C schematically illustrate exemplary structures for use in modifying a kinetic constant in a reaction scheme that can be used in sequencing a polynucleotide, according to some embodiments of the present invention.

[0046] As figuras 12A e 12B ilustram estruturas exemplares para uso na modificação de uma constante cinética em um esquema reacional, no qual um nucleotídeo sendo utilizado por uma polimerase, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.[0046] Figures 12A and 12B illustrate exemplary structures for use in modifying a kinetic constant in a reaction scheme, in which a nucleotide is used by a polymerase, according to some embodiments of the present invention.

DESCRIÇÃO DETALHADADETAILED DESCRIPTION

[0047] As modalidades da presente invenção fornecem composições, sistemas e métodos para sequenciar polinucleotídeos usando correntes ancorados às polimerases adjacentes aos nanoporos.[0047] Embodiments of the present invention provide compositions, systems and methods for sequencing polynucleotides using chains anchored to polymerases adjacent to nanopores.

[0048] Mais especificamente, as presentes composições, sistemas e métodos podem ser adequadamente usados para sequenciar polinucleotídeos de uma forma que seja robusta, reprodutível, sensível e tenha um alto rendimento. Por exemplo, as presentes composições podem incluir um nanoporo e um corrente permanente que é ancorada a uma polimerase que é disposta adjacente ao nanoporo. O nanoporo pode incluir o primeiro e o segundo lados e uma abertura que se estende através dos primeiro e segundo lados. A corrente permanente pode incluir regiões de cabeça e cauda e um corpo alongado disposto entre elas. Em modalidades particulares, a região da cabeça da corrente é ancorada à polimerase, que é disposta adjacente ao primeiro lado do nanoporo, e o corpo alongado ocorre na abertura do nanoporo. Além disso, as presentes composições podem incluir uma pluralidade de nucleotídeos, cada um dos quais incluindo um marcador alongado. A corrente do marcador alongado, ou ambos, pode incluir um ou mais atributos que facilita o sequenciamento de um polinucleotídeo, por exemplo, um polinucleotídeo molde. Por exemplo, a corrente ou o marcador alongado, ou ambos, pode incluir um ou mais atributos que fornecem um primeiro estado do sinal baseado na polimerase que atua em um nucleotídeo, e pode incluir um ou mais atributos que fornecem um segundo estado de sinal baseado naquele nucleotídeo, sendo complementar ou não complementar a um próximo nucleotídeo em uma sequência do polinucleotídeo sendo sequenciado. Em algumas modalidades, a identidade do nucleotídeo sob a ação da polimerase pode ser determinada com base no primeiro estado do sinal. Além disso, em algumas modalidades, a complementaridade daquele nucleotídeo em relação a um nucleotídeo seguinte em uma sequência do polinucleotídeo sendo sequenciado pode ser determinada com base no segundo estado do sinal, que pode ajudar a distinguir se aquele nucleotídeo é complementar ao polinucleotídeo sendo sequenciado, ou se, ao invés disso, a polimerase temporariamente atuou sobre um nucleotídeo que não era complementar ao nucleotídeo seguinte na sequência do polinucleotídeo sendo sequenciado, mas sem adicionar aquele nucleotídeo ao polinucleotídeo complementar em crescimento. Assim, o segundo estado do sinal pode ser útil para atribuir bases aos picos de cromatogramas durante uma aplicação de sequenciamento de ácido nucleico, por exemplo, fornecendo uma função de verificação de erro. Deve ser entendido que tais primeiro e segundo estados do sinal, que podem respectivamente representar as identidades dos nucleotídeos ou se tais nucleotídeos são uma correspondência ou não, não precisam necessariamente ocorrer em momentos diferentes um do outro, e de fato, podem ocorrer ao mesmo tempo um do outro. Por exemplo, um sinal medido (por exemplo, óptico ou eléctrico) pode incluir um composto de mais de um estado de sinal (por exemplo, dois estados de sinal), em que cada um dos estados de sinal fornece informações sobre um ou mais de uma identidade de nucleotídeos ou se tal nucleotídeo é uma correspondência ou não.[0048] More specifically, the present compositions, systems and methods can be suitably used to sequence polynucleotides in a manner that is robust, reproducible, sensitive and has a high throughput. For example, the present compositions may include a nanopore and a permanent chain that is anchored to a polymerase that is disposed adjacent to the nanopore. The nanopore may include first and second sides and an opening extending through the first and second sides. The permanent current may include head and tail regions and an elongated body disposed therebetween. In particular embodiments, the chain head region is anchored to the polymerase, which is disposed adjacent to the first side of the nanopore, and the elongated body occurs at the opening of the nanopore. Furthermore, the present compositions may include a plurality of nucleotides, each of which includes an elongated tag. The elongated marker chain, or both, may include one or more attributes that facilitate sequencing of a polynucleotide, for example, a template polynucleotide. For example, the chain or elongated tag, or both, may include one or more attributes that provide a first signal state based on the polymerase acting on a nucleotide, and may include one or more attributes that provide a second signal state based on the polymerase acting on a nucleotide. at that nucleotide, being complementary or non-complementary to a next nucleotide in a sequence of the polynucleotide being sequenced. In some embodiments, the identity of the nucleotide under the action of the polymerase can be determined based on the first state of the signal. Furthermore, in some embodiments, the complementarity of that nucleotide to a following nucleotide in a sequence of the polynucleotide being sequenced can be determined based on the second state of the signal, which can help distinguish whether that nucleotide is complementary to the polynucleotide being sequenced. or if, instead, the polymerase temporarily acted on a nucleotide that was not complementary to the next nucleotide in the sequence of the polynucleotide being sequenced, but without adding that nucleotide to the growing complementary polynucleotide. Thus, the second signal state may be useful for assigning bases to chromatogram peaks during a nucleic acid sequencing application, for example, by providing an error checking function. It should be understood that such first and second states of the signal, which may respectively represent the identities of the nucleotides or whether such nucleotides are a match or not, need not necessarily occur at different times from each other, and in fact, may occur at the same time. from each other. For example, a measured signal (e.g., optical or electrical) may include a composite of more than one signal state (e.g., two signal states), wherein each of the signal states provides information about one or more of a nucleotide identity or whether such nucleotide is a match or not.

[0049] Métodos anteriormente conhecidos para o sequenciamento por síntese (SBS) foram desenvolvidos. Por exemplo, um DNA de fita simples (ssDNA) pode passar através de um nanoporo biológico, como um nanoporo de proteína, que é incorporado em uma barreira como uma bicamada lipídica, responsiva a um potencial elétrico sendo aplicado através do nanoporo. No que pode ser referido como um sequenciamento de “fita”, uma vez que os nucleotídeos do ssDNA passam através de uma obstrução dos poros, e combinações desses nucleotídeos podem criar bloqueios de corrente ou fluxo únicos correspondendo às identidades dos nucleotídeos nas combinações particulares que passam através da constrição. Essas fitas que estão sendo sequenciadas não são permanentemente ligadas ao poro ou à polimerase. Pelo contrário, essas fitas se translocam através do poro de modo que a posição efetiva da fita muda em relação ao poro. No entanto, a taxa de translocação extremamente rápida do ssDNA (~ 1 nt/μseg), bem como a resolução nativa da constrição que engloba uma combinação de nucleotídeos, ao invés de um único nucleotídeo, pode dificultar a medição precisa de tais bloqueios de corrente ou fluxo em uma base de nucleotídeo por nucleotídeo. “Motores” enzimáticos foram usados para diminuir a velocidade de translocação até uma taxa mais compatível com a aquisição de dados (milisegundos por nucleotídeo). No entanto, tais motores, quando usados em configurações de sequenciamento de fita, podem introduzir modos de erro como pulos, deslizes ou trocas, que podem inibir a detecção confiável dos nucleotídeos no ssDNA. Esses e outros modos de erro independentes do motor que podem ocorrer durante o sequenciamento da fita podem resultar da “flexibilidade” ou elasticidade do ssDNA que reside entre o motor e a constrição do nanoporo. Tais flexibilidade pode ser uma função da sequência do ssDNA e pode resultar em diferentes correntes ou fluxos para a mesma combinação de nucleotídeos transitando a constrição se diferentes instâncias daquela combinação são respectivamente rodeadas por diferentes sequências de ssDNA. Além disso, pelo fato de a constrição poder ser relativamente pequena, por exemplo, de cerca de 2 nt e o movimento browniano estar sempre presente, a “cabeça de leitura” do poro pode ser de um tamanho efetivo de 4 nucleotídeos, por exemplo, a constrição lê uma combinação de cerca de 4 nucleotídeos de cada vez, tornando-a assim mais difícil para identificar exclusivamente cada nucleotídeo, uma vez que há 44 (256) correntes ou fluxos que precisam ser diferenciados entre si.[0049] Previously known methods for sequencing by synthesis (SBS) have been developed. For example, a single-stranded DNA (ssDNA) can pass through a biological nanopore, such as a protein nanopore, which is embedded in a barrier such as a lipid bilayer, responsive to an electrical potential being applied across the nanopore. In what may be referred to as “strand” sequencing, since ssDNA nucleotides pass through a pore blockage, and combinations of these nucleotides can create unique current or flow blocks corresponding to the identities of the nucleotides in the particular combinations that pass through. through constriction. These strands being sequenced are not permanently bound to the pore or polymerase. Rather, these strands translocate through the pore so that the effective position of the strand changes relative to the pore. However, the extremely fast translocation rate of ssDNA (~1 nt/μsec), as well as the native resolution of the constriction that encompasses a combination of nucleotides, rather than a single nucleotide, can make accurate measurement of such current blocks difficult. or flow on a nucleotide by nucleotide basis. Enzyme “motors” were used to slow translocation speed to a rate more compatible with data acquisition (milliseconds per nucleotide). However, such motors, when used in strand sequencing setups, can introduce error modes such as skips, slips, or swaps, which can inhibit reliable detection of nucleotides in ssDNA. These and other motor-independent error modes that can occur during strand sequencing may result from the “flexibility” or elasticity of the ssDNA that resides between the motor and the nanopore constriction. Such flexibility may be a function of the ssDNA sequence and may result in different currents or fluxes for the same combination of nucleotides transiting the constriction if different instances of that combination are respectively surrounded by different ssDNA sequences. Furthermore, because the constriction can be relatively small, e.g., about 2 nt, and Brownian motion is always present, the “reading head” of the pore can be an effective size of 4 nucleotides, e.g. The constriction reads a combination of about 4 nucleotides at a time, thus making it more difficult to uniquely identify each nucleotide, since there are 44 (256) streams or streams that need to be differentiated from each other.

[0050] Por conseguinte, ainda há uma necessidade de melhorias no SBS, por exemplo, para composições, sistemas e métodos baratos, precisos, de leitura longa e alto rendimento para SBS. SBS usando nanoporos, por exemplo, nanoporos biológicos, representa uma solução potencial para esta necessidade devido à reprodutibilidade em nanoescala e à facilidade de produção dessas proteínas. Tomados em conjunto, espera-se que uma abordagem que não possui é motriz (por exemplo, usando enzimas nucleicas como um detector que é acoplado a um nanoporo em vez de um motor que modula a passagem de uma fita alvo através de um nanoporo), mais tolerante ao movimento Browniano, e que tem a resolução de um único nucleotídeo, avance consideravelmente no campo do sequenciamento de DNA por nanoporo.[0050] Therefore, there is still a need for improvements in SBS, for example, for cheap, accurate, long-read and high-throughput compositions, systems and methods for SBS. SBS using nanopores, e.g., biological nanopores, represents a potential solution to this need due to the nanoscale reproducibility and ease of production of these proteins. Taken together, it is expected that an approach that lacks is driving (e.g., using nucleic enzymes as a detector that is coupled to a nanopore rather than a motor that modulates the passage of a target strand through a nanopore), more tolerant to Brownian motion, and which has a resolution of a single nucleotide, considerably advances the field of nanopore DNA sequencing.

[0051] Primeiramente, alguns termos usados na presente invenção serão brevemente explicados. Em seguida, algumas composições exemplares, sistemas exemplares incluindo circuitos de medição (por exemplo, circuitos de medição elétricos ou ópticos) que podem ser usados com as presentes composições, métodos exemplares que podem ser usados com as presentes composições e alguns exemplos específicos de composições que podem ser usados durante tais métodos, serão descritos.[0051] Firstly, some terms used in the present invention will be briefly explained. Next, some exemplary compositions, exemplary systems including measurement circuits (e.g., electrical or optical measurement circuits) that can be used with the present compositions, exemplary methods that can be used with the present compositions, and some specific examples of compositions that can be used during such methods will be described.

Termos exemplaresExemplary terms

[0052] Conforme utilizado na presente invenção, o termo “poro” destina-se a significar uma estrutura que inclui uma abertura que permite que moléculas atravessem através delas de um primeiro lado do poro para um segundo lado do poro. Ou seja, a abertura se estende através do primeiro e segundo lados do poro. As moléculas que podem atravessar através de uma abertura de um poro podem incluir, por exemplo, íons ou moléculas solúveis em água, tais como aminoácidos, proteínas, nucleotídeos e ácidos nucleicos. O poro pode ser disposto dentro de uma barreira. Quando pelo menos uma porção da abertura de um poro tem uma largura de 100 nm ou menos, por exemplo, de 10 nm ou menos, ou 2 nm ou menos, o poro pode ser, mas não necessariamente precisa ser, referido como um “nanoporo”. Opcionalmente, uma porção da abertura pode ser mais estreita do que um ou ambos do primeiro e segundo lados do poro, em cujo caso aquela porção da abertura pode ser referida como uma “constrição”. Alternativamente ou além disso, a abertura de um poro, ou a constrição de um poro (se presente), ou ambos, pode ser maior que 0,1 nm, 0,5 nm, 1 nm, 10 nm ou maior. Um poro pode incluir múltiplas constrições, por exemplo, pelo menos duas, três, quatro, cinco ou mais de cinco constrições.[0052] As used in the present invention, the term “pore” is intended to mean a structure that includes an opening that allows molecules to pass through them from a first side of the pore to a second side of the pore. That is, the opening extends through the first and second sides of the pore. Molecules that can pass through a pore opening can include, for example, ions or water-soluble molecules such as amino acids, proteins, nucleotides and nucleic acids. The pore can be arranged within a barrier. When at least a portion of a pore opening has a width of 100 nm or less, e.g., 10 nm or less, or 2 nm or less, the pore may be, but need not necessarily be, referred to as a “nanopore.” ”. Optionally, a portion of the opening may be narrower than one or both of the first and second sides of the pore, in which case that portion of the opening may be referred to as a "constriction". Alternatively or in addition, the opening of a pore, or the constriction of a pore (if present), or both, may be greater than 0.1 nm, 0.5 nm, 1 nm, 10 nm or greater. A pore may include multiple constrictions, for example, at least two, three, four, five or more than five constrictions.

[0053] Conforme utilizado na presente invenção, uma “barreira” destina-se a significar uma estrutura que normalmente inibe a passagem de moléculas de um lado da barreira para o outro lado da barreira. As moléculas para as quais a passagem é inibida podem incluir, por exemplo, íons ou moléculas solúveis em água, tais como aminoácidos, proteínas, nucleotídeos e ácidos nucleicos. Um poro pode ser disposto dentro de uma barreira, e a abertura do poro pode permitir a passagem das moléculas de um lado da barreira para o outro lado da barreira. As barreiras incluem membranas de origem biológica e barreiras não biológicas, como membranas de estado sólido.[0053] As used in the present invention, a “barrier” is intended to mean a structure that normally inhibits the passage of molecules from one side of the barrier to the other side of the barrier. Molecules for which passage is inhibited may include, for example, ions or water-soluble molecules such as amino acids, proteins, nucleotides and nucleic acids. A pore can be arranged within a barrier, and opening the pore can allow molecules from one side of the barrier to pass to the other side of the barrier. Barriers include membranes of biological origin and non-biological barriers such as solid-state membranes.

[0054] Conforme utilizado na presente invenção, “corrente” destina-se a significar um membro alongado tendo uma região de cabeça, uma região de cauda e um corpo alongado entre elas. Uma corrente inclui uma molécula. Uma corrente pode ser, mas não precisa necessariamente estar em um estado alongado, por exemplo, ele pode incluir uma molécula alongada. Por exemplo, um corpo alongado de uma corrente pode ter configurações secundárias ou terciárias, tais como grampos, dobras, configurações helicoidais ou similares. As correntes podem incluir polímeros tais como polinucleotídeos ou polímeros sintéticos. As correntes podem ter comprimentos (por exemplo, medidos em um estado estendido ou esticado ao máximo) variando, por exemplo, de cerca de 5 nm a cerca de 500 nm, por exemplo, de cerca de 10 nm a cerca de 100 nm. As correntes podem ter larguras variando, por exemplo, de cerca de 1 nm a cerca de 50 nm, por exemplo, de cerca de 2 nm a cerca de 20 nm. As correntes podem ser lineares ou ramificadas. Uma corrente pode ser considerada “permanente” quando ela não é removida de uma composição definida sob as condições em que a composição é usada, por exemplo, em um método de detecção. Uma corrente que é usado em uma reação cíclica ou repetida também pode ser considerado “permanente” quando não há nenhuma mudança efetiva na posição da corrente de um ciclo para o seguinte ou de uma reação para uma repetição da reação. Será entendido que a posição de uma corrente permanente pode mudar durante um ciclo ou reação individual, mesmo que não haja nenhuma mudança efetiva na posição através dos ciclos ou reações.[0054] As used in the present invention, “chain” is intended to mean an elongated member having a head region, a tail region and an elongated body therebetween. A chain includes a molecule. A chain may be, but need not necessarily be, in an elongated state, for example, it may include an elongated molecule. For example, an elongated body of a chain may have secondary or tertiary configurations, such as clips, bends, helical configurations, or the like. The chains may include polymers such as polynucleotides or synthetic polymers. The currents may have lengths (e.g., measured in an extended or maximally stretched state) ranging, for example, from about 5 nm to about 500 nm, e.g., from about 10 nm to about 100 nm. The chains may have widths ranging, for example, from about 1 nm to about 50 nm, for example, from about 2 nm to about 20 nm. Currents can be linear or branched. A current may be considered “permanent” when it is not removed from a defined composition under the conditions under which the composition is used, for example, in a detection method. A chain that is used in a cyclic or repeated reaction can also be considered “permanent” when there is no effective change in the position of the chain from one cycle to the next or from one reaction to a repeat reaction. It will be understood that the position of a permanent current may change during an individual cycle or reaction, even if there is no actual change in position across the cycles or reactions.

[0055] Conforme utilizado na presente invenção, uma “região de cabeça” de uma corrente destina-se a significar um grupo funcional da corrente que está ligado a outro membro. Tal ligação pode ser formada através de uma ligação química, por exemplo, através de uma ligação covalente, ligação de hidrogênio, ligação iônica, ligação dipolo- dipolo, forças de dispersão de London ou por qualquer combinação dessas. Em uma modalidade, tal ligação pode ser formada através da hibridização de um primeiro oligonucleotídeo da região de cabeça até um segundo oligonucleotídeo de outro membro. Alternativamente, tal ligação pode ser formada usando interações físicas ou biológicas, por exemplo, uma interação entre uma primeira estrutura de proteína da região de cabeça e uma segunda estrutura de proteína do outro membro que inibe o descolamento da região de cabeça do outro membro. Membros exemplares aos quais uma região de cabeça de uma corrente pode se ligar incluem um poro, por exemplo, o primeiro ou o segundo lado do poro, uma barreira em que o poro está disposto e uma molécula, como uma proteína, disposta no primeiro ou no segundo lado do poro. Se a região de cabeça da corrente for ligada a outro membro que é disposto no primeiro ou no segundo lado do poro, a região de cabeça da corrente pode ser considerada adjacente ao poro. A região de cabeça pode estar, mas não precisa necessariamente estar localizada na extremidade da corrente.[0055] As used in the present invention, a “head region” of a chain is intended to mean a functional group of the chain that is linked to another member. Such a bond may be formed through a chemical bond, for example, through a covalent bond, hydrogen bond, ionic bond, dipole-dipole bond, London dispersion forces or by any combination of these. In one embodiment, such a link may be formed by hybridizing a first oligonucleotide from the head region to a second oligonucleotide from another member. Alternatively, such a bond may be formed using physical or biological interactions, for example, an interaction between a first protein structure of the head region and a second protein structure of the other member that inhibits detachment of the head region of the other member. Exemplary members to which a head region of a chain may bind include a pore, e.g., the first or second side of the pore, a barrier in which the pore is disposed, and a molecule, such as a protein, disposed on the first or second side of the pore. on the second side of the pore. If the chain head region is connected to another member that is disposed on the first or second side of the pore, the chain head region can be considered adjacent to the pore. The head region may be, but does not necessarily need to be, located at the end of the chain.

[0056] Conforme utilizado na presente invenção, “ancorado” significa uma ligação entre um primeiro membro e um segundo membro que é permanente, por exemplo, é suficientemente estável para ser útil para o sequenciamento de um polinucleotídeo ou, por exemplo, é móvel, mas não sofre nenhum movimento efetivo sob as condições em que os membros ligados são usados. Em algumas modalidades, tal ligação permanente é normalmente irreversível nas condições em que os membros ligados são usados, por exemplo, em um método de detecção. Em outras modalidades, tal ligação permanente é reversível, porém persiste durante pelo menos o período de tempo no qual ela é usada para sequenciar um polinucleotídeo. Por exemplo, uma corrente pode ser permanentemente ligada a ou adjacente a uma polimerase durante o uso da corrente para sequenciar um polinucleotídeo, e pode ser subsequentemente removível ou substituível com outra corrente. Ligações covalentes são apenas um exemplo de uma ligação que pode ser adequadamente usada para ancorar um primeiro membro a um segundo membro. Outros exemplos incluem duplexes entre oligonucleotídeos, interações peptídeo-peptídeo e estreptavidina-biotina ou estreptavidina-destiobiotina.[0056] As used in the present invention, "anchored" means a link between a first member and a second member that is permanent, for example, is sufficiently stable to be useful for sequencing a polynucleotide or, for example, is mobile, but it undergoes no effective movement under the conditions in which the attached limbs are used. In some embodiments, such permanent bonding is typically irreversible under conditions where the bonded members are used, for example, in a detection method. In other embodiments, such permanent binding is reversible, but persists for at least the period of time in which it is used to sequence a polynucleotide. For example, a chain may be permanently attached to or adjacent to a polymerase during use of the chain to sequence a polynucleotide, and may be subsequently removable or replaceable with another chain. Covalent bonds are just one example of a bond that can be appropriately used to anchor a first member to a second member. Other examples include duplexes between oligonucleotides, peptide-peptide interactions, and streptavidin-biotin or streptavidin-desthiobiotin.

[0057] Como utilizado aqui, uma “região de cauda” de uma corrente destina-se a significar uma porção da corrente que é disposta distalmente da região de cabeça. A região de cauda pode se estender livremente para fora da região de cabeça, por exemplo, ela pode não estar ligada a qualquer outro membro. A região de cauda pode estar, alternativamente, ligada. Tal ligação pode ser formada através de uma ligação química, por exemplo, através de uma ligação covalente, ligação de hidrogênio, ligação iônica, ligação dipolo-dipolo, forças de dispersão de London ou por qualquer combinação dessas. Em uma modalidade, tal ligação pode ser formada através da hibridização de um primeiro oligonucleotídeo da região de cauda até um segundo nucleotídeo de outro membro. Alternativamente, tal ligação pode ser formada usando interações físicas ou biológicas, por exemplo, uma interação entre uma primeira estrutura de proteína da região de cauda e uma segunda estrutura de proteína do outro membro que inibe a ligação da região de cauda do outro membro. Qualquer membro ao qual a região de cauda está ligada pode ser, mas não necessariamente é, o mesmo membro ao qual a região de cabeça está ligada. A região de cauda pode estar, mas não necessariamente está localizada na extremidade da corrente.[0057] As used herein, a “tail region” of a chain is intended to mean a portion of the chain that is disposed distally from the head region. The tail region may freely extend outside the head region, for example, it may not be attached to any other limb. The tail region may alternatively be linked. Such a bond may be formed through a chemical bond, for example, through a covalent bond, hydrogen bond, ionic bond, dipole-dipole bond, London dispersion forces or by any combination of these. In one embodiment, such a link may be formed by hybridizing a first oligonucleotide from the tail region to a second nucleotide from another member. Alternatively, such a bond may be formed using physical or biological interactions, for example, an interaction between a first protein structure of the tail region and a second protein structure of the other member that inhibits binding of the tail region of the other member. Any member to which the tail region is attached may be, but is not necessarily, the same member to which the head region is attached. The tail region may be, but is not necessarily, located at the end of the chain.

[0058] Como utilizado aqui, um “corpo alongado” destina-se a significar uma porção de um membro, como uma corrente, que é suficientemente longo e estreito para ser disposto dentro de pelo menos uma porção de uma abertura de um poro. Quando um corpo alongado está ligado a um nucleotídeo sendo utilizado, tal corpo alongado pode ser referido como um “marcador alongado”, de modo a facilitar a distinção de um corpo alongado de uma corrente. Um corpo alongado pode ser formado de qualquer material adequado de origem biológica ou de origem não biológica, ou de uma combinação dos mesmos. Em um exemplo, o corpo alongado inclui um polímero. Polímeros podem ser polímeros biológicos ou sintéticos. Polímeros biológicos exemplares que podem ser convenientemente incluídos no corpo alongado incluem polinucleotídeos, polipeptídeos, polissacarídeos, análogos de polinucleotídeo e análogos de polipeptídeo. Polinucleotídeos e análogos de polinucleotídeo exemplares adequados para uso em um corpo alongado incluem DNA, DNA enantiomérico, RNA, PNA (ácido nucleico peptídico), morfolinos e LNA (ácido nucleico bloqueado). Polipeptídeos sintéticos exemplares podem incluir aminoácidos carregados, assim como resíduos hidrofílicos e neutros. Polímeros sintéticos exemplares que podem ser adequadamente incluídos em um corpo alongado incluem PEG (polietilenoglicol), PPG (polipropilenoglicol), PVA (álcool polivinílico), PE (polietileno), LDPE (polietileno de baixa densidade), HDPE (polietileno de alta densidade), polipropileno, PVC (cloreto de polivinila), PS (poliestireno), NYLON (poliamidas alifáticas), TEFLON® (tetrafluoretileno), poliuretanos termoplásticos, polialdeídos, poliolefinas, poli(óxidos de etileno), poli(ésteres do ácido w-alquenoico), poli(metacrilatos de alquila) e outros ligantes químicos e biológicos poliméricos, tais como descritos em Hermanson, Bioconjugate Techniques, terceira edição, Academic Press, London (2013). Além disso, um corpo alongado pode opcionalmente incluir uma porção que pode interagir com outra porção. Tais porções podem incluir polímeros biológicos de DNA, RNA, PNA, LNA, morfolinos ou DNA enantiomérico, como exemplo. As regiões do corpo alongado podem ser carregadas ou neutras, dependendo da implementação específica da leitura do repórter.[0058] As used herein, an “elongate body” is intended to mean a portion of a member, such as a chain, that is sufficiently long and narrow to be disposed within at least a portion of a pore opening. When an elongated body is linked to a nucleotide being used, such an elongated body may be referred to as an “elongated marker” so as to facilitate the distinction of an elongated body from a chain. An elongated body may be formed from any suitable material of biological origin or non-biological origin, or a combination thereof. In one example, the elongate body includes a polymer. Polymers can be biological or synthetic polymers. Exemplary biological polymers that can be conveniently included in the elongated body include polynucleotides, polypeptides, polysaccharides, polynucleotide analogs, and polypeptide analogs. Exemplary polynucleotides and polynucleotide analogs suitable for use in an elongated body include DNA, enantiomeric DNA, RNA, PNA (peptide nucleic acid), morpholinos, and LNA (locked nucleic acid). Exemplary synthetic polypeptides may include charged amino acids as well as hydrophilic and neutral residues. Exemplary synthetic polymers that may suitably be included in an elongated body include PEG (polyethylene glycol), PPG (polypropylene glycol), PVA (polyvinyl alcohol), PE (polyethylene), LDPE (low density polyethylene), HDPE (high density polyethylene), polypropylene, PVC (polyvinyl chloride), PS (polystyrene), NYLON (aliphatic polyamides), TEFLON® (tetrafluoroethylene), thermoplastic polyurethanes, polyaldehydes, polyolefins, poly(ethylene oxides), poly(w-alkenoic acid esters), poly(alkyl methacrylates) and other polymeric chemical and biological linkers, as described in Hermanson, Bioconjugate Techniques, third edition, Academic Press, London (2013). Furthermore, an elongate body may optionally include a portion that can interact with another portion. Such moieties may include biological polymers of DNA, RNA, PNA, LNA, morpholinos or enantiomeric DNA, as an example. The elongated body regions can be charged or neutral depending on the specific implementation of the reporter readout.

[0059] Conforme utilizado na presente invenção, uma “região repórter” destina-se a significar uma porção que é, após uma mudança, detectável usando um método ou sistema de detecção adequado. Tal mudança pode incluir, mas não se limita, a um movimento. Os movimentos podem ser de aproximadamente 10 nm ou menos, ou de aproximadamente 5 nm ou menos, ou de aproximadamente 2 nm ou menos, ou de aproximadamente 1 nm ou menos, ou de aproximadamente 0,5 nm ou menos, ou de aproximadamente 0,2 nm ou menos, ou até mesmo de aproximadamente 0,1 nm ou menos, e podem ser detectados usando a região repórter e um método ou sistema de detecção adequado. A porção pode ter uma propriedade física, química, elétrica, óptica ou biológica detectável ou outra propriedade de bloqueio de fluxo adequada. Por exemplo, a porção pode ter uma propriedade óptica que facilita a detecção óptica ou a caracterização. Propriedades ópticas incluem a fluorescência e a geração de um sinal de Raman. Em um exemplo ilustrativo, a porção é um doador ou aceitador de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) que interage com um aceitador ou doador de FRET correspondente de modo a emitir luz de um comprimento de onda específico que pode ser detectada. O doador e o aceptor podem ser considerados parceiros de um par FRET. Ou, por exemplo, a porção pode ter uma propriedade de bloqueio elétrico ou de fluxo. As propriedades de bloqueio elétrico ou de fluxo incluem carga eletrostática, por exemplo, uma carga positiva ou uma carga negativa. Ou, por exemplo, a porção pode ter uma propriedade física. As propriedades físicas incluem o volume e a forma da porção. Em um exemplo ilustrativo, o movimento da porção dentro da abertura provoca uma mudança mensurável na corrente ou no fluxo através da abertura, ou uma constrição na mesma, por meio da modulação de um fluxo ou corrente de bloqueio através da abertura ou constrição. Ou, por exemplo, a porção pode ter uma propriedade química ou biológica que facilita a detecção química ou biológica. As propriedades químicas ou biológicas incluem a presença de um grupo químico ou biológico, por exemplo, de um grupo radioativo ou de um grupo com atividade enzimática. Uma ou mais propriedades elétricas, físicas, químicas, biológicas ou de bloqueio de fluxo podem fornecer uma mudança mensurável na corrente através de uma abertura ou constrição, ou um sinal óptico. Em um exemplo ilustrativo, o movimento da porção dentro de uma abertura provoca uma alteração mensurável em uma corrente através de uma abertura ou constrição, ou provoca uma alteração mensurável no fluxo de moléculas através de uma abertura ou construção, sendo essa alteração no fluxo podendo ser eletricamente, quimicamente, biologicamente ou opticamente detectável. Um nucleotídeo não básico é um exemplo não limitante de uma porção cujo movimento pode causar uma alteração mensurável em uma corrente através de uma abertura ou constrição ou uma alteração mensurável no fluxo de moléculas através de uma abertura ou constrição.[0059] As used in the present invention, a “reporter region” is intended to mean a portion that is, upon change, detectable using a suitable detection method or system. Such change may include, but is not limited to, a movement. The movements may be approximately 10 nm or less, or approximately 5 nm or less, or approximately 2 nm or less, or approximately 1 nm or less, or approximately 0.5 nm or less, or approximately 0. 2 nm or less, or even approximately 0.1 nm or less, and can be detected using the reporter region and a suitable detection method or system. The portion may have a detectable physical, chemical, electrical, optical or biological property or other suitable flow blocking property. For example, the portion may have an optical property that facilitates optical detection or characterization. Optical properties include fluorescence and the generation of a Raman signal. In an illustrative example, the moiety is a fluorescence resonance energy transfer (FRET) donor or acceptor that interacts with a corresponding FRET acceptor or donor so as to emit light of a specific wavelength that can be detected. The donor and acceptor can be considered partners in a FRET pair. Or, for example, the portion may have an electrical or flow blocking property. Electrical or flow blocking properties include electrostatic charge, for example, a positive charge or a negative charge. Or, for example, the portion may have a physical property. Physical properties include portion volume and shape. In an illustrative example, movement of the portion within the opening causes a measurable change in current or flow through the opening, or a constriction thereof, by modulating a flow or blocking current through the opening or constriction. Or, for example, the moiety may have a chemical or biological property that facilitates chemical or biological detection. Chemical or biological properties include the presence of a chemical or biological group, for example, a radioactive group or a group with enzymatic activity. One or more electrical, physical, chemical, biological, or flow-blocking properties may provide a measurable change in current through an opening or constriction, or an optical signal. In an illustrative example, movement of the portion within an opening causes a measurable change in a current through an opening or constriction, or causes a measurable change in the flow of molecules through an opening or construction, such change in flow being able to be electrically, chemically, biologically or optically detectable. A non-basic nucleotide is a non-limiting example of a moiety whose movement can cause a measurable change in a current through an opening or constriction or a measurable change in the flow of molecules through an opening or constriction.

[0060] Como utilizado aqui, a “moção” ou “movimento” pode ser translacional, rotacional ou conformacional, ou uma combinação dos mesmos.[0060] As used herein, the “motion” or “motion” may be translational, rotational or conformational, or a combination thereof.

[0061] Conforme utilizado na presente invenção, “ação” de uma polimerase sobre um nucleotídeo pode incluir a entrada de um nucleotídeo em um sítio ativo da polimerase. A ação de uma polimerase sobre um nucleotídeo também pode incluir, mas não se limita, à polimerase que causa uma alteração química ao nucleotídeo ou a uma porção daquele nucleotídeo. As alterações químicas podem incluir a polimerase removendo uma parte do nucleotídeo, a polimerase adicionando o nucleotídeo a outra molécula, a ligação ou soltura da polimerase, a polimerase modificando o nucleotídeo ou uma porção do mesmo e a polimerase formando ou clivando uma ligação química, por exemplo, durante a síntese de um polinucleotídeo, e similares. Por exemplo, a ação de uma polimerase sobre um nucleotídeo pode incluir adicionar o nucleotídeo a um polinucleotídeo. A ação de uma polimerase a um nucleotídeo pode incluir, opcionalmente, o movimento e a alteração química da polimerase, do nucleotídeo ou de ambos. Como exemplos puramente ilustrativos e não limitantes, a ação de uma polimerase sobre um nucleotídeo pode incluir um ou mais de: uma polimerase testando um nucleotídeo, a polimerase rejeitando um nucleotídeo se o nucleotídeo é incompatível com o próximo nucleotídeo em um polinucleotídeo que está sendo sequenciado, a polimerase que remove um nucleotídeo de um polinucleotídeo usando a atividade da exonuclease e a polimerase que remove um nucleotídeo de um polinucleotídeo usando a pirofosforilase. A figura 8 ilustra parâmetros reacionais exemplares, por exemplo, constantes de velocidade e tempos de inatividade, para os esquemas reacionais nos quais um nucleotídeo respectivamente sob a ação de uma polimerase é uma correspondência ou não (adaptado de Johnson, “The kinetic and chemical mechanism of high-fidelity DNA polymerases,” Biochim Biophys Acta 1804(5): 1041-1048 (2010), todo o conteúdo do qual sendo incorporado por referência nesse documento). Polimerases, como a T7 Pol, tipicamente fazem distinção entre nucleotídeos correspondentes e não correspondentes com base em uma combinação de afinidade de ligação aumentada para o nucleotídeo correspondente correto (por exemplo, com preferência 10 vezes maior do que um nucleotídeo incompatível), reduzindo bastante a taxa catalítica para o nucleotídeo incompatível (por exemplo, aproximadamente 1000 vezes mais lento para o incompatível) e uma taxa de dissociação bastante elevada para o nucleotídeo incompatível a partir de um estado catalítico fechado (por exemplo, aproximadamente 300 vezes mais rápido para um incompatível).[0061] As used in the present invention, “action” of a polymerase on a nucleotide may include the entry of a nucleotide into an active site of the polymerase. The action of a polymerase on a nucleotide may also include, but is not limited to, the polymerase causing a chemical change to the nucleotide or a portion of that nucleotide. Chemical changes may include the polymerase removing a portion of the nucleotide, the polymerase adding the nucleotide to another molecule, the polymerase binding or releasing, the polymerase modifying the nucleotide or a portion thereof, and the polymerase forming or cleaving a chemical bond, e.g. example, during the synthesis of a polynucleotide, and the like. For example, the action of a polymerase on a nucleotide may include adding the nucleotide to a polynucleotide. The action of a polymerase on a nucleotide may optionally include the movement and chemical change of the polymerase, the nucleotide, or both. As purely illustrative and non-limiting examples, the action of a polymerase on a nucleotide may include one or more of: a polymerase testing a nucleotide, the polymerase rejecting a nucleotide if the nucleotide is incompatible with the next nucleotide in a polynucleotide being sequenced , the polymerase that removes a nucleotide from a polynucleotide using exonuclease activity, and the polymerase that removes a nucleotide from a polynucleotide using pyrophosphorylase. Figure 8 illustrates exemplary reaction parameters, e.g., rate constants and inactivity times, for reaction schemes in which a nucleotide respectively under the action of a polymerase is a match or not (adapted from Johnson, “The kinetic and chemical mechanism of high-fidelity DNA polymerases,” Biochim Biophys Acta 1804(5): 1041-1048 (2010), the entire contents of which are incorporated by reference herein). Polymerases, such as T7 Pol, typically distinguish between matching and mismatching nucleotides based on a combination of increased binding affinity for the correct matching nucleotide (e.g., 10-fold preference over a mismatched nucleotide), greatly reducing the catalytic rate for the incompatible nucleotide (e.g., approximately 1000 times slower for the incompatible) and a fairly high dissociation rate for the incompatible nucleotide from a closed catalytic state (e.g., approximately 300 times faster for an incompatible one) .

[0062] Conforme utilizado na presente invenção, uma “alteração conformacional” destina-se a significar uma alteração na forma de uma molécula (por exemplo, uma alteração nas coordenadas atômicas relativas de uma molécula). Tal alteração conformacional pode incluir uma porção de uma molécula que se move em relação a outra parte da molécula. A reatividade química de uma porção da molécula pode alterar em resposta ao movimento relativo daquela porção, ou de outra porção da molécula. Uma molécula pode sofrer uma alteração conformacional responsiva a um estímulo. Tal estímulo pode incluir, mas não se limita, a alterações de ou forças aplicadas à molécula, interações com outras moléculas ou fatores ambientais. As alterações ou as forças aplicadas à molécula podem incluir uma força física aplicada à molécula ou a uma porção da mesma, um campo elétrico aplicado à molécula ou uma reação química com a molécula ou uma porção da mesma, ou uma combinação dos mesmos, por exemplo, a ligação a um substrato, catálise e/ou liberação de um produto. As interações com outras moléculas podem incluir a presença de outra molécula, uma concentração de outra molécula, uma ação por ou sobre outra molécula, ou uma combinação dos mesmos. Uma interação exemplar com outra molécula inclui a hibridização de dois oligonucleotídeos, ou uma polimerase que atua sobre um nucleotídeo. Fatores ambientais podem incluir uma mudança no pH ou uma mudança de temperatura, ou uma combinação dos mesmos.[0062] As used in the present invention, a “conformational change” is intended to mean a change in the shape of a molecule (for example, a change in the relative atomic coordinates of a molecule). Such a conformational change may include a portion of a molecule moving relative to another part of the molecule. The chemical reactivity of a portion of the molecule may change in response to the relative movement of that portion, or of another portion of the molecule. A molecule can undergo a conformational change responsive to a stimulus. Such stimulation may include, but is not limited to, changes in or forces applied to the molecule, interactions with other molecules or environmental factors. The changes or forces applied to the molecule may include a physical force applied to the molecule or a portion thereof, an electric field applied to the molecule, or a chemical reaction with the molecule or a portion thereof, or a combination thereof, e.g. , binding to a substrate, catalysis and/or release of a product. Interactions with other molecules may include the presence of another molecule, a concentration of another molecule, an action by or on another molecule, or a combination thereof. An exemplary interaction with another molecule includes the hybridization of two oligonucleotides, or a polymerase acting on a nucleotide. Environmental factors may include a change in pH or a change in temperature, or a combination thereof.

[0063] Conforme utilizado na presente invenção, o termo “nucleotídeo” destina-se a significar uma molécula que inclui um açúcar e pelo menos um grupo fosfato e, opcionalmente, também inclui uma nucleobase. Um nucleotídeo que não tem uma nucleobase pode ser referido como “abásico”. Nucleotídeos incluem desoxirribonucleotídeos, desoxirribonucleotídeos modificados, ribonucleotídeos, ribonucleotídeos modificados, peptídeos nucleotídeos, peptídeos nucleotídeos modificados, nucleotídeos com estrutura de açúcar e fosfato modificada e misturas dos mesmos. Exemplos de nucleotídeos incluem monofosfato de adenosina (AMP) difosfato de adenosina (ADP), trifosfato de adenosina (ATP), monofosfato de timidina (TMP), difosfato de timidina (TDP), trifosfato de timidina (TTP), monofosfato de citidina (CMP), difosfato de citidina (CDP) trifosfato de citidina (CTP), monofosfato de guanosina (GMP), difosfato de guanosina (GDP), trifosfato de guanosina (GTP), monofosfato de uridina (UMP), difosfato de uridina (UDP), trifosfato de uridina (UTP), monofosfato de desoxiadenosina (dAMP) difosfato de desoxiadenosina (dADP), trifosfato de desoxiadenosina (dATP), monofosfato de desoxitimidina (dTMP), difosfato de desoxitimidina (dTDP), trifosfato de desoxitimidina (dTTP), difosfato de desoxicitidina (dCDP), trifosfato de desoxicitidina (dCTP), monofosfato de desoxiguanosina (dGMP), difosfato de desoxiguanosina (dGDP), trifosfato de desoxiguanosina (dGTP), monofosfato de desoxiuridina (dUMP), difosfato de desoxiuridina (dUDP) e trifosfato de desoxiuridina (dUTP).[0063] As used in the present invention, the term “nucleotide” is intended to mean a molecule that includes a sugar and at least one phosphate group and, optionally, also includes a nucleobase. A nucleotide that does not have a nucleobase can be referred to as “abbasic”. Nucleotides include deoxyribonucleotides, modified deoxyribonucleotides, ribonucleotides, modified ribonucleotides, peptide nucleotides, modified peptide nucleotides, nucleotides with modified sugar and phosphate backbones, and mixtures thereof. Examples of nucleotides include adenosine monophosphate (AMP), adenosine diphosphate (ADP), adenosine triphosphate (ATP), thymidine monophosphate (TMP), thymidine diphosphate (TDP), thymidine triphosphate (TTP), cytidine monophosphate (CMP ), cytidine diphosphate (CDP) cytidine triphosphate (CTP), guanosine monophosphate (GMP), guanosine diphosphate (GDP), guanosine triphosphate (GTP), uridine monophosphate (UMP), uridine diphosphate (UDP), uridine triphosphate (UTP), deoxyadenosine monophosphate (dAMP), deoxyadenosine diphosphate (dADP), deoxyadenosine triphosphate (dATP), deoxythymidine monophosphate (dTMP), deoxythymidine diphosphate (dTDP), deoxythymidine triphosphate (dTTP), deoxycytidine (dCDP), deoxycytidine triphosphate (dCTP), deoxyguanosine monophosphate (dGMP), deoxyguanosine diphosphate (dGDP), deoxyguanosine triphosphate (dGTP), deoxyuridine monophosphate (dUMP), deoxyuridine diphosphate (dUDP) and deoxyuridine triphosphate (dUTP).

[0064] O termo “nucleotídeo” também se destina a englobar qualquer análogo de nucleotídeo que é um tipo de nucleotídeo que inclui uma nucleobase modificada, açúcar e/ou porção fosfato comparada com nucleotídeos que ocorrem na natureza. Nucleobases modificadas exemplares que podem ser incluídas em um polinucleotídeo, com uma estrutura nativa ou análoga, incluem inosina, xatanina, hipoxatanina, isocitosina, isoguanina, 2-aminopurina, 5-metilcitosina, 5- hidroximetilcitosina, 2-aminoadenina, 6-metiladenina, 6- metilguanina, 2-propilguanina, 2-propiladenina, 2- tiouracila, 2-tiotimina, 2-tiocitosina, 15-halouracila, 15-halocitosina, 5-propiniluracila, 5-propinilcitosina, 6- azouracila, 6-azocitosina, 6-azotimina, 5-uracila, 4- tiouracila, 8-haloadenina ou guanina, 8-akinoadenina ou guanina, 5-halouracila ou citosina substituída, 7- metilguanina, 7-metiladenina, 8-azaguanina, 8-aza-adenina, 7-deazaguanina, 7-deaza-adenina, 3-deazaguanina, 3-deaza- adenina ou similares. Como é conhecido na técnica, certos análogos de nucleotídeo não podem ser incorporados em um polinucleotídeo, por exemplo, análogos de nucleotídeos, como adenosina 5'-fosfossulfato.[0064] The term “nucleotide” is also intended to encompass any nucleotide analogue that is a type of nucleotide that includes a modified nucleobase, sugar and/or phosphate moiety compared to nucleotides that occur in nature. Exemplary modified nucleobases that may be included in a polynucleotide, with a native or analogous structure, include inosine, xatanine, hypoxatanine, isocytosine, isoguanine, 2-aminopurine, 5-methylcytosine, 5-hydroxymethylcytosine, 2-aminoadenine, 6-methyladenine, 6 - methylguanine, 2-propylguanine, 2-propyladenine, 2-thiouracil, 2-thiothymine, 2-thiocytosine, 15-halouracil, 15-halocytosine, 5-propynyluracil, 5-propynylcytosine, 6- azouracil, 6-azocytosine, 6-azothymine , 5-uracil, 4-thiouracil, 8-haloadenine or guanine, 8-akinoadenine or guanine, 5-halouracil or substituted cytosine, 7-methylguanine, 7-methyladenine, 8-azaguanine, 8-aza-adenine, 7-deazaguanine, 7-deaza-adenine, 3-deazaguanine, 3-deaza-adenine or similar. As is known in the art, certain nucleotide analogs cannot be incorporated into a polynucleotide, for example, nucleotide analogs such as adenosine 5'-phosphosulfate.

[0065] Nucleotídeos exemplares modificados na porção fosfato incluem, por exemplo, os análogos de nucleotídeo descritos por Lee et al., “Synthesis and reactivity of novel Y-phosphate modified ATP analogues,” Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 19: 3804-3807 (2009); Kumar et al, “PEG- labeled nucleotides and nanopore detection for single molecule DNA sequencing by synthesis,” Scientific Reports 2: 684 (2012); Kumar et al., “Terminal phosphate labeled nucleotides: synthesis, applications, and linker effect on incorporation by DNA polymerases,” Nucleosides, Nucleotides, and Nucleic Acids 24: 401-408 (2005), e Mulder et al., “Nucleotide modification at the Y-phosphate leads to the improved fidelity of HIV-1 reverse transcriptase,” Nucleic Acids Research 33: 4865-4873 (2005), todo o conteúdo dos quais sendo incorporado por referência na presente invenção. Lee et al. descreve certos análogos de ATP modificados com Y-fosfato exemplares com as seguintes estruturas: [0065] Exemplary nucleotides modified at the phosphate moiety include, for example, the nucleotide analogs described by Lee et al., “Synthesis and reactivity of novel Y-phosphate modified ATP analogues,” Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 19: 3804-3807 ( 2009); Kumar et al, “PEG-labeled nucleotides and nanopore detection for single molecule DNA sequencing by synthesis,” Scientific Reports 2: 684 (2012); Kumar et al., “Terminal phosphate labeled nucleotides: synthesis, applications, and linker effect on incorporation by DNA polymerases,” Nucleosides, Nucleotides, and Nucleic Acids 24: 401-408 (2005), and Mulder et al., “Nucleotide modification at the Y-phosphate leads to the improved fidelity of HIV-1 reverse transcriptase,” Nucleic Acids Research 33: 4865-4873 (2005), the entire contents of which are incorporated by reference in the present invention. Lee et al. describes certain exemplary Y-phosphate modified ATP analogs with the following structures:

[0066] Kumar et al. (2012) revela marcadores de PEG- cumarina com diferentes comprimentos que podem ser ligados ao terminal fosfato de dNTP ou NTP (dNTP/NTP) ou ao terminal fosfato dos nucleotídeos tetrafosfato (dN4P/N4P). Comprimentos exemplares incluem, por exemplo, cumarina- PEG16-dN4P/N4P, cumarina-PEG20-dN4P/N4P, cumarina-PEG24-dN4P/N4P e cumarina-PEG36-dN4P/N4P. Kumar et al. (2005) revela nucleotídeos modificados com tetra e pentafosfato, incluindo corantes ligados com ou sem ligantes. Conforme descrito em Kumar et al. (2005) corantes exemplares sem ligantes incluem DDAO, RESORUFINA, CUMARINAS, alquil- XANTENOS, nitrofenol, hidróxi-indol, ELF e BBT; corantes exemplares ligados através de ligantes incluem R110, REG, TAMRA, ROX, corantes Cy e corantes ET; e ligantes exemplares incluem diaminopropano, diamino-heptano, diaminododecano, EEE, PAP, diaminociclo-hexano, diaminoxileno e pentalisina. Mulder et al. revela nucleotídeos quimicamente modificados, incluindo 1-aminonaftaleno-5-sulfonato (ANS) ligado ao Y- fosfato de um nucleotídeo, por exemplo, Y-P-aminonaftaleno- 5-sulfonato desóxi ou ribonucleotídeos (dNTP ou NTP), como ANS-ATP, ANS-CTP, ANS-GTP e ANS-TTP e/ou as formas desóxi desses ou de outros nucleotídeos.[0066] Kumar et al. (2012) reveals PEG-coumarin tags with different lengths that can be attached to the phosphate terminus of dNTP or NTP (dNTP/NTP) or to the phosphate terminus of tetraphosphate nucleotides (dN4P/N4P). Exemplary lengths include, for example, coumarin-PEG16-dN4P/N4P, coumarin-PEG20-dN4P/N4P, coumarin-PEG24-dN4P/N4P, and coumarin-PEG36-dN4P/N4P. Kumar et al. (2005) discloses tetra- and pentaphosphate-modified nucleotides, including dyes linked with or without ligands. As described in Kumar et al. (2005) exemplary unliganded dyes include DDAO, RESORUFIN, COUMARINS, alkyl-XANTHHENES, nitrophenol, hydroxy-indole, ELF and BBT; exemplary dyes linked via linkers include R110, REG, TAMRA, ROX, Cy dyes, and ET dyes; and exemplary ligands include diaminopropane, diaminoheptane, diaminododecane, EEE, PAP, diaminocyclohexane, diaminoxylene and pentallysine. Mulder et al. reveals chemically modified nucleotides, including 1-aminonaphthalene-5-sulfonate (ANS) linked to the Y-phosphate of a nucleotide, e.g., Y-P-aminonaphthalene-deoxy 5-sulfonate, or ribonucleotides (dNTP or NTP), such as ANS-ATP, ANS -CTP, ANS-GTP and ANS-TTP and/or the deoxy forms of these or other nucleotides.

[0067] Conforme utilizado na presente invenção, o termo “polinucleotídeo” se refere a uma molécula que inclui uma sequência de nucleotídeos que estão ligados entre si. Exemplos de polinucleotídeos incluem ácido desoxirribonucleico (DNA), ácido ribonucleico (RNA) e seus análogos. Um polinucleotídeo pode ser uma sequência de fita simples de nucleotídeos, tais como RNA ou DNA de fita simples, uma sequência de fita dupla de nucleotídeos, como um DNA de fita dupla, ou pode incluir uma mistura de sequências de fita simples e de fita dupla de nucleotídeos. DNA de fita dupla (dsDNA) inclui DNA genômico (dsDNA) e produtos de amplificação e de PCR. O DNA de fita simples (ssDNA) pode ser convertido em dsDNA e vice-versa. A sequência exata de nucleotídeos em um polinucleotídeo pode ser conhecida ou desconhecida. Os seguintes são exemplos de polinucleotídeos: um gene ou fragmento de gene (por exemplo, uma sonda, iniciador, marcador de sequência expressa (EST) ou marcador de análise serial da expressão gênica (SAGE)), DNA genômico, fragmento de DNA genômico, éxon, íntron, RNA mensageiro (mRNA), RNA transportador, RNA iniciador ou cópia amplificada de qualquer um dos anteriores.[0067] As used in the present invention, the term “polynucleotide” refers to a molecule that includes a sequence of nucleotides that are linked together. Examples of polynucleotides include deoxyribonucleic acid (DNA), ribonucleic acid (RNA), and their analogues. A polynucleotide may be a single-stranded sequence of nucleotides, such as single-stranded RNA or DNA, a double-stranded sequence of nucleotides, such as double-stranded DNA, or may include a mixture of single-stranded and double-stranded sequences. of nucleotides. Double-stranded DNA (dsDNA) includes genomic DNA (dsDNA) and amplification and PCR products. Single-stranded DNA (ssDNA) can be converted to dsDNA and vice versa. The exact sequence of nucleotides in a polynucleotide may be known or unknown. The following are examples of polynucleotides: a gene or gene fragment (e.g., a probe, primer, expressed sequence tag (EST), or serial analysis of gene expression (SAGE) tag), genomic DNA, genomic DNA fragment, exon, intron, messenger RNA (mRNA), transfer RNA, primer RNA, or amplified copy of any of the above.

[0068] Conforme utilizado na presente invenção, “hibridiza” destina-se a significar a ligação não covalente de um primeiro polinucleotídeo a um segundo polinucleotídeo. A força da ligação entre o primeiro e o segundo polinucleotídeo aumenta com a complementaridade entre esses polinucleotídeos.[0068] As used in the present invention, “hybridizes” is intended to mean the non-covalent attachment of a first polynucleotide to a second polynucleotide. The strength of the bond between the first and second polynucleotides increases with the complementarity between these polynucleotides.

[0069] Conforme utilizado na presente invenção, o termo “proteína” destina-se a significar uma molécula que inclui, ou que consiste em um polipeptídeo que é dobrado em uma estrutura tridimensional. O polipeptídeo inclui porções que, quando dobradas na estrutura tridimensional, conferem à proteína atividade biológica.[0069] As used in the present invention, the term “protein” is intended to mean a molecule that includes, or consists of, a polypeptide that is folded into a three-dimensional structure. The polypeptide includes portions that, when folded into the three-dimensional structure, give the protein biological activity.

[0070] Conforme utilizado na presente invenção, o termo “enzima” destina-se a significar uma molécula que modifica cataliticamente outra molécula. As enzimas podem incluir proteínas, bem como outros tipos de moléculas, como os polinucleotídeos. Exemplos de enzimas que também são proteínas incluem polimerases, exonucleases e helicases.[0070] As used in the present invention, the term “enzyme” is intended to mean a molecule that catalytically modifies another molecule. Enzymes can include proteins as well as other types of molecules such as polynucleotides. Examples of enzymes that are also proteins include polymerases, exonucleases, and helicases.

[0071] Conforme utilizado na presente invenção, uma “polimerase” destina-se a significar uma enzima com um sítio ativo que monta polinucleotídeos pela polimerização dos nucleotídeos em polinucleotídeos. Uma polimerase pode se ligar a um molde de polinucleotídeo de fita simples primado e pode, sequencialmente, adicionar nucleotídeos ao iniciador crescente para formar um polinucleotídeo com uma sequência que é complementar à do molde.[0071] As used in the present invention, a “polymerase” is intended to mean an enzyme with an active site that assembles polynucleotides by polymerizing nucleotides into polynucleotides. A polymerase can bind to a primed single-stranded polynucleotide template and can sequentially add nucleotides to the growing primer to form a polynucleotide with a sequence that is complementary to that of the template.

Composições, sistemas e métodos exemplares para o sequenciamento de nucleotídeosExemplary compositions, systems and methods for nucleotide sequencing

[0072] Composições exemplares, incluindo correntes ancoradas às polimerases adjacentes aos nanoporos, serão agora descritos com referência às figuras 1A a 1D. Em um aspecto, uma composição inclui um nanoporo incluindo um primeiro lado, um segundo lado e uma abertura que se estende através dos primeiro e segundo lados. A composição também pode incluir uma pluralidade de nucleotídeos, em que cada um dos nucleotídeos inclui um marcador alongado. A composição também pode incluir um primeiro e segundo polinucleotídeos, sendo o primeiro polinucleotídeo complementar ao segundo polinucleotídeo. A composição também pode incluir uma polimerase disposta adjacente ao primeiro lado do nanoporo, com a polimerase configurada para adicionar nucleotídeos da pluralidade dos nucleotídeos ao primeiro polinucleotídeo com base em uma sequência do segundo polinucleotídeo. A composição pode incluir também uma corrente permanente incluindo uma região de cabeça, uma região de cauda e um corpo alongado disposto entre eles, sendo a região da cabeça ancorada à polimerase, em que o corpo alongado ocorre na abertura do nanoporo. A composição também pode incluir uma primeira porção disposta no corpo alongado, em que a primeira porção é configurada para se ligar ao marcador alongado de um primeiro nucleotídeo, no qual a polimerase está agindo. A composição também pode incluir uma ou mais regiões repórteres dispostas no corpo alongado, em que a uma ou mais regiões repórteres estão configuradas para indicar quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar a um próximo nucleotídeo na sequência do segundo polinucleotídeo.[0072] Exemplary compositions, including chains anchored to polymerases adjacent to the nanopores, will now be described with reference to figures 1A to 1D. In one aspect, a composition includes a nanopore including a first side, a second side, and an opening extending through the first and second sides. The composition may also include a plurality of nucleotides, wherein each of the nucleotides includes an elongated tag. The composition may also include a first and second polynucleotides, the first polynucleotide being complementary to the second polynucleotide. The composition may also include a polymerase disposed adjacent the first side of the nanopore, with the polymerase configured to add nucleotides from the plurality of nucleotides to the first polynucleotide based on a sequence of the second polynucleotide. The composition may also include a permanent chain including a head region, a tail region and an elongated body disposed therebetween, the head region being anchored to the polymerase, wherein the elongated body occurs at the opening of the nanopore. The composition may also include a first portion disposed on the elongated body, wherein the first portion is configured to bind to the elongated marker of a first nucleotide on which the polymerase is acting. The composition may also include one or more reporter regions disposed on the elongate body, wherein the one or more reporter regions are configured to indicate when the first nucleotide is complementary or not complementary to a next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide.

[0073] Por exemplo, a figura 1A ilustra esquematicamente uma seção transversal de uma composição exemplar que inclui o nanoporo 100, a corrente permanente 110, uma pluralidade de nucleotídeos 120 (um dos quais sendo mostrado, por motivos de simplicidade de ilustração), a polimerase 130, o primeiro polinucleotídeo 140 e o segundo polinucleotídeo 150. O nanoporo 100 inclui o primeiro lado 101, o segundo lado 102, a abertura 103 e a constrição 104. A corrente permanente 110 inclui a região de cabeça 111, a região de cauda 112 e o corpo alongado 113. Na modalidade ilustrada na figura 1A, a polimerase 130 é disposta adjacente ao primeiro lado 101 do nanoporo 100, a região de cabeça 111 da corrente permanente 110 é ancorada à polimerase 130, a região de cauda 112 da corrente permanente 110 é disposta livremente no segundo lado 102 do nanoporo 100 e o corpo alongado 113 é móvel dentro da abertura 103 do nanoporo 100. O corpo alongado 113 da corrente permanente 110 inclui uma primeira porção 115 e uma ou mais regiões repórteres 114. O nucleotídeo 120 inclui o marcador alongado 121, que inclui a segunda porção 122. A polimerase 130 é configurada para adicionar nucleotídeos da pluralidade dos nucleotídeos 120 ao primeiro polinucleotídeo 140 com base em uma sequência do segundo polinucleotídeo 150.[0073] For example, Figure 1A schematically illustrates a cross-section of an exemplary composition that includes the nanopore 100, the permanent chain 110, a plurality of nucleotides 120 (one of which is shown, for reasons of simplicity of illustration), the polymerase 130, the first polynucleotide 140, and the second polynucleotide 150. The nanopore 100 includes the first side 101, the second side 102, the opening 103, and the constriction 104. The permanent chain 110 includes the head region 111, the tail region 112 and the elongated body 113. In the embodiment illustrated in Figure 1A, the polymerase 130 is disposed adjacent to the first side 101 of the nanopore 100, the head region 111 of the permanent chain 110 is anchored to the polymerase 130, the tail region 112 of the chain The permanent current 110 is freely disposed on the second side 102 of the nanopore 100 and the elongated body 113 is movable within the opening 103 of the nanopore 100. The elongated body 113 of the permanent current 110 includes a first portion 115 and one or more reporter regions 114. The nucleotide 120 includes the elongated marker 121, which includes the second portion 122. The polymerase 130 is configured to add nucleotides from the plurality of nucleotides 120 to the first polynucleotide 140 based on a sequence of the second polynucleotide 150.

[0074] Conforme ilustrado na figura 1B, com base na ação da polimerase 130 sobre o nucleotídeo 120, a primeira porção 115 do corpo alongado 113 da corrente permanente 110 está configurada para se ligar ao marcador alongado 121 do nucleotídeo 120, por exemplo, está configurada para se ligar à segunda porção 122. Por exemplo, a polimerase 130 pode incluir um sítio ativo (não especificamente ilustrado) que recebe e se liga ao nucleotídeo 120, que coloca a segunda porção 122 relativamente próxima à primeira porção 115 por um período de tempo suficiente para a primeira porção 115 e a segunda porção 122 interagirem entre si, por exemplo, para se ligarem entre si (que também pode ser referido como formando um duplex uma com a outra). Por exemplo, em algumas modalidades, a primeira porção 115 inclui um primeiro oligonuleotídeo, e a segunda porção 122 inclui um segundo oligonucleotídeo que é complementar e hibridiza com o primeiro oligonucleotídeo.[0074] As illustrated in Figure 1B, based on the action of polymerase 130 on nucleotide 120, the first portion 115 of the elongated body 113 of permanent chain 110 is configured to bind to the elongated marker 121 of nucleotide 120, e.g. configured to bind to the second portion 122. For example, the polymerase 130 may include an active site (not specifically illustrated) that receives and binds the nucleotide 120, which places the second portion 122 relatively close to the first portion 115 for a period of sufficient time for the first portion 115 and the second portion 122 to interact with each other, for example, to bond with each other (which can also be referred to as forming a duplex with each other). For example, in some embodiments, the first portion 115 includes a first oligonucleotide, and the second portion 122 includes a second oligonucleotide that is complementary to and hybridizes to the first oligonucleotide.

[0075] A primeira porção 115 pode ser configurada para gerar pelo menos um primeiro estado de sinal responsivo à polimerase 130 que age sobre o nucleotídeo 120, e o nucleotídeo 120 pode ser identificável com base no primeiro estado do sinal, da forma como é descrita em mais detalhes em outras partes na presente invenção. Por exemplo, a formação de um duplex entre a porção 115 e a porção 122 pode causar uma ou mais regiões repórteres 114 para serem dispostas em um local dentro da abertura 103 que resulta em uma única corrente ou fluxo através da abertura 103 com base em que o nucleotídeo 120 pode ser identificado. De maneira ilustrativa, o primeiro estado do sinal pode incluir um sinal elétrico ou um sinal óptico.[0075] The first portion 115 may be configured to generate at least one first signal state responsive to polymerase 130 acting on nucleotide 120, and nucleotide 120 may be identifiable based on the first signal state as described. in more detail elsewhere in the present invention. For example, the formation of a duplex between portion 115 and portion 122 may cause one or more reporter regions 114 to be disposed at a location within the opening 103 that results in a single current or flow through the opening 103 based on which nucleotide 120 can be identified. Illustratively, the first signal state may include an electrical signal or an optical signal.

[0076] Além disso, uma ou mais regiões repórteres 114 do corpo alongado 113 da corrente permanente 110 podem ser configuradas para indicar quando o nucleotídeo 120 é complementar ou não a um próximo nucleotídeo na sequência do segundo polinucleotídeo 150. Por exemplo, em algumas modalidades, a posição de uma ou mais regiões repórteres 114 na abertura 103 pode basear-se na conformação particular da polimerase 130, que pode ser baseada em se nucleotídeo 120 é uma correspondência ou não em relação ao nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo 150. Para obter mais detalhes sobre as diferenças na conformação da polimerase e cinética entre os nucleotídeos correspondentes e incompatíveis, consulte as referências a seguir, sendo todo o conteúdo de cada uma delas incorporado por referência na presente invenção: Freudenthal et al., “New structural snapshots provide molecular insights into the mechanism of high fidelity DNA synthesis,” DNA Repair, doi:10.2016/j.dnarep/2015.04.007 (disponível on-line em 30 de abril de 2015); Freudenthal et al., “Watching a DNA polymerase in action,” Cell Cycle 13: 691-692, doi:10.4161/cc.27789 (2014); e Freudenthal et al., “Observing a DNA polymerase choose right from wrong,” Cell 154: 157-168, doi:10.1016/j.cell.2013.05.048 (2013).[0076] Additionally, one or more reporter regions 114 of the elongated body 113 of the permanent chain 110 may be configured to indicate when the nucleotide 120 is complementary or not to a next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide 150. For example, in some embodiments , the position of one or more reporter regions 114 in opening 103 may be based on the particular conformation of polymerase 130, which may be based on whether or not nucleotide 120 is a match to the next nucleotide in the sequence of second polynucleotide 150. To For more details on the differences in polymerase conformation and kinetics between the corresponding and mismatched nucleotides, see the following references, the entire contents of each of which are incorporated by reference in the present invention: Freudenthal et al., “New structural snapshots provide molecular insights into the mechanism of high fidelity DNA synthesis,” DNA Repair, doi:10.2016/j.dnarep/2015.04.007 (available online April 30, 2015); Freudenthal et al., “Watching a DNA polymerase in action,” Cell Cycle 13: 691–692, doi:10.4161/cc.27789 (2014); and Freudenthal et al., “Observing a DNA polymerase choose right from wrong,” Cell 154: 157–168, doi:10.1016/j.cell.2013.05.048 (2013).

[0077] Por exemplo, como é ilustrado na figura 1B, a polimerase 130 pode ter uma conformação modificada 130' com base no nucleotídeo 120 sendo uma correspondência com o nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo 150, que faz com que uma ou mais regiões repórteres 114 sejam colocadas em um local dentro da abertura 103 que resulta em uma única corrente ou fluxo através da abertura 103, com base no que pode ser determinado que o nucleotídeo 120 é uma correspondência. Em comparação, como é ilustrado na figura 1B, a polimerase 130 pode ter uma conformação modificada 130' com base no nucleotídeo 120 sendo uma correspondência com o nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo 150, que faz com que uma ou mais regiões repórteres 114 sejam colocadas em um local dentro da abertura 103 que resulta em uma única corrente ou fluxo através da abertura 103 com base no que pode ser determinado que o nucleotídeo 120 é uma não correspondência.[0077] For example, as illustrated in Figure 1B, polymerase 130 may have a modified conformation 130' based on nucleotide 120 being a match to the next nucleotide in the sequence of second polynucleotide 150, which causes one or more regions reporters 114 are placed at a location within the opening 103 that results in a single current or flow through the opening 103, based on which it can be determined that the nucleotide 120 is a match. In comparison, as illustrated in Figure 1B, polymerase 130 may have a modified conformation 130' based on nucleotide 120 being a match to the next nucleotide in the sequence of second polynucleotide 150, which causes one or more reporter regions 114 to be placed at a location within opening 103 that results in a single current or flow through opening 103 based on which it can be determined that nucleotide 120 is a mismatch.

[0078] Observa-se que, na modalidade ilustrada na figura 1B, a(s) região/regiões repórter(es) 114 podem fornecer uma indicação de correspondência ou não, enquanto a porção 115 e a porção 122 são ligadas uma à outra. Alternativamente, como é ilustrado na figura 1D, a polimerase 130 pode ter novamente uma conformação modificada 130' com base no nucleotídeo 120 sendo uma correspondência com o nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo 150, que faz com que a(s) região/regiões repórter(es) 114 sejam colocadas em um local dentro da abertura 103 que resulta em uma única corrente ou fluxo através da abertura 103 com base no que pode ser determinado se o nucleotídeo 120 é uma correspondência ou não correspondência. No entanto, a porção 115 e a porção 122 não precisam estar necessariamente ligadas uma à outra para que a(s) região/regiões repórter(es) 114 forneçam tal indicação. Por exemplo, a porção 115 e a porção 122 podem se dissociar uma da outra, por exemplo, em resposta às flutuações térmicas dentro da abertura 103, ou em resposta à aplicação de uma diferença de potencial suficiente entre o primeiro lado 101 e o segundo lado 102 e a posição da(s) região/regiões repórter(es) 114 dentro da abertura 103, ao passo que as porções 115 e 122 dissociadas uma da outra podem indicar se o nucleotídeo 120 é uma correspondência ou não. Em comparação, se o nucleotídeo 120 é uma incompatibilidade, então a polimerase 130 pode ter uma conformação 130” análoga àquela ilustrada na figura 1C, que faz com que a(s) região/regiões repórter(es) 114 fiquem em um local dentro da abertura 103 que resulta em uma única corrente ou fluxo através de abertura 103 com base no que se pode determinar que o nucleotídeo 120 é uma não correspondência.[0078] It is observed that, in the embodiment illustrated in Figure 1B, the reporter region/regions 114 can provide an indication of correspondence or not, while the portion 115 and the portion 122 are linked to each other. Alternatively, as illustrated in Figure 1D, the polymerase 130 may again have a modified conformation 130' based on the nucleotide 120 being a match to the next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide 150, which causes the region(s) reporter(s) 114 are placed at a location within the opening 103 that results in a single current or flow through the opening 103 based on whether it can be determined whether the nucleotide 120 is a match or non-match. However, portion 115 and portion 122 do not necessarily need to be linked to each other for the reporter region(s) 114 to provide such an indication. For example, portion 115 and portion 122 may dissociate from each other, e.g., in response to thermal fluctuations within opening 103, or in response to the application of a sufficient potential difference between the first side 101 and the second side 102 and the position of the reporter region(s) 114 within the opening 103, while the portions 115 and 122 dissociated from each other can indicate whether the nucleotide 120 is a match or not. In comparison, if nucleotide 120 is a mismatch, then polymerase 130 may have a conformation 130" analogous to that illustrated in Figure 1C, which causes the reporter region(s) 114 to be at a location within the opening 103 that results in a single current or flow through opening 103 based on which it can be determined that nucleotide 120 is a mismatch.

[0079] Além disso, com base no nucleotídeo 120 sendo uma compatibilidade, a polimerase 130 pode incorporar o nucleotídeo 120 no primeiro polinucleotídeo, e pode clivar o marcador alongado 121 do nucleotídeo 120, que pode se difundir para longe no lado cis (por exemplo, o primeiro lado) do nanoporo 100. Adicionalmente, com base na polimerase 130 que incorpora com êxito o nucleotídeo 120 no primeiro polinucleotídeo 140, a polimerase 130 pode liberar pirofosfato ou outro oxiânion de fósforo que pode ter duas ou mais subunidades fosfato, por exemplo, duas, três, quatro, cinco ou seis subunidades de fosfato (não especificamente ilustradas). Além disso, com base na polimerase 130 que não incorpora com sucesso o nucleotídeo 120 no primeiro polinucleotídeo 140, a polimerase 130 não libera pirofosfato.[0079] Furthermore, based on nucleotide 120 being a match, polymerase 130 can incorporate nucleotide 120 into the first polynucleotide, and can cleave the elongated tag 121 from nucleotide 120, which can diffuse away on the cis side (e.g. , the first side) of the nanopore 100. Additionally, based on the polymerase 130 successfully incorporating the nucleotide 120 into the first polynucleotide 140, the polymerase 130 may release pyrophosphate or other phosphorus oxyanion that may have two or more phosphate subunits, e.g. , two, three, four, five or six phosphate subunits (not specifically illustrated). Furthermore, based on polymerase 130 not successfully incorporating nucleotide 120 into the first polynucleotide 140, polymerase 130 does not release pyrophosphate.

[0080] A região repórter 114 é configurada de modo a gerar um ou mais sinais com base em um ou mais dos efeitos resultantes do nucleotídeo 120 ser ativado pela polimerase 130 ou resultantes do nucleotídeo 120 ser complementar ou não complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo 150, por exemplo, com base em um ou mais dos efeitos do nucleotídeo 120 estar ligado a ou residindo em um sítio ativo da polimerase 130 ou da polimerase 130 incorporar com sucesso ou não o nucleotídeo 120 no primeiro polinucleotídeo 140. Outros detalhes de tais estados de sinal secundário exemplares são descritos mais detalhadamente abaixo com referência às figuras 3, 4A a 4F, 5A a 5D e 6. Ele pode ser detectável com base em um ou mais sinais se o primeiro nucleotídeo está sendo ativado pela polimerase 130 ou se o primeiro nucleotídeo complementar é ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte do segundo polinucleotídeo, ou se ambos estão sendo ativados pela polimerase 130 e se o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte do segundo polinucleotídeo. De maneira ilustrativa, cada um ou mais sinais pode incluir, independentemente, um sinal elétrico ou um sinal óptico.[0080] Reporter region 114 is configured to generate one or more signals based on one or more of the effects resulting from nucleotide 120 being activated by polymerase 130 or resulting from nucleotide 120 being complementary or non-complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide 150, for example, based on whether or not one or more of the effects of the nucleotide 120 is linked to or resides in an active site of the polymerase 130 or the polymerase 130 successfully incorporates the nucleotide 120 into the first polynucleotide 140. Other details of such exemplary secondary signal states are described in more detail below with reference to Figures 3, 4A to 4F, 5A to 5D and 6. It may be detectable based on one or more signals whether the first nucleotide is being activated by polymerase 130 or whether or not the first complementary nucleotide is complementary to the following nucleotide of the second polynucleotide, or whether both are being activated by polymerase 130 and whether the first nucleotide is complementary or not complementary to the following nucleotide of the second polynucleotide. Illustratively, each one or more signals may independently include an electrical signal or an optical signal.

[0081] Opcionalmente, o corpo alongado 113 pode incluir mais de uma região repórter, por exemplo, pode incluir qualquer número adequado de regiões repórteres, por exemplo, uma, duas, três, quatro, cinco ou mais de cinco regiões repórteres. Cada uma dessas regiões repórteres pode ser igual a outra das regiões repórteres. Alternativamente, cada uma dessas regiões repórteres pode ser diferente das outras regiões repórteres. Ou algumas regiões repórteres podem ser iguais entre si, enquanto outras regiões repórteres podem ser diferentes das outras. Em um exemplo ilustrativo exemplar não limitante, o corpo alongado 113 inclui um polinucleotídeo que inclui um ou mais nucleotídeos abásicos que definem a região repórter 114. Um nucleotídeo abásico pode ser detectado dentro de uma abertura de um nanoporo como descrito, por exemplo, em Wilson, “Electronic Control of DNA Polymerase Binding and Unbinding to Single DNA Molecules Tethered in a Nanopore,” tese de doutorado, Universidade da Califórnia em Santa Cruz (2009), cujo conteúdo foi incorporado por referência na presente invenção. De maneira ilustrativa, o movimento ou a presença de um ou mais nucleotídeos abásicos ou outras regiões repórteres adequadas 114 pode causar uma mudança mensurável em uma corrente através da abertura 103 ou constrição 104, uma mudança mensurável no fluxo de moléculas através da abertura 103 ou da constrição 104, ou um sinal óptico. Por exemplo, uma mudança no fluxo de moléculas através de abertura 103 ou da constrição 104 pode ser detectada eletricamente, quimicamente, biologicamente ou opticamente.[0081] Optionally, the elongate body 113 may include more than one reporter region, for example, it may include any suitable number of reporter regions, for example, one, two, three, four, five or more than five reporter regions. Each of these reporter regions can be the same as another of the reporter regions. Alternatively, each of these reporter regions may be different from the other reporter regions. Or some reporter regions may be the same as each other, while other reporter regions may be different from the others. In an exemplary non-limiting illustrative example, the elongated body 113 includes a polynucleotide that includes one or more abasic nucleotides that define the reporter region 114. An abasic nucleotide can be detected within an opening of a nanopore as described, for example, in Wilson , “Electronic Control of DNA Polymerase Binding and Unbinding to Single DNA Molecules Tethered in a Nanopore,” doctoral thesis, University of California at Santa Cruz (2009), the contents of which are incorporated by reference in the present invention. Illustratively, the movement or presence of one or more abasic nucleotides or other suitable reporter regions 114 may cause a measurable change in a current through the opening 103 or constriction 104, a measurable change in the flow of molecules through the opening 103 or the constriction 104, or an optical signal. For example, a change in the flow of molecules through opening 103 or constriction 104 can be detected electrically, chemically, biologically, or optically.

[0082] Nas modalidades ilustradas nas figuras 1A a 1D, a região de cabeça 111, a região de cauda 112 e o corpo alongado 113 da corrente 110 podem incluir qualquer material ou combinação de materiais adequado. Por exemplo, a região de cabeça 111 pode ser configurada de modo a ser ancorada à polimerase 130 através de uma ligação química, por exemplo, através de uma ligação covalente, ligação de hidrogênio, ligação iônica, ligação dipolo-dipolo, forças de dispersão de London ou qualquer combinação adequada dos mesmos. Por exemplo, a região de cabeça 111 pode incluir uma primeira porção que é ligada, por exemplo, covalentemente, a uma segunda porção da polimerase 130. Ligações covalentes exemplares que podem ancorar a região de cabeça 111 à polimerase 130 incluem ligações carbono-carbono, ligações carbono-nitrogênio, ligações carbono-oxigênio, ligações oxigênio-oxigênio, ligações enxofre-enxofre, ligações fósforo-oxigênio, ligações fósforo-enxofre, ligações amida, ligações tioéter, ligações hidrazida, ligações carbono- enxofre e ligações que resultam da reação da oxiamina com carbonilas (aldeídos e cetonas), dos pares de reagente de Staudinger, como fosfina e azidas, ou pares de química de clique, como azidas e alquinos. No entanto, a ligação não precisa ser covalente. Por exemplo, tal ligação pode ser formada através da hibridização de um primeiro oligonucleotídeo da região de cabeça até um segundo oligonucleotídeo da polimerase 130. Alternativamente, tal ligação pode ser formada usando interações físicas ou biológicas, por exemplo, uma interação entre uma primeira estrutura de proteína da região de cabeça e uma segunda estrutura de proteína da polimerase 130 que inibe a separação da região de cabeça da polimerase 130. Por exemplo, a região de cabeça 111 pode incluir uma primeira alfa-hélice e a polimerase pode incluir uma segunda alfa-hélice que bloqueia a região de cabeça 111 de modo a inibir a dissociação da região de cabeça 111 da polimerase. Interações entre receptores e ligantes também são úteis, cujos exemplos incluem avidina-biotina, ou análogos dos mesmos; anticorpo- epítopo; lectina-carboidrato e similares.[0082] In the embodiments illustrated in Figures 1A to 1D, the head region 111, the tail region 112 and the elongated body 113 of the chain 110 may include any suitable material or combination of materials. For example, the head region 111 may be configured to be anchored to the polymerase 130 through a chemical bond, e.g., through a covalent bond, hydrogen bond, ionic bond, dipole-dipole bond, dispersion forces. London or any suitable combination thereof. For example, the head region 111 may include a first portion that is linked, for example, covalently, to a second portion of the polymerase 130. Exemplary covalent bonds that may anchor the head region 111 to the polymerase 130 include carbon-carbon bonds, carbon-nitrogen bonds, carbon-oxygen bonds, oxygen-oxygen bonds, sulfur-sulfur bonds, phosphorus-oxygen bonds, phosphorus-sulfur bonds, amide bonds, thioether bonds, hydrazide bonds, carbon-sulfur bonds and bonds that result from the reaction of oxyamine with carbonyls (aldehydes and ketones), from Staudinger reagent pairs such as phosphine and azides, or click chemistry pairs such as azides and alkynes. However, the bond does not need to be covalent. For example, such a bond may be formed by hybridizing a first head region oligonucleotide to a second polymerase 130 oligonucleotide. Alternatively, such a bond may be formed using physical or biological interactions, e.g., an interaction between a first structure of head region protein and a second polymerase protein structure 130 that inhibits separation of the polymerase head region 130. For example, the head region 111 may include a first alpha-helix and the polymerase may include a second alpha-helix. helix that blocks the 111 head region so as to inhibit dissociation of the 111 head region from the polymerase. Interactions between receptors and ligands are also useful, examples of which include avidin-biotin, or analogues thereof; antibody- epitope; lectin-carbohydrate and similar.

[0083] O corpo alongado 113 pode ser ligado, por exemplo, por ligação covalente, à região de cabeça 111, e a região de cauda 112 pode definir uma extremidade do corpo alongado 113 que é distal da região de cabeça 111. O corpo alongado 113 pode incluir qualquer material adequado de origem biológica ou de origem não biológica, ou uma combinação dos mesmos. Conforme descrito mais detalhadamente na presente invenção, o corpo alongado 113 pode incluir uma ou mais regiões repórteres que indicam quando um nucleotídeo, no qual a polimerase 130 está agindo, é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo 150. O corpo alongado 113 também pode incluir a primeira porção 115 que pode interagir, por exemplo, se ligar, ao marcador alongado 121 do nucleotídeo 120 ao qual a polimerase 130 está agindo. Materiais biológicos exemplares que podem ser incluídos no corpo alongado 113 incluem polímeros biológicos, como polinucleotídeos, polipeptídeos, polissacarídeos e análogos desses. Polímeros sintéticos exemplares que podem ser adequadamente incluídos em um corpo alongado 113 incluem PEG (polietilenoglicol), PPG (polipropilenoglicol), PVA (álcool polivinílico), PE (polietileno), LDPE (polietileno de baixa densidade), HDPE (polietileno de alta densidade), polipropileno, PVC (cloreto de polivinila), PS (poliestireno), NYLON (poliamidas alifáticas), TEFLON® (tetrafluoretileno), poliuretanos termoplásticos, polialdeídos, poliolefinas, poli(óxidos de etileno), poli(ésteres do ácido w-alquenoico), poli(metacrilatos de alquila) e outros ligantes químicos e biológicos poliméricos, tais como descritos em Hermanson et al., mencionado adicionalmente acima.[0083] The elongated body 113 can be linked, for example, by covalent bonding, to the head region 111, and the tail region 112 can define an end of the elongated body 113 that is distal from the head region 111. The elongated body 113 may include any suitable material of biological origin or non-biological origin, or a combination thereof. As described in more detail in the present invention, the elongated body 113 may include one or more reporter regions that indicate when a nucleotide, on which the polymerase 130 is acting, is complementary or is not complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide 150. The elongated body 113 may also include the first portion 115 that may interact, for example, bind, to the elongated marker 121 of the nucleotide 120 on which the polymerase 130 is acting. Exemplary biological materials that may be included in the elongate body 113 include biological polymers, such as polynucleotides, polypeptides, polysaccharides, and analogs thereof. Exemplary synthetic polymers that may suitably be included in an elongate body 113 include PEG (polyethylene glycol), PPG (polypropylene glycol), PVA (polyvinyl alcohol), PE (polyethylene), LDPE (low density polyethylene), HDPE (high density polyethylene) , polypropylene, PVC (polyvinyl chloride), PS (polystyrene), NYLON (aliphatic polyamides), TEFLON® (tetrafluoroethylene), thermoplastic polyurethanes, polyaldehydes, polyolefins, poly(ethylene oxides), poly(w-alkenoic acid esters) , poly(alkyl methacrylates) and other polymeric chemical and biological binders, such as described in Hermanson et al., further mentioned above.

[0084] O nanoporo 100 pode ter qualquer configuração adequada que permite a disposição da polimerase 130 adjacente ao primeiro lado 101 do nanoporo 100, de modo que a região de cabeça 111 da corrente 110 é ancorada à polimerase 130 e o corpo alongado 113 da corrente 110, por exemplo, pode ser disposto na abertura 103 do nanoporo 100. Em algumas modalidades, o nanoporo 100 pode ser um poro biológico, um poro de estado sólido ou um poro híbrido de estado sólido e biológico. Um poro biológico se destina a significar um poro que é feito a partir de um ou mais materiais de origem biológica. “Origem biológica” se refere ao material derivado ou isoladas de um ambiente biológico como um organismo ou célula, ou uma versão sinteticamente fabricada de uma estrutura biologicamente disponível. Os poros biológicos incluem, por exemplo, poros de polipeptídeo e poros de polinucleotídeo.[0084] The nanopore 100 may have any suitable configuration that allows for the arrangement of the polymerase 130 adjacent to the first side 101 of the nanopore 100, such that the head region 111 of the chain 110 is anchored to the polymerase 130 and the elongated body 113 of the chain 110, for example, may be disposed in the opening 103 of the nanopore 100. In some embodiments, the nanopore 100 may be a biological pore, a solid-state pore, or a hybrid solid-state and biological pore. A biological pore is intended to mean a pore that is made from one or more materials of biological origin. “Biological origin” refers to material derived or isolated from a biological environment such as an organism or cell, or a synthetically manufactured version of a biologically available structure. Biological pores include, for example, polypeptide pores and polynucleotide pores.

[0085] Um poro de polipeptídeo se destina a significar um poro que é feito a partir de um ou mais polipeptídeos. O um ou mais polipeptídeos pode incluir um monômero, um homopolímero ou um heteropolímero. As estruturas de poros e polipeptídeo incluem, por exemplo, um poro de feixe de a-hélice e um poro de barril β, bem como todos os outros bem conhecidos na técnica. Os poros de polipeptídeo exemplares incluem α-hemolisina, porina A de Mycobacterium smegmatis, gramicidina A, maltoporina, OmpF, OmpC, PhoE, Tsx, F-pilus, SP1, porina mitocondrial (VDAC), Tom40, fosfolipase A da membrana externa e lipoproteína autotransportadora de Neisseria (NaIP). A “porina A de Mycobacterium smegmatis (MspA)” é uma porina de membrana produzida por micobactérias, que permite que as moléculas hidrofílicas entrem na bactéria. A MspA forma um octâmero firmemente interconectado e o barril beta transmembranar que se assemelha a uma taça e inclui uma constrição central. Para obter mais detalhes sobre a α-hemolisina, consulte a patente Norte-Americana N° 6,015,714, cujos conteúdos são incorporados na presente invenção por referência. Para obter mais detalhes sobre o SP1, consulte Wang et al., Chem. Commun., 49: 1741-1743, 2013, cujo conteúdo é incorporado na presente invenção por referência. Para obter mais detalhes sobre MspA, consulte Butler et al., “Single-molecule DNA detection with an engineered MspA protein nanopore,” Proc. Natl. Acad. Sci. 105: 20647-20652 (2008) e Derrington et al., “Nanopore DNA sequencing with MspA,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107:16060-16065 (2010), cujos conteúdos totais de ambas são incorporados, na presente invenção, por referência. Outros poros incluem, por exemplo, o homólogo do MspA de Norcadia farcinica e lisenina. Para obter mais detalhes sobre a lisenina, consulte a publicação PCT N° WO 2013/153359, cujos conteúdos totais dela são incorporados, na presente invenção, por referência.[0085] A polypeptide pore is intended to mean a pore that is made from one or more polypeptides. The one or more polypeptides may include a monomer, a homopolymer or a heteropolymer. Pore and polypeptide structures include, for example, an α-helix bundle pore and a β-barrel pore, as well as all others well known in the art. Exemplary polypeptide pores include α-hemolysin, Mycobacterium smegmatis porin A, gramicidin A, maltoporin, OmpF, OmpC, PhoE, Tsx, F-pilus, SP1, mitochondrial porin (VDAC), Tom40, outer membrane phospholipase A, and lipoprotein Neisseria autotransporter (NaIP). “Mycobacterium smegmatis porin A (MspA)” is a membrane porin produced by mycobacteria, which allows hydrophilic molecules to enter the bacteria. MspA forms a tightly interconnected octamer and transmembrane beta barrel that resembles a cup and includes a central constriction. For more details about α-hemolysin, see U.S. Patent No. 6,015,714, the contents of which are incorporated into the present invention by reference. For more details on SP1, see Wang et al., Chem. Commun., 49: 1741-1743, 2013, the content of which is incorporated into the present invention by reference. For more details on MspA, see Butler et al., “Single-molecule DNA detection with an engineered MspA protein nanopore,” Proc. Natl. Academic. Sci. 105: 20647-20652 (2008) and Derrington et al., “Nanopore DNA sequencing with MspA,” Proc. Natl. Academic. Sci. USA, 107:16060-16065 (2010), the total contents of both of which are incorporated into the present invention by reference. Other pores include, for example, the MspA homolog from Norcadia farcinica and lysenin. For more details about lysenin, see PCT publication No. WO 2013/153359, the entire contents of which are incorporated into the present invention by reference.

[0086] Um poro de polinucleotídeo se destina a significar um poro que é feito a partir de um ou mais polímeros de ácido nucleico. Um poro de polinucleotídeo pode incluir, por exemplo, um origami de polinucleotídeo.[0086] A polynucleotide pore is intended to mean a pore that is made from one or more nucleic acid polymers. A polynucleotide pore may include, for example, a polynucleotide origami.

[0087] Um poro de estado sólido destina-se a significar um poro que é feito a partir de um ou mais materiais de origem não biológica. “Estado sólido” se refere a materiais que não são de origem biológica. Um poro de estado sólido pode ser feito de materiais inorgânicos ou orgânicos. Poros de estado sólido incluem, por exemplo, os poros de nitreto de silício, poros de dióxido de silício e poros de grafeno.[0087] A solid state pore is intended to mean a pore that is made from one or more materials of non-biological origin. “Solid state” refers to materials that are not of biological origin. A solid-state pore can be made of inorganic or organic materials. Solid-state pores include, for example, silicon nitride pores, silicon dioxide pores and graphene pores.

[0088] Um poro híbrido de estado sólido e biológico destina-se a significar um poro híbrido que é feito de materiais de origem biológica e não biológica. Os materiais de origem biológica são definidos acima e incluem, por exemplo, polipeptídeos e polinucleotídeos. Um poro híbrido de estado sólido e biológico inclui, por exemplo, um poro híbrido de polipeptídeo-estado sólido e um poro de polinucleotídeo-estado sólido.[0088] A hybrid solid state and biological pore is intended to mean a hybrid pore that is made of materials of biological and non-biological origin. Materials of biological origin are defined above and include, for example, polypeptides and polynucleotides. A solid-state and biological hybrid pore includes, for example, a polypeptide-solid-state hybrid pore and a polynucleotide-solid-state hybrid pore.

[0089] Deve ser notado que diferentes tipos de nanoporos podem ter dimensões diferentes entre si em vários aspectos. Por exemplo, como ilustrado na figura 1A, o nanoporo 100 pode ser caracterizado como tendo uma primeira dimensão H1 definindo uma espessura de nanoporo 100, por exemplo, uma espessura entre a superfície exterior do primeiro lado 101 e uma superfície exterior do segundo lado 102 adjacente à abertura 103. Nas modalidades em que o nanoporo 100 inclui a constrição 104, o nanoporo 100 também pode ser caracterizado como tendo uma segunda dimensão H2 definindo uma profundidade de constrição, por exemplo, uma profundidade entre a superfície externa do primeiro lado 101 e a parte mais estreita da constrição 104 adjacente à abertura 103. O nanoporo 100 também pode ser caracterizado como tendo um primeiro diâmetro D1 definindo um diâmetro de abertura 103, por exemplo, um diâmetro de abertura 103 no ponto mais largo da abertura. Nas modalidades em que o nanoporo 100 inclui a constrição 104, o nanoporo 100 também pode ser caracterizado como tendo um segundo diâmetro D2 definindo um diâmetro de constrição, por exemplo, um diâmetro de constrição 104 no ponto mais estreito da constrição. Deve ser notado que tais dimensões do nanoporo 100 não devem ser interpretadas como sendo limitantes, e que outras dimensões do nanoporo 100 podem ser adequadamente definidas. Por exemplo, a primeira dimensão H1 do nanoporo 100 pode variar ao longo da dimensão lateral, por exemplo, se o nanoporo 100 inclui uma barreira relativamente fina, em que um poro relativamente grosso é disposto. Ou, por exemplo, nas modalidades em que o nanoporo 100 inclui a constrição 104, a segunda dimensão H2 do nanoporo 100 pode variar dependendo da localização relativa da constrição 104 em relação à superfície externa do primeiro lado 101. Ou seja, a constrição 104 pode ser localizada disposta em qualquer local apropriado no nanoporo 100 e, de fato, ela pode até ser disposta distalmente à superfície externa do primeiro lado 101 ou do segundo lado 102. A abertura 103 e a constrição 104 não precisam ser necessariamente perfeitamente circulares, e além disso, elas podem ser caracterizadas como tendo um diâmetro aproximado ou usando quaisquer outras dimensões adequadas. Além disso, o nanoporo 100 pode incluir múltiplas constrições, sendo cada uma das quais caracterizada usando dimensões apropriadas.[0089] It should be noted that different types of nanopores may have different dimensions from each other in various aspects. For example, as illustrated in Figure 1A, the nanopore 100 can be characterized as having a first dimension H1 defining a nanopore thickness 100, e.g., a thickness between the outer surface of the first side 101 and an outer surface of the adjacent second side 102 to the opening 103. In embodiments wherein the nanopore 100 includes the constriction 104, the nanopore 100 may also be characterized as having a second dimension H2 defining a depth of constriction, e.g., a depth between the outer surface of the first side 101 and the narrowest part of the constriction 104 adjacent to the opening 103. The nanopore 100 can also be characterized as having a first diameter D1 defining an opening diameter 103, for example, an opening diameter 103 at the widest point of the opening. In embodiments where the nanopore 100 includes the constriction 104, the nanopore 100 may also be characterized as having a second diameter D2 defining a constriction diameter, for example, a constriction diameter 104 at the narrowest point of the constriction. It should be noted that such dimensions of the nanopore 100 should not be interpreted as being limiting, and that other dimensions of the nanopore 100 may be suitably defined. For example, the first dimension H1 of the nanopore 100 may vary along the lateral dimension, for example, if the nanopore 100 includes a relatively thin barrier, in which a relatively thick pore is disposed. Or, for example, in embodiments in which the nanopore 100 includes the constriction 104, the second H2 dimension of the nanopore 100 may vary depending on the relative location of the constriction 104 with respect to the outer surface of the first side 101. That is, the constriction 104 may be located disposed at any appropriate location in the nanopore 100 and, in fact, it may even be disposed distal to the outer surface of the first side 101 or the second side 102. The opening 103 and the constriction 104 need not necessarily be perfectly circular, and in addition Furthermore, they may be characterized as having an approximate diameter or using any other suitable dimensions. Furthermore, the nanopore 100 may include multiple constrictions, each of which is characterized using appropriate dimensions.

[0090] Em algumas modalidades, a primeira dimensão H1 do nanoporo 100 é cerca de 100 nm ou menor, ou cerca de 50 nm ou menor, ou cerca de 20 nm ou menor, ou cerca de 10 nm ou menor, ou cerca de 5 nm ou menor ou cerca de 2 nm ou menor. Por exemplo, H1 pode ser entre cerca de 2 nm e cerca de 100 nm, ou entre cerca de 5 nm e cerca de 50 nm ou entre cerca de 10 nm e cerca de 20 nm. Em modalidades que incluem a constrição 104, a segunda dimensão H2 do nanoporo 100 é cerca de 100 nm ou menor, ou cerca de 50 nm ou menor, ou cerca de 20 nm ou menor, ou cerca de 10 nm ou menor, ou cerca de 5 nm ou menor, ou cerca de 2 nm ou menor ou cerca de 1 nm ou menor. Por exemplo, H2 pode ser entre cerca de 1 nm e cerca de 100 nm, ou entre cerca de 2 nm e cerca de 50 nm ou entre cerca de 5 nm e cerca de 20 nm. De modo ilustrativo,H1 pode ser entre cerca de 5 nm e cerca de 50 nm e H2 pode ser entre cerca de 1 nm e cerca de 5 nm. Em uma modalidade exemplar, H1 é cerca de 10 nm e H2 é cerca de 5 nm. Em outra modalidade exemplar, H1 é cerca de 10 nm e H2 é cerca de 6 nm. Em outra modalidade exemplar, H1 é cerca de 10 nm e H2 é cerca de 7 nm. Em outra modalidade exemplar, H1 é cerca de 10 nm e H2 é cerca de 8 nm. Em outra modalidade exemplar, H1 é cerca de 10 nm e H2 é cerca de 9 nm. Em outra modalidade exemplar, H1 é cerca de 10 nm e H2 é cerca de 10 nm. Em outra modalidade exemplar, H1 é cerca de 5 nm e H2 é cerca de 2 nm. Em outra modalidade exemplar, H1 é cerca de 5 nm e H2 é cerca de 2 nm. Em outra modalidade exemplar, H1 é cerca de 5 nm e H2 é cerca de 2 nm. Em outra modalidade exemplar, H1 é cerca de 5 nm e H2 é cerca de 2 nm. Os termos “aproximadamente” e “cerca de” destinam-se a significar dentro de 10% acima ou abaixo do valor declarado.[0090] In some embodiments, the first H1 dimension of nanopore 100 is about 100 nm or smaller, or about 50 nm or smaller, or about 20 nm or smaller, or about 10 nm or smaller, or about 5 nm or smaller or about 2 nm or smaller. For example, H1 may be between about 2 nm and about 100 nm, or between about 5 nm and about 50 nm, or between about 10 nm and about 20 nm. In embodiments including constriction 104, the second H2 dimension of nanopore 100 is about 100 nm or smaller, or about 50 nm or smaller, or about 20 nm or smaller, or about 10 nm or smaller, or about 5 nm or smaller, or about 2 nm or smaller, or about 1 nm or smaller. For example, H2 may be between about 1 nm and about 100 nm, or between about 2 nm and about 50 nm, or between about 5 nm and about 20 nm. By way of illustration, H1 can be between about 5 nm and about 50 nm and H2 can be between about 1 nm and about 5 nm. In an exemplary embodiment, H1 is about 10 nm and H2 is about 5 nm. In another exemplary embodiment, H1 is about 10 nm and H2 is about 6 nm. In another exemplary embodiment, H1 is about 10 nm and H2 is about 7 nm. In another exemplary embodiment, H1 is about 10 nm and H2 is about 8 nm. In another exemplary embodiment, H1 is about 10 nm and H2 is about 9 nm. In another exemplary embodiment, H1 is about 10 nm and H2 is about 10 nm. In another exemplary embodiment, H1 is about 5 nm and H2 is about 2 nm. In another exemplary embodiment, H1 is about 5 nm and H2 is about 2 nm. In another exemplary embodiment, H1 is about 5 nm and H2 is about 2 nm. In another exemplary embodiment, H1 is about 5 nm and H2 is about 2 nm. The terms “approximately” and “about” are intended to mean within 10% above or below the stated value.

[0091] Em algumas modalidades, o primeiro diâmetro D1 de abertura 103 do nanoporo 100 é cerca de 100 nm ou menor, ou cerca de 50 nm ou menor, ou cerca de 20 nm ou menor, ou cerca de 10 nm ou menor, ou cerca de 5 nm ou menor ou cerca de 2 nm ou menor. Por exemplo, D1 pode ser entre cerca de 2 nm e cerca de 100 nm, ou entre cerca de 5 nm e cerca de 50 nm ou entre cerca de 10 nm e cerca de 20 nm. Em modalidades incluindo a constrição 104, o segundo diâmetro D2 da constrição 104 do nanoporo 100 é cerca de 100 nm ou menor, ou cerca de 50 nm ou menor, ou cerca de 20 nm ou menor, ou cerca de 10 nm ou menor, ou cerca de 5 nm ou menor, ou cerca de 2 nm ou menor ou cerca de 1 nm ou menor. Por exemplo, D2 pode ser entre cerca de 1 nm e cerca de 100 nm, ou entre cerca de 2 nm e cerca de 50 nm ou entre cerca de 5 nm e cerca de 20 nm. De maneira ilustrativa, D1 pode ser entre cerca de 5 nm e cerca de 50 nm e D2 (se aplicável) pode ser entre cerca de 1 nm e cerca de 5 nm.[0091] In some embodiments, the first diameter D1 of opening 103 of nanopore 100 is about 100 nm or smaller, or about 50 nm or smaller, or about 20 nm or smaller, or about 10 nm or smaller, or about 5 nm or smaller or about 2 nm or smaller. For example, D1 may be between about 2 nm and about 100 nm, or between about 5 nm and about 50 nm, or between about 10 nm and about 20 nm. In embodiments including constriction 104, the second diameter D2 of constriction 104 of nanopore 100 is about 100 nm or smaller, or about 50 nm or smaller, or about 20 nm or smaller, or about 10 nm or smaller, or about 5 nm or smaller, or about 2 nm or smaller, or about 1 nm or smaller. For example, D2 may be between about 1 nm and about 100 nm, or between about 2 nm and about 50 nm, or between about 5 nm and about 20 nm. Illustratively, D1 may be between about 5 nm and about 50 nm and D2 (if applicable) may be between about 1 nm and about 5 nm.

[0092] Em uma modalidade ilustrativa, D1 é cerca de 5 a 10 nm e D2 é cerca de 1 a 1,2 nm. Em outra modalidade ilustrativa, D1 é cerca de 5 a 10 nm e D2 é cerca de 1,2 a 1,4 nm. Em ainda outra modalidade ilustrativa, D1 é cerca de 5 a 10 nm e D2 é cerca de 1,4 a 1,6 nm. Em ainda outra modalidade ilustrativa, D1 é cerca de 5 a 10 nm e D2 é cerca de 1,6 a 1,8 nm. Em ainda outra modalidade ilustrativa, D1 é cerca de 5 a 10 nm e D2 é cerca de 1,8 a 2,0 nm. Em modalidades exemplares onde o poro é MspA, D1 pode ser, por exemplo, cerca de 4,8 nm, D2 pode ser, por exemplo, cerca de 1,1 a 1,2 nm, H1 pode ser, por exemplo, cerca de 9,6 nm e H2 pode ser, por exemplo, cerca de 7,9 a 8,1 nm. Em modalidades exemplares onde o poro é α-hemolisina, D1 pode ser, por exemplo, cerca de 2,6 nm, D2 pode ser, por exemplo, cerca de 1,4 a 1,5 nm, H1 pode ser, por exemplo, cerca de 10 nm e H2 pode ser, por exemplo, cerca de 5 nm. Outras combinações adequadas de dimensões podem ser adequadamente selecionadas para outros tipos de poros.[0092] In an illustrative embodiment, D1 is about 5 to 10 nm and D2 is about 1 to 1.2 nm. In another illustrative embodiment, D1 is about 5 to 10 nm and D2 is about 1.2 to 1.4 nm. In yet another illustrative embodiment, D1 is about 5 to 10 nm and D2 is about 1.4 to 1.6 nm. In yet another illustrative embodiment, D1 is about 5 to 10 nm and D2 is about 1.6 to 1.8 nm. In yet another illustrative embodiment, D1 is about 5 to 10 nm and D2 is about 1.8 to 2.0 nm. In exemplary embodiments where the pore is MspA, D1 may be, for example, about 4.8 nm, D2 may be, for example, about 1.1 to 1.2 nm, H1 may be, for example, about 9.6 nm and H2 may be, for example, about 7.9 to 8.1 nm. In exemplary embodiments where the pore is α-hemolysin, D1 may be, for example, about 2.6 nm, D2 may be, for example, about 1.4 to 1.5 nm, H1 may be, e.g. about 10 nm and H2 can be, for example, about 5 nm. Other suitable combinations of dimensions can be appropriately selected for other pore types.

[0093] As características da corrente permanente 110 podem ser adequadamente selecionadas com base em uma ou mais das dimensões do nanoporo 100. Por exemplo, o corpo alongado 113 da corrente 110 pode ter uma largura selecionada com base em D1 ou D2, ou tanto em D1 como em D2. Por exemplo, a largura do corpo alongado 113 pode ser selecionada de modo que o corpo alongado 113 seja móvel dentro da abertura 103, por exemplo, o corpo alongado 113 tem uma largura que é menor do que o primeiro diâmetro D1 da abertura 103. Em modalidades que incluem a constrição 104, a largura do corpo alongado 113 também pode ser selecionada de modo que pelo menos uma porção do corpo alongado 113 seja móvel adjacente à constrição 104, por exemplo, que tenha uma largura que é igual ou menor do que o segundo diâmetro D2. Opcionalmente, nas modalidades que incluem a constrição 104, a largura do corpo alongado 113 também pode ser selecionada de modo que pelo menos uma porção do corpo alongado 113 seja móvel através da constrição 104, por exemplo, tenha uma largura que é suficientemente menor do que o segundo diâmetro D2 para permitir o movimento do corpo alongado 113 através da constrição 104. Se o nanoporo 100 inclui múltiplas constrições (não especificamente ilustradas), então a largura do corpo alongado 113 pode ser selecionada de modo que o corpo alongado 113 seja móvel através de algumas ou de todas essas constrições, conforme for apropriado.[0093] The characteristics of the permanent current 110 can be suitably selected based on one or more of the dimensions of the nanopore 100. For example, the elongated body 113 of the current 110 can have a width selected based on D1 or D2, or either D1 as in D2. For example, the width of the elongated body 113 may be selected so that the elongated body 113 is movable within the opening 103, for example, the elongated body 113 has a width that is smaller than the first diameter D1 of the opening 103. In In embodiments that include constriction 104, the width of the elongate body 113 may also be selected so that at least a portion of the elongate body 113 is movable adjacent to the constriction 104, e.g., that it has a width that is equal to or less than the second diameter D2. Optionally, in embodiments that include constriction 104, the width of the elongate body 113 may also be selected so that at least a portion of the elongate body 113 is movable through the constriction 104, e.g., has a width that is sufficiently smaller than the second diameter D2 to allow movement of the elongated body 113 through the constriction 104. If the nanopore 100 includes multiple constrictions (not specifically illustrated), then the width of the elongated body 113 may be selected such that the elongated body 113 is movable through of some or all of these constrictions, as appropriate.

[0094] O comprimento do corpo alongado 113 da corrente 110 pode ser selecionado com base em H1 ou H2, ou com base em H1 e em H2. Por exemplo, o comprimento do corpo alongado 113 pode ser selecionado de modo a ser menor que H1, de modo que aquela região de cauda 112 não se estenda além da superfície externa do segundo lado 102 do nanoporo 100 mesmo se o corpo alongado 113 fosse totalmente estendido através da constrição 104 em direção ao segundo lado 102. Ou, por exemplo, em modalidades incluindo a constrição 104, o comprimento do corpo alongado 113 pode ser selecionado para ser mais curto que H2, de modo que a região de cauda 112 não se estenda além da constrição 104 do nanoporo 100 mesmo se o corpo alongado 113 fosse totalmente estendido em direção ao segundo lado 103. Em outras modalidades, o comprimento do corpo alongado 113 pode ser selecionado de modo a ser mais longo que H1, de modo que aquela região de cauda 112 possa se estender além da superfície externa do segundo lado 102 do nanoporo 100 se o corpo alongado 113 fosse totalmente estendido através da constrição 104 em direção ao segundo lado 102. Ou, por exemplo, em modalidades incluindo que incluem a constrição 104, o comprimento do corpo alongado 113 pode ser selecionado para ser mais longo que H2, de modo que a região de cauda 112 poderia se estender além da constrição 104 do nanoporo 100 se o corpo alongado 113 fosse totalmente estendido em direção ao segundo lado 103.[0094] The length of the elongated body 113 of the chain 110 can be selected based on H1 or H2, or based on H1 and H2. For example, the length of the elongated body 113 may be selected to be less than H1 so that that tail region 112 does not extend beyond the outer surface of the second side 102 of the nanopore 100 even if the elongated body 113 were fully extended through the constriction 104 toward the second side 102. Or, for example, in embodiments including the constriction 104, the length of the elongate body 113 may be selected to be shorter than H2, so that the tail region 112 does not overlap. extend beyond the constriction 104 of the nanopore 100 even if the elongated body 113 were fully extended toward the second side 103. In other embodiments, the length of the elongated body 113 may be selected to be longer than H1, so that tail region 112 could extend beyond the outer surface of the second side 102 of the nanopore 100 if the elongated body 113 were fully extended through the constriction 104 toward the second side 102. Or, for example, in embodiments including the constriction 104 , the length of the elongated body 113 can be selected to be longer than H2, so that the tail region 112 could extend beyond the constriction 104 of the nanopore 100 if the elongated body 113 were fully extended towards the second side 103.

[0095] O comprimento do corpo alongado 113 pode ser selecionado de modo a permitir o movimento relativamente livre do corpo alongado 113 dentro da abertura 103, pelo menos no primeiro lado 101 do nanoporo 100, substancialmente sem impedimento estérico ou outra interferência causada pelo corpo alongado em si. Ou seja, o corpo alongado 113 pode ser configurado de modo a ocupar apenas uma porção do volume da abertura 103 no primeiro lado 101 do nanoporo 100, por exemplo, de modo a ocupar menos de 50% do volume da abertura 103 no primeiro lado 101 do nanoporo 100, ou menos de 20% do volume da abertura 103 no primeiro lado 101 do nanoporo 100, ou menos de 10% do volume da abertura 103 no primeiro lado 101 do nanoporo 100, ou menos de 5% do volume da abertura 103 no primeiro lado 101 do nanoporo 100, ou menos de 1% do volume da abertura 103 no primeiro lado 101 do nanoporo 100. Além disso, na modalidade ilustrada nas figuras 1A a 1D, a região de cauda 112 da corrente 110 pode ser solta do nanoporo 100 ou de qualquer outro membro, permitindo, assim, um movimento relativamente livre de todo o corpo alongado 113 em relação à região de cabeça 111. Alternativamente, nas modalidades como descritas abaixo com referência às figuras 4A a 4F, 5A a 5D e 6, a região de cauda 112 pode ser ligada a outro membro a fim de inibir a dissociação da polimerase 130 do nanoporo 100.[0095] The length of the elongated body 113 may be selected so as to permit relatively free movement of the elongated body 113 within the opening 103, at least on the first side 101 of the nanopore 100, substantially without steric hindrance or other interference caused by the elongated body in itself. That is, the elongated body 113 may be configured so as to occupy only a portion of the volume of the opening 103 in the first side 101 of the nanopore 100, for example, so as to occupy less than 50% of the volume of the opening 103 in the first side 101 of the nanopore 100, or less than 20% of the volume of the opening 103 in the first side 101 of the nanopore 100, or less than 10% of the volume of the opening 103 in the first side 101 of the nanopore 100, or less than 5% of the volume of the opening 103 on the first side 101 of the nanopore 100, or less than 1% of the volume of the opening 103 on the first side 101 of the nanopore 100. Furthermore, in the embodiment illustrated in Figures 1A to 1D, the tail region 112 of the chain 110 can be released from the nanopore 100 or any other member, thereby allowing relatively free movement of the entire elongated body 113 relative to the head region 111. Alternatively, in embodiments as described below with reference to Figures 4A to 4F, 5A to 5D and 6 , the tail region 112 can be linked to another member in order to inhibit the dissociation of the polymerase 130 from the nanopore 100.

[0096] Em um exemplo não limitante, uma ou mais regiões repórteres 114 podem facilitar a medição do movimento translacional, rotacional ou conformacional ou a presença (ou uma combinação dos mesmos) do corpo alongado 113 responsivo à polimerase 130 que atua sobre o nucleotídeo 120 ou é responsivo a uma alteração conformacional da polimerase 130 com base no nucleotídeo 120 sendo complementar ou não complementar a um próximo nucleotídeo na sequência do segundo polinucleotídeo 140, ou responsivo tanto à polimerase 130 que atua sobre o nucleotídeo 120 e uma alteração conformacional da polimerase 130 com base no nucleotídeo 120 sendo complementar ou não complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo 140. Em uma modalidade exemplar, a dimensão D1 da abertura 103 é adequadamente selecionada a fim de facilitar o uso da(s) região/regiões repórter(es) para medir o movimento do corpo alongado 113. Por exemplo, a abertura 103 pode ser suficientemente estreita para interagir mensuravelmente com uma ou mais regiões repórteres sensíveis ao movimento da(s) região/regiões repórter(es) 114. Como um exemplo, a região repórter 114 tem uma característica de bloqueio elétrico ou de fluxo, e a abertura 103 tem uma largura selecionada de tal forma que o movimento da(s) região/regiões repórter(es) 114 causa uma alteração detectável na corrente ou fluxo através da abertura 103 sob uma tensão aplicada através do nanoporo 100. Por exemplo, os nucleotídeos que são maiores (como A e G) podem resultar em mais bloqueio quando eles estão dispostos em uma abertura, por exemplo, com um marcador alongado disposto na constrição do MspA, em comparação com o T, que tem um marcador alongado menor. Faixas exemplares de correntes ou fluxos de bloqueio em termos de % de corrente ou fluxo de poro aberto incluem de 0 a 10%, de 10% a 20%, de 20% a 30%, de 30% a 40%, de 40% a 50%, de 60% a 70%, de 70% a 80%, de 80% a 90% e de 90% a 100%. Em uma modalidade exemplar, a faixa é entre 20% e 70% para MspA em KCl 300 mM com um viés de 180 mV e uma corrente ou fluxo de poro aberto de 110 pA. Outros exemplos não limitantes das regiões repórteres 114 são fornecidos em maiores detalhes na presente invenção.[0096] In a non-limiting example, one or more reporter regions 114 may facilitate the measurement of translational, rotational or conformational movement or the presence (or a combination thereof) of the elongated body 113 responsive to polymerase 130 acting on nucleotide 120 or is responsive to a conformational change of polymerase 130 based on nucleotide 120 being complementary or noncomplementary to a next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide 140, or responsive to both polymerase 130 acting on nucleotide 120 and a conformational change of polymerase 130 based on the nucleotide 120 being complementary or non-complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide 140. In an exemplary embodiment, the D1 dimension of the opening 103 is suitably selected in order to facilitate the use of the reporter region(s). es) to measure the movement of the elongated body 113. For example, the aperture 103 may be narrow enough to interact measurably with one or more reporter regions sensitive to the movement of the reporter region(s) 114. As an example, the reporter region 114 has an electrical or flow blocking characteristic, and the aperture 103 has a width selected such that movement of the reporter region(s) 114 causes a detectable change in current or flow through the aperture. opening 103 under a voltage applied across the nanopore 100. For example, nucleotides that are larger (such as A and G) may result in more blocking when they are arranged in an opening, for example, with an elongated tag disposed at the constriction of MspA. , compared to the T, which has a smaller elongated marker. Exemplary ranges of blocking currents or flows in terms of % open pore current or flow include 0 to 10%, 10% to 20%, 20% to 30%, 30% to 40%, 40% to 50%, from 60% to 70%, from 70% to 80%, from 80% to 90% and from 90% to 100%. In an exemplary embodiment, the range is between 20% and 70% for MspA in 300 mM KCl with a bias of 180 mV and a current or open pore flux of 110 pA. Other non-limiting examples of reporter regions 114 are provided in greater detail in the present invention.

[0097] Embora a figura 1A ilustre uma disposição exemplar dos componentes do nanoporo 100, da polimerase 130 e da corrente permanente 110, deve ser compreendido que outras disposições podem ser adequadamente usadas. Por exemplo, a polimerase 130 com a região de cabeça 111 ancorada a ela, em vez disso, pode ser disposta adjacente ao segundo lado 102. Ou, por exemplo, a região de cauda 112 da corrente permanente 110, em vez disso, pode ser disposta no primeiro lado 101 do nanoporo 100. Ou, por exemplo, a região de cauda 112 da corrente permanente 110 podem, em vez disso, ser ancorada ao primeiro lado 101 ou ao segundo lado 102 do nanoporo 100, ou a outro membro que é colocado no primeiro lado 101 ou no segundo lado 102 do nanoporo 100. Algumas de tais combinações de características são descritas na presente invenção e nos pedidos de patente provisórios incorporados por referência na presente invenção, mas deve ser notado que todas essas combinações de características são contempladas e podem ser prontamente vislumbradas com base nos ensinamentos na presente invenção.[0097] Although Figure 1A illustrates an exemplary arrangement of the components of the nanopore 100, the polymerase 130 and the permanent current 110, it should be understood that other arrangements may be suitably used. For example, the polymerase 130 with the head region 111 anchored thereto may instead be disposed adjacent to the second side 102. Or, for example, the tail region 112 of the permanent chain 110 may instead be disposed on the first side 101 of the nanopore 100. Or, for example, the tail region 112 of the permanent current 110 may instead be anchored to the first side 101 or the second side 102 of the nanopore 100, or to another member that is placed on the first side 101 or the second side 102 of the nanopore 100. Some of such combinations of features are described in the present invention and in the provisional patent applications incorporated by reference in the present invention, but it should be noted that all such combinations of features are contemplated and can be readily envisioned based on the teachings in the present invention.

[0098] Os comprimentos dos presentes corpos alongados podem variar adequadamente, de modo que as presentes regiões de cauda podem ser dispostas em qualquer local adequado em relação ao nanoporo 100. Por exemplo, o corpo alongado 113 não precisa necessariamente ser suficientemente longo, de modo que a região de cauda 112 seja disposta além do segundo lado 102 do nanoporo 100 da maneira ilustrada nas figuras 1A a 1D. Em vez disso, o corpo alongado 113 pode ser suficientemente longo de modo que a região de cauda 112 seja disposta no primeiro lado 101 do nanoporo 100, ou possa ser suficientemente longa de modo que a região de cauda 112 seja disposta no segundo lado 102 do nanoporo 100, mas não além do segundo lado 102. Além disso, as regiões de cauda presentes não precisam necessariamente se estender livremente, mas em vez disso, elas podem ser ligadas a qualquer membro apropriado.[0098] The lengths of the present elongated bodies may suitably vary, such that the present tail regions may be disposed at any suitable location relative to the nanopore 100. For example, the elongated body 113 does not necessarily need to be sufficiently long, so that the tail region 112 is disposed beyond the second side 102 of the nanopore 100 in the manner illustrated in Figures 1A to 1D. Instead, the elongated body 113 may be long enough so that the tail region 112 is disposed on the first side 101 of the nanopore 100, or it may be long enough so that the tail region 112 is disposed on the second side 102 of the nanopore 100, but not beyond the second side 102. Furthermore, the tail regions present do not necessarily need to extend freely, but instead, they can be attached to any appropriate member.

[0099] Além disso, deve ser notado que qualquer tipo adequado de nanoporo 100, qualquer tipo adequado de polimerase 130 e qualquer tipo adequado da corrente permanente 110 pode ser usado nas modalidades aqui fornecidas, por exemplo, tal como é ilustrado nas figuras 1A a 1D. Por exemplo, conforme observado mais acima, o nanoporo pode incluir um poro biológico, um poro de estado sólido ou um poro híbrido de estado sólido e biológico. Por exemplo, o nanoporo 100 pode incluir um ou mais materiais de estado sólido. Materiais de estado sólido exemplares adequados para uso em um nanoporo de estado sólido incluem silício (Si), nitreto de silício (SiN ou SiNx), grafeno e óxido de silício (SiO2 ou SiOx). Para obter mais detalhes sobre os nanoporos de estado sólido, consulte as referências a seguir, sendo todo o conteúdo delas incorporado por referência na presente invenção: Dekker, “Solid-state nanopores,” Nature Nanotechnology 2: 209-215 (2007); Schneider et al., “DNA Translocation through Graphene Nanopores,” Nano Letters 10: 3163-3167 (2010); Merchant et al. Nano Letters 10:2915-2921 (2010); e Garaj et al., “Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane,” Nature 467: 190-193 (2010). Os poros biológicos incluem, por exemplo, poros de polipeptídeo e poros de polinucleotídeo. Os poros biológicos podem ser dispostos dentro de uma barreira que inclui uma membrana de origem biológica, ou uma membrana de estado sólido. Exemplos não limitantes de nanoporos biológicos incluem MspA e alfa- hemolisina. Membranas exemplares de origem biológica incluem bicamadas lipídicas. Membranas de estado sólido exemplares incluem silício e grafeno. Para obter mais detalhes sobre nanoporos híbridos exemplares e a preparação dos mesmos, consulte as referências a seguir, com todo o conteúdo de cada uma delas sendo incorporado por referência na presente invenção: Hall et al., “Hybrid pore formation by directed insertion of alpha hemolysin into solid-state nanopores,” Nature Nanotechnology 5: 874-877 (2010), e Cabello-Aguilar et al., “Slow translocation of polynucleotides and their discrimination by α-hemolysin inside a single track-etched nanopore designed by atomic layer deposition,” Nanoscale 5: 9582-9586 (2013).[0099] Furthermore, it should be noted that any suitable type of nanopore 100, any suitable type of polymerase 130 and any suitable type of permanent current 110 can be used in the embodiments provided herein, for example, as illustrated in Figures 1A to 1D. For example, as noted above, the nanopore may include a biological pore, a solid-state pore, or a hybrid solid-state and biological pore. For example, nanopore 100 may include one or more solid state materials. Exemplary solid-state materials suitable for use in a solid-state nanopore include silicon (Si), silicon nitride (SiN or SiNx), graphene, and silicon oxide (SiO2 or SiOx). For more details on solid-state nanopores, see the following references, the entire contents of which are incorporated by reference in the present invention: Dekker, “Solid-state nanopores,” Nature Nanotechnology 2: 209-215 (2007); Schneider et al., “DNA Translocation through Graphene Nanopores,” Nano Letters 10: 3163–3167 (2010); Merchant et al. Nano Letters 10:2915-2921 (2010); and Garaj et al., “Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane,” Nature 467: 190–193 (2010). Biological pores include, for example, polypeptide pores and polynucleotide pores. The biological pores can be arranged within a barrier that includes a membrane of biological origin, or a solid-state membrane. Non-limiting examples of biological nanopores include MspA and alpha-hemolysin. Exemplary membranes of biological origin include lipid bilayers. Exemplary solid-state membranes include silicon and graphene. For further details on exemplary hybrid nanopores and their preparation, see the following references, with the entire contents of each being incorporated by reference into the present invention: Hall et al., “Hybrid pore formation by directed insertion of alpha hemolysin into solid-state nanopores,” Nature Nanotechnology 5: 874–877 (2010), and Cabello-Aguilar et al., “Slow translocation of polynucleotides and their discrimination by α-hemolysin within a single track-etched nanopore designed by atomic layer deposition,” Nanoscale 5: 9582–9586 (2013).

[0100] Em algumas modalidades, como descrito em maiores detalhes abaixo com referência às figuras 7A a 7D e 8, a polimerase 130 ilustrada nas figuras 1A a 1D pode ser opcionalmente modificada a fim de atrasar um ou mais parâmetros reacionais durante o uso da composição ilustrada nas figuras 1A a 1D para sequenciar um polinucleotídeo. Por exemplo, a polimerase 130 pode ser opcionalmente modificada a fim de retardar a liberação do pirofosfato responsivo à incorporação do nucleotídeo 130 no primeiro polinucleotídeo 140.[0100] In some embodiments, as described in greater detail below with reference to figures 7A to 7D and 8, the polymerase 130 illustrated in figures 1A to 1D can be optionally modified in order to delay one or more reaction parameters during use of the composition illustrated in Figures 1A to 1D to sequence a polynucleotide. For example, polymerase 130 may be optionally modified in order to delay the release of pyrophosphate responsive to the incorporation of nucleotide 130 into the first polynucleotide 140.

[0101] Além disso, deve ser notado que um grupo de cabeça de uma corrente pode ser ligado a uma polimerase de diferentes maneiras. Por exemplo, uma química de bioconjugado bem conhecida, como a descrita por Hermanson, mencionada acima, pode ser usada. Em modalidades ilustrativas, a polimerase inclui uma porção química para formar uma ligação, como uma cisteína, ou um peptídeo ligante, como um SpyTag. Outras informações em relação aos spytags e ao uso dos mesmos para formar ligações podem ser encontradas, por exemplo, nas referências a seguir, sendo todo o conteúdo de cada uma delas incorporado por referência na presente invenção: Zakeri et al., “Peptide tag forming a rapid covalent bond to a protein, through engineering a bacterial adhesin,” Proc. Nat. Acad. Sci. USA 109: E690-E697 (2012), e Fierer et al., “SpyLigase peptide-peptide ligation polymerases affibodies to enhance magnetic cancer cell capture,” Proc. Nat. Acad. Sci. EUA 111: E1176-E1181 (2014). Outros ligantes exemplares incluem: NHS-ésteres, isocianatos e ligante de isotiocianato de conjugação a aminas, maleimidas a cisteínas, química de clique com azidas a alquinos, uso de marcadores de fusão, como Halotag, Spycatcher-Spytag e outros métodos de bioconjugação proteína-proteína similares. Para informações adicionais sobre ligantes exemplares que podem ser usados, consulte as seguintes referências, sendo todo o conteúdo de cada uma delas incorporado por referência na presente invenção: Hermanson, Bioconjugate Techniques, 2a Ed., Elsevier, 2008; e Liu et al., “Specific Enzyme Immobilization Approaches and Their Application with Nanomaterials,” Topics in Catalysis 55(16-18): 1146-1156 (2012).[0101] Furthermore, it should be noted that a head group of a chain can be linked to a polymerase in different ways. For example, a well-known bioconjugate chemistry, such as that described by Hermanson, mentioned above, can be used. In illustrative embodiments, the polymerase includes a chemical moiety for forming a bond, such as a cysteine, or a linker peptide, such as a SpyTag. Further information regarding spytags and their use to form links can be found, for example, in the following references, the entire contents of each of which are incorporated by reference in the present invention: Zakeri et al., “Peptide tag forming a rapid covalent bond to a protein, through engineering a bacterial adhesin,” Proc. Nat. Acad. Sci. USA 109: E690-E697 (2012), and Fierer et al., “SpyLigase peptide-peptide ligation polymerases affibodies to enhance magnetic cancer cell capture,” Proc. Nat. Acad. Sci. USA 111: E1176-E1181 (2014). Other exemplary ligands include: NHS-esters, isocyanates and isothiocyanate ligand conjugation to amines, maleimides to cysteines, click chemistry with azides to alkynes, use of fusion tags such as Halotag, Spycatcher-Spytag and other protein-bioconjugation methods. similar proteins. For additional information on exemplary ligands that may be used, see the following references, the entire contents of each of which are incorporated by reference into the present invention: Hermanson, Bioconjugate Techniques, 2nd Ed., Elsevier, 2008; and Liu et al., “Specific Enzyme Immobilization Approaches and Their Application with Nanomaterials,” Topics in Catalysis 55(16-18): 1146-1156 (2012).

[0102] Sistemas exemplares para o sequenciamento de polinucleotídeos usando correntes ancoradas às polimerases adjacentes aos nanoporos serão agora descritos com referência às figuras 2A e 2B. A figura 2A ilustra esquematicamente o sistema 270 incluindo uma composição tal como é ilustrada nas figuras 1A a 1D e o circuito de medição (por exemplo, circuito de medição elétrico ou óptico) configurado para medir um estado de corrente ou fluxo com base em um ou em ambos da ligação da primeira porção 115 de um corpo alongado 113 ao marcador alongado 121 do nucleotídeo 120 sobre o qual a polimerase 130 está agindo, e uma indicação de uma ou mais regiões repórteres 114 quando aquele nucleotídeo é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência de um segundo polinucleotídeo (segundo polinucleotídeo não ilustrado especificamente na figura 2A, mas pode ser configurado de forma análoga, a como foi mostrado nas figuras 1A a 1D). O sistema 270 inclui o nanoporo 100, a corrente permanente 110, o nucleotídeo 120, a polimerase 130 e o circuito de medição 230. O nanoporo 100 inclui o primeiro lado 101, o segundo lado 102, a abertura 103 e a constrição 104. A corrente permanente 110 inclui a região de cabeça 111, a região de cauda 112 e o corpo alongado 113. O nucleotídeo 120 inclui o marcador alongado 121 e a segunda porção 122. A polimerase 130 pode ser configurada de maneira análoga a como descrito em outra seção na presente invenção. Além disso, o corpo alongado 113 pode incluir a primeira porção 115 que é configurada para se ligar ao marcador alongado 121 do nucleotídeo 120 no qual a polimerase 130 está atuando, bem como região/regiões repórter(es) 114 configurada(s) para indicar quando o nucleotídeo 120 é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência de um segundo polinucleotídeo (não especificamente ilustrado na figura 2A, mas pode ser configurado de maneira análoga a como é descrito acima com referência às figuras 1A a 1D).[0102] Exemplary systems for sequencing polynucleotides using polymerase-anchored chains adjacent to nanopores will now be described with reference to Figures 2A and 2B. Figure 2A schematically illustrates the system 270 including a composition as illustrated in Figures 1A to 1D and the measurement circuit (e.g., electrical or optical measurement circuit) configured to measure a state of current or flow based on one or more in both the binding of the first portion 115 of an elongated body 113 to the elongated marker 121 of the nucleotide 120 upon which the polymerase 130 is acting, and an indication of one or more reporter regions 114 when that nucleotide is complementary or non-complementary to a next nucleotide in the sequence of a second polynucleotide (second polynucleotide not specifically illustrated in Figure 2A, but may be configured in an analogous manner as shown in Figures 1A to 1D). System 270 includes nanopore 100, permanent current 110, nucleotide 120, polymerase 130, and measurement circuit 230. Nanopore 100 includes first side 101, second side 102, opening 103, and constriction 104. permanent chain 110 includes the head region 111, the tail region 112, and the elongated body 113. The nucleotide 120 includes the elongated marker 121 and the second portion 122. The polymerase 130 may be configured in a manner analogous to as described in another section in the present invention. Furthermore, the elongated body 113 may include the first portion 115 that is configured to bind the elongated marker 121 of the nucleotide 120 on which the polymerase 130 is acting, as well as reporter region(s) 114 configured to indicate when nucleotide 120 is complementary or non-complementary to a following nucleotide in the sequence of a second polynucleotide (not specifically illustrated in Figure 2A, but may be configured in a manner analogous to as described above with reference to Figures 1A to 1D).

[0103] Em um exemplo ilustrativo, o nanoporo 100, a corrente 110, o nucleotídeo 120, a polimerase 130 e o primeiro e segundo polinucleotídeos, como ilustrado nas figuras 1A a 1D, podem ser imersos em um fluido condutivo, por exemplo, em uma solução salina aquosa. O circuito de medição 230 pode estar em comunicação com o primeiro eletrodo 231 e com o segundo eletrodo 232, e pode ser configurado para aplicar uma tensão entre o primeiro eletrodo 231 e o segundo eletrodo 232 a fim de impor uma tensão através do nanoporo 100. Uma tensão de corrente contínua (CC) ou de corrente alternada (CA) pode ser adequadamente usada. Em algumas modalidades, o circuito de medição 230 pode ser adicionalmente configurado para usar o primeiro eletrodo 231 e o segundo eletrodo 232 para medir a magnitude de uma corrente ou fluxo através da abertura 103. Em algumas modalidades, o circuito de medição 230 pode adicionalmente incluir um sensor óptico, biológico ou químico respectivamente configurado para perceber, opticamente, biologicamente ou quimicamente, a magnitude de um fluxo molecular através da abertura 203. Sensores ópticos exemplares incluem CCDs e fotodiodos. Em algumas modalidades, o circuito de medição inclui um ou mais agentes que reagem, quimicamente ou biologicamente, com o fluxo molecular através da abertura 103 a fim de gerar um sinal opticamente detectável. Sinais exemplares (por exemplo, sinais ópticos ou elétricos) que podem ser gerados usando o sistema 270 ilustrado na figura 2A são descritos abaixo com referência às figuras 4F e 6.[0103] In an illustrative example, the nanopore 100, the chain 110, the nucleotide 120, the polymerase 130 and the first and second polynucleotides, as illustrated in Figures 1A to 1D, can be immersed in a conductive fluid, e.g. an aqueous saline solution. The measurement circuit 230 may be in communication with the first electrode 231 and the second electrode 232, and may be configured to apply a voltage between the first electrode 231 and the second electrode 232 in order to impose a voltage across the nanopore 100. A direct current (DC) or alternating current (AC) voltage can be appropriately used. In some embodiments, the measuring circuit 230 may be further configured to use the first electrode 231 and the second electrode 232 to measure the magnitude of a current or flow through the opening 103. In some embodiments, the measuring circuit 230 may additionally include an optical, biological or chemical sensor respectively configured to optically, biologically or chemically sense the magnitude of a molecular flow through aperture 203. Exemplary optical sensors include CCDs and photodiodes. In some embodiments, the measurement circuit includes one or more agents that react, chemically or biologically, with molecular flow through aperture 103 to generate an optically detectable signal. Exemplary signals (e.g., optical or electrical signals) that can be generated using the system 270 illustrated in Figure 2A are described below with reference to Figures 4F and 6.

[0104] A primeira porção 115 do corpo alongado 113 da corrente 110 pode ser configurada para gerar pelo menos um sinal responsivo à polimerase 130 atuando sobre o nucleotídeo 120, sendo o nucleotídeo 120 identificável com base em tal sinal. Por exemplo, como descrito acima com referência à figura 1B e conforme é ilustrado na figura 2A, a primeira porção 115 pode interagir, por exemplo, se ligando, por exemplo, hibridizando com a segunda porção 122 do marcador alongado 121. A ligação da primeira porção 115 à segunda porção 122 pode definir um duplex que é suficientemente grande de modo a não conseguir passar através da constrição 104 do nanoporo 100 e, em vez disso, que pode ficar dentro ou adjacente à constrição 104 sob a tensão que o primeiro eletrodo 231 e o segundo eletrodo 232 aplicam através do nanoporo 100. A porção 122 do marcador alongado 121 pode ser selecionada de modo que o nucleotídeo 120 seja identificável com base no estado da corrente ou do fluxo através da abertura 103 quando o duplex está alojado dentro ou adjacente à constrição 104. Por exemplo, cada tipo diferente de nucleotídeo 120 (por exemplo, A, C, T ou G) pode incluir um respectivo marcador alongado diferente 121 do que o outro, por exemplo, cada um inclui uma segunda porção diferente 122 que se liga a uma porção diferente da primeira porção 115 uma da outra. Em um exemplo não limitante, o marcador alongado 121 inclui uma primeira sequência de nucleotídeos, e a primeira porção 115 inclui uma segunda sequência de nucleotídeos que é complementar à primeira sequência de nucleotídeos. Os circuitos de medição 230 podem ser configurados para medir uma corrente ou estado de fluxo correspondente através da abertura 103. Tal corrente ou estado de fluxo pode basear-se no marcador alongado, sendo o nucleotídeo 120 identificável com base em tal corrente ou estado de fluxo.[0104] The first portion 115 of the elongated body 113 of the chain 110 may be configured to generate at least one polymerase-responsive signal 130 acting on the nucleotide 120, the nucleotide 120 being identifiable based on such signal. For example, as described above with reference to Figure 1B and as illustrated in Figure 2A, the first portion 115 may interact, for example by binding, for example, hybridizing with the second portion 122 of the elongated label 121. Binding of the first portion 115 to second portion 122 may define a duplex that is large enough so that it cannot pass through the constriction 104 of the nanopore 100 and, instead, which may lie within or adjacent to the constriction 104 under the voltage that the first electrode 231 and the second electrode 232 apply through the nanopore 100. The portion 122 of the elongated marker 121 may be selected so that the nucleotide 120 is identifiable based on the state of current or flow through the opening 103 when the duplex is housed within or adjacent to constriction 104. For example, each different type of nucleotide 120 (e.g., A, C, T, or G) may include a respective different elongated marker 121 than the other, e.g., each includes a different second portion 122 that binds to a different portion of the first portion 115 of each other. In a non-limiting example, the elongated marker 121 includes a first nucleotide sequence, and the first portion 115 includes a second nucleotide sequence that is complementary to the first nucleotide sequence. Measuring circuitry 230 may be configured to measure a corresponding current or flow state through opening 103. Such current or flow state may be based on the elongated marker, the nucleotide 120 being identifiable based on such current or flow state. .

[0105] Por exemplo, a porção 122 do marcador alongado 121 de um primeiro nucleotídeo 120 (por exemplo, um de A, C, T ou G) pode incluir uma diferente sequência nucleotídica em relação à porção 122 do marcador alongado 121 de um segundo nucleotídeo 120 (por exemplo, outro de A, C, T ou G) e uma sequência nucleotídica diferente da porção 122 do marcador alongado 122 de um terceiro nucleotídeo 120 (por exemplo, ainda outro de A, C, T ou G), e uma sequência nucleotídica diferentes da porção 122 do marcador alongado 122 de um quarto nucleotídeo 120 (por exemplo, o restante dentre A, C, T ou G). De modo ilustrativo, cada uma das diferentes porções pode se ligar (por exemplo, hibridizar) com uma porção diferente da primeira porção 115 uma da outra e, quando o duplex resultante fica alojado dentro ou adjacente à constrição 104 (ou, de outro modo, quando interage com a constrição 104), resulta em uma corrente ou estado de fluxo diferente um do outro. Além disso ou alternativamente, o alojamento do duplex resultante em ou adjacente à constrição 104 (ou que, de outro modo, interage com a constrição 104) pode fazer com que a(s) região/regiões repórter(es) 114 a serem dispostas dentro da abertura 103 resultem em uma corrente ou estado de fluxo diferente dos outros duplexes e que correspondam àquele nucleotídeo. Por conseguinte, com base na corrente ou estado de fluxo através da abertura, correspondente ao marcador alongado 122 do nucleotídeo particular 120 sob a ação da polimerase 130, tal nucleotídeo é identificável.[0105] For example, the portion 122 of the elongated marker 121 of a first nucleotide 120 (e.g., one of A, C, T or G) may include a different nucleotide sequence relative to the portion 122 of the elongated marker 121 of a second nucleotide 120 (e.g., another from A, C, T, or G) and a nucleotide sequence other than the portion 122 of the elongated marker 122 of a third nucleotide 120 (e.g., yet another from A, C, T, or G), and a nucleotide sequence other than the portion 122 of the elongated marker 122 of a fourth nucleotide 120 (e.g., the remainder of A, C, T or G). Illustratively, each of the different portions may bind (e.g., hybridize) with a different portion of each other's first portion 115 and, when the resulting duplex becomes housed within or adjacent to the constriction 104 (or otherwise, when interacting with constriction 104), results in a current or flow state different from each other. Additionally or alternatively, housing the resulting duplex in or adjacent to the constriction 104 (or otherwise interacting with the constriction 104) may cause the reporter region(s) 114 to be disposed within of opening 103 result in a current or flow state different from the other duplexes and that correspond to that nucleotide. Therefore, based on the current or state of flow through the opening corresponding to the elongated marker 122 of the particular nucleotide 120 under the action of the polymerase 130, such a nucleotide is identifiable.

[0106] A(s) região/regiões repórter(es) 114 pode(m) ter uma propriedade física, química, óptica, elétrica, biológica ou outra de bloqueio de fluxo adequada diferente da de uma ou mais outras regiões do corpo alongado 113, e pode(m) ser configurada(s) para identificar o nucleotídeo 120 ou para indicar quando o nucleotídeo 120 está sob a ação da polimerase 130 ou é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo (não especificamente mostrado na figura 2A, mas pode ser configurado conforme ilustrado nas figuras 1A a 1D), ou ambos, para identificar o nucleotídeo 120 e para indicar quando o nucleotídeo 120 sob a ação da polimerase 130 é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo. Por exemplo, a(s) região/regiões repórter(es) pode(m) fornecer ou gerar uma ou mais assinaturas de corrente ou fluxo únicas (por exemplo, estados de sinal) que identificam, individualmente, o nucleotídeo sob a ação, ou indicam individualmente se aquele nucleotídeo é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte do segundo polinucleotídeo, ou ambos identificam individualmente o nucleotídeo sob a ação e indicam individualmente se aquele nucleotídeo é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte do segundo polinucleotídeo. Por exemplo, a(s) região/regiões repórter(es) pode(m) gerar um estado de sinal (por exemplo, corrente ou estado de fluxo) responsivo a alguns ou a todos os nucleotídeos 120 sendo ligada por, ou que reside(m) em um sítio ativo da polimerase 130, sendo o nucleotídeo 120 complementar ou não complementar a um nucleotídeo seguinte em um polinucleotídeo sendo sequenciado, ou a polimerase 130 incorporando com sucesso o nucleotídeo 120 no segundo polinucleotídeo em uma posição que complementa o nucleotídeo seguinte (não especificamente mostrado na figura 2A, mas pode ser configurado conforme ilustrado nas figuras 1A a 1D).[0106] The reporter region(s) 114 may have a suitable physical, chemical, optical, electrical, biological or other flow-blocking property different from that of one or more other regions of the elongate body 113 , and may be configured to identify nucleotide 120 or to indicate when nucleotide 120 is under the action of polymerase 130 or is complementary or non-complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide (not specifically shown in Figure 2A, but may be configured as illustrated in Figures 1A to 1D), or both, to identify nucleotide 120 and to indicate when nucleotide 120 under the action of polymerase 130 is complementary or non-complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide. For example, the reporter region(s) may provide or generate one or more unique current or flow signatures (e.g., signal states) that individually identify the nucleotide under action, or individually indicate whether that nucleotide is complementary or not complementary to the next nucleotide of the second polynucleotide, or both individually identify the nucleotide under the action and individually indicate whether that nucleotide is complementary or not complementary to the next nucleotide of the second polynucleotide. For example, the reporter region(s) may generate a signal state (e.g., current or flow state) responsive to some or all of the nucleotides 120 being bound by, or residing in, m) in an active site of the polymerase 130, the nucleotide 120 being complementary or non-complementary to a following nucleotide in a polynucleotide being sequenced, or the polymerase 130 successfully incorporating the nucleotide 120 into the second polynucleotide at a position that complements the following nucleotide ( not specifically shown in Figure 2A, but can be configured as illustrated in Figures 1A to 1D).

[0107] Por exemplo, uma magnitude ou um tempo de duração da alteração conformacional da polimerase 130 pode ser responsiva ao nucleotídeo 120 sendo complementar ou não complementar ao próximo nucleotídeo do segundo polinucleotídeo, e uma magnitude ou um tempo de duração, ou ambos, do sinal correspondente pode ser baseado na alteração conformacional da polimerase 130. De modo ilustrativo, em algumas modalidades, o circuito de medição 130 pode ser configurado para detectar a posição da(s) região/regiões repórter(es) 114 em relação à constrição 104, cuja posição pode indicar quando o nucleotídeo no qual a polimerase 130 está agindo é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo. Por exemplo, a posição da(s) região/regiões repórter(es) 114 pode basear-se em uma alteração conformacional da polimerase 130 que pode ocorrer quando a polimerase 130 adiciona com êxito o nucleotídeo 120 ao primeiro polinucleotídeo de maneira tal como é descrito em outras seções da presente invenção. Além disso, como é observado em outras seções na presente invenção, em algumas modalidades, a posição da(s) região/regiões repórter(es) 114 em relação à constrição 104 pode basear-se na identidade do nucleotídeo 120. Por conseguinte, um estado de sinal particular (por exemplo, uma corrente ou estado de fluxo) que pode ser medido (por exemplo, opticamente ou eletricamente) pelo sistema 270 pode indicar um ou ambos da identidade do nucleotídeo 120 e se o nucleotídeo 120 é complementar ou não a um nucleotídeo seguinte em um polinucleotídeo sendo sequenciado.[0107] For example, a magnitude or duration of the conformational change of polymerase 130 may be responsive to nucleotide 120 being complementary or non-complementary to the next nucleotide of the second polynucleotide, and a magnitude or duration of time, or both, of corresponding signal may be based on the conformational change of the polymerase 130. Illustratively, in some embodiments, the measurement circuit 130 may be configured to detect the position of the reporter region(s) 114 relative to the constriction 104, the position of which may indicate when the nucleotide on which polymerase 130 is acting is complementary or not complementary to the next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide. For example, the position of the reporter region(s) 114 may be based on a conformational change of polymerase 130 that may occur when polymerase 130 successfully adds nucleotide 120 to the first polynucleotide in a manner as described. in other sections of the present invention. Furthermore, as noted in other sections of the present invention, in some embodiments, the position of the reporter region(s) 114 relative to the constriction 104 may be based on the identity of the nucleotide 120. Therefore, a A particular signal state (e.g., a current or flow state) that can be measured (e.g., optically or electrically) by system 270 may indicate one or both of the identity of nucleotide 120 and whether or not nucleotide 120 is complementary to a following nucleotide in a polynucleotide being sequenced.

[0108] Como outro exemplo, a região repórter 114 pode ter uma propriedade física diferente de algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado 113. Por exemplo, a região repórter 114 pode causar uma corrente ou fluxo de bloqueio diferencial através da abertura 103 em comparação com outras regiões do corpo alongado 113. Além disso ou alternativamente, a região repórter 114 pode ter uma propriedade de bloqueio de fluxo ou elétrica diferente do que algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado 113. Por exemplo, a região repórter 114 pode incluir uma carga eletrostática, enquanto algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado 113 podem incluir uma carga eletrostática diferente, ou podem ser descarregadas (por exemplo, podem ser eletricamente neutras). Ou, por exemplo, a região repórter 114 pode ser descarregada, enquanto algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado 113 podem incluir uma carga eletrostática. Ou, por exemplo, a região repórter 114 pode ter uma propriedade física. As propriedades físicas incluem o volume e a forma da região repórter 114. Em um exemplo ilustrativo, o movimento da região repórter 114 dentro da abertura 103 provoca uma mudança mensurável na corrente ou no fluxo através da abertura, ou uma constrição opcional 104 na mesma, por meio da modulação de um fluxo ou corrente de bloqueio através da abertura ou constrição. Ou, por exemplo, a região repórter 114 pode ter uma propriedade química ou biológica que facilita a detecção química ou biológica. As propriedades químicas ou biológicas incluem a presença de um grupo químico ou biológico, por exemplo, de um grupo radioativo ou de um grupo com atividade enzimática.[0108] As another example, the reporter region 114 may have a different physical property than some or all of the other regions of the elongate body 113. For example, the reporter region 114 may cause a differential blocking current or flow through the opening 103 in comparison with other regions of the elongate body 113. Additionally or alternatively, the reporter region 114 may have a different electrical or flow blocking property than some or all of the other regions of the elongate body 113. For example, the reporter region 114 may include an electrostatic charge, while some or all other regions of the elongated body 113 may include a different electrostatic charge, or may be discharged (e.g., may be electrically neutral). Or, for example, the reporter region 114 may be discharged, while some or all of the other regions of the elongate body 113 may include an electrostatic charge. Or, for example, reporter region 114 may have a physical property. Physical properties include the volume and shape of the reporter region 114. In an illustrative example, movement of the reporter region 114 within the opening 103 causes a measurable change in current or flow through the opening, or an optional constriction 104 thereof. by modulating a flow or blocking current through the opening or constriction. Or, for example, reporter region 114 may have a chemical or biological property that facilitates chemical or biological detection. Chemical or biological properties include the presence of a chemical or biological group, for example, a radioactive group or a group with enzymatic activity.

[0109] Uma ou mais propriedades elétricas, físicas, químicas, ópticas, biológicas ou outras de bloqueio de fluxo da região repórter pode causar uma mudança mensurável na corrente através da abertura 103 ou constrição 104, uma mudança mensurável no fluxo de moléculas através da abertura 103 ou da constrição 104, ou um sinal óptico. Em um exemplo ilustrativo, o movimento ou a presença da região repórter 114 dentro da abertura 103 provoca uma mudança mensurável em uma corrente através da abertura 103 ou da constrição 104, ou provoca uma mudança mensurável no fluxo de moléculas através da abertura 103 ou constrição 104, em que a mudança no fluxo pode ser eletricamente, quimicamente, biologicamente ou opticamente detectável. Por exemplo, a presença ou o movimento da região repórter 114 dentro da abertura 103 ou da constrição 104 pode causar um bloqueio de corrente iônico ou um bloqueio de fluxo molecular, que pode ser detectado opticamente, eletricamente, quimicamente ou biologicamente. De modo ilustrativo, um gradiente de uma molécula no lado trans pode criar um fluxo de molécula natural que pode ser parcialmente bloqueado pela região repórter 114. O circuito de medição 130 pode ser configurado para medir tal fluxo molecular não eletricamente (por exemplo, opticamente) usando fluxos de moléculas luminescentes (por exemplo, fluorescentes ou quimiluminescentes, ou fluxos de reagentes que se tornam quimiluminescentes na presença de outros reagentes. Por exemplo, o Ca2+ pode fluir de um lado do nanoporo para o outro lado, onde ele encontra um corante sensível ao cálcio, como Fluo-2, Fluo-4, Fluo-8 ou similar, para induzir a fluorescência. Outros pares de reagentes que podem ser usados incluem, mas não se limitam, ao luminol e oxidantes, cálcio e aequorina, ou ATP e luciferase, para citar alguns. Para obter mais detalhes a respeito da detecção óptica de fluxos moleculares através de uma abertura ou constrição, consulte Ivankin et al., “Label-Free Optical Detection of Biomolecular Translocation through Nanopore Arrays,” ACSNano 8(10): 10774-10781 (2014), todo o conteúdo do qual sendo incorporado por referência na presente invenção.[0109] One or more electrical, physical, chemical, optical, biological or other flow-blocking properties of the reporter region may cause a measurable change in current through the opening 103 or constriction 104, a measurable change in the flow of molecules through the opening 103 or constriction 104, or an optical signal. In an illustrative example, the movement or presence of the reporter region 114 within the opening 103 causes a measurable change in a current through the opening 103 or constriction 104, or causes a measurable change in the flow of molecules through the opening 103 or constriction 104. , wherein the change in flow may be electrically, chemically, biologically, or optically detectable. For example, the presence or movement of the reporter region 114 within the opening 103 or the constriction 104 can cause an ionic current block or a molecular flow block, which can be detected optically, electrically, chemically, or biologically. Illustratively, a gradient of a molecule on the trans side can create a natural molecule flow that can be partially blocked by the reporter region 114. The measurement circuit 130 can be configured to measure such molecular flow non-electrically (e.g., optically). using streams of luminescent (e.g., fluorescent or chemiluminescent) molecules, or streams of reactants that become chemiluminescent in the presence of other reactants. For example, Ca2+ can flow from one side of the nanopore to the other side, where it encounters a sensitive dye to calcium, such as Fluo-2, Fluo-4, Fluo-8 or similar, to induce fluorescence. Other pairs of reagents that can be used include, but are not limited to, luminol and oxidants, calcium and aequorin, or ATP and oxidants. luciferase, to name a few. For more details regarding the optical detection of molecular flows through an opening or constriction, see Ivankin et al., “Label-Free Optical Detection of Biomolecular Translocation through Nanopore Arrays,” ACSNano 8(10) : 10774-10781 (2014), the entire contents of which are incorporated by reference in the present invention.

[0110] Em modalidades não limitantes, como descrito em maiores detalhes abaixo com referência às figuras 4A a 4F, 5A a 5D e 6, a aplicação de uma tensão suficientemente alta através do nanoporo 100 pode fazer com que a primeira porção 115 e a segunda porção 122 que formam um duplex se dissociem uma da outra, após o que uma ou mais regiões repórteres 114 podem ser dispostas em uma posição dentro da abertura 103 que se baseia no estado conformacional da polimerase 130. Nesse sentido, com base em um primeiro estado de sinal, o nucleotídeo 120 pode ser identificável, e um segundo estado de sinal pode indicar o estado conformacional da polimerase 130, que pode indicar quando o nucleotídeo 120 é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo. A tensão através do nanoporo 100 pode ser repetidamente revertida a fim de facilitar a ligação repetida da primeira porção e da segunda porção uma à outra, seguido pela medição do primeiro estado de sinal, seguido pela dissociação da primeira porção e da segunda porção uma da outra, seguido pela medição do segundo estado de sinal, para um número desejado de vezes, a fim de identificar o nucleotídeo 120 no qual a polimerase 130 está agindo e para determinar se o nucleotídeo 120 é complementar ou não é complementar a um próximo nucleotídeo na sequência do segundo polinucleotídeo com a precisão desejada.[0110] In non-limiting embodiments, as described in greater detail below with reference to Figures 4A to 4F, 5A to 5D and 6, application of a sufficiently high voltage across the nanopore 100 can cause the first portion 115 and the second portion 122 that form a duplex dissociate from each other, after which one or more reporter regions 114 may be arranged in a position within the opening 103 that is based on the conformational state of the polymerase 130. In this sense, based on a first state signal state, nucleotide 120 may be identifiable, and a second signal state may indicate the conformational state of polymerase 130, which may indicate when nucleotide 120 is complementary or non-complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide. The voltage across the nanopore 100 can be repeatedly reversed in order to facilitate repeated binding of the first portion and the second portion to each other, followed by measurement of the first signal state, followed by dissociation of the first portion and the second portion from each other. , followed by measuring the second signal state, for a desired number of times, in order to identify the nucleotide 120 on which the polymerase 130 is acting and to determine whether the nucleotide 120 is complementary or not complementary to a next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide with the desired precision.

[0111] Sob este aspecto, observe que as tecnologias de sequenciamento de molécula única em tempo real anteriormente conhecidas são relativamente sujeitas a erros e apresentam precisão, relativamente ruim pois essas tecnologias não podem distinguir suficientemente se um nucleotídeo sendo acionado é complementar ou não é complementar a um próximo nucleotídeo na sequência de um segundo polinucleotídeo, ou se tal nucleotídeo, em vez disso, é um membro de um complexo de “incompatibilidade” com a polimerase e o ácido nucleico primado. Em comparação, as presentes composições, sistemas e métodos podem identificar um nucleotídeo que está sendo acionado, por exemplo, com base em um primeiro estado do sinal, e também podem determinar se o nucleotídeo é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência de um segundo polinucleotídeo (ou seja, uma correspondência), com base em um segundo estado de sinal e, portanto, podem aumentar consideravelmente a precisão do sequenciamento do polinucleotídeo. Deve ser notado que outros esquemas para gerar estados de sinal indicando se o nucleotídeo complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência de um segundo polinucleotídeo, tais como é aqui apresentado, pode aumentar, de forma análoga, a precisão do sequenciamento do polinucleotídeo.[0111] In this regard, note that previously known real-time single-molecule sequencing technologies are relatively error-prone and have relatively poor accuracy as these technologies cannot sufficiently distinguish whether a nucleotide being triggered is complementary or non-complementary. to a next nucleotide in the sequence of a second polynucleotide, or if such a nucleotide is instead a member of an “incompatibility” complex with the polymerase and the primed nucleic acid. In comparison, the present compositions, systems and methods can identify a nucleotide that is being triggered, for example, based on a first state of the signal, and can also determine whether the nucleotide is complementary or non-complementary to a following nucleotide in the sequence. of a second polynucleotide (i.e., a match), based on a second signal state, and can therefore greatly increase the accuracy of polynucleotide sequencing. It should be noted that other schemes for generating signal states indicating whether or not the complementary nucleotide is complementary to a following nucleotide in the sequence of a second polynucleotide, such as is presented herein, can analogously increase the accuracy of polynucleotide sequencing. .

[0112] Por exemplo, cada uma das uma ou mais regiões repórteres 114 pode ter uma propriedade física diferente de algumas ou de todas as outras regiões do corpo alongado 113. Em algumas modalidades, a(s) região/regiões repórter(es) 114 pode(m) causar uma corrente ou fluxo de bloqueio diferencial através da abertura 103 em comparação com outras regiões do corpo alongado 113. Além disso, ou alternativamente, a(s) região/regiões repórter(es) 114 podem ter uma propriedade de bloqueio elétrico ou de fluxo diferente do que algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado 113. Por exemplo, a(s) região/regiões repórter(es) 114 pode(m) incluir uma carga eletrostática, enquanto algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado 113 podem incluir uma carga eletrostática diferente, ou podem ser descarregadas (por exemplo, podem ser eletricamente neutras). Ou, por exemplo, a(s) região/regiões repórter(es) 114 pode(m) ser descarregadas, enquanto algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado 113 podem incluir uma carga eletrostática. O estado (por exemplo, a magnitude) da corrente ou do fluxo através da abertura 103 pode basear-se na posição da(s) região/regiões repórter(es) 114 dentro da abertura 103, que pode ser baseada no estado conformacional da polimerase 130, e o período de tempo para a corrente ou estado de fluxo pode ser baseado na duração da mudança de posição de uma ou mais regiões repórteres. Em um exemplo ilustrativo não limitante, o corpo alongado 113 inclui um polinucleotídeo que inclui um ou mais nucleotídeos abásicos que definem uma ou mais regiões repórteres 114.[0112] For example, each of the one or more reporter regions 114 may have a physical property different from some or all of the other regions of the elongate body 113. In some embodiments, the reporter region(s) 114 may cause a differential blocking current or flow through the opening 103 compared to other regions of the elongate body 113. Additionally, or alternatively, the reporter region/regions 114 may have a blocking property. different electrical or flux than some or all other regions of the elongated body 113. For example, the reporter region(s) 114 may include an electrostatic charge, while some or all of the other regions of the elongated body 113 may include a different electrostatic charge, or may be discharged (e.g., may be electrically neutral). Or, for example, the reporter region(s) 114 may be discharged, while some or all of the other regions of the elongate body 113 may include an electrostatic charge. The state (e.g., magnitude) of the current or flow through the opening 103 may be based on the position of the reporter region(s) 114 within the opening 103, which may be based on the conformational state of the polymerase. 130, and the time period for the current or flow state may be based on the duration of the change in position of one or more reporter regions. In a non-limiting illustrative example, the elongated body 113 includes a polynucleotide that includes one or more abasic nucleotides that define one or more reporter regions 114.

[0113] Em uma modalidade ilustrativa, o nanoporo 100 é um nanoporo biológico. Exemplos não limitantes de nanoporos biológicos incluem MspA e alfa-hemolisina. A região repórter 114 da corrente 111 pode incluir um ou mais resíduos básicos configurados para serem posicionados dentro ou adjacente a uma ou mais constrições 104 do nanoporo biológico. O movimento de um ou mais resíduos abásicos adequadamente posicionados através de uma constrição de qualquer poro pode resultar em um sinal prontamente detectável, por exemplo, em uma alteração detectável na corrente ou fluxo através da(s) constrição/constrições 104. Nanoporos biológicos, como MspA e alfa-hemolisina podem incluir, de maneira útil, constrições que podem servir para concentrar o efeito da(s) região/regiões repórter(es) 114. Por exemplo, MspA inclui uma única constrição com um diâmetro de aproximadamente 1,2 nm e um comprimento de aproximadamente 0,5 nm, pode proporcionar uma resolução espacial adequada porque a magnitude do bloqueio do fluxo ou da corrente iônica através da constrição é principalmente baseado no segmento de corpo alongado enfiado na região estreita (constrição) do nanoporo.[0113] In an illustrative embodiment, nanopore 100 is a biological nanopore. Non-limiting examples of biological nanopores include MspA and alpha-hemolysin. The reporter region 114 of the chain 111 may include one or more basic residues configured to be positioned within or adjacent to one or more constrictions 104 of the biological nanopore. Movement of one or more suitably positioned abasic residues through a constriction of any pore can result in a readily detectable signal, for example, in a detectable change in current or flow through the constriction/constrictions 104. Biological nanopores, such as MspA and alpha-hemolysin may usefully include constrictions that may serve to concentrate the effect of the reporter region(s) 114. For example, MspA includes a single constriction with a diameter of approximately 1.2 nm and a length of approximately 0.5 nm, can provide adequate spatial resolution because the magnitude of flow blockage or ionic current through the constriction is mainly based on the elongated body segment threaded into the narrow region (constriction) of the nanopore.

[0114] Em uma modalidade ilustrativa, uma ou mais regiões repórteres 114 incluem uma carga eletrostática, e cada um do primeiro e segundo estados do sinal gerados pelo sistema 270, que são respectivamente responsivos à polimerase que atua sobre o nucleotídeo 120 (para o primeiro estado do sinal) e indicam quando o nucleotídeo 120 é complementar ou não é complementar ao próximo nucleotídeo do segundo polinucleotídeo (para o segundo estado do sinal) inclui um estado da corrente ou fluxo através da constrição 104. No entanto, deve ser entendido que o circuito de medição 230 pode incluir, ou estar em comunicação com qualquer elemento ou combinação de elementos que facilita a medição de qualquer/quaisquer região/regiões repórter(es) adequada(s) e não precisa ser necessariamente baseado na medição da corrente ou do fluxo através da constrição 104 ou até mesmo no movimento da(s) região/regiões repórter(es). Além disso, a(s) região/regiões repórter(es) 114 não precisa(m) estar necessariamente ligada(s) à corrente 110 e, em vez disso, elas podem se ligar a um nucleotídeo 120 ou a outra molécula acionada, ou pode(m) estar ligada(s) à polimerase 130. Por exemplo, a Publicação do Pedido de Patente Norte-Americano N° 2011/0312529, de He et al., cujo conteúdo é incorporado por referência na presente invenção, divulga exemplares de polimerases modificadas que podem indicar um estado conformacional da polimerase, por exemplo, estando conformacionalmente marcado.[0114] In an illustrative embodiment, one or more reporter regions 114 include an electrostatic charge, and each of the first and second signal states generated by system 270, which are respectively responsive to the polymerase acting on nucleotide 120 (for the first signal state) and indicate when nucleotide 120 is complementary or non-complementary to the next nucleotide of the second polynucleotide (for the second signal state) includes a state of current or flow through constriction 104. However, it should be understood that the measurement circuit 230 may include, or be in communication with, any element or combination of elements that facilitates measurement of any suitable reporter region(s) and need not necessarily be based on measurement of current or flow through constriction 104 or even in the movement of the reporter region(s). Furthermore, the reporter region(s) 114 need not necessarily be linked to chain 110 and, instead, they may bind to a nucleotide 120 or other driven molecule, or may be linked to polymerase 130. For example, U.S. Patent Application Publication No. 2011/0312529, to He et al., the contents of which are incorporated by reference in the present invention, discloses exemplary modified polymerases that can indicate a conformational state of the polymerase, for example, being conformationally marked.

[0115] As propriedades particulares da uma ou mais regiões repórteres, por exemplo, da(s) região/regiões repórter(es) 114 ou de uma região repórter localizada em outras partes da composição e do sistema, podem ser selecionadas com base na configuração particular do sistema 270 a fim de facilitar a medição daquela(s) região/regiões repórter(es). Por exemplo, uma ou mais das regiões repórteres podem ter uma propriedade óptica, e o sistema 270 pode incluir, ou estar em comunicação, com um sensor óptico configurado para medir a propriedade óptica e gerar um ou mais estados de sinal com base na identidade do nucleotídeo 120 ou quando o nucleotídeo 120 sobre o qual a polimerase 130 está agindo é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo (não especificamente ilustrado na figura 2A, mas pode ser configurado como descrito com referência às figuras 1A a 1D) ou com base tanto na identidade do nucleotídeo 120 como em quando o nucleotídeo 120 no qual a polimerase 130 está agindo é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo. Em uma modalidade ilustrativa, a(s) região/regiões repórter(es) 114 ou outra região repórter disposta em outros lugares na composição e no sistema pode(m) incluir um primeiro parceiro de par FRET, por exemplo, um doador ou aceptor FRET, que interage com um segundo parceiro de par FRET correspondente, por exemplo, com um aceptor ou doador FRET, de modo a emitir luz de um comprimento de onda particular que o circuito de medição 230 é configurado para detectar. Ou, por exemplo, a(s) região/regiões repórter(es) 114 ou outra região repórter disposta em outro lugar na composição e no sistema pode(m) ter uma propriedade química ou biológica, e o sistema 270 pode incluir, ou estar em comunicação com um sensor químico ou biológico configurado para medir a propriedade química ou biológica, e isso gera um segundo estado de sinal quando o nucleotídeo 120 no qual a polimerase 130 está atuando, é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo (não especificamente ilustrado na figura 2A, mas pode ser configurado como descrito com referência às figuras 1A a 1D). Como outro exemplo, a região repórter pode proporcionar um bloqueio de fluxo molecular que modula o fluxo das moléculas através da abertura ou constrição, cujo fluxo pode ser detectado opticamente, eletricamente, quimicamente ou biologicamente.[0115] The particular properties of the one or more reporter regions, e.g., of the reporter region(s) 114 or of a reporter region located elsewhere in the composition and system, may be selected based on the configuration particular system 270 in order to facilitate the measurement of that reporter region(s). For example, one or more of the reporter regions may have an optical property, and the system 270 may include, or be in communication with, an optical sensor configured to measure the optical property and generate one or more signal states based on the identity of the nucleotide 120 or when the nucleotide 120 on which the polymerase 130 is acting is complementary or non-complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide (not specifically illustrated in Figure 2A, but may be configured as described with reference to Figures 1A to 1D) or based on both the identity of the nucleotide 120 and whether the nucleotide 120 on which the polymerase 130 is acting is complementary or non-complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide. In an illustrative embodiment, the reporter region(s) 114 or other reporter region disposed elsewhere in the composition and system may include a first FRET pair partner, e.g., a FRET donor or acceptor. , which interacts with a corresponding second FRET pair partner, e.g., with a FRET acceptor or donor, so as to emit light of a particular wavelength that measurement circuit 230 is configured to detect. Or, for example, the reporter region(s) 114 or other reporter region disposed elsewhere in the composition and system may have a chemical or biological property, and the system 270 may include, or be in communication with a chemical or biological sensor configured to measure the chemical or biological property, and this generates a second signal state when the nucleotide 120 on which the polymerase 130 is acting, is complementary or is not complementary to a following nucleotide in the sequence of second polynucleotide (not specifically illustrated in Figure 2A, but may be configured as described with reference to Figures 1A to 1D). As another example, the reporter region can provide a molecular flow block that modulates the flow of molecules through the opening or constriction, which flow can be detected optically, electrically, chemically or biologically.

[0116] Em um exemplo não limitante, o circuito de medição 230 é configurado para medir um estado do sinal gerado pela(s) região/regiões repórter 114 responsiva(s) à liberação do pirofosfato ou de outro oxiânion de fósforo responsivo à polimerase 130 incorporando com sucesso o nucleotídeo 120 no primeiro polinucleotídeo (não especificamente ilustrado na figura 2A, mas pode ser configurado como descrito com referência às figuras 1A a 1D). Por exemplo, a(s) região/regiões repórter(es) 114 pode(m) ser configurada(s) para se ligar ao pirofosfato que é liberado em resposta à polimerase 130 incorporando com sucesso o nucleotídeo 120 no primeiro polinucleotídeo de forma análoga à descrita abaixo, com referência às figuras 11A a 11C.[0116] In a non-limiting example, measurement circuit 230 is configured to measure a state of the signal generated by reporter region(s) 114 responsive to the release of pyrophosphate or other phosphorus oxyanion responsive to polymerase 130 successfully incorporating nucleotide 120 into the first polynucleotide (not specifically illustrated in Figure 2A, but can be configured as described with reference to Figures 1A to 1D). For example, the reporter region(s) 114 may be configured to bind pyrophosphate that is released in response to polymerase 130 successfully incorporating nucleotide 120 into the first polynucleotide in a manner analogous to described below, with reference to figures 11A to 11C.

[0117] Sob este respeito, note que a polimerase 130 pode ser opcionalmente modificada a fim de retardar a liberação do pirofosfato responsivo à incorporação do nucleotídeo 120 no primeiro polinucleotídeo. Por exemplo, em algumas modalidades, a polimerase 130 pode incluir uma polimerase Φ29, B103, GA-1, PZA, Φ15, BS32, M2Y, Nf, G1, Cp- 1, PRD1, PZE, SF5, Cp-5, Cp-7, PR4, PR5, PR722 ou L17 recombinante modificada. Em algumas modalidades, a polimerase 130 pode incluir uma DNA polimerase Φ29 recombinante modificada tendo pelo menos uma substituição de aminoácido ou combinação de substituições selecionada do grupo consistindo em: uma substituição de aminoácido na posição 484; uma substituição de aminoácido na posição 198 e uma substituição de aminoácido na posição 381. Em algumas modalidades, a polimerase 130 pode incluir uma DNA polimerase Φ29 recombinante modificada tendo pelo menos uma substituição de aminoácido ou combinação de substituições selecionada do grupo consistindo em E375Y, K512Y, T368F, A484E, A484Y, N387L, T372Q, T372L, K478Y, 1370W, F198W e L381A. Para obter mais detalhes sobre polimerases modificadas exemplares que podem atrasar a liberação do pirofosfato responsivo à incorporação de um nucleotídeo em um polinucleotídeo, consulte a patente Norte-Americana N° 8.133.672 para Bjornson et al., cujo conteúdo é incorporado na presente invenção por referência.[0117] In this regard, note that polymerase 130 can be optionally modified in order to delay the release of the pyrophosphate responsive to the incorporation of nucleotide 120 into the first polynucleotide. For example, in some embodiments, polymerase 130 may include a polymerase Φ29, B103, GA-1, PZA, Φ15, BS32, M2Y, Nf, G1, Cp-1, PRD1, PZE, SF5, Cp-5, Cp- 7, PR4, PR5, PR722 or modified recombinant L17. In some embodiments, the polymerase 130 may include a modified recombinant DNA polymerase Φ29 having at least one amino acid substitution or combination of substitutions selected from the group consisting of: an amino acid substitution at position 484; an amino acid substitution at position 198 and an amino acid substitution at position 381. In some embodiments, the polymerase 130 may include a modified recombinant DNA polymerase Φ29 having at least one amino acid substitution or combination of substitutions selected from the group consisting of E375Y, K512Y , T368F, A484E, A484Y, N387L, T372Q, T372L, K478Y, 1370W, F198W and L381A. For more details on exemplary modified polymerases that can delay the release of pyrophosphate responsive to the incorporation of a nucleotide into a polynucleotide, see U.S. Patent No. 8,133,672 to Bjornson et al., the contents of which are incorporated into the present invention by reference.

[0118] Em outro exemplo não limitante, o circuito de medição 230 é configurado para medir um estado do sinal gerado pela(s) região/regiões repórter(es) 114 responsiva(s) do marcador alongado 121 responsivo à polimerase 130 incorporando com sucesso o nucleotídeo 120 no primeiro polinucleotídeo (não especificamente ilustrado na figura 2A, mas pode ser configurado como descrito com referência às figuras 1A a 1D). Por exemplo, a(s) região/regiões repórter(es) 114 pode(m) ser configurada(s) para se ligar a uma porção do marcador alongado 121 que é liberado em resposta à polimerase 130 incorporando com sucesso o nucleotídeo 120 no primeiro polinucleotídeo. De modo ilustrativo, se um aptâmero alostérico que pode reconhecer o recém-pirofosfato clivado e sofrer uma alteração conformacional para expor um oligonucleotídeo é posicionado na porção ligante do marcador, este aptâmero pode expor um oligonucleotídeo que se liga à corrente mediante a incorporação bem-sucedida. Essa ligação pode criar um novo estado do sinal de remoção. Por exemplo, em uma modalidade não limitante, o marcador alongado ligado ao nucleotídeo pode incluir duas porções capazes de hibridizar com a corrente da maneira como mostrada nas figuras 11A a 11C. Uma porção como essa pode estar próxima aos fosfatos e, dessa forma, pode ser mantida longe da corrente e próxima do sítio ativo da polimerase. Essa segunda porção pode ser distal em relação ao nucleotídeo e pode ser capaz de se ligar à corrente enquanto o nucleotídeo está no sítio ativo da polimerase. Um primeiro sinal de remoção pode ser criado pela porção distal, contanto que o nucleotídeo seja mantido no sítio ativo e o ciclo de tensão (CA) esteja ocorrendo conforme descrito em outra seção na presente invenção. Esse sinal da porção distal pode ser indicativo do tipo do nucleotídeo no sítio ativo. Com base no nucleotídeo que sai do sítio ativo sem a clivagem do fosfato e incorporação, a porção proximal pode hibridizar com a corrente e pode criar um sinal de remoção que é afetado em virtude de sua fixação restante ao nucleotídeo. Tal estado do sinal pode ser indicativo da não incorporação do nucleotídeo. Com base na clivagem do fosfato e na ocorrência da incorporação, a porção proximal pode hibridizar com a corrente e pode criar um sinal de remoção diferente, contanto que o nucleotídeo não esteja mais presente. Tal estado de sinal pode ser indicativo da incorporação do nucleotídeo e da clivagem do fosfato.[0118] In another non-limiting example, the measurement circuit 230 is configured to measure a state of the signal generated by the reporter region(s) 114 responsive of the elongated marker 121 responsive to the polymerase 130 successfully incorporating nucleotide 120 in the first polynucleotide (not specifically illustrated in Figure 2A, but may be configured as described with reference to Figures 1A to 1D). For example, the reporter region(s) 114 may be configured to bind to a portion of the elongated tag 121 that is released in response to polymerase 130 successfully incorporating nucleotide 120 into the first polynucleotide. Illustratively, if an allosteric aptamer that can recognize newly cleaved pyrophosphate and undergo a conformational change to expose an oligonucleotide is positioned at the linker portion of the tag, this aptamer can expose an oligonucleotide that binds to the chain upon successful incorporation. . This binding can create a new state of the removal signal. For example, in a non-limiting embodiment, the elongated marker linked to the nucleotide may include two portions capable of hybridizing to the chain in the manner shown in Figures 11A to 11C. A portion like this can be close to the phosphates and, therefore, can be kept away from the current and close to the active site of the polymerase. This second portion may be distal to the nucleotide and may be capable of binding to the chain while the nucleotide is in the active site of the polymerase. A first removal signal can be created by the distal portion, as long as the nucleotide is maintained in the active site and the voltage cycle (CA) is occurring as described in another section in the present invention. This signal from the distal portion may be indicative of the type of nucleotide in the active site. Based on the nucleotide leaving the active site without phosphate cleavage and incorporation, the proximal portion can hybridize with the chain and can create a removal signal that is affected by virtue of its remaining attachment to the nucleotide. Such a state of the signal may be indicative of the non-incorporation of the nucleotide. Based on phosphate cleavage and incorporation occurring, the proximal portion may hybridize to the chain and may create a different removal signal as long as the nucleotide is no longer present. Such a signal state may be indicative of nucleotide incorporation and phosphate cleavage.

[0119] Deve-se notar que uma matriz de nanoporos pode ser fornecida para sequenciar uma pluralidade de polinucleotídeos em paralelo um com o outro. Por exemplo, a figura 2B ilustra esquematicamente uma perspectiva plana de um sistema 260 incluindo um circuito de medição 240 configurado para medir o movimento de uma ou mais das respectivas regiões repórteres dentro das respectivas aberturas de uma matriz de nanoporos. Uma pluralidade de sistemas 250, cada um dos quais podendo ser configurado de forma análoga ao sistema 270 descrito acima com referência à figura 2A, pode ser integralmente disposto em um substrato comum como um ao outro, ou pode ser separadamente preparado e disposto adjacente um ao outro. Cada sistema 250 pode incluir o nanoporo 100, uma corrente (corrente não especificamente ilustrado) e um eletrodo endereçável 241. O circuito de medição 240 pode ser configurado de maneira análoga ao circuito de medição 230, pode estar em comunicação elétrica com cada eletrodo endereçável 241 de cada sistema 250 através de um caminho de comunicação adequado, por exemplo, um condutor (comunicação ilustrado para apenas um único sistema 250) e com um eletrodo comum 242. O circuito de medição 240 pode ser configurado para aplicar seletivamente uma tensão através de cada nanoporo 100 aplicando uma tensão através do eletrodo endereçável 241 daquele nanoporo e através do eletrodo comum 242, e para medir seletivamente uma corrente ou fluxo através daquele nanoporo na tensão aplicada. As matrizes análogas podem ser prontamente vislumbradas para outros tipos de sistemas de detecção, por exemplo, sistemas de detecção de luz, químico ou biológico.[0119] It should be noted that a nanopore array can be provided to sequence a plurality of polynucleotides in parallel with each other. For example, Figure 2B schematically illustrates a plan view of a system 260 including a measurement circuit 240 configured to measure the movement of one or more respective reporter regions within respective openings of a nanopore array. A plurality of systems 250, each of which may be configured analogously to the system 270 described above with reference to Figure 2A, may be integrally disposed on a common substrate as each other, or may be separately prepared and disposed adjacent to each other. other. Each system 250 may include the nanopore 100, a current (current not specifically illustrated), and an addressable electrode 241. The measurement circuit 240 may be configured in a manner analogous to the measurement circuit 230 and may be in electrical communication with each addressable electrode 241. of each system 250 through a suitable communication path, e.g., a conductor (communication illustrated for only a single system 250) and with a common electrode 242. The measurement circuit 240 can be configured to selectively apply a voltage across each nanopore 100 by applying a voltage across the addressable electrode 241 of that nanopore and across the common electrode 242, and to selectively measure a current or flow through that nanopore at the applied voltage. Analogous arrays can be readily envisioned for other types of detection systems, for example, light, chemical or biological detection systems.

[0120] Alguns métodos exemplares para o sequenciamento de polinucleotídeos, e composições exemplares que podem ser usadas durante tais métodos, serão agora descritos. Sob um aspecto, um método inclui fornecer um nanoporo incluindo um primeiro lado, um segundo lado e uma abertura que se estende através do primeiro e do segundo lados; fornecer uma pluralidade de nucleotídeos, em que cada um dos nucleotídeos compreende um marcador alongado; e fornecer o primeiro e segundo polinucleotídeos, sendo o primeiro polinucleotídeo complementar ao segundo polinucleotídeo. O método também pode incluir fornecer uma polimerase disposta adjacente ao primeiro lado do nanoporo, com a polimerase configurada para adicionar nucleotídeos da pluralidade dos nucleotídeos ao primeiro polinucleotídeo com base em uma sequência do segundo polinucleotídeo, em que a polimerase é ancorada a uma corrente permanente incluindo uma região de cabeça, uma região de cauda e um corpo alongado disposto entre elas, com o corpo alongado ocorrendo na abertura do nanoporo. O método também pode incluir determinar que um primeiro nucleotídeo está sendo acionado pela polimerase com base na ligação do marcador alongado a uma primeira porção disposta no corpo alongado; e com uma ou mais regiões repórteres dispostas no corpo alongado, indicando quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo.[0120] Some exemplary methods for sequencing polynucleotides, and exemplary compositions that can be used during such methods, will now be described. In one aspect, a method includes providing a nanopore including a first side, a second side, and an opening extending through the first and second sides; providing a plurality of nucleotides, each of the nucleotides comprising an elongated tag; and providing the first and second polynucleotides, the first polynucleotide being complementary to the second polynucleotide. The method may also include providing a polymerase disposed adjacent the first side of the nanopore, with the polymerase configured to add nucleotides of the plurality of nucleotides to the first polynucleotide based on a sequence of the second polynucleotide, wherein the polymerase is anchored to a permanent chain including a head region, a tail region, and an elongated body arranged between them, with the elongated body occurring at the opening of the nanopore. The method may also include determining that a first nucleotide is being activated by the polymerase based on binding of the elongated tag to a first portion disposed in the elongated body; and with one or more reporter regions disposed in the elongated body, indicating when the first nucleotide is complementary or not complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide.

[0121] Por exemplo, a figura 3 mostra um método ilustrativo 300 para sequenciar um polinucleotídeo usando uma composição incluindo uma corrente ancorada a uma polimerase adjacente a um nanoporo. O método 300 inclui fornecer um nanoporo, incluindo um primeiro lado, um segundo lado e uma abertura estendendo-se através do primeiro e do segundo lados (etapa 301). O nanoporo pode ter qualquer configuração apropriada, por exemplo, tal como é descrito acima com referência às figuras 1A a 1D. Por exemplo, o nanoporo 100 ilustrado na figura 1A inclui o primeiro lado 101, o segundo lado 102 e a abertura 103 que se estende através do primeiro e do segundo lados.[0121] For example, Figure 3 shows an illustrative method 300 for sequencing a polynucleotide using a composition including a chain anchored to a polymerase adjacent to a nanopore. Method 300 includes providing a nanopore, including a first side, a second side, and an opening extending through the first and second sides (step 301). The nanopore may have any suitable configuration, for example, as described above with reference to Figures 1A to 1D. For example, the nanopore 100 illustrated in Figure 1A includes the first side 101, the second side 102, and the opening 103 extending through the first and second sides.

[0122] A etapa 301 também pode, mas não necessariamente inclui, preparar o nanoporo. Por exemplo, a etapa 301 pode incluir definir uma barreira e dispor um nanoporo sobre ou na barreira. Métodos de preparação de nanoporos são conhecidos na técnica. Por exemplo, os métodos ilustrativos de preparação de um nanoporo de MspA podem ser encontrados em Butler et al, “Single-molecule DNA detection with an engineered MspA protein nanopore,” Proc. Natl. Acad. Sci. 105: 20647-20652 (2008), todo o conteúdo dos quais sendo incorporado por referência na presente invenção. Ou, por exemplo, os métodos ilustrativos de preparação de um nanoporo de alfa-hemolisina podem ser encontrados em Howorka et al, “Sequence-specific detection of individual DNA strands using engineered nanopores,” Nature Biotechnology 19: 636-639 (2001), e em Clarke et al., “Continuous base identification for single-molecule nanopore DNA sequencing,” Nature Nanotechnology 4: 265-270 (2009), todo o conteúdo de ambos os documentos sendo incorporado por referência na presente invenção.[0122] Step 301 may also, but does not necessarily include, preparing the nanopore. For example, step 301 may include defining a barrier and disposing a nanopore on or in the barrier. Methods for preparing nanopores are known in the art. For example, illustrative methods of preparing an MspA nanopore can be found in Butler et al, “Single-molecule DNA detection with an engineered MspA protein nanopore,” Proc. Natl. Academic. Sci. 105: 20647-20652 (2008), the entire contents of which are incorporated by reference in the present invention. Or, for example, illustrative methods of preparing an alpha-hemolysin nanopore can be found in Howorka et al, “Sequence-specific detection of individual DNA strands using engineered nanopores,” Nature Biotechnology 19: 636-639 (2001), and in Clarke et al., “Continuous base identification for single-molecule nanopore DNA sequencing,” Nature Nanotechnology 4: 265-270 (2009), the entire contents of both documents being incorporated by reference in the present invention.

[0123] O método 300 ilustrado na figura 3 também inclui fornecer uma pluralidade de nucleotídeos, em que cada um dos nucleotídeos inclui um marcador alongado (etapa 302). Por exemplo, a figura 9A ilustra esquematicamente um nucleotídeo exemplar 920 incluindo um marcador alongado 921 incluindo uma segunda porção 922 que interage com a primeira porção 115 da corrente 110 descrita nas figuras 1A a 1D durante o uso na detecção de um nucleotídeo no qual a polimerase 130 está agindo. No exemplo não limitante ilustrado na figura 9A, o marcador alongado 921 do nucleotídeo exemplar 920, por exemplo, T, pode incluir uma porção de oligonucleotídeo 922 ligada ao gama-fosfato do nucleotídeo 920, por exemplo, através de uma ligação delta- fosfato. A porção do oligonucleotídeo 922 pode incluir qualquer sequência adequada de nucleotídeos selecionada para hibridizar com uma sequência correspondente de nucleotídeos dentro da porção 115 da corrente 110. Por exemplo, a porção do oligonucleotídeo 922 ilustrado na figura 9A pode incluir a sequência exemplar 5’ GCAT 3’, e a porção 115 pode incluir a sequência complementar 5’ ATGC 3'.[0123] The method 300 illustrated in Figure 3 also includes providing a plurality of nucleotides, wherein each of the nucleotides includes an elongated label (step 302). For example, Figure 9A schematically illustrates an exemplary nucleotide 920 including an elongated tag 921 including a second portion 922 that interacts with the first portion 115 of chain 110 described in Figures 1A to 1D during use in detecting a nucleotide at which the polymerase 130 is acting. In the non-limiting example illustrated in Figure 9A, the elongated marker 921 of exemplary nucleotide 920, e.g., T, may include an oligonucleotide moiety 922 linked to the gamma-phosphate of nucleotide 920, e.g., via a delta-phosphate bond. The oligonucleotide portion 922 may include any suitable nucleotide sequence selected to hybridize to a corresponding sequence of nucleotides within portion 115 of chain 110. For example, the oligonucleotide portion 922 illustrated in Figure 9A may include the exemplary sequence 5' GCAT 3 ', and portion 115 may include the complementary sequence 5' ATGC 3'.

[0124] Cada tipo diferente de nucleotídeo pode incluir um marcador alongado correspondente que é ligado ao seu fosfato gama de maneira análoga àquela ilustrada na figura 9A, ou ligado de outra forma adequada. Por exemplo, as figuras 9B e 9C ilustram esquematicamente nucleotídeos exemplares, incluindo marcadores alongados incluindo porções respectivas que interagem com uma corrente exemplar durante o uso no sequenciamento de um polinucleotídeo. Conforme ilustrado na figura 9B, os nucleotídeos A, T, C e G podem incluir, respectivamente, marcadores alongados que incluem diferentes porções um do outro, por exemplo, tal como é respectivamente representado por triângulo, diamante, quadrado e círculo. As partes particulares podem ser adequadamente selecionadas a fim de interagir com, por exemplo, hibridizar com uma porção correspondente da corrente permanente, e para induzir diferentes mudanças conformacionais respectivas à corrente. A figura 9C ilustra exemplos não limitantes das porções que podem ser incluídos nos marcadores alongados ilustrados na figura 9B. Cada uma dessas porções pode interagir, por exemplo, hibridizar com uma porção respectiva diferente de uma porção correspondente da corrente permanente, a fim de induzir uma alteração conformacional respectiva diferente da corrente.[0124] Each different type of nucleotide may include a corresponding elongated marker that is linked to its gamma phosphate in a manner analogous to that illustrated in Figure 9A, or linked in another suitable way. For example, Figures 9B and 9C schematically illustrate exemplary nucleotides, including elongated markers including respective portions that interact with an exemplary chain during use in sequencing a polynucleotide. As illustrated in Figure 9B, nucleotides A, T, C and G may respectively include elongated markers that include different portions of each other, for example, as represented by triangle, diamond, square and circle respectively. Particular parts can be suitably selected in order to interact with, for example, hybridize with a corresponding portion of the permanent current, and to induce different conformational changes respective to the current. Figure 9C illustrates non-limiting examples of the portions that may be included in the elongated markers illustrated in Figure 9B. Each such moiety may interact, for example, hybridize with a different respective portion of a corresponding portion of the permanent current, in order to induce a different respective conformational change of the current.

[0125] Por exemplo, a figura 9D ilustra esquematicamente uma corrente exemplar que inclui a região de cabeça 911, a região de cauda 912 e o corpo alongado 913 que inclui um ou mais região repórter 914 e a porção 915. A região de cabeça 911 pode incluir um ligante químico, como um grupo maleimida 3' (“Mal”) para conjugação com um resíduo de cisteína (Cys) no poro. A região de cauda 912 pode incluir um grupo fosfato 5' (“phos”) que é carregado e, dessa forma, auxilia com o fornecimento da corrente através da abertura do poro responsivo a uma tensão aplicada. O corpo alongado 913 pode incluir um polímero, por exemplo, um polinucleotídeo, tal como é ilustrado na figura 9C, ou qualquer outro polímero adequado, como um polímero biológico ou um polímero sintético. A região repórter 914 inclui um ou mais nucleotídeos abásicos denotados como “X” e, em uma modalidade exemplar, podem ser localizados a cerca de 14 a 15 bases da maleimida, que pode ser aproximadamente a distância H2 da boca do poro para a constrição do poro para certos tipos de nanoporos. A porção 915 pode incluir uma sequência de nucleotídeos, por exemplo, GGGTATAT, com a qual cada uma das porções ligadas aos nucleotídeos A, T, C, e G a serem acionadas pode interagir, por exemplo, hibridizar diferentemente do que um ao outro.[0125] For example, Figure 9D schematically illustrates an exemplary chain that includes the head region 911, the tail region 912 and the elongated body 913 that includes one or more reporter region 914 and the portion 915. The head region 911 may include a chemical linker such as a 3' maleimide group (“Mal”) for conjugation with a cysteine (Cys) residue in the pore. The tail region 912 may include a 5' phosphate group (“phos”) that is charged and thus assists with the delivery of current through the opening of the pore responsive to an applied voltage. The elongate body 913 may include a polymer, for example, a polynucleotide, as illustrated in Figure 9C, or any other suitable polymer, such as a biological polymer or a synthetic polymer. Reporter region 914 includes one or more abasic nucleotides denoted as “X” and, in an exemplary embodiment, may be located about 14 to 15 bases from the maleimide, which may be approximately the H2 distance from the mouth of the pore to the constriction of the pore for certain types of nanopores. Portion 915 may include a nucleotide sequence, for example, GGGTATAT, with which each of the nucleotide-linked portions A, T, C, and G to be activated may interact, for example, hybridize differently than to each other.

[0126] Tal como é aqui definido, diferentes tipos de interações entre uma porção de uma corrente permanente ligada a uma polimerase e porções dos nucleotídeos sendo acionadas podem gerar estados de sinal com base nos quais o nucleotídeo pode ser identificado ou com base nos quais pode ser determinado se aquele nucleotídeo é complementar a um nucleotídeo seguinte em um polinucleotídeo sendo sequenciado. As figuras 10A e 10B ilustram esquematicamente o movimento de uma corrente exemplar responsiva à hibridização com uma porção de um marcador alongado de um nucleotídeo exemplar durante o uso no sequenciamento de um polinucleotídeo, de acordo com algumas modalidades da presente invenção. A região de cabeça 1011 da corrente é ancorada na polimerase 1030 que é disposta adjacente ao nanoporo que, opcionalmente, inclui a constrição 1004, e o corpo alongado 1013 estende-se através da abertura 1003, por exemplo, de modo que a região repórter 1014 é disposta dentro ou adjacente à constrição 1014. Na modalidade ilustrada nas figuras 10A e 10B, o corpo alongado 1013 inclui um polinucleotídeo, como um ssDNA, cujos nucleotídeos são representados por barras horizontais 1016. A região repórter 1014 inclui um ou mais sítios abásicos do polinucleotídeo, por exemplo, ssDNA. A porção 1015 inclui uma sequência de nucleotídeos que é selecionada de modo a hibridizar com uma porção correspondente, por exemplo, uma sequência complementar de nucleotídeos de uma etiqueta alongada de um nucleotídeo sendo acionado pela polimerase 1030 (nucleotídeo sendo acionado e seu marcador alongado não estão especificamente ilustrados nas figuras 10A e 10B).[0126] As defined herein, different types of interactions between a portion of a permanent chain bound to a polymerase and portions of the nucleotides being triggered can generate signal states based on which the nucleotide can be identified or based on which it can be determined whether that nucleotide is complementary to a following nucleotide in a polynucleotide being sequenced. Figures 10A and 10B schematically illustrate the movement of an exemplary chain responsive to hybridization with a portion of an elongated marker of an exemplary nucleotide during use in sequencing a polynucleotide, in accordance with some embodiments of the present invention. The head region 1011 of the chain is anchored in the polymerase 1030 that is disposed adjacent to the nanopore that optionally includes the constriction 1004, and the elongated body 1013 extends through the opening 1003, for example, so that the reporter region 1014 10A and 10B, the elongated body 1013 includes a polynucleotide, such as an ssDNA, the nucleotides of which are represented by horizontal bars 1016. The reporter region 1014 includes one or more abasic sites of the polynucleotide, e.g. ssDNA. Portion 1015 includes a nucleotide sequence that is selected to hybridize with a corresponding portion, e.g., a complementary nucleotide sequence of an elongated tag of a nucleotide being driven by polymerase 1030 (the nucleotide being driven and its elongated tag are not specifically illustrated in figures 10A and 10B).

[0127] Conforme ilustrado na figura 10A, antes da ligação da porção 1015 à porção correspondente do nucleotídeo sendo acionado, os nucleotídeos 1016 são espaçados um do outro por aproximadamente 5 angstroms. Além disso, a polimerase 1030 pode ter um estado conformacional que corresponde a um nucleotídeo não ligado por ou não residente em um estado ativo da polimerase. Conforme ilustrado na figura 10B, responsivo à porção 1015 que interage com, por exemplo, hibridiza com a porção correspondente do nucleotídeo sendo acionado por, por exemplo, responsivo às porções que formam um duplex de DNA de fita dupla, o espaçamento entre os nucleotídeos 1016 na porção 1015 diminui até cerca de 3,3 angstroms. A mudança no comprimento da corrente pode ser induzida pela criação do DNA de fita dupla (dsDNA) do ssDNA que é respectivamente incluído na porção 1015 e a porção do marcador do nucleotídeo sendo ativado. Por exemplo, o ssDNA é mais longo que o dsDNA por cerca de 1,5 angstrom por nucleotídeo, que está dentro dos limites de resolução dos presentes sistemas, por exemplo, do sistema 270 ilustrado na figura 2A ou o sistema 260 ilustrado na figura 2C. Cada nucleotídeo pode incluir uma porção de oligonucleotídeo correspondente que é selecionada para criar um comprimento diferente de dsDNA mediante a hibridização daquela porção com a porção 1015, encurtando assim a corrente por uma distância que corresponde ao nucleotídeo sendo acionado pela polimerase 1050. Em algumas modalidades, a fórmula para a quantidade de encurtamento de uma corrente totalmente esticado, como uma corrente estendida através do poro responsivo a uma tensão aplicada, pode ser expressa como:onde N é o número de bases que são hibridizadas, Ds é a distância pela qual a corrente é encurtada, Lss é o comprimento entre os nucleotídeos no ssDNA (aproximadamente 5 Angstrons) e Lds é o comprimento entre os nucleotídeos no dsDNA (aproximadamente 3,3 Angstrons). A linha vertical curta preta na figura 10B indica um evento de hibridização de 5 bases, que encurta a corrente e move a região repórter 1014 para um novo local. Os duplexes de 6, 7 ou 8 bases podem ser ainda mais curtos do que o que é representado na figura 10B, por exemplo, conforme é ilustrado nas figuras 9C e 9D.[0127] As illustrated in Figure 10A, prior to binding of portion 1015 to the corresponding portion of the nucleotide being triggered, nucleotides 1016 are spaced from each other by approximately 5 angstroms. Furthermore, the 1030 polymerase may have a conformational state that corresponds to a nucleotide not bound by or not resident in an active state of the polymerase. As illustrated in Figure 10B, responsive to the portion 1015 that interacts with, for example, hybridizes with the corresponding portion of the nucleotide being driven by, for example, responsive to the portions that form a double-stranded DNA duplex, the spacing between the nucleotides 1016 at portion 1015 it decreases to about 3.3 angstroms. The change in chain length can be induced by the creation of double-stranded DNA (dsDNA) from the ssDNA that is respectively included in the 1015 portion and the tag portion of the nucleotide being activated. For example, ssDNA is longer than dsDNA by about 1.5 angstroms per nucleotide, which is within the resolution limits of the present systems, e.g., the 270 system illustrated in Figure 2A or the 260 system illustrated in Figure 2C. . Each nucleotide may include a corresponding oligonucleotide portion that is selected to create a different length of dsDNA upon hybridization of that portion to the 1015 portion, thereby shortening the chain by a distance that corresponds to the nucleotide being driven by the 1050 polymerase. The formula for the amount of shortening of a fully stretched chain, as a chain stretched across the pore responsive to an applied voltage, can be expressed as: where N is the number of bases that are hybridized, Ds is the distance by which the chain is shortened, Lss is the length between nucleotides in ssDNA (approximately 5 Angstroms), and Lds is the length between nucleotides in dsDNA (approximately 3, 3 Angstroms). The short black vertical line in Figure 10B indicates a 5-base hybridization event, which shortens the chain and moves the 1014 reporter region to a new location. Duplexes of 6, 7 or 8 bases can be even shorter than what is shown in Figure 10B, for example, as shown in Figures 9C and 9D.

[0128] Além disso, com base em se o nucleotídeo sendo acionado é complementar ou não ao nucleotídeo seguinte em um polinucleotídeo sendo sequenciado (polinucleotídeo não especificamente ilustrado), a conformação da polimerase 1030 pode mudar. Por exemplo, como é ilustrado na figura 10B, a polimerase 1030 pode ter uma conformação modificada 1030' com base no nucleotídeo sendo uma correspondência com o nucleotídeo seguinte na sequência do polinucleotídeo sendo sequenciado, que faz com que a(s) região/regiões repórter(es) 1014 sejam dispostas em um local dentro da abertura 1003 que resulta em uma corrente ou fluxo único através da abertura 1003, com base em que pode ser determinado se o nucleotídeo é uma correspondência. Em comparação, a polimerase 1030 pode ter uma conformação modificada diferente (por exemplo, a conformação 1030”, tal como é ilustrado na figura 10C), com base no nucleotídeo não sendo uma correspondência com o nucleotídeo seguinte na sequência do polinucleotídeo sendo sequenciado, que faz com que a(s) região/regiões repórter(es) 1014 sejam dispostas em um local dentro da abertura 1003 que resulta em uma corrente ou fluxo único através da abertura 1003, com base em que pode ser determinado se aquele nucleotídeo é uma não correspondência. Sob este aspecto, note que o estado do sinal particular (por exemplo, o estado de corrente ou fluxo) pode indicar tanto a identidade do nucleotídeo como se aquele nucleotídeo é uma correspondência ou não. Por conseguinte, deve ser compreendido que diferentes estados de sinal, que podem representar a identidades dos nucleotídeos ou se aqueles nucleotídeos são uma correspondência ou uma incompatibilidade, não precisam necessariamente ocorrer em diferentes momentos de um em relação ao outro e, de fato, eles podem ocorrer ao mesmo tempo um como um outro. Por exemplo, um sinal medido (por exemplo, óptico ou eléctrico) pode incluir um composto de mais de um estado de sinal (por exemplo, dois estados de sinal), em que cada um dos estados de sinal fornece informações sobre um ou mais de uma identidade de nucleotídeos ou se tal nucleotídeo é uma correspondência ou não.[0128] Furthermore, based on whether or not the nucleotide being triggered is complementary to the following nucleotide in a polynucleotide being sequenced (polynucleotide not specifically illustrated), the conformation of the polymerase 1030 may change. For example, as illustrated in Figure 10B, the polymerase 1030 may have a modified conformation 1030' based on the nucleotide being a match to the next nucleotide in the sequence of the polynucleotide being sequenced, which causes the reporter region(s) (s) 1014 are arranged at a location within the opening 1003 that results in a single current or flow through the opening 1003, based on which it can be determined whether the nucleotide is a match. In comparison, the 1030 polymerase may have a different modified conformation (e.g., the 1030” conformation, as illustrated in Figure 10C), based on the nucleotide not being a match to the next nucleotide in the sequence of the polynucleotide being sequenced, which causes the reporter region(s) 1014 to be arranged at a location within the opening 1003 that results in a unique current or flow through the opening 1003, based on which it can be determined whether that nucleotide is a non correspondence. In this regard, note that the state of the particular signal (e.g., the current or flow state) can indicate both the identity of the nucleotide and whether that nucleotide is a match or not. Therefore, it must be understood that different signal states, which may represent the identities of the nucleotides or whether those nucleotides are a match or a mismatch, need not necessarily occur at different times relative to one another and, in fact, they may occur at the same time as one another. For example, a measured signal (e.g., optical or electrical) may include a composite of more than one signal state (e.g., two signal states), wherein each of the signal states provides information about one or more of a nucleotide identity or whether such nucleotide is a match or not.

[0129] Observe que as porções ilustradas nas figuras 9A a 9D destinam-se a ser puramente exemplares e não limitantes da invenção. No entanto, as porções ligadas aos nucleotídeos a serem acionadas podem ser selecionadas de modo a satisfazer um ou mais dos seguintes parâmetros e, opcionalmente, todos os seguintes parâmetros: 1. Porções ligadas a diferentes tipos de nucleotídeos do que um outro podem interagir com a porção da corrente de modo a serem distinguíveis umas das outras, por exemplo, através da medição da corrente ou fluxo através da constrição do poro. 2. A estabilidade de um duplex entre a porção do nucleotídeo e a porção correspondente da corrente é suficientemente baixa, de modo que tais porções ligadas aos nucleotídeos “livres” (nucleotídeos que não estão sendo acionados pela polimerase e, dessa forma, interagem transitoriamente com a corrente) interagem apenas brevemente com a porção da corrente, por exemplo, durante menos de 1 mseg. Por exemplo, a estabilidade do duplex entre a porção do nucleotídeo e a porção da corrente pode ser expressa como a Tm, ou temperatura de fusão do duplex. Espera-se que a temperatura operacional do sistema seja de cerca de 20 °C, ou temperatura ambiente. Espera-se que as porções que tenham de cerca de 5 a 8 nucleotídeos de comprimento tenham Tm < 12 °C, que pode proporcionar estabilidade suficientemente baixa em temperatura ambiente, de modo que as porções ligadas aos nucleotídeos “livres” irão interagir apenas brevemente com a porção da corrente. 3. A estabilidade de um duplex entre a porção do nucleotídeo e a porção correspondente da corrente é suficientemente elevada, de modo que quando o nucleotídeo é acionado e mantido no lugar pela polimerase durante os vários milissegundos (1 a 30 ms, por exemplo) durante a incorporação, tal ação aumenta a concentração efetiva da porção do nucleotídeo em relação à porção da corrente, que impulsiona a reação entre as porções adiante e aumenta a estabilidade, de modo que a Tm efetiva do duplex é maior do que 20 °C (ou a temperatura operacional esperada do sistema), por exemplo, é maior que 30° C, maior que 40 °C ou maior que 50 °C. 4. O comprimento do marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado, por exemplo, o comprimento entre a porção e o gama-fosfato, pode ser suficientemente longo de modo que quando a porção é estavelmente hibridizada para a porção correspondente da corrente, não há substancialmente força no nucleotídeo. Se esse comprimento for muito curto, a corrente pode impor uma força sobre o marcador alongado do nucleotídeo, que deverá resultar em uma menor eficácia da polimerase. 5. Com a corrente ligada à polimerase, espera- se que a posição do repórter varie com base em se o nucleotídeo no sítio ativo da polimerase é uma correspondência ou uma incompatibilidade, porque a conformação da polimerase pode ser afetada pela complementaridade do nucleotídeo ao nucleotídeo seguinte no polinucleotídeo sendo sequenciado e, portanto, a posição relativa da região repórter dentro da abertura, por exemplo, em relação à constrição. Dessa forma, a identidade do nucleotídeo, bem como a complementaridade do nucleotídeo, pode ser discernível com base na posição do repórter na constrição do poro.[0129] Note that the portions illustrated in Figures 9A to 9D are intended to be purely exemplary and not limiting of the invention. However, the nucleotide-linked portions to be activated may be selected to satisfy one or more of the following parameters and, optionally, all of the following parameters: 1. Portions linked to different types of nucleotides than one another may interact with the portion of the current so as to be distinguishable from each other, for example, by measuring the current or flow through the pore constriction. 2. The stability of a duplex between the nucleotide portion and the corresponding portion of the chain is sufficiently low that such portions bound to “free” nucleotides (nucleotides that are not being acted upon by the polymerase and thus interact transiently with current) interact only briefly with the current portion, e.g., for less than 1 msec. For example, the stability of the duplex between the nucleotide portion and the chain portion can be expressed as the Tm, or melting temperature of the duplex. The operating temperature of the system is expected to be about 20°C, or room temperature. Moieties that are about 5 to 8 nucleotides in length are expected to have Tm < 12°C, which may provide sufficiently low stability at room temperature that the moieties bound to the “free” nucleotides will interact only briefly with the current portion. 3. The stability of a duplex between the nucleotide portion and the corresponding portion of the chain is sufficiently high that when the nucleotide is triggered and held in place by the polymerase for the several milliseconds (1 to 30 ms, for example) during incorporation, such action increases the effective concentration of the nucleotide portion relative to the chain portion, which drives the reaction between the portions forward and increases stability, so that the effective Tm of the duplex is greater than 20 °C (or the expected operating temperature of the system), for example, is greater than 30°C, greater than 40°C, or greater than 50°C. 4. The length of the elongated tag of the nucleotide being driven, for example, the length between the moiety and the gamma-phosphate, may be sufficiently long so that when the moiety is stably hybridized to the corresponding moiety of the chain, there is substantially no force in the nucleotide. If this length is too short, the current may impose a force on the elongated nucleotide marker, which should result in reduced polymerase effectiveness. 5. With the chain bound to the polymerase, the position of the reporter is expected to vary based on whether the nucleotide in the active site of the polymerase is a match or a mismatch, because the conformation of the polymerase can be affected by the complementarity of the nucleotide to the nucleotide next in the polynucleotide being sequenced and therefore the relative position of the reporter region within the opening, for example, relative to the constriction. In this way, nucleotide identity as well as nucleotide complementarity can be discernible based on the position of the reporter in the pore constriction.

[0130] Para mais informações sobre a hibridização dos oligonucleotídeos entre si, consulte a patente Norte- Americana N° 8,652,779 de Turner et al., sendo todo o conteúdo da mesma incorporado por referência na presente invenção. De acordo com Turner et al., em tal escala de tamanho, um oligonucleotídeo deve amostrar o seu espaço de configuração cerca de 100 vezes mais rápido que uma polimerase pode incorporar um nucleotídeo. Aplicando este princípio às presentes composições, acredita-se ser provável que a porção do nucleotídeo sendo acionado irá prontamente “encontrar” e interagir com a porção correspondente da corrente, e também irá se dissociar da corrente após a porção ser clivada do nucleotídeo sendo acionado.[0130] For more information on the hybridization of oligonucleotides to each other, see North American patent No. 8,652,779 to Turner et al., the entire contents of which are incorporated by reference in the present invention. According to Turner et al., on such a size scale, an oligonucleotide must sample its configuration space about 100 times faster than a polymerase can incorporate a nucleotide. Applying this principle to the present compositions, it is believed likely that the portion of the nucleotide being triggered will readily “encounter” and interact with the corresponding portion of the chain, and will also dissociate from the chain after the portion is cleaved from the nucleotide being triggered.

[0131] Deve-se observar que, nas porções exemplares ilustradas na figura 9D, cada porção ligada a um nucleotídeo sendo acionada possui apenas uma única hibridização correspondente com a porção da corrente correspondente 915 que inclui entre 5 a 8 bases. Embora outras opções de hibridização existem que não causam hibridização completa, essas opções podem ser antecipadas para serem significativamente menos estáveis do que as opções completas.[0131] It should be noted that, in the exemplary portions illustrated in Figure 9D, each nucleotide-linked portion being activated has only a single corresponding hybridization with the portion of the corresponding chain 915 that includes between 5 to 8 bases. Although other hybridization options exist that do not cause complete hybridization, these options can be anticipated to be significantly less stable than the complete options.

[0132] Com referência novamente às figuras 1A a 1C, a ação da polimerase 130 sobre o nucleotídeo 120 pode manter a porção 122 relativamente próxima da porção 115 da corrente 110, resultando em um aumento transitório na concentração local da porção de oligonucleotídeo 122 que pode induzir a hibridação temporária entre as porções 122 e 115 preferencialmente em relação às porções que estão ligadas aos nucleotídeos não atualmente sob acionados pela polimerase 130. Além disso, como observado acima, a polimerase 130 pode clivar o marcador alongado 121 ao incorporar o nucleotídeo 120 em um polinucleotídeo, responsivo a qual porção 122 pode se dissociar da porção 115. Métodos adequados para fornecer nucleotídeos, incluindo marcadores alongados, podem ser prontamente vislumbrados.[0132] Referring again to Figures 1A to 1C, the action of polymerase 130 on nucleotide 120 may keep portion 122 relatively close to portion 115 of chain 110, resulting in a transient increase in the local concentration of oligonucleotide portion 122 which may induce temporary hybridization between portions 122 and 115 preferentially relative to portions that are linked to nucleotides not currently engaged by polymerase 130. Furthermore, as noted above, polymerase 130 can cleave the elongated tag 121 by incorporating nucleotide 120 into a polynucleotide, responsive to which portion 122 can dissociate from portion 115. Suitable methods for providing nucleotides, including elongated labels, can be readily envisioned.

[0133] O método 300 ilustrado na figura 3 também inclui fornecer o primeiro e segundo nucleotídeos, sendo o primeiro polinucleotídeo complementar ao segundo polinucleotídeo (etapa 303). Por exemplo, a etapa 303 pode incluir fornecer um segundo polinucleotídeo, que também pode ser referido como um “alvo” ou “molde”, que se deseja sequenciar. A etapa 303 também inclui fornecer um primeiro polinucleotídeo que é complementar ao segundo polinucleotídeo, mas que pode ser mais curto do que o segundo polinucleotídeo usando métodos conhecidos. De modo ilustrativo, o primeiro polinucleotídeo pode incluir um iniciador que é complementar ao, e que hibridiza com uma porção do segundo polinucleotídeo.[0133] The method 300 illustrated in figure 3 also includes providing the first and second nucleotides, the first polynucleotide being complementary to the second polynucleotide (step 303). For example, step 303 may include providing a second polynucleotide, which may also be referred to as a “target” or “template,” that is desired to sequence. Step 303 also includes providing a first polynucleotide that is complementary to the second polynucleotide, but which may be shorter than the second polynucleotide using known methods. Illustratively, the first polynucleotide may include a primer that is complementary to, and which hybridizes to, a portion of the second polynucleotide.

[0134] O método 300 ilustrado na figura 3 também inclui fornecer uma polimerase disposta adjacente ao primeiro lado do nanoporo (etapa 304). A polimerase pode ser configurada para adicionar os nucleotídeos da pluralidade de nucleotídeos (fornecidos na etapa de 302) ao primeiro polinucleotídeo (fornecido na etapa 303) com base em uma sequência do segundo polinucleotídeo (também fornecido na etapa 303). Polimerases adequadas exemplares são descritas em outras seções na presente invenção ou são conhecidas na técnica. Opcionalmente, a polimerase pode ser modificada a fim de gerar um sinal com base na conformação da polimerase, por exemplo, como descrito na Publicação de Patente Norte-Americana N° 2011/0312529 para He et al., ou a fim de retardar a liberação do pirofosfato, por exemplo, como descrito na Patente Norte-Americana N° 8,133,672, cujos conteúdos totais de ambas são incorporados na presente invenção por referência.[0134] The method 300 illustrated in figure 3 also includes providing a polymerase arranged adjacent to the first side of the nanopore (step 304). The polymerase can be configured to add the nucleotides of the plurality of nucleotides (provided in step 302) to the first polynucleotide (provided in step 303) based on a sequence of the second polynucleotide (also provided in step 303). Exemplary suitable polymerases are described in other sections of the present invention or are known in the art. Optionally, the polymerase can be modified in order to generate a signal based on the conformation of the polymerase, e.g., as described in U.S. Patent Publication No. 2011/0312529 to He et al., or in order to delay release. of pyrophosphate, for example, as described in US Patent No. 8,133,672, the total contents of both of which are incorporated into the present invention by reference.

[0135] Além disso, a polimerase fornecida na etapa 304 pode ser ancorada a uma corrente permanente incluindo uma região de cabeça, uma região de cauda e um corpo alongado entre elas, com o corpo alongado incluindo uma ou mais regiões repórteres, e sendo a região de cabeça ancorada ou adjacente ao primeiro lado ou ao segundo lado do nanoporo. A corrente pode ter qualquer configuração apropriada, por exemplo, tal como é descrito acima com referência às figuras 1A a 1D, ou como é definido de outra forma na presente invenção. Por exemplo, o corpo alongado da corrente pode ter um comprimento que é mais longo do que uma primeira dimensão H1 definindo uma espessura do nanoporo, por exemplo, tal como é ilustrado nas figuras 1A a 1D. Ou, por exemplo, o corpo alongado pode ter um comprimento que é igual a uma primeira dimensão H1 definindo uma espessura do nanoporo, ou que é mais curto do que a primeira dimensão H1. Ou, por exemplo, nas modalidades que incluem uma constrição, o corpo alongado pode ter um comprimento que é mais longo do que uma segunda dimensão H2 definindo uma profundidade da constrição, por exemplo, como ilustrado nas figuras 1A a 1D. Ou, por exemplo, nas modalidades que incluem uma constrição, o corpo alongado pode ser de um comprimento que é mais curto do que a segunda dimensão H2. Ou, por exemplo, a uma ou mais regiões repórteres pode(m) ser disposta(s) em um local ao longo do corpo alongado selecionado de modo que, com base no corpo alongado ser totalmente ou parcialmente estendido quando a região de cabeça é ancorada na polimerase, a polimerase é adjacente ao nanoporo, e a primeira porção 115 do corpo alongado sendo dissociada da segunda porção 122 do marcador alongado, a(s) região/regiões repórter(es) é/são posicionáveis dentro da abertura do nanoporo, por exemplo, adjacente(s) a ou dentro de uma constrição, tal como é ilustrado nas figuras 1A a 1D. Qualquer combinação adequada de tais características pode ser usada.[0135] Furthermore, the polymerase provided in step 304 can be anchored to a permanent chain including a head region, a tail region and an elongated body therebetween, with the elongated body including one or more reporter regions, and being the head region anchored to or adjacent to the first side or second side of the nanopore. The chain may have any suitable configuration, for example, as described above with reference to Figures 1A to 1D, or as otherwise defined in the present invention. For example, the elongated body of the chain may have a length that is longer than a first dimension H1 defining a thickness of the nanopore, for example, as illustrated in Figures 1A to 1D. Or, for example, the elongated body may have a length that is equal to a first dimension H1 defining a thickness of the nanopore, or that is shorter than the first dimension H1. Or, for example, in embodiments that include a constriction, the elongated body may have a length that is longer than a second dimension H2 defining a depth of the constriction, for example, as illustrated in Figures 1A to 1D. Or, for example, in embodiments that include a constriction, the elongate body may be of a length that is shorter than the second dimension H2. Or, for example, the one or more reporter regions may be disposed at a location along the selected elongate body such that, based on the elongate body being fully or partially extended when the head region is anchored in polymerase, the polymerase is adjacent to the nanopore, and the first portion 115 of the elongated body being dissociated from the second portion 122 of the elongated label, the reporter region(s) is/are positionable within the opening of the nanopore, e.g. example, adjacent to or within a constriction, as illustrated in Figures 1A to 1D. Any suitable combination of such characteristics may be used.

[0136] A etapa 304 também pode, mas não necessariamente precisa, incluir preparar a corrente. Por exemplo, a etapa 304 pode incluir definir um corpo alongado que inclui porções do mesmo definindo uma região de cabeça, uma região de cauda e uma ou mais regiões repórteres. Por exemplo, conforme descrito em outra seção na presente invenção, uma corrente pode incluir o DNA. Um oligonucleotídeo de DNA de comprimento suficiente pode ser preparado utilizando os procedimentos conhecidos na técnica. Por exemplo, os oligonucleotídeos com uma amina primária 5' ou 3' podem ser adquiridos comercialmente de fornecedores como a Integrated DNA Technologies, Inc. (Coralville, Iowa). O oligonucleotídeo pode ser encomendado de modo a incluir uma ou mais porções abásicas, que podem ser usadas como uma ou mais regiões repórteres, conforme descrito na presente invenção. Um ligante bifuncional, como sulfo-SMCC (sulfossuccinimidil-4-(N-maleimidometil)ciclo-hexano-1- carboxilato) que inclui um grupo amina reativo (NHS) e um grupo de reação tiol (maleimida) pode ser prontamente obtido de fontes comerciais, por exemplo, da Thermo Fisher Scientific, Inc. (Rockford, Illinois). Tal ligante pode reagir com o oligonucleotídeo sob condições reacionais apropriadas bem conhecidas na técnica para formar uma ligação amida estável. Após a purificação do oligonucleotídeo a partir do sulfo-SMCC que não reagiu, o oligonucleotídeo modificado (que é agora tiol reativo em virtude de seu grupo maleimida) pode reagir com a polimerase. A polimerase pode ser preparada com antecedência de modo a incluir pelo menos um resíduo de cisteína acessível ao solvente que tem o seu grupo tiol (SH) na forma reduzida. A forma reduzida pode ser obtida pela incubação com tris(2-carboxietil)fosfina 5 mM (TCEP), por exemplo, que é um composto comercial prontamente disponível. O oligonucleotídeo modificado pode ser combinado, por exemplo, em excesso molar, com a polimerase reduzida e sob condições reacionais bem conhecidas na técnica, de modo que a maleimida forma uma ligação tioéter estável. O conjugado polimerase-oligonucleotídeo pode ser removido por purificação a partir do excesso de oligonucleotídeo que não reagiu. Em outro exemplo, compostos adequados para a inclusão em uma corrente à base de polietilenoglicol (PEG), por exemplo, maleimida-PEG, são prontamente disponíveis a partir de fontes comerciais, tais como Laysan Bio, Inc. (Arab, Alabama). Por exemplo, a maleimida pode ser conjugada com um tiol de cisteína reduzido de forma análoga à descrita acima. Uma ou mais regiões repórteres adequadas podem ser definidas dentro do PEG. Em outro exemplo, uma ligação dissulfeto entre um oligonucleotídeo e um nanoporo de alfa-hemolisina pode ser preparada tal como é descrito em Howorka et al, “Kinetics of duplex formation for individual DNA strands within a single protein nanopore,” PNAS 98: 12996-13301 (2001), cujo conteúdo é incorporado, na íntegra, por referência na presente invenção.[0136] Step 304 may also, but does not necessarily need to, include preparing the chain. For example, step 304 may include defining an elongate body that includes portions thereof defining a head region, a tail region, and one or more reporter regions. For example, as described in another section of the present invention, a stream may include DNA. A DNA oligonucleotide of sufficient length can be prepared using procedures known in the art. For example, oligonucleotides with a 5' or 3' primary amine can be purchased commercially from suppliers such as Integrated DNA Technologies, Inc. (Coralville, Iowa). The oligonucleotide can be ordered to include one or more abasic portions, which can be used as one or more reporter regions, as described in the present invention. A bifunctional ligand such as sulfo-SMCC (sulfosuccinimidyl-4-(N-maleimidomethyl)cyclohexane-1-carboxylate) that includes a reactive amine group (NHS) and a thiol (maleimide) reaction group can be readily obtained from sources commercials, for example, from Thermo Fisher Scientific, Inc. (Rockford, Illinois). Such a linker can react with the oligonucleotide under appropriate reaction conditions well known in the art to form a stable amide bond. After purification of the oligonucleotide from the unreacted sulfo-SMCC, the modified oligonucleotide (which is now thiol reactive by virtue of its maleimide group) can react with the polymerase. The polymerase can be prepared in advance to include at least one solvent-accessible cysteine residue that has its thiol group (SH) in reduced form. The reduced form can be obtained by incubation with 5 mM tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP), for example, which is a readily available commercial compound. The modified oligonucleotide can be combined, for example, in molar excess, with the reduced polymerase and under reaction conditions well known in the art, so that the maleimide forms a stable thioether bond. The polymerase-oligonucleotide conjugate can be removed by purification from excess unreacted oligonucleotide. In another example, compounds suitable for inclusion in a polyethylene glycol (PEG)-based stream, e.g., maleimide-PEG, are readily available from commercial sources such as Laysan Bio, Inc. (Arab, Alabama). For example, the maleimide can be conjugated to a reduced cysteine thiol in a manner analogous to that described above. One or more suitable reporter regions may be defined within the PEG. In another example, a disulfide bond between an oligonucleotide and an alpha-hemolysin nanopore can be prepared as described in Howorka et al, “Kinetics of duplex formation for individual DNA strands within a single protein nanopore,” PNAS 98: 12996- 13301 (2001), the contents of which are incorporated, in full, by reference in the present invention.

[0137] A etapa 304 pode incluir ainda a disposição do corpo alongado da corrente dentro de uma abertura do nanoporo. Com base no comprimento do corpo alongado, este pode, ainda que não necessariamente, se estender ao longo de toda a abertura do nanoporo. Por exemplo, nas modalidades como descritas acima com referência às figuras 1A a 1D, o corpo alongado da corrente pode ser, opcionalmente, suficientemente longo de modo que a região de cauda da corrente seja disposta no outro lado de uma constrição (se houver) do nanoporo do que é a região de cabeça da corrente, e pode ser opcionalmente disposto além do outro lado do nanoporo, tal como é a região de cabeça da corrente. De modo ilustrativo, o corpo alongado da corrente pode ser disposto dentro da abertura do nanoporo aplicando uma força direcional adequada ao corpo alongado da corrente. Por exemplo, uma tensão pode ser aplicada através do nanoporo de uma forma tal como é descrita na presente invenção, com referência às figuras 2A a 2C, e o corpo alongado da corrente pode incluir pelo menos uma porção carregada que, com base na tensão, atrai a região de cauda da corrente em direção ao lado do nanoporo oposto ao qual a região da corrente é ligada ou em que a região de cabeça da corrente é ligada a um primeiro membro, e causa a translocação da região de cauda, de modo a dispor toda ou uma porção do corpo alongado da corrente dentro da abertura do nanoporo.[0137] Step 304 may further include arranging the elongated body of the chain within an opening of the nanopore. Based on the length of the elongated body, it may, although not necessarily, extend across the entire nanopore opening. For example, in embodiments as described above with reference to Figures 1A to 1D, the elongate body of the chain may optionally be long enough so that the tail region of the chain is disposed on the other side of a constriction (if any) of the nanopore than is the current head region, and may optionally be arranged beyond the other side of the nanopore such as the current head region. Illustratively, the elongated chain body can be disposed within the nanopore opening by applying a suitable directional force to the elongated chain body. For example, a voltage may be applied across the nanopore in a manner as described in the present invention with reference to Figures 2A to 2C, and the elongated body of the chain may include at least one charged portion which, based on the voltage, attracts the tail region of the chain toward the side of the nanopore opposite to which the chain region is bound or to which the head region of the chain is bound to a first member, and causes translocation of the tail region so that arranging all or a portion of the elongated body of the chain within the nanopore opening.

[0138] Além disso, a etapa 304 pode incluir opcionalmente dispor a polimerase adjacente ao primeiro lado do nanoporo. Por exemplo, a polimerase pode ser ligada a estar adjacente ao primeiro lado do nanoporo usando uma ligação química, por exemplo, uma ligação covalente, ligação de hidrogênio, ligação iônica, ligação dipolo-dipolo, forças de dispersão de London ou qualquer combinação adequada das mesmas. Ou, por exemplo, a polimerase pode ser ligada ao primeiro lado do nanoporo usando uma interação entre uma primeira estrutura proteica na polimerase e uma segunda estrutura proteica que é ligada ou está adjacente ao primeiro nanoporo. Por exemplo, a primeira e segunda estruturas podem incluir alfa-hélices que se conectam uma com a outra. A ligação da polimerase adjacente ao primeiro lado do nanoporo pode ser permanente, de modo que a polimerase seja mantida em uma posição geralmente fixa em relação ao primeiro lado do nanoporo.[0138] Additionally, step 304 may optionally include arranging the polymerase adjacent to the first side of the nanopore. For example, the polymerase can be linked to be adjacent to the first side of the nanopore using a chemical bond, e.g., a covalent bond, hydrogen bond, ionic bond, dipole-dipole bond, London dispersion forces, or any suitable combination of the same. Or, for example, the polymerase can be linked to the first side of the nanopore using an interaction between a first protein structure in the polymerase and a second protein structure that is linked to or adjacent to the first nanopore. For example, the first and second structures may include alpha helices that connect to each other. The binding of the polymerase adjacent to the first side of the nanopore can be permanent, such that the polymerase is maintained in a generally fixed position relative to the first side of the nanopore.

[0139] Em uma modalidade ilustrativa, o grupo tiol reduzido (-SH) (também chamado de grupo sulfidrila) de um resíduo de cisteína da polimerase ou do nanoporo, pode reagir com um grupo tiol reativa da outra polimerase ou do nanoporo. Exemplos de tais grupos incluem maleimida e iodoacetamida. Conforme descrito mais detalhadamente em www.lifetechnologies.com/us/en/home/references/molecular- probes-the-handbook/thiol-reactive-probes/introduction-to- thiol-modification-and-detection.html#head2, reagentes tiol reativos primários, incluindo iodoacetamidas, maleimidas, haletos benzílicos e bromometilcetonas, podem reagir por S- alquilação de tióis a fim de gerar produtos tioéter estáveis; reagentes de arilação, como haletos de 7-nitrobenz-2,1,3- oxadiazol (NBD) podem reagir com tióis ou aminas por uma substituição semelhante do haleto de aromático pelo nucleófilo; e devido ao fato de o ânion tiolato ser um nucleófilo melhor do que o tiol neutro, a cisteína é mais reativa acima do seu pKa. Além disso, conforme é descrito mais detalhadamente em www.piercenet.com/method/sulfhydryl- reactive-crosslinker-chemistry, grupos químicos reativos à sulfidrila incluem haloacetilas, maleimidas, aziridinas, acriloílas, agentes de arilação, vinilsulfonas, dissulfetos de piridila, TNB-tióis (ácido 2-nitro-5-tiobenzoico) e agentes de redução de dissulfeto; tais grupos podem conjugar com as sulfidrilas por meio de alquilação (por exemplo, através da formação de uma ligação tioéter) ou troca de dissulfeto (por exemplo, a formação de uma ligação dissulfeto). Reações de troca de sulfidrila também podem ser adequadamente usadas. Alternativamente, as aminas (- NH2) podem ser alvejadas. Por exemplo, a amina primária dos resíduos de lisina e o polipeptídeo N-terminal são relativamente reativos. Os resíduos de amina podem ser alvejados com ésteres de N-hidroxissuccinimida (ésteres de NHS), que podem formar uma ligação amida estável, ou reticuladores de imidoéster, que podem reagir com aminas primárias para formar ligações amidina. Existem muitos outros compostos amina reativos. Por exemplo, conforme descrito em www.piercenet.com/method/amine-reactive- crosslinker-chemistry, grupos químicos sintéticos que podem formar ligações químicas com aminas primárias incluem isotiocianatos, isocianatos, acilazidas, ésteres de NHS, cloretos de sulfonila, aldeídos, glioxais, epóxidos, oxiranos, carbonatos, haletos de arila, imidoésteres, carbodi-imidas, anidridos e ésteres de fluorfenila; tais grupos podem ser conjugados com aminas, por exemplo, por meio de acilação ou alquilação. Em ainda outras modalidades, um resíduo de aminoácido modificado pode ser usado para introduzir uma funcionalidade nova, como uma azida ou alquino, a ser usada com a química de clique. Por exemplo, as reatividades tiol ou amina, como descrito acima, podem ser usadas com ligantes que permitem, a adição das funcionalidades azida ou alquino para serem adicionalmente usadas em uma reação química de clique.[0139] In an illustrative embodiment, the reduced thiol group (-SH) (also called sulfhydryl group) of a cysteine residue of the polymerase or nanopore can react with a reactive thiol group of the other polymerase or nanopore. Examples of such groups include maleimide and iodoacetamide. As described in more detail at www.lifetechnologies.com/us/en/home/references/molecular- probes-the-handbook/thiol-reactive-probes/introduction-to- thiol-modification-and-detection.html#head2, reagents primary reactive thiols, including iodoacetamides, maleimides, benzylic halides and bromomethyl ketones, can react by S-alkylation of thiols to generate stable thioether products; arylation reagents such as 7-nitrobenz-2,1,3-oxadiazole halides (NBD) can react with thiols or amines by a similar substitution of the aromatic halide for the nucleophile; and because the thiolate anion is a better nucleophile than the neutral thiol, cysteine is more reactive above its pKa. Additionally, as described in more detail at www.piercenet.com/method/sulfhydryl-reactive-crosslinker-chemistry, sulfhydryl-reactive chemical groups include haloacetyls, maleimides, aziridines, acryloyls, arylating agents, vinylsulfones, pyridyl disulfides, TNB -thiols (2-nitro-5-thiobenzoic acid) and disulfide reducing agents; such groups can conjugate with the sulfhydryls through alkylation (e.g., through the formation of a thioether bond) or disulfide exchange (e.g., the formation of a disulfide bond). Sulfhydryl exchange reactions can also be appropriately used. Alternatively, amines (-NH2) can be targeted. For example, the primary amine of lysine residues and the N-terminal polypeptide are relatively reactive. Amine residues can be targeted with N-hydroxysuccinimide esters (NHS esters), which can form a stable amide bond, or imidoester crosslinkers, which can react with primary amines to form amidine bonds. There are many other reactive amine compounds. For example, as described at www.piercenet.com/method/amine-reactive- crosslinker-chemistry, synthetic chemical groups that can form chemical bonds with primary amines include isothiocyanates, isocyanates, acylazides, NHS esters, sulfonyl chlorides, aldehydes, glyoxals, epoxides, oxiranes, carbonates, aryl halides, imidoesters, carbodiimides, anhydrides and fluorophenyl esters; such groups may be conjugated to amines, for example, through acylation or alkylation. In still other embodiments, a modified amino acid residue can be used to introduce a new functionality, such as an azide or alkyne, for use with click chemistry. For example, thiol or amine reactivities, as described above, can be used with ligands that allow the addition of azide or alkyne functionalities to be further used in a click chemical reaction.

[0140] A etapa 304 ilustrada na figura 3 pode incluir, adicionalmente e opcionalmente, ligar a região de cauda da corrente ao outro do primeiro lado do nanoporo, ou a um segundo membro. Qualquer ligação adequada, tal como é disposto na presente invenção, ou de outra forma conhecida na técnica, pode ser adequadamente usada. Por exemplo, a etapa 304 pode incluir, opcionalmente, ligar a região de cauda da corrente ao segundo lado do nanoporo. Ou, por exemplo, a etapa 304 pode opcionalmente incluir ligar a região de cauda da corrente a um segundo membro (como um oligonucleotídeo) disposto no lado do nanoporo oposto ao da região de cabeça. Sob este aspecto, observe que a polimerase 130 não precisa ser necessariamente ancorada ao primeiro lado do nanoporo para que a polimerase 130 permaneça ligada ao nanoporo. Por exemplo, sob algumas condições, a aplicação de uma força direcional ao corpo alongado de uma corrente pode causar a translocação da região de cauda, a fim de dispor toda a corrente dentro da abertura do nanoporo. Uma força suficientemente grande pode fazer com que a polimerase que está ligada à corrente fique se temporariamente alojada dentro ou sobre o nanoporo. Embora não tenha intenção de ser uma limitação em relação à configuração física, o resultado pode ser denominado “rolhamento” do nanoporo pela polimerase. O rolhamento pode ser inibido ou evitado limitando a força sobre a corrente (por exemplo, aplicando menos de 180 mV através do nanoporo), limitando a duração do tempo que a força é aplicada no sistema ou usando uma proteína suficientemente grande de modo que a interação por rolhamento seja evitada. Alternativamente ou além disso, uma tensão reversa pode ser aplicada ao sistema para reverter a interação entre a proteína e o nanoporo (referido como “desarrolhamento”). Outra opção para inibir ou evitar o rolhamento, ou para facilitar o desarrolhamento, é remover os aminoácidos carregados da abertura do nanoporo ou as cargas complementares na superfície da proteína, a fim de reduzir a afinidade de carga entre os dois componentes. Pode ser adicionalmente benéfico adicionar as reticulações à estrutura da proteína (por exemplo, pares de cisteína manipulados para reticulações dissulfeto ou reticuladores químicos), a fim de estabilizar a estrutura globular da proteína.[0140] Step 304 illustrated in Figure 3 may additionally and optionally include connecting the chain tail region to the other on the first side of the nanopore, or to a second member. Any suitable connection as provided in the present invention, or otherwise known in the art, may suitably be used. For example, step 304 may optionally include attaching the chain tail region to the second side of the nanopore. Or, for example, step 304 may optionally include linking the tail region of the chain to a second member (such as an oligonucleotide) disposed on the side of the nanopore opposite that of the head region. In this regard, note that polymerase 130 does not necessarily need to be anchored to the first side of the nanopore for polymerase 130 to remain attached to the nanopore. For example, under some conditions, applying a directional force to the elongated body of a chain can cause translocation of the tail region in order to dispose of the entire chain within the nanopore opening. A sufficiently large force can cause the polymerase that is bound to the current to become temporarily lodged in or on the nanopore. Although not intended to be a limitation regarding the physical configuration, the result can be called “corking” of the nanopore by the polymerase. Corking can be inhibited or avoided by limiting the force on the current (e.g., applying less than 180 mV across the nanopore), limiting the duration of time that the force is applied to the system, or using a sufficiently large protein so that the interaction by corking is avoided. Alternatively or in addition, a reverse voltage can be applied to the system to reverse the interaction between the protein and the nanopore (referred to as “uncorking”). Another option to inhibit or prevent corking, or to facilitate uncorking, is to remove charged amino acids from the nanopore opening or complementary charges on the protein surface in order to reduce the charge affinity between the two components. It may be additionally beneficial to add cross-links to the protein structure (e.g., engineered cysteine pairs for disulfide cross-links or chemical cross-linkers) in order to stabilize the globular structure of the protein.

[0141] O arrolhamento pode ser observado com base em um padrão de corrente ou fluxo característico que é distinto dos padrões resultantes de outras configurações do sistema de nanoporo. O padrão distinto pode ser observado, por exemplo, ao aplicar um viés positivo ou negativo ao sistema de nanoporo. Por conseguinte, os padrões de corrente ou fluxo podem ser detectados durante a montagem ou o uso de um sistema que inclui uma proteína que está localizada a uma nanoporo através da corrente que é ligado à proteína e colocado no lúmen do nanoporo. A detecção dos padrões pode ser usada para monitorar a montagem (por exemplo, para evitar o rolhamento), guiar o desarrolhamento ou, de outro modo, otimizar a montagem desejada.[0141] Corking can be observed based on a characteristic current or flow pattern that is distinct from patterns resulting from other configurations of the nanopore system. The distinct pattern can be observed, for example, by applying a positive or negative bias to the nanopore system. Therefore, current or flow patterns can be detected during the assembly or use of a system that includes a protein that is localized to a nanopore through the current that is bound to the protein and placed in the lumen of the nanopore. Pattern detection can be used to monitor assembly (e.g., to prevent corking), guide uncorking, or otherwise optimize the desired assembly.

[0142] Observe que, devido ao fato de a região de cabeça da corrente estar ligada à polimerase, tal força direcional também pode colocar a polimerase adjacente, ou totalmente ou parcialmente disposta dentro da abertura do nanoporo tal como é descrito na presente invenção, com referência às figuras 1A a 1D. Por exemplo, a atração da região de cauda para o lado do nanoporo oposto àquele no qual a região de cabeça da corrente está ligada a um primeiro membro também pode causar a translocação do primeiro membro para uma posição adjacente, ou totalmente ou parcialmente diposta dentro da abertura do nanoporo. Embora a polimerase esteja em tal posição, a região de cauda 112 da corrente 110 pode ser ancorada a outro membro, por exemplo, ela pode ser hibridizada a um oligonucleotídeo que é complementar a um oligonucleotídeo na região de cauda 112 da corrente, e tal ancoragem da região de cauda 112 pode inibir a dissociação da polimerase do nanoporo 100.[0142] Note that, because the head region of the chain is linked to the polymerase, such directional force can also place the polymerase adjacent to, or fully or partially disposed within, the nanopore opening as described in the present invention, with reference to figures 1A to 1D. For example, attraction of the tail region to the side of the nanopore opposite to that on which the chain head region is attached to a first member can also cause translocation of the first member to a position adjacent to, or fully or partially disposed within, the nanopore. nanopore opening. Although the polymerase is in such a position, the 112 tail region of the 110 chain may be anchored to another member, for example, it may be hybridized to an oligonucleotide that is complementary to an oligonucleotide in the 112 tail region of the chain, and such anchoring of the tail region 112 can inhibit the dissociation of the polymerase from the nanopore 100.

[0143] O método 300 ilustrado na figura 3 também inclui determinar que um primeiro nucleotídeo está sendo acionado pela polimerase com base na ligação do marcador alongado a uma primeira porção disposta sobre o corpo alongado (etapa 305). Por exemplo, como descrito acima com referência às figuras 1A a 1D e 2A e 2B, a ligação entre a primeira porção 115 do corpo alongado e a segunda porção 122 do marcador alongado pode definir um duplex que gera um primeiro estado de sinal, por exemplo, um primeiro estado de sinal elétrico ou óptico, que é detectável por um circuito de medição adequado, por exemplo, pelo circuito de medição 230 ilustrado na figura 2A, ou pelo circuito de medição 240 ilustrado na figura 2B. Nucleotídeos diferentes podem incluir diferentes porções 122 umas das outras, as quais podem gerar diferentes sinais uns dos outros, facilitando assim a identificação do nucleotídeo particular sendo acionado pela polimerase 130 com base no sinal resultante.[0143] The method 300 illustrated in Figure 3 also includes determining that a first nucleotide is being activated by the polymerase based on binding of the elongated marker to a first portion disposed on the elongated body (step 305). For example, as described above with reference to Figures 1A to 1D and 2A and 2B, the connection between the first portion 115 of the elongated body and the second portion 122 of the elongated marker may define a duplex that generates a first signal state, e.g. , a first electrical or optical signal state, which is detectable by a suitable measurement circuit, for example, by the measurement circuit 230 illustrated in Figure 2A, or by the measurement circuit 240 illustrated in Figure 2B. Different nucleotides may include different portions 122 of each other, which may generate different signals from each other, thus facilitating the identification of the particular nucleotide being triggered by the polymerase 130 based on the resulting signal.

[0144] O método 300 ilustrado na figura 3 inclui também, com a uma ou mais regiões repórteres dispostas ao longo do corpo alongado, indicando quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo (etapa 306). Por exemplo, como descrito acima com referência às figuras 1A a 1D e 2A a 2C, a(s) região/regiões repórter(es) pode(m) ser configurada(s) para gerar um estado do sinal responsivo ao primeiro nucleotídeo sendo complementar a um nucleotídeo seguinte no segundo polinucleotídeo, por exemplo, com base em uma alteração conformacional da polimerase, liberação de pirofosfato ou outro oxiânion de fósforo adequado, liberação do marcador do nucleotídeo alongado ou similar.[0144] The method 300 illustrated in Figure 3 also includes, with one or more reporter regions arranged along the elongated body, indicating when the first nucleotide is complementary or not complementary to the next nucleotide in the sequence of the second polynucleotide (step 306) . For example, as described above with reference to Figures 1A to 1D and 2A to 2C, the reporter region(s) may be configured to generate a signal state responsive to the first nucleotide being complementary. to a following nucleotide in the second polynucleotide, for example, based on a conformational change of the polymerase, release of pyrophosphate or other suitable phosphorus oxyanion, release of the tag from the elongated nucleotide or the like.

[0145] Por exemplo, a polimerase pode transicionar entre o que é referido como um “estado aberto”, em que a polimerase não se liga a um nucleotídeo, a um “estado fechado,” em que a polimerase se liga a um nucleotídeo. Consulte, por exemplo, Xia et al, “Alteration in the cavity size adjacent to the active site of RB69 DNA polymerase changes its conformational dynamics,” Nucl. Acids Res. (2013), nar.gkt674, todo o conteúdo da qual sendo incorporado por referência na presente invenção. Consulte também Santoso et al, “Conformational transitions in DNA polymerase I revealed by single-molecule FRET,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107(2): 715-720 (2010), todo o conteúdo da qual sendo incorporado na presente invenção por referência.[0145] For example, the polymerase can transition between what is referred to as an “open state,” in which the polymerase does not bind to a nucleotide, to a “closed state,” in which the polymerase binds to a nucleotide. See, for example, Xia et al, “Alteration in the cavity size adjacent to the active site of RB69 DNA polymerase changes its conformational dynamics,” Nucl. Acids Res. (2013), nar.gkt674, the entire contents of which are incorporated by reference in the present invention. See also Santoso et al, “Conformational transitions in DNA polymerase I revealed by single-molecule FRET,” Proc. Natl. Academic. Sci. USA, 107(2): 715-720 (2010), the entire contents of which are incorporated into the present invention by reference.

[0146] Alterações conformacionais da ordem de vários nanômetros são conhecidas por ocorrer durante o ciclo catalítico da incorporação de nucleotídeo como as transições de polimerase do estado aberto para o fechado, ou como as mudanças de polimerase em modo de edição. Por exemplo, as figuras 7A a 7B ilustram esquematicamente alterações de conformação de polimerase relativamente grandes (> 1 nm) em duas polimerases diferentes. A figura 7A ilustra a polimerase RB69, que apresenta uma alteração conformacional relativamente grande que resulta em movimento relativo entre o domínio do polegar e o domínio de dedo, passando por 3 nm de movimento entre as conformações aberta e fechada, como descrito por Xia et Al. A figura 7B ilustra Pol I (fragmento de Klenow, ou KF), que sofre mudanças conformacionais durante a incorporação do nucleotídeo, conforme é divulgado por Santoso et al. A estrutura de carbono α da polimerase é mostrada em bege. A fita de molde de DNA está em cinza escuro, e a fita do iniciador em cinza claro. O par de base terminal no sítio ativo é magenta. De acordo com Santoso, os carbonos β das duas cadeias laterais foram utilizados como sítios de ligação de fluoróforo, mostrados como esferas verde e vermelha, para medir as alterações conformacionais da polimerase. As setas indicam a distância em Angstroms entre as posições Cβ verde e vermelha nas conformações aberta e fechada. Há também evidências de que as alterações conformacionais de uma polimerase podem depender da identidade do nucleotídeo sendo incorporado, por exemplo, como descrito em Olsen et al., “Electronic Measurements of Single-Molecule Processing by DNA Polymerase I (Klenow Fragment),” JACS 135: 7855-7860 (2013), sendo todo o seu conteúdo incorporado por referência na presente invenção. Nas modalidades de nanoporo da presente revelação, o domínio de dedo pode ser ancorado a um nanoporo, enquanto uma corrente é ligada ao domínio do polegar. Alternativamente, o domínio do polegar pode ser ancorado a um nanoporo, enquanto uma corrente é ligada ao domínio de dedo. Em qualquer construto, o movimento relativo que ocorre entre os domínios de dedo e polegar durante a atividade da polimerase pode ser detectado como movimento relativo entre a corrente e o nanoporo. As químicas de ligação utilizadas para ligar as sondas ópticas (por exemplo, pares FRET) nas referências citadas na presente invenção podem ser usadas nas modalidades de nanoporo definidas na presente invenção. Outros pontos de fixação podem ser usados em um construto de polimerase- nanoporo, contanto que as alterações conformacionais na polimerase sejam são transmitidas de forma confiável como movimento relativo entre a corrente e o nanoporo.[0146] Conformational changes on the order of several nanometers are known to occur during the catalytic cycle of nucleotide incorporation as the polymerase transitions from the open to the closed state, or as the polymerase changes in editing mode. For example, Figures 7A to 7B schematically illustrate relatively large (>1 nm) polymerase conformational changes in two different polymerases. Figure 7A illustrates the RB69 polymerase, which presents a relatively large conformational change that results in relative movement between the thumb domain and the finger domain, undergoing 3 nm of movement between the open and closed conformations, as described by Xia et al. Figure 7B illustrates Pol I (Klenow fragment, or KF), which undergoes conformational changes during nucleotide incorporation, as disclosed by Santoso et al. The α-carbon structure of the polymerase is shown in beige. The DNA template strand is dark gray, and the primer strand is light gray. The terminal base pair in the active site is magenta. According to Santoso, the β-carbons of the two side chains were used as fluorophore binding sites, shown as green and red spheres, to measure the conformational changes of the polymerase. Arrows indicate the distance in Angstroms between the green and red Cβ positions in the open and closed conformations. There is also evidence that the conformational changes of a polymerase may depend on the identity of the nucleotide being incorporated, for example, as described in Olsen et al., “Electronic Measurements of Single-Molecule Processing by DNA Polymerase I (Klenow Fragment),” JACS 135: 7855-7860 (2013), its entire contents being incorporated by reference in the present invention. In the nanopore embodiments of the present disclosure, the finger domain can be anchored to a nanopore, while a current is attached to the thumb domain. Alternatively, the thumb domain can be anchored to a nanopore while a current is attached to the finger domain. In either construct, the relative motion that occurs between the finger and thumb domains during polymerase activity can be detected as relative motion between the chain and the nanopore. The binding chemistries used to link the optical probes (e.g., FRET pairs) in the references cited in the present invention can be used in the nanopore embodiments defined in the present invention. Other attachment points can be used in a polymerase-nanopore construct, as long as conformational changes in the polymerase are reliably transmitted as relative motion between the chain and the nanopore.

[0147] As figuras 7C e 7D ilustram esquematicamente uma composição exemplar incluindo uma corrente permanente ancorado a uma polimerase disposta adjacente a um nanoporo e configurado para uso na detecção de uma alteração conformacional da polimerase responsiva à ação da polimerase sobre um nucleotídeo. O nanoporo inclui o poro biológico 605, que pode ser disposto em uma barreira (não especificamente ilustrada), por exemplo, uma membrana de origem biológica, como uma bicamada lipídica, ou uma membrana de estado sólido. O poro biológico 605 inclui a abertura 603 e a constrição 604. A corrente permanente inclui a região de cabeça 611, o corpo alongado 613 e uma ou mais região/regiões repórter(es) 614. A polimerase 650 é disposta adjacente ao poro biológico 605 e pode ser opcionalmente ligada ao poro biológico 605. A polimerase 650 é configurada para receber um polinucleotídeo molde, por exemplo, ssDNA circular ou linear a ser sequenciado, para sintetizar um polinucleotídeo com uma sequência de complementaridade àquela do ssDNA por sequencialmente receber, ligar e adicionar nucleotídeos ao polinucleotídeo de acordo com a sequência do ssDNA. A região de cabeça 611 da corrente permanente pode ser ancorada em um local da polimerase 650 que sofre uma alteração conformacional, por exemplo, responsiva para receber um nucleotídeo, ligar um nucleotídeo ou adicionar um nucleotídeo ao polinucleotídeo 660, e que move a(s) região/regiões repórter(es) 614 para um local suficientemente diferente em relação à constrição 604, a fim de produzir um sinal que indica quando o nucleotídeo acionado é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do ssDNA. Por exemplo, a região de cabeça 611 pode ser ligada a uma região de dedo da polimerase, ou a um polegar da polimerase. Pontos de fixação exemplares nas regiões do dedo e polegar das polimerases e químicas para ligar as porções a esses pontos são definidos na Publicação do Pedido de Patente Norte-Americana N° 2011/0312529 A1, que está incorporada na presente invenção por referência.[0147] Figures 7C and 7D schematically illustrate an exemplary composition including a permanent chain anchored to a polymerase disposed adjacent to a nanopore and configured for use in detecting a conformational change of the polymerase responsive to the action of the polymerase on a nucleotide. The nanopore includes the biological pore 605, which may be disposed in a barrier (not specifically illustrated), for example, a membrane of biological origin, such as a lipid bilayer, or a solid-state membrane. The biological pore 605 includes the opening 603 and the constriction 604. The permanent chain includes the head region 611, the elongated body 613, and one or more reporter region(s) 614. The polymerase 650 is disposed adjacent the biological pore 605 and may be optionally linked to the biological pore 605. The polymerase 650 is configured to receive a template polynucleotide, e.g., circular or linear ssDNA to be sequenced, to synthesize a polynucleotide with a sequence of complementarity to that of the ssDNA by sequentially receiving, ligating and add nucleotides to the polynucleotide according to the ssDNA sequence. The head region 611 of the permanent chain may be anchored at a site of the polymerase 650 that undergoes a conformational change, e.g., responsive to receiving a nucleotide, binding a nucleotide, or adding a nucleotide to the polynucleotide 660, and which moves the reporter region/regions 614 to a location sufficiently different from the constriction 604 in order to produce a signal that indicates when the triggered nucleotide is complementary or non-complementary to a following nucleotide in the ssDNA sequence. For example, the 611 head region may be linked to a polymerase finger region, or to a polymerase thumb. Exemplary attachment points in the finger and thumb regions of the polymerases and chemistries for attaching the moieties to these points are defined in U.S. Patent Application Publication No. 2011/0312529 A1, which is incorporated into the present invention by reference.

[0148] Para obter mais detalhes sobre a estrutura e a função da família de A e B polimerases, consulte Patel et al., “Getting a grip on how DNA polymerases function,” Nature Structural Biology 8: 656-659 (2001), cujo conteúdo é incorporado por referência na presente invenção. Para obter mais detalhes sobre a estrutura e função das polimerases, como Pol, consulte as seguintes referências, sendo todo o conteúdo de cada uma delas incorporada por referência na presente invenção: Olsen et al., “Electronic measurements of Single-Molecule Processing by DNA Polymerase I (Klenow Fragment,” JACS 135: 7855-7860 (2013); Torella et al., “Identifying molecular dynamics in single-molecule FRET experiments with burst variance analysis,” Biophysics J. 100: 1568-1577 (2011); Santoso et al., “Conformational transitions in DNA polymerase I revealed by single-molecule FRET,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107(2): 715-720 (2010), Markiewicz et al., “Single-molecule microscopy reveals new insights into nucleotide selection by DNA polymerase I,” Nucleic Acids Res. 40: 7975-7984 (2012); Gill et al., “DNA Polymerase activity at the single-molecule level,” Biochem. Soc. Trans. 39: 595-599 (2011) e Johnson et al., “Processive DNA synthesis observed in a polymerase crystal suggests a mechanism for the prevention of frameshift mutations,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 3895-3900, 2003). Quaisquer dois resíduos ou domínios que são conhecidos a partir das referências acima (ou outras referências citadas na presente invenção) para sofrer uma alteração na posição relativa durante a atividade da polimerase podem servir como pontos de fixação a um nanoporo e corrente, respectivamente, em uma modalidade da presente divulgação.[0148] For more details on the structure and function of the family of A and B polymerases, see Patel et al., “Getting a grip on how DNA polymerases function,” Nature Structural Biology 8: 656-659 (2001), the content of which is incorporated by reference in the present invention. For more details on the structure and function of polymerases such as Pol, see the following references, the entire contents of each of which are incorporated by reference in the present invention: Olsen et al., “Electronic measurements of Single-Molecule Processing by DNA Polymerase I (Klenow Fragment,” JACS 135: 7855-7860 (2013); Torella et al., “Identifying molecular dynamics in single-molecule FRET experiments with burst variance analysis,” Biophysics J. 100: 1568-1577 (2011); Santoso et al., “Conformational transitions in DNA polymerase I revealed by single-molecule FRET,” Proc. Sci. molecule microscopy reveals new insights into nucleotide selection by DNA polymerase I,” Nucleic Acids Res. 40: 7975-7984 (2012); 39: 595-599 (2011) and Johnson et al., “Processive DNA synthesis observed in a polymerase crystal suggests a mechanism for the prevention of frameshift mutations,” Proc. Natl. Academic. Sci. USA, 100, 3895-3900, 2003). Any two residues or domains that are known from the above references (or other references cited in the present invention) to undergo a change in relative position during polymerase activity can serve as attachment points to a nanopore and chain, respectively, in a modality of this disclosure.

[0149] Em um exemplo, uma tensão pode ser aplicada através do nanoporo 605, por exemplo, usando o circuito de medição 230 e os eletrodos 231, 232, como descrito mais acima com referência à figura 2A, ou o circuito de medição 240 e os eletrodos 241, 242, como descrito mais acima com referência à figura 2B. A região repórter 614 ou o corpo alongado 613 inclui uma carga eletrostática que, responsiva à tensão aplicada, faz com que o corpo alongado 613 se estenda através da constrição 604, de modo que a(s) região/regiões repórter(es) 614 sejam dispostas dentro ou adjacente à constrição 604 quando a primeira porção 615 do corpo alongado 613 não está ligada a uma segunda porção de um marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado. Opcionalmente, a tensão aplicada pode fazer com que o corpo alongado 613 seja tencionado quando a primeira porção 615 do corpo alongado 613 não está ligada a uma segunda porção de um marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado. Conforme observado em outras seções na presente invenção, quando a primeira porção615 do corpo alongado 613 está ligada a uma segunda porção de um marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado, o duplex resultante pode ficar alojado dentro ou adjacente à constrição do nanoporo sob uma tensão aplicada através do nanoporo, resultando em um primeiro estado de sinal com base no qual o nucleotídeo pode ser identificável. Conforme ilustrado na figura 7D, conforme os domínios da proteína da polimerase 605 se move, por exemplo, alterando a conformação em relação àquela mostrada na figura 7D, tais movimentos podem impor uma força na região de cabeça 611 que impõe uma força no corpo alongado 613, que impõe uma força na(s) região/regiões repórter(es) 614, resultando no movimento translacional da(s) região/regiões repórter(es) 614 dentro da abertura 603, por exemplo, o movimento relativo à constrição 604. Como resultado, uma mudança conformacional da polimerase 650 pode ser traduzida ou transduzida em uma alteração mensurável na corrente ou fluxo através da abertura 603, que também pode ser referida como uma corrente ou fluxo de bloqueio. Pode ser detectável, com base em tal segundo estado de sinal, se o nucleotídeo sendo acionado é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte do ssDNA.[0149] In one example, a voltage can be applied across the nanopore 605, for example, using the measuring circuit 230 and electrodes 231, 232, as described above with reference to Figure 2A, or the measuring circuit 240 and electrodes 241, 242, as described above with reference to Figure 2B. The reporter region 614 or the elongated body 613 includes an electrostatic charge that, responsive to applied voltage, causes the elongated body 613 to extend through the constriction 604, such that the reporter region(s) 614 are disposed within or adjacent to constriction 604 when the first portion 615 of the elongated body 613 is not linked to a second portion of an elongated marker of the nucleotide being driven. Optionally, the applied tension may cause the elongated body 613 to be tensioned when the first portion 615 of the elongated body 613 is not linked to a second portion of an elongated marker of the nucleotide being driven. As noted in other sections of the present invention, when the first portion 615 of the elongated body 613 is linked to a second portion of an elongated tag of the nucleotide being driven, the resulting duplex may become lodged within or adjacent to the constriction of the nanopore under a voltage applied across of the nanopore, resulting in a first signal state based on which the nucleotide can be identifiable. As illustrated in Figure 7D, as polymerase protein domains 605 move, for example, changing conformation relative to that shown in Figure 7D, such movements can impose a force on the head region 611 that imposes a force on the elongated body 613 , which imposes a force on the reporter region(s) 614, resulting in translational movement of the reporter region(s) 614 within the opening 603, e.g., movement relative to the constriction 604. As As a result, a conformational change of the polymerase 650 can be translated or transduced into a measurable change in the current or flow through the opening 603, which can also be referred to as a blocking current or flow. It may be detectable, based on such a second signal state, whether the nucleotide being triggered is complementary or non-complementary to the following nucleotide of the ssDNA.

[0150] Em uma modalidade ilustrativa, a(s) região/regiões repórter(es) 614 são construídas usando nucleotídeos modificados. Por exemplo, nucleotídeos abásicos normalmente geram uma corrente de bloqueio de 70 pA em comparação com os resíduos que incluem bases, tais como os resíduos dT que geram apenas uma corrente de bloqueio de 20 pA sob condições que incluem tampão do ácido 4-(2- hidroxietil)-1-piperazinoetanossulfônico 10 mM (HEPES), pH 8.0, KCl 300 mM, MgCl2 1 mM, DL-ditiotreitol 1 mM (DTT), poro mutante MspA M2 (D90N, D91N, D93N, D118R, D134R e E139K), 180 mV através de uma bicamada de 1,2-diftanoil-sn-glicero- 3-fosfocolina (DPhPC).[0150] In an illustrative embodiment, the reporter region(s) 614 are constructed using modified nucleotides. For example, abasic nucleotides typically generate a blocking current of 70 pA compared to residues that include bases, such as dT residues, which generate only a blocking current of 20 pA under conditions that include 4-(2-) acid buffer. 10 mM hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES), pH 8.0, 300 mM KCl, 1 mM MgCl2, 1 mM DL-dithiothreitol (DTT), MspA M2 mutant pore (D90N, D91N, D93N, D118R, D134R and E139K), 180 mV through a 1,2-diphtanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) bilayer.

[0151] Os movimentos dos resíduos abásicos na ordem, por exemplo, de apenas alguns angstroms, podem causar mudanças facilmente detectáveis na corrente ou fluxo, por exemplo, de um a dezenas de pAs. Como algumas polimerases se movem na ordem dos nanômetros, e uma única base na corrente corresponde a cerca de 0,5 nanômetro, prevê-se que os movimentos da corrente resultantes das alterações conformacionais na polimerase à qual a corrente está ancorada podem ser gerados e ser prontamente transduzidos em correntes ou fluxos. Como a conformação especial da polimerase pode basear-se em se o nucleotídeo que a polimerase está atuando é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte no ssDNA, pode ser determinado, com base em um estado de sinal (corrente ou estado de fluxo) quando aquele nucleotídeo é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte no ssDNA. Além disso, como a identidade do nucleotídeo influencia tanto a magnitude da alteração conformacional como o tempo gasto no estado fechado, o estado do sinal (corrente ou estado de fluxo) também pode potencialmente e individualmente identificar nucleotídeos conforme eles são incorporados, a fim de confirmar a identificação do nucleotídeo da etapa 305 com base no primeiro estado do sinal. Por exemplo, em algumas modalidades, tal como é ilustrado na figura 5B, a identidade do nucleotídeo pode ser revelada pela localização do repórter 514 que hibridiza com a porção 522. Um sinal correspondente é mostrado na figura 6, parte “B”. Se houver uma correspondência perfeita como na figura 5C, a polimerase pode adotar uma conformação específica. Um sinal correspondente é mostrado na figura 6, parte “D”. Os sinais na figura 6, partes “C” e “D”, são distintos e podem excepcionalmente significar uma correspondência ou incompatibilidade, respectivamente.[0151] Movements of abasic residues on the order of, for example, just a few angstroms, can cause easily detectable changes in current or flow, for example, from one to tens of pAs. Since some polymerases move on the order of nanometers, and a single base in the chain corresponds to about 0.5 nanometers, it is predicted that chain movements resulting from conformational changes in the polymerase to which the chain is anchored can be generated and be readily transduced into currents or flows. How the special conformation of the polymerase can be based on whether the nucleotide that the polymerase is acting on is complementary or not complementary to a following nucleotide in the ssDNA can be determined, based on a signal state (current or flow state) when that nucleotide is complementary or not complementary to a following nucleotide in the ssDNA. Furthermore, because nucleotide identity influences both the magnitude of the conformational change and the time spent in the closed state, the signal state (current or flow state) can also potentially and individually identify nucleotides as they are incorporated in order to confirm the identification of the nucleotide of step 305 based on the first state of the signal. For example, in some embodiments, as illustrated in Figure 5B, the identity of the nucleotide can be revealed by the location of the 514 reporter that hybridizes to the 522 portion. A corresponding signal is shown in Figure 6, part “B”. If there is a perfect match as in Figure 5C, the polymerase can adopt a specific conformation. A corresponding signal is shown in figure 6, part “D”. The signs in figure 6, parts “C” and “D”, are distinct and can exceptionally mean a match or incompatibility, respectively.

[0152] A magnitude ou duração de tempo, ou ambos, da(s) alteração/alterações conformacional/conformacionais da polimerase, pode basear-se no nucleotídeo específico sobre o qual a polimerase está atuando. A tabela 1 lista os parâmetros cinéticos de molécula exemplar única que foram medidos para o processamento dos moldes do fragmento de Klenow usando as atuais alterações em um SWNT ligado a uma única polimerase e relatadas por Olsen et al. Na tabela 1, Tlo corresponde à duração do tempo gasto na conformação fechada da polimerase, rlo corresponde à variação média- normalizada para Tlo, Thi corresponde à duração do tempo gasto na conformação aberta da polimerase, rhi corresponde à variância média-normalizada para Thi e a taxa corresponde à taxa de processamento, por exemplo, do quão rapidamente a polimerase adiciona o nucleotídeo ao molde. Olson et al., relata que a magnitude média H é um indicador para a medida do fechamento mecânico pela enzima. Para os presentes sistemas, métodos e composições, o valor H pode ser considerado como sendo a extensão da alteração conformacional entre dois pontos de referência na polimerase, conforme medido em unidades de distância. Por exemplo, H pode corresponder à magnitude do fechamento mecânico a ser afetado pela correspondência ou incompatibilidade de nucleotídeos.Tabela 1a Valores médios ± desvio padrão 7858 dx.doi.org/10.1021/ja311603r|J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 7855-7860[0152] The magnitude or duration of time, or both, of the conformational/conformational change(s) of the polymerase may be based on the specific nucleotide upon which the polymerase is acting. Table 1 lists the exemplary single-molecule kinetic parameters that were measured for processing the Klenow fragment templates using the current changes in a SWNT linked to a single polymerase and reported by Olsen et al. In Table 1, Tlo corresponds to the duration of time spent in the closed conformation of the polymerase, rlo corresponds to the mean-normalized variance for Tlo, Thi corresponds to the duration of time spent in the open conformation of the polymerase, rhi corresponds to the mean-normalized variance for Thi, and the rate corresponds to the processing rate, for example, how quickly the polymerase adds the nucleotide to the template. Olson et al. report that the average magnitude H is an indicator for measuring mechanical closure by the enzyme. For the present systems, methods and compositions, the H value can be considered to be the extent of the conformational change between two reference points on the polymerase, as measured in units of distance. For example, H may correspond to the magnitude of mechanical closure to be affected by nucleotide match or mismatch. Table 1 a Mean values ± standard deviation 7858 dx.doi.org/10.1021/ja311603r|J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 7855-7860

[0153] Usando os sistemas, métodos e composições aqui apresentados, um sinal que se correlaciona com a duração de tempo do estado aberto Thi, a magnitude da alteração conformacional H e a taxa de processamento, juntos, pode ser usado para indicar quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte do ssDNA, e potencialmente os sinais podem ser diferenciados de acordo com uma única assinatura para cada base. As taxas de incorporação também podem ser bastante alteradas pelo uso seletivo de nucleotídeos modificados, tais como nucleotídeos alfa ou gama-tiol. Consulte, por exemplo, a Publicação de Patente Norte-Americana N° 2011/0312529 para He et al., todo o conteúdo da qual sendo incorporado por referência na presente invenção.[0153] Using the systems, methods and compositions presented here, a signal that correlates with the time duration of the open state Thi, the magnitude of the conformational change H and the processing rate, together, can be used to indicate when the first nucleotide is complementary or non-complementary to the next nucleotide of the ssDNA, and potentially the signals can be differentiated according to a unique signature for each base. Incorporation rates can also be greatly altered by selective use of modified nucleotides, such as alpha or gamma thiol nucleotides. See, for example, U.S. Patent Publication No. 2011/0312529 to He et al., the entire contents of which are incorporated by reference in the present invention.

[0154] Em uma encarnação ilustrativa, o ADN do molde é circularizado e a polimerase 650 é uma polimerase por deslocando de fita (como Phi29). Dessa forma, o molde pode ser sequenciado várias vezes em um modo de círculo rolante, tal como é conhecido na técnica. Tal modalidade também pode inibir inadvertidamente o arraste do DNA molde para dentro ou através da constrição 604, porque apenas o ssDNA pode translocar. Espera-se que qualquer ssDNA perdido que encontrar seu caminho através da constrição 604 (ou se um molde linear for usado) transite rapidamente, e espera-se que gere um ruído no sinal. Alternativamente, pode-se utilizar uma ou mais região/regiões repórter(es) positivamente carregadas 614 sob polaridade reversa, de modo que apenas a(s) região/regiões repórter(es) seja(m) puxadas para dentro da constrição 604, enquanto que o DNA negativamente carregado será repelido.[0154] In an illustrative embodiment, the template DNA is circularized and polymerase 650 is a strand-shifting polymerase (such as Phi29). In this way, the mold can be sequenced multiple times in a rolling circle mode as is known in the art. Such an embodiment may also inadvertently inhibit the drag of template DNA into or through constriction 604, because only ssDNA can translocate. Any stray ssDNA that finds its way through the 604 constriction (or if a linear template is used) is expected to transit quickly, and is expected to generate noise in the signal. Alternatively, one or more positively charged reporter region(s) 614 may be used under reverse polarity, such that only the reporter region(s) are pulled into the constriction 604, while that negatively charged DNA will be repelled.

[0155] Em algumas modalidades, a polimerase 650 pode ser ligada, por exemplo, ancorada até a boca do poro biológico 605. Isso poderia ser realizado usando, por exemplo, química de conjugação de cisteína/tiol. Tal conjugação pode fazer com que essa polimerase 650 seja ancorada em uma orientação reproduzível e estável que pode melhorar a transferência do movimento conformacional da polimerase 650 para o movimento translacional da(s) região/regiões repórter(es) 614. No entanto, a conjugação da polimerase para o poro não precisa ser necessária. Por exemplo, a força exercida pela corrente responsiva à tensão aplicada pode ser suficiente para manter a polimerase no lugar, ou outro membro (por exemplo, um oligonucleotídeo) pode se ligar à extremidade da cauda da corda para inibir a dissociação da polimerase do nanoporo.[0155] In some embodiments, the polymerase 650 can be linked, for example, anchored to the mouth of the biological pore 605. This could be accomplished using, for example, cysteine/thiol conjugation chemistry. Such conjugation can cause this polymerase 650 to be anchored in a reproducible and stable orientation that can improve the transfer of the conformational movement of the polymerase 650 to the translational movement of the reporter region(s) 614. However, conjugation polymerase to the pore need not be required. For example, the force exerted by the applied voltage-responsive current may be sufficient to hold the polymerase in place, or another member (e.g., an oligonucleotide) may bind to the tail end of the tether to inhibit dissociation of the polymerase from the nanopore.

[0156] Além disso, observe que uma rápida corrente CA pode ser usada em vez de uma corrente CC para produzir o campo elétrico necessário. Isso tem a vantagem de inibir o esgotamento do eletrodo de AgCl e prolongar o tempo que o dispositivo pode funcionar.[0156] Additionally, note that a fast AC current can be used instead of a DC current to produce the necessary electric field. This has the advantage of inhibiting depletion of the AgCl electrode and prolonging the time the device can operate.

[0157] Observe que o duplex formado entre a porção do marcador alongada e a porção da corrente pode estar em equilíbrio termodinâmico. Deve ser notado que um duplex em equilíbrio termodinâmico pode ter taxas de associação e dissociação que se baseiame no comprimento e no caráter da sequência de ácidos nucleicos, e que o duplex pode se dissociar de tempos em tempos. Pode ser útil que o tempo médio no estado duplex (o inverso da taxa de dissociação) seja mais curto do que o tempo de vida médio do complexo polimerase-nucleotídeo durante o evento de incorporação, de modo que, após a incorporação e a liberação do marcador do nucleotídeo, o marcador irá se afastará por difusão e não bloqueará os marcadores de nucleotídeo entrantes. A taxa de associação efetiva pode ser suficientemente alta para resultar em uma religação relativamente rápida em comparação com o tempo de vida do complexo polimerase-nucleotídeo, de modo que os eventos de incorporação são detectados e de modo que o duplex se forma novamente após quaisquer eventos de dissociação que ocorrem durante a incorporação de nucleotídeo. A taxa de associação será de pseudo primeira ordem na concentração do marcador alongado do nucleotídeo, que pode ser considerada para tornar tal disposição um sensor estocástico da concentração do marcador alongado. Observe que os marcadores alongados que se difundem livremente podem ter uma concentração relativamente baixa (por exemplo, de 10 nM a 100 nM, ou de 100 nM a 250 nM, ou de 250 nM a 500 nM, ou de 500 nM a 1 μM), enquanto que o marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado irá efetivamente ter uma concentração relativamente alta porque ele está vinculado ao nucleotídeo que é mantido no lugar pela polimerase durante a incorporação e, portanto, não está livre para ser removido por difusão.[0157] Note that the duplex formed between the elongated marker portion and the chain portion may be in thermodynamic equilibrium. It should be noted that a duplex in thermodynamic equilibrium may have association and dissociation rates that are based on the length and character of the nucleic acid sequence, and that the duplex may dissociate from time to time. It may be useful if the average time in the duplex state (the inverse of the dissociation rate) is shorter than the average lifetime of the polymerase-nucleotide complex during the incorporation event, so that after incorporation and release of the nucleotide marker, the marker will diffuse away and will not block incoming nucleotide markers. The effective association rate may be high enough to result in relatively rapid rebinding compared to the lifetime of the polymerase-nucleotide complex, so that incorporation events are detected and so that the duplex forms again after any such events. of dissociation that occur during nucleotide incorporation. The association rate will be pseudo first order at the nucleotide elongated marker concentration, which can be considered to make such an arrangement a stochastic sensor of the elongated marker concentration. Note that freely diffusing elongated labels can have a relatively low concentration (e.g., from 10 nM to 100 nM, or from 100 nM to 250 nM, or from 250 nM to 500 nM, or from 500 nM to 1 μM) , whereas the elongated marker of the nucleotide being driven will effectively have a relatively high concentration because it is bound to the nucleotide that is held in place by the polymerase during incorporation and is therefore not free to be removed by diffusion.

[0158] Em determinadas modalidades exemplares aqui descritas, o corpo alongado da corrente e o marcador alongado do nucleotídeo sendo acionados pela polimerase, podem incluir, respectivamente, ou podem até mesmo consistir unicamente de DNA de fita simples (ssDNA). No entanto, deve ser notado que outros tipos de moléculas podem ser adequadamente utiizadas. Por exemplo, qualquer corrente pode ser adequadamente usada, que inclui um corpo alongado tendo uma ou mais das seguintes características e, opcionalmente, inclui todas as seguintes características: 1. O corpo alongado pode incluir uma região que interage com porções respectivamente ligadas a diferentes tipos de nucleotídeos de modo que as partes sejam distinguíveis umas das outras, por exemplo, através da medição da corrente ou fluxo através da constrição do poro. 2. O corpo alongado pode incluir uma região carregada que faz com que ela seja puxada através da constrição do poro responsivo a uma tensão aplicada. O corpo alongado pode ser mantido tenso neste tipo de configuração. Essa região carregada pode estar adjacente à constrição do poro para resultar em uma força líquida. 3. O corpo alongado pode incluir uma ou mais regiões repórteres que geram um estado do sinal claramente distinguível quando o nucleotídeo no qual a polimerase está agindo é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do polinucleotídeo sendo sequenciado. A(s) região/regiões repórter(es) e a região carregada podem iguais entre si, ou seja, uma única região pode ser tanto uma região repórter como uma região carregada. Além disso, deve ser compreendido que diferentes estados de sinal, que podem representar as identidades dos nucleotídeos ou se aqueles nucleotídeos são uma correspondência ou uma incompatibilidade, não precisam necessariamente ocorrer em diferentes momentos de um em relação ao outro e, de fato, eles podem ocorrer ao mesmo tempo um como um outro. Por exemplo, um sinal medido (por exemplo, óptico ou eléctrico) pode incluir um composto de mais de um estado de sinal (por exemplo, dois estados de sinal), em que cada um dos estados de sinal fornece informações sobre um ou mais de uma identidade de nucleotídeos ou se tal nucleotídeo é uma correspondência ou não.[0158] In certain exemplary embodiments described herein, the elongated body of the chain and the elongated nucleotide marker being driven by the polymerase, may respectively include, or may even consist solely of, single-stranded DNA (ssDNA). However, it should be noted that other types of molecules can be appropriately used. For example, any chain may be suitably used which includes an elongate body having one or more of the following features, and optionally includes all of the following features: 1. The elongate body may include a region that interacts with portions respectively attached to different types of nucleotides so that the parts are distinguishable from each other, for example, by measuring the current or flow through the pore constriction. 2. The elongated body may include a charged region that causes it to be pulled through the constriction of the pore responsive to an applied voltage. The elongated body can be kept taut in this type of configuration. This charged region may be adjacent to the pore constriction to result in a net force. 3. The elongated body may include one or more reporter regions that generate a clearly distinguishable signal state when the nucleotide on which the polymerase is acting is complementary or not complementary to a following nucleotide in the sequence of the polynucleotide being sequenced. The reporter region(s) and the charged region may be identical to each other, that is, a single region may be both a reporter region and a charged region. Furthermore, it must be understood that different signal states, which may represent the identities of nucleotides or whether those nucleotides are a match or a mismatch, need not necessarily occur at different times relative to one another and, in fact, they may occur at the same time as one another. For example, a measured signal (e.g., optical or electrical) may include a composite of more than one signal state (e.g., two signal states), wherein each of the signal states provides information about one or more of a nucleotide identity or whether such nucleotide is a match or not.

[0159] Um material exemplar que pode ser incluído no corpo alongado da corrente, ou no marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado, ou ambos, é um polímero. Polímeros incluem polímeros biológicos e polímeros sintéticos. Polímeros biológicos exemplares que são adequados para uso no corpo alongado da corrente, ou o marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado, ou ambos, incluem polinucleotídeos, polipeptídeos, polissacarídeos, análogos de polinucleotídeo e análogos de polipeptídeo. Análogos de polinucleotídeos e de polinucleotídeo exemplares adequados para uso no corpo alongado da corrente, ou o marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado, ou ambos, incluem DNA, DNA enantiomérico, RNA, PNA (peptídeo-ácido nucleico), morfolinos e LNA (ácido nucleico bloqueado). Polipeptídeos sintéticos exemplares podem incluir aminoácidos carregados, assim como resíduos hidrofílicos e neutros. Em algumas modalidades, a corrente não é um ácido nucleico ou não inclui nucleotídeos. Por exemplo, uma corrente pode excluir nucleotídeos que ocorrem na natureza, análogos de nucleotídeo de ocorrência não natural ou ambos. Um ou mais dos nucleotídeos definidos na presente invenção ou, de outra forma, conhecidos na técnica, podem ser excluídos de uma corrente.[0159] An exemplary material that can be included in the elongated body of the chain, or in the elongated marker of the nucleotide being driven, or both, is a polymer. Polymers include biological polymers and synthetic polymers. Exemplary biological polymers that are suitable for use in the elongated body of the chain, or the elongated marker of the nucleotide being driven, or both, include polynucleotides, polypeptides, polysaccharides, polynucleotide analogs and polypeptide analogs. Exemplary polynucleotide and polynucleotide analogs suitable for use on the elongated body of the chain, or the elongated tag of the nucleotide being driven, or both, include DNA, enantiomeric DNA, RNA, PNA (peptide-nucleic acid), morpholinos, and LNA (nucleic acid). blocked). Exemplary synthetic polypeptides can include charged amino acids as well as hydrophilic and neutral residues. In some embodiments, the chain is not a nucleic acid or does not include nucleotides. For example, a chain may exclude naturally occurring nucleotides, non-naturally occurring nucleotide analogues, or both. One or more of the nucleotides defined in the present invention or otherwise known in the art may be excluded from a chain.

[0160] Outros polímeros exemplares que podem ser adequados para o uso no corpo alongado da corrente, ou no marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado, ou ambos, incluem polímeros sintéticos, tais como PEG (polietilenoglicol), PPG (polipropilenoglicol), PVA (álcool polivinílico), PE (polietileno), LDPE (polietileno de baixa densidade), HDPE (polietileno de alta densidade), polipropileno, PVC (cloreto de polivinila), PS (poliestireno), NYLON (poliamidas alifáticas), TEFLON® (tetrafluoretileno), poliuretanos termoplásticos, polialdeídos, poliolefinas, poli(óxidos de etileno), poli(ésteres do ácido w-alquenoico), poli(metacrilatos de alquila) e outros ligantes químicos e biológicos poliméricos, tais como descritos em Hermanson et al., mencionado adicionalmente acima. Além disso, como mencionado acima, as porções do corpo alongado da corrente, ou o marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado, ou ambos, podem ser sequências nucleotídicas curtas individuais que interagem uma com a outra. Essas porções podem não interagir com a polimerase, como marcadores de RNA, PNA ou LNA, morfolinos ou DNA enantiomérico, por exemplo. A porção não precisa ser formada do mesmo polímero como as outras porções do corpo alongado da corrente ou do marcador alongado do nucleotídeo sendo acionado. Marcadores alongados podem ser prontamente ligados ao gama-fosfato dos nucleotídeos, tal como é conhecido na técnica. Além disso, em uma modalidade ilustrativa, as bases isoG e isoC podem ser usadas nos marcadores alongados de nucleotídeo, ou na corrente, ou em ambos, de modo a inibir a hibridização dos marcadores alongados com o DNA sendo sequenciado. Além disso, outros esquemas podem ser usados para induzir a estrutura secundária na corrente para encurtá-la, como um grampo.[0160] Other exemplary polymers that may be suitable for use in the elongated body of the chain, or in the elongated marker of the nucleotide being driven, or both, include synthetic polymers, such as PEG (polyethylene glycol), PPG (polypropylene glycol), PVA (alcohol polyvinyl), PE (polyethylene), LDPE (low density polyethylene), HDPE (high density polyethylene), polypropylene, PVC (polyvinyl chloride), PS (polystyrene), NYLON (aliphatic polyamides), TEFLON® (tetrafluoroethylene), thermoplastic polyurethanes, polyaldehydes, polyolefins, poly(ethylene oxides), poly(w-alkenoic acid esters), poly(alkyl methacrylates) and other polymeric chemical and biological binders, such as described in Hermanson et al., mentioned further above . Furthermore, as mentioned above, the elongated body portions of the chain, or the elongated nucleotide tag being driven, or both, may be individual short nucleotide sequences that interact with each other. These portions may not interact with the polymerase, such as RNA, PNA or LNA tags, morpholinos or enantiomeric DNA, for example. The portion need not be formed from the same polymer as the other portions of the elongated body of the chain or the elongated marker of the nucleotide being driven. Elongated tags can be readily attached to the gamma-phosphate of nucleotides, as is known in the art. Furthermore, in an illustrative embodiment, the bases isoG and isoC can be used in the elongated nucleotide markers, or in the chain, or in both, so as to inhibit hybridization of the elongated markers with the DNA being sequenced. Additionally, other schemes can be used to induce the secondary structure in the chain to shorten it, like a hairpin.

[0161] Além disso, nota-se que a corrente pode incluir várias porções, cada uma das quais interagindo, respectivamente, com uma porção ligada a um determinado tipo de nucleotídeo. A interação entre a porção do nucleotídeo com a porção correspondente da corrente pode mover a(s) região/regiões repórter(es) da corrente por uma quantidade correspondente que facilita a identificação do nucleotídeo correspondente através de um sinal, por exemplo, através de uma corrente ou fluxo através da abertura do poro.[0161] Furthermore, it is noted that the chain may include several portions, each of which interacts, respectively, with a portion linked to a certain type of nucleotide. The interaction between the portion of the nucleotide with the corresponding portion of the chain can move the reporter region(s) of the chain by a corresponding amount that facilitates identification of the corresponding nucleotide through a signal, e.g., through a current or flow through the pore opening.

[0162] Em uma modalidade ilustrativa não limitante, o poro inclui MspA, que pode proporcionar uma separação satisfatória de correntes ou fluxos específicos do nucleotídeo, por exemplo, uma separação 3,5 vezes maior de correntes ou fluxos específicos de nucleotídeo em comparação com a alfa-hemolisina. No entanto, deve ser notado que a alfa-hemolisina ou outros tipos de poros podem ser adequadamente usados com as presentes, composições, sistemas e métodos.[0162] In a non-limiting illustrative embodiment, the pore includes MspA, which can provide satisfactory separation of nucleotide-specific streams or streams, e.g., a 3.5-fold greater separation of nucleotide-specific streams or streams compared to the alpha-hemolysin. However, it should be noted that alpha-hemolysin or other types of pores can be suitably used with the present compositions, systems and methods.

[0163] Além disso, observa-se que, em modalidades em que uma tensão é aplicada através do poro e movimentos da(s) região/regiões repórter(es) é/são medidos através da corrente ou fluxo através do poro, a tensão pode ser adequada aplicada usando corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA). A corrente CA pode ajudar a aumentar a vida útil do eletrodo e ajudar a ejetar os marcadores alongados clivados do poro se os marcadores ficarem presos. Além disso, observa-se que uma corrente positivamente carregada pode ser usada com um viés reverso sobre o poro a fim de evitar que o DNA sendo sequenciado seja puxado para dentro do poro. Além disso, observa-se que uma corrente positivamente carregada e marcadores alongados positivamente carregados podem ser usados com um viés reverso sobre o poro a fim de evitar que o DNA sendo sequenciado seja puxado para dentro do poro.[0163] Furthermore, it is noted that, in embodiments in which a voltage is applied across the pore and movements of the reporter region(s) is/are measured via the current or flow through the pore, the voltage It can be appropriately applied using direct current (DC) or alternating current (AC). AC current can help increase electrode life and help eject the cleaved elongated tracers from the pore if the tracers become stuck. Furthermore, it is noted that a positively charged current can be used with a reverse bias on the pore in order to prevent the DNA being sequenced from being drawn into the pore. Furthermore, it is noted that a positively charged current and elongated positively charged markers can be used with a reverse bias on the pore in order to prevent the DNA being sequenced from being pulled into the pore.

[0164] Além disso, um método de sensoriamento estocástico pode ser empregado. Nesta disposição, uma corrente CA pode ser usada para mover o duplex hibridizado adjacente à constrição. Por exemplo, as figuras 4A a 4E ilustram esquematicamente uma composição incluindo uma corrente ancorada a ou adjacente a um nanoporo e configurado para uso na detecção da ação de uma polimerase sobre um nucleotídeo usando uma corrente ancorada para ou adjacente a um nanoporo responsivo a uma alteração no potencial elétrico no nanoporo, e a figura 4F ilustra um sinal exemplar que pode ser gerado durante o uso de tal composição.[0164] Additionally, a stochastic sensing method can be employed. In this arrangement, an AC current can be used to move the hybridized duplex adjacent to the constriction. For example, Figures 4A to 4E schematically illustrate a composition including a chain anchored to or adjacent to a nanopore and configured for use in detecting the action of a polymerase on a nucleotide using a chain anchored to or adjacent to a nanopore responsive to a change. in the electrical potential in the nanopore, and Figure 4F illustrates an exemplary signal that can be generated during the use of such a composition.

[0165] A composição ilustrada na figura 4A inclui o nanoporo 400, incluindo um primeiro lado, um segundo lado, uma abertura estendendo-se através do primeiro e segundo lados e uma constrição disposta entre o primeiro e o segundo lados (componentes do nanoporo 400 não especificamente marcados, porém podem ser análogos àqueles ilustrados nas figuras 7C e 7D); corrente permanente 410 incluindo uma região de cabeça ancorada ao primeiro lado do nanoporo 400, uma região de cauda que é opcionalmente acoplada a outro membro 460 (por exemplo, um oligonucleotídeo) que inibe a dissociação da polimerase 430 do nanoporo 400 e um corpo alongado que inclui uma ou mais regiões repórteres 414 e a primeira porção 415 (outros componentes da corrente 410 não especificamente marcados, mas podem ser análogos àqueles ilustrados nas figuras 7C e 7D); e a polimerase 430. Conforme ilustrado na figura 4A, quando a polimerase 430 não está agindo sobre um nucleotídeo, a polimerase pode estar em um estado aberto. O sinal ilustrado na figura 4F mostrado na figura 4A inclui uma corrente ou estado de fluxo correspondente à(s) região/regiões repórter(es) 414 sendo dispostas em um local que é característico do estado aberto da polimerase 430, sob uma tensão positiva aplicada através do nanoporo 400, por exemplo, + 180 mV, onde + 180 mV indica 0 mV no primeiro lado do nanoporo e + 180 mV no segundo lado do nanoporo.[0165] The composition illustrated in Figure 4A includes the nanopore 400, including a first side, a second side, an opening extending through the first and second sides, and a constriction disposed between the first and second sides (components of the nanopore 400 not specifically marked, but may be analogous to those illustrated in figures 7C and 7D); permanent chain 410 including a head region anchored to the first side of the nanopore 400, a tail region that is optionally coupled to another member 460 (e.g., an oligonucleotide) that inhibits the dissociation of polymerase 430 from the nanopore 400, and an elongated body that includes one or more reporter regions 414 and the first portion 415 (other components of chain 410 not specifically labeled, but may be analogous to those illustrated in Figures 7C and 7D); and polymerase 430. As illustrated in Figure 4A, when polymerase 430 is not acting on a nucleotide, the polymerase may be in an open state. The signal illustrated in Figure 4F shown in Figure 4A includes a current or flow state corresponding to the reporter region(s) 414 being arranged in a location that is characteristic of the open state of the polymerase 430, under an applied positive voltage. through nanopore 400, for example, +180 mV, where +180 mV indicates 0 mV on the first side of the nanopore and +180 mV on the second side of the nanopore.

[0166] A composição ilustrada na figura 4B inclui adicionalmente o nucleotídeo 420, incluindo o marcador alongado 421 que inclui a segunda porção 422. A polimerase 430 age sobre o nucleotídeo 420, fazendo com que a polimerase 430 mude a conformação para um estado fechado, tal como é ilustrado na figura 4B. O sinal ilustrado na figura 4F mostrado na figura 4B inclui uma corrente ou estado de fluxo 414 sendo disposta em um local que é característico do estado fechado da polimerase 430, sob uma tensão positiva aplicada através do nanoporo 400, por exemplo, + 180 mV. Observe que, sob uma tensão positiva, a primeira porção 415 pode ser disposta no lado oposto do nanoporo 400 da porção 422 do nucleotídeo 420, inibindo assim a formação de um duplex entre a porção 415 e a porção 422 sob a tensão positiva. Note que a porção 415 pode estar localizada em qualquer posição adequada ao longo do marcador alongado da corrente 410, por exemplo, pode ser localizada entre a região de cauda e a(s) região/regiões repórter(es) 414, tal como é ilustrado na figura 4A, ou pode ser adjacente à região de cabeça, adjacente à região de cauda, adjacente à região repórter, ou estar entre a região de cabeça e a(s) região/regiões repórter(es) 414.[0166] The composition illustrated in Figure 4B additionally includes nucleotide 420, including the elongated marker 421 that includes the second portion 422. Polymerase 430 acts on nucleotide 420, causing polymerase 430 to change conformation to a closed state, as illustrated in figure 4B. The signal illustrated in Figure 4F shown in Figure 4B includes a current or flow state 414 being arranged in a location that is characteristic of the closed state of the polymerase 430, under a positive voltage applied across the nanopore 400, e.g., +180 mV. Note that under a positive voltage, the first portion 415 can be disposed on the opposite side of the nanopore 400 from the portion 422 of the nucleotide 420, thereby inhibiting the formation of a duplex between the portion 415 and the portion 422 under the positive voltage. Note that portion 415 may be located at any suitable position along the elongated chain marker 410, for example, it may be located between the tail region and the reporter region(s) 414, as illustrated. in Figure 4A, or may be adjacent to the head region, adjacent to the tail region, adjacent to the reporter region, or be between the head region and the reporter region/regions 414.

[0167] Conforme ilustrado na figura 4C, uma interação entre a porção 422 do nucleotídeo 420 e a porção 415 da corrente 410 pode definir o duplex 423 sob uma tensão reversa, por exemplo, sob uma tensão negativa, com base em quais porções 415 e 422 estão dispostas do mesmo lado do nanoporo 400 como um outro. O sinal ilustrado na figura 4F mostrado na figura 4C inclui uma corrente ou estado de fluxo correspondente às posições da(s) região/regiões repórter(es) 414 e o duplex 423 sob a tensão negativa aplicada através do nanoporo 400, por exemplo, -180 mV, onde -180 mV indica 0 mV do primeiro lado do nanoporo e -180 mV no segundo lado do nanoporo. A posição da região repórter 414 pode ser sensibilizada, dependendo de onde a corrente é ligada à polimerase, para distinguir entre os nucleotídeos correspondentes e incompatíveis de maneira análoga àquela descrita nas referências de Freudenthal mencionadas acima.[0167] As illustrated in Figure 4C, an interaction between portion 422 of nucleotide 420 and portion 415 of chain 410 can set duplex 423 under a reverse voltage, for example, under a negative voltage, based on which portions 415 and 422 are arranged on the same side of the nanopore 400 as another. The signal illustrated in Figure 4F shown in Figure 4C includes a current or flow state corresponding to the positions of the reporter region(s) 414 and the duplex 423 under the negative voltage applied across the nanopore 400, e.g. 180 mV, where -180 mV indicates 0 mV on the first side of the nanopore and -180 mV on the second side of the nanopore. The position of the 414 reporter region can be sensitized, depending on where the chain is bound to the polymerase, to distinguish between matched and mismatched nucleotides in a manner analogous to that described in the Freudenthal references mentioned above.

[0168] Conforme é ilustrado na figura 4D, ao inverter a tensão para uma tensão positiva, por exemplo, + 180 mV, o duplex 423 pode ficar alojado em ou adjacente à constrição do nanoporo. O sinal ilustrado na figura 4F mostrado na figura 4D inclui uma corrente ou estado de fluxo correspondendo à posição do duplex 423, bem como as porções particulares que definem o duplex 423, sob a tensão positiva aplicada através do nanoporo 400, por exemplo, + 180 mV. Com base na porção 422 sendo selecionada de modo a corresponder a um único tipo de nucleotídeo, o sinal pode ser usado para determinar qual nucleotídeo está sob a ação da polimerase 430. Observe que o duplex 423 formado entre a porção 415 e a porção 422 pode ser suficientemente grande de modo a inibir o movimento do duplex pela constrição.[0168] As illustrated in Figure 4D, by inverting the voltage to a positive voltage, for example, + 180 mV, the duplex 423 can become housed in or adjacent to the nanopore constriction. The signal illustrated in Figure 4F shown in Figure 4D includes a current or flow state corresponding to the position of the duplex 423, as well as the particular portions defining the duplex 423, under the positive voltage applied across the nanopore 400, e.g., +180 mV. Based on the 422 portion being selected to correspond to a single nucleotide type, the signal can be used to determine which nucleotide is under the action of polymerase 430. Note that the 423 duplex formed between the 415 portion and the 422 portion can be large enough to inhibit movement of the duplex through the constriction.

[0169] Conforme ilustrado na figura 4E, em resposta à aplicação contínua da tensão positiva, por exemplo, + 180 mV, o duplex 423 pode se dissociar. Pode ser considerado que tal dissociação “interrompe” o duplex 423 formado entre a porção 415 e a porção 422. Em algumas modalidades, a porção 415 pode se mover através da constrição para ser disposta no segundo lado do nanoporo 400. A porção da figura 4F imediatamente abaixo da figura 4E ilustra uma corrente ou fluxo exemplar através da abertura sob a tensão positiva após a dissociação da porção 415 da porção 422. O sinal ilustrado na figura 4F mostrado na figura 4E inclui uma corrente ou estado de fluxo que corresponde à(s) região/regiões repórter(es) 414 sendo disposta(s) em um local que é característico do estado fechado da polimerase 430, sob uma tensão positiva aplicada através do nanoporo 400, por exemplo, + 180 mV. A porção 422 pode ser configurada de modo a permanecer disposta no primeiro lado do nanoporo 400 mesmo se a porção 415 ficar disposta no segundo lado do nanoporo 400, de modo a inibir temporariamente a interação entre as porções 415 e 422. Conforme ilustrado na figura 4C, após tal dissociação, a tensão aplicada através da abertura 403 pode ser novamente alterada, por exemplo, pode ser alterada para a primeira tensão, responsiva à qual as porções 415 e 422 podem interagir entre si de modo a, novamente, definir o duplex 423.[0169] As illustrated in Figure 4E, in response to continuous application of positive voltage, for example, + 180 mV, duplex 423 may dissociate. Such dissociation may be considered to “disrupt” the duplex 423 formed between portion 415 and portion 422. In some embodiments, portion 415 may move through the constriction to be disposed on the second side of nanopore 400. The portion of Figure 4F immediately below Figure 4E illustrates an exemplary current or flow through the opening under positive voltage after dissociation of portion 415 from portion 422. The signal illustrated in Figure 4F shown in Figure 4E includes a current or flow state that corresponds to the ) reporter region/regions 414 being arranged in a location that is characteristic of the closed state of the polymerase 430, under a positive voltage applied across the nanopore 400, for example, + 180 mV. The portion 422 can be configured to remain disposed on the first side of the nanopore 400 even if the portion 415 is disposed on the second side of the nanopore 400, so as to temporarily inhibit the interaction between the portions 415 and 422. As illustrated in Figure 4C , after such dissociation, the voltage applied across the opening 403 can be changed again, for example, it can be changed to the first voltage, responsive to which the portions 415 and 422 can interact with each other so as to, again, define the duplex 423 .

[0170] Deve ser notado que os sinais correspondentes às posições relativas da(s) região/regiões repórter(es) 414 e o duplex 423, e as porções particulares que definem o duplex 423 podem ser detectáveis de qualquer forma adequada. Por exemplo, a composição pode estar em comunicação operável com um circuito de medição, tal como é descrito acima com referência à figura 2A ou à figura 2B. O circuito de medição pode ser configurado para detectar a corrente ou o fluxo através da abertura do nanoporo 400, que pode variar ao longo do tempo com base no estado conformacional da polimerase 430 e com base na porção 422 do nucleotídeo particular 420 sendo acionado pela polimerase 430. Em uma modalidade ilustrativa, o nanoporo 400, a corrente 410, a polimerase 430 e o nucleotídeo 420 podem ser imersos em um fluido condutor, por exemplo, em uma solução salina aquosa. Um circuito de medição configurado de forma análoga ao circuito de medição 230 ilustrado na figura 2A ou o circuito de medição 240 ilustrado na figura 2B pode estar em comunicação com o primeiro e segundo eletrodos, e pode ser configurado para aplicar uma primeira tensão entre aqueles eletrodos, de modo a aplicar uma tensão através do nanoporo 400, conforme é representado pelos sinais “+” e “-” ilustrados na figura 4A, e para usar os eletrodos para medir a magnitude de uma corrente ou fluxo através de abertura 403 na primeira tensão. Por exemplo, a porção da figura 4F imediatamente abaixo da figura 4A ilustra uma corrente ou fluxo exemplar através da abertura do nanoporo 400 em uma primeira tensão. A região repórter 414 pode ter uma propriedade de bloqueio de fluxo ou elétrico diferente de algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado da corrente (não especificamente marcadas). Por exemplo, a(s) região/regiões repórter(es) 414 pode(m) incluir uma carga eletrostática, enquanto algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado podem incluir uma carga eletrostática diferente, ou podem ser descarregadas (por exemplo, podem ser eletricamente neutras). Ou, por exemplo, a(s) região/regiões repórter(es) 414 pode(m) ser descarregada(s), enquanto algumas ou todas as outras regiões do corpo alongado podem incluir uma carga eletrostática. Em um exemplo ilustrativo não limitante, o corpo alongado da corrente inclui um polinucleotídeo que inclui um ou mais nucleotídeos abásicos que definem a(s) região/regiões repórter(es) 414. A magnitude da corrente ou fluxo através da abertura do nanoporo 400 pode mudar, de forma mensurável, em resposta à localização relativa da(s) região/regiões repórter(es) 414 dentro da abertura 403, o local relativo do duplex 423 e as porções que definem o duplex 423, com base no que o estado conformacional da polimerase 430 e a ação da polimerase 430 podem ser determinados.[0170] It should be noted that signals corresponding to the relative positions of the reporter region(s) 414 and the duplex 423, and the particular portions defining the duplex 423 may be detectable in any suitable manner. For example, the composition may be in operable communication with a measurement circuit such as is described above with reference to Figure 2A or Figure 2B. The measurement circuit may be configured to detect the current or flow through the opening of the nanopore 400, which may vary over time based on the conformational state of the polymerase 430 and based on the portion 422 of the particular nucleotide 420 being driven by the polymerase. 430. In an illustrative embodiment, the nanopore 400, the chain 410, the polymerase 430, and the nucleotide 420 may be immersed in a conductive fluid, for example, in an aqueous saline solution. A measuring circuit configured analogously to the measuring circuit 230 illustrated in FIG. 2A or the measuring circuit 240 illustrated in FIG. 2B may be in communication with the first and second electrodes, and may be configured to apply a first voltage between those electrodes. , so as to apply a voltage across the nanopore 400, as represented by the “+” and “-” signs illustrated in Figure 4A, and to use the electrodes to measure the magnitude of a current or flow through opening 403 at the first voltage . For example, the portion of Figure 4F immediately below Figure 4A illustrates an exemplary current or flow through the opening of nanopore 400 at a first voltage. Reporter region 414 may have a flow or electrical blocking property different from some or all other regions of the elongate current body (not specifically labeled). For example, the reporter region(s) 414 may include an electrostatic charge, while some or all of the other regions of the elongated body may include a different electrostatic charge, or may be discharged (e.g., may be electrically neutral). Or, for example, the reporter region(s) 414 may be discharged, while some or all of the other regions of the elongate body may include an electrostatic charge. In a non-limiting illustrative example, the elongated body of the chain includes a polynucleotide that includes one or more abasic nucleotides that define the reporter region(s) 414. The magnitude of the current or flow through the opening of the nanopore 400 may change, measurably, in response to the relative location of the reporter region(s) 414 within the opening 403, the relative location of the duplex 423, and the portions defining the duplex 423, based on what the conformational state of polymerase 430 and the action of polymerase 430 can be determined.

[0171] Note que, em algumas modalidades, os respectivos comprimentos do corpo alongado da corrente e do ligante que liga o nucleotídeo e o marcador alongado, os respectivos locais das porções 415 e 422 e o respectivo local da(s) região/regiões repórter(es) 414 são cosselecionados de modo a inibir ou impedir a aplicação de força ao nucleotídeo 420, enquanto o nucleotídeo está sendo acionado pela polimerase 430 e, desse modo, para impedir que tal força modifique o desempenho da polimerase. Em uma modalidade ilustrativa, a interação entre a porção 415 e a porção 422 forma o duplex 423. O comprimento do corpo alongado da corrente, e o local da porção 415 ao longo do corpo alongado, podem ser cosselecionados de modo que a porção 415 possa ser estendida através da constrição do nanoporo 400 em resposta a uma tensão apropriada aplicada, por exemplo, a fim de causar a dissociação entre a porção 415 e a porção 422. O tamanho do duplex 423 pode inibir o movimento do duplex através da constrição do nanoporo 400, e pode proteger os nucleotídeos 420 de forças que, de outro modo, poderiam ter sido aplicadas ao nucleotídeo 420 através do marcador alongado 421. Em uma modalidade exemplar, a(s) região/regiões repórter(es) 414 são dispostas em um local adequado ao longo do corpo alongado da corrente 410 a fim de serem dispostas dentro, ou adjacentes à constrição do nanoporo 400 quando as porções 415 e 422 se dissociam uma da outra sob a tensão positiva.[0171] Note that, in some embodiments, the respective lengths of the elongated body of the chain and linker binding the nucleotide and the elongated tag, the respective locations of portions 415 and 422, and the respective location of the reporter region/regions (es) 414 are coselected so as to inhibit or prevent the application of force to the nucleotide 420 while the nucleotide is being driven by the polymerase 430 and thereby to prevent such force from modifying the performance of the polymerase. In an illustrative embodiment, the interaction between portion 415 and portion 422 forms duplex 423. The length of the elongate body of the chain, and the location of portion 415 along the elongate body, may be coselected such that portion 415 may be extended through the constriction of the nanopore 400 in response to an appropriate applied voltage, for example, in order to cause dissociation between the portion 415 and the portion 422. The size of the duplex 423 can inhibit movement of the duplex through the constriction of the nanopore 400, and can protect nucleotides 420 from forces that could otherwise have been applied to nucleotide 420 through the elongated marker 421. In an exemplary embodiment, the reporter region(s) 414 are arranged in a suitable location along the elongated body of the chain 410 in order to be disposed within, or adjacent to, the constriction of the nanopore 400 when the portions 415 and 422 dissociate from each other under positive voltage.

[0172] Em outro exemplo, as figuras 5A a 5D ilustram esquematicamente uma composição incluindo uma corrente ancorada a ou adjacente a um nanoporo e configurado para uso na detecção da ação de uma polimerase sobre um nucleotídeo usando uma corrente ancorada para ou adjacente a um nanoporo responsivo a uma alteração no potencial elétrico no nanoporo, e a figura 6 ilustra sinais exemplares que podem ser gerados durante o uso de tal composição.[0172] In another example, Figures 5A to 5D schematically illustrate a composition including a chain anchored to or adjacent to a nanopore and configured for use in detecting the action of a polymerase on a nucleotide using a chain anchored to or adjacent to a nanopore responsive to a change in electrical potential in the nanopore, and Figure 6 illustrates exemplary signals that can be generated during the use of such a composition.

[0173] A composição ilustrada na figura 5A inclui o nanoporo 500, incluindo um primeiro lado, um segundo lado, uma abertura estendendo-se através do primeiro e segundo lados e uma constrição disposta entre o primeiro e o segundo lados (componentes do nanoporo 400 não especificamente marcados, porém podem ser análogos àqueles ilustrados nas figuras 7C e 7D); corrente permanente 510 incluindo uma região de cabeça ancorada ao primeiro lado do nanoporo 500, uma região de cauda que é opcionalmente acoplada a outro membro 560 (por exemplo, um oligonucleotídeo) que inibe a dissociação da polimerase 530 do nanoporo 500 e um corpo alongado que inclui uma ou mais regiões repórteres 514 e a primeira porção 515 (outros componentes do corrente 510 não especificamente marcados, mas podem ser análogos àqueles ilustrados nas figuras 7C e 7D); o nucleotídeo 520 incluindo um marcador alongado (não marcado) que inclui a segunda porção 522; e a polimerase 530. Conforme ilustrado na figura 5A, quando a polimerase 530 não está agindo no nucleotídeo 520, a polimerase pode estar em um estado aberto ou em um estado fechado, cada um deles possuindo um sinal único relativo aos seus estados não ligados. O sinal ilustrado na figura 6 denotado “A” (linha de longos traços) inclui uma corrente ou estado de fluxo correspondente à(s) região/regiões repórter(es) 514 sendo dispostas em um local que é característico dos estados não ligados da polymerase 530, sob uma tensão positiva aplicada através do nanoporo 500, por exemplo, + 180 mV.[0173] The composition illustrated in Figure 5A includes the nanopore 500, including a first side, a second side, an opening extending through the first and second sides, and a constriction disposed between the first and second sides (components of the nanopore 400 not specifically marked, but may be analogous to those illustrated in figures 7C and 7D); permanent chain 510 including a head region anchored to the first side of the nanopore 500, a tail region that is optionally coupled to another member 560 (e.g., an oligonucleotide) that inhibits the dissociation of polymerase 530 from the nanopore 500, and an elongated body that includes one or more reporter regions 514 and the first portion 515 (other components of chain 510 not specifically labeled, but may be analogous to those illustrated in Figures 7C and 7D); nucleotide 520 including an elongated (unlabeled) tag that includes the second portion 522; and polymerase 530. As illustrated in Figure 5A, when polymerase 530 is not acting on nucleotide 520, the polymerase can be in an open state or a closed state, each of which has a unique signal relative to its unbound states. The signal illustrated in Figure 6 denoted “A” (long dashed line) includes a current or flow state corresponding to the reporter region(s) 514 being arranged in a location that is characteristic of the unbound states of the polymerase. 530, under a positive voltage applied across the nanopore 500, e.g. +180 mV.

[0174] A composição ilustrada na figura 5B inclui a polimerase 530 que atua no nucleotídeo 530, fazendo com que a polimerase 530 mude a conformação para um estado fechado. Além disso, uma interação entre a porção 522 do nucleotídeo 520 e a porção 515 da corrente 510 pode definir o duplex 523. Sob uma tensão positiva, por exemplo, de + 180 mV, o duplex 523 pode ficar alojado em ou adjacente à constrição do nanoporo 500. O sinal ilustrado na figura 6, denotado “B” (linha contínua) inclui uma corrente ou estado de fluxo correspondente à posição do duplex 523, bem como as porções particulares que definem duplex 523 sob a tensão positiva aplicada através do nanoporo 500, por exemplo, + 180 mV. Com base na porção 522 sendo selecionada de modo a corresponder a um único tipo de nucleotídeo, o sinal pode ser usado para determinar qual nucleotídeo está sob a ação da polimerase 530. Observe que o duplex 523 formado entre a porção 515 e a porção 522 pode ser suficientemente grande de modo a inibir o movimento do duplex pela constrição. De modo ilustrativo, o “repórter” para cada nucleotídeo diferente pode incluir as bases imediatamente adjacentes ao duplex (por exemplo, apenas abaixo da última base do duplex na figura 5B). Assim, em um exemplo não limitante, pode haver quatro repórteres para identificar os nucleotídeos. Também pode haver um quinto repórter, que é o repórter 514 que é mostrado como um círculo. O repórter 514 pode ser usado para relatar o estado conformacional da polimerase 530 como nas figuras 5C e 5D. Esse estado conformacional pode depender se a polimerase está retendo um nucleotídeo correspondente ou incompatível.[0174] The composition illustrated in Figure 5B includes polymerase 530 that acts on nucleotide 530, causing polymerase 530 to change conformation to a closed state. Furthermore, an interaction between portion 522 of nucleotide 520 and portion 515 of chain 510 may define duplex 523. Under a positive voltage, e.g., +180 mV, duplex 523 may become lodged in or adjacent to the constriction of the nanopore 500. The signal illustrated in Figure 6, denoted “B” (solid line) includes a current or flow state corresponding to the position of duplex 523, as well as the particular portions that define duplex 523 under the positive voltage applied across nanopore 500. , for example, + 180 mV. Based on portion 522 being selected to correspond to a single type of nucleotide, the signal can be used to determine which nucleotide is under the action of polymerase 530. Note that the duplex 523 formed between portion 515 and portion 522 can be large enough to inhibit movement of the duplex through the constriction. Illustratively, the “reporter” for each different nucleotide may include the bases immediately adjacent to the duplex (e.g., just below the last base of the duplex in Figure 5B). Thus, in a non-limiting example, there may be four reporters to identify the nucleotides. There may also be a fifth reporter, which is reporter 514 who is shown as a circle. Reporter 514 can be used to report the conformational state of polymerase 530 as in Figures 5C and 5D. This conformational state may depend on whether the polymerase is retaining a matching or mismatching nucleotide.

[0175] Por exemplo, como ilustrado na figura 5C, responsivo à aplicação contínua da tensão positiva, por exemplo, + 180 mV, o duplex 523 pode se dissociar. Pode ser considerado que tal dissociação “interrompe” o duplex 523 formado entre a porção 515 e a porção 522. Em algumas modalidades, a porção 515 pode se mover através da constrição para ser disposta no segundo lado do nanoporo 500. A porção da figura 6, denotada “C” (linha de traços curtos), ilustra uma corrente ou fluxo exemplar através da abertura sob a tensão positiva após a dissociação da porção 515 da porção 522. A corrente ou estado de fluxo denotado “C” corresponde à(s) região/regiões repórter(es) 514 sendo dispostas em um local que é característico do estado fechado da polimerase 530 em que o nucleotídeo correto (correspondente) 520 está ligado pela polimerase, sob uma tensão positiva aplicada através do nanoporo 500, por exemplo, + 180 mV.[0175] For example, as illustrated in Figure 5C, responsive to continuous application of positive voltage, e.g., + 180 mV, duplex 523 may dissociate. Such dissociation may be considered to “disrupt” the duplex 523 formed between portion 515 and portion 522. In some embodiments, portion 515 may move through the constriction to be disposed on the second side of nanopore 500. The portion of Figure 6 , denoted “C” (line of short dashes), illustrates an exemplary current or flow through the opening under positive voltage after dissociation of portion 515 from portion 522. The current or flow state denoted “C” corresponds to the reporter region/regions 514 being arranged in a location that is characteristic of the closed state of the polymerase 530 in which the correct (corresponding) nucleotide 520 is bound by the polymerase, under a positive voltage applied across the nanopore 500, e.g. 180mV.

[0176] Nesse exemplo, a polimerase 530 incorpora o nucleotídeo 520 no polinucleotídeo sendo sequenciado, cliva o marcador daquele nucleotídeo e, posteriormente, se liga a outro nucleotídeo que pode ou não ser complementar ao nucleotídeo seguinte no polinucleotídeo sendo sequenciado. Por exemplo, o nucleotídeo “T”, ilustrado na figura 5C, passa a ser complementar ao nucleotídeo seguinte no polinucleotídeo sendo sequenciado, enquanto que o nucleotídeo “T”, ilustrado na figura 5D, passa a não ser complementar ao nucleotídeo seguinte no polinucleotídeo sendo sequenciado. No exemplo ilustrado na figura 5D, sob a aplicação de tensão positiva, por exemplo, + 180 mV, a polimerase 530 pode alterar uma conformação única que ocorre somente quando o nucleotídeo sendo acionado é uma incompatibilidade com o nucleotídeo seguinte no polinucleotídeo sendo sequenciado. Isso reposiciona ligeiramente a(s) região/regiões repórter(es) 514 na constrição do nanoporo 500 em relação à posição da(s) região/regiões repórter(es) 514 para o caso onde o nucleotídeo era uma correspondência, por exemplo, como ilustrado na figura 5C. A porção da figura 6, denotada “D” (linha pontilhada) ilustra uma corrente ou fluxo exemplar através da abertura sob a tensão positiva da polimerase 530 mudando para a conformação correspondente a um nucleotídeo incompatível, sob uma tensão positiva aplicada através do nanoporo 500, por exemplo, + 180 mV. Observe que o nível de sinal da linha pontilhada em “D” é diferente do nível de sinal da linha tracejada em “C”, facilitando assim a distinção dos nucleotídeos correspondentes dos nucleotídeos incompatíveis. Além disso, cada base incompatível também pode ter uma confirmação da polimerase única, resultando em estados de sinal distinguíveis.[0176] In this example, polymerase 530 incorporates nucleotide 520 into the polynucleotide being sequenced, cleaves the marker for that nucleotide and subsequently binds to another nucleotide that may or may not be complementary to the next nucleotide in the polynucleotide being sequenced. For example, the “T” nucleotide, illustrated in Figure 5C, becomes complementary to the next nucleotide in the polynucleotide being sequenced, while the “T” nucleotide, illustrated in Figure 5D, becomes non-complementary to the next nucleotide in the polynucleotide being sequenced. sequenced. In the example illustrated in Figure 5D, upon application of positive voltage, e.g., +180 mV, polymerase 530 can change a unique conformation that occurs only when the nucleotide being triggered is a mismatch with the following nucleotide in the polynucleotide being sequenced. This slightly repositions the reporter region/regions 514 in the constriction of the nanopore 500 relative to the position of the reporter region/regions 514 for the case where the nucleotide was a match, e.g. illustrated in figure 5C. The portion of Figure 6, denoted “D” (dotted line) illustrates an exemplary current or flow through the opening under the positive voltage of the polymerase 530 changing to the conformation corresponding to an incompatible nucleotide, under a positive voltage applied across the nanopore 500, for example, + 180 mV. Note that the signal level of the dotted line in “D” is different from the signal level of the dashed line in “C”, thus making it easier to distinguish the corresponding nucleotides from the mismatched nucleotides. Furthermore, each mismatched base can also have a unique polymerase confirmation, resulting in distinguishable signal states.

[0177] Note que os estados acima não se destinam a ser limitantes, mas são fornecidos a título de exemplo. Outros estados detectáveis além daqueles indicados podem ocorrer. Por exemplo, pode haver vários estados detectáveis para a polimerase quando não há nenhum nucleotídeo correspondente a essas configurações como aberta e fechada, ou até mesmo vários estados quando há um nucleotídeo incompatível associado com a polimerase em qualquer estado aberto ou fechado.[0177] Note that the above states are not intended to be limiting, but are provided by way of example. Other detectable states than those indicated may occur. For example, there may be multiple detectable states for the polymerase when there is no nucleotide corresponding to such open and closed configurations, or even multiple states when there is an incompatible nucleotide associated with the polymerase in either the open or closed state.

[0178] Deve ser notado que os sinais que correspondem às posições relativas da(s) região/regiões repórter(es) 514 e o duplex 523 e as porções particulares que definem o duplex 523 podem ser detectáveis de qualquer forma adequada, tal como é definido em outras seções na presente invenção. Além disso, deve ser notado que o sinal que indica quando o nucleotídeo que está sendo acionado é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do polinucleotídeo sendo a sequência, não precisa ser elétrico ou óptico e, na verdade, pode ser gerado de qualquer forma adequada.[0178] It should be noted that signals corresponding to the relative positions of the reporter region(s) 514 and the duplex 523 and the particular portions defining the duplex 523 may be detectable in any suitable manner, such as defined in other sections in the present invention. Furthermore, it should be noted that the signal that indicates when the nucleotide being triggered is complementary or is not complementary to a following nucleotide in the sequence of the polynucleotide being the sequence, need not be electrical or optical and, in fact, can be generated in any suitable way.

[0179] Além disso, deve-se notar que a dissociação de um duplex, como pode ser formado com base em uma interação entre uma primeira porção de um corpo alongado e uma segunda porção de um marcador alongado responsivo a uma tensão aplicada pode ser caracterizada como definindo uma primeira via que é caracterizada por duas ou mais constantes cinéticas. Além disso, a indicação de quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou não é complementar ao nucleotídeo seguinte na sequência de um polinucleotídeo sendo sequenciado, por exemplo, uma alteração conformacional da polimerase, liberação de pirofosfato ou liberação do marcador alongado do nucleotídeo, pode ser caracterizada como definindo uma segunda via que é caracterizada por duas ou mais constantes cinéticas. A distribuição estatística dos sinais medidos (por exemplo, opticamente ou eletricamente medidos) no decurso da obtenção das medições da primeira via ou da segunda via pode ser baseada nos valores relativos das constantes cinéticas correspondentes àquela via. Por exemplo, com base em se uma constante cinética para a primeira via ou a segunda via é significativamente maior que as outras constantes cinéticas para aquela via, a cinética daquela via pode ser dominada por aquela dada constante cinética, e a distribuição estatística resultante dos sinais pode ser descrita por uma função exponencial. Comparativamente, duas ou mais das constantes cinéticas para a primeira via ou para a segunda via podem ser selecionadas a fim de ser da mesma ordem de magnitude, ou ainda de modo a serem substancialmente iguais entre si (por exemplo diferindo entre si por um fator de cinco ou menos, ou quatro ou menos, ou três ou menos ou dois ou menos), de tal forma que a cinética daquela via não seja dominada por qualquer constante cinética, e a distribuição estatística resultante dos sinais pode ser descrita por uma função gama, na qual não há substancialmente nenhuma probabilidade de eventos de tempo zero ou muito curtos que são substancialmente não observáveis. Em comparação, com uma distribuição exponencial, há uma alta probabilidade de eventos curtos ou de tempo zero que são substancialmente não observáveis.[0179] Furthermore, it should be noted that the dissociation of a duplex as may be formed based on an interaction between a first portion of an elongated body and a second portion of an elongated marker responsive to an applied voltage may be characterized as defining a first pathway that is characterized by two or more kinetic constants. Additionally, the indication of when the first nucleotide is complementary or is not complementary to the next nucleotide in the sequence of a polynucleotide being sequenced, e.g., a conformational change of the polymerase, release of pyrophosphate, or release of the elongated nucleotide tag, can be characterized. as defining a second pathway that is characterized by two or more kinetic constants. The statistical distribution of the measured signals (e.g., optically or electrically measured) in the course of obtaining measurements of the first pathway or the second pathway may be based on the relative values of the kinetic constants corresponding to that pathway. For example, based on whether a kinetic constant for the first pathway or the second pathway is significantly greater than the other kinetic constants for that pathway, the kinetics of that pathway may be dominated by that given kinetic constant, and the resulting statistical distribution of signals can be described by an exponential function. Comparatively, two or more of the kinetic constants for the first path or the second path may be selected to be of the same order of magnitude, or even to be substantially equal to each other (for example, differing from each other by a factor of five or less, or four or less, or three or less, or two or less), such that the kinetics of that pathway are not dominated by any kinetic constant, and the resulting statistical distribution of signals can be described by a gamma function, in which there is substantially no probability of zero or very short time events that are substantially unobservable. In comparison, with an exponential distribution, there is a high probability of short or zero-time events that are substantially unobservable.

[0180] Uma ou mais das constantes cinéticas da primeira ou da segunda via podem ser modificadas de forma adequada a fim de serem da mesma ordem que uma ou mais das constantes cinéticas daquela via, ou ainda de modo a serem substancialmente iguais a uma ou mais das constantes cinéticas daquela via. Por exemplo, como mencionado acima, a polimerase pode ser modificada a fim de atrasar a liberação de pirofosfato responsivo à incorporação de um nucleotídeo no primeiro nucleotídeo, modificando assim, pelo menos, uma constante cinética daquela via. Como outro exemplo, a corrente pode ainda incluir uma segunda porção que hibridiza com a primeira porção de modo a formar uma estrutura de grampo. A primeira e segunda porções da corrente podem ser configuradas para desibridizarem uma da outra em um processo de duas etapas responsivo a uma tensão aplicada através do nanoporo, modificando assim, pelo menos, uma constante cinética daquela via. Um nucleotídeo modificado com tetrafosfato exemplar com um marcador configurado para formar uma estrutura de grampo é mostrado na figura 12A). Após hibridizar com a corrente, um grampo é formado conforme indicado na figura 12B. Espera-se que esse grampo tenha duas constantes de taxa de remoção, k1 e k2, que são mostradas na figura 12B. Essas constantes de taxa podem ser concebidas para serem de magnitude semelhante entre si, de modo que, quando adicionadas juntas, podem formar uma distribuição gama.[0180] One or more of the kinetic constants of the first or second pathway may be suitably modified so as to be of the same order as one or more of the kinetic constants of that pathway, or even so as to be substantially equal to one or more of the kinetic constants of that pathway. For example, as mentioned above, the polymerase can be modified in order to delay the release of pyrophosphate responsive to the incorporation of a nucleotide into the first nucleotide, thereby modifying at least one kinetic constant of that pathway. As another example, the chain may further include a second portion that hybridizes with the first portion to form a hairpin structure. The first and second portions of the current can be configured to dehybridize from each other in a two-step process responsive to a voltage applied across the nanopore, thereby modifying at least one kinetic constant of that pathway. An exemplary tetraphosphate-modified nucleotide with a tag configured to form a hairpin structure is shown in Figure 12A). After hybridizing with the current, a hairpin is formed as shown in Figure 12B. This clamp is expected to have two removal rate constants, k1 and k2, which are shown in Figure 12B. These rate constants can be designed to be of similar magnitude to each other, so that when added together they can form a gamma distribution.

[0181] Conforme é notado em outras seções na presente invenção, uma variedade de composições podem ser adequadamente incluídas no marcador alongado do nucleotídeo ou no corpo alongado da corrente, ou em ambos. Tais composições podem incluir DNA, PNA, LNA, RNA, morfolinos, PEG (polietilenoglicol) e similares, e podem ter qualquer comprimento adequado. Um marcador do oligonucleotídeo contendo um nucleotídeo adequadamente modificado pode ser apropriadamente ligado a tais composições diferentes, por exemplo, usando precursores compatíveis com a química de clique de forma ideal. Em um exemplo, o nucleotídeo é marcado com azida, que poderia facilitar o uso dos oligonucleotídeos marcados com alquino, que são facilmente sintetizados. Moléculas exemplares incluem nucleotídeos marcados com tetrafosfato, tal como é mostrado abaixo, em que (A) corresponde à azida-P4O13-dTTP e (B) corresponde ao alquino-P4O13-dTTP. Esses nucleotídeos podem ser modificados com qualquer marcador desejado usando a química de clique padrão: [0181] As noted in other sections of the present invention, a variety of compositions can be suitably included in the elongated nucleotide marker or the elongated chain body, or both. Such compositions may include DNA, PNA, LNA, RNA, morpholinos, PEG (polyethylene glycol) and the like, and may be of any suitable length. An oligonucleotide tag containing a suitably modified nucleotide can be appropriately linked to such different compositions, for example, using precursors compatible with ideally click chemistry. In one example, the nucleotide is labeled with azide, which could facilitate the use of alkyne-labeled oligonucleotides, which are easily synthesized. Exemplary molecules include tetraphosphate-labeled nucleotides as shown below, where (A) corresponds to azide-P4O13-dTTP and (B) corresponds to alkyne-P4O13-dTTP. These nucleotides can be modified with any desired tag using standard click chemistry:

[0182] Referências para fazer e marcar tetrafosfato nucleotídeos incluem as seguintes, sendo todo o conteúdo de cada uma delas incorporado por referência na presente invenção: Kumar, S., A. Sood, J. Wegener, P. J. Finn, S. Nampalli, J. R. Nelson, A. Sekher, P. Mitsis, J. Macklin e C. W. Fuller, “Terminal phosphate labeled nucleotides: synthesis, applications, and linker effect on incorporation by DNA polymerases,” Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids 24(5-7): 401-408 (2005); Sood, A., S. Kumar, S. Nampalli, J. R. Nelson, J. Macklin e C. W. Fuller, “Terminal phosphate-labeled nucleotides with improved substrate properties for homogeneous nucleic acid assays,” J Am Chem Soc 127(8): 2394- 2395 (2005); Kumar, S., C. Tao, M. Chien, B. Hellner, A. Balijepalli, J. W. Robertson, Z. Li, J. J. Russo, J. E. Reiner, J. J. Kasianowicz e J. Ju, “PEG-labeled nucleotides and nanopore detection for single molecule DNA sequencing by synthesis,” Sci Rep 2: 684 (8 páginas) (2012); Bonnac, L., S. E. Lee, G. T. Giuffredi, L. M. Elphick, A. A. Anderson, E. S. Child, D. J. Mann e V. Gouverneur, “Synthesis and O-phosphorylation of 3,3,4,4-tetrafluoroaryl- C-nucleoside analogues,” Org Biomol Chem 8(6): 1445-1454 (2010); e Lee, S. E., L. M. Elphick, A. A. Anderson, L. Bonnac, E. S. Child, D. J. Mann e V. Gouverneur, “Synthesis and reactivity of novel gamma-phosphate modified ATP analogues,” Bioorg Med Chem Lett 19(14): 3804-3807 (2009).[0182] References for making and labeling tetraphosphate nucleotides include the following, the entire contents of each of which are incorporated by reference in the present invention: Kumar, S., A. Sood, J. Wegener, P. J. Finn, S. Nampalli, J. R. Nelson, A. Sekher, P. Mitsis, J. Macklin, and C. W. Fuller, “Terminal phosphate labeled nucleotides: synthesis, applications, and linker effect on incorporation by DNA polymerases,” Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids 24(5-7): 401- 408 (2005); Sood, A., S. Kumar, S. Nampalli, J. R. Nelson, J. Macklin, and C. W. Fuller, “Terminal phosphate-labeled nucleotides with improved substrate properties for homogeneous nucleic acid assays,” J Am Chem Soc 127(8): 2394 - 2395 (2005); Kumar, S., C. Tao, M. Chien, B. Hellner, A. Balijepalli, J. W. Robertson, Z. Li, J. J. Russo, J. E. Reiner, J. J. Kasianowicz, and J. Ju, “PEG-labeled nucleotides and nanopore detection for single molecule DNA sequencing by synthesis,” Sci Rep 2: 684 (8 pages) (2012); Bonnac, L., S. E. Lee, G. T. Giuffredi, L. M. Elphick, A. A. Anderson, E. S. Child, D. J. Mann, and V. Gouverneur, “Synthesis and O-phosphorylation of 3,3,4,4-tetrafluoroaryl- C-nucleoside analogues,” Org Biomol Chem 8(6): 1445-1454 (2010); and Lee, S. E., L. M. Elphick, A. A. Anderson, L. Bonnac, E. S. Child, D. J. Mann, and V. Gouverneur, “Synthesis and reactivity of novel gamma-phosphate modified ATP analogues,” Bioorg Med Chem Lett 19(14): 3804- 3807 (2009).

Outras modalidades alternativasOther alternative modalities

[0183] Embora várias modalidades ilustrativas da invenção estejam descritas acima, será evidente para uma pessoa versada na técnica que várias alterações e modificações podem ser feitas nas mesmas sem se afastar da invenção. Por exemplo, apesar de certas composições, sistemas e métodos serem discutidos acima com referência ao sequenciamento de polinucleotídeos, como DNA ou RNA, deve ser compreendido que as presentes composições, sistemas e métodos podem ser devidamente adaptados para uso na detecção de qualquer tipo de evento, por exemplo, o movimento de uma molécula, ou uma porção da mesma, que pode estar relacionada com a presença ou o movimento de uma região repórter adjacente a uma constrição de um nanoporo. As reivindicações em anexo destinam-se a englobar todas essas alterações e modificações que se enquadram no verdadeiro espírito e escopo da invenção.[0183] Although several illustrative embodiments of the invention are described above, it will be apparent to a person skilled in the art that various changes and modifications can be made thereto without departing from the invention. For example, although certain compositions, systems and methods are discussed above with reference to the sequencing of polynucleotides, such as DNA or RNA, it should be understood that the present compositions, systems and methods may be appropriately adapted for use in detecting any type of event. , for example, the movement of a molecule, or a portion thereof, which may be related to the presence or movement of a reporter region adjacent to a constriction of a nanopore. The appended claims are intended to encompass all such changes and modifications as fall within the true spirit and scope of the invention.

Claims (15)

1. Composição caracterizada pelo fato de incluir: um nanoporo incluindo um primeiro lado, um segundo lado e uma abertura que se estende através dos primeiro e segundo lados; uma pluralidade de nucleotídeos, onde cada um dos nucleotídeos compreende um marcador alongado; primeiro e segundo polinucleotídeos, sendo o primeiro polinucleotídeo complementar ao segundo polinucleotídeo; uma polimerase disposta adjacente ao primeiro lado do nanoporo, a polimerase configurada para adicionar nucleotídeos da pluralidade dos nucleotídeos ao primeiro polinucleotídeo com base em uma sequência do segundo polinucleotídeo; uma corrente permanente incluindo uma região de cabeça, uma região de cauda e um corpo alongado disposto entre eles, com a região da cabeça sendo ancorada à polimerase, em que o corpo alongado ocorre na abertura do nanoporo; uma primeira porção disposta no corpo alongado, em que a primeira porção é configurada para se ligar ao marcador alongado de um primeiro nucleotídeo, no qual a polimerase está agindo; e uma região repórter disposta no corpo alongado, em que a região repórter é configurada para indicar quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou é não-complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo.1. A composition characterized by the fact that it includes: a nanopore including a first side, a second side and an opening extending through the first and second sides; a plurality of nucleotides, wherein each of the nucleotides comprises an elongated marker; first and second polynucleotides, the first polynucleotide being complementary to the second polynucleotide; a polymerase disposed adjacent the first side of the nanopore, the polymerase configured to add nucleotides of the plurality of nucleotides to the first polynucleotide based on a sequence of the second polynucleotide; a permanent chain including a head region, a tail region and an elongated body disposed therebetween, with the head region being anchored to the polymerase, wherein the elongated body occurs at the opening of the nanopore; a first portion disposed on the elongated body, wherein the first portion is configured to bind to the elongated marker of a first nucleotide on which the polymerase is acting; and a reporter region disposed in the elongate body, wherein the reporter region is configured to indicate when the first nucleotide is complementary or is non-complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide. 2. Composição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a primeira porção está sendo configurada para gerar um primeiro estado de sinal responsivo à polimerase agindo sobre o primeiro nucleotídeo, o primeiro nucleotídeo sendo identificável com base no primeiro estado de sinal.2. The composition of claim 1, wherein the first portion is configured to generate a first polymerase-responsive signal state acting on the first nucleotide, the first nucleotide being identifiable based on the first signal state. . 3. Composição, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a polimerase agindo sobre o primeiro nucleotídeo compreende a polimerase que se liga ao primeiro nucleotídeo; ou o primeiro estado de sinal que inclui um sinal elétrico ou óptico; ou a região repórter é configurada para gerar um segundo estado de sinal, sendo ele detectável com base no segundo estado do sinal, seja o primeiro nucleotídeo complementar ou não complementar ao nucleotídeo seguinte do segundo polinucleotídeo.3. Composition, according to claim 2, characterized by the fact that the polymerase acting on the first nucleotide comprises the polymerase that binds to the first nucleotide; or the first signal state that includes an electrical or optical signal; or the reporter region is configured to generate a second signal state, which is detectable based on the second signal state, whether the first nucleotide is complementary or non-complementary to the following nucleotide of the second polynucleotide. 4. Composição, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a região repórter é configurada para gerar o segundo estado do sinal responsivo à polimerase incorporando com sucesso o primeiro nucleotídeo no primeiro polinucleotídeo, preferencialmente, a região repórter é configurada para gerar o segundo estado do sinal responsivo ao pirofosfato responsivo à polimerase, incorporando com sucesso o primeiro nucleotídeo no primeiro polinucleotídeo.4. Composition according to claim 3, characterized by the fact that the reporter region is configured to generate the second state of the polymerase-responsive signal by successfully incorporating the first nucleotide into the first polynucleotide, preferably, the reporter region is configured to generate the second state of the polymerase-responsive pyrophosphate-responsive signal, successfully incorporating the first nucleotide into the first polynucleotide. 5. Composição, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a polimerase é modificada de modo a atrasar a liberação do pirofosfato responsivo à incorporação do primeiro nucleotídeo no primeiro polinucleotídeo.5. Composition according to claim 4, characterized by the fact that the polymerase is modified so as to delay the release of the pyrophosphate responsive to the incorporation of the first nucleotide into the first polynucleotide. 6. Composição, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a polimerase compreende uma polimerase Φ29, B103, GA-1, PZA, Φ15, BS32, M2Y, Nf, G1, Cp-1, PRD1, PZE, SF5, Cp-5, Cp-7, PR4, PR5, PR722 ou L17 recombinante modificada;preferencialmente, em que a polimerase compreende uma DNA polimerase Φ29 recombinante modificada tendo pelo menos uma substituição de aminoácido ou combinação de substituições selecionada do grupo consistindo em: uma substituição de aminoácido na posição 484; uma substituição de aminoácido na posição 198 e uma substituição do aminoácido na posição 381;mais preferivelmente, em que a polimerase compreende uma DNA polimerase Φ29 recombinante modificada tendo pelo menos uma substituição de aminoácido ou combinação de substituições selecionada do grupo consistindo em E375Y, K512Y, T368F, A484E, A484Y, N387L, T372Q, T372L, K478Y, 1370W, F198W e L381A.6. Composition according to claim 5, characterized in that the polymerase comprises a polymerase Φ29, B103, GA-1, PZA, Φ15, BS32, M2Y, Nf, G1, Cp-1, PRD1, PZE, SF5 , Cp-5, Cp-7, PR4, PR5, PR722 or modified recombinant L17; preferably, wherein the polymerase comprises a modified recombinant Φ29 DNA polymerase having at least one amino acid substitution or combination of substitutions selected from the group consisting of: a amino acid substitution at position 484; an amino acid substitution at position 198 and an amino acid substitution at position 381; more preferably, wherein the polymerase comprises a modified recombinant Φ29 DNA polymerase having at least one amino acid substitution or combination of substitutions selected from the group consisting of E375Y, K512Y, T368F, A484E, A484Y, N387L, T372Q, T372L, K478Y, 1370W, F198W and L381A. 7. Composição, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a região repórter é configurada para gerar o segundo estado do sinal responsivo a uma mudança conformacional da polimerase.7. Composition according to claim 3, characterized by the fact that the reporter region is configured to generate the second state of the signal responsive to a conformational change of the polymerase. 8. Composição, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que uma magnitude ou um tempo de duração da alteração conformacional da polimerase sendo responsiva ao primeiro nucleotídeo sendo complementar ou não complementar ao próximo nucleotídeo do segundo polinucleotídeo, uma magnitude ou um tempo de duração, ou ambos, do segundo estado do sinal sendo baseado na mudança conformacional da polimerase.8. Composition according to claim 7, characterized by the fact that a magnitude or a time duration of the conformational change of the polymerase being responsive to the first nucleotide being complementary or non-complementary to the next nucleotide of the second polynucleotide, a magnitude or a time duration, or both, of the second state of the signal being based on the conformational change of the polymerase. 9. Composição, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o segundo estado do sinal inclui um sinal elétrico ou um sinal óptico.9. The composition of claim 3, wherein the second state of the signal includes an electrical signal or an optical signal. 10. Composição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o marcador alongado compreende uma primeira sequência de nucleotídeos e a primeira porção compreende uma segunda sequência de nucleotídeos que é complementar à primeira sequência de nucleotídeos.10. Composition according to claim 1, characterized in that the elongated marker comprises a first nucleotide sequence and the first portion comprises a second nucleotide sequence that is complementary to the first nucleotide sequence. 11. Sistema caracterizado pelo fato de incluir a composição conforme definida na reivindicação 10, e incluindo ainda um circuito de medição configurado para medir uma primeira corrente ou estado de fluxo através da abertura, preferencialmente, em que a primeira corrente ou o estado de fluxo é baseado no marcador alongado, sendo o primeiro nucleotídeo identificável com base na primeira corrente ou estado de fluxo.11. System characterized by the fact that it includes the composition as defined in claim 10, and further including a measurement circuit configured to measure a first current or flow state through the opening, preferably, wherein the first current or flow state is based on the elongated marker, the first nucleotide being identifiable based on the first current or flow state. 12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o circuito de medição é adicionalmente configurado para medir uma segunda corrente ou estado de fluxo através da abertura, preferencialmente, em que a segunda corrente ou o estado de fluxo é baseado em uma posição da região repórter dentro da abertura, sendo determinável com base na segunda corrente ou estado de fluxo, seja o primeiro nucleotídeo complementar ou não complementar ao nucleotídeo seguinte no segundo polinucleotídeo.12. The system of claim 11, wherein the measuring circuit is further configured to measure a second current or flow state through the opening, preferably on which the second current or flow state is based. at a position of the reporter region within the opening, being determinable based on the second current or flow state, whether the first nucleotide is complementary or non-complementary to the following nucleotide in the second polynucleotide. 13. Processo caracterizado pelo fato de incluir: (a) fornecer um nanoporo incluindo um primeiro lado, um segundo lado e uma abertura que se estende através dos primeiro e segundo lados; (b) fornecer uma pluralidade de nucleotídeos, onde cada um dos nucleotídeos compreende um marcador alongado; (c) fornecer um primeiro e segundo polinucleotídeos, sendo o primeiro polinucleotídeo complementar ao segundo polinucleotídeo; (d) fornecer uma polimerase disposta adjacente ao primeiro lado do nanoporo, com a polimerase configurada para adicionar nucleotídeos da pluralidade dos nucleotídeos ao primeiro polinucleotídeo com base em uma sequência do segundo polinucleotídeo, em que a polimerase é ancorada a uma corrente permanente incluindo uma região de cabeça, uma região de cauda e um corpo alongado disposto entre elas, com o corpo alongado ocorrendo na abertura do nanoporo; (e) determinar que um primeiro nucleotídeo está atuando pela polimerase com base na ligação do marcador alongado a uma primeira porção disposta sobre o corpo alongado; e (f) indicar, com uma região repórter disposta sobre o corpo alongado, quando o primeiro nucleotídeo é complementar ou é não-complementar a um nucleotídeo seguinte na sequência do segundo polinucleotídeo.13. Process characterized by the fact that it includes: (a) providing a nanopore including a first side, a second side and an opening extending through the first and second sides; (b) providing a plurality of nucleotides, wherein each of the nucleotides comprises an elongated marker; (c) providing a first and second polynucleotides, the first polynucleotide being complementary to the second polynucleotide; (d) providing a polymerase disposed adjacent the first side of the nanopore, with the polymerase configured to add nucleotides of the plurality of nucleotides to the first polynucleotide based on a sequence of the second polynucleotide, wherein the polymerase is anchored to a permanent chain including a region head, a tail region and an elongated body arranged between them, with the elongated body occurring at the opening of the nanopore; (e) determining that a first nucleotide is acting by the polymerase based on binding of the elongated tag to a first portion disposed on the elongated body; and (f) indicating, with a reporter region disposed on the elongated body, when the first nucleotide is complementary or is non-complementary to a following nucleotide in the sequence of the second polynucleotide. 14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de compreender ainda (g) determinar que um nucleotídeo subsequente está sendo atuado pela polimerase com base na ligação do marcador alongado à primeira porção disposta sobre o corpo alongado; e (h) indicar, com uma região repórter disposta no corpo alongado, quando o nucleotídeo subsequente é complementar ou não é complementar a um nucleotídeo que é polinucleotídeo.14. Process, according to claim 13, characterized by the fact that it further comprises (g) determining that a subsequent nucleotide is being acted upon by the polymerase based on the binding of the elongated marker to the first portion disposed on the elongated body; and (h) indicating, with a reporter region disposed in the elongated body, when the subsequent nucleotide is complementary or non-complementary to a nucleotide that is a polynucleotide. 15. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de compreender ainda repetir as etapas (g) e (h) para uma pluralidade de nucleotídeos subsequentes que são complementares ou não complementares a uma pluralidade de nucleotídeos que são subsequentes ao próximo nucleotídeo.15. Process according to claim 14, characterized by the fact that it further comprises repeating steps (g) and (h) for a plurality of subsequent nucleotides that are complementary or non-complementary to a plurality of nucleotides that are subsequent to the next nucleotide .
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