[go: up one dir, main page]

RU2822154C2 - Modulation of polymer granules for dna processing - Google Patents

Modulation of polymer granules for dna processing Download PDF

Info

Publication number
RU2822154C2
RU2822154C2 RU2021108033A RU2021108033A RU2822154C2 RU 2822154 C2 RU2822154 C2 RU 2822154C2 RU 2021108033 A RU2021108033 A RU 2021108033A RU 2021108033 A RU2021108033 A RU 2021108033A RU 2822154 C2 RU2822154 C2 RU 2822154C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polymer
granule
bead
nucleic acid
dna
Prior art date
Application number
RU2021108033A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021108033A (en
Inventor
Стивен НОРБЕРГ
Дмитрий К. ПОХОЛОК
Рамеш РАМДЖИ
Фрэнк Дж. СТИМЕРС
Фань Чжан
Original Assignee
Иллюмина, Инк.
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 Иллюмина, Инк. filed Critical Иллюмина, Инк.
Publication of RU2021108033A publication Critical patent/RU2021108033A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2822154C2 publication Critical patent/RU2822154C2/en

Links

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: group of inventions relates to a polymer granule for conducting a plurality of combined analysis reactions, comprising: a hydrogel polymer precursor; cross-linking agent; and a biomolecule within the polymer granule, wherein the granule is a porous hollow granule, wherein the granule comprises a plurality of polymer layers, wherein each layer is characterized by a certain pore size and pore density, providing diffusion of the reagent through the granule, which retains the biomolecule, also relates to a method for conducting a plurality of successive joint analyses of a biomolecule encapsulated inside a polymer granule, involving: obtaining a polymer granule encapsulating a biomolecule; and sequential bringing a single cell into contact with reagents for multiple sequential combined assays.
EFFECT: group of inventions provides a polymer granule for fast and effective treatment by reducing the loss of biomolecules by retaining them inside the granule, while providing diffusion of one or more reagents through the granule.
32 cl, 29 dwg, 7 ex

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD

[0001] Системы, способы и композиции, предложенные в настоящем документе, относятся к полимерным гранулам, способам инкапсуляции биомолекул в полимерных гранулах и способам применения полимерных гранул для проведения анализов инкапсулированных биомолекул, включая, например, секвенирование с пространственным индексом и получение библиотеки нуклеиновых кислот.[0001] The systems, methods and compositions provided herein relate to polymer beads, methods of encapsulating biomolecules in polymer beads, and methods of using polymer beads to perform assays on encapsulated biomolecules, including, for example, spatial index sequencing and nucleic acid library production.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯPREREQUISITES FOR CREATION OF THE INVENTION

[0002] Обнаружение специфических последовательностей нуклеиновых кислот, присутствующих в биологическом образце, используют, например, в качестве способа идентификации и классификации микроорганизмов, диагностики инфекционных заболеваний, обнаружения и описания генетических аномалий, выявления генетических изменений, связанных с различными заболеваниями, такими как рак, изучения генетической предрасположенности к тому или иному заболеванию или оценки ответов на различные формы лечения. Обнаружение нуклеотидных последовательностей в биологическом образце требует множества ферментативных реакций, чтобы в конечном итоге определить нуклеотидную последовательность или сформировать библиотеку нуклеиновых кислот.[0002] Detection of specific nucleic acid sequences present in a biological sample is used, for example, as a method for identifying and classifying microorganisms, diagnosing infectious diseases, detecting and characterizing genetic abnormalities, identifying genetic changes associated with various diseases such as cancer, studying genetic predisposition to a particular disease or assessing responses to various forms of treatment. Detection of nucleotide sequences in a biological sample requires multiple enzymatic reactions to ultimately determine the nucleotide sequence or generate a nucleic acid library.

[0003] Проведение множества ферментативных реакций в одиночной клетке не обеспечивает достаточной достоверности из-за проблем, связанных с выделением и доступом к внутриклеточным биомолекулам внутри одиночной клетки в ходе множества анализов. Многие клеточные анализы не в состоянии обеспечить выделение внутриклеточных молекул, что приводит к потере биомолекул при проведении анализа.[0003] Conducting multiple enzymatic reactions in a single cell does not provide sufficient reliability due to problems associated with isolating and accessing intracellular biomolecules within a single cell across multiple assays. Many cell-based assays fail to isolate intracellular molecules, resulting in loss of biomolecules during the assay.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[0004] Некоторые варианты осуществления относятся к полимерной грануле для проведения множества реакций совместного анализа. В некоторых вариантах осуществления полимерная гранула содержит предшественник гидрогелевого полимера, поперечносшивающий агент и биомолекулу, размещенную внутри полимерной гранулы, причем такая гранула содержит поры, которые обеспечивают диффузию одного или более реагентов через гранулу, которая удерживает при этом биомолекулу. В некоторых вариантах осуществления гранула представляет собой пористую гидрогелевую гранулу или пористую полую гранулу. В некоторых вариантах осуществления гранула содержит множество слоев полимера, причем каждый слой отличается определенным размером пор и густотой пор. В некоторых вариантах осуществления размер пор модулируют в зависимости от изменений заряда, рН или температуры.[0004] Some embodiments provide a polymer bead for performing multiple co-assay reactions. In some embodiments, the polymer bead contains a hydrogel polymer precursor, a cross-linking agent, and a biomolecule housed within the polymer bead, the bead containing pores that allow diffusion of one or more reactants through the bead while retaining the biomolecule. In some embodiments, the bead is a porous hydrogel bead or a porous hollow bead. In some embodiments, the granule contains multiple layers of polymer, each layer having a specific pore size and pore density. In some embodiments, the pore size is modulated depending on changes in charge, pH, or temperature.

[0005] Некоторые варианты осуществления относятся к способу проведения множества последовательных совместных анализов биомолекулы, инкапсулированной внутри полимерной гранулы. В некоторых вариантах осуществления способ включает получение полимерной гранулы, инкапсулирующей биомолекулу, причем такая полимерная гранула содержит предшественник гидрогелевого полимера, поперечносшивающий агент и биомолекулу, размещенную внутри полимерной гранулы, причем такая гранула содержит поры, которые обеспечивают диффузию одного или более реагентов через гранулу, которая удерживает при этом биомолекулу. В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает последовательное приведение одиночной клетки в контакт с реагентами для проведения множества последовательных совместных анализов. В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает модуляцию размера пор полимерной гранулы посредством регулирования заряда, рН или температуры. В некоторых вариантах осуществления полимерная гранула содержит множество полимерных слоев, и каждый полимерный слой имеет поры различных размеров. В некоторых вариантах осуществления размер пор каждого полимерного слоя модулируют определенным образом посредством изменения заряда, рН или температуры. В некоторых вариантах осуществления множество последовательных совместных анализов включают лизис, анализ ДНК, анализ РНК, анализ белков, тагментацию, амплификацию нуклеиновых кислот, секвенирование нуклеиновых кислот, получение библиотеки ДНК, анализ доступного для транспозазы хроматина с использованием секвенирования (ATAC-seq), транспозицию с сохранением смежности (CPT-seq), комбинаторное индексированное секвенирование одиночной клетки (SCI-seq) или амплификацию генома одиночной клетки или любую их комбинацию, выполняемую последовательно.[0005] Some embodiments relate to a method for performing multiple sequential co-assays of a biomolecule encapsulated within a polymer bead. In some embodiments, the method includes producing a polymer bead encapsulating a biomolecule, wherein the polymer bead contains a hydrogel polymer precursor, a cross-linking agent, and a biomolecule housed within the polymer bead, wherein the bead contains pores that allow diffusion of one or more reactants through the bead that retains at the same time a biomolecule. In some embodiments, the method further includes sequentially contacting a single cell with reagents to perform multiple sequential co-assays. In some embodiments, the method further includes modulating the pore size of the polymer bead by adjusting charge, pH, or temperature. In some embodiments, the polymer bead contains multiple polymer layers, and each polymer layer has pores of varying sizes. In some embodiments, the pore size of each polymer layer is modulated in a specific manner by changing charge, pH, or temperature. In some embodiments, the plurality of sequential co-assays include lysis, DNA analysis, RNA analysis, protein analysis, tagmentation, nucleic acid amplification, nucleic acid sequencing, DNA library preparation, analysis of transposase accessible chromatin using sequencing (ATAC-seq), transposition with contiguity preservation (CPT-seq), combinatorial single-cell indexed sequencing (SCI-seq), or single-cell genome amplification, or any combination thereof performed sequentially.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF GRAPHIC MATERIALS

[0006] На ФИГ. 1А представлена схема, иллюстрирующая вариант осуществления пространственного индексирования длинной ДНК при получении библиотеки в проточной кювете и посеве.[0006] In FIG. 1A is a diagram illustrating an embodiment of spatial indexing of long DNA during flow cell library acquisition and seeding.

[0007] На ФИГ. 1В представлена схема, иллюстрирующая пространственное индексирование с использованием полимерных гранул, инкапсулирующих молекулы длинной ДНК. Для пространственной генерации библиотеки на поверхности проточной кюветы на полимерных гранулах могут быть использованы реагенты.[0007] In FIG. 1B is a diagram illustrating spatial indexing using polymer beads encapsulating long DNA molecules. Reagents can be used to spatially generate a library on the surface of a flow cell on polymer beads.

[0008] На ФИГ. 2 представлена блок-схема, описывающая способ инкапсулирования длинной ДНК внутри полимерной гранулы и получение библиотеки внутри полимерной гранулы, которая может быть объединена в кластер и секвенирована в устройстве проточной кюветы.[0008] In FIG. 2 is a flow diagram describing a method for encapsulating long DNA within a polymer bead and producing a library within the polymer bead that can be clustered and sequenced in a flow cell device.

[0009] На ФИГ. 3 представлена схема, иллюстрирующая процесс секвенирования длинной ДНК, инкапсулированной в полимерные гранулы, включая фрагменты ДНК длиной около 100 т.п.н. (без стадии амплификации с множественным вытеснением (MDA) (панель (а)) или со стадией MDA (панель (b)) до тагментации) и фрагменты ДНК длиной около 10-20 т.п.н. (панель (с)).[0009] In FIG. 3 is a diagram illustrating the process of sequencing long DNA encapsulated in polymer beads, including DNA fragments approximately 100 kb in length. (without the multiple displacement amplification (MDA) step (panel (a)) or with the MDA step (panel (b)) before tagmentation) and DNA fragments of about 10-20 kb in length. (panel (c)).

[0010] На ФИГ. 4 представлен график, на котором показаны стробированные чтения данных пространственного индексирования длинной ДНК в гидрогеле из фрагмента ДНК длиной 100 т.п.н. без MDA.[0010] In FIG. Figure 4 is a graph showing gated reads of long DNA spatial indexing data in a hydrogel from a 100 kb DNA fragment. without MDA.

[0011] На ФИГ. 5 представлен линейный график связанных чтений пространственного индексирования длинной ДНК в гидрогеле из фрагментов ДНК длиной 100 т.п.н. с MDA.[0011] In FIG. Figure 5 shows a line graph of linked reads spatially indexing long DNA in a hydrogel of 100 kb DNA fragments. with MDA.

[0012] На ФИГ. 6 представлен линейный график связанных чтений пространственного индексирования длинной ДНК в гидрогеле из фрагментов ДНК длиной 10 т.п.н. с MDA.[0012] In FIG. Figure 6 shows a line plot of linked reads spatially indexing long DNA in a hydrogel of 10 kb DNA fragments. with MDA.

[0013] На ФИГ. 7А и 7В представлены линейные графики пространственных чтений для длинной ДНК, инкапсулированной внутри полимерной гранулы. На ФИГ. 7А представлены данные пространственных чтений для клеток, инкапсулированных внутри полимерной гранулы, а на врезке представлена микрофотография клетки внутри полимерной гранулы. На ФИГ. 7В представлены данные пространственных чтений для фрагментов длинной ДНК, инкапсулированных внутри полимерной гранулы, а на врезке представлена микрофотография фрагментов, инкапсулированных внутри полимерной гранулы.[0013] In FIG. 7A and 7B show line plots of spatial reads for long DNA encapsulated within a polymer bead. In FIG. Figure 7A shows spatial reads for cells encapsulated inside a polymer bead, and the inset shows a micrograph of a cell inside a polymer bead. In FIG. Figure 7B shows spatial read data for long DNA fragments encapsulated within a polymer bead, and the inset shows a micrograph of fragments encapsulated within a polymer bead.

[0014] На ФИГ. 8 представлена микрофотография, демонстрирующая идентификацию различных видов микроорганизмов, инкапсулированных внутри полимерной гранулы. Различные виды микроорганизмов инкапсулированы внутри полимерной гранулы, и для идентификации микробов проводили чтения пространственного секвенирования.[0014] In FIG. Figure 8 is a micrograph showing the identification of various types of microorganisms encapsulated within the polymer bead. Various species of microorganisms are encapsulated inside the polymer bead, and spatial sequencing reads were performed to identify the microbes.

[0015] На ФИГ. 9 представлен график, на котором показано распределение чтений штрихкода для длинной ДНК, инкапсулированной внутри полимерной гранулы.[0015] In FIG. Figure 9 is a graph showing the distribution of barcode reads for long DNA encapsulated within a polymer bead.

[0016] На ФИГ. 10А представлен график, на котором показаны короткие чтения и связанные чтения для одного цикла клетки Е. coli, инкапсулированной внутри полимерной гранулы. Как показано на данной фигуре, связанные чтения охватывают участки повторов и могут улучшать сборку de novo последовательности. На ФИГ. 10В представлена микрофотография, демонстрирующая пространственные связанные чтения и промежуточные короткие чтения.[0016] In FIG. 10A is a graph showing short reads and associated reads for one cycle of an E. coli cell encapsulated within a polymer bead. As shown in this figure, linked reads span repeat regions and can improve de novo sequence assembly. In FIG. 10B is a micrograph showing spatially coupled reads and intermediate short reads.

[0017] На ФИГ. 11А представлена схема, иллюстрирующая диффузию молекул в полимерную гранулу в зависимости от размера пор и густоты пор. На ФИГ. 11В представлена схема, иллюстрирующая диффузию молекул вне полимерной гранулы.[0017] In FIG. 11A is a diagram illustrating the diffusion of molecules into a polymer bead as a function of pore size and pore density. In FIG. 11B is a diagram illustrating the diffusion of molecules outside a polymer bead.

[0018] На ФИГ. 12 представлена схема, иллюстрирующая удержание библиотек нуклеиновых кислот внутри полимерной гранулы.[0018] In FIG. 12 is a diagram illustrating the retention of nucleic acid libraries within a polymer bead.

[0019] На ФИГ. 13А и 13В представлены графики, демонстрирующие диффузию нуклеиновой кислоты в полимерную гранулу в зависимости от размера нуклеиновой кислоты. Графики отражают проникновение коротких ампликонов (от 220 т.п.н. до 1 т.п.н.) внутрь полимерных гранул, тогда как более длинные ампликоны не диффундируют в полимерные гранулы.[0019] In FIG. 13A and 13B are graphs showing the diffusion of nucleic acid into a polymer bead as a function of nucleic acid size. The graphs show the penetration of short amplicons (220 kb to 1 kb) into the polymer beads, while longer amplicons do not diffuse into the polymer beads.

[0020] На ФИГ. 14 представлены микрофотографии пористых полых гранул, демонстрирующие ПЦР-амплификацию внутри пористых полых гранул как для фрагментов ДНК из 200 пар нуклеотидов, так и из 5000 пар нуклеотидов.[0020] In FIG. 14 shows micrographs of porous hollow beads showing PCR amplification within the porous hollow beads for both 200 bp and 5000 bp DNA fragments.

[0021] На ФИГ. 15 представлена схема, на которой показаны многослойные полимерные гранулы, причем каждый слой имеет разные размеры пор, а размеры пор каждого слоя можно независимо модулировать в зависимости от условий окружающей среды.[0021] In FIG. 15 is a diagram showing multilayer polymer beads, each layer having different pore sizes, and the pore sizes of each layer can be independently modulated depending on environmental conditions.

[0022] На ФИГ. 16А-16С представлены полимерные гранулы со стабилизированной оболочкой с разрушаемым полиакриламидным ядром. На ФИГ. 16А схематически представлена структура полимерной гранулы с оболочкой из N,N'-(1,2-дигидроксиэтилен)бисакриламида (DHEBA) с акрилатом-ПЭГ и пероксидисульфатом калия (KPS). Внутри находится ядро из наполнителя, например ПЭГ или полиакриламида, смешанного с образцом (клеткой или ДНК). На ФИГ. 16В представлено формирование оболочки вокруг гранулы. На ФИГ. 16С представлены микрофотографии оболочек DHEBA с разрушаемыми полиакриламидными ядрами.[0022] In FIG. 16A-16C show polymer granules with a stabilized shell with a degradable polyacrylamide core. In FIG. 16A is a schematic diagram of the structure of a polymer bead shelled with N,N'-(1,2-dihydroxyethylene)bisacrylamide (DHEBA) with PEG acrylate and potassium peroxydisulfate (KPS). Inside is a core of filler, such as PEG or polyacrylamide, mixed with a sample (cell or DNA). In FIG. 16B shows the formation of a shell around a granule. In FIG. 16C shows micrographs of DHEBA shells with degradable polyacrylamide cores.

[0023] На ФИГ. 17А-17С представлены полимерные гранулы со стабилизированной оболочкой с разрушаемым агарозным ядром. На ФИГ. 17А схематически представлена структура оболочки DHEBA с ядром из агарозы в смеси с образцом (клеткой или ДНК). На ФИГ. 17В представлены микрофотографии оболочек DHEBA с агарозными ядрами. На ФИГ. 17С представлены микрофотографии плавления оболочек DHEBA с агарозными ядрами под действием температуры.[0023] In FIG. 17A-17C show polymer beads with a stabilized shell with a degradable agarose core. In FIG. 17A is a schematic representation of the structure of a DHEBA shell with an agarose core mixed with a sample (cell or DNA). In FIG. 17B shows micrographs of DHEBA shells with agarose cores. In FIG. 17C shows micrographs of the melting of DHEBA shells with agarose cores under the influence of temperature.

[0024] На ФИГ. 18А-18С представлено гелеобразование, инициированное флуоресценцией. Как показано на ФИГ. 18А, живые клетки контактируют с инициатором гелеобразования флуоресцеин изотиоцианатом - акрилатным полимером (FITC-AETC). Покрытые FITC-AETC и мономерами клетки облучают, что приводит образованию гелевых гранул вокруг клеток. На ФИГ. 18В представлены микрофотографии, включая микроскопию при облучении обработанных FITC-AETC клеток по сравнению с контрольными клетками, не обработанными FITC-AETC. На ФИГ. 18С представлены микрофотографии инициированного FITC гелеобразования вокруг клеток при различных условиях.[0024] In FIG. 18A-18C show fluorescence initiated gelation. As shown in FIG. 18A, living cells are contacted with the gelling agent fluorescein isothiocyanate-acrylate polymer (FITC-AETC). Cells coated with FITC-AETC and monomers are irradiated, which results in the formation of gel granules around the cells. In FIG. 18B shows photomicrographs including irradiation microscopy of FITC-AETC-treated cells compared to control cells not treated with FITC-AETC. In FIG. 18C shows micrographs of FITC-initiated gelation around cells under various conditions.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION

[0025] В приведенном ниже подробном описании содержатся ссылки на соответствующие рисунки, которые являются частью настоящего документа. В графических материалах аналогичные символы, как правило, обозначают аналогичные компоненты, если иное не следует из контекста. Предполагается, что иллюстративные варианты осуществления, описанные в подробном описании, графических материалах и пунктах формулы изобретения, не имеют ограничительного характера. Допускается использовать другие варианты осуществления и вносить другие изменения без отступления от сущности или объема заявленного объекта изобретения, представленного в настоящем документе. Следует понимать, что аспекты настоящего описания, в общем и целом представленные в настоящем документе и проиллюстрированные на фигурах, можно перераспределять, заменять, комбинировать, разделять и конструировать в широком спектре различных конфигураций, все из которых явным образом предусмотрены настоящим описанием.[0025] The following detailed description contains references to related drawings that form a part of this document. In graphic materials, similar symbols generally indicate similar components, unless the context otherwise requires. The illustrative embodiments described in the detailed description, drawings and claims are not intended to be limiting. Other embodiments and other changes may be used without departing from the spirit or scope of the claimed subject matter presented herein. It should be understood that the aspects of the present specification generally presented herein and illustrated in the figures can be rearranged, replaced, combined, separated, and constructed in a wide variety of different configurations, all of which are expressly contemplated herein.

[0026] Варианты осуществления относятся к композициям, системам и способам инкапсулирования биомолекул внутри полимерных гранул и проведения одного или более анализов инкапсулированных биомолекул. Полимерная гранула удерживает биомолекулы внутри гранулы, но допускает диффузию меньших по размерам молекул, например реагентов, в полимерную гранулу и из нее, удерживая при этом внутри анализируемую биомолекулу. Как описано в настоящем документе, полимерная гранула содержит поры, и размер и густоту пор модулируют для контроля размера или молекул, которые диффундируют в полимерные гранулы или из них.[0026] Embodiments relate to compositions, systems, and methods for encapsulating biomolecules within polymer beads and performing one or more assays on the encapsulated biomolecules. The polymer bead retains the biomolecules within the bead but allows smaller molecules, such as reagents, to diffuse into and out of the polymer bead while retaining the biomolecule being analyzed within. As described herein, the polymer bead contains pores, and the size and density of the pores are modulated to control the size or molecules that diffuse into or out of the polymer beads.

[0027] В одном варианте осуществления полимерная гранула представляет собой однородную пористую матрицу гидрогеля, которая инкапсулирует или содержит одну или более биомолекул. В другом варианте осуществления полимерная гранула представляет собой полую гранулу с пористой оболочкой гидрогеля и полым внутренним пространством с биомолекулой, инкапсулированной внутри полого внутреннего пространства. В некоторых вариантах осуществления полимерная гранула (как однородная пористая матрица гидрогеля, так и полая гранула) может включать в себя множество полимерных слоев, причем каждый полимерный слой представляет собой отдельную матрицу с определенными свойствами, такими как размер пор. В некоторых вариантах осуществления каждый полимерный слой контролируемо модулируют, чтобы скорректировать размер пор в каждом полимерном слое, таким образом, позволяя пользователю регулировать диффузию молекул в полимерную гранулу и из нее контролируемым поэтапным образом. В некоторых вариантах осуществления каждый полимерный слой контролируемо модулируют, изменяя условия окружающей среды, например рН, заряд или температуру, при этом такие изменения условий окружающей среды модулируют размер пор гранулы или оболочки гранулы и тем самым обеспечивают высвобождение молекул или реагентов из гранулы или их проникновение в нее контролируемым и поэтапным образом.[0027] In one embodiment, the polymer bead is a homogeneous porous hydrogel matrix that encapsulates or contains one or more biomolecules. In another embodiment, the polymer bead is a hollow bead with a porous hydrogel shell and a hollow interior with a biomolecule encapsulated within the hollow interior. In some embodiments, a polymer bead (either a homogeneous porous hydrogel matrix or a hollow bead) may include multiple polymer layers, with each polymer layer being a distinct matrix with specific properties, such as pore size. In some embodiments, each polymer layer is controlledly modulated to adjust the pore size in each polymer layer, thereby allowing the user to control the diffusion of molecules into and out of the polymer bead in a controlled, incremental manner. In some embodiments, each polymer layer is controlledly modulated by changing environmental conditions, such as pH, charge, or temperature, wherein such changes in environmental conditions modulate the pore size of the bead or bead shell and thereby allow molecules or reactants to be released from the bead or penetrate into in a controlled and gradual manner.

[0028] Описанные в настоящем документе варианты осуществления включают надежные и высокопроизводительные системы и способы проведения последовательных реакций с биомолекулой, инкапсулированной внутри полимерной гранулы. Способы и системы, описанные в настоящем документе, относятся к проведению одного или более анализов инкапсулированной биомолекулы, включая, например, лизис, анализ ДНК, анализ РНК, анализ белков, тагментацию, амплификацию нуклеиновых кислот, секвенирование нуклеиновых кислот, получение библиотеки ДНК, анализ доступного для транспозазы хроматина с использованием секвенирования (ATAC-seq), транспозицию с сохранением смежности (CPT-seq), комбинаторное индексированное секвенирование одиночной клетки (SCI-seq) или амплификацию генома одиночной клетки или любую их комбинацию, выполняемую последовательно.[0028] Embodiments described herein include reliable and high-throughput systems and methods for conducting sequential reactions with a biomolecule encapsulated within a polymer bead. The methods and systems described herein relate to performing one or more analyzes of an encapsulated biomolecule, including, for example, lysis, DNA analysis, RNA analysis, protein analysis, tagmentation, nucleic acid amplification, nucleic acid sequencing, DNA library preparation, analysis of available for chromatin transposase sequencing (ATAC-seq), contiguity-preserving transposition (CPT-seq), combinatorial single-cell indexed sequencing (SCI-seq), or single-cell genome amplification, or any combination thereof performed sequentially.

[0029] Один вариант осуществления представляет собой способ инкапсулирования биомолекулы внутри полимерной гранулы, загрузки полимерных гранул, инкапсулирующих биомолекулу, в устройство проточной кюветы, получения библиотеки нуклеиновых кислот, нанесение подготовленной библиотеки на поверхность устройства проточной кюветы и кластеризации и секвенирования нанесенной библиотеки. В некоторых вариантах осуществления биомолекула представляет собой клетку, белок, нуклеиновую кислоту, ДНК, РНК или любое их производное или аналог.[0029] One embodiment is a method of encapsulating a biomolecule within a polymer bead, loading polymer beads encapsulating the biomolecule into a flow cell device, preparing a nucleic acid library, applying the prepared library to the surface of the flow cell device, and clustering and sequencing the deposited library. In some embodiments, the biomolecule is a cell, protein, nucleic acid, DNA, RNA, or any derivative or analog thereof.

[0030] В некоторых вариантах осуществления получение библиотеки включает в себя тагментацию ДНК, заключенной внутри полимерной гранулы. Тагментация инкапсулированной ДНК приводит к расщеплению более длинных последовательностей ДНК на более короткие фрагменты тагментации, которые затем используют для формирования кластеров ДНК на поверхности проточной кюветы. Кластер формируют из фрагментов тагментации длинной ДНК, каждый из которых можно секвенировать, например, с использованием секвенирования путем синтеза (SBS). Группа кластеров из одной молекулы длинной ДНК в настоящем документе называется «островком длинной ДНК». В некоторых вариантах осуществления в одной полимерной грануле можно инкапсулировать одну молекулу длинной ДНК или множество молекул длинной ДНК. Каждая молекула длинной ДНК образует один островок длинной ДНК. Кластеры всех островков длинной ДНК внутри одной полимерной гранулы в настоящем документе называются «кластерным облаком». Таким образом, кластерное облако представляет собой все кластеры внутри одной полимерной гранулы и может включать в себя множество островков длинной ДНК (каждый островок длинной ДНК представляет собой одну молекулу длинной ДНК), и каждый островок длинной ДНК включает в себя множество кластеров.[0030] In some embodiments, library production involves tagmentation of DNA contained within a polymer bead. Tagmentation of encapsulated DNA results in the cleavage of longer DNA sequences into shorter tagmentation fragments, which are then used to form DNA clusters on the surface of the flow cell. A cluster is formed from long DNA tagmentation fragments, each of which can be sequenced, for example, using sequencing by synthesis (SBS). A group of clusters of a single long DNA molecule is referred to herein as a “long DNA island.” In some embodiments, a single long DNA molecule or multiple long DNA molecules can be encapsulated in a single polymer bead. Each long DNA molecule forms one long DNA island. Clusters of all long DNA islands within a single polymer bead are referred to herein as a “cluster cloud.” Thus, a cluster cloud represents all the clusters within a single polymer bead and may include multiple long DNA islands (each long DNA island represents one long DNA molecule), and each long DNA island includes multiple clusters.

[0031] Гранулы могут включать в себя гидрогелевые полимеры и поперечносшивающие агенты, которые смешивают в присутствии биомолекулы, такой как нуклеиновая кислота, например длинная молекула ДНК, или источника, содержащего нуклеиновую кислоту, с последующим образованием полимерных гранул, инкапсулирующих биомолекулу. В некоторых вариантах осуществления источником нуклеиновой кислоты является клетка.[0031] The beads may include hydrogel polymers and cross-linking agents that are mixed in the presence of a biomolecule, such as a nucleic acid, such as a long DNA molecule, or a source containing the nucleic acid, subsequently forming polymer beads encapsulating the biomolecule. In some embodiments, the source of the nucleic acid is a cell.

[0032] В некоторых вариантах осуществления поры гранулы обеспечивают диффузию молекулы, которая меньше 1000 пар нуклеотидов, например молекулы, которая меньше 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 или 1000 пар нуклеотидов или менее, или величины в диапазоне, определяемом любыми двумя из вышеупомянутых значений, но удерживает соединения (или не допускает диффузии соединений), превышающих указанные выше значения. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления полимерные гранулы удерживают (или не допускают диффузии) соединений, которые больше 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000 или 5000 пар нуклеотидов или более, или величины в пределах диапазона, определяемого любыми двумя из вышеупомянутых значений.[0032] In some embodiments, the pores of the bead allow diffusion of a molecule that is less than 1000 base pairs, such as a molecule that is less than 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, or 1000 base pairs or less, or the size within the range defined by any two of the above values, but retains compounds (or prevents the diffusion of compounds) exceeding the above values. Thus, in some embodiments, the polymer beads retain (or prevent diffusion of) compounds that are greater than 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, or 5000 pairs nucleotides or more, or a value within the range defined by any two of the above values.

[0033] Некоторые варианты осуществления включают в себя способы применения гранул, инкапсулирующих биомолекулу, для проведения реакций нуклеиновых кислот, включая, например, высокопроизводительное пространственное индексирование длинных молекул ДНК. Как показано на ФИГ. 1А, можно легко построить библиотеку из длинной молекулы ДНК посредством кластеризации и посева кластеров из одной длинной молекулы ДНК в виде «кластерного пятна» на поверхности, которое можно затем прочитать и пространственно картировать. Используемый в настоящем документе термин «длинная ДНК» может включать фрагменты ДНК, содержащие более 300 пар нуклеотидов. Термин «фрагменты длинной ДНК» при использовании в настоящем документе относится к ДНК длиной более 1 т.п.н., 2,5 т.п.н., 5 т.п.н. или более, например, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400 или 500 т.п.н. или более, включая величины в пределах диапазона, определенного любыми двумя из вышеупомянутых значений.[0033] Some embodiments include methods of using biomolecule-encapsulating beads to conduct nucleic acid reactions, including, for example, high-throughput spatial indexing of long DNA molecules. As shown in FIG. 1A, a long DNA molecule library can be easily constructed by clustering and seeding clusters of a single long DNA molecule into a “cluster spot” on a surface, which can then be read and spatially mapped. As used herein, the term “long DNA” can include DNA fragments containing more than 300 base pairs. The term "long DNA fragments" as used herein refers to DNA longer than 1 kb, 2.5 kb, 5 kb. or more, for example 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400 or 500 kb. or more, including values within the range defined by any two of the above values.

[0034] Некоторые варианты осуществления включают в себя способы использования одиночной гранулы для фрагментации образца генома в ряд фрагментов длинной ДНК. Затем такую одиночную гранулу можно закрепить в одном определенном местоположении в проточной кювете, где нанесены фрагменты длинной ДНК, таким образом, чтобы каждый из фрагментов длинной ДНК располагался смежно с другим фрагментом на поверхности проточной кюветы. Проточную кювету можно затем использовать в системе секвенирования нуклеотидов, такой как система ILLUMINA HISEQ, чтобы определить нуклеотидную последовательность каждого фрагмента длинной ДНК. Поскольку фрагменты ДНК расположены смежно друг с другом на поверхности проточной кюветы, система может использовать эти данные о пространственном расположении для более эффективной реконструкции конечной нуклеотидной последовательности исходной геномной ДНК. Система может депонировать смежно расположенные в пространстве чтения непосредственно из одиночных клеток, фрагментов длинной ДНК или хромосом. В некоторых вариантах осуществления для получения библиотеки способы позволяют использовать процесс с низким уровнем ввода и без ПЦР. В некоторых вариантах осуществления способы могут быть реализованы без необходимости молекулярного штрихкодирования.[0034] Some embodiments include methods of using a single bead to fragment a genome sample into a series of long DNA fragments. This single bead can then be mounted at one specific location in a flow cell where long DNA fragments are deposited such that each long DNA fragment is adjacent to another fragment on the surface of the flow cell. The flow cell can then be used in a nucleotide sequencing system, such as the ILLUMINA HISEQ system, to determine the nucleotide sequence of each piece of long DNA. Because the DNA fragments are located adjacent to each other on the surface of the flow cell, the system can use this spatial arrangement data to more efficiently reconstruct the final nucleotide sequence of the original genomic DNA. The system can deposit spatially adjacent reads directly from single cells, long DNA fragments, or chromosomes. In some embodiments, the methods allow the use of a low-input, PCR-free process to produce the library. In some embodiments, the methods can be implemented without the need for molecular barcoding.

[0035] Некоторые варианты осуществления относятся к способам получения полимерной гранулы, инкапсулирующей биомолекулу. В некоторых вариантах осуществления полимерную гранулу, инкапсулирующую длинную ДНК, можно использовать для обработки клеточного генома и подготовки библиотеки ДНК внутри гранулы. В некоторых вариантах осуществления полимерная гранула, инкапсулирующая фрагмент длинной ДНК, инкапсулирует одиночную клетку, и ее можно использовать для обработки геномной ДНК клетки и подготовки библиотеки полной ДНК внутри гранулы.[0035] Some embodiments relate to methods for producing a polymer bead encapsulating a biomolecule. In some embodiments, a polymer bead encapsulating long DNA can be used to process a cell genome and prepare a DNA library within the bead. In some embodiments, a polymer bead encapsulating a long DNA fragment encapsulates a single cell and can be used to process the cell's genomic DNA and prepare a library of the total DNA within the bead.

[0036] В некоторых вариантах осуществления размер пор полимерной гранулы можно моделировать таким образом, чтобы обеспечить диффузию ферментов, химических веществ и праймеров меньшего размера (<50 п.н.), одновременно удерживая при этом более крупные нуклеиновые кислоты (>300 п.н.), так чтобы фрагменты длинной ДНК и полученная библиотека ДНК могли оставаться внутри полимерных гранул в процессе обработки. В некоторых вариантах осуществления специфические праймеры можно химически связать внутри матрицы полимерной гранулы для гибридизации и обработки специфической геномной ДНК. Затем библиотеку ДНК из одиночной клетки можно нанести на определенную область, например на поверхность проточной кюветы для посева библиотеки. В дальнейшем это приводит к формированию пространственного распределения «кластеров ДНК» в проточной кювете, которые образуются из инкапсулированных фрагментов длинной ДНК, что упрощает выравнивание чтения в процессе последующей обработки.[0036] In some embodiments, the pore size of the polymer bead can be designed to allow diffusion of smaller size enzymes, chemicals, and primers (<50 bp) while retaining larger nucleic acids (>300 bp .) so that long DNA fragments and the resulting DNA library can remain inside the polymer beads during processing. In some embodiments, specific primers can be chemically linked within a polymer bead matrix to hybridize and process specific genomic DNA. The DNA library from a single cell can then be applied to a specific area, such as the surface of a library seeding flow cell. This subsequently leads to the formation of a spatial distribution of “DNA clusters” in the flow cell, which are formed from encapsulated fragments of long DNA, which simplifies read alignment during subsequent processing.

[0037] Используемый в настоящем документе термин «полимерная гранула» относится к пористой грануле гидрогеля или пористой полой грануле. В некоторых вариантах осуществления полимерную гранулу получают в виде пористой гранулы гидрогеля. Пористая гранула гидрогеля представляет собой гранулу, которая включает в себя пористую матрицу с относительной однородностью во всей грануле. Как описано в настоящем документе, пористая гранула гидрогеля инкапсулирует биомолекулу и включает в себя поры, которые допускают диффузию молекул в пористую гранулу гидрогеля или из нее. Поры также можно модулировать для изменения размера пор в зависимости от изменения условий окружающей среды, таких как рН, температура или заряд, таким образом, обеспечивая контролируемую диффузию молекул в пористые гранулы гидрогеля или из них. В некоторых вариантах осуществления пористая гранула гидрогеля может включать в себя один или более видов полимеров, причем каждый полимер имеет определенный размер пор и густоту пор, и каждый полимер независимым образом модулируют, чтобы обеспечить диффузию молекул разного размера в зависимости от изменения условий окружающей среды.[0037] As used herein, the term “polymer bead” refers to a porous hydrogel bead or a porous hollow bead. In some embodiments, the polymer bead is provided as a porous hydrogel bead. A porous hydrogel granule is a granule that includes a porous matrix with relative uniformity throughout the granule. As described herein, a porous hydrogel bead encapsulates a biomolecule and includes pores that allow diffusion of molecules into or out of the porous hydrogel bead. The pores can also be modulated to change pore size depending on changes in environmental conditions such as pH, temperature, or charge, thereby allowing controlled diffusion of molecules into or out of the porous hydrogel beads. In some embodiments, the porous hydrogel bead may include one or more types of polymers, each polymer having a specific pore size and pore density, and each polymer being independently modulated to allow diffusion of molecules of different sizes depending on changing environmental conditions.

[0038] В некоторых вариантах осуществления полимерную гранулу получают в виде пористой полой гранулы. Пористая полая гранула представляет собой гранулу с пористой полимерной оболочкой, но с полым внутренним пространством. Как описано в настоящем документе, пористая полая гранула инкапсулирует биомолекулу внутри полого внутреннего пространства. Поры полимерной оболочки обеспечивают диффузию молекул в полое внутреннее пространство или из него, и их можно модулировать для изменения размера пор в зависимости от изменения условий окружающей среды, таких как рН, температура или заряд, таким образом, обеспечивая контролируемую диффузию молекул в полое внутреннее пространство или из него. В некоторых вариантах осуществления пористая полая гранула может включать в себя множество пористых полимерных оболочек, причем каждая оболочка имеет определенный размер пор и густоту пор, и каждую оболочку независимым образом модулируют, чтобы обеспечить диффузию молекул разного размера в зависимости от изменения условий окружающей среды. Например, как показано на ФИГ. 15, пористая полая гранула может включать в себя полое внутреннее пространство (или полое ядро) со множеством полимерных оболочек. На ФИГ. 15 представлена пористая полая гранула с тремя пористыми полимерными оболочками, которые обозначены на ФИГ. 15 как полимер 1, полимер 2 и полимер 3. Молекулы удерживаются внутри пористой полой гранулы, и модуляция первого полимера приводит к диффузии первой молекулы через полимерную оболочку. Модуляция второго полимера приводит к диффузии второй молекулы через полимерную оболочку. Специалисту в данной области будет понятно, что пример, показанный на ФИГ. 15, носит иллюстративный характер, и что для контроля диффузии молекул в пористую полую гранулу или из нее можно использовать множество пористых полимерных оболочек. Например, пористая полая гранула может включать в себя 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или более отдельных полимерных оболочек, причем каждая полимерная оболочка отличается определенным размером пор и густотой пор, и каждая полимерная оболочка выполнена с возможностью модуляции для контроля диффузии молекулы в пористую полую гранулу или из нее.[0038] In some embodiments, the polymer bead is provided in the form of a porous, hollow bead. A porous hollow granule is a granule with a porous polymer shell, but with a hollow interior. As described herein, a porous hollow bead encapsulates a biomolecule within a hollow interior space. The pores of the polymer shell allow the diffusion of molecules into or out of the hollow interior and can be modulated to change pore size depending on changes in environmental conditions such as pH, temperature or charge, thus allowing controlled diffusion of molecules into the hollow interior or out of him. In some embodiments, the porous hollow granule may include a plurality of porous polymer shells, each shell having a specific pore size and pore density, and each shell being independently modulated to allow diffusion of molecules of different sizes depending on changing environmental conditions. For example, as shown in FIG. 15, the porous hollow granule may include a hollow interior (or hollow core) with a plurality of polymer shells. In FIG. 15 shows a porous hollow granule with three porous polymer shells, which are indicated in FIG. 15 as polymer 1, polymer 2 and polymer 3. The molecules are retained within the porous hollow granule, and modulation of the first polymer causes the first molecule to diffuse through the polymer shell. Modulation of the second polymer causes the second molecule to diffuse through the polymer shell. One skilled in the art will appreciate that the example shown in FIG. 15 is illustrative in nature and that a variety of porous polymer shells can be used to control the diffusion of molecules into or out of a porous hollow granule. For example, a porous hollow granule may include 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more individual polymer shells, each polymer shell having a specific pore size and pore density, and each polymer shell configured to be modulated to control the diffusion of a molecule into or out of the porous hollow granule.

[0039] Используемый в настоящем документе термин «реагент» описывает агент или смесь из двух или более агентов, подходящих для реакции, взаимодействия с образцом, его разбавления или добавления к образцу, и может включать в себя агенты, используемые в реакциях нуклеиновых кислот, включая, например, буферы, химические вещества, ферменты, полимеразу, праймеры с размером менее 50 пар нуклеотидов, матричные нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, метки, красители или нуклеазы. В некоторых вариантах осуществления реагент включает в себя лизоцим, протеиназу К, случайные гексамеры, полимеразу (например, ДНК-полимеразу Ф29, полимеразу Taq, полимеразу Bsu), транспозазу (например, Тn5), праймеры (например, адапторные последовательности Р5 и Р7), лигазу, катализирующий фермент, дезоксинуклеотидтрифосфаты, буферы или двухвалентные катионы. Полимерные гранулы, инкапсулирующие биомолекулы[0039] As used herein, the term "reagent" describes an agent or mixture of two or more agents suitable for reacting, reacting with, diluting, or adding to a sample, and may include agents used in nucleic acid reactions, including eg buffers, chemicals, enzymes, polymerase, primers smaller than 50 bp, template nucleic acids, nucleotides, tags, dyes or nucleases. In some embodiments, the reagent includes lysozyme, proteinase K, random hexamers, polymerase (e.g., F29 DNA polymerase, Taq polymerase, Bsu polymerase), transposase (e.g., Tn5), primers (e.g., P5 and P7 adapter sequences), ligase, catalyzing enzyme, deoxynucleotide triphosphates, buffers or divalent cations. Polymer granules encapsulating biomolecules

[0040] Один вариант осуществления включает в себя гранулу с гидрогелевым полимером и биомолекулой. Используемый в настоящем документе термин «гидрогель» относится к веществу, получающемуся при образовании поперечной сшивки органического полимера (природного или синтетического) посредством ковалентной, ионной или водородной связей, создающей трехмерную структуру открытой решетки, которая захватывает молекулы воды с образованием геля. В некоторых вариантах осуществления гидрогель может представлять собой биосовместимый гидрогель. Используемый в настоящем документе термин «биосовместимый гидрогель» относится к полимеру, образующему гель, который не является токсичным для живых клеток и обеспечивает достаточную диффузию кислорода и питательных веществ в захваченные клетки для поддержания их жизнеспособности. В некоторых вариантах осуществления гидрогелевый полимер включает в себя 60 90% жидкости, такой как вода, и 10 30% полимера. В некоторых вариантах осуществления содержание воды в гидрогеле составляет около 70-80%.[0040] One embodiment includes a bead with a hydrogel polymer and a biomolecule. As used herein, the term “hydrogel” refers to a substance resulting from the cross-linking of an organic polymer (natural or synthetic) through covalent, ionic or hydrogen bonding, creating a three-dimensional open lattice structure that traps water molecules to form a gel. In some embodiments, the hydrogel may be a biocompatible hydrogel. As used herein, the term “biocompatible hydrogel” refers to a gel-forming polymer that is non-toxic to living cells and allows sufficient diffusion of oxygen and nutrients into the entrapped cells to maintain their viability. In some embodiments, the hydrogel polymer includes 60-90% liquid, such as water, and 10-30% polymer. In some embodiments, the water content of the hydrogel is about 70-80%.

[0041] Гидрогели можно получать с помощью поперечного сшивания гидрофильных биополимеров или синтетических полимеров. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления гидрогель может включать в себя поперечносшивающий агент. Используемый в настоящем документе термин «поперечносшивающий агент» относится к молекуле, которая может образовывать трехмерную сетку при реакции с соответствующими каркасными мономерами. К примерам гидрогелевых полимеров, которые могут включать в себя один или более поперечносшивающих агентов относятся, без ограничений, гиалуронаны, хитозаны, агар, гепарин, сульфат, целлюлоза, альгинаты (включая альгинатсульфат), коллаген, декстраны (включая декстрансульфат), пектин, каррагинан, полилизин, желатины (включая желатин типа А), агароза, (метил)акрилат-олиголактид-РЕО-олиголактид-(метил)акрилат, сополимеры РЕО-РРО-РЕО (Pluronics), поли(фосфазен), поли(метакрилаты), поли(М-винилпирролидон), сополимеры PL(G)A-PEO-PL(G)A, поли(этиленимин), полиэтиленгликоль (РЕО)-тиол, PEG-акрилат, малеимид (MAL), PEG/MAL, акриламид, N,N'-бис(акрилоил)цистамин, PEG, полипропиленоксид (РРО), полиакриловая кислота, поли(гидроксиэтилметакрилат) (РНЕМА), поли(метилметакрилат) (РММА), поли(М-изопропилакриламид) (PNIPAAm), поли(молочная) кислота (PLA), сополимер поли(молочной) и поли(гликолевой) кислот (PLGA), поликапролактон (PCL), поли(винилсульфоновая) кислота (PVSA), поли(L-аспарагиновая) кислота, поли(L-глутаминовая) кислота, бисакриламид, диакрилат, диаллиламин, триаллиламин, дивинилсульфон, диаллиловый эфир диэтиленгликоля, этиленгликольдиакрилат, полиметиленгликольдиакрилат, полиэтиленгликольдиакрилат, триметилопропантриметакрилат, этоксилированный триметилолтриакрилат или этоксилированный пентаэритритолтетраакрилат или их комбинации. Таким образом, например, комбинация может включать в себя полимер и поперечносшивающий агент, например полиэтиленгликоль (PEG)-тиол/PEG-акрилат, акриламид/N,N'-бис(акрилоил)цистамин (ВАСу), PEG/полипропиленоксид (РРО) или N,N'-(1,2-дигидроксиэтилен)бисакриламид (DHEBA).[0041] Hydrogels can be prepared by cross-linking hydrophilic biopolymers or synthetic polymers. Thus, in some embodiments, the hydrogel may include a cross-linking agent. As used herein, the term “cross-linking agent” refers to a molecule that can form a three-dimensional network when reacted with appropriate framework monomers. Examples of hydrogel polymers that may include one or more cross-linking agents include, but are not limited to, hyaluronans, chitosans, agar, heparin, sulfate, cellulose, alginates (including alginate sulfate), collagen, dextrans (including dextran sulfate), pectin, carrageenan, polylysine, gelatins (including gelatin type A), agarose, (methyl)acrylate-oligolactide-PEO-oligolactide-(methyl)acrylate, PEO-PPO-PEO copolymers (Pluronics), poly(phosphazene), poly(methacrylates), poly( M-vinylpyrrolidone), copolymers PL(G)A-PEO-PL(G)A, poly(ethyleneimine), polyethylene glycol (PEO)-thiol, PEG-acrylate, maleimide (MAL), PEG/MAL, acrylamide, N,N '-bis(acryloyl)cystamine, PEG, polypropylene oxide (PPO), polyacrylic acid, poly(hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(M-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), poly(lactic) acid ( PLA), copolymer of poly(lactic) and poly(glycolic) acids (PLGA), polycaprolactone (PCL), poly(vinylsulfonic) acid (PVSA), poly(L-aspartic) acid, poly(L-glutamic) acid, bisacrylamide, diacrylate, diallylamine, triallylamine, divinyl sulfone, diethylene glycol diallyl ether, ethylene glycol diacrylate, polymethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, trimethylopropane trimethacrylate, ethoxylated trimethylol triacrylate or ethoxylated pentaerythritol tetraacrylate, or combinations thereof. Thus, for example, the combination may include a polymer and a cross-linker such as polyethylene glycol (PEG)-thiol/PEG-acrylate, acrylamide/N,N'-bis(acryloyl)cystamine (BACy), PEG/polypropylene oxide (PPO) or N,N'-(1,2-dihydroxyethylene)bisacrylamide (DHEBA).

[0042] В некоторых вариантах осуществления поперечносшивающий агент образует дисульфидную связь в гидрогелевом полимере, таким образом связывая гидрогелевые полимеры. В некоторых вариантах осуществления гидрогелевые полимеры образуют матрицу гидрогеля или полимерную оболочку с порами. Поры способны удерживать достаточно большие молекулы внутри полимерной гранулы, например фрагменты длинной ДНК, но позволяют малым компонентам, таким как реагенты, проходить через поры, таким образом перемещаясь внутрь полимерных гранул и наружу из них. В некоторых вариантах осуществления размер пор точно регулируют, меняя соотношение концентрации полимера и концентрации поперечносшивающего агента. В некоторых вариантах осуществления соотношение полимера и поперечносшивающего агента составляет 30:1, 25:1, 20:1, 19:1, 18:1, 17:1, 16:1, 15:1, 14:1, 13:1, 12:1, 11:1, 10:1, 9:1, 8:1, 7:1, 6:1, 5:1, 4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8, 1:9, 1:10, 1:15, 1:20 или 1:30, или соотношение находится в диапазоне, определяемом любыми двумя из вышеупомянутых соотношений. В некоторых вариантах осуществления к полимерной матрице могут прививаться дополнительные функциональные группы, такие как праймер ДНК или заряженные химические группы, чтобы удовлетворять требованиям к различным вариантам применения.[0042] In some embodiments, the cross-linker forms a disulfide bond in the hydrogel polymer, thereby linking the hydrogel polymers. In some embodiments, the hydrogel polymers form a hydrogel matrix or polymer shell with pores. The pores are capable of holding fairly large molecules within the polymer bead, such as long DNA fragments, but allow small components, such as reagents, to pass through the pores, thereby moving in and out of the polymer beads. In some embodiments, the pore size is finely controlled by varying the ratio of polymer concentration to cross-linker concentration. In some embodiments, the polymer to crosslinker ratio is 30:1, 25:1, 20:1, 19:1, 18:1, 17:1, 16:1, 15:1, 14:1, 13:1, 12:1, 11:1, 10:1, 9:1, 8:1, 7:1, 6:1, 5:1, 4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1: 2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8, 1:9, 1:10, 1:15, 1:20 or 1:30, or the ratio is in range determined by any two of the above relations. In some embodiments, additional functional groups, such as a DNA primer or charged chemical groups, may be grafted onto the polymer matrix to suit the requirements of various applications.

[0043] Более того, в некоторых вариантах осуществления поры можно модулировать, корректировать, изменять, модифицировать, адаптировать или оптимизировать по размеру или густоте, изменяя условия окружающей среды, в которой находятся полимерные гранулы, включая изменение рН, заряда или температуры. Регулирование пор можно осуществлять контролируемым образом путем внесения добавочных изменений в окружающую среду, таким образом, создавая условия для контролируемой диффузии молекул.[0043] Moreover, in some embodiments, the pores can be modulated, adjusted, altered, modified, adapted, or optimized in size or density by changing the environmental conditions in which the polymer beads are exposed, including changes in pH, charge, or temperature. Regulation of pores can be accomplished in a controlled manner by introducing incremental changes to the environment, thereby creating conditions for controlled diffusion of molecules.

[0044] Используемый в настоящем документе термин «пористость» означает фракционный объем (безразмерный) гидрогеля, который состоит из открытого пространства, например пор или других отверстий. Таким образом, пористость измеряет пустоты в материале и отражает долю объема пустот от общего объема в процентах от 0 до 100% (или от 0 до 1). Пористость гидрогеля может находиться в диапазоне от 0,5 до 0,99, от около 0,75 до около 0,99 или от около 0,8 до около 0,95.[0044] As used herein, the term “porosity” means the fractional volume (dimensionless) of a hydrogel that consists of open space, such as pores or other openings. Thus, porosity measures the voids in a material and reflects the proportion of void volume to total volume as a percentage from 0 to 100% (or from 0 to 1). The porosity of the hydrogel may range from 0.5 to 0.99, from about 0.75 to about 0.99, or from about 0.8 to about 0.95.

[0045] Гидрогели могут иметь любой размер пор. Используемый в настоящем документе термин «размер пор» относится к диаметру или эффективному диаметру поперечного сечения пор. Термин «размер пор» также может относиться к среднему диаметру или среднему эффективному диаметру поперечного сечения пор по результатам измерений множества пор. Эффективный диаметр некруглого поперечного сечения равен диаметру круглого поперечного сечения с такой же площадью поперечного сечения, что и у некруглого поперечного сечения. В некоторых вариантах осуществления гидрогель может набухать при гидратации гидрогеля. В результате размеры пор могут меняться в зависимости от содержания воды в гидрогеле. В некоторых вариантах осуществления поры гидрогеля могут иметь достаточный размер, чтобы удерживать биомолекулы внутри полимерной гранулы, но пропускать реагенты, и могут быть скорректированы так, как описано в настоящем документе, чтобы молекулы могли проходить через них контролируемым образом.[0045] Hydrogels can have any pore size. As used herein, the term “pore size” refers to the diameter or effective cross-sectional diameter of the pores. The term "pore size" can also refer to the average diameter or the average effective cross-sectional diameter of the pores as measured by a plurality of pores. The effective diameter of a non-circular cross-section is equal to the diameter of a circular cross-section with the same cross-sectional area as the non-circular cross-section. In some embodiments, the hydrogel may swell when the hydrogel is hydrated. As a result, pore sizes can vary depending on the water content of the hydrogel. In some embodiments, the hydrogel pores may be of sufficient size to retain biomolecules within the polymer bead but allow reactants to pass through, and may be adjusted as described herein to allow molecules to pass through them in a controlled manner.

[0046] В некоторых вариантах осуществления поперечносшивающий агент представляет собой обратимый поперечносшивающий агент. В некоторых вариантах осуществления обратимый поперечносшивающий агент выполнен с возможностью обратимого поперечного сшивания гидрогелевого полимера, и такие сшивки могут разрушаться под действием расщепляющего агента. В некоторых вариантах осуществления поперечносшивающий агент может разрушаться в присутствии восстановителя, за счет повышения температуры или под действием электрического поля. В некоторых вариантах осуществления обратимым поперечносшивающим агентом может быть N,N'-бис(акрилоил)цистамин, обратимый поперечносшивающий агент для полиакриламидных гелей, в котором дисульфидная связь может разрушаться в присутствии подходящего восстановителя. В некоторых вариантах осуществления взаимодействие поперечносшивающего агента с восстановителем расщепляет дисульфидные связи поперечносшивающего агента, разрушая полимерные гранулы. Полимерные гранулы разлагаются и высвобождают содержимое, например нуклеиновые кислоты, которые удерживались внутри них. В некоторых вариантах осуществления поперечносшивающий агент расщепляется при повышении температуры до более 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 или 100°С. В некоторых вариантах осуществления поперечносшивающий агент расщепляется при взаимодействии полимерных гранул с восстановителем. В некоторых вариантах осуществления к восстановителям относятся соединения фосфина, водорастворимые фосфины, азотсодержащие фосфины и соли и их производные, дитиоэритритол (DTE), дитиотреитол (DTT) (цис- и транс-изомеры 2,3-дигидрокси-1,4-дитиолбутана соответственно), 2-меркаптоэтанол или β-меркаптоэтанол (ВМЕ), 2-меркаптоэтанол или аминоэтантиол, глутатион, тиогликолят или тиогликолевая кислота, 2,3-димеркаптопропанол, трис(2-карбоксиэтил)фосфин (ТСЕР), трис(гидроксиметил)фосфин (ТНР) или Р- [трис(гидроксиметил)фосфин]пропионовая кислота (ТНРР).[0046] In some embodiments, the cross-linking agent is a reversible cross-linking agent. In some embodiments, the reversible cross-linking agent is configured to reversibly cross-link the hydrogel polymer, and such cross-links may be disrupted by the cleavage agent. In some embodiments, the cross-linker may be degraded in the presence of a reducing agent, by elevated temperature, or by exposure to an electric field. In some embodiments, the reversible cross-linking agent may be N,N'-bis(acryloyl)cystamine, a reversible cross-linking agent for polyacrylamide gels in which the disulfide bond can be broken in the presence of a suitable reducing agent. In some embodiments, the interaction of the cross-linker with the reducing agent cleaves the disulfide bonds of the cross-linker, breaking down the polymer beads. The polymer beads degrade and release contents, such as nucleic acids, that were held within them. In some embodiments, the crosslinker is degraded when the temperature is increased to greater than 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, or 100°C. In some embodiments, the cross-linker is degraded when the polymer beads react with a reducing agent. In some embodiments, reducing agents include phosphine compounds, water-soluble phosphines, nitrogen-containing phosphines and salts and derivatives thereof, dithioerythritol (DTE), dithiothreitol (DTT) (cis and trans isomers of 2,3-dihydroxy-1,4-dithiolbutane, respectively) , 2-mercaptoethanol or β-mercaptoethanol (BME), 2-mercaptoethanol or aminoethanethiol, glutathione, thioglycolate or thioglycolic acid, 2,3-dimercaptopropanol, tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP), tris(hydroxymethyl)phosphine (THP) or P-[tris(hydroxymethyl)phosphine]propionic acid (THPP).

[0047] В некоторых вариантах осуществления повышение температуры для ускорения диффузии или взаимодействия с восстановителем приводит к разложению поперечносшивающего агента, высвобождая таким образом инкапсулированную биомолекулу или полученную из нее молекулу из полимерной гранулы.[0047] In some embodiments, increasing the temperature to accelerate diffusion or interaction with the reducing agent causes the cross-linker to degrade, thereby releasing the encapsulated or derived biomolecule from the polymer bead.

[0048] В некоторых вариантах осуществления поперечное сшивание с использованием поперечносшивающего агента создает поры внутри полимерной гранулы. В некоторых вариантах осуществления размер пор в полимерных гранулах является регулируемым и выбирается таким образом, чтобы инкапсулировать биомолекулы, такие как фрагменты ДНК более около 5000 пар нуклеотидов, но позволять частицам меньшего размера, таким как реагенты, или меньшим по размерам нуклеиновым кислотам менее около 50 пар нуклеотидов, например праймерам, проходить через поры, как показано на ФИГ. 1В. В некоторых вариантах осуществления реагенты включают в себя реагенты для обработки биомолекул или полученной из них молекулы, такие как реагенты для выделения нуклеиновых кислот из клетки, для амплификации, штрихкодирования или секвенирования нуклеиновых кислот, или для получения библиотек нуклеиновых кислот. В некоторых вариантах осуществления к реагентам относятся, например, лизоцим, протеиназа К, статистические гексамеры, полимераза (например, ДНК-полимераза Ф29, Taq-полимераза, Bsu-полимераза), транспозаза (например, Тn5), праймеры (например, адапторные последовательности Р5 и Р7), лигаза, катализирующий фермент, дезоксинуклеотидтрифосфаты, буферы или двухвалентные катионы.[0048] In some embodiments, cross-linking using a cross-linking agent creates pores within the polymer bead. In some embodiments, the pore size of the polymer beads is adjustable and selected to encapsulate biomolecules, such as DNA fragments greater than about 5000 bp, but allow smaller sized particles, such as reagents, or smaller nucleic acids less than about 50 bp. nucleotides, such as primers, pass through the pores, as shown in FIG. 1B. In some embodiments, the reagents include reagents for processing biomolecules or a molecule derived therefrom, such as reagents for isolating nucleic acids from a cell, for amplifying, barcoding or sequencing nucleic acids, or for producing nucleic acid libraries. In some embodiments, the reagents include, for example, lysozyme, proteinase K, random hexamers, polymerase (e.g., F29 DNA polymerase, Taq polymerase, Bsu polymerase), transposase (e.g., Tn5), primers (e.g., P5 adapter sequences and P7), ligase, catalyzing enzyme, deoxynucleotide triphosphates, buffers or divalent cations.

[0049] В некоторых вариантах осуществления длинная ДНК включает в себя геномную ДНК, вирусные нуклеиновые кислоты, бактериальные нуклеиновые кислоты или нуклеиновые кислоты млекопитающих. В некоторых вариантах осуществления полимерные гранулы включают в себя источник длинной ДНК, в том числе, например, клетку. В некоторых вариантах осуществления клетка представляет собой одиночную клетку, в том числе прокариотическую или эукариотическую клетку. В некоторых вариантах осуществления клетка представляет собой клетку млекопитающих. В некоторых вариантах осуществления клетка представляет собой клетку человека. В некоторых вариантах осуществления клетка представляет собой бактериальную клетку. Таким образом, как показано на ФИГ. 7А и 7В, способ можно реализовать на фрагментах длинной ДНК или на клетках, причем одно или оба из них инкапсулированы внутри полимерной гранулы.[0049] In some embodiments, long DNA includes genomic DNA, viral nucleic acids, bacterial nucleic acids, or mammalian nucleic acids. In some embodiments, the polymer beads include a source of long DNA, including, for example, a cell. In some embodiments, the cell is a single cell, including a prokaryotic or eukaryotic cell. In some embodiments, the cell is a mammalian cell. In some embodiments, the cell is a human cell. In some embodiments, the cell is a bacterial cell. Thus, as shown in FIG. 7A and 7B, the method can be implemented on long DNA fragments or on cells, one or both of which are encapsulated within a polymer bead.

[0050] В некоторых вариантах осуществления полимерная гранула представляет собой разрушаемую полимерную гранулу с разрушаемым ядром, инкапсулированным в оболочку. Используемый в настоящем документе термин «разрушаемый» применяется в его общепринятом значении, понятном в свете описания, и относится к грануле или части гранулы, которые используют для получения или сборки гранулы, но которые могут растворяться или удаляться на более поздней стадии. В некоторых вариантах осуществления разрушаемая полимерная гранула включает в себя полимерный материал, такой как агароза или полиакриламид, который находится в контакте с образцом, таким как клетка или ДНК, образуя, тем самым, полимерную гранулу. Затем полимерную гранулу можно инкапсулировать в оболочку, содержащую другой полимерный материал с отличающимися характеристиками плавления, например, в оболочку, которая включает в себя N,N'-(1,2-дигидроксиэтилен)бисакриламид (DHEBA), ацилат-PEG или KPS, или их комбинацию. После инкапсуляции инкапсулированная полимерная гранула может быть помещена в условия, достаточные для удаления внутренней части гранулы, без разрушения оболочки. К таким условиям могут относиться, например, изменение температуры, рН или добавление восстановителей.[0050] In some embodiments, the polymer bead is a erodible polymer bead with a erodible core encapsulated in a shell. As used herein, the term “erodible” is used in its generally accepted meaning, understood in light of the description, and refers to a granule or portion of a granule that is used to prepare or assemble the granule, but which may be dissolved or removed at a later stage. In some embodiments, the erodible polymer bead includes a polymeric material, such as agarose or polyacrylamide, that is in contact with a sample, such as a cell or DNA, thereby forming a polymer bead. The polymer bead can then be encapsulated in a shell containing another polymer material with different melting characteristics, for example, a shell that includes N,N'-(1,2-dihydroxyethylene)bisacrylamide (DHEBA), acylate-PEG or KPS, or their combination. Once encapsulated, the encapsulated polymer bead can be placed under conditions sufficient to remove the interior of the bead without destroying the shell. Such conditions may include, for example, changes in temperature, pH, or the addition of reducing agents.

[0051] В ряде дополнительных вариантов осуществления любая из полимерных гранул, описанных в настоящем документе, может включать в себя флуоресцентный материал, связанный с полимерным материалом. К таким флуоресцентным материалам могут относиться, например, изотиоцианат флуоресцеина (FITC) или любое другое флуоресцирующее соединение, которое может быть связано с полимерным материалом, например акрилатными полимерами, с образованием флуоресцирующего полимерного материала, такого как FITC - акрилатный полимер (FITC-AETC). Флуоресцентный материал, связанный с полимерным материалом, может быть приведен в контакт с клеткой, инициируя таким образом флуоресцентное гелеобразование с образованием флуоресцентной полимерной гранулы вокруг клетки. В некоторых вариантах осуществления можно получать флуоресцентные изображения полимерных гранул с клеткой внутри без необходимости окрашивания. Способы приготовления полимерных гранул[0051] In some additional embodiments, any of the polymer beads described herein may include a fluorescent material associated with the polymeric material. Such fluorescent materials may include, for example, fluorescein isothiocyanate (FITC) or any other fluorescent compound that can be bonded to a polymeric material, such as acrylate polymers, to form a fluorescent polymeric material such as FITC-acrylate polymer (FITC-AETC). The fluorescent material bound to the polymeric material can be brought into contact with the cell, thereby initiating fluorescent gelation to form a fluorescent polymer bead around the cell. In some embodiments, fluorescent images of polymer beads with a cell inside can be obtained without the need for staining. Methods for preparing polymer granules

[0052] Некоторые варианты осуществления, приведенные в настоящем документе, относятся к способам получения гранул, инкапсулирующих биомолекулы. В некоторых вариантах осуществления полимерная гранула представляет собой пористую гранулу гидрогеля, как описано в настоящем документе, или пористую полую гранулу, как описано в настоящем документе.[0052] Some embodiments provided herein relate to methods for producing beads that encapsulate biomolecules. In some embodiments, the polymer bead is a porous hydrogel bead, as described herein, or a porous hollow bead, as described herein.

[0053] В некоторых вариантах осуществления полимерную гранулу получают из эмульсии, получаемой на вихревой мешалке. Используемый в настоящем документе термин «эмульсия, получаемая на вихревой мешалке» относится к обработке на вихревой мешалке гидрогелевого полимера с фрагментами длинной ДНК или источником фрагментов длинной ДНК в контейнере, таком как пробирка, флакон или реакционный сосуд. Компоненты можно смешивать, например, вручную или с помощью механической вихревой мешалки или встряхивания. В некоторых вариантах осуществления смешивание вручную приводит к образованию полимерных гранул, которые инкапсулируют биомолекулы с размером 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 110, 120, 130, 140 или 150 мкм в диаметре или с размером в пределах диапазона, определяемого любыми двумя из вышеупомянутых значений. В некоторых вариантах осуществления размер гранул не является однородным, а потому размер гранул включает гранулы различных диаметров.[0053] In some embodiments, the polymer pellet is produced from a vortex emulsion. As used herein, the term “vortex emulsion” refers to the vortexing of a hydrogel polymer with long DNA fragments or a source of long DNA fragments in a container such as a tube, vial, or reaction vessel. The components can be mixed, for example, manually or using a mechanical vortex mixer or shaking. In some embodiments, manual mixing results in the formation of polymer beads that encapsulate biomolecules with a size of 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 , 75, 80, 85, 90, 95, 100, 110, 120, 130, 140 or 150 µm in diameter or with a size within the range defined by any two of the above values. In some embodiments, the granule size is not uniform and therefore the granule size includes granules of varying diameters.

[0054] В некоторых вариантах осуществления гранулы получают посредством формирования микрожидкостных капель. Как показано на ФИГ. 1В, формирование микрожидкостных капель включает использование микрожидкостного устройства для формирования эмульсии геля. В некоторых вариантах осуществления микрожидкостное устройство включает в себя микроканалы, выполненные с возможностью получения полимерной гранулы желаемого размера и выполненные с возможностью инкапсулирования выбранного количества биомолекулы на каждую гранулу. В некоторых вариантах осуществления микрожидкостное устройство имеет высоту 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190 или 200 мкм или высоту в пределах диапазона, определяемого любыми двумя из вышеупомянутых значений. В некоторых вариантах осуществления микрожидкостное устройство включает в себя один или более каналов. В некоторых вариантах осуществления микрожидкостное устройство включает в себя канал для потока водной среды и канал для несмешивающейся текучей среды. В некоторых вариантах осуществления один или более каналов имеют одинаковую ширину. В некоторых вариантах осуществления один или более каналов имеют различную ширину. В некоторых вариантах осуществления ширина одного или более каналов составляет 20, 30, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, ПО, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145 или 150 мкм, или ширина находится в пределах диапазона, определяемого любыми двумя из вышеупомянутых значений. В некоторых вариантах осуществления ширина канала водной среды составляет 75 мкм. В некоторых вариантах осуществления ширина канала несмешивающейся текучей среды составляет 78 мкм. Специалисту в данной области будет очевидно, что ширина может меняться для точной регулировки размера гранулы. Кроме размера микрожидкостного устройства и ширины каналов скорость потока канала водной среды и канала несмешивающейся текучей среды также могут влиять на размер полимерных гранул.[0054] In some embodiments, the granules are produced by forming microfluidic droplets. As shown in FIG. 1B, microfluidic droplet formation involves using a microfluidic device to form a gel emulsion. In some embodiments, the microfluidic device includes microchannels configured to produce a polymer bead of a desired size and configured to encapsulate a selected amount of biomolecule per bead. In some embodiments, the microfluidic device has a height of 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, or 200 μm, or a height within a range defined by any two of the above values. In some embodiments, the microfluidic device includes one or more channels. In some embodiments, the microfluidic device includes an aqueous flow channel and an immiscible fluid flow channel. In some embodiments, one or more channels have the same width. In some embodiments, one or more channels have different widths. In some embodiments, the width of one or more channels is 20, 30, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145 or 150 µm, or the width is within the range determined by any two of the above values. In some embodiments, the aqueous medium channel width is 75 microns. In some embodiments, the immiscible fluid channel width is 78 microns. One skilled in the art will appreciate that the width can be varied to finely adjust the size of the granule. In addition to the size of the microfluidic device and the width of the channels, the flow rate of the aqueous channel and the immiscible fluid channel can also influence the size of the polymer beads.

[0055] В некоторых вариантах осуществления скорость потока раствора в канале водной фазы составляет 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140 или 150 мкл/мин, или такая скорость находится в пределах диапазона, определяемого любыми двумя из вышеупомянутых значений. В некоторых вариантах осуществления скорость потока раствора в канале несмешивающейся текучей среды составляет 20, 30, 50, 80, 100, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 225, 250, 275, 300, 325, 350, 375 или 400 мкл/мин, или такая скорость находится в пределах диапазона, определяемого любыми двумя из вышеупомянутых значений. В некоторых вариантах осуществления раствор в водной фазе включает в себя гидрогелевый полимер, поперечносшивающий агент и биомолекулу, которые проходят через канал водной среды в несмешивающуюся текучую среду, такую как масло-носитель, со скоростью потока ниже скорости потока несмешивающейся текучей среды, образуя при этом капли. В некоторых вариантах осуществления несмешивающаяся текучая среда представляет собой масло, такое как минеральное масло, углеводородное масло, силиконовое масло, полидиметилсилоксановое масло, тетраметилэтилендиамин (TEMED) или их смеси. В некоторых вариантах осуществления капли гидрогеля, содержащие биомолекулу, образуются с равномерным распределением по размерам. В некоторых вариантах осуществления размер полимерных гранул точно регулируют, корректируя размер микрожидкостного устройства, размер одного или более каналов или скорость потока одного или обоих каналов водного раствора или несмешивающейся текучей среды. В некоторых вариантах осуществления полученная полимерная гранула имеет диаметр в диапазоне от 2 до 150 мкм, например 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 110, 120, 130, 140 или 150 мкм, или диаметр в пределах диапазона, определяемого любыми двумя из вышеупомянутых значений.[0055] In some embodiments, the solution flow rate in the aqueous phase channel is 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, or 150 µl/min, or such rate is within the range defined by any two of the above values. In some embodiments, the solution flow rate in the immiscible fluid channel is 20, 30, 50, 80, 100, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 225, 250, 275, 300, 325, 350, 375, or 400 µl/min, or such rate is within the range defined by any two of the above values. In some embodiments, the aqueous phase solution includes a hydrogel polymer, a cross-linker, and a biomolecule that pass through an aqueous medium channel into an immiscible fluid, such as a carrier oil, at a flow rate below that of the immiscible fluid, thereby forming droplets . In some embodiments, the immiscible fluid is an oil, such as mineral oil, hydrocarbon oil, silicone oil, polydimethylsiloxane oil, tetramethylethylenediamine (TEMED), or mixtures thereof. In some embodiments, hydrogel droplets containing the biomolecule are formed with a uniform size distribution. In some embodiments, the size of the polymer beads is finely controlled by adjusting the size of the microfluidic device, the size of one or more channels, or the flow rate of one or both channels of an aqueous solution or immiscible fluid. In some embodiments, the resulting polymer bead has a diameter in the range of 2 to 150 microns, for example 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 110, 120, 130, 140 or 150 microns, or a diameter within the range determined by any two of the above values.

[0056] В некоторых вариантах осуществления размер и однородность полимерной гранулы, инкапсулирующей биомолекулу, можно дополнительно контролировать за счет взаимодействия гидрогелевого полимера до формирования гранулы с жидким модификатором, например со спиртом, в том числе изопропиловым спиртом.[0056] In some embodiments, the size and uniformity of the polymer bead encapsulating the biomolecule can be further controlled by reacting the hydrogel polymer prior to bead formation with a liquid modifier, such as an alcohol, including isopropyl alcohol.

[0057] В некоторых вариантах осуществления количество фрагментов длинной ДНК, инкапсулированных в гранулу, можно контролировать, разбавляя или концентрируя фрагменты длинной ДНК во вводимом образце. Образец, содержащий фрагменты длинной ДНК, смешивают с гидрогелевым полимером, и такой гидрогелевый полимер, содержащий фрагменты длинной ДНК, эмульгируют с помощью вихревой мешалки или переводят в микрожидкостные капли, как описано в настоящем документе.[0057] In some embodiments, the amount of long DNA fragments encapsulated in the bead can be controlled by diluting or concentrating the long DNA fragments in the input sample. A sample containing long DNA fragments is mixed with a hydrogel polymer, and such hydrogel polymer containing long DNA fragments is emulsified using a vortex mixer or transferred into microfluidic droplets as described herein.

[0058] В некоторых вариантах осуществления полимерные гранулы могут быть функционализированы и использованы для очистки нуклеиновой кислоты. В некоторых вариантах осуществления полимерные гранулы могут быть функционализированы нуклеотидом. В некоторых вариантах осуществления нуклеотид представляет собой олигонуклеотид или поли-Т-нуклеотид. В некоторых вариантах осуществления нуклеотид связан с полимерной гранулой, и функционализированную гранулу можно использовать для специфического захвата представляющего интерес нуклеотида.[0058] In some embodiments, polymer beads can be functionalized and used for nucleic acid purification. In some embodiments, the polymer beads may be functionalized with a nucleotide. In some embodiments, the nucleotide is an oligonucleotide or poly-T nucleotide. In some embodiments, the nucleotide is associated with a polymer bead, and the functionalized bead can be used to specifically capture the nucleotide of interest.

[0059] В некоторых вариантах осуществления полимерная гранула может быть инкапсулирована полимерной оболочкой с отличными от полимерной гранулы характеристиками, например другой температурой плавления, другими размерами пор или другими характеристиками растворения. В некоторых вариантах осуществления полимерная оболочка может включать в себя DHEBA.[0059] In some embodiments, the polymer bead may be encapsulated by a polymer shell with different characteristics from the polymer bead, such as a different melting point, different pore sizes, or different dissolution characteristics. In some embodiments, the polymer shell may include DHEBA.

Способы обработки биомолекул, инкапсулированных внутри полимерных гранулMethods for processing biomolecules encapsulated inside polymer granules

[0060] Некоторые варианты осуществления включают способы обработки биомолекул внутри гранулы, как показано на ФИГ. 2, на которой представлена блок-схема получения и обработки биомолекул внутри полимерной гранулы. На первой стадии образец ДНК, например по геномным данным, или клетку инкапсулируют внутри полимерной гранулы. В некоторых вариантах осуществления внутри полимерных гранул удерживается фрагмент длинной ДНК, а реагенты способны проходить через поры полимерных гранул. В некоторых вариантах осуществления реагенты могут включать в себя лизирующие агенты, агенты для очистки нуклеиновых кислот, тагментирующие агенты, ПЦР-агенты или другие агенты, применяемые при обработке биомолекул или полученных из них молекул. Таким образом, полимерные гранулы формируют микросреду для контролируемых реакций фрагментов длинной ДНК внутри полимерных гранул, обеспечивая барьер для прохождения реагентов внутрь и наружу полимерных гранул, одновременно удерживая фрагменты длинной ДНК внутри гранул. После инкапсуляции ДНК в гранулы начинается следующая стадия процесса, на которой образец можно загружать в проточную кювету для формирования фрагментов длинной ДНК в ходе процесса получения библиотеки.[0060] Some embodiments include methods for processing biomolecules within a bead, as shown in FIG. 2, which shows a block diagram of the production and processing of biomolecules inside a polymer granule. In the first step, a DNA sample, for example from genomic data, or a cell is encapsulated inside a polymer bead. In some embodiments, a long DNA fragment is retained within the polymer beads and reagents are able to pass through the pores of the polymer beads. In some embodiments, the reagents may include lysis agents, nucleic acid purification agents, tagmenting agents, PCR agents, or other agents used in the processing of biomolecules or molecules derived therefrom. In this way, the polymer beads form a microenvironment for controlled reactions of long DNA fragments within the polymer beads, providing a barrier to the passage of reagents in and out of the polymer beads while simultaneously retaining long DNA fragments within the beads. Once the DNA is encapsulated in the beads, the next stage of the process begins where the sample can be loaded into a flow cell to form long DNA fragments during the library production process.

[0061] Используемый в настоящем документе термин «тагментация» относится к модификации ДНК транспосомным комплексом, содержащим фермент транспозазу в комплексе с адаптерами, содержащими концевую последовательность транспозона. Тагментация приводит к одновременной фрагментации ДНК и лигированию адаптеров к 5'-концам обеих цепей дуплексных фрагментов. После этапа очистки для удаления фермента-транспозазы к концам адаптированных фрагментов можно добавить дополнительные последовательности, например, с помощью ПЦР, лигирования или любой другой приемлемой методики, известной специалистам в данной области.[0061] As used herein, the term “tagmentation” refers to the modification of DNA by a transposome complex containing the enzyme transposase in complex with adapters containing the terminal sequence of the transposon. Tagmentation leads to simultaneous DNA fragmentation and ligation of adapters to the 5' ends of both strands of duplex fragments. Following the purification step to remove the transposase enzyme, additional sequences can be added to the ends of the adapted fragments, for example, by PCR, ligation, or any other suitable technique known to those skilled in the art.

[0062] В некоторых вариантах осуществления получение всей библиотеки ДНК можно с легкостью выполнять внутри полимерных гранул, связанных с проточной кюветой, при многократной смене реагентов с пропусканием через пористый гидрогель, при этом внутри матрицы гидрогеля удерживается геномная ДНК и продукты ее библиотеки. Гидрогель может быть устойчивым к высоким температурам вплоть до 95°С в течение нескольких часов, чтобы обеспечивать проведение различных биохимических реакций.[0062] In some embodiments, acquisition of an entire DNA library can be easily accomplished within polymer beads associated with a flow cell by repeatedly changing reagents through a porous hydrogel while retaining the genomic DNA and its library products within the hydrogel matrix. The hydrogel can be resistant to high temperatures up to 95°C for several hours to enable various biochemical reactions.

[0063] На следующей стадии процесса полимерную гранулу, инкапсулирующую фрагменты длинной ДНК после предшествующего получения библиотеки, обрабатывают для высвобождения, очистки и выделения фрагментов длинной ДНК из гранулы. Для этого полимерную гранулу приводят в контакт с, например, лизирующим буфером. Используемый в настоящем документе термин «лизис» означает нарушение или изменение стенки клетки или вирусной частицы, которое облегчает доступ к клеточной РНК или ДНК или их высвобождение. Ни полное разрушение, ни разрыв стенки клетки не являются обязательным требованием для лизиса. Термин «лизирующий буфер» означает буфер, который содержит по меньшей мере один лизирующий агент. К распространенным ферментативным лизирующим агентам относятся, без ограничений, лизоцим, глюколаза, зимолоза, литиказа, протеиназа К, протеиназа Е, а также вирусные эндолизины и экзолизины. Таким образом, например, лизис клеток в гранулах можно проводить путем введения в полимерные гранулы лизирующих агентов, таких как лизоцим и протеиназа К. После этого геномная ДНК из клеток будет находиться внутри гранул. В некоторых вариантах осуществления после лизиса выделенная нуклеиновая кислота удерживается внутри полимерной гранулы и может быть использована в ходе дальнейшей обработки.[0063] In the next step of the process, the polymer bead encapsulating the long DNA fragments from the previous library production is processed to release, purify and isolate the long DNA fragments from the bead. To do this, the polymer bead is brought into contact with, for example, a lysis buffer. As used herein, the term “lysis” means a disruption or alteration of the cell wall or viral particle that facilitates access to or release of cellular RNA or DNA. Neither complete destruction nor rupture of the cell wall is a requirement for lysis. The term "lysis buffer" means a buffer that contains at least one lysis agent. Common enzymatic lysis agents include, but are not limited to, lysozyme, glucolase, zymolose, lyticase, proteinase K, proteinase E, and viral endolysins and exolysins. Thus, for example, lysis of cells in beads can be accomplished by introducing lysis agents such as lysozyme and proteinase K into the polymer beads. The genomic DNA from the cells will then be contained within the beads. In some embodiments, after lysis, the isolated nucleic acid is retained within the polymer bead and can be used during further processing.

[0064] Используемые в настоящем документе термины «выделенный», «выделять», «выделение», «очищенный», «очищать», «очистка» и их грамматические эквиваленты, используемые в настоящем документе, если не указано иное, относятся к снижению количества по меньшей мере одного загрязняющего вещества (такого как белковая и/или нуклеотидная последовательность) в образце или в источнике (например, клетке), из которого выделяют материал. Таким образом, очистка приводит к «обогащению», например увеличению количества нужного белка и/или нуклеотидной последовательности в образце.[0064] As used herein, the terms “isolated”, “isolate”, “isolating”, “purified”, “purify”, “purification” and their grammatical equivalents as used herein, unless otherwise noted, refer to reducing the amount at least one contaminant (such as a protein and/or nucleotide sequence) in the sample or source (eg, cell) from which the material is isolated. Thus, purification results in “enrichment,” such as an increase in the amount of the desired protein and/or nucleotide sequence in the sample.

[0065] В некоторых вариантах осуществления инкапсулированные нуклеиновые кислоты полностью или частично секвенируют внутри полимерных гранул. Инкапсулированные нуклеиновые кислоты можно секвенировать в соответствии с любой подходящей методикой секвенирования, такой как прямое секвенирование, включая секвенирование путем синтеза, секвенирование путем лигирования, секвенирование путем гибридизации, секвенирование через нанопоры и т.п.[0065] In some embodiments, the encapsulated nucleic acids are sequenced in whole or in part within polymer beads. The encapsulated nucleic acids can be sequenced according to any suitable sequencing technique, such as direct sequencing, including sequencing by synthesis, sequencing by ligation, sequencing by hybridization, sequencing through nanopores, and the like.

[0066] Некоторые варианты осуществления, представленные в настоящем документе, относятся к секвенированию путем синтеза (SBS), которое можно использовать для фрагментов длинной ДНК. В SBS отслеживают удлинение праймера нуклеиновой кислоты вдоль матрицы нуклеиновой кислоты (например, целевой нуклеиновой кислоты или ее ампликона) для определения последовательности нуклеиотидов в матрице. Лежащим в основе химическим процессом может быть полимеризация (например, катализируемая ферментом полимеразой). В конкретном варианте осуществления SBS на основе полимеразы к праймеру добавляют флуоресцентно-меченые нуклеотиды (посредством чего праймер удлиняется) зависимым от матрицы образом, так чтобы для определения последовательности матрицы можно было использовать обнаружение порядка и типа нуклеотидов, добавляемых к праймеру.[0066] Some embodiments presented herein relate to sequencing by synthesis (SBS), which can be used for long DNA fragments. SBS tracks the extension of a nucleic acid primer along a nucleic acid template (eg, a target nucleic acid or its amplicon) to determine the sequence of nucleotides in the template. The underlying chemical process may be polymerization (eg, catalyzed by the enzyme polymerase). In a particular embodiment of the polymerase-based SBS, fluorescently labeled nucleotides are added to the primer (whereby the primer is extended) in a template-dependent manner such that detection of the order and type of nucleotides added to the primer can be used to determine the sequence of the template.

[0067] Для одной или более амплифицированных инкапсулированных нуклеиновых кислот можно использовать SBS или другую методику обнаружения, которая включает многократную доставку реагентов в циклическом режиме. Например, для запуска первого цикла SBS один или более меченых нуклеотидов, ДНК-полимер азу и т.п. можно подать в или пропустить через полимерную гранулу с одной или более амплифицированных молекул нуклеиновой кислоты. Можно выявлять те сайты, где удлинение праймера приводит к встраиванию меченого нуклеотида. Нуклеотиды могут дополнительно обладать свойством обратимой терминации, которое завершает дополнительное удлинение праймера после добавления нуклеотида к праймеру. Например, в праймер можно добавлять нуклеотидный аналог, имеющий фрагмент обратимого терминатора, так чтобы последующее удлинение не могло происходить до тех пор, пока не будет доставлен блокирующий агент для удаления фрагмента. Таким образом, для вариантов осуществления с обратимой терминацией в проточную кювету можно подавать разблокирующий реагент (до или после обнаружения). В промежутке между различными стадиями доставки можно проводить промывки. Затем цикл можно повторять n раз для удлинения праймера на n нуклеотидов, тем самым устанавливая последовательность длиной n. Примерные процедуры SBS, жидкостные системы и платформы обнаружения, которые можно без особенных усилий адаптировать для использования с ампликонами, полученными способами настоящего описания, приведены, например, в Bentley et al., Nature 456:53-59 (2008), WO 04/018497; патенте США №7,057,026; WO 91/06678; WO 07/123744; патенте США №7,329,492; патенте США №7,211,414; патенте США №7,315,019; патенте США №7,405,281 и US 2008/0108082, каждый из которых включен в настоящий документ путем ссылки.[0067] For one or more amplified encapsulated nucleic acids, SBS or another detection technique that involves multiple delivery of reagents in a cyclic manner can be used. For example, to start the first round of SBS, one or more labeled nucleotides, DNA polymer azu, etc. can be fed into or passed through a polymer bead containing one or more amplified nucleic acid molecules. It is possible to identify those sites where primer extension leads to the incorporation of a labeled nucleotide. The nucleotides may additionally have a reversible termination property that terminates additional primer extension upon addition of a nucleotide to the primer. For example, a nucleotide analog having a reversible terminator fragment can be added to the primer so that subsequent extension cannot occur until a blocking agent is delivered to remove the fragment. Thus, for reversible termination embodiments, an unblocking reagent may be supplied to the flow cell (before or after detection). Washings can be carried out between the various stages of delivery. The cycle can then be repeated n times to extend the primer by n nucleotides, thereby establishing a sequence of length n. Exemplary SBS procedures, fluidic systems and detection platforms that can be readily adapted for use with amplicons produced by the methods of the present disclosure are provided, for example, in Bentley et al., Nature 456:53-59 (2008), WO 04/018497 ; US Patent No. 7,057,026; WO 91/06678; WO 07/123744; US Patent No. 7,329,492; US Patent No. 7,211,414; US Patent No. 7,315,019; US Patent No. 7,405,281 and US 2008/0108082, each of which is incorporated herein by reference.

[0068] Можно использовать и другие процедуры секвенирования, в которых применяют циклические реакции, например пиросеквенирование. В ходе пиросеквенирования обнаруживают высвобождение неорганического пирофосфата (PPi) по мере включения конкретных нуклеотидов в растущую цепь нуклеиновой кислоты (Ronaghi, et al., Analytical Biochemistry 242(1), 84-9 (1996); Ronaghi, Genome Res. 11(1), 3-11 (2001); Ronaghi et al. Science 281(5375), 363 (1998); патент США №6,210,891; патент США №6,258,568 и патент США №6,274,320, каждый из которых включен в настоящий документ путем ссылки). В процессе пиросеквенирования высвобождающийся PPi может обнаруживать при его немедленном превращении в аденозинтрифосфат (АТФ) под действием АТФ-сульфурилазы, а уровень образующегося АТФ можно обнаруживать по фотонам, испускаемым люциферазой. Таким образом, реакцию секвенирования можно отслеживать с помощью системы обнаружения люминесценции. Для процедур пиросеквенирования нет необходимости использовать источники возбуждающего излучения, применяемые в системах обнаружения флуоресценции. Подходящие жидкостные системы, детекторы и процедуры, которые могут быть адаптированы для применения пиросеквенирования к ампликонам, полученным в соответствии с настоящим описанием, приведены, например, в заявке на патент WIPO №PCT/US11/57111, US 2005/0191698 Al, патенте США №7,595,883 и патенте США №7,244,559, каждый из которых включен в настоящий документ путем ссылки.[0068] Other sequencing procedures that employ cyclic reactions, such as pyrosequencing, can be used. Pyrosequencing detects the release of inorganic pyrophosphate (PPi) as specific nucleotides are incorporated into the growing nucleic acid chain (Ronaghi, et al., Analytical Biochemistry 242(1), 84-9 (1996); Ronaghi, Genome Res. 11(1) , 3-11 (2001); Ronaghi et al. Science 281(5375), 363 (1998); US Patent No. 6,210,891; US Patent No. 6,258,568 and US Patent No. 6,274,320, each of which is incorporated herein by reference). In the pyrosequencing process, the released PPi can be detected when it is immediately converted to adenosine triphosphate (ATP) by ATP sulfurylase, and the level of ATP produced can be detected by photons emitted by luciferase. Thus, the sequencing reaction can be monitored using a luminescence detection system. Pyrosequencing procedures do not require the use of excitation radiation sources used in fluorescence detection systems. Suitable liquid systems, detectors and procedures that can be adapted for the application of pyrosequencing to amplicons obtained in accordance with the present description are provided, for example, in WIPO patent application No. PCT/US11/57111, US 2005/0191698 Al, US patent no. 7,595,883 and U.S. Patent No. 7,244,559, each of which is incorporated herein by reference.

[0069] В некоторых вариантах осуществления могут использоваться способы, включающие мониторинг активности ДНК-полимер азы в реальном времени. Например, включение нуклеотидов может быть обнаружено за счет взаимодействий по механизму резонансного переноса энергии флуоресценции (FRET) между содержащей флуорофор полимеразой и нуклеотидами с γ-фосфатной меткой или с помощью волноводов с нулевой модой (ZMW). Методики и реагенты для секвенирования на основе FRET описаны, например, в Levene et al. Science 299, 682-686 (2003); Lundquist et al. Opt. Lett. 33, 1026-1028 (2008); Korlach et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176-1181 (2008), описания которых включены в настоящий документ путем ссылки.[0069] In some embodiments, methods may be used that include monitoring DNA polymerase activity in real time. For example, nucleotide incorporation can be detected through fluorescence resonance energy transfer (FRET) interactions between a fluorophore-containing polymerase and γ-phosphate-labeled nucleotides or through zero-mode waveguides (ZMWs). Methods and reagents for FRET-based sequencing are described, for example, in Levene et al. Science 299, 682-686 (2003); Lundquist et al. Opt. Lett. 33, 1026-1028 (2008); Korlach et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176-1181 (2008), the disclosures of which are incorporated herein by reference.

[0070] Некоторые варианты осуществления SBS включают в себя обнаружение протона, высвобождаемого при внедрении нуклеотида в продукт удлинения. Например, для секвенирования на основе обнаружения высвобождаемых протонов можно использовать электрический детектор и связанные с этим имеющиеся на рынке методики. Примерами таких систем секвенирования являются пиросеквенирование (например, имеющаяся на рынке платформа от компании 454 Life Sciences, дочерней компании Roche), секвенирование с использованием нуклеотидов с γ-фосфатной меткой (например, имеющаяся на рынке платформа от компании Pacific Biosciences) и секвенирование с регистрацией протонов (например, имеющаяся на рынке платформа от компании Ion Torrent, дочерней компании Life Technologies) или способы и системы секвенирования, описанные в US 2009/0026082 A1; US 2009/0127589 A1; US 2010/0137143 A1 или US 2010/0282617 A1, каждый из которых включен в настоящий документ путем ссылки. Описанные в настоящем документе способы амплификации целевых нуклеиновых кислот с использованием кинетического исключения можно с легкостью применять к субстратам, используемым для обнаружения протонов. В частности, описанные в настоящем документе способы можно применять для получения клональных популяций ампликонов, которые используют для обнаружения протонов.[0070] Some embodiments of SBS include detecting a proton released upon insertion of a nucleotide into the extension product. For example, for sequencing based on the detection of released protons, an electrical detector and associated commercially available techniques can be used. Examples of such sequencing systems include pyrosequencing (e.g., the commercially available platform from Roche subsidiary 454 Life Sciences), γ-phosphate-tagged nucleotide sequencing (e.g., the commercially available platform from Pacific Biosciences), and proton-sensing sequencing (eg, a commercially available platform from Ion Torrent, a subsidiary of Life Technologies) or sequencing methods and systems described in US 2009/0026082 A1; US 2009/0127589 A1; US 2010/0137143 A1 or US 2010/0282617 A1, each of which is incorporated herein by reference. The methods described herein for amplifying target nucleic acids using kinetic exclusion can be readily applied to substrates used for proton detection. In particular, the methods described herein can be used to obtain clonal amplicon populations that are used for proton detection.

[0071] Другой методикой секвенирования является секвенирование через нанопоры (см., например, Deamer et al. Trends Biotechnol. 18, 147-151 (2000); Deamer et al. Acc. Chem. Res. 35:817-825 (2002); Li et al. Nat. Mater. 2:611-615 (2003), описания которых включены в настоящий документ путем ссылки). В некоторых вариантах осуществления с нанопорами целевая нуклеиновая кислота или отдельные нуклеотиды удаляются при прохождении целевой нуклеиновой кислоты через нанопору. По мере прохождения нуклеиновой кислоты или нуклеотида через нанопору каждый тип нуклеотида может быть идентифицирован по результатам измерения колебаний электрической проводимости поры (патент США №7,001,792; Soni et al. Clin. Chem. 53, 1996-2001 (2007); Healy, Nanomed. 2, 459-481 (2007); Cockroft et al. J. Am. Chem. Soc. 130, 818-820 (2008), описания которых включены в настоящий документ путем ссылки).[0071] Another sequencing technique is nanopore sequencing (see, for example, Deamer et al. Trends Biotechnol. 18, 147-151 (2000); Deamer et al. Acc. Chem. Res. 35:817-825 (2002) ; Li et al. Nat. Mater. 2:611-615 (2003), the descriptions of which are incorporated herein by reference). In some nanopore embodiments, the target nucleic acid or individual nucleotides are removed as the target nucleic acid passes through the nanopore. As a nucleic acid or nucleotide passes through a nanopore, each type of nucleotide can be identified by measuring fluctuations in the electrical conductivity of the pore (US Patent No. 7,001,792; Soni et al. Clin. Chem. 53, 1996-2001 (2007); Healy, Nanomed. 2 , 459-481 (2007); Cockroft et al.

[0072] Примеры способов экспрессии на чипах и анализа генотипирования, которые можно применять для обнаружения в соответствии с настоящим описанием, приведены в патентах США №7,582,420; 6,890,741; 6,913,884 или 6,355,431 или в публикациях заявок на патент США №2005/0053980 А1; 2009/0186349 А1 или US 2005/0181440 A1, каждая из которых включена в настоящий документ путем ссылки.[0072] Examples of on-chip expression methods and genotyping assays that can be used for detection in accordance with the present disclosure are provided in US Pat. No. 7,582,420; 6,890,741; 6,913,884 or 6,355,431 or in publications of US patent applications No. 2005/0053980 A1; 2009/0186349 A1 or US 2005/0181440 A1, each of which is incorporated herein by reference.

[0073] В описанных в настоящем документе способах выделения нуклеиновых кислот, амплификации и секвенирования для выделения и получения нуклеиновых кислот используют различные реагенты. К таким реагентам могут относиться, например, лизоцим, протеиназа К, статистические гексамеры, полимераза (например, ДНК-полимераза Ф29, Taq-полимераза, Bsu-полимераза), транспозаза (например, Tn5), праймеры (например, адаптерные последовательности Р5 и Р7), лигаза, катализирующий фермент, дезоксинуклеотидтрифосфаты, буферы или двухвалентные катионы. Такие реагенты проходят через поры полимерных гранул, тогда как биомолекула или полученная из нее молекула удерживаются внутри полимерных гранул. Преимущество способов, изложенных в настоящем документе, заключается в том, что они обеспечивают инкапсулированную микросреду для обработки нуклеиновых кислот внутри полимерной гранулы. Это обеспечивает обработку одиночной клетки для быстрой и эффективной обработки целевой нуклеиновой кислоты.[0073] The nucleic acid isolation, amplification, and sequencing methods described herein use various reagents to isolate and produce nucleic acids. Such reagents may include, for example, lysozyme, proteinase K, random hexamers, polymerase (e.g. F29 DNA polymerase, Taq polymerase, Bsu polymerase), transposase (e.g. Tn5), primers (e.g. P5 and P7 adapter sequences ), ligase, catalyzing enzyme, deoxynucleotide triphosphates, buffers or divalent cations. Such reagents pass through the pores of the polymer beads, while the biomolecule or a molecule derived from it is retained within the polymer beads. The advantage of the methods set forth herein is that they provide an encapsulated microenvironment for processing nucleic acids within a polymer bead. This enables single cell processing to quickly and efficiently process the target nucleic acid.

[0074] Адаптеры могут включать в себя сайты праймеров для секвенирования, сайты праймеров для амплификации и индексы. При использовании в настоящем документе термин «индекс» может включать в себя последовательность нуклеотидов, которую можно использовать в качестве молекулярного идентификатора и/или штрихкода для метки нуклеиновой кислоты и/или для идентификации источника нуклеиновой кислоты. В некоторых вариантах осуществления индекс можно использовать для идентификации одиночной нуклеиновой кислоты или субпопуляции нуклеиновых кислот. В некоторых вариантах осуществления библиотеки нуклеиновых кислот могут быть получены внутри полимерной гранулы. В некоторых вариантах осуществления одиночная клетка, инкапсулированная внутри полимерной гранулы, может быть использована для комбинаторного индексирования одиночных клеток, например, с использованием подхода транспозиции с сохранением смежности (CPTSeq). В некоторых вариантах осуществления ДНК из одиночной клетки может быть штрихкодирована путем инкапсуляции одиночных клеток после амплификации WGA другой гранулой, несущей в себе штрихкодированные транспозоны, и с последующим растворением матрицы геля при обработке восстановителем, например, для высвобождения геномной ДНК для штрихкодирования.[0074] Adapters may include sequencing primer sites, amplification primer sites, and indices. As used herein, the term "index" may include a nucleotide sequence that can be used as a molecular identifier and/or barcode to tag a nucleic acid and/or to identify the source of a nucleic acid. In some embodiments, the index can be used to identify a single nucleic acid or a subpopulation of nucleic acids. In some embodiments, nucleic acid libraries may be generated within a polymer bead. In some embodiments, a single cell encapsulated within a polymer bead can be used for combinatorial single cell indexing, for example, using a contiguity-preserving transposition (CPTSeq) approach. In some embodiments, DNA from a single cell can be barcoded by encapsulating the single cells after amplifying the WGA with another bead carrying the barcoded transposons, and then dissolving the gel matrix by treating with a reducing agent, for example, to release genomic DNA for barcoding.

[0075] Варианты осуществления способов и методик «пространственного индексирования», описанных в настоящем документе, сокращают анализ данных и упрощают процесс получения библиотеки из одиночных клеток и молекул длинной ДНК. Существующие протоколы секвенирования одиночных клеток требуют эффективного физического разделения клеток и уникального штрихкодирования каждой выделенной клетки с последующим группированием вместе всего упомянутого для проведения секвенирования. Современные протоколы синтетических длинных чтений также требуют трудоемких стадий штрихкодирования и группирования вместе всех штрихкодированных фрагментов для секвенирования с последующим проведением анализа данных для разграничения генетической информации, поступающей от каждой штрихкодированной клетки. В таких процессах возможна потеря материала, что приводит к выпадениям в последовательностях. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, не только сокращают процесс, но и увеличивают разрешение данных для одиночных клеток. Более того, предложенные в настоящем документе варианты осуществления упрощают сборку геномов новых организмов. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, можно использовать для выявления редких генетических вариаций и совместных мутаций. В некоторых вариантах осуществления библиотека ДНК, удерживаемая в полимерных гранулах до высвобождения, дает возможность контролировать размер фрагментов, которые высвобождаются на поверхность, за счет контроля процесса высвобождения и состава гидрогеля.[0075] Embodiments of the "spatial indexing" methods and techniques described herein reduce data analysis and simplify the process of obtaining a library from single cells and long DNA molecules. Current single-cell sequencing protocols require efficient physical separation of cells and unique barcoding of each isolated cell, followed by grouping everything together to perform sequencing. Current synthetic long read protocols also require labor-intensive steps of barcoding and grouping together all the barcoded fragments for sequencing, followed by data analysis to delineate the genetic information coming from each barcoded cell. In such processes, loss of material is possible, leading to dropouts in sequences. The embodiments described herein not only shorten the process, but also increase the resolution of single cell data. Moreover, the embodiments proposed herein facilitate the assembly of genomes of new organisms. The embodiments described herein can be used to identify rare genetic variations and co-mutations. In some embodiments, the DNA library contained within the polymer beads prior to release allows the size of the fragments that are released to the surface to be controlled by controlling the release process and the composition of the hydrogel.

[0076] В некоторых вариантах осуществления поверхностью является устройство проточной кюветы. В некоторых вариантах проточная кювета представляет собой специализированную проточную кювету с лунками, канавками или узором. В некоторых вариантах осуществления проточная кювета содержит структурированную поверхность. В некоторых вариантах осуществления структурированная поверхность содержит лунки. В некоторых вариантах осуществления диаметр лунок составляет от около 10 мкм до около 50 мкм, например 10 мкм, 15 мкм, 20 мкм, 25 мкм, 30 мкм, 35 мкм, 40 мкм, 45 мкм, или 50 мкм в диаметре, или в диапазоне, определяемом любыми двумя из приведенных выше значений, и при этом глубина лунок составляет от около 0,5 мкм до около 1 мкм, например 0,5 мкм, 0,6 мкм, 0,7 мкм, 0,8 мкм, 0,9 мкм или 1 мкм глубиной, или в диапазоне, определяемом любыми двумя из приведенных выше значений. В некоторых вариантах осуществления лунки выполнены из гидрофобного материала. В некоторых вариантах осуществления гидрофобный материал содержит аморфный фторполимер, например CYTOP, Fluopel® или Teflon®.[0076] In some embodiments, the surface is a flow cell device. In some embodiments, the flow cell is a specialized flow cell with dimples, grooves, or a pattern. In some embodiments, the flow cell includes a structured surface. In some embodiments, the structured surface includes dimples. In some embodiments, the diameter of the wells is from about 10 μm to about 50 μm, such as 10 μm, 15 μm, 20 μm, 25 μm, 30 μm, 35 μm, 40 μm, 45 μm, or 50 μm in diameter, or in the range , defined by any two of the above values, and wherein the depth of the wells is from about 0.5 μm to about 1 μm, for example 0.5 μm, 0.6 μm, 0.7 μm, 0.8 μm, 0.9 µm or 1 µm deep, or in the range determined by any two of the above values. In some embodiments, the wells are made of a hydrophobic material. In some embodiments, the hydrophobic material comprises an amorphous fluoropolymer, such as CYTOP, Fluopel®, or Teflon®.

[0077] В некоторых вариантах осуществления библиотеку можно амплифицировать с использованием сайтов праймеров в адапторных последовательностях и секвенировать с использованием сайтов праймеров для секвенирования в адапторных последовательностях. В некоторых вариантах осуществления адапторные последовательности могут включать в себя индексы для идентификации источника нуклеиновых кислот. Эффективность последующих стадий амплификации может быть снижена из-за формирования праймер-димеров. Для повышения эффективности последующих стадий амплификации из продуктов лигирования можно удалять нелигированные одноцепочечные адаптеры.[0077] In some embodiments, the library can be amplified using primer sites in adapter sequences and sequenced using sequencing primer sites in adapter sequences. In some embodiments, the adapter sequences may include indices to identify the source of the nucleic acids. The efficiency of subsequent amplification steps may be reduced due to the formation of primer dimers. To improve the efficiency of subsequent amplification steps, unligated single-stranded adapters can be removed from the ligation products.

[0078] В некоторых вариантах осуществления для определения пористости полимерных гранул можно получать модельную систему. Как показано на ФИГ. 11А и 11В, полимерная гранула может инкапсулировать соединение стрептавидина (обозначено на ФИГ. 11А и 11В как SA), удерживая соединение стрептавидина внутри гранулы. В некоторых вариантах осуществления соединение биотина, связанное с ампликоном определенного размера, смешивается с полимерной гранулой (ФИГ. 11А). Связанный с биотином ампликон достаточного размера способен диффундировать в полимерную гранулу и образовать конъюгат со стрептавидином внутри гранулы, таким образом удерживая связанный с биотином ампликон внутри гранулы. Напротив, связанный с биотином ампликон слишком большого размера не будет проходить через полимерную гранулу, и внутри гранулы не будет удерживаться никаких ампликонов. Аналогичным образом можно получать полимерную гранулу, содержащую стрептавидин, конъюгированный со связанным с ампликоном биотином, и реагенты могут проходить через нее для проведения реакции, такой как ПЦР (ФИГ. 11В). Фрагменты достаточного размера диффундируют из полимерной гранулы, тогда как слишком большие фрагменты не диффундируют через полимерную гранулу и удерживаются внутри гранулы.[0078] In some embodiments, a model system can be generated to determine the porosity of polymer beads. As shown in FIG. 11A and 11B, the polymer bead can encapsulate a streptavidin compound (indicated as SA in FIGS. 11A and 11B), retaining the streptavidin compound within the bead. In some embodiments, a biotin compound bound to a specific size amplicon is mixed with a polymer bead (FIG. 11A). A biotin-bound amplicon of sufficient size is able to diffuse into the polymer bead and form a streptavidin conjugate within the bead, thereby retaining the biotin-bound amplicon within the bead. In contrast, a biotin-bound amplicon that is too large will not pass through the polymer bead, and no amplicons will be retained within the bead. Likewise, a polymer bead containing streptavidin conjugated to amplicon-bound biotin can be prepared and reagents can be passed through to perform a reaction such as PCR (FIG. 11B). Fragments of sufficient size diffuse out of the polymer bead, while fragments that are too large do not diffuse through the polymer bead and are retained within the bead.

Получение библиотек нуклеиновых кислот с использованием полимерных гранулPreparation of Nucleic Acid Libraries Using Polymer Beads

[0079] Некоторые варианты осуществления систем, способов и композиций, предложенных в настоящем документе, включают в себя способы, в которых адаптеры лигированы с целевыми нуклеиновыми кислотами. Адаптеры могут включать в себя сайты связывания праймеров для секвенирования, сайты связывания праймеров для амплификации и индексы. Например, адаптер может включать себя последовательность Р5, последовательность Р7 или их комплемент. В настоящем документе последовательность Р5 содержит последовательность, определенную как SEQ ID NO: 1 (AATGATACGGCGACCACCGA), а последовательность Р7 содержит последовательность, определенную как SEQ ID NO: 2 (CAAGCAGAAGACGGCATACGA). В некоторых вариантах осуществления последовательность Р5 или Р7 может дополнительно включать в себя полинуклеотидный спейсер, который может иметь длину от 1 до 20, например от 1 до 15 или от 1 до 10 нуклеотидов, например 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 нуклеотидов. В некоторых вариантах осуществления спейсер включает в себя 10 нуклеотидов. В некоторых вариантах осуществления спейсер представляет собой поли-Т спейсер, например 10Т спейсер. Нуклеотиды спейсера могут быть введены на 5'-концах полинуклеотидов, которые могут быть фиксированы на подходящей подложке через связь с 5'-концом полинуклеотида. Соединение может быть достигнуто за счет серосодержащего нуклеофила, такого как фосфоротиоат, на 5'-конце полинуклеотида. В некоторых вариантах осуществления полинуклеотид будет включать в себя поли-Т спейсер и 5'-фосфоротиоатную группу. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления последовательность Р5 представляет собой 5'-фосфоротиоат-ТТТТТТТТТТААТОАТАСООСОАССАССОА-3' (SEQ ID NO: 3), и в некоторых вариантах осуществления последовательность Р7 представляет собой 5'-фосфоротиоат-ТТТТТТТТТТСААОСАОААОАСООСАТАСОА-3' (SEQ ID NO: 4)-[0079] Some embodiments of the systems, methods and compositions provided herein include methods in which adapters are ligated to target nucleic acids. Adapters may include sequencing primer binding sites, amplification primer binding sites, and indices. For example, the adapter may include a P5 sequence, a P7 sequence, or a complement thereof. Herein, the P5 sequence contains the sequence identified by SEQ ID NO: 1 (AATGATACGGCGACCACCGA), and the P7 sequence contains the sequence identified by SEQ ID NO: 2 (CAAGCAGAAGACGGCATACGA). In some embodiments, the P5 or P7 sequence may further include a polynucleotide spacer, which may be 1 to 20 nucleotides in length, such as 1 to 15, or 1 to 10 nucleotides, such as 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 nucleotides. In some embodiments, the spacer includes 10 nucleotides. In some embodiments, the spacer is a poly-T spacer, such as a 10T spacer. Spacer nucleotides can be introduced at the 5' ends of polynucleotides, which can be fixed to a suitable support through linkage to the 5' end of the polynucleotide. The coupling may be achieved by a sulfur-containing nucleophile, such as phosphorothioate, at the 5' end of the polynucleotide. In some embodiments, the polynucleotide will include a poly-T spacer and a 5'-phosphorothioate group. Thus, in some embodiments, the P5 sequence is 5'-phosphorothioate-TTTTTTTTTTTTAATATACOOCOASSASSOA-3' (SEQ ID NO: 3), and in some embodiments, the P7 sequence is 5'-phosphorothioate-TTTTTTTTTTTTTTCAAOCAOAAACOOCATACOA-3' (SEQ ID NO : 4)-

[0080] Индексы можно использовать для идентификации источника молекулы нуклеиновой кислоты. В некоторых вариантах осуществления адаптер может быть модифицирован во избежание образования конкатемеров, например, за счет введения блокирующих групп, которые препятствуют удлинению адаптера, на одном или обоих концах. К примерам 3'-блокирующих групп относятся 3'-спейсер СЗ, а дидеоксинуклеотид и закрепление на подложке. К примерам 5'-блокирующих групп относятся дефосфорилированный 5'-нуклеотид и закрепление на подложке.[0080] Indexes can be used to identify the source of a nucleic acid molecule. In some embodiments, the adapter may be modified to avoid the formation of concatemers, for example, by introducing blocking groups that prevent elongation of the adapter at one or both ends. Examples of 3' blocking groups include the 3' spacer C3 and the dideoxynucleotide and support anchorage. Examples of 5' blocking groups include dephosphorylated 5' nucleotide and anchorage to a support.

[0081] Адаптеры включают в себя нуклеиновые кислоты, такие как одноцепочечные нуклеиновые кислоты. Адаптеры могут включать в себя короткие нуклеиновые кислоты, имеющие длину менее, более или равную около 5 нуклеотидов, 10 нуклеотидов, 20 нуклеотидов, 30 нуклеотидов, 40 нуклеотидов, 50 нуклеотидов, 60 нуклеотидов, 70 нуклеотидов, 80 нуклеотидов, 90 нуклеотидов, 100 нуклеотидов или находящуюся в диапазоне между любыми двумя из вышеуказанных размеров. В некоторых вариантах осуществления адаптеры имеют достаточный размер, чтобы проходить через поры полимерных гранул. К целевым нуклеиновым кислотам относятся ДНК, например геномная или кДНК; РНК, например мРНК, сРНК или рРНК; или гибрид ДНК и РНК. Нуклеиновая кислота может быть выделена из одиночной клетки, инкапсулированной внутри полимерной гранулы. Нуклеиновая кислота может содержать фосфодиэфирные связи и может иметь другие типы каркасов, включая, например, фосфорамидные, фосфоротиоатные, фосфородитиоатные, О-метилфосфорамидитные и пептидные каркасы и связи нуклеиновых кислот. Нуклеиновая кислота может содержать любую комбинацию дезоксирибо- и рибонуклеотидов и любую комбинацию оснований, включая урацил, аденин, тимин, цитозин, гуанин, инозин, ксантин, гипоксантин, изоцитозин, изогуанин и аналоги оснований, такие как нитропиррол (включая 3-нитропиррол) и нитроиндол (включая 5-нитроиндол). В некоторых вариантах осуществления нуклеиновая кислота может включать в себя по меньшей мере одно универсальное основание. Универсальное основание может спариваться с основаниями более чем одного другого типа оснований и может использоваться, например, при включении в олигонуклеотидные праймеры или вставки, которые используют для случайной гибридизации в образцах сложных нуклеиновых кислот, таких как образцы геномной ДНК. Примером универсального основания является инозин, который может спариваться с аденином, тимином или цитозином. К другим примерам относятся гипоксантин, 5-нитроиндол, ациклический 5-нитроиндол, 4-нитропиразол, 4-нитроимидазол и 3-нитропиррол. Можно использовать универсальные основания, которые могут спариваться с основаниями по меньшей мере двух, трех, четырех или более типов.[0081] Adapters include nucleic acids, such as single-stranded nucleic acids. Adapters may include short nucleic acids having a length of less than, greater than, or equal to about 5 nucleotides, 10 nucleotides, 20 nucleotides, 30 nucleotides, 40 nucleotides, 50 nucleotides, 60 nucleotides, 70 nucleotides, 80 nucleotides, 90 nucleotides, 100 nucleotides, or located in the range between any two of the above dimensions. In some embodiments, the adapters are large enough to fit through the pores of the polymer beads. Target nucleic acids include DNA, such as genomic or cDNA; RNA, such as mRNA, sRNA or rRNA; or a hybrid of DNA and RNA. Nucleic acid can be isolated from a single cell encapsulated within a polymer bead. The nucleic acid may contain phosphodiester linkages and may have other types of backbones, including, for example, phosphoramide, phosphorothioate, phosphorodithioate, O-methylphosphoramidite and peptide backbones and nucleic acid linkages. The nucleic acid may contain any combination of deoxyribo- and ribonucleotides and any combination of bases, including uracil, adenine, thymine, cytosine, guanine, inosine, xanthine, hypoxanthine, isocytosine, isoguanine, and base analogues such as nitropyrrole (including 3-nitropyrrole) and nitroindole (including 5-nitroindole). In some embodiments, the nucleic acid may include at least one universal base. A universal base can base pair with more than one other type of base and can be used, for example, when included in oligonucleotide primers or inserts that are used for random hybridization in complex nucleic acid samples, such as genomic DNA samples. An example of a universal base is inosine, which can pair with adenine, thymine, or cytosine. Other examples include hypoxanthine, 5-nitroindole, acyclic 5-nitroindole, 4-nitropyrazole, 4-nitroimidazole, and 3-nitropyrrole. Universal bases can be used that can be paired with at least two, three, four or more types of bases.

[0082] Пример данного способа включает дефосфорилирование 5'- концов целевых нуклеиновых кислот во избежание образования конкатемеров на последующих стадиях лигирования; лигирование первых адаптеров к 3'-концам дефосфорилированных целевых молекул с помощью лигазы, причем 3'-концы первых адаптеров блокированы; повторное фосфорилирование 5'-концов лигированных целевых молекул; лигирование второго адаптера к 5'-концам дефосфорилированных целевых молекул с использованием одноцепочечной лигазы, причем 5'-концы вторых адаптеров не фосфорилированы.[0082] An example of this method includes dephosphorylation of the 5' ends of target nucleic acids to avoid the formation of concatemers in subsequent ligation steps; ligating the first adapters to the 3' ends of the dephosphorylated target molecules using a ligase, the 3' ends of the first adapters being blocked; re-phosphorylation of the 5' ends of the ligated target molecules; ligating a second adapter to the 5' ends of dephosphorylated target molecules using a single-strand ligase, wherein the 5' ends of the second adapters are not phosphorylated.

[0083] Другой пример включает частичное расщепление нуклеиновой кислоты 5'-экзонуклеазой с образованием двухцепочечной нуклеиновой кислоты с одноцепочечными 3'-липкими концами. Адаптер, содержащий блокирующую 3'-группу, может быть лигирован с 3'-концами двухцепочечной нуклеиновой кислоты с 3'-липкими концами. Двухцепочечная нуклеиновая кислота с 3'-липкими концами с лигированными адаптерами может быть дегибридизирована с образованием одноцепочечных нуклеиновых кислот. Адаптер, содержащий нефосфорилированный 5'-конец, может быть лигирован с 5'-концом одноцепочечной нуклеиновой кислоты.[0083] Another example involves partial cleavage of a nucleic acid by a 5' exonuclease to produce a double-stranded nucleic acid with single-stranded 3' overhangs. An adapter containing a 3' blocking group can be ligated to the 3' ends of a double-stranded nucleic acid with 3' overhangs. Double-stranded nucleic acid with 3'-overhangs with ligated adapters can be dehybridized to form single-stranded nucleic acids. An adapter containing a non-phosphorylated 5' end can be ligated to the 5' end of a single-stranded nucleic acid.

[0084] Способы дефосфорилирования нуклеиновых кислот, например 5'-нуклеотида нуклеиновой кислоты, включают приведение нуклеиновой кислоты в контакт с фосфатазой. К примерам фосфатаз относятся фосфатаза кишечника теленка, щелочная фосфатаза креветки, антарктическая фосфатаза и щелочная фосфатаза APEX (Epicentre).[0084] Methods for dephosphorylation of nucleic acids, such as the 5' nucleotide of a nucleic acid, involve contacting the nucleic acid with a phosphatase. Examples of phosphatases include calf intestinal phosphatase, shrimp alkaline phosphatase, Antarctic phosphatase and APEX alkaline phosphatase (Epicentre).

[0085] Способы лигирования нуклеиновых кислот включают приведение нуклеиновых кислот в контакт с лигазой. К примерам лигаз относятся Т4 РНК-лигаза 1, Т4 RPHK-лигаза 2, RtcB-лигаза, метанобактериальная РНК-лигаза и TS2126 РНК-лигаза (CIRCLIGASE).[0085] Methods for ligating nucleic acids include bringing the nucleic acids into contact with a ligase. Examples of ligases include T4 RNA ligase 1, T4 RPHK ligase 2, RtcB ligase, methanobacterial RNA ligase, and TS2126 RNA ligase (CIRCLIGASE).

[0086] Способы фосфорилирования нуклеиновых кислот, например 5'-нуклеотида нуклеиновой кислоты, включают приведение нуклеиновой кислоты в контакт с киназой. К примерам киназ относится Т4 полинуклеотидкиназа.[0086] Methods for phosphorylating nucleic acids, such as the 5' nucleotide of a nucleic acid, involve contacting the nucleic acid with a kinase. Examples of kinases include T4 polynucleotide kinase.

[0087] Варианты осуществления, приведенные в настоящем документе, относятся к получению библиотек нуклеиновых кислот внутри полимерной гранулы, таким образом, чтобы библиотека нуклеиновых кислот получалась в одиночном реакционном объеме.[0087] Embodiments provided herein relate to the production of nucleic acid libraries within a polymer bead such that the nucleic acid library is produced in a single reaction volume.

[0088] Варианты осуществления систем и способов, предложенных в настоящем документе, включают в себя наборы, содержащие любой один или более гидрогелевых полимеров, поперечносшивающих агентов или микрожидкостных устройств для получения полимерных гранул, которые инкапсулируют биомолекулы, и дополнительно включают в себя компоненты, подходящие для обработки биомолекул или полученных из них молекул, в том числе реагенты для лизиса клеток и амплификации и секвенирования нуклеиновых кислот или для получения библиотеки нуклеиновых кислот, в том числе лизоцим, протеиназу К, статистические гексамеры, полимеразу (например, Ф29 ДНК-полимеразу, Taq-полимеразу, Bsu-полимеразу), транспозазу (например, Tn5), праймеры (например, адапторные последовательности Р5 и Р7), лигазу, катализирующие ферменты, дезоксинуклеотидтрифосфаты, буферные растворы или двухвалентные катионы, как описано в настоящем документе, и которые используют при соответствующей обработке биомолекул или полученных из них молекул.[0088] Embodiments of the systems and methods provided herein include kits containing any one or more hydrogel polymers, cross-linkers, or microfluidic devices to produce polymer beads that encapsulate biomolecules, and further include components suitable for processing of biomolecules or molecules derived from them, including reagents for cell lysis and amplification and sequencing of nucleic acids or for obtaining a library of nucleic acids, including lysozyme, proteinase K, random hexamers, polymerase (for example, F29 DNA polymerase, Taq- polymerase, Bsu polymerase), transposase (eg, Tn5), primers (eg, P5 and P7 adapter sequences), ligase, catalyzing enzymes, deoxynucleotide triphosphates, buffer solutions or divalent cations as described herein and which are used in appropriate processing biomolecules or molecules derived from them.

[0089] Как показано на ФИГ. 12, получают полимерную гранулу, инкапсулирующую клетку. Полимерные гранулы подвергают воздействию реагентов для лизиса и тагментации клеток. Обработка полимерной гранулы детергентом, таким как SDS, приводит к фрагментации, и малые молекулы могут диффундировать из полимерной гранулы. В некоторых вариантах осуществления способность удерживать клеточные биомолекулы может быть ограничена минимальным пороговым значением, вне которого двусторонний доступ ферментов в клетки будет исключаться.[0089] As shown in FIG. 12, a polymer granule encapsulating the cell is obtained. Polymer granules are exposed to reagents for cell lysis and tagmentation. Treatment of a polymer bead with a detergent such as SDS results in fragmentation and small molecules can diffuse out of the polymer bead. In some embodiments, the ability to retain cellular biomolecules may be limited to a minimum threshold beyond which two-way access of enzymes into cells will be prevented.

[0090] В качестве альтернативы в некоторых вариантах осуществления способы получения библиотеки применяют для увеличения физического размера геномных молекул, чтобы они удерживались внутри полимерных гранул, что превышает пороговое значение. Таким образом, как показано на ФИГ. 12, в процессе получения библиотеки гДНК меченые фрагменты гДНК удерживаются вместе за счет Tn5-связывания, что препятствует диффузии за пределы полимерных гранул. При этом после обработки SDS Tn5 высвобождается, и полученные фрагменты библиотеки могут диффундировать за пределы гранул, если их размер слишком мал. Во избежание этого для тагментации можно использовать фермент Tn5 с липкими транспозоновыми концами. Химические превращения можно проводить для липких 5'- или 3'-концов транспозона, чтобы увеличить размер элементов библиотеки или обеспечить связывание с гранулами или другими биомолекулами. Для увеличения физического размера фрагментов библиотеки можно использовать различные конфигурации и модификации транспозонов.[0090] Alternatively, in some embodiments, library production methods are used to increase the physical size of genomic molecules so that they are retained within polymer beads beyond a threshold. Thus, as shown in FIG. 12, during the preparation of a gDNA library, labeled gDNA fragments are held together by Tn5 binding, which prevents diffusion outside the polymer beads. However, after treatment with SDS, Tn5 is released, and the resulting library fragments can diffuse outside the beads if their size is too small. To avoid this, the Tn5 enzyme with sticky transposon ends can be used for tagmentation. Chemical transformations can be performed on the sticky 5' or 3' ends of the transposon to increase the size of library elements or to enable binding to beads or other biomolecules. Various configurations and modifications of transposons can be used to increase the physical size of library fragments.

[0091] Например, для тагментации ДНК можно использовать транспозон с 3'-липким концом. 3'-липкий конец может служить субстратом для ферментов. Терминальную трансферазу (TdT) можно использовать для добавления определенного числа оснований независимым от матрицы образом. Например, TdT можно использовать для добавления к транспозону 100 300 оснований. Если удлинения транспозона с помощью TdT недостаточно, полученный удлиненный транспозон можно гибридизовать с олигосвязанными гранулами, находящимися в полимерных гранулах, комплементарным ампликоном или клеточной мРНК с поли-А концевым остатком. После гибридизации с олигонуклеотидом можно проводить реакцию удлинения. Например, при отжиге плазмиды оцДНК можно провести реакцию амплификации по типу катящегося кольца (RCA) для увеличения размера концов транспозона. В альтернативном варианте осуществления гибридизированные олигонуклеотиды можно лигировать с концами транспозона. Последовательное лигирование ампликонов, например при сборке циклического лигирования (CLA), можно проводить для сборки длинных фрагментов ДНК из более мелких фрагментов, способных диффундировать в полимерные гранулы.[0091] For example, a transposon with a 3' overhang can be used to tag DNA. The 3' overhanging end can serve as a substrate for enzymes. Terminal transferase (TdT) can be used to add a specific number of bases in a template-independent manner. For example, TdT can be used to add 100,300 bases to a transposon. If transposon extension with TdT is not sufficient, the resulting extended transposon can be hybridized to oligolinked beads found in polymer beads, a complementary amplicon, or a poly-A-terminal cellular mRNA. After hybridization with the oligonucleotide, an extension reaction can be performed. For example, when annealing a ssDNA plasmid, a rolling circle amplification (RCA) reaction can be performed to increase the size of the ends of the transposon. In an alternative embodiment, the hybridized oligonucleotides can be ligated to the ends of the transposon. Sequential ligation of amplicons, such as cyclic ligation assembly (CLA), can be performed to assemble long DNA fragments from smaller fragments that can diffuse into polymer beads.

[0092] Добавление модифицированных оснований к транспозонам также можно использовать в качестве целевых молекул для связывания дополнительных молекул. Модифицированные основания могут содержаться в транспозоне до тагментации или могут добавляться в ходе ферментативной реакции после тагментации. Например, TdT можно использовать для добавления модифицированного основного дигоксигенин-11-UTP, который впоследствии может быть связан анти-DIG антителом. К другим модификациям относятся биотин и 5mC, которые могут связываться со стрептавидином и 5mC антителами соответственно.[0092] The addition of modified bases to transposons can also be used as targeting molecules to bind additional molecules. The modified bases may be contained in the transposon prior to tagmentation or may be added during an enzymatic reaction after tagmentation. For example, TdT can be used to add a modified core digoxigenin-11-UTP, which can subsequently be bound by an anti-DIG antibody. Other modifications include biotin and 5mC, which can bind to streptavidin and 5mC antibodies, respectively.

[0093] В некоторых вариантах осуществления одновременное индексирование фрагментов гДНК и кДНК, полученных из одной и той же полимерной гранулы, и дополнительную амплификацию элементов библиотеки можно проводить посредством амплификации по типу катящегося кольца.[0093] In some embodiments, simultaneous indexing of gDNA and cDNA fragments derived from the same polymer bead and further amplification of library elements can be accomplished through rolling ring amplification.

ПРИМЕРЫEXAMPLES

Пример 1. Получение полимерных гранулExample 1. Preparation of polymer granules

[0094] В приведенном ниже примере представлен вариант осуществления для получения полимерных гранул, инкапсулирующих фрагменты длинной ДНК с использованием устройств для формирования микрожидкостных капель.[0094] The example below presents an embodiment for producing polymer beads encapsulating long DNA fragments using microfluidic droplet forming devices.

[0095] Устройство для формирования капель использовали для получения полимерных гранул. Образцы, содержащие фрагменты длинной ДНК, смешивали с предшественником полимера и смесь загружали в резервуар для образцов в картридже. В течение 2 минут из каждого канала формировали около 50 000 полимерных гранул, содержащих длинную ДНК (8 каналов для 8 независимых обработок образца в каждом картридже). Полимерные гранулы с длинной ДНК загружали в проточную кювету, где полимерные гранулы закреплялись внутри (канал высотой 100 мкм и диаметр полимерных гранул 120 мкм) для автоматического формирования библиотеки. Ферменты и реагенты, включая ферменты и реагенты для получения библиотеки нуклеиновых кислот, вводили в проточную кювету, обеспечивали контакт с длинной ДНК, заключенной внутри полимерной гранулы, и расщепляли длинные молекулы ДНК посредством тагментации, чтобы получить библиотеку ДНК. Затем проводили посев библиотеки на поверхность проточной кюветы из гранул. В процессе посева библиотеки загружали масло для заполнения пустот между гранулами и проточную кювету нагревали для ускорения диффузии библиотеки на поверхность проточной кюветы. В присутствии масла посев каждой меченой библиотеки проходил в непосредственной близости от места расположения каждой полимерной гранулы (исходя из диаметра полимерных гранул 120 мкм, посев библиотеки ограничен областью с диаметром около 120 мкм).[0095] A droplet forming apparatus was used to produce polymer granules. Samples containing long DNA fragments were mixed with the polymer precursor and the mixture was loaded into the sample reservoir in the cartridge. Within 2 minutes, approximately 50,000 polymer beads containing long DNA were formed from each channel (8 channels for 8 independent sample treatments in each cartridge). Polymer beads with long DNA were loaded into a flow cell, where the polymer beads were fixed inside (a channel height of 100 μm and a diameter of polymer beads of 120 μm) for automatic library generation. Enzymes and reagents, including enzymes and reagents for preparing a nucleic acid library, were introduced into a flow cell, contacted with long DNA contained within a polymer bead, and digested long DNA molecules through tagmentation to obtain a DNA library. The library was then seeded onto the surface of a bead flow cell. During the seeding process, the libraries were loaded with oil to fill the voids between the beads, and the flow cell was heated to accelerate the diffusion of the library onto the surface of the flow cell. In the presence of oil, seeding of each labeled library occurred in close proximity to the location of each polymer bead (based on the diameter of the polymer beads being 120 μm, seeding of the library was limited to an area with a diameter of approximately 120 μm).

[0096] В настоящем примере показано, что молекулы длинной ДНК могут загружаться и захватываться полимерными гранулами (диаметром около 120 мкм), и получение библиотеки проводят на таких молекулах длинной ДНК, заключенных внутри полимерных гранул. В результате все библиотеки ДНК из конкретной молекулы длинной ДНК хранили внутри одних и тех же полимерных гранул. Затем библиотеку высвобождали из полимерных гранул с нанесением на поверхность проточной кюветы, чтобы высеять их в виде группы на поверхности проточной кюветы. Кластеры, высвобождаемые из молекулы длинной ДНК, группировали вместе в виде «кластерного пятна» на проточной кювете. Кластеры внутри одного пятна из одиночной молекулы длинной ДНК упрощают реконструкцию генома с более высокой точностью и меньшим количеством каркасных гэпов.[0096] The present example shows that long DNA molecules can be loaded and captured by polymer beads (about 120 μm in diameter), and library production is carried out on such long DNA molecules contained within polymer beads. As a result, all DNA libraries from a particular long DNA molecule were stored inside the same polymer beads. The library was then released from the polymer beads onto the surface of the flow cell to seed them as a group on the surface of the flow cell. The clusters released from the long DNA molecule were grouped together as a “cluster spot” on the flow cell. Clusters within a single spot of a single long DNA molecule facilitate genome reconstruction with higher accuracy and fewer scaffold gaps.

Пример 2. Пространственное индексирование длинной ДНКExample 2: Spatial indexing of long DNA

[0097] В приведенном ниже примере представлен вариант осуществления стробированных чтений фрагмента длинной ДНК длиной 100 т.п.н., инкапсулированного внутри полимерной гранулы с MDA или без нее.[0097] The example below presents an embodiment of gated reads of a 100 kb long DNA fragment encapsulated within a polymer bead with or without MDA.

[0098] Полимерные гранулы получали смешиванием полимера в присутствии геномной ДНК (Cornell) из около 100 т.п.н. с формированием полимерных гранул с помощью устройства для образования микрокапель. Проводили секвенирование ДНК с пространственным индексированием, помещая сформированные полимерные гранулы, инкапсулирующие фрагменты ДНК, в устройство проточной кюветы с последующим приведением проточной кюветы в контакт с реагентами. MDA не проводили. Гранулы разрушались, и в устройстве проточной кюветы формировались кластеры. Как показано на ФИГ. 5, средние кластеры на каждый островок длинной ДНК составляли около 33, средний размер островка длинной ДНК составлял 64 000 пар нуклеотидов, и на гранулу приходилось около 405 островков длинной ДНК.[0098] Polymer beads were prepared by mixing polymer in the presence of about 100 kb of genomic DNA (Cornell). with the formation of polymer granules using a device for the formation of microdrops. Spatial indexing DNA sequencing was performed by placing formed polymer beads encapsulating DNA fragments into a flow cell device and then bringing the flow cell into contact with the reagents. MDA was not performed. The granules were destroyed and clusters formed in the flow cell device. As shown in FIG. 5, the average clusters per long DNA island were about 33, the average long DNA island size was 64,000 bp, and there were about 405 long DNA islands per bead.

[0099] Второй набор полимерных гранул получали смешиванием полимера в присутствии геномной ДНК (Cornell) из около 100 т.п.н. с формированием полимерных гранул с помощью устройства для образования микрокапель. Проводили секвенирование ДНК с пространственным индексированием, помещая сформированные полимерные гранулы, инкапсулирующие фрагменты ДНК, в устройство проточной кюветы с последующим приведением проточной кюветы в контакт с реагентами. Перед тагментацией проводили MDA. Гранулы разрушались, и в устройстве проточной кюветы формировались кластеры. Как показано на ФИГ. 6, средние кластеры на каждый островок длинной ДНК увеличивались около до 85, средний размер островка длинной ДНК составлял 58 000 пар нуклеотидов, и на гранулу приходилось около 166 островков длинной ДНК.[0099] A second set of polymer beads was prepared by mixing the polymer in the presence of about 100 kb of genomic DNA (Cornell). with the formation of polymer granules using a device for the formation of microdrops. Spatial indexing DNA sequencing was performed by placing formed polymer beads encapsulating DNA fragments into a flow cell device and then bringing the flow cell into contact with the reagents. MDA was performed before tagmentation. The granules were destroyed and clusters formed in the flow cell device. As shown in FIG. 6, the average clusters per long DNA island increased to about 85, the average long DNA island size was 58,000 bp, and there were about 166 long DNA islands per granule.

[0100] Третий набор полимерных гранул получали смешиванием полимера в присутствии геномной ДНК (Cornell) из около 10 т.п.н. с формированием полимерных гранул с помощью устройства для образования микрокапель. Проводили секвенирование ДНК с пространственным индексированием, помещая сформированные полимерные гранулы, инкапсулирующие фрагменты ДНК, в устройство проточной кюветы с последующим приведением проточной кюветы в контакт с реагентами. Перед тагментацией проводили MDA. Гранулы разрушались, и в устройстве проточной кюветы формировались кластеры. Как показано на ФИГ. 7, средние кластеры на каждый островок длинной ДНК составляли около 57, средний размер островка длинной ДНК составлял 10 461 пар нуклеотидов, и на гранулу приходилось около 85 островков длинной ДНК.[0100] A third set of polymer beads was prepared by mixing the polymer in the presence of about 10 kb of genomic DNA (Cornell). with the formation of polymer granules using a device for the formation of microdrops. Spatial indexing DNA sequencing was performed by placing formed polymer beads encapsulating DNA fragments into a flow cell device and then bringing the flow cell into contact with the reagents. MDA was performed before tagmentation. The granules were destroyed and clusters formed in the flow cell device. As shown in FIG. 7, the average clusters per long DNA island were about 57, the average long DNA island size was 10,461 bp, and there were about 85 long DNA islands per bead.

Пример 3. Метагеномика сложной смеси видов микроорганизмовExample 3: Metagenomics of a Complex Mixture of Microbial Species

[0101] В следующем примере представлен вариант осуществления идентификации одноклеточных микроорганизмов, инкапсулированных в гидрогель.[0101] The following example presents an embodiment for identifying single-celled microorganisms encapsulated in a hydrogel.

[0102] Полимерные гранулы получали, как описано в настоящем документе, с использованием устройства для формирования микрожидкостных микрокапель. Полимерный материал смешивали с образцом, содержащим ряд микроорганизмов, включая L. gasseri, S. aureus, В. cereus, В. vulgatus, A. baumannii, S. agalactiae и P. acnes. Затем инкапсулированные клетки лизировали и проводили получение библиотеки, после чего полимерные гранулы разрушали и библиотеки наносили на поверхность. Как показано на ФИГ. 9, каждый микроорганизм можно было идентифицировать благодаря его пространственной компартментализации в устройстве проточной кюветы. Таким образом, инкапсулирование и последующие реакции нуклеиновых кислот обеспечивают идентификацию видов микроорганизмов на уровне штамма в сложных смесях по результатам чтений компартментализации в миниметагеномном анализе.[0102] Polymer beads were prepared as described herein using a microfluidic microdroplet forming apparatus. The polymer material was mixed with a sample containing a number of microorganisms, including L. gasseri, S. aureus, B. cereus, B. vulgatus, A. baumannii, S. agalactiae and P. acnes. The encapsulated cells were then lysed and the library was prepared, after which the polymer beads were destroyed and the libraries were applied to the surface. As shown in FIG. 9, each microorganism could be identified due to its spatial compartmentalization in the flow cell arrangement. Thus, encapsulation and subsequent nucleic acid reactions provide strain-level identification of microbial species in complex mixtures from compartmentalization reads in minimetagenomic analysis.

Пример 4. Пространственное индексирование в проточной кюветеExample 4: Spatial Indexing in a Flow Cell

[0103] В следующем примере представлен вариант осуществления пространственного индексирования в проточной кювете.[0103] The following example presents an embodiment of spatial indexing in a flow cell.

[0104] Устройство проточной кюветы устанавливали и промывали 200 мкл PR2 (буфер включения). Гранулы для обработки также промывали PR2. Разбавленный гидрогель получали в PR2. Нарастающее разбавление приводит к увеличению расстояния между гидрогелями. Гидрогель вносили в проточную кювету, избегая внесения пузырьков воздуха в проточную кювету. Через проточную кювету пропускали 200 мкл PR2, чтобы убедиться, что гранулы по-прежнему фиксированы для участия в процессе. Через проточную кювету пропускали 100 мкл ресуспендирующего буфера (RSB).[0104] The flow cell device was installed and washed with 200 μl of PR2 (inclusion buffer). Treatment beads were also washed with PR2. The diluted hydrogel was prepared in PR2. Increasing dilution leads to an increase in the distance between hydrogels. The hydrogel was introduced into the flow cell, avoiding introducing air bubbles into the flow cell. 200 μL of PR2 was passed through the flow cell to ensure that the beads were still fixed to participate in the process. 100 μl of resuspension buffer (RSB) was passed through the flow cell.

[0105] Смесь для тагментации получали смешением 25 мкл реагента тагментации, 23 мкл RSB и 2 мкл фермента. Смесь для тагментации вводили в узкий канал для удаления любых возможных пузырьков воздуха на входе. Затем смесь для тагментации медленно подавали на вход. Проточную кювету герметизировали и инкубировали в течение 10 мин при температуре 55°С.[0105] The tagmentation mixture was prepared by mixing 25 μl of tagmentation reagent, 23 μl of RSB and 2 μl of enzyme. The tagmentation mixture was injected into a narrow channel to remove any possible air bubbles at the inlet. Then the tagmentation mixture was slowly fed to the inlet. The flow cell was sealed and incubated for 10 min at 55°C.

[0106] Смесь останавливающего буфера готовили смешиванием 25 мкл буфера тагментации, 25 мкл RSB и 10 мкл останавливающего буфера. Смесь останавливающего буфера медленно подавали в проточную кювету без внесения пузырьков и инкубировали при комнатной температуре в течение 5 минут. После инкубирования через устройство пропускали 200 мкл PR2.[0106] The stopping buffer mixture was prepared by mixing 25 μl of tagmentation buffer, 25 μl of RSB and 10 μl of stopping buffer. The stopping buffer mixture was slowly introduced into the flow cell without introducing bubbles and incubated at room temperature for 5 minutes. After incubation, 200 μl of PR2 was passed through the device.

[0107] NPM получали смешиванием 175 мкл RSB и 75 мкл NPM. Смесь NPM медленно подавали в устройство проточной кюветы без внесения пузырьков воздуха и инкубировали в течение 3 минут при комнатной температуре. Через устройство проточной кюветы подавали 200 мкл масла с поверхностно-активным веществом. По микрофотографиям видно, что гидрогели были окружены смесью NPM и масла. Проточную кювету герметизировали и инкубировали в течение 3 мин при температуре 72°С, чтобы провести реакцию заполнения гэпов.[0107] NPM was prepared by mixing 175 μl of RSB and 75 μl of NPM. The NPM mixture was slowly introduced into the flow cell device without introducing air bubbles and incubated for 3 minutes at room temperature. 200 μL of surfactant oil was fed through the flow cell device. The micrographs show that the hydrogels were surrounded by a mixture of NPM and oil. The flow cell was sealed and incubated for 3 min at 72°C to perform the gap filling reaction.

[0108] В устройство проточной кюветы вводили 20 30 мкл масла с поверхностно-активным веществом и масла с дитиотреитолом (DTT) (соотношение 29/2) и устройство герметизировали. Начальная температура процесса высвобождения составляла 90°С в течение 3 мин, 60°С в течение 5 мин, 40°С в течение 2 мин и 20°С в течение 2 мин. Проточную кювету промывали 400 мкл PR2 и 200 мкл CLM (смесь для расщепления). Проточную кювету затем промывали 400 мкл PR2. При необходимости проведения посева с Phix готовили раствор Phix с концентрацией 2-3 пМ, библиотеку Phix подавали в устройство и инкубировали при комнатной температуре в течение 5 мин. Проточную кювету промывали 200 мкл PR2. Для первого удлинения подавали 100-200 мкл АМХ и инкубировали в течение 5 мин при 50°С. Проточную кювету промывали PR2 и проводили 24 или 30 циклов амплификации.[0108] 20-30 μL of surfactant oil and dithiothreitol (DTT) oil (29/2 ratio) were injected into the flow cell device and the device was sealed. The initial temperature of the release process was 90°C for 3 min, 60°C for 5 min, 40°C for 2 min, and 20°C for 2 min. The flow cell was washed with 400 μL PR2 and 200 μL CLM (digestion mixture). The flow cell was then washed with 400 μL PR2. If it was necessary to inoculate with Phix, a Phix solution with a concentration of 2-3 pM was prepared, the Phix library was fed into the device and incubated at room temperature for 5 minutes. The flow cell was washed with 200 μL PR2. For the first extension, 100–200 μl of AMX was supplied and incubated for 5 min at 50°C. The flow cell was washed with PR2 and 24 or 30 amplification cycles were performed.

Пример 5. Одновременное индексирование фрагментов гДНК и кДНКExample 5: Simultaneous indexing of gDNA and cDNA fragments

[0109] В следующем примере представлен вариант осуществления одновременного индексирования фрагментов гДНК и кДНК из одной и той же полимерной гранулы.[0109] The following example presents an embodiment for simultaneously indexing gDNA and cDNA fragments from the same polymer bead.

[0110] Полимерные гранулы получали в виде полых полимерных оболочек с инкапсулированной внутри клеткой. От около 25 до 50 полимерных гранул распределяли по лункам планшета для микротитрования и обрабатывали буфером для лизирования клеток, чтобы разрушить клеточную мембрану с последующей транспозицией гДНК с индексированной Y-адапторной транспозомой, образованной транспозонами, фосфорилированными на 5'-конце обеих цепочек. Вводили терминальную трансферазу (TdT) для добавления множества Т к 3'-концу, не участвующей в переносе цепочки, обеспечивая гибридизацию к хвосту поли-А мРНК.[0110] Polymer beads were prepared as hollow polymer shells with a cell encapsulated inside. About 25 to 50 polymer beads were distributed into the wells of a microtiter plate and treated with cell lysis buffer to disrupt the cell membrane, followed by transposition of gDNA with an indexed Y adapter transposome formed by transposons phosphorylated at the 5' end of both strands. Terminal transferase (TdT) was introduced to add multiple Ts to the 3' end not involved in strand transfer, allowing hybridization to the poly-A tail of the mRNA.

[0111] Гэп между гДНК и не участвующей в переносе цепочкой формировали в ходе реакции заполнения и лигирования, а синтез кДНК осуществляли с помощью обратной транскриптазы вируса мышиного лейкоза (MMLV RT). MMLV RT также добавляла несколько дополнительных оснований dCMP к 3'-концу молекулы кДНК, основания которой спаривались с последовательностью олиго-G на 3'-конце праймера переключения матрицы (TSP). TSP удлиняли после отжига и его последовательность переносили на 3'-конец вновь синтезированной кДНК в реакции переключения матрицы. Образованный гибридный гДНК-кДНК содержал три разные общие последовательности, разделяющие части гДНК и кДНК гибридной молекулы, по одной на каждом конце и по одной в середине цепи. Такие общие последовательности использовали для получения библиотек как гДНК, так и кДНК.[0111] The gap between the gDNA and the non-transfer strand was formed by a fill-and-ligation reaction, and cDNA synthesis was accomplished using murine leukemia virus reverse transcriptase (MMLV RT). MMLV RT also added a few additional dCMP bases to the 3′ end of the cDNA molecule, which was base-paired with an oligo-G sequence at the 3′ end of the template switch primer (TSP). The TSP was extended after annealing and its sequence was transferred to the 3' end of the newly synthesized cDNA in a template switch reaction. The resulting gDNA-cDNA hybrid contained three different common sequences separating the gDNA and cDNA portions of the hybrid molecule, one at each end and one in the middle of the strand. Such common sequences were used to generate both gDNA and cDNA libraries.

[0112] В побочной реакции наблюдали удлинение мРНК и переключение матрицы на 3'-конце транспозонов, но эти превращения не влияли на результат. После обработки РНКазой Н и коротких промывок содержимое полимерных гранул денатурировали нагреванием и проводили кольцевую реакцию лигирования. В ходе данной реакции все одноцепочечные молекулы ДНК с фосфорилированным 5'-концом самолигировались в кольца, превращающиеся в матрицы для амплификации по типу катящегося кольца (RCA). Кроме гибрида гДНК-кДНК, отдельные тагментированные ДНК, а также молекулы кДНК, полученные из мРНК после отжига для высвобождения плавающих транспосом, также лигировали по кольцу и амплифицировали в реакции RCA. Длинные конкатемеры содержат множество копий исходных молекул, которые повышали чувствительность анализа и удерживались внутри полимерной гранулы.[0112] In a side reaction, elongation of the mRNA and template switching at the 3' end of the transposons were observed, but these transformations did not affect the result. After treatment with RNase H and short washes, the contents of the polymer beads were denatured by heating and a ring ligation reaction was performed. In this reaction, all single-stranded DNA molecules with a phosphorylated 5' end self-ligated into rings that became templates for rolling circle amplification (RCA). In addition to the gDNA-cDNA hybrid, individual tagmented DNAs, as well as cDNA molecules derived from mRNA after annealing to release floating transposomes, were also ring ligated and amplified in an RCA reaction. The long concatemers contained multiple copies of the original molecules, which increased the sensitivity of the assay and were retained within the polymer bead.

[0113] дцДНК длиной приблизительно <1 т.п.н. может проходить через полимерные гранулы в случае полой полимерной гранулы 15% PEG-MAL. Коротко говоря, покрытые стрептавидином гранулы (приблизительно 10 мкм в диаметре) инкапсулировали внутри полимерных гранул. После этого биотинилированным ампликонам разного размера давали диффундировать внутрь полимерных гранул. Пороговое значение диффузии, определяющее отсечение по молекулярному размеру, определяли в изменяемом диапазоне размеров ампликона (например: 220 п.н. - 5000 п.н.), как показано на ФИГ. 13А-13В.[0113] dsDNA approximately <1 kb in length. can pass through polymer beads in case of 15% PEG-MAL hollow polymer bead. Briefly, streptavidin-coated beads (approximately 10 μm in diameter) were encapsulated within polymer beads. Biotinylated amplicons of different sizes were then allowed to diffuse into the polymer beads. The diffusion threshold defining the molecular size cutoff was determined over a variable range of amplicon sizes (eg: 220 bp - 5000 bp) as shown in FIG. 13A-13B.

[0114] Аналогичным образом, для проверки совместимости полимеразных цепных реакций и способности к удержанию геномных продуктов была разработана модель удерживания, в которой связанные с ампликоном полимерные гранулы (с помощью химической реакции конъюгации биотин - стрептавидин) вводили внутрь полимерных гранул. Линейная амплификация таких ампликонов переменного размера на гранулах не только позволила подтвердить совместимость полимерных гранул с ПЦР, но и определила возможность удерживания амплифицированных фрагментов ДНК длиной 200 п.н. и 5 т.п.н. Продукты с 200 п.н. могут диффундировать в окружающие полимерные гранулы, тогда как продукты с 5 т.п.н. удерживаются внутри полимерных гранул (ФИГ. 14).[0114] Similarly, to test the compatibility of polymerase chain reactions and the ability to retain genomic products, a retention model was developed in which amplicon-bound polymer beads (via biotin-streptavidin conjugation chemistry) were introduced inside the polymer beads. Linear amplification of such amplicons of variable size on beads not only made it possible to confirm the compatibility of polymer beads with PCR, but also determined the possibility of retaining amplified DNA fragments of 200 bp in length. and 5 kb. Products with 200 bp. can diffuse into the surrounding polymer beads, whereas the 5 kb products. are held inside polymer granules (FIG. 14).

[0115] Помимо биомолекулярных анализов, которые могут увеличивать размер продуктов для удерживания малых молекул, полимерные гранулы могут состоять из многослойных полимеров, которые могут обеспечивать контролируемую диффузию молекул в зависимости от заряда, рН, температуры или других факторов окружающей среды (ФИГ. 15). Примеры таких систем могут включать в себя такие материалы, как ионные и неионные полимеры, в том числе альгинат, полиэтиленгликоль, N-изопропилакриламид, N,N'-диметилакриламид или другой полимер, описанный в настоящем документе.[0115] In addition to biomolecular assays that can increase the size of small molecule retention products, polymer beads can be composed of multilayer polymers that can provide controlled diffusion of molecules depending on charge, pH, temperature, or other environmental factors (FIG. 15). Examples of such systems may include materials such as ionic and nonionic polymers, including alginate, polyethylene glycol, N-isopropylacrylamide, N,N'-dimethylacrylamide, or other polymer described herein.

Пример 6. Полимерные гранулы с разрушаемыми ядрамиExample 6. Polymer granules with destructible cores

[0116] В следующем примере представлен вариант осуществления для получения полимерных гранул с разрушаемым ядром.[0116] The following example presents an embodiment for producing polymer beads with a degradable core.

[0117] Получали ядро с разрушаемым полимером с образцом внутри (клетки или ДНК). Ядро включало в себя наполнитель, например ПЭГ или полиакриламид, который смешивали с образцом с формированием полимерных гранул, как показано на ФИГ. 16А. Гранулу конденсировали с 50% изопропиловым спиртом (IPA) и смешивали с DHEBA/акриламидом с KPS/TEMED (ФИГ. 16В). В результате получали полимерную гранулу, инкапсулированную внутри оболочки DHEBA. Оболочка DHEBA нестабильна при воздействии температур, которые используют для дегибридизации и посева, что приводит к высвобождению ядра из оболочки DHEBA при высоких температурах. Кроме того, обработка полимерной гранулы DHEBA восстановителем, таким как DTT, и набухание в воде приводит к образованию оболочки DHEBA-акриламид. На ФИГ. 16С представлены микрофотографии полимерных гранул DHEBA, соответствующие схематическому изображению, приведенному на ФИГ. 16В.[0117] A core with a degradable polymer with a sample inside (cells or DNA) was obtained. The core included a filler, such as PEG or polyacrylamide, which was mixed with the sample to form polymer beads, as shown in FIG. 16A. The bead was condensed with 50% isopropyl alcohol (IPA) and mixed with DHEBA/acrylamide with KPS/TEMED (FIG. 16B). The result was a polymer bead encapsulated within a DHEBA shell. The DHEBA shell is unstable when exposed to the temperatures used for dehybridization and plating, resulting in the core being released from the DHEBA shell at high temperatures. Additionally, treating the DHEBA polymer bead with a reducing agent such as DTT and swelling in water results in the formation of a DHEBA-acrylamide shell. In FIG. 16C shows micrographs of DHEBA polymer beads corresponding to the schematic diagram shown in FIG. 16V.

[0118] Другой вариант осуществления представляет собой полимерную гранулу с оболочкой DHEBA с агарозным ядром, как показано на ФИГ. 17А. Гранулу ядра агарозы получали, следуя способу, аналогичному для гранулы ядра полиакриламида. Образец клеток или ДНК смешивали с агарозой с образованием полимерной гранулы, следуя способу, описанному в настоящем документе. Агарозные гранулы могут быть функционализированы и использованы для очистки образца, например ДНК. Полимерную гранулу обрабатывали DHEBA, инкапсулирующим внутри полимерную гранулу, как показано на ФИГ. 17В. Чтобы инициировать образование оболочки DHEBA вокруг полимерной гранулы, можно использовать УФ-излучение. На агарозное ядро воздействовали температурой или проводили его химическое расщепление для расплавления ядра с образованием полой оболочки DHEBA, как показано на ФИГ. 17С.[0118] Another embodiment is a DHEBA-shelled polymer bead with an agarose core, as shown in FIG. 17A. The agarose core bead was prepared following a method similar to the polyacrylamide core bead. The cell sample or DNA was mixed with agarose to form a polymer bead following the method described herein. Agarose beads can be functionalized and used to purify a sample, such as DNA. The polymer bead was treated with DHEBA encapsulating the polymer bead within, as shown in FIG. 17V. UV radiation can be used to initiate the formation of a DHEBA shell around the polymer bead. The agarose core was subjected to heat or chemical cleavage to melt the core to form a hollow DHEBA shell, as shown in FIG. 17C.

Пример 7. Флуоресцентное инициирование гелеобразования полимерных гранулExample 7. Fluorescent initiation of gelation of polymer beads

[0119] В приведенном ниже примере представлен вариант осуществления получения полимерных гранул с использованием способа флуоресцентного инициирования гелеобразования.[0119] The example below presents an embodiment of producing polymer beads using a fluorescent gel initiation method.

[0120] Готовили образец, например, клетки или ДНК. К образцу добавляли полимер, содержащий связанные с изотиоцианатом флуоресцеина (FITC) акрилатные полимеры (FITC-AETC), которые покрывали образец. Образцы, связанные с FITC-AETC, и мономеры облучали, например световым излучением, что приводило к образованию FITC-связанных клеток внутри полимерного геля, как схематически показано на ФИГ. 18А. Полученные клетки можно визуализировать без окрашивания вследствие взаимодействия FITC на клеточной поверхности, как показано на ФИГ. 18В и 18С. Для контрольных образцов без покрытия FITC-AETC возбуждения не наблюдалось. Инициированное флуоресцеином гелеобразование, описанное в настоящем документе, можно проводить в растворе. При проведении в растворе инициирование полимеризации происходит в центре капли объемного раствора. Для инициирования гелеобразования добавляли триэтаноламин (TEA) в количестве 210 мМ. Также добавляли 0,05% NaHSO3.[0120] A sample, such as cells or DNA, is prepared. A polymer containing fluorescein isothiocyanate (FITC)-linked acrylate polymers (FITC-AETC) was added to the sample and coated the sample. FITC-AETC-bound samples and monomers were irradiated, for example, with light, resulting in the formation of FITC-bound cells within the polymer gel, as schematically shown in FIG. 18A. The resulting cells can be visualized without staining due to the interaction of FITC on the cell surface, as shown in FIG. 18B and 18C. No excitation was observed for control samples without FITC-AETC coating. Fluorescein-initiated gelation described herein can be carried out in solution. When carried out in solution, initiation of polymerization occurs in the center of a drop of bulk solution. Triethanolamine (TEA) was added at 210 mM to initiate gelation. 0.05% NaHSO 3 was also added.

[0121] В вариантах осуществления, примерах и фигурах, описанных в настоящем документе, предложены композиции, способы и системы для удерживания биомолекул в физически ограниченном пространстве в процессе от лизиса до получения библиотеки. В некоторых вариантах осуществления предложены библиотеки, полученные из одной длинной молекулы ДНК или одиночной клетки для высвобождения на поверхности проточной кюветы в ограниченном пространстве. После того как библиотека из одиночной молекулы ДНК или одиночной клетки в отдельных компартментах высвобождается на поверхность проточной ячейки, производят посев библиотеки из каждого компартмента в непосредственной близости друг к другу.[0121] The embodiments, examples, and figures described herein provide compositions, methods, and systems for containing biomolecules in a physically confined space during the process from lysis to library production. In some embodiments, libraries are provided that are derived from a single long DNA molecule or single cell for release on the surface of a flow cell in a confined space. Once the library of a single DNA molecule or a single cell in separate compartments is released onto the surface of the flow cell, the library from each compartment is seeded in close proximity to each other.

[0122] Используемый в настоящем документе термин «содержащий» представляет собой синоним терминов «включая», «включающий» или «характеризуется» и является включающим или не имеющим ограничительного характера, и не исключает дополнительные неуказанные элементы или стадии способа.[0122] As used herein, the term “comprising” is synonymous with the terms “including,” “comprising,” or “characterized by,” and is inclusive or non-limiting and does not exclude additional unspecified elements or process steps.

[0123] В описании выше приведены несколько способов и материалов настоящего изобретения. Настоящее изобретение может подвергаться модификациям в части способов и материалов, а также изменениям в части способов изготовления и оборудования. Такие модификации будут очевидны специалистам в данной области после изучения настоящего описания или реализации изобретения, описанного в настоящем документе, на практике. Следовательно, не предполагается, что настоящее изобретение ограничено конкретными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, но предполагается, что оно охватывает все модификации и альтернативные варианты в пределах истинного объема и сущности изобретения.[0123] The description above sets forth several methods and materials of the present invention. The present invention is subject to modifications in methods and materials, as well as changes in manufacturing methods and equipment. Such modifications will become apparent to those skilled in the art upon examination of the present disclosure or upon practice of the invention described herein. Therefore, the present invention is not intended to be limited to the specific embodiments described herein, but is intended to cover all modifications and alternatives within the true scope and spirit of the invention.

[0124] Все источники, процитированные в настоящем документе, включая, без ограничений, опубликованные и неопубликованные заявки, патенты и ссылки на литературу, полностью включены в настоящий документ путем ссылки и, следовательно, являются частью настоящего описания. В тех случаях, когда публикации, патенты или заявки на патенты, включенные путем ссылки, противоречат изложению, приведенному в настоящем описании, предполагается, что настоящее описание заменяет и/или имеет приоритет над любым таким противоречащим материалом.[0124] All references cited herein, including, without limitation, published and unpublished applications, patents, and literature references, are incorporated herein by reference in their entirety and are therefore a part of this specification. To the extent that publications, patents, or patent applications incorporated by reference are inconsistent with the teachings herein, it is intended that this specification supersedes and/or takes precedence over any such conflicting material.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙLIST OF SEQUENCES

<110> Illumina, Inc. <110> Illumina, Inc.

<120> МОДУЛЯЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ГРАНУЛ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДНК <120> MODULATION OF POLYMER GRANULES FOR DNA PROCESSING

<130> ILLINC.422WO <130> ILLINC.422WO

<150> 62/704,028 <150> 62/704,028

<151> 2018-10-26 <151> 2018-10-26

<160> 4 <160> 4

<170> PatentIn, версия 3.5 <170> PatentIn, version 3.5

<210> 1 <210> 1

<211> 20 <211> 20

<212> ДНК <212> DNA

<213> Искусственная последовательность <213> Artificial sequence

<220><220>

<223> Синтетический олигонуклеотид <223> Synthetic oligonucleotide

<400> 1 <400> 1

aatgatacgg cgaccaccga 20 aatgatacgg cgaccaccga 20

<210> 2 <210> 2

<211> 21 <211> 21

<212> ДНК <212> DNA

<213> Искусственная последовательность <213> Artificial sequence

<220><220>

<223> Синтетический олигонуклеотид <223> Synthetic oligonucleotide

<400> 2 <400> 2

caagcagaag acggcatacg a 21 caagcagaag acggcatacg a 21

<210> 3 <210> 3

<211> 30 <211> 30

<212> ДНК <212> DNA

<213> Искусственная последовательность <213> Artificial sequence

<220><220>

<223> Синтетический олигонуклеотид <223> Synthetic oligonucleotide

<400> 3 <400> 3

tttttttttt aatgatacgg cgaccaccga 30 tttttttttt aatgatacgg cgaccaccga 30

<210> 4 <210> 4

<211> 31 <211> 31

<212> ДНК <212> DNA

<213> Искусственная последовательность <213> Artificial sequence

<220><220>

<223> Синтетический олигонуклеотид <223> Synthetic oligonucleotide

<400> 4 <400> 4

tttttttttt caagcagaag acggcatacg a 31tttttttttt caagcagaag acggcatacg a 31

Claims (37)

1. Полимерная гранула для проведения множества реакций совместного анализа, содержащая:1. Polymer granule for carrying out multiple reactions of joint analysis, containing: предшественник гидрогелевого полимера;hydrogel polymer precursor; поперечносшивающий агент; иcross-linking agent; And биомолекулу внутри полимерной гранулы, причем гранула представляет собой пористую полую гранулу, где гранула содержит множество слоев полимера, при этом каждый слой отличается определенным размером пор и густотой пор, обеспечивающими диффузию реагента через гранулу, которая удерживает при этом биомолекулу.a biomolecule inside a polymer granule, wherein the granule is a porous hollow granule, where the granule contains many layers of polymer, with each layer having a certain pore size and pore density, ensuring the diffusion of the reagent through the granule, which retains the biomolecule. 2. Гранула по п. 1, в которой размер пор модулируют в зависимости от заряда, pH или температуры.2. Granule according to claim 1, in which the pore size is modulated depending on charge, pH or temperature. 3. Гранула по п. 1, диаметр которой составляет от около 50 мкм до около 150 мкм.3. A granule according to claim 1, the diameter of which is from about 50 μm to about 150 μm. 4. Гранула по п. 1, в которой предшественник гидрогелевого полимера содержит полиэтиленгликоль (PEG)-тиол/PEG-акрилат, PEG/малеимид (PEG/MAL), акриламид/N,N’-бис(акрилоил)цистамин (BACy), N,N’-(1,2-дигидроксиэтилен)бисакриламид (DHEBA), PEG/полипропиленоксид (PPO), полиакриловую кислоту, поли(гидроксиэтилметакрилат) (PHEMA), поли(метилметакрилат) (PMMA), поли(N-изопропилакриламид) (PNIPAAm), поли(молочную) кислоту (PLA), сополимер поли(молочной) и поли(гликолевой) кислот (PLGA), поликапролактон (PCL), поли(винилсульфоновую) кислоту (PVSA), поли(L-аспарагиновую) кислоту, поли(L-глутаминовую) кислоту, полилизин, агар, агарозу, альгинат, гепарин, альгинатсульфат, декстрансульфат, гиалуронан, пектин, каррагинан, желатин, хитозан, целлюлозу или коллаген.4. Granule according to claim 1, in which the hydrogel polymer precursor contains polyethylene glycol (PEG)-thiol/PEG-acrylate, PEG/maleimide (PEG/MAL), acrylamide/N,N'-bis(acryloyl)cystamine (BACy), N,N'-(1,2-dihydroxyethylene)bisacrylamide (DHEBA), PEG/polypropylene oxide (PPO), polyacrylic acid, poly(hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(N-isopropylacrylamide) ( PNIPAAm), poly(lactic) acid (PLA), copolymer of poly(lactic) and poly(glycolic) acids (PLGA), polycaprolactone (PCL), poly(vinylsulfonic) acid (PVSA), poly(L-aspartic) acid, poly (L-glutamic) acid, polylysine, agar, agarose, alginate, heparin, alginate sulfate, dextran sulfate, hyaluronan, pectin, carrageenan, gelatin, chitosan, cellulose or collagen. 5. Гранула по п. 1, в которой предшественник гидрогелевого полимера содержит бисакриламид, диакрилат, диаллиламин, триаллиламин, дивинилсульфон, диаллиловый эфир диэтиленгликоля, этиленгликольдиакрилат, полиметиленгликольдиакрилат, полиэтиленгликольдиакрилат, триметилопропантриметакрилат, этоксилированный триметилолтриакрилат или этоксилированный пентаэритритолтетраакрилат.5. The granule of claim 1, wherein the hydrogel polymer precursor contains bisacrylamide, diacrylate, diallylamine, triallylamine, divinyl sulfone, diethylene glycol diallyl ether, ethylene glycol diacrylate, polymethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, trimethylopropane trimethacrylate, ethoxylated trimethylol triacrylate or ethoxylated pentaerythritol tetraacrylate. 6. Гранула по п. 1, в которой биомолекулой является нуклеиновая кислота.6. Granule according to claim 1, in which the biomolecule is a nucleic acid. 7. Гранула по п. 6, в которой нуклеиновая кислота представляет собой молекулу длинной ДНК из 50 000 пар нуклеотидов или более.7. The bead according to claim 6, wherein the nucleic acid is a long DNA molecule of 50,000 base pairs or more. 8. Гранула по п. 1, в которой реагент содержит ферменты, химические вещества и праймеры размером менее 50 пар нуклеотидов.8. Granule according to claim 1, in which the reagent contains enzymes, chemicals and primers less than 50 base pairs in size. 9. Гранула по п. 1, в которой реагент содержит лизоцим, протеиназу K, статистические гексамеры, полимеразу, транспозазу, праймеры, лигазу, катализирующий фермент, дезоксинуклеотидтрифосфаты, буферы или двухвалентные катионы.9. The granule according to claim 1, in which the reagent contains lysozyme, proteinase K, random hexamers, polymerase, transposase, primers, ligase, catalyzing enzyme, deoxynucleotide triphosphates, buffers or divalent cations. 10. Гранула по п. 9, в которой полимераза представляет собой ДНК-полимеразу Ф29, Taq-полимеразу или Bsu-полимеразу.10. The granule according to claim 9, in which the polymerase is F29 DNA polymerase, Taq polymerase or Bsu polymerase. 11. Гранула по п. 9, в которой транспозаза представляет собой Tn5.11. The granule according to claim 9, wherein the transposase is Tn5. 12. Гранула по п. 9, в которой праймеры представляют собой адапторные последовательности P5 или адапторные последовательности P7.12. The bead according to claim 9, wherein the primers are P5 adapter sequences or P7 adapter sequences. 13. Гранула по п. 1, дополнительно содержащая стабилизированную оболочку, которая инкапсулирует гранулу.13. The granule according to claim 1, further containing a stabilized shell that encapsulates the granule. 14. Гранула по п. 13, в которой стабилизированная оболочка содержит N,N’-(1,2-дигидроксиэтилен)бисакриламид (DHEBA), акрилат-PEG и пероксидисульфат калия (KPS).14. The granule according to claim 13, wherein the stabilized shell contains N,N'-(1,2-dihydroxyethylene)bisacrylamide (DHEBA), acrylate-PEG and potassium peroxydisulfate (KPS). 15. Гранула по п. 1, дополнительно содержащая флуоресцентное соединение, связанное с предшественником гидрогелевого полимера.15. The granule according to claim 1, further containing a fluorescent compound associated with a hydrogel polymer precursor. 16. Гранула по п. 15, в которой флуоресцентное соединение представляет собой изотиоцианат флуоресцеина (FITC).16. The bead according to claim 15, wherein the fluorescent compound is fluorescein isothiocyanate (FITC). 17. Способ проведения множества последовательных совместных анализов биомолекулы, инкапсулированной внутри полимерной гранулы, включающий:17. A method for performing multiple sequential joint analyzes of a biomolecule encapsulated within a polymer bead, comprising: получение полимерной гранулы, инкапсулирующей биомолекулу по п. 1; иobtaining a polymer granule encapsulating the biomolecule according to claim 1; And последовательное приведение одиночной клетки в контакт с реагентами для проведения множества последовательных совместных анализов.sequentially bringing a single cell into contact with reagents to perform multiple sequential co-assays. 18. Способ по п. 17, дополнительно включающий модуляцию размера пор полимерной гранулы посредством регулирования заряда, pH или температуры.18. The method of claim 17, further comprising modulating the pore size of the polymer bead by adjusting charge, pH or temperature. 19. Способ по п. 17, в котором полимерная гранула содержит множество слоев полимера, при этом каждый слой отличается определенным размером пор, и при этом размер пор каждого полимерного слоя модулируют определенным образом посредством изменения заряда, pH или температуры.19. The method of claim 17, wherein the polymer bead contains multiple layers of polymer, each layer having a specific pore size, and wherein the pore size of each polymer layer is modulated in a specific manner by changes in charge, pH, or temperature. 20. Способ по п. 17, в котором множество последовательных совместных анализов включают лизис, анализ ДНК, анализ РНК, анализ белков, тагментацию, амплификацию нуклеиновых кислот, секвенирование нуклеиновых кислот, получение библиотеки ДНК, анализ доступного для транспозазы хроматина с использованием секвенирования (ATAC-seq), транспозицию с сохранением смежности (CPT-seq), комбинаторное индексированное секвенирование одиночной клетки (SCI-seq) или амплификацию генома одиночной клетки или любую их комбинацию, выполняемую последовательно.20. The method of claim 17, wherein the plurality of sequential assays includes lysis, DNA analysis, RNA analysis, protein analysis, tagmentation, nucleic acid amplification, nucleic acid sequencing, DNA library preparation, transposase accessible chromatin analysis using sequencing (ATAC -seq), contiguity-preserving transposition (CPT-seq), combinatorial single-cell indexed sequencing (SCI-seq), or single-cell genome amplification, or any combination thereof performed sequentially. 21. Способ по п. 17, в котором производят посев полимерной гранулы, инкапсулирующей биомолекулу, на твердую подложку.21. The method according to claim 17, in which a polymer granule encapsulating a biomolecule is seeded onto a solid support. 22. Способ по п. 21, в котором твердая подложка представляет собой травленую поверхность, лунку, устройство проточной кюветы, микрожидкостный канал, гранулу или колонку.22. The method of claim 21, wherein the solid support is an etched surface, a well, a flow cell device, a microfluidic channel, a bead, or a column. 23. Способ по п. 17, в котором биомолекулой является нуклеиновая кислота.23. The method according to claim 17, in which the biomolecule is a nucleic acid. 24. Способ по п. 23, в котором нуклеиновая кислота представляет собой молекулу длинной ДНК из 50000 пар нуклеотидов или более.24. The method of claim 23, wherein the nucleic acid is a long DNA molecule of 50,000 base pairs or more. 25. Способ по п. 17, дополнительно включающий проведение реакции амплификации нуклеиновых кислот на нуклеиновой кислоте, инкапсулированной внутри полимерной гранулы, перед выполнением реакции тагментации.25. The method according to claim 17, further comprising performing a nucleic acid amplification reaction on the nucleic acid encapsulated inside the polymer bead before performing the tagmentation reaction. 26. Способ по п. 25, в котором реакция амплификации нуклеиновых кислот включает стадию амплификации с множественным вытеснением (MDA).26. The method of claim 25, wherein the nucleic acid amplification reaction comprises a multiple displacement amplification (MDA) step. 27. Способ по п. 26, в котором реакция тагментации включает приведение биомолекулы в контакт со смесью транспозазы, содержащей адапторные последовательности и транспосомы.27. The method of claim 26, wherein the tagmentation reaction comprises contacting the biomolecule with a transposase mixture containing adapter sequences and transposomes. 28. Способ по п. 20, дополнительно включающий посев библиотеки ДНК на твердую подложку.28. The method of claim 20, further comprising seeding the DNA library onto a solid support. 29. Способ по п. 28, в котором посев включает расщепление гранулы для высвобождения библиотеки ДНК из гранулы.29. The method of claim 28, wherein the seeding comprises cleaving the bead to release the DNA library from the bead. 30. Способ по п. 29, в котором гранулу расщепляют путем приведения гранулы в контакт со смесью для расщепления или при нагревании гранулы до около 90 °C для высвобождения библиотеки ДНК.30. The method of claim 29, wherein the bead is digested by contacting the bead with a digestion mixture or by heating the bead to about 90°C to release the DNA library. 31. Способ по п. 30, в котором смесь для расщепления содержит дитиотреитол (DTT), трис(2-карбоксиэтил)фосфин (TCEP) или трис(3-гидроксипропил)фосфин (THP).31. The method of claim 30, wherein the digestion mixture contains dithiothreitol (DTT), tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP) or tris(3-hydroxypropyl)phosphine (THP). 32. Способ по п. 28, в котором твердой подложкой является устройство проточной кюветы.32. The method of claim 28, wherein the solid support is a flow cell device.
RU2021108033A 2018-10-26 2019-10-24 Modulation of polymer granules for dna processing RU2822154C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/704,028 2018-10-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021108033A RU2021108033A (en) 2022-11-28
RU2822154C2 true RU2822154C2 (en) 2024-07-02

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006125458A1 (en) * 2005-05-27 2006-11-30 ETH Zürich Parallel sequencing of transformed nucleic acids in encapsulated cells
WO2008045806A2 (en) * 2006-10-06 2008-04-17 Microislet, Inc. Multilayered polyelectrolyte-based capsules for cell encapsulation and delivery of therapeutic compositions
WO2017013138A1 (en) * 2015-07-20 2017-01-26 Life Technologies As Polymeric particles
WO2018119301A1 (en) * 2016-12-21 2018-06-28 The Regents Of The University Of California Single cell genomic sequencing using hydrogel based droplets
WO2018140966A1 (en) * 2017-01-30 2018-08-02 10X Genomics, Inc. Methods and systems for droplet-based single cell barcoding

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006125458A1 (en) * 2005-05-27 2006-11-30 ETH Zürich Parallel sequencing of transformed nucleic acids in encapsulated cells
WO2008045806A2 (en) * 2006-10-06 2008-04-17 Microislet, Inc. Multilayered polyelectrolyte-based capsules for cell encapsulation and delivery of therapeutic compositions
WO2017013138A1 (en) * 2015-07-20 2017-01-26 Life Technologies As Polymeric particles
WO2018119301A1 (en) * 2016-12-21 2018-06-28 The Regents Of The University Of California Single cell genomic sequencing using hydrogel based droplets
WO2018140966A1 (en) * 2017-01-30 2018-08-02 10X Genomics, Inc. Methods and systems for droplet-based single cell barcoding

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11999945B2 (en) Modulating polymer beads for DNA processing
AU2022203968B2 (en) Hydrogel Beads For Nucleotide Sequencing
EP3752634B1 (en) Dna sequencing using hydrogel beads
AU2022204100B2 (en) Methods Of Encapsulating Single Cells, The Encapsulated Cells And Uses Thereof
RU2822154C2 (en) Modulation of polymer granules for dna processing