[发明专利]用于自动化可重复使用的平行生物反应的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求以下美国临时申请的优先权和权益，即：2010年10月4日提交的题为“用于多核苷酸提取、扩增以及测序的整合系统和方法（Integrated System and Methods for Polynucleotide Extraction,Amplification and Sequencing）”的序列号61/389,490；2010年10月4日提交的题为“用于无乳液多核苷酸扩增和测序的磁性阵列（Magnetic Arrays for Emulsion-Free Polynucleotide Amplification and Sequencing）”的序列号61/389,484；2011年2月15日提交的题为“无腔室基因电子测序技术（Chamber-Free Gene ElectronicSequencing Technologies）”的序列号61/443,167；以及2011年5月27日提交的题为“用于核酸测序的方法和系统（Methods and Systems for Nucleic Acid Sequencing）”的序列号61/491,081，各案通过引用以其全文结合在此。

有关联邦政府资助的研究和开发的声明

本发明是借助由IRS所授予的治疗开发补助金（Qualifying Therapeutic Discovery Grant）在政府支持下与美国卫生和公众服务部（Department of Health and Human Services）协力完成。美国政府在本发明中享有某些权利。

背景

用于快速并且成本有效地进行DNA测序（例如以高通量）的方法仍然是不断进步的个性化药物和诊断测试的一个重要方面。用于DNA测序的一些已知的系统需要将DNA样品在不同的子系统之间（例如在核酸分离子系统与扩增子系统之间）转移，从而造成低效率和潜在的污染。用于DNA测序的一些已知的方法采用了光学检测，这可能是繁琐、昂贵的，并且会限制通量。其他系统利用了一些电子传感形式，但是传感器和测序流槽是一次性使用的抛弃式物品，这基本上增加了使用者的成本，并且限制了可能成本有效地制造的该传感器的复杂性，因为它将在单次使用之后被扔掉。一些系统利用了在同一个流槽内进行的扩增方法，在该流槽中进行测序，将扩增物直接结合到该流槽，从而阻止了重复使用。其他系统利用了乳液PCR，其中在利用低浓度情况下，将珠粒与样品混合成小乳液。由于泊松分布，故大部分珠粒与样品不会集合成一种具有单个珠粒和单个样品的乳液，并且因此造成损失。这些珠粒的成本占到了测序成本中的一个相当大的部分，而且该成本的大部分被浪费掉了，而未曾产生任何有用的数据。当前的系统能够利用实际上所有的样品并且能够重复使用这些珠粒，从而降低了使用者的成本。

当前的多种DNA测序系统典型地需要进行全基因组扩增，以便具有足够的样品，因为该样品的利用效率非常低。此类全基因组扩增方法在对该基因组的不同部分进行扩增时典型地引入了相当大量的偏差，并且需要更高的覆盖水平来克服所述偏差。用于将样品和试剂局限于可能发生所希望的反应或结合的一种体积中的多种方法是针对该系统所构想的另一个方面，这可以消除或降低对于全基因组扩增的需要，并且由此降低所需的覆盖率。

因此，对于用于进行多核苷酸提取、扩增以及测序的改进的系统和方法存在一种需要。

概述

在此描述的多个实施例涉及用于对多核苷酸进行提取、扩增以及测序的多种系统和方法。在一些实施例中，这些系统和方法可以包括一种完全自动化的经过整合的平台，由此降低成本，提高通量和/或简化使用方法。

在一个方面，本发明提供了一种用于分离一个反应（例如核酸扩增或测序反应）的生物材料、反应物和/或反应副产物的方法。该方法包括将一个携带生物材料（例如核酸，它可以呈DNA片段或扩增的DNA的形式）的珠粒以磁性方式保持在一个基质的一个特定位置中，并且对该珠粒施加一个局部电场以分离该生物材料或者该生物材料的反应产物或副产物。例如，将该珠粒与具有相关生物材料的其他珠粒分离。在不同的实施例中，该电场将用于一个扩增或测序反应的多种试剂集中，和/或将多种可检测的反应副产物集中并且分离。例如，通过分离在多个单独的珠粒周围的多个核酸，该电场可以允许进行克隆扩增，作为乳液PCR的一个替代方案。在其他实施例中，该电场分离出接近该珠粒的一个纳米传感器，以有助于检测以下各项中的至少一项：局部pH值变化、局部导电性变化、局部电荷浓度变化以及局部热量。这些珠粒可以呈一系列局部化磁场区域的形式被捕获。