特表 2022-529001 バイオポリマー同定のためのナノギャップデバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-16

(54)【発明の名称】バイオポリマー同定のためのナノギャップデバイス

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/00 20060101AFI20220609BHJP

   C12M 1/34 20060101ALI20220609BHJP

   C12Q 1/6869 20180101ALN20220609BHJP

   C12Q 1/6876 20180101ALN20220609BHJP

   C07K 16/00 20060101ALN20220609BHJP

   C12N 9/10 20060101ALN20220609BHJP

   C12N 9/16 20060101ALN20220609BHJP

   C12N 9/38 20060101ALN20220609BHJP

   C12N 9/40 20060101ALN20220609BHJP

   C12N 15/10 20060101ALN20220609BHJP

   C12Q 1/48 20060101ALN20220609BHJP

   C12Q 1/34 20060101ALN20220609BHJP

【ＦＩ】

G01N27/00 J

C12M1/34 Z

C12Q1/6869 Z

C12Q1/6876 Z

C07K16/00

C12N9/10

C12N9/16 Z

C12N9/38

C12N9/40

C12N15/10 Z

C12Q1/48 Z

C12Q1/34

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021560995

(86)(22)【出願日】2020-04-15

(85)【翻訳文提出日】2021-12-13

(86)【国際出願番号】 US2020028364

(87)【国際公開番号】W WO2020214735

(87)【国際公開日】2020-10-22

(31)【優先権主張番号】62/833,870

(32)【優先日】2019-04-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521391748

【氏名又は名称】ユニバーサル シーケンシング テクノロジー コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】ジャン， ペイミン

(72)【発明者】

【氏名】レイ， ミン

(72)【発明者】

【氏名】チュン， キスプ

【テーマコード（参考）】

2G060

4B029

4B050

4B063

4H045

【Ｆターム（参考）】

2G060AA05

2G060AA15

2G060AD06

2G060DA12

2G060FA07

2G060JA07

2G060KA09

4B029AA07

4B029BB20

4B029FA12

4B050CC07

4B050KK07

4B050KK15

4B050KK18

4B050LL03

4B063QA01

4B063QA13

4B063QA18

4B063QQ42

4B063QQ52

4B063QQ67

4B063QQ79

4B063QR08

4B063QR14

4B063QR15

4B063QR32

4B063QR35

4B063QR48

4B063QR55

4B063QS33

4B063QS34

4B063QX02

4H045AA10

4H045AA30

4H045CA40

4H045DA50

4H045DA75

4H045EA50

(57)【要約】

本発明は、バイオポリマーの電子的な配列決定および同定のためのデバイスを提供する。本発明の実施形態は、バイオポリマーの電子的感知および同定のためのナノギャップデバイスに関する。本発明におけるバイオポリマーは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、多糖、天然または合成のいずれかのそれらのアナログなどであるがこれらに限定されない。以下の開示において、ＤＮＡが、本発明の本質的な枠組みを例示するための材料として使用される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バイオポリマーの同定、特徴付けおよび／または配列決定のためのシステムであって、
ａ．基材；
ｂ．前記基材上に互いに隣り合わせに配置された第１の電極および第２の電極によって形成されたナノギャップ；
ｃ．前記ナノギャップのサイズとほぼ等しい寸法または前記ナノギャップのサイズに匹敵する寸法を有するように構成され、かつ化学結合を介して一方の末端を前記第１の電極に付着させ、もう一方の末端を前記第２の電極に付着させることによって前記ナノギャップを架橋するように構成されたナノ構造体；
ｄ．前記バイオポリマーと相互作用し生化学的反応を実施するように構成された、前記ナノ構造体に付着された感知分子；
ｅ．前記ナノギャップと前記基材との間に配置されたゲート電極；ならびに
ｆ．前記ゲート電極と、前記第１の電極および前記第２の電極と一緒になった前記ナノギャップとを分離する、第１の絶縁層
を含む、システム。

【請求項2】

ａ．前記ゲート電極と前記基材とを分離する第２の絶縁層であって、前記基材が非伝導性であるかまたは非伝導性材料でコーティングされている場合には、前記第２の絶縁層が必要に応じたものである、第２の絶縁層；および
ｂ．前記第１の電極および前記第２の電極を覆うキャップ誘電体層
をさらに含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

ａ．前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加されるバイアス電圧；
ｂ．前記ゲート電極に印加される参照電圧；
ｃ．前記感知分子によって開始されるコンフォメーション変化によって引き起こされる前記ナノ構造体内のゆがみから生じる前記ナノ構造体を通る電流変動を記録するように構成されたデバイス；ならびに
ｄ．前記バイオポリマーまたは前記バイオポリマーのサブユニットを同定、特徴付けおよび／または配列決定するように構成されたデータ分析のためのソフトウェア
をさらに含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記バイオポリマーが、ＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、多糖、天然の、改変されたまたは合成されたもののいずれかの、上述のバイオポリマーのいずれか、およびそれらの組合せからなる群より選択される、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記感知分子が、ネイティブの、変異した、発現されたまたは合成されたもののいずれかの、核酸プローブ、酵素、受容体および抗体、ならびにそれらの組合せからなる群より選択される、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記酵素が、ＤＮＡポリメラーゼ、ＲＮＡポリメラーゼ、ＤＮＡヘリカーゼ、ＤＮＡリガーゼ、ＤＮＡエキソヌクレアーゼ、逆転写酵素、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ、テロメラーゼ、ＲＮＡプライマーゼ、リボソーム、スクラーゼ、ラクターゼ、ネイティブの、変異した、発現されたまたは合成されたもののいずれかの、上述の酵素のいずれか、およびそれらの組合せからなる群より選択される、請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記ＤＮＡポリメラーゼが、φ２９ ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔ７ ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔａｑポリメラーゼ、ＤＮＡポリメラーゼＹ、ＤＮＡポリメラーゼＰｏｌ Ｉ、Ｐｏｌ ＩＩ、Ｐｏｌ ＩＩＩ、Ｐｏｌ ＩＶおよびＰｏｌ Ｖ、Ｐｏｌα（アルファ）、Ｐｏｌβ（ベータ）、Ｐｏｌσ（シグマ）、Ｐｏｌλ（ラムダ）、Ｐｏｌδ（デルタ）、Ｐｏｌε（イプシロン）、Ｐｏｌμ（ミュー）、ＰｏｌΙ（イオタ）、Ｐｏｌκ（カッパ）、Ｐｏｌη（エータ）、ネイティブの、変異した、発現されたまたは合成されたもののいずれかの、上述の酵素のいずれか、ならびにそれらの組合せからなる群より選択される、請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記ナノ構造体が、天然の、改変されたまたは合成の核酸を含み、かつ二本鎖ＤＮＡ、ＤＮＡ／ＲＮＡ二重鎖、ＤＮＡオリガミ構造体、任意の形状のＤＮＡナノ構造体、またはそれらの組合せを含む、伝導性ＤＮＡ構造体または伝導性ＲＮＡ構造体を含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記ＤＮＡ構造体または前記ＲＮＡ構造体が、天然の核酸塩基と実質的に無差別に塩基対合するように構成されたユニバーサル塩基を含み、前記ユニバーサル塩基が、水素結合または塩基スタッキングのいずれかを介して前記天然の核酸塩基と相互作用する、請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

前記ＤＮＡ構造体または前記ＲＮＡ構造体が、約５０％～約９５％のＧＣ含量を含む、請求項８に記載のシステム。

【請求項11】

前記ＤＮＡ構造体または前記ＲＮＡ構造体が、約６０％～約８０％のＧＣ含量を含む、請求項８に記載のシステム。

【請求項12】

前記ＤＮＡ構造体または前記ＲＮＡ構造体が、ＡＴ塩基対合に実質的に影響することなしに前記ナノ構造体の伝導率を改善する改変されたアデニンを含む、請求項８に記載のシステム。

【請求項13】

ＤＮＡ構造体またはＲＮＡ構造体の伝導率が、（１）７位においてＮをＣＨで置き換えること；（２）前記ＣＨの水素を、メチル基ＣＨ_３を含む電子供与基またはフッ素Ｆを含む電子求引基でさらに置き換えること；（３）７位または８位のいずれかにおいて、前記ＣＨの水素をアルケン基またはアルキン基でさらに置き換えること、によってＡＴ塩基対のアデニンを改変することによって調節可能であるように構成される、請求項８に記載のシステム。

【請求項14】

前記ナノ構造体が、天然の、改変されたもしくは合成のいずれかのアミノ酸で作製された伝導性ポリペプチドもしくはポリペプチド構造体、または任意の伝導性ポリマー、あるいはそれらの組合せである、請求項１に記載のシステム。

【請求項15】

前記感知分子に隣接して前記ナノ構造体に付着するように構成され、かつ前記バイオポリマーの同定、特徴付けおよび／または配列決定を補助するように構成された分子ピンセット、をさらに含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

前記感知分子が、ＤＮＡヘリカーゼを含む、請求項１５に記載のシステム。

【請求項17】

前記キャップ誘電体層の上部に化学的不動態化層をさらに含む、請求項２に記載のシステム。

【請求項18】

前記第１の電極および前記第２の電極の上部に化学的不動態化層をさらに含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項19】

前記第１の絶縁層が、以下の構成：
ａ．その下のギャップ電極を覆う、前記ナノギャップを横切る実質的に連続した被覆、および
ｂ．前記ナノギャップ部位においてその下の前記ギャップ電極を露出させる、前記ナノギャップを横切る実質的に不連続の被覆
のうちの１つを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項20】

前記第１の絶縁層が、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム、酸化ケイ素ハフニウム、酸化ジルコニウム、またはそれらの組合せを含む、約１０よりも高い誘電率を有する誘電材料を含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項21】

前記第１の電極および前記第２の電極が、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮｘ）もしくは窒化タンタル（ＴａＮｘ）を含む貴金属、または伝導性炭素材料、例えば、カーボンナノチューブもしくはグラフェン、またはＭｏＸ_２（Ｘ＝Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）の形態での遷移金属ジカルコゲナイド、またはドープシリコン、あるいはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項22】

前記ゲート電極が、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、窒化チタン（ＴｉＮｘ）、窒化タンタル（ＴａＮｘ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）を含むがこれらに限定されない一般的な金属性材料、または一般的な半導体ＨＫ／ＭＧ材料、およびそれらの組合せで作製される、請求項１に記載のシステム。

【請求項23】

ａ．前記ナノギャップが、約２ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲の幅、約２ｎｍ～約１０００ｎｍの長さおよび約２ｎｍ～約１０００ｎｍの深さを含み；
ｂ．前記第１の電極および前記第２の電極が、前記ナノギャップの深さと実質的に等しい厚さおよび前記ナノギャップの幅と実質的に等しい幅を含み；
ｃ．前記ギャップ電極が、約２ｎｍ～約１０００ｎｍの厚さを含み；
ｄ．前記キャップ誘電体層が、約１ｎｍ～約１０００ｎｍの厚さを含み；ならびに／または
ｅ．前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層が各々、約１ｎｍ～約１０００ｎｍの厚さを含む、
請求項１および２に記載のシステム。

【請求項24】

ａ．前記ナノギャップが、約５ｎｍ～約３０ｎｍの範囲の幅、約５ｎｍ～約２０ｎｍの長さおよび約３ｎｍ～約３０ｎｍの深さを含み；
ｂ．前記第１の電極および前記第２の電極が、前記ナノギャップにおいて、前記ナノギャップの深さと実質的に等しい厚さおよび前記ナノギャップの幅と実質的に等しい幅を含み；
ｃ．前記ギャップ電極が、約３ｎｍ～約５０ｎｍの厚さを含み；
ｄ．前記キャップ誘電体層が、約３ｎｍ～約２０ｎｍの厚さを含み；ならびに／または
ｅ．前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層が各々、約２ｎｍ～約１００ｎｍの厚さを含む、
請求項１および２に記載のシステム。

【請求項25】

前記第１の電極および前記第２の電極が、前記ナノギャップの深さと実質的に等しい合わせた厚さを有する、同じまたは異なる材料の２つまたはそれよりも多くの金属層を含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項26】

前記第１の電極および前記第２の電極が、上層および下層とは異なる材料を含む中間層を有する３金属サンドイッチ層から構成され、前記上層および前記下層の厚さが、約０．５ｎｍ～約３ｎｍの範囲であり、合計厚さが、前記ナノギャップの深さと実質的に等しい、請求項１に記載のシステム。

【請求項27】

前記ナノギャップの壁が先細であり、前記ナノギャップの開口部は、前記ナノギャップの下部よりも広い、請求項１に記載のシステム。

【請求項28】

前記ナノギャップの前記壁の先細りが、前記基材表面の法線に対して約１０度以上の角度を含む、請求項２７に記載のシステム。

【請求項29】

単一のナノギャップに関連する全ての構成要素および任意の特色を各々が含む複数のナノギャップを含む、請求項１、２、３、１５、１７および１８に記載のシステム。

【請求項30】

前記複数のナノギャップが、約１００～約１億のナノギャップ、好ましくは、約１０，０００～ほぼ１００万との間のナノギャップのアレイを構成する、請求項２９に記載のシステム。

【請求項31】

前記ナノ構造体が、カーボンナノチューブを含む、請求項１５から３０に記載のシステム。

【請求項32】

バイオポリマーの同定、特徴付けおよび／または配列決定のための方法であって、
ａ．基材を提供するステップ；
ｂ．前記基材上に第２の絶縁層を構築するステップであって、前記基材が非伝導性であるかまたは非伝導性材料でコーティングされている場合には、前記第２の絶縁層が必要に応じたものである、ステップ；
ｃ．前記第２の絶縁層上に、または前記第２の絶縁層が存在しない場合には前記基材上に直接、ゲート電極層を構築するステップ；
ｄ．前記ゲート電極層の上部に第１の絶縁層を構築するステップ；
ｅ．前記第１の絶縁層上に第１の電極および第２の電極を構築し、それらを実質的に互いに隣り合わせに配置して、ナノギャップを形成するステップ；
ｆ．前記ナノギャップに実質的に匹敵する寸法を含み、化学結合を介して一方の末端を前記第１の電極に付着させ、もう一方の末端を前記第２の電極に付着させることによって前記ナノギャップを架橋するように構成されたナノ構造体を提供するステップ；ならびに
ｇ．前記バイオポリマーと相互作用し生化学的反応を実施するように構成された感知分子を提供し、あらかじめ規定された位置において前記感知分子を前記ナノ構造体に付着させるステップ
を含む、方法。

【請求項33】

ａ．前記第１の電極と前記第２の電極との間にバイアス電圧を印加するステップ；
ｂ．参照電圧を前記ゲート電極に印加するステップ；
ｃ．前記ナノ構造体に付着された前記感知分子によって開始されるコンフォメーション変化によって引き起こされる前記ナノ構造体内のゆがみから生じる前記ナノ構造体を通る電流変動を記録するように構成されたデバイスを提供するステップ；ならびに
ｄ．前記バイオポリマーまたは前記バイオポリマーのサブユニットを同定、特徴付けおよび／または配列決定するように構成されたデータ分析のためのソフトウェアを提供するステップ
をさらに含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項34】

前記バイオポリマーが、ＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、多糖、天然の、改変されたまたは合成されたもののいずれかの、上述のバイオポリマーのいずれか、およびそれらの組合せからなる群より選択される、請求項３２に記載の方法。

【請求項35】

前記感知分子が、ネイティブの、変異した、発現されたまたは合成されたもののいずれかの、核酸プローブ、酵素、受容体および抗体、ならびにそれらの組合せからなる群より選択される、請求項３２に記載の方法。

【請求項36】

前記酵素が、ＤＮＡポリメラーゼ、ＲＮＡポリメラーゼ、ＤＮＡヘリカーゼ、ＤＮＡリガーゼ、ＤＮＡエキソヌクレアーゼ、逆転写酵素、ＲＮＡプライマーゼ、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ、テロメラーゼ、リボソーム、スクラーゼ、ラクターゼ、ネイティブの、変異した、発現されたまたは合成されたもののいずれかの、上述の酵素のいずれか、およびそれらの組合せからなる群より選択される、請求項３５に記載の方法。

【請求項37】

前記ＤＮＡポリメラーゼが、φ２９ ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔ７ ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔａｑポリメラーゼ、ＤＮＡポリメラーゼＹ、ＤＮＡポリメラーゼＰｏｌ Ｉ、Ｐｏｌ ＩＩ、Ｐｏｌ ＩＩＩ、Ｐｏｌ ＩＶおよびＰｏｌ Ｖ、Ｐｏｌα（アルファ）、Ｐｏｌβ（ベータ）、Ｐｏｌσ（シグマ）、Ｐｏｌλ（ラムダ）、Ｐｏｌδ（デルタ）、Ｐｏｌε（イプシロン）、Ｐｏｌμ（ミュー）、ＰｏｌΙ（イオタ）、Ｐｏｌκ（カッパ）、Ｐｏｌη（エータ）、ネイティブの、変異した、発現されたまたは合成されたもののいずれかの、上述の酵素のいずれか、ならびにそれらの組合せからなる群より選択される、請求項３６に記載の方法。

【請求項38】

前記ナノ構造体が、天然の、改変されたまたは合成の核酸のいずれかで作製され、かつ二本鎖ＤＮＡ、ＤＮＡ／ＲＮＡ二重鎖、ＤＮＡオリガミ構造体、任意の形状のＤＮＡナノ構造体、およびそれらの組合せを含む、伝導性ＤＮＡ構造体または伝導性ＲＮＡ構造体である、請求項３２に記載の方法。

【請求項39】

前記ＤＮＡ構造体または前記ＲＮＡ構造体が、天然の核酸塩基と実質的に無差別に塩基対合するように構成されたユニバーサル塩基を含み、前記ユニバーサル塩基が、水素結合または塩基スタッキングのいずれかを介して前記天然の核酸塩基と相互作用する、請求項３８に記載の方法。

【請求項40】

前記ＤＮＡ構造体または前記ＲＮＡ構造体が、約５０％～約９５％のＧＣ含量を含む、請求項３８に記載の方法。

【請求項41】

前記ＤＮＡ構造体または前記ＲＮＡ構造体が、６０％～８０％のＧＣ含量を含む、請求項３８に記載の方法。

【請求項42】

前記ＤＮＡ構造体または前記ＲＮＡ構造体が、ＡＴ塩基対合に実質的に影響することなしに前記ナノ構造体の伝導率を改善するように構成された改変されたアデニンを含む、請求項３８に記載の方法。

【請求項43】

前記ＤＮＡ構造体または前記ＲＮＡ構造体の伝導率が、（１）７位においてＮをＣＨで置き換えること；（２）前記ＣＨの水素を、メチル基ＣＨ_３を含む電子供与基またはフッ素Ｆを含む電子求引基でさらに置き換えること；（３）７位または８位のいずれかにおいて、前記ＣＨの水素をアルケン基またはアルキン基でさらに置き換えること、によってＡＴ塩基対のアデニンを改変することによって調節可能であるように構成される、請求項３８に記載の方法。

【請求項44】

前記ナノ構造体が、天然の、改変されたもしくは合成のいずれかのアミノ酸で作製された伝導性ポリペプチドもしくはポリペプチド構造体、または任意の伝導性ポリマー、あるいはそれらの組合せを含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項45】

前記バイオポリマーの同定、特徴付けおよび／または配列決定を補助するように構成された分子ピンセットを提供するステップ、ならびにあらかじめ規定された位置において前記分子ピンセットを前記ナノ構造体に付着させるステップをさらに含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項46】

前記感知分子がＤＮＡヘリカーゼである、請求項４５に記載の方法。

【請求項47】

前記第１の電極および前記第２の電極をキャップ誘電体層で覆うステップであって、前記電極の末端が、前記ナノギャップにおいて露出されている、ステップ、または代替的に前記第１の電極および前記第２の電極を化学的不動態化層で覆うステップをさらに含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項48】

前記キャップ誘電体層を化学的不動態化層で覆うステップをさらに含む、請求項４７に記載の方法。

【請求項49】

前記第１の絶縁層が、以下の構成：
ａ．その下のギャップ電極を覆う、前記ナノギャップを横切る実質的に連続した被覆、および
ｂ．前記ナノギャップ部位においてその下の前記ギャップ電極を露出させる、前記ナノギャップを横切る実質的に不連続の被覆
のうちの１つを含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項50】

前記第１の絶縁層が、酸化タンタル、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム、酸化ケイ素ハフニウム、酸化ジルコニウム、およびそれらの組合せを含む、約１０よりも高い誘電率を有する誘電材料を含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項51】

前記第１の電極および前記第２の電極が、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮｘ）、窒化タンタル（ＴａＮｘ）を含む貴金属、または伝導性炭素材料、例えば、カーボンナノチューブおよびグラフェン、またはＭｏＸ_２（Ｘ＝Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）の形態での遷移金属ジカルコゲナイド、またはドープシリコン、あるいはそれらの組合せを含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項52】

前記ゲート電極が、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、窒化チタン（ＴｉＮｘ）、窒化タンタル（ＴａＮｘ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）を含む一般的な金属性材料、または一般的な半導体ＨＫ／ＭＧ材料、およびそれらの組合せを含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項53】

前記ナノギャップの部位において：
ａ．前記ナノギャップが、約２ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲の幅、約２ｎｍ～約１０００ｎｍの長さおよび約２ｎｍ～約１０００ｎｍの深さを含み；
ｂ．前記第１の電極および前記第２の電極が、前記ナノギャップの深さと実質的に等しい厚さおよび前記ナノギャップの幅と実質的に等しい幅を含み；
ｃ．前記ギャップ電極が、前記ナノギャップ部位において約２ｎｍ～約１０００ｎｍの厚さを含み；
ｄ．前記キャップ誘電体層が、約１ｎｍ～約１０００ｎｍの厚さを含み；ならびに
ｅ．前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層が各々、約１ｎｍ～約１０００ｎｍの厚さを含む
請求項３２および４７に記載の方法。

【請求項54】

前記ナノギャップの部位において：
ａ．前記ナノギャップが、約５ｎｍ～約３０ｎｍの範囲の幅、約５ｎｍ～約２０ｎｍの長さおよび約３ｎｍ～約３０ｎｍの深さを含み；
ｂ．前記第１の電極および前記第２の電極が、前記ナノギャップの深さと実質的に等しい厚さおよび前記ナノギャップの幅と実質的に等しい幅を有し；
ｃ．前記ギャップ電極が、約３ｎｍ～約５０ｎｍの厚さを含み；
ｄ．前記キャップ誘電体層が、約３ｎｍ～約２０ｎｍの厚さを含み；ならびに
ｅ．前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層が各々、約２ｎｍ～約１００ｎｍの厚さを含む
請求項３２および４７に記載の方法。

【請求項55】

前記第１の電極および前記第２の電極が、前記ナノギャップの深さと実質的に等しい合わせた厚さを有する、同じまたは異なる材料の２つまたはそれよりも多くの金属層を含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項56】

前記第１の電極および前記第２の電極が、上層および下層とは異なる材料を含む中間層を有する３金属サンドイッチ層で作製され、前記上層および前記下層の厚さが、約０．５ｎｍ～約３ｎｍの範囲であり、合計厚さが、前記ナノギャップの深さと実質的に等しい、請求項３２に記載の方法。

【請求項57】

前記ナノギャップの壁が実質的に先細であり、前記ナノギャップの開口部は、前記ナノギャップの下部よりも広い、請求項３２に記載の方法。

【請求項58】

前記ナノギャップの前記壁の先細りが、前記基材表面の法線に対して約１０度以上の角度である、請求項５７に記載の方法。

【請求項59】

前記絶縁層および前記電極層の各々が、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、分子蒸着（ＭＶＤ）を含む半導体材料堆積方法、電気めっきもしくはスピンコーティング、またはそれらの組合せを使用して別々に製造される、請求項３２に記載の方法。

【請求項60】

前記絶縁層が、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）または低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）方法のいずれかを使用して製造される、請求項３２に記載の方法。

【請求項61】

前記電極が、スパッタリング方法を使用して製造される、請求項３２に記載の方法。

【請求項62】

前記第１の電極および前記第２の電極ならびに前記ナノギャップが、ＥＢＬ（電子ビームリソグラフィ）もしくはＥＵＶ（極紫外線リソグラフィ）、またはＰＤＥ（プラズマドライエッチング）もしくはＩＢＥ（イオンビームエッチング）もしくはＡＬＥ（原子層エッチング）を使用して製造される、請求項３２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、バイオポリマーの電子的感知および同定のためのナノギャップデバイスに関する。本発明におけるバイオポリマーは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、多糖、天然または合成のいずれかのそれらのアナログなどであるがこれらに限定されない。以下の開示において、ＤＮＡが、本発明の本質的な枠組みを例示するための材料として使用される。

【背景技術】

【0002】

２つの電極間に広がるナノギャップは、新たなＤＮＡ配列決定技術の開発における使用のためにかなり注目を集めてきた。これは、分子標識化を潜在的に伴わずに、単一分子レベルで生物学的相互作用および生化学的反応を感知するための電子的方法を提供し、これは、色素分子をタグとして要求する蛍光検出を超える利点である。ナノギャップは、半導体技術を使用して製造され得、低コストで大規模に産生され得る。その上、その小さいサイズは、診療現場で使用することができる手持ち式デバイスを保証する。
ＤＮＡ分子が、電圧バイアス下で連続して、２つの尖った電極間のナノギャップを通過する際に、そのヌクレオチドの各々は、ギャップを横断するトンネル電流をモジュレートする。したがって、個々の核酸塩基を特徴付けるトンネル電流の変化を追跡することによって、ＤＮＡ分子の配列を読み出すことができる。電子トンネルは指数関数的に減衰するので、ナノギャップは、効率的な電子輸送のために、３ｎｍよりも小さくなければならない。ナノファブリケーション技術の現状では、かかる小さいナノメートルサイズのギャップを、産業規模で高い収量および品質で製作するのは困難である。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

本発明では、ナノギャップは、それを、そのコンフォメーションがその周囲の変化に対して感受性である伝導性ナノワイヤ構造体で架橋することによって、３ｎｍよりも大きくすることができる。これは、付着した感知分子と共にシグナル変換器として機能する。したがって、本発明は、化学的および生物的感知のための機能的ナノギャップデバイスを提供する。特に、本発明は、ＤＮＡポリメラーゼをナノワイヤに付着させた場合、ＤＮＡ配列決定のためのナノギャップデバイスを提供する。単一のＤＮＡ分子の配列は、標的ＤＮＡを鋳型として使用したプライマーへのヌクレオチドの取り込みによって引き起こされる電気シグナルを記録することによって、リアルタイムで読み出され得る。ナノギャップＤＮＡシーケンサーは、十万のナノギャップのアレイから構成することができ、ヒトゲノムの低コスト（１００ドル未満）かつハイスループットリアルタイム（約１時間）の配列決定を可能にする。

【0004】

ナノワイヤ構造体の伝導率をさらに改善するために、ナノギャップ製造を容易にし、シグナル品質を改善するために、ナノギャップをさらに大きくすることができるように、非従来型のゲート電極が、本発明において導入される。ゲート電極の導入は、ナノギャップを、本質的にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）デバイスにする。

【0005】

電界効果トランジスタは、それらのバイオセンサー適用について集中的に調査されてきたが、それは、電界効果トランジスタが、携帯型電子デバイスへと必然的に一体化され得るからであり、また、電界効果がキャパシタンス関連であり、表面変化に対して非常に感受性であることが公知だからである。電解質溶液中での静電相互作用は、最大でデバイスクリーニング長λに及ぶことが公知である。これは、荷電した分析物が検出器界面において電気的に探査され得る長さスケールを定義し；実際、電荷がλ値よりも遠い距離に存在する場合、それは、電解質溶液のイオンによって遮蔽される。一部の報告は、デバイ長の値が、認識事象が起こる距離の値を下回る場合に、どのようにして有機ＦＥＴ（ＯＦＥＴ）およびナノワイヤＦＥＴ（ＮＷＦＥＴ）センサーが標的分子（分析物）に対して「盲目に」されるのかを示している^１、２。一般に、これらの寄稿は、ＦＥＴ検出が、λが分析物のサイズよりも大きくなるような十分に低い塩濃度においてのみ可能であることを示唆している^３。

【0006】

従来型のＭＯＳＦＥＴセンサーでは、ゲート電極は、絶縁性層によって覆われる。ゲート電極を覆うための絶縁性材料を電解質で置き換えることによって、ゲート電極は、電解質溶液中での化学ポテンシャルのモジュレーションに対して感受性になる^４。電解質ゲートＦＥＴ（ＥＧＦＥＴ）では、ＦＥＴチャネルおよびゲート電極は、電解質と直接接触している。したがって、２つの電気化学二重層（ＥＤＬ）が、１つは半導体／電解質界面に、もう１つはゲート電極／電解質界面に形成される。結果として、チャネル電位のモジュレーションが、容量性プロセスに起因して生じる^５。これは、ＥＧＦＥＴと、半導体材料のドーピングがトランジスタのオン／オフ切り換え特徴を担っている古典的なＭＯＳＦＥＴおよびＯＦＥＴとの間での、主要な差異である^４。ＥＧＦＥＴの主要な利点の１つは、望ましくない酸化還元反応またはさらには水分解を防止し、したがって、生体試料中の重要な分析物の検出にとって明らかに重要である水性環境中での適用を可能にする、その比較的低い動作電圧（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）（１Ｖ未満）である。最近、Ｎａｋａｔｓｕｋａらは、ＤＮＡアプタマーを用いて改変されたプリント極薄酸化金属電界効果トランジスタアレイを電解質ゲーティングと共に使用して、生理学的高イオン強度条件下で、小さい分子を検出した^６。また、電解質ゲーティングは、単一分子伝導率を測定するために使用されてきた^７。
注記：本明細書の全ての図面は、例示のみを目的としている。それらの寸法は、縮尺通りに描写されているわけではなく、要素の形状およびそれらの間での関連性は、全て例示であり、実際の物体を示しているわけではない。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、ゲート電極なしの調節可能なナノ構造体を使用するナノギャップ分子感知デバイスを示す図である。

【0008】

【図2】図２は、絶縁されたゲート電極を用いたナノギャップ分子感知デバイス（従来型のＦＥＴデバイス）を示す図である。

【0009】

【図3】図３は、むき出しのゲート電極を用いたナノギャップ分子感知デバイス（電解質ゲートＦＥＴ（ＥＧＦＥＴ）デバイス）を示す図である。

【0010】

【図4】図４は、（ａ）上部が覆われた感知電極；（ｂ）上部が部分的に露出した感知電極；（ｃ）絶縁されたゲート電極および部分的に上部が露出した感知電極を有する台形ナノギャップを示す図である。

【0011】

【図5】図５は、１種よりも多くの金属、（ａ）２種の金属、（ｂ）３種の金属（金属２および金属３は、同じでも異なってもよい）で作製された感知電極を示す図である。

【0012】

【図6】図６は、伝導性ＤＮＡオリガミナノ構造体に付着させたＤＮＡポリメラーゼによるＤＮＡ配列決定のためのナノギャップデバイスの概略図である。

【0013】

【図7】図７は、ＤＮＡナノ構造体上の一体化されたユニバーサル塩基分子ピンセットと合わせた、ＤＮＡポリメラーゼによるＤＮＡ配列決定のためのナノギャップデバイスの概略図である。

【0014】

【図8】図８は、ＤＮＡナノ構造体上の一体化された核酸塩基認識分子ピンセットと合わせた、ＤＮＡヘリカーゼによるＤＮＡ配列決定のためのナノギャップデバイスの概略図である。

【0015】

【図9】図９は、標準的塩基対、改変されたアデニンとチミンとの間の塩基対の、化学構造、計算されたＤＦＴ構造（Ｂ３ＬＹＰ／６－３１１＋Ｇ（２ｄｆ，２ｐ））および分子軌道を示す図である（このＤＦＴ研究では、ヌクレオシドの全ての糖部分は、計算を単純化するために、メチル基で置き換えられている）。

【0016】

【図10】図１０は、図９に記載されるのと同じ方法でＤＦＴによって計算したＡＴ塩基対のＨＯＭＯエネルギー準位に対する、アデニンにおける置換基の影響を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

発明の概要
本発明は、バイオポリマーの電子的同定および／または配列決定のためのナノギャップ分子感知デバイス、ならびに生化学的反応および生物学的相互作用のプロセス記録を提供する。一実施形態では、ナノギャップは、絶縁層（例えば、窒化ケイ素または二酸化ケイ素）が被せられた非伝導性基材（例えば、シリコン基材）上の２つの電極間で、約１０ｎｍのサイズである。電極は、（誘電体）絶縁層によってまたは化学的不動態化単層によって、完全に覆われる。電極は、金属、好ましくは、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）および窒化チタン（ＴｉＮ）、または伝導性炭素材料、例えば、カーボンナノチューブおよびグラフェン、またはＭｏＸ_２（Ｘ＝Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）が好ましい遷移金属ジカルコゲナイド、またはドープシリコンで作製される。電子的測定のための機能的ナノギャップデバイスを作製するために、感知分子部分を保有する匹敵するサイズの伝導性ナノ構造体が、ナノギャップを架橋するために使用される。本発明では、米国仮特許出願第６２／７９４，０９６号および同第６２／８１２，７３６号に開示されるものなどの調節可能な伝導性ＤＮＡナノ構造体が、２つの仮特許出願に開示されたものと同じ付着方法を用いてギャップを架橋するために適切である。ＤＮＡポリメラーゼ、例えば、φ２９ ＤＮＡポリメラーゼが、ＤＮＡナノ構造体上に固定化される。配列決定のために、標的ＤＮＡ（鋳型）は、デバイス中で、ポリメラーゼによる複製に供される。複製プロセスの間に、ヌクレオチドは、ＤＮＡポリメラーゼによって、伸長中のＤＮＡプライマー中に取り込まれる。機構的に、ＤＮＡ中へのヌクレオチドの取り込みには、ポリメラーゼのコンフォメーションにおける変化が伴い、これは、ＤＮＡナノ構造体のコンフォメーションを乱す。ＤＮＡ分子の伝導率は、そのコンフォメーションと関連するので、このプロセスは、異なるヌクレオチドの取り込みを同定するためのシグネチャーとして使用され得る電流の変動を生じる。あるいは、ＤＮＡナノ構造体は、カーボンナノチューブ、および二本鎖ＤＮＡ、ポリペプチドまたは他の伝導性ポリマーで単純に作製された分子ワイヤによって置き換えることができる。

【0018】

本発明の一部の実施形態では、ナノギャップは、従来型のＦＥＴ概念を使用して形成される。図２に例示されるように、ゲート電極層は、ナノギャップの下に構築され、感知電極のうち一方はソースとして機能し、もう一方はドレインとして機能する（これらは交換可能である）。ゲート電極の追加は、報告によれば、ナノギャップデバイスの伝導率を増加させ^{２、３、１１}、以前の実施形態において言及されたゲート電極なしのナノギャップよりも高いシグナル強度を可能にする。

【0019】

本発明の一部の実施形態では、ナノギャップデバイス性能についてのさらなる改善として、図２に示されるような上述のゲート電極が、図３に例示されるように、その場所の絶縁層を除去することによって、ナノギャップにおいて電解質緩衝液に曝露される。このプロセスは、ＥＧＦＥＴ型ナノギャップデバイスを創出する。

【0020】

例示目的のために、以下は、ナノファブリケーション技術を使用してＥＧＦＥＴナノギャップデバイスを構築するための方法の例である：
Ｐ１．基材調製
半導体または絶縁性（例えば、ガラス）基材
Ｐ２．絶縁体２堆積
化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、分子蒸着（ＭＶＤ）、電気めっきまたはスピンコーティングなどによって調製されるＳｉＮｘ、ＳｉＯｘまたは他の誘電材料。好ましい方法は、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）または低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）である。この層の厚さは、通常、１ｎｍ～１０μｍの間またはそれよりも厚く、好ましくは２ｎｍ～１００ｎｍである。基材が絶縁性または非伝導性である場合、このステップは、省くことができる。
Ｐ３．ゲート電極堆積
この層は、貴金属、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴｉＮｘ、ＴａＮｘ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｕ、ならびに半導体において使用される他の金属および／または一般的なＨＫ／ＭＧ材料を含み、好ましくは、架橋性ナノ構造体付着のより良い制御のために、感知電極とは異なる。好ましい方法は、スパッタリングまたは蒸発ＰＶＤである。この層の厚さは、通常、２ｎｍ～１μｍの間またはそれよりも大きく、好ましくは３ｎｍ～５０ｎｍである。
Ｐ４．絶縁体１堆積
ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘまたは他の誘電材料が、好ましくは、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、分子蒸着（ＭＶＤ）、電気めっきまたはスピンコーティングなどによって、この層を調製するために使用される。好ましい方法は、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）または低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）である。この層の寸法は、絶縁体２と類似である。
Ｐ５．感知電極堆積
一般的な金属性伝導性層、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、ＴｉＮｘ、ＴａＮｘ、Ａｌ、Ａｇ、ならびに半導体において使用される他の金属および／または一般的なＨＫ／ＭＧ材料、好ましくはＰｔ、Ｐｄ、Ａｕ、ＴｉおよびＴｉＮ。これは、Ｐ２で言及された方法によって調製することができるが、最も好ましい方法は、スパッタリングまたは蒸発ＰＶＤである。この層の厚さは、架橋性ナノ構造体および感知分子によって決定され、通常、２ｎｍ～１μｍの間またはそれよりも厚く、好ましくは３ｎｍ～３０ｎｍである。
Ｐ６．感知電極ラインパターニング
Ｐ６．１ １０，０００～９００，０００ｕＣ／ｃｍ^２の線量でのＥＢＬ（電子ビームリソグラフィ）、またはＥＵＶ（極紫外線リソグラフィ）
Ｐ６．２ ラインエッチング：絶縁体１層上または絶縁体１層中で止まるＰＤＥ（プラズマドライエッチング）またはＩＢＥ（イオンビームエッチング）またはＡＬＥ（原子層エッチング）。ナノギャップにおけるライン幅は、通常、５ｎｍ～１μｍの間またはそれよりも広く、好ましくは５ｎｍ～３０ｎｍである。
Ｐ７．キャップ誘電体堆積
ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘまたは他の誘電材料が、好ましくは、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、分子蒸着（ＭＶＤ）、電気めっきまたはスピンコーティングなどによって、層を調製するために使用される。好ましい方法はＡＬＤである。誘電体層の厚さは、通常、１ｎｍ～１０００ｎｍの間、好ましくは３ｎｍ～２０ｎｍである。
Ｐ８．ナノギャップパターニング
Ｐ８．１ １０，０００～９００，０００ｕＣ／ｃｍ^２の線量でのＥＢＬ、またはＥＵＶ
Ｐ８．２ ギャップエッチング：ゲート電極層上またはゲート電極層中で止まるＰＤＥ（プラズマドライエッチング）またはＩＢＥ（イオンビームエッチング）またはＡＬＥ（原子層エッチング）、および次いで、ギャップエリアにおける絶縁性層１の除去。
Ｐ９．相互接続およびパッドパターニング
これは、リフトオフならびに通常のリソ－エッチプロセスへの追加によって処理される。
従来型のＦＥＴナノギャップデバイス（図２）の構築のために、ステップＰ８．２のナノギャップエッチングを変化させて、ゲート電極の代わりに、絶縁体１上で停止させる。ゲート電極なしのナノギャップデバイス（図１）の構築のためには、ただ単にステップＰ２およびＰ３を省く。

【0021】

本発明の一部の実施形態では、ナノギャップ開口部は、図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に例示されるように、下部よりも広くされ、台形ギャップ形状を形成する。ギャップの上部において広くなったナノギャップ開口部は、ナノギャップ内の感知電極上へのＤＮＡナノ構造体の付着、ならびにポリメラーゼによる標的ＤＮＡの捕捉および複製を容易にする。広くなった開口部を作製するために、ナノギャップ製造ステップ８．２において、面法線よりも１０度以上小さい角度で、ナノギャップをエッチングする。

【0022】

本発明の一部の実施形態では、感知電極は、１つよりも多くの金属層で作製され（図５を参照のこと）、これは、より良い電極製造および／またはより良い電気的特性ならびにより柔軟性のある化学的付着特性のための良好な接着を提供する。図５ａに示される２つの金属層は、同じ厚さで作製されても異なる厚さで作製されてもよく、各々が１ｎｍ～１μｍの範囲であり、好ましくは、金属層１は、３ｎｍ～２０ｎｍの範囲である。図５ｂに示される３金属サンドイッチ感知電極は、中心の金属を保護する必要がある場合または任意の絶縁性材料へそれを接着させることが非常に困難である場合に、必要な場合がある。３金属サンドイッチでは、金属２および金属３は、同じ材料でも異なる材料でもよく、接着層として機能するように、非常に薄く（０．５～３ｎｍ）され得る。一般に、各層の厚さ、ならびに電極全体の厚さは、３ｎｍ～３０ｎｍの範囲である。これは、数マイクロメートルの厚さであり得、または一部の場合にはさらに厚くてもよい。

【0023】

一実施形態では、５～２０ｎｍの範囲のサイズを有するナノギャップが製造される（図６を参照のこと）。ＤＮＡオリガミ構造体が、ナノギャップを架橋するために両方の電極に付着され、その上に、ＤＮＡポリメラーゼが固定化される。ＤＮＡ構造体および電極への付着についての全ての関連の方法は、米国仮特許出願第６２／８１２，７３６号に開示されている。ＤＮＡポリメラーゼは、天然の、変異したまたは合成されたもののいずれかの、ファイ２９（φ２９）ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔ７ ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔａｇポリメラーゼ、ＤＮＡポリメラーゼＹ、ＤＮＡポリメラーゼＰｏｌ Ｉ、Ｐｏｌ ＩＩ、Ｐｏｌ ＩＩＩ、Ｐｏｌ ＩＶおよびＰｏｌ Ｖ、Ｐｏｌα（アルファ）、Ｐｏｌβ（ベータ）、Ｐｏｌσ（シグマ）、Ｐｏｌλ（ラムダ）、Ｐｏｌδ（デルタ）、Ｐｏｌε（イプシロン）、Ｐｏｌμ（ミュー）、ＰｏｌΙ（イオタ）、Ｐｏｌκ（カッパ）、ｐｏｌη（エータ）、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ、テロメラーゼなどの群から選択される。ＤＮＡは、ナノギャップデバイス中で、ポリメラーゼ複製を介して配列決定される。あるいは、ＤＮＡナノ構造体は、二本鎖ＤＮＡ、ポリペプチドおよび他の伝導性ポリマーで作製された分子ワイヤによって置き換えられ得、またはより複雑なＤＮＡナノ構造体によって置き換えられ得る。

【0024】

本発明の一部の実施形態では、ゲート電極上の絶縁性層（絶縁体１）は、酸化タンタル、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム、酸化ケイ素ハフニウム（ｈａｆｎｉｕｍ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｘｉｄｅ）、酸化ジルコニウムを含む、高い誘電率（ｋ＞１０）を有する材料であり、酸化ハフニウムが好ましい。また、絶縁性層は、２ｎｍ～１μｍの範囲の厚さを有するかまたはそれよりも厚く、２～１００ｎｍが好ましい。

【0025】

本発明の一部の実施形態では、ナノギャップは、２ｎｍ～１μｍの範囲の幅、２ｎｍ～１μｍの範囲の長さおよび２ｎｍ～１μｍの範囲の深さの寸法を有する。

【0026】

本発明の一部の実施形態では、伝導性ナノワイヤは、前記ナノギャップを架橋するために、ソース電極およびドレイン電極の両方に付着される。ナノワイヤは、個々の感知分子がナノワイヤ上に完全に配置されるのを可能にしつつ、感知分子がナノワイヤの表面上に並行して据え付けられることを防止するために、その幅を感知分子の直径に一致させた、１つの感知分子または複数の感知分子を収容するために調節可能な寸法を有する。

【0027】

前記ナノワイヤは、天然に存在する核酸、合成核酸、またはそれらのハイブリッド；天然に存在するペプチド、合成ペプチド、またはそれらのハイブリッド；非天然のアミノ酸を含有するタンパク質から構成されるナノ構造体である。これらのナノ構造体は、１つの部位または複数の部位を介した感知分子の固定化のためのあらかじめ規定された機能を含有する。これらのナノ構造体はまた、１つの付着部位または複数の部位を介して電極の各々にそれらを付着させるための直交する機能を含む。

【0028】

前記感知分子は、核酸プローブ、酵素、受容体、抗体を含む様々な認識分子である。これらの分子は全て、それらの標的と特異的に相互作用し、これがナノワイヤの構造を乱して、電流における測定可能な変化を生じる。

【0029】

一部の実施形態では、本発明は、ナノギャップＤＮＡ配列決定デバイスを提供する。図７に示されるように、ＤＮＡ配列決定デバイスは、分子ワイヤとして機能するＤＮＡタイルナノ構造体によって架橋された、２つの電極間に広がる上に築かれ、ＤＮＡタイルナノ構造体の上に、ＤＮＡポリメラーゼが、ＤＮＡ配列リーダーとして固定化される。配列決定のために、酵素は、標的ＤＮＡを鋳型として使用してプライマーへとヌクレオチドを取り込み、これには、コンフォメーションにおける変化が伴い、これは、根底にあるＤＮＡナノ構造体を乱して、電流フローにおける変動を生じる。変化をさらに増幅するために、天然に存在する核酸塩基と塩基対を等しく形成することができるユニバーサル塩基が、ＤＮＡタイル上でＤＮＡポリメラーゼの近傍に配置される。したがって、ＤＮＡポリメラーゼがＤＮＡ分子を動かす場合、これは、ユニバーサル塩基との核酸塩基対合もまた乱して、ＤＮＡナノ構造体におけるより多くの変化を生じ、より大きい電気的応答を誘発する。

【0030】

一部の他の実施形態では、ＤＮＡ配列決定デバイスは、ＤＮＡヘリカーゼおよび核酸塩基認識分子ピンセットを含み、これらは共に、あらかじめ規定された位置でＤＮＡナノ構造体上に固定化される（図８）。一本鎖ＤＮＡがＤＮＡヘリカーゼによってナノギャップを通過する際に、核酸塩基は、分子ピンセットによって連続して捕捉される。核酸塩基と分子ピンセットとの間の相互作用は、設計によって天然に存在する核酸塩基間で異なり、したがって、これらは、異なる電気的応答を誘発する。したがって、ＤＮＡ配列は、電気的シグナルから推定することができる。

【0031】

一部の実施形態では、ＤＮＡナノ構造体は、異なるＧＣ／ＴＡ比を含む。ＧＣ塩基対は、ＴＡ塩基対よりも伝導性が高いことが周知である^８。したがって、ＤＮＡナノ構造体の伝導率は、ＧＣ含量を変化させることによって調節することができる。ＧＣ塩基対はＴＡよりも硬いので、ＤＮＡナノ構造体の柔軟性は、ＴＡ含量を増加させることによって増加され得、これは、化学的または生物学的事象に対してより応答性が高いＤＮＡナノ構造体を生じる。ＤＮＡナノ構造体のより良い伝導率のために、５０％～９５％、好ましくは６０％～８０％のＧＣ含量が必要である。

【0032】

一部の実施形態では、ＤＮＡナノ構造体は、改変されたアデニン（単数または複数）を含み、これは、それらの柔軟性を維持しつつＤＮＡナノ構造体の伝導率を改善するために使用される（図９）。ＧＣ塩基対は、水溶液中でＢ型コンフォメーションで、ＡＴ塩基対よりも約３倍伝導性が高いことが測定されている^８。ＧＣ配列の伝導率は、それらの長さと共に線形に減衰するが、ＴＡ配列の伝導率は、それらの長さと共に指数関数的に減衰する^９。これらは、これらの塩基対の分子構造によって説明され得る。ＧＣ塩基対（２、図９）は、ＡＴ塩基対（１、図９）と比較して、そのＬＵＭＯとＨＯＭＯとの間のより小さいエネルギーギャップを有する。したがって、ＡＴ塩基対は、ＤＮＡ中の電子移動の障壁になる。電極－ＤＮＡ－電極接合点を介した電子輸送の場合、このプロセスが、金属電極のフェルミ準位（Ｅ_Ｆ）近辺の最も効率的なプロセスである。したがって、電極のフェルミ準位に最も近いそのエネルギー準位を有する分子軌道（ＭＯ）が、分子コンダクタンスに主に寄与する^１０。そのＬＵＭＯと比較して、ＧＣ塩基対のＨＯＭＯは、金電極のフェルミ準位（－５．５ｅＶ）により近いエネルギーを有し、したがって、ＤＮＡ分子は、ＨＯＭＯが位置する塩基Ｇを介して伝導する（２、図９）。ＤＮＡ分子の伝導率を改善するために、本発明は、天然に存在するアデニンよりも、金属電極のものに近いＨＯＭＯエネルギー準位を有する改変されたアデニンを提供する。図９に示されるように、改変は、アデニンの７位および８位において行われ（表示については図９中のＡＴ塩基対１を参照のこと）、これは、改変されたアデニンがチミン（Ｔ）と共に標準的ワトソン・クリック塩基対を形成するのに影響しない。本発明は、共役構造を形成するために、二重結合および三重結合を含む有機基を使用して、アデニンまたは７－デアザアデニン（ｄａｚａａｄｅｎｉｎｅ）を改変する。これらの分子は、異なる程度まで、ＧＣ塩基対のものにより近いＨＯＭＯで、水素結合を介してＴと塩基対を形成し得る（図９中の３、４、５、６）。

【0033】

一部の実施形態では、本発明は、ＤＮＡの伝導率を調節するためにＤＮＡ塩基対のＨＯＭＯ準位を調節するための方法を提供する。ＡＴ塩基対１（図９）を塩基対７（図１０）と比較することによって、アデニンの７位においてＮをＣＨによって置き換えることで、塩基対のＨＯＭＯ準位エネルギー準位は、－６．０３ｅＶから－５．６５ｅＶに上昇する。図１０に示されるように、ＣＨの水素を電子供与基（ＥＤＧ）メチル基（ＣＨ_３）によって置き換えることで、塩基対のＨＯＭＯ準位エネルギー準位は、－５．６５ｅＶから－５．４８ｅＶにさらに増加するが、ＣＨの水素を電子求引基（ＥＷＧ）フッ素（Ｆ）によって置き換えると、塩基対のＨＯＭＯ準位エネルギー準位は、－５．６５ｅＶから－５．７３ｅＶに減少する。したがって、ＤＮＡナノ構造体の伝導率は、標準的塩基対にＥＤＧまたはＥＷＧを導入することによって調節され得る。ＥＤＧおよびＥＷＧは共に、ＤＮＡのＨＯＭＯエネルギー準位および次には伝導率を調節することができる置換基のいずれかであり得る。

【0034】

一部の実施形態では、本発明は、ＤＮＡナノ構造体上に固定化されたＤＮＡポリメラーゼに付随してユニバーサル塩基を有するデバイスを提供する。ユニバーサル塩基は、天然に存在する核酸塩基と無差別に塩基対合することができる。これは、一本鎖ＤＮＡと相互作用して、均一な合成プロセスのためのＤＮＡポリメラーゼを介したその移行を減速させる。ユニバーサル塩基は、天然に存在する核酸塩基との水素結合相互作用のためのトリアゾール－カルボキサミド、および天然に存在する核酸塩基とのスタッキング相互作用のための５－ニトロインドール（ｎｉｔｔｒｏｉｎｄｏｌｅ）などの化合物である。

【0035】

他の実施形態では、本発明は、ＤＮＡナノ構造体上に固定化されたＤＮＡヘリカーゼに付随して分子ピンセット（米国仮特許出願第６２／７７２，８３７号に開示されるものから選択される）を有するデバイスを提供する。ヘリカーゼは、核酸塩基を読み出すために、ＤＮＡを分子ピンセットへと移行させる。

【0036】

一部の実施形態では、上述のナノギャップＤＮＡ配列決定デバイスおよび方法は、ＲＮＡおよびタンパク質を配列決定することにも適用可能である。

【0037】

一部の実施形態では、１００～１億の間、好ましくは、１，０００～１００万の間のナノギャップのアレイを含有するナノチップが、バイオポリマー感知または配列決定のスループット要件を満たすために作製される。

【0038】

一部の実施形態では、１つのチップ上のナノギャップデバイスのアレイは、複数の領域またはモジュールへと分割され、シグナルは、単一の記録ユニットのバンド幅およびサンプリング周波数の制限を克服するために、別々のシグナル記録ユニットによって１つの領域から他の領域へと別々に読み出される。
概論
本明細書で言及される全ての刊行物、特許および他の文書は、それらの全体が参照により取り込まれる。他に定義しない限り、本明細書で使用される全ての技術用語および科学用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般に理解される意味と同じ意味を有する。本発明は、種々の実施形態の記載によって例示され、これらの実施形態は、かなり詳細に記載されてきたが、本出願の範囲を制限することもなく、決して限定することもないことが、本出願人らの意図である。さらなる利点および改変は、当業者に容易に明らかとなる。したがって、本発明は、そのより広い態様において、具体的な詳細、代表的なデバイス、装置および方法、ならびに示され記載される例示的な例に限定されない。したがって、発展が、本出願人の一般的な発明概念の精神から逸脱することなしに、かかる詳細から行われ得る。
参考文献

【化1】

【化2】

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【国際調査報告】