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JP7710993B2 - Homopolymer-encoded nucleic acid memory - Google Patents
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JP7710993B2 - Homopolymer-encoded nucleic acid memory - Google Patents

Homopolymer-encoded nucleic acid memory

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JP7710993B2
JP7710993B2 JP2021563351A JP2021563351A JP7710993B2 JP 7710993 B2 JP7710993 B2 JP 7710993B2 JP 2021563351 A JP2021563351 A JP 2021563351A JP 2021563351 A JP2021563351 A JP 2021563351A JP 7710993 B2 JP7710993 B2 JP 7710993B2
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Description

関連出願
本出願は、2019年4月24日出願の米国特許出願第16/393,510号に対する優先権を主張し、その内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
RELATED APPLICATIONS This application claims priority to U.S. patent application Ser. No. 16/393,510, filed Apr. 24, 2019, the contents of which are incorporated herein by reference.

発明の分野
本発明は、ホモポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖中にデータを記憶するための方法および装置に関する。
FIELD OF THEINVENTION The present invention relates to methods and devices for storing data in nucleic acid memory strands that contain homopolymer tracts.

背景
DNAデジタル記憶は、DNAの塩基配列を使用してデジタルデータを表し、データをエンコードする塩基配列に対応するポリヌクレオチドのDNA合成を介してそのデータを記憶するプロセスである。DNAデジタル記憶は、従来のデータ記憶方法を超えるいくつかの利点を提供し、何百億ドルもの市場をターゲットにする。フラッシュメモリおよび磁気テープ上の記録を含む従来のデータ記憶方法は、物理的な空間要件、希少資源への依存、およびデータ完全性に関する問題をもたらす。DNAデジタル記憶は、顕著に低いエネルギー要件で、かなり大きいデータ記憶密度を提供する。現行の方法は、DNA中にエンコードされたデータを正確に読み取るために、エラーに対する寛容性がほとんどない、高忠実度の配列決定技法に依存している。要求される配列決定方法は、比較的遅く、忠実度要件を満たすためには高価である。現行のDNAデジタル記憶技法の一例は、Church,et al.に対する米国特許第9,384,320号(参照によって本明細書に組み込まれる)に記載されている。配列決定の忠実度を増加させるために、Churchによって記載されたものなどの現行の方法は、配列反復などを読み取りまたは書き込みするのが困難である特色を回避する配列を使用してデータをエンコードする。
Background DNA digital storage is a process that uses base sequences in DNA to represent digital data and store that data via DNA synthesis of polynucleotides that correspond to the base sequences that encode the data. DNA digital storage offers several advantages over traditional data storage methods and targets a multi-billion dollar market. Traditional data storage methods, including flash memory and recording on magnetic tape, pose physical space requirements, reliance on scarce resources, and problems with data integrity. DNA digital storage offers significantly greater data storage density with significantly lower energy requirements. Current methods rely on high-fidelity sequencing techniques with little tolerance for errors to accurately read the data encoded in DNA. The required sequencing methods are relatively slow and expensive to meet the fidelity requirements. One example of a current DNA digital storage technique is described in U.S. Patent No. 9,384,320 to Church, et al. (incorporated herein by reference). To increase the fidelity of sequencing, current methods such as those described by Church encode data using sequences that avoid features that are difficult to read or write, such as sequence repeats.

現行のDNAデジタル記憶技法の合成側は、スピードの欠如、毒性副産物の産生および高いコストによって、この技術の採用をさらに制限する。ほとんどのde novo核酸配列は、天然の(または非天然の)核酸塩基に対応するホスホルアミダイト試薬から構築された配列の逐次的脱保護および合成を含む固相ホスホルアミダイト技法を使用して合成される。アレイベースのフォーマット上でのインクジェット合成は、非常に低コストのホスホルアミダイト合成が可能であるが、作製される鎖は、100~200塩基長に制限され、配列をインデックス化するために長さの一部を犠牲にせざるを得ず、引き続く読み出しのために十分な材料を提供するために合成後増幅を要求する、フェムトモル濃度未満の規模で作製される。従来の合成技法を使用すると、200塩基対(bp)長よりも長い核酸は、高い割合で破壊および副反応を起こす。さらに、従来の合成技法は、毒性副産物を産生し、この廃棄物の処分は、核酸合成機の利用可能性を制限し、オリゴ産生のコストを増加させる。DNAデジタル記憶における合成および読み出しに関連するこれらの厄介な問題は、他の点では有望な技術のための適用を制限してきた。 The synthesis side of current DNA digital storage techniques further limits the adoption of this technology through lack of speed, production of toxic by-products and high cost. Most de novo nucleic acid sequences are synthesized using solid-phase phosphoramidite techniques that involve sequential deprotection and synthesis of sequences constructed from phosphoramidite reagents corresponding to natural (or unnatural) nucleic acid bases. Inkjet synthesis on array-based formats allows for very low-cost phosphoramidite synthesis, but the strands produced are limited to 100-200 bases in length, must sacrifice some length to index the sequence, and are produced at subfemtomolar scales that require post-synthesis amplification to provide sufficient material for subsequent readout. Using conventional synthesis techniques, nucleic acids longer than 200 base pairs (bp) in length undergo high rates of destruction and side reactions. Furthermore, conventional synthesis techniques produce toxic by-products, and disposal of this waste limits the availability of nucleic acid synthesizers and increases the cost of oligo production. These formidable problems associated with synthesis and readout of DNA digital storage have limited applications for an otherwise promising technology.

米国特許第9,384,320号明細書U.S. Pat. No. 9,384,320

要旨
本発明は、デジタルデータをエンコードするホモポリマートラクトの配列を使用してデータを記憶するためのシステムおよび方法を提供する。反復した塩基(例えば、2~10ヌクレオチド)のホモポリマートラクトを使用して各ビットをデータ配列で示すことで、よりハイスループットであまり高価でない配列決定技法が使用されることが可能になる。配列読み取りは、ホモポリマートラクト間の遷移を区別することにのみ依存し、各個々のヌクレオチドの信頼できる読み取りを要求しないので、ナノポア配列決定、ゼロモード導波路(ZMW)単一分子配列決定および質量分析などの配列決定技法が、スピードを増加させ、コストを低減させるために使用され得る。
SUMMARY The present invention provides systems and methods for storing data using sequences of homopolymer tracts that encode digital data. Using homopolymer tracts of repeated bases (e.g., 2-10 nucleotides) to represent each bit in the data sequence allows higher throughput and less expensive sequencing techniques to be used. Because sequence reading relies only on distinguishing transitions between homopolymer tracts and does not require reliable reading of each individual nucleotide, sequencing techniques such as nanopore sequencing, zero mode waveguide (ZMW) single molecule sequencing and mass spectrometry can be used to increase speed and reduce cost.

本明細書に記載されるホモポリマートラクトを使用したデータの記録は、長い鎖(例えば、5~10kb)の核酸を使用して最も効率的に達成される。旧来の合成技法では長さが制限されるが、例えば、ヌクレオチジルトランスフェラーゼを使用する鋳型非依存的ポリヌクレオチド合成は、低減されたコストで、より低い廃棄物産生を伴って、長い鎖を合成することが可能である。酵素的に合成されたssDNAメモリ鎖は、従来のホスホルアミダイトアプローチと比較して、DNA合成の50%を要求するだけだが、それは、約100~200ヌクレオチド長よりも長いssDNA鎖が、複雑でコストのかかるライゲーションまたはPCR技法を要求し、dsDNA中間体からssDNAを産生することしかできないからである。参照によって本明細書に組み込まれる、Efcavitch,et al.に対する米国特許第8,808,989号を参照のこと。データエンコーディングは、標準的なヌクレオチドを使用して、基数(numerical base)2、基数3、基数4であり得るか、またはデータ密度は、基数(base)8、基数10、基数12もしくはそれよりも大きい基数のエンコーディングスキームを生成するために、任意の数の修飾ヌクレオチドアナログを使用して増加させることができる。 Recording of data using the homopolymer tracts described herein is most efficiently accomplished using long strands (e.g., 5-10 kb) of nucleic acid. While traditional synthesis techniques are length-limited, template-independent polynucleotide synthesis using, for example, nucleotidyl transferases, is capable of synthesizing long strands at reduced cost and with less waste product production. Enzymatically synthesized ssDNA memory strands require only 50% of the DNA synthesis compared to the traditional phosphoramidite approach, because ssDNA strands longer than about 100-200 nucleotides in length require complex and costly ligation or PCR techniques and can only produce ssDNA from dsDNA intermediates. See U.S. Patent No. 8,808,989 to Efcavitch, et al., incorporated herein by reference. Data encoding can be numeric base 2, base 3, base 4 using standard nucleotides, or data density can be increased using any number of modified nucleotide analogs to generate base 8, base 10, base 12 or higher encoding schemes.

修飾ヌクレオチドアナログに対する制限は、それらが選択された合成技法(例えば、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(TdT))を使用して取り込まれ得、選択された配列決定分析を使用して互いから区別され得るということだけである。一部の実施形態では、合成は、Mn2+の存在下でポリメラーゼシータを使用して達成され得る。 The only limitations on the modified nucleotide analogs are that they can be incorporated using a selected synthetic technique (e.g., terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT)) and can be distinguished from one another using a selected sequencing analysis. In some embodiments, synthesis can be accomplished using polymerase theta in the presence of Mn2 + .

一貫したホモポリマートラクト長は、本発明のシステムおよび方法にとって必須ではないが、それは、認識される必要があるのが個々のトラクト間の遷移だけだからである。トラクト長は変動させることが可能であり得るが、本発明の合成技法は、デオキシヌクレオチド(dNTP)の、合成されているオリゴヌクレオチドメモリ鎖に対する比を調整し、新生メモリ鎖へのdNTPの曝露時間を制御することによって、平均ホモポリマートラクト長を効果的に制御することができる。ホモポリマートラクトの長さは、読み出し技術に最適化され得る;最も高いデータ記憶密度は、単一ヌクレオチドの読み出し分解能で達成されるが、最も高い読み出しスピードおよび精度は、ヌクレオチドビットのサイズを、所与の配列決定技術について最小限の検出可能な長さ(例えば、2~10ヌクレオチド)に拡張させることによって達成される。 Consistent homopolymer tract length is not essential to the systems and methods of the invention since only the transitions between individual tracts need to be recognized. Although tract length may be allowed to vary, the synthesis techniques of the invention effectively control the average homopolymer tract length by adjusting the ratio of deoxynucleotides (dNTPs) to the oligonucleotide memory strand being synthesized and controlling the exposure time of dNTPs to the nascent memory strand. The length of the homopolymer tract can be optimized for the readout technology; the highest data storage density is achieved with single nucleotide readout resolution, while the highest readout speed and accuracy is achieved by extending the size of the nucleotide bit to the minimum detectable length (e.g., 2-10 nucleotides) for a given sequencing technology.

ナノポア配列決定を使用する本発明のシステムおよび方法は、鎖の一方の末端または両方の末端上に含まれるストッパー(例えば、ヘアピンまたは高分子付属物)などの専門化されたメモリ鎖構築物を使用し得る。他のナノポアベースの方法では、メモリ鎖は、隣接するナノポア間で環状化され得、通り抜け得る。 Systems and methods of the invention using nanopore sequencing may use specialized memory strand constructs, such as stoppers (e.g., hairpins or polymeric appendages) included on one or both ends of the strand. In other nanopore-based methods, the memory strand may be circularized and threaded between adjacent nanopores.

本発明のある特定の態様は、核酸メモリ鎖を使用してデータを記録する方法を含む。この方法のステップは、データセットを表すin-silicoオリゴヌクレオチド配列を創出するステップを含み得、ここで、オリゴヌクレオチド配列の各ヌクレオチドは、前記データセットの単位に対応する。次いで、複数のホモポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖が合成され得、ここで、各ホモポリマートラクトは、オリゴヌクレオチド配列のヌクレオチドに対応する。複数のホモポリマートラクトは、3と10との間の反復したヌクレオチドを含み得る。前記データセットの各単位は、特定の適用のために所望により、基数2、基数3、基数4またはそれよりも高い基数で示され得る。 Certain aspects of the invention include a method of recording data using a nucleic acid memory strand. The steps of the method may include creating an in-silico oligonucleotide sequence representing a data set, where each nucleotide of the oligonucleotide sequence corresponds to a unit of the data set. A nucleic acid memory strand may then be synthesized that includes a plurality of homopolymer tracts, where each homopolymer tract corresponds to a nucleotide of the oligonucleotide sequence. The plurality of homopolymer tracts may include between 3 and 10 repeated nucleotides. Each unit of the data set may be represented by a base 2, base 3, base 4 or higher base, as desired for a particular application.

ある特定の実施形態では、核酸メモリ鎖は、少なくとも約200ヌクレオチド長~約5,000ヌクレオチド長であり得る。合成するステップは、dNTP濃度を変動させることによってホモポリマー長を制御することを含み得る。この方法のステップは、核酸メモリ鎖の第1の末端を修飾して、ナノポア配列決定システムのナノポアを介した第1の末端の通過を防止するステップ;核酸メモリ鎖の第2の末端を、ナノポアを介して通過させるステップ;および核酸メモリ鎖の第2の末端を修飾して、ナノポアを介した第2の末端の通過を防止するステップを含み得る。 In certain embodiments, the nucleic acid memory strand can be at least about 200 nucleotides long to about 5,000 nucleotides long. The synthesizing step can include controlling the homopolymer length by varying the dNTP concentration. The steps of the method can include modifying a first end of the nucleic acid memory strand to prevent passage of the first end through a nanopore of a nanopore sequencing system; passing a second end of the nucleic acid memory strand through the nanopore; and modifying a second end of the nucleic acid memory strand to prevent passage of the second end through the nanopore.

他の実施形態は、設定された数のヌクレオチドアナログのコーディング能をさらに増加させるために、規定された化学量論または組成のヘテロポリマートラクトから構成されるメモリ鎖を使用し得る。さらなる実施形態は、構造が類似しているが、異なる条件、例えば、紫外光もしくは可視光、酸化剤もしくは還元剤、アルカリ性もしくは酸性pH、または配列特異的ヌクレアーゼの下で除去され得るリンカーを用いるヌクレオチドアナログを使用し、それにより、適用可能なプロセスの知識なしに、それらに対してデータを隠蔽することによって、メモリ鎖中にエンコードされたデータを保護することを目指し得る。 Other embodiments may use memory strands composed of heteropolymer tracts of defined stoichiometry or composition to further increase the coding capacity of a set number of nucleotide analogs. Further embodiments may aim to protect the data encoded in the memory strands by using nucleotide analogs that are similar in structure but employ linkers that can be removed under different conditions, e.g., ultraviolet or visible light, oxidizing or reducing agents, alkaline or acidic pH, or sequence-specific nucleases, thereby concealing the data to them without knowledge of the applicable process.

データセットは、テキストファイル、画像ファイルおよび音声ファイルからなる群より選択され得る。合成するステップは、鋳型非依存的合成を含み得る。ある特定の実施形態では、ヌクレオチジルトランスフェラーゼ酵素が、前記鋳型非依存的合成を触媒するために使用され得る。一部の実施形態では、ポリメラーゼシータが、前記鋳型非依存的合成を触媒するために使用され得る。 The data set may be selected from the group consisting of a text file, an image file, and an audio file. The synthesizing step may include template-independent synthesis. In certain embodiments, a nucleotidyl transferase enzyme may be used to catalyze the template-independent synthesis. In some embodiments, polymerase theta may be used to catalyze the template-independent synthesis.

本発明の態様は、核酸メモリ鎖からデータを読み取る方法を含み得る。この方法のステップは、複数のホモポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖を配列決定するステップと、核酸メモリ鎖配列を、デジタル化されたデータに変換するステップであって、複数のホモポリマートラクトの各々が、データの単位に対応するヌクレオチドを示す、ステップと、データのデジタル化されたピースを可読フォーマットに変換するステップとを含み得る。この方法のステップは、可読フォーマットを表示するステップを含み得る。複数のホモポリマートラクトは、約2ヌクレオチドと約10ヌクレオチドとの間の反復を含み得る。核酸メモリ鎖は、少なくとも約200ヌクレオチド長と約5,000ヌクレオチド長との間であり得る。 Aspects of the invention may include a method of reading data from a nucleic acid memory strand. The steps of the method may include sequencing a nucleic acid memory strand including a plurality of homopolymer tracts, converting the nucleic acid memory strand sequence into digitized data, each of the plurality of homopolymer tracts representing nucleotides corresponding to a unit of data, and converting the digitized piece of data into a readable format. The steps of the method may include displaying the readable format. The plurality of homopolymer tracts may include repeats of between about 2 and about 10 nucleotides. The nucleic acid memory strand may be between about 200 and about 5,000 nucleotides in length.

種々の実施形態では、配列決定するステップは、ナノポア配列決定、合成による配列決定、または質量分析を含み得る。配列決定するステップ、転換するステップおよび変換するステップは、核酸メモリ鎖に対して1または複数回反復され得る。 In various embodiments, the sequencing step may include nanopore sequencing, sequencing by synthesis, or mass spectrometry. The sequencing, converting, and converting steps may be repeated one or more times on the nucleic acid memory strand.

特定の実施形態では、例えば以下の項目が提供される。
(項目1)
複数の核酸メモリ鎖を合成する方法であって、
2つまたはそれよりも多くの基材連結核酸のアレイに、前記基材連結核酸の各々への活性化エネルギーのアドレス可能な送達を提供するステップと、
複数の遮断されたヌクレオチドアナログおよび鋳型非依存的ポリメラーゼの存在下で、前記基材連結核酸の1つまたは複数に、アドレス可能な活性化エネルギーを送達することによって、前記基材連結核酸の1つまたは複数を、2つまたはそれよりも多くの反復するヌクレオチドのホモポリマートラクトで伸長させるステップであって、前記鋳型非依存的ポリメラーゼが、遮断されていないヌクレオチドアナログを取り込むが、遮断されたヌクレオチドアナログは取り込まず、前記アドレス可能な活性化エネルギーが、前記遮断されたヌクレオチドアナログを、遮断されていないヌクレオチドアナログに変換する、ステップと
を含む方法。
(項目2)
前記遮断されたヌクレオチドアナログが、遮断基の除去によって、遮断されていないヌクレオチドアナログに変換される、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記アドレス可能な活性化エネルギーが、光、還元条件、pH変化または熱を含む、項目1に記載の方法。
(項目4)
除去可能な前記遮断基が、前記遮断されたヌクレオチドアナログの3’-OHにある、項目2に記載の方法。
(項目5)
除去可能な前記遮断基が、前記ヌクレオチドアナログのプリン塩基またはピリミジン塩基上にある、項目2に記載の方法。
(項目6)
前記遮断されたヌクレオチドアナログが、ヌクレオチド三リン酸のデオキシリボースまたはリボースの3’-OH上の除去可能な遮断基および前記ヌクレオチドアナログのプリン塩基またはピリミジン塩基上の除去不能な修飾を含む、項目1に記載の方法。
(項目7)
前記複数の遮断されたヌクレオチドアナログが、除去可能な3’-O-遮断基と、同じ核酸塩基の修飾ヌクレオチドアナログ間の区別を可能にする2つまたはそれよりも多くの除去不能な分子修飾とを含む、前記同じ核酸塩基の修飾ヌクレオチドである、項目1に記載の方法。
(項目8)
前記伸長を停止させるステップと、
別の複数の遮断されたヌクレオチドアナログおよび前記鋳型非依存的ポリメラーゼの存在下で、前記ホモポリマートラクトに、アドレス可能な活性化エネルギーを送達することによって、前記ホモポリマートラクトを、2つまたはそれよりも多くの反復するヌクレオチドのさらなるホモポリマートラクトで伸長させるステップと
をさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目9)
前記伸長が、前記ホモポリマートラクトについての所望の長さを得るために、所定の長さの時間の後に停止される、項目8に記載の方法。
(項目10)
伸長の速度が、前記遮断されたヌクレオチドアナログへの修飾によって調節される、項目1に記載の方法。
(項目11)
速度調節修飾が、伸長後に前記ホモポリマートラクトから除去される、項目10に記載の方法。
(項目12)
速度調節修飾が、伸長の間に除去される、項目1に記載の方法。
(項目13)
前記ホモポリマートラクトの前記反復するヌクレオチドが、2と約10との間である、項目1に記載の方法。
(項目14)
前記停止させるステップおよび前記伸長させるステップを反復して、核酸メモリ鎖を合成するステップをさらに含む、項目8に記載の方法。
(項目15)
前記核酸メモリ鎖が、約200ヌクレオチド長~約5,000ヌクレオチド長である、項目14に記載の方法。
(項目16)
所定の濃度の前記遮断されたヌクレオチドアナログが、前記ホモポリマートラクトについての所望の長さを得るために、前記伸長させるステップにおいて提供される、項目1に記載の方法。
(項目17)
前記ホモポリマートラクトおよび前記さらなるホモポリマートラクトが、異なる核酸塩基を含む、項目8に記載の方法。
(項目18)
前記核酸メモリ鎖が、テキストファイル、画像ファイルおよび音声ファイルからなる群より選択されるデータセットをエンコードする、項目14に記載の方法。
(項目19)
前記データセットの可読フォーマットを表示するステップをさらに含む、項目18に記載の方法。
(項目20)
データの単位が、基数2で示される、項目14に記載の方法。
(項目21)
データの単位が、基数3で示される、項目14に記載の方法。
(項目22)
データの単位が、基数4で示される、項目14に記載の方法。
(項目23)
データの単位が、基数4よりも大きい基数で示される、項目14に記載の方法。
(項目24)
前記データが、メモリ鎖合成の個々のステップにおけるデケージングの程度または得られたトラクト長によって示される、項目14に記載の方法。
(項目25)
前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、DNA配列決定によって読み取られる、項目14に記載の方法。
(項目26)
前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、ナノポアを介した前記核酸メモリ鎖の通過によって読み取られる、項目14に記載の方法。
本発明の他の態様は、以下の図面および詳細な説明を考慮して、当業者に明らかである。
In certain embodiments, for example, the following items are provided:
(Item 1)
1. A method for synthesizing a plurality of nucleic acid memory strands, comprising:
providing an array of two or more substrate-linked nucleic acids with addressable delivery of activation energy to each of said substrate-linked nucleic acids;
extending one or more of the substrate-linked nucleic acids with a homopolymeric tract of two or more repeating nucleotides by delivering an addressable activation energy to one or more of the substrate-linked nucleic acids in the presence of a plurality of blocked nucleotide analogs and a template-free polymerase, wherein the template-free polymerase incorporates unblocked nucleotide analogs but not blocked nucleotide analogs, and the addressable activation energy converts the blocked nucleotide analogs to unblocked nucleotide analogs;
The method includes:
(Item 2)
2. The method of claim 1, wherein the blocked nucleotide analog is converted to an unblocked nucleotide analog by removal of the blocking group.
(Item 3)
2. The method of claim 1, wherein the addressable activation energy comprises light, reducing conditions, a pH change, or heat.
(Item 4)
3. The method of claim 2, wherein the removable blocking group is at the 3'-OH of the blocked nucleotide analog.
(Item 5)
3. The method of claim 2, wherein the removable blocking group is on a purine or pyrimidine base of the nucleotide analogue.
(Item 6)
2. The method of claim 1, wherein the blocked nucleotide analog comprises a removable blocking group on the 3'-OH of the deoxyribose or ribose of a nucleotide triphosphate and a non-removable modification on a purine or pyrimidine base of the nucleotide analog.
(Item 7)
2. The method of claim 1, wherein the multiple blocked nucleotide analogs are modified nucleotides of the same nucleobase comprising a removable 3'-O-blocking group and two or more non-removable molecular modifications that allow for discrimination between modified nucleotide analogs of the same nucleobase.
(Item 8)
stopping the elongation;
extending the homopolymer tract with an additional homopolymer tract of two or more repeating nucleotides by delivering an addressable activation energy to the homopolymer tract in the presence of another plurality of blocked nucleotide analogs and the template-independent polymerase;
2. The method of claim 1, further comprising:
(Item 9)
9. The method of claim 8, wherein the extension is stopped after a predetermined amount of time to obtain a desired length for the homopolymer tract.
(Item 10)
2. The method of claim 1, wherein the rate of extension is regulated by modifications to the blocked nucleotide analog.
(Item 11)
11. The method of claim 10, wherein the rate controlling modifications are removed from the homopolymer tract after elongation.
(Item 12)
2. The method of claim 1, wherein the rate-regulating modification is removed during elongation.
(Item 13)
2. The method of claim 1, wherein the repeating nucleotides of the homopolymer tract are between 2 and about 10.
(Item 14)
9. The method of claim 8, further comprising repeating the terminating and extending steps to synthesize a nucleic acid memory strand.
(Item 15)
15. The method of claim 14, wherein the nucleic acid memory strand is about 200 nucleotides to about 5,000 nucleotides in length.
(Item 16)
2. The method of claim 1, wherein a predetermined concentration of the blocked nucleotide analog is provided in the extending step to obtain a desired length for the homopolymer tract.
(Item 17)
9. The method of claim 8, wherein the homopolymer tract and the further homopolymer tract comprise different nucleobases.
(Item 18)
15. The method of claim 14, wherein the nucleic acid memory strand encodes a data set selected from the group consisting of a text file, an image file, and an audio file.
(Item 19)
20. The method of claim 18, further comprising the step of displaying a readable format of the data set.
(Item 20)
Item 15. The method according to item 14, wherein the unit of data is expressed in base 2.
(Item 21)
Item 15. The method according to item 14, wherein the unit of data is expressed in base 3.
(Item 22)
Item 15. The method according to item 14, wherein the unit of data is expressed in base 4.
(Item 23)
15. The method according to claim 14, wherein the units of data are represented in a base greater than base 4.
(Item 24)
15. The method of claim 14, wherein the data is represented by the degree of decaging or the resulting tract length at individual steps of memory chain synthesis.
(Item 25)
15. The method of claim 14, wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is read by DNA sequencing.
(Item 26)
15. The method of claim 14, wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is read by passage of the nucleic acid memory strand through a nanopore.
Other aspects of the invention will be apparent to those skilled in the art in view of the following figures and detailed description.

図1は、ホモポリマートラクトを形成するために使用される酵素的合成サイクルを示す。FIG. 1 shows the enzymatic synthesis cycle used to form homopolymer tracts.

図2は、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖を合成する方法を示す。FIG. 2 shows a method for synthesizing a nucleic acid memory strand having a homopolymer tract.

図3は、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖からデータを読み取る方法を示す。FIG. 3 illustrates a method for reading data from a nucleic acid memory strand having a homopolymer tract.

図4は、鎖/GBとホモポリマー長および鎖長との関連性を示す。FIG. 4 shows the relationship between chains/GB and homopolymer length and chain length.

図5は、メモリ鎖中の識別可能なヌクレオチドアナログの数の関数としての、500個のポリマートラクトから構成されるDNA鎖中にエンコードされ得るデータを示す。FIG. 5 shows the data that can be encoded in a DNA strand composed of 500 polymer tracts as a function of the number of distinguishable nucleotide analogs in the memory strand.

図6は、本発明のナノポアトラップされた核酸メモリ鎖を示す。FIG. 6 shows a nanopore trapped nucleic acid memory strand of the present invention.

図7は、処理条件に応答して、ホモポリマートラクトの鎖内にエンコードされたデータを変化させるためのスキームを示す。FIG. 7 shows a scheme for varying the data encoded within a chain of homopolymer tracts in response to processing conditions.

図8は、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖を合成するためのシステムを示す。FIG. 8 shows a system for synthesizing nucleic acid memory strands having homopolymer tracts.

図9は、ナノウェルのアレイ上でのホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖の並行合成のためのシステムを示す。FIG. 9 shows a system for parallel synthesis of nucleic acid memory strands having homopolymer tracts on an array of nanowells.

図10は、システム内に出現し得るコンポーネントのより詳細な概略図を与える。FIG. 10 provides a more detailed schematic diagram of components that may appear in the system.

図11は、2つの異なる塩基組成のホモポリマートラクトの酵素的に媒介された合成の分析を示す。FIG. 11 shows an analysis of the enzymatically mediated synthesis of homopolymer tracts of two different base compositions.

図12は、文字テキストを12ビットの核酸配列に変換するためのプロセスを示す。FIG. 12 shows the process for converting character text to a 12-bit nucleic acid sequence.

図13は、12サイクルの酵素的合成のポリアクリルアミドゲル電気泳動(PAGE)分析を示す。FIG. 13 shows polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) analysis of 12 cycles of enzymatic synthesis.

図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bits of homopolymer addition. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bits of homopolymer addition. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bit homopolymer additions. 図14A~Lは、12ビットのホモポリマー付加の各々について実験的に見出されたホモポリマー分布を示す。14A-L show the homopolymer distributions found experimentally for each of the 12 bits of homopolymer addition.

図15は、ホモポリマーエンコードされた情報ポリマーの鋳型非依存的DNAポリメラーゼ媒介性合成のためのサイクルステップを例示する。FIG. 15 illustrates the cycle steps for template-independent DNA polymerase-mediated synthesis of homopolymer-encoded information polymers.

図16は、液体反応液滴を隔離する疎水性パターン形成を示す、反応ゾーンの2Dアレイ中の典型的な反応ゾーンの側面図を示す。FIG. 16 shows a side view of a typical reaction zone in a 2D array of reaction zones, showing the hydrophobic patterning that isolates the liquid reaction droplets.

図17は、制御されたヒーター要素または電気化学的要素を備える反応ゾーンの側面図を示す。FIG. 17 shows a side view of a reaction zone with a controlled heating element or electrochemical element.

図18は、光透過性の上部カバーを示す反応ゾーンを示す。FIG. 18 shows the reaction zone showing the light-transmitting top cover.

図19は、酵素的DNA合成のアドレス可能な光活性化に有用な例示的な装置を示す。FIG. 19 shows an exemplary device useful for addressable photoactivation of enzymatic DNA synthesis.

図20は、3’-O-(2-ニトロ)-ベンジルdATPのUV光デケージング(UV light decaging)の動態を示す。FIG. 20 shows the kinetics of UV light decaging of 3'-O-(2-nitro)-benzyl dATP.

図21は、光学的に制御されたオリゴヌクレオチド伸長を示す。3’-オルトニトロベンジルdATPを含有する酵素反応混合物を、曝露時間がデケージングの量を制御するように、種々の区間にわたって、低出力光源で照射した。形成された使用可能な天然のdATPの量は、次に、ポリヌクレオチドトラクトの平均長さを制御した。21 shows optically controlled oligonucleotide extension. Enzyme reaction mixtures containing 3'-orthonitrobenzyl dATP were illuminated with a low power light source over various intervals such that the exposure time controlled the amount of decaging. The amount of available native dATP formed then controlled the average length of the polynucleotide tract.

図22は、二色光媒介性デケージングを可能にする3’-O-ケージング修飾の構造を示す。FIG. 22 shows the structures of 3'-O-caging modifications that enable bichromatic light-mediated decaging.

図23は、3’-O-(2-ニトロ)-ベンジルdATPおよびdCTP、dGTP、dTTPを使用した12サイクルのホモポリマー合成の各々のゲル電気泳動分析を示す。FIG. 23 shows gel electrophoretic analysis of each of the 12 cycles of homopolymer synthesis using 3'-O-(2-nitro)-benzyl dATP and dCTP, dGTP, and dTTP.

図24は、取り込み調節dNTPアナログを未修飾のdNTPと比較する酵素的合成反応の電気泳動分析を示す。FIG. 24 shows an electrophoretic analysis of an enzymatic synthesis reaction comparing incorporation-modulated dNTP analogs with unmodified dNTPs.

図25は、2回の連続的サイクルの取り込み速度調節dNTPアナログの電気泳動分析を示す。修飾されたアナログを使用してN+1ホモポリマーを形成し、次いでその後に、N+2ホモポリマーの付加が続いた。ホモポリマー合成速度調節修飾を、ゲル分析前に、オリゴヌクレオチドから除去した。25 shows electrophoretic analysis of two successive cycles of incorporation rate-modulating dNTP analogs. The modified analog was used to form an N+1 homopolymer, followed by addition of an N+2 homopolymer. The homopolymer synthesis rate-modifying modifications were removed from the oligonucleotides prior to gel analysis.

図26は、ホモポリマー速度調節アナログ取り込みと、その後の第2のサイクルのホモポリマー速度調節アナログ取り込みとを示すTdT伸長反応の電気泳動図を示す。修飾ヌクレオチドの後に、連続した修飾ヌクレオチドが続く。26 shows an electropherogram of a TdT extension reaction showing homopolymeric rate controlling analog incorporation followed by a second cycle of homopolymeric rate controlling analog incorporation, where the modified nucleotide is followed by consecutive modified nucleotides.

図27は、情報ポリマー組成に使用した修飾されたdNTPアナログを示す。FIG. 27 shows the modified dNTP analogs used in the information polymer composition.

図28は、修飾ヌクレオチドから構成される情報ポリマーの電気泳動分析を示す。FIG. 28 shows an electrophoretic analysis of information polymers composed of modified nucleotides.

図29は、ナノポアを介したトランスロケーションによる、修飾ヌクレオチドから構成される情報ポリマー(P71)の検出を示す。FIG. 29 shows detection of an information polymer (P71) composed of modified nucleotides by translocation through a nanopore.

図30は、ナノポアを介したトランスロケーションによる、修飾ヌクレオチドから構成される情報ポリマー(86B)の検出を示す。FIG. 30 shows detection of an information polymer (86B) composed of modified nucleotides by translocation through a nanopore.

詳細な説明
本発明は、デジタルデータの単位に対応するホモポリマートラクトを有する核酸にデータを書き込むためおよびかかる核酸からデータを読み取るためのシステムおよび方法を提示する。データエンコーディング配列中の各ヌクレオチドを反復させる(例えば、3~10回)ことによって、配列決定読み取りにおいて、ホモポリマートラクト間の遷移が観察される必要があるだけであり、それが、核酸データ記憶におけるより安価な遂行を生じ得るより低い忠実度でよりハイスループットの配列決定技法を可能にする。核酸ホモポリマートラクトメモリ鎖を合成することの利点は、以下である:1)読み出しのためのハイスループットの長い読み取りのDNA配列決定技術の使用を可能にする、非常に長い(5~10kb)鎖を作製する能力、2)配列決定読み出し技術におけるエラーを許容する能力、および3)従来の化学的合成方法のものよりもはるかに少ないコストで核酸メモリ鎖を作製する能力。ホモポリマー核酸メモリ鎖の使用は、鋳型非依存的TdT酵素またはポリメラーゼシータを使用して効率的に産生され得る長い(例えば、5~10kb)鎖において最良に実現され、ここで、ホモポリマートラクト長は、曝露時間、およびdNTPのポリヌクレオチドメモリ鎖に対する比を変更することによって制御され得る。
DETAILED DESCRIPTION The present invention presents systems and methods for writing data to and reading data from nucleic acids having homopolymer tracts that correspond to units of digital data. By repeating each nucleotide in the data encoding sequence (e.g., 3-10 times), only the transitions between homopolymer tracts need to be observed in the sequencing read, which allows for lower fidelity, but higher throughput sequencing techniques that may result in cheaper implementation in nucleic acid data storage. The advantages of synthesizing nucleic acid homopolymer tract memory strands are: 1) the ability to make very long (5-10 kb) strands that allow the use of high throughput, long read DNA sequencing techniques for readout, 2) the ability to tolerate errors in the sequencing readout techniques, and 3) the ability to make nucleic acid memory strands at a much lower cost than that of traditional chemical synthesis methods. The use of homopolymeric nucleic acid memory strands is best realized in long (e.g., 5-10 kb) strands that can be efficiently produced using template-independent TdT enzymes or polymerase theta, where the homopolymer tract length can be controlled by varying the exposure time and ratio of dNTPs to polynucleotide memory strands.

酵素的に媒介されるアプローチによる、データをエンコードするためのホモポリマーの合成は、ターミネーターではない天然または修飾ヌクレオチド三リン酸を使用することによって容易に達成され、DNA合成の最も単純で最も迅速な方法が可能となる。1つの天然または修飾ヌクレオチド三リン酸を、ヌクレオチジルトランスフェラーゼを有する反応ゾーンに送達し、反応が起こり、次いで、緩衝液で洗浄することによって除去して、図1に例示されるデータ記憶の1回の「書き込み」サイクルを完了する。データ鎖合成は、毒性化学物質も有害化学物質も伴わずに、完全に水性の環境中で生じ、したがって、大規模データ記憶センターに適切な実用的なデバイスを可能にする。 Synthesis of homopolymers for encoding data by an enzymatically mediated approach is easily accomplished by using non-terminator natural or modified nucleotide triphosphates, allowing the simplest and most rapid method of DNA synthesis. One natural or modified nucleotide triphosphate is delivered to a reaction zone with nucleotidyl transferase, the reaction occurs, and then removed by washing with a buffer to complete one "write" cycle of data storage as illustrated in Figure 1. Data strand synthesis occurs in a completely aqueous environment without toxic or harmful chemicals, thus enabling a practical device suitable for large-scale data storage centers.

図2は、ある特定の実施形態に従う、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖を合成する方法101を示す。方法101は、データセットを表すin-silicoオリゴヌクレオチド配列を創出するステップ103を含む。データセットは、テキスト、画像、ビデオ、音声、またはデジタル化され得る情報の任意の他のピースを示し得る、デジタル化されたデータを含み得る。オリゴヌクレオチド配列は、任意の数の天然もしくは修飾ヌクレオチドまたはそれらのアナログを含み得、メモリ鎖において使用される独自のヌクレオチドまたはアナログの数に依存して、基数2、基数3、基数4またはそれよりも大きい基数のスキームを使用して、データセットをエンコードし得る。単純な実施形態では、エンコーディングスキームは、一連の0および1によって従来通りに示される二進法データスキームに対応し得、ここで、1つまたは複数のヌクレオチドまたはアナログは、0に対応し得、1つまたは複数の他のヌクレオチドは、1に対応し得る。次いで、in silicoオリゴヌクレオチド配列中のヌクレオチドに各々が順序正しく対応する一連のホモポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖(例えば、RNA、一本鎖または二本鎖DNA)が、合成105され得る。ある特定の実施形態では、さらなるステップは、メモリ鎖の一方の末端を修飾するステップ107、ナノポアを介してメモリ鎖を通り抜けさせるステップ109、およびナノポアを介して末端が通過しないようにするために、鎖の他方の末端を修飾するステップ111を含む。 2 shows a method 101 of synthesizing a nucleic acid memory strand having homopolymer tracts according to certain embodiments. The method 101 includes a step 103 of creating an in-silico oligonucleotide sequence representing a data set. The data set may include digitized data that may represent text, images, video, audio, or any other piece of information that may be digitized. The oligonucleotide sequence may include any number of natural or modified nucleotides or their analogs, and may encode the data set using a base 2, base 3, base 4, or higher base scheme, depending on the number of unique nucleotides or analogs used in the memory strand. In a simple embodiment, the encoding scheme may correspond to a binary data scheme conventionally represented by a series of 0s and 1s, where one or more nucleotides or analogs may correspond to 0 and one or more other nucleotides may correspond to 1. A nucleic acid memory strand (e.g., RNA, single-stranded or double-stranded DNA) may then be synthesized 105 that includes a series of homopolymer tracts that each correspond in order to a nucleotide in the in silico oligonucleotide sequence. In certain embodiments, further steps include modifying one end of the memory strand (step 107), passing the memory strand through the nanopore (step 109), and modifying the other end of the strand (step 111) to prevent the end from passing through the nanopore.

図3は、ホモポリマートラクトを有する核酸メモリ鎖からデータを読み取る方法203を示す。方法203のステップは、核酸メモリ鎖中の一連のホモポリマートラクトを配列決定するステップ203、配列をデータセットに変換するステップ205、データセットを可読フォーマット(例えば、画像、ビデオ、音声クリップ、またはテキストのピース)に変換するステップ、およびその可読フォーマットのデータを必要に応じて(例えば、モニター上に、またはプリンターもしくは他の入力/出力デバイスを使用して)表示するステップ209を含む。 Figure 3 shows a method 203 for reading data from a nucleic acid memory strand having homopolymer tracts. The steps of the method 203 include sequencing 203 a series of homopolymer tracts in the nucleic acid memory strand, converting 205 the sequence into a data set, converting the data set into a readable format (e.g., an image, video, audio clip, or piece of text), and displaying 209 the readable format data as desired (e.g., on a monitor or using a printer or other input/output device).

好ましくは、本発明のシステムおよび方法は、一本鎖または二本鎖のいずれかであり、かつ天然に存在し得る、または化学的もしくは酵素的合成によって生成され得るDNAの長い鎖(5~10kb)を使用する。ある特定の実施形態では、核酸メモリ鎖は、2~10、3~10、4~10ヌクレオチドまたはそれよりも長い場合がある一連のホモポリマートラクトを創出するために、TdTを使用して酵素的に生成され得る。ホモポリマートラクトは各々、アデニン(A)、グアニン(G)、シトシン(C)またはチミン(T)からなり得る。交互になったホモポリマートラクトの配列が、メモリ鎖中に記憶されるデータをエンコードするために使用され得る。 Preferably, the systems and methods of the invention use long strands of DNA (5-10 kb) that are either single-stranded or double-stranded and can occur naturally or can be produced by chemical or enzymatic synthesis. In certain embodiments, the nucleic acid memory strands can be enzymatically generated using TdT to create a series of homopolymer tracts that can be 2-10, 3-10, 4-10 nucleotides or longer. The homopolymer tracts can each consist of adenine (A), guanine (G), cytosine (C), or thymine (T). The sequence of alternating homopolymer tracts can be used to encode the data to be stored in the memory strand.

各ヌクレオチドホモポリマートラクトは、使用される塩基の数に依存して、種々の量のデータを示すことができる。1バイト(10進数で256)を構成するために要求されるビットの数は、以下の関係によって規定される:#ビット/バイト=8/(log2(n))、式中、n=使用される基数。各トラクトは、2塩基エンコーディングが使用される場合には1ビットに対応し得、または4塩基エンコーディングが使用される場合には1バイトの1/4に対応し得る。ある特定の実施形態では、DNAデータ鎖は、(基数2のデータセット表示を使用して)2~10ヌクレオチドのホモポリマートラクトから構成され得、これは、999塩基長と1000塩基長との間のメモリ鎖中に333ビット~100ビットが示されるのを可能にする。好ましい実施形態では、データの核酸塩基エンコーディングは、1つのヌクレオチドの単一のホモポリマートラクトが、異なるヌクレオチドのホモポリマートラクトに常に隣接するようなエンコーディングであり得る。例えば、エンコーディングは、アデニンのホモポリマートラクトに、別のアデニンホモポリマートラクトが直前に先行することも直後に続くこともないようなエンコーディングであり得る。2つの隣接するホモポリマートラクトが同じヌクレオチドを含む場合、エンコードされたデータ配列中の単一のヌクレオチドを示す平均ホモポリマートラクトよりも測定可能に長いホモポリマートラクトが合成され得る。これらのより長いトラクトは、例えば、反応中のdNTPの濃度を増加させること、または反応時間を増加させることによる、以下に記載される合成反応の操作を介して創出され得る。2つの隣接する同一のホモポリマートラクトの正確な長さは、読み出しデバイス(すなわち、ナノポアシーケンサー)を使用して単一のホモポリマートラクトから一義的に識別されるのに十分に長いことだけが必要である。ある特定の実施形態では、非ヌクレオチドホモポリマースペーサーが、隣接する同じヌクレオチドホモポリマートラクトを互いから明確に識別するために、A、G、CまたはTホモポリマートラクト間に追加され得る。A、G、CおよびTホモポリマートラクトの使用は、2つのヌクレオチドを単純に使用する(二進法コード中の0および1と同様)のではなく、1つの連続する鎖中に記憶され得るデータの密度を増加させる、4ビットのエンコーディング空間の創出を可能にする。例えば、4つの連続するホモポリマートラクトは、A、G、CおよびTが基数4のスキームにおいて使用される場合、256の数(すなわち、1バイト)をエンコードし得る。かかる実施形態では、3ヌクレオチド長のホモポリマートラクトまたは10ヌクレオチド長のホモポリマートラクトをそれぞれ使用した場合、996または1000ヌクレオチド長の核酸メモリ鎖中に83バイトまたは25バイトが示される。 Each nucleotide homopolymer tract can represent various amounts of data depending on the number of bases used. The number of bits required to compose one byte (256 decimal) is defined by the following relationship: #bits/byte=8/(log2(n)), where n=the base used. Each tract can correspond to one bit if a 2-base encoding is used, or 1/4 of a byte if a 4-base encoding is used. In certain embodiments, DNA data strands can be composed of homopolymer tracts of 2-10 nucleotides (using a base 2 data set representation), allowing 333 bits to 100 bits to be represented in memory strands between 999 and 1000 bases long. In a preferred embodiment, the nucleobase encoding of the data can be such that a single homopolymer tract of one nucleotide is always adjacent to a homopolymer tract of a different nucleotide. For example, the encoding can be such that a homopolymer tract of adenine is never immediately preceded or immediately followed by another homopolymer tract of adenine. When two adjacent homopolymer tracts contain the same nucleotide, homopolymer tracts that are measurably longer than the average homopolymer tract representing a single nucleotide in the encoded data sequence can be synthesized. These longer tracts can be created through manipulation of the synthesis reaction described below, for example, by increasing the concentration of dNTPs in the reaction or increasing the reaction time. The exact length of the two adjacent identical homopolymer tracts need only be long enough to be uniquely distinguished from a single homopolymer tract using a readout device (i.e., a nanopore sequencer). In certain embodiments, a non-nucleotide homopolymer spacer can be added between the A, G, C, or T homopolymer tracts to clearly distinguish adjacent same nucleotide homopolymer tracts from each other. The use of A, G, C, and T homopolymer tracts allows for the creation of a 4-bit encoding space, which increases the density of data that can be stored in one continuous strand, rather than simply using two nucleotides (similar to 0 and 1 in a binary code). For example, four consecutive homopolymer tracts can encode 256 numbers (i.e., one byte) when A, G, C, and T are used in a base-4 scheme. In such an embodiment, 83 bytes or 25 bytes are represented in a nucleic acid memory strand 996 or 1000 nucleotides long when using homopolymer tracts 3 or 10 nucleotides long, respectively.

種々の実施形態では、基数8またはさらには基数12のコーディングスキームが、独自に修飾されたヌクレオチドまたは非ヌクレオチドアナログのホモポリマートラクトのメモリ鎖中への取り込みを介して用いられ得る。これらの修飾ヌクレオチドまたは非ヌクレオチドアナログは、ナノポアシーケンサーまたは単一分子ZMWシーケンサーなどの読み出しデバイスで、独自のデジタルシグナルを生成するはずである。以下で議論されるTdTは、ナノポアなどの読み出しデバイスによって提供されるシグナルを増強し得、したがって、それらの中にデータがエンコードされた核酸メモリ鎖を生成するために使用され得る、広範な修飾されたdNTPアナログを取り込むことができる。修飾ヌクレオチド(例えば、A、G、CおよびTまたはA**、G**、C**およびT**)のホモポリマーは、8ビットまたはさらには12ビットのエンコーディングスキームを生成するために、TdTおよび4つの塩基の各々の修飾されたdNTPアナログ(例えば、dATPまたはdA**TP)を使用して合成され得る。より高い基数(n)のエンコーディングは、データ圧縮を可能にし、所与の量の情報をエンコードするために要求されるDNA鎖の数における低減を生じる。図4に例示されるような、ホモポリマートラクトの長さの関数としての1GBのデータ当たりのDNA鎖の数、基数(n)、および合成された鎖長を決定する関係は、以下によって規定される:#鎖/GB=(8/(log2(n))109*ホモポリマー長1/鎖長。 In various embodiments, base-8 or even base-12 coding schemes can be used through the incorporation of homopolymeric tracts of uniquely modified nucleotides or non-nucleotide analogs into the memory strand. These modified nucleotides or non-nucleotide analogs should generate unique digital signals on a readout device such as a nanopore sequencer or a single molecule ZMW sequencer. TdT, discussed below, can incorporate a wide range of modified dNTP analogs that can enhance the signal provided by a readout device such as a nanopore and thus can be used to generate nucleic acid memory strands with data encoded therein. Homopolymers of modified nucleotides (e.g., A * , G * , C * and T * or A ** , G ** , C ** and T ** ) can be synthesized using TdT and modified dNTP analogs of each of the four bases (e.g., dA * TP or dA ** TP) to generate 8-bit or even 12-bit encoding schemes. Encoding higher bases (n) allows for data compression, resulting in a reduction in the number of DNA strands required to encode a given amount of information. The relationship that determines the number of DNA strands per GB of data as a function of homopolymer tract length, base (n), and synthesized strand length, as illustrated in Figure 4, is defined by: # strands/GB = (8/(log2(n)) * 109 * homopolymer length * 1/strand length.

独自のホモポリマートラクトの数は、読み出し技術(すなわち、ナノポアまたはZMW単一分子配列決定)が1つのホモポリマートラクトを別のホモポリマートラクトから決定する能力によってのみ制限され得る。ナノポアを介したトランスロケーションの間のイオン電流における変化を検出することによる、未修飾のヌクレオチドから構成されるホモポリマーの検出のいくつかの報告が、文献中に存在する(Venta et al, 2013;Feng et al, 2015)。ナノポア中でのDNAの滞留時間を変更する修飾は、識別可能で特徴的なイオン電流シグナルを生成する。Singer et al 2010およびMorin et al 2016は、ナノポアによる検出を増強するために5kDaまたは10kDaのPEGで官能化された、非共有結合したビスPNAまたはγPNAを使用する。Liu et al 2015は、滞留時間を修飾し、独自のシグナルを生成するために、アダマンチル(adamantly)8-オキソGアナログを選択的に創出した。dATPのN6、dCTPのN4、dGTPのN2またはO6、およびdTTPのO4またはN3において嵩高い修飾を取り込むことに対するTdTの寛容性を考慮すると、これらの位置におけるアシルまたはアルキル(alky)修飾は、ナノポアまたはZMW単一分子配列決定技術の検出モダリティを増強するようにスクリーニングおよび選択され得る。検出は、ナノポアにおける差次的電流遮断を増強する、またはZMW単一分子アプローチにおいてDNAポリメラーゼの活性部位中での修飾ヌクレオチドの滞留時間を増強する修飾ヌクレオチドを介して、改善され得る。他の天然および非天然のプリンおよびピリミジンヌクレオチドアナログは、それらが、ナノポアシーケンサーまたは単一分子ZMWシーケンサーなどの読み出しデバイスで独自のデジタルシグナルを生成する場合に、使用され得る。ピリミジンおよびプリンのそれぞれC5またはC7における修飾は、それらが、ナノポアシーケンサーまたは単一分子ZMWシーケンサーなどの読み出しデバイスで独自のデジタルシグナルを生成する場合に、使用され得る。適切な修飾ヌクレオチド三リン酸は、酵素的伸長ステップの間に迅速に取り込まれるように選択され、検出ステップの間の可能な限り短いホモポリマーと共に、置換特異的滞留時間を提供する。ビットエンコーディング空間を拡張させるために適切なA、G、CおよびT塩基への修飾の例には、これらに限定されないが、N6-ベンゾイルdA、N6-ベンジルdA、N6-アルキルdA、N6-アシルdA、N6-置換アルキルdA、N6-置換アシルdA、N6-アリールアシルdA、N6-置換アリールアシルdA、N2-アルキル-dG、N2-アシルdG、N2-アリールアシルdG、N2-置換アルキルdG、N2-置換アシルdG、N2-置換アリールアシルdG、O6アルキルdG、O4アルキルdT、N3アルキルdT、N3アシルdT、O6置換アルキルdG、O4置換アルキルdT、C5-プロパルギルアミンdT、C5-プロパルギルアミンdC、C7-プロパルギルアミンdA、C7-プロパルギルアミンdG、置換C5-プロパルギルアミンdT、置換C5-プロパルギルアミンdC、置換C7-プロパルギルアミンdA、置換C7-プロパルギルアミンdGが含まれ得る。置換の好ましい実施形態には、これに限定されないが、反応性種のpH、温度および濃度の最も極端な化学的条件下を除き、除去に対して完全に安定な共有結合が含まれる。独自の電流遮断に影響を与えることができる置換には、これらに限定されないが、アルキル、ヘテロ原子置換アルキル、芳香族炭化水素、アルキル置換芳香族炭化水素、ヘテロ原子置換アルキル置換芳香族炭化水素、ヘテロ原子置換芳香族炭化水素、ベンジル、置換ベンジル、またはそれらの組合せが含まれ得る。一部の実施形態では、置換は、2~450のモノマー単位から構成されるポリエチレングリコールであり得る。一部の実施形態では、ペプチドまたはペプトイドから構成される置換は、特異的かつ判別可能な様式でホモポリマーの滞留時間を増加させるのに適切であり得る。TdTなどの鋳型非依存的ポリメラーゼによる修飾ヌクレオチドの取り込みの効率は、Co++、Zn++、Mg++、Mn++、または2つもしくはそれよりも多くの異なる金属イオンの混合物などであるがこれらに限定されない、異なる金属イオン補因子の使用によって調節され得る。各修飾ヌクレオチドは、酵素的ホモポリマー合成の間の最適な性能のために、異なる金属イオンを要求し得る。 The number of unique homopolymer tracts may only be limited by the ability of the readout technology (i.e., nanopore or ZMW single molecule sequencing) to determine one homopolymer tract from another. There are several reports in the literature of detection of homopolymers composed of unmodified nucleotides by detecting changes in ionic current during translocation through a nanopore (Venta et al, 2013; Feng et al, 2015). Modifications that alter the residence time of DNA in the nanopore generate distinguishable and characteristic ionic current signals. Singer et al 2010 and Morin et al 2016 use non-covalently linked bis-PNA or gamma-PNA functionalized with 5 kDa or 10 kDa PEG to enhance detection by nanopores. Liu et al 2015 selectively created adamantly 8-oxo G analogs to modify residence time and generate unique signals. Considering the tolerance of TdT to incorporate bulky modifications at N6 of dATP, N4 of dCTP, N2 or O6 of dGTP, and O4 or N3 of dTTP, acyl or alky modifications at these positions can be screened and selected to enhance the detection modalities of nanopore or ZMW single molecule sequencing technology. Detection can be improved through modified nucleotides that enhance differential current blockade in nanopores or enhance the residence time of modified nucleotides in the active site of DNA polymerase in ZMW single molecule approaches. Other natural and unnatural purine and pyrimidine nucleotide analogs can be used if they generate unique digital signals on readout devices such as nanopore or single molecule ZMW sequencers. Modifications at C5 or C7 of pyrimidines and purines, respectively, can be used if they generate unique digital signals on readout devices such as nanopore or single molecule ZMW sequencers. Suitable modified nucleotide triphosphates are selected to be rapidly incorporated during the enzymatic extension step and provide substitution-specific dwell times with the shortest possible homopolymer during the detection step. Examples of modifications to A, G, C and T bases suitable for expanding the bit encoding space include, but are not limited to, N6-benzoyl dA, N6-benzyl dA, N6-alkyl dA, N6-acyl dA, N6-substituted alkyl dA, N6-substituted acyl dA, N6-arylacyl dA, N6-substituted arylacyl dA, N2-alkyl-dG, N2-acyl dG, N2-arylacyl dG, N2-substituted alkyl dG, N2-substituted acyl dG, N 2-substituted aryl acyl dG, O6 alkyl dG, O4 alkyl dT, N3 alkyl dT, N3 acyl dT, O6 substituted alkyl dG, O4 substituted alkyl dT, C5-propargylamine dT, C5-propargylamine dC, C7-propargylamine dA, C7-propargylamine dG, substituted C5-propargylamine dT, substituted C5-propargylamine dC, substituted C7-propargylamine dA, substituted C7-propargylamine dG. Preferred embodiments of substitutions include covalent bonds that are completely stable to removal, except under the most extreme chemical conditions of pH, temperature and concentration of reactive species. Substitutions that can affect unique current blockages can include, but are not limited to, alkyl, heteroatom-substituted alkyl, aromatic hydrocarbons, alkyl-substituted aromatic hydrocarbons, heteroatom-substituted alkyl-substituted aromatic hydrocarbons, heteroatom-substituted aromatic hydrocarbons, benzyl, substituted benzyl, or combinations thereof. In some embodiments, the substitution can be polyethylene glycol composed of 2-450 monomer units. In some embodiments, substitutions composed of peptides or peptoids may be suitable for increasing homopolymer residence time in a specific and discriminable manner. The efficiency of incorporation of modified nucleotides by template-independent polymerases such as TdT can be modulated by the use of different metal ion cofactors, such as, but not limited to, Co++, Zn++, Mg++, Mn++, or a mixture of two or more different metal ions. Each modified nucleotide may require a different metal ion for optimal performance during enzymatic homopolymer synthesis.

DNAデータ鎖の長期安定性は重要であるので、非プリンベースのホモポリマーを使用することには、はっきりした利点があるが、それは、これらが、低いpHで脱プリンに供されるからである。一部の実施形態では、ホモポリマービットは、2、3、4またはそれよりも多くの異なる化学基で修飾された単一のヌクレオチド型(すなわち、チミン)のみから構成され得、独自の電流遮断を各々が生じるホモポリマートラクトを生じる。したがって、4つの独自の修飾剤で標識された1つのヌクレオチドが、A、G、C、Tの存在を置換し得る。2、3、4またはそれよりも多くの異なる化学基を有する、他の3つのヌクレオチドのうち1つだけを使用する他の実施形態が、可能である。 Since long-term stability of DNA data strands is important, there is a distinct advantage to using non-purine-based homopolymers, since they are subject to depurination at low pH. In some embodiments, homopolymer bits may be composed of only a single nucleotide type (i.e., thymine) modified with two, three, four or more different chemical groups, resulting in homopolymer tracts that each produce a unique current block. Thus, one nucleotide labeled with four unique modifiers may replace the occurrence of A, G, C, T. Other embodiments are possible that use only one of the other three nucleotides with two, three, four or more different chemical groups.

修飾ヌクレオチドアナログが、ナノポアを介した単一ヌクレオチドの通過のための独自の滞留時間を生じさせるのに十分な場合、別の実施形態は、ホモポリマービットの代わりに、単一のヌクレオチドビットを使用する。単一の修飾ヌクレオチドビットは、DNA鎖1つ当たり最大の密度の情報を可能にするという点で有利であり、したがって、DNAベースのデータ記憶のコストを低減させる。 Another embodiment uses a single nucleotide bit instead of a homopolymer bit, where the modified nucleotide analog is sufficient to produce a unique residence time for the passage of a single nucleotide through the nanopore. A single modified nucleotide bit is advantageous in that it allows for the greatest density of information per DNA strand, thus reducing the cost of DNA-based data storage.

読み出しに使用される配列決定技術が、1つのホモポリマートラクトの開始および停止を、別のホモポリマートラクトから明確に識別することができる限り、ホモポリマートラクトの正確な長さは、重要ではない。使用される独自のヌクレオチドまたは塩基(修飾ヌクレオチドまたは非ヌクレオチドアナログを含む)の数を増加させ、したがって、設定された量のデータを捕捉するために必要な長さを低減させることには、はっきりした合成および記憶密度の利点が存在するが、DNAデータ記憶合成当たりの最も低いコストは、酵素的合成の間に4つの天然のヌクレオチドdNTPモノマーを使用することによって達成され得、それは、これらの試薬が、分子生物学および配列決定の分野で広く使用されており、最も低い製造コストで非常に大きいバッチで産生されているからである。独自のホモポリマートラクトの数を増加させるためのdNTPアナログの産生のコストは、DNAデータ記憶の使用が増加し、アナログの製造規模も増加されるにつれて、低減され得る。 The exact length of the homopolymer tract is not important, so long as the sequencing technology used for readout can clearly distinguish the start and end of one homopolymer tract from another. Although there are clear synthesis and storage density advantages in increasing the number of unique nucleotides or bases (including modified nucleotides or non-nucleotide analogs) used, and thus reducing the length required to capture a set amount of data, the lowest cost per DNA data storage synthesis can be achieved by using the four natural nucleotide dNTP monomers during enzymatic synthesis, since these reagents are widely used in the fields of molecular biology and sequencing and are produced in very large batches with the lowest manufacturing costs. The cost of producing dNTP analogs to increase the number of unique homopolymer tracts can be reduced as the use of DNA data storage increases and the scale of analog manufacturing is also increased.

ホモポリマートラクトセグメントを合成する任意の方法が、本発明のシステムおよび方法と共に使用され得るが、好ましい実施形態は、鋳型非依存的酵素TdTを使用する。TdTは、それがポアソン分布でホモポリマーを迅速かつ安価に生成する限り、ある特定の利益を提供し、ここで、ホモポリマーの平均サイズは、[dNTP]の、新生オリゴヌクレオチドメモリ鎖に対する比によって厳密に制御され得る。一部の実施形態では、Mn2+の存在下でのポリメラーゼシータが、ホモポリマートラクト核酸メモリ鎖を合成するための鋳型非依存的ポリメラーゼとして使用され得る。別の実施形態では、ホモポリマートラクトセグメントの長さは、過剰量のdNTPを反応ゾーンに送達し、次いで、注意深く制御された時間間隔の後に反応物を除去することによって、制御され得る。 Although any method of synthesizing homopolymer tract segments can be used with the systems and methods of the present invention, a preferred embodiment uses the template-independent enzyme TdT. TdT offers certain advantages in that it quickly and cheaply produces homopolymers with a Poisson distribution, where the average size of the homopolymers can be tightly controlled by the ratio of [dNTP] to the nascent oligonucleotide memory strand. In some embodiments, polymerase theta in the presence of Mn2 + can be used as a template-independent polymerase to synthesize homopolymer tract nucleic acid memory strands. In another embodiment, the length of the homopolymer tract segment can be controlled by delivering an excess amount of dNTP to the reaction zone and then removing the reactants after a carefully controlled time interval.

TdTは、dNTP濃度の、修飾されることが所望される核酸鎖の3’末端の濃度に対する比を制御することによって、適正に規定された長さのホモポリマートラクトを合成する能力を実証している。アレイベースのフォーマット上でのインクジェット合成は、非常に低コストのホスホルアミダイト合成が可能であるが、作製される鎖は、100~200塩基長に制限され、配列をインデックス化するために長さの一部を犠牲にせざるを得ず、引き続く読み出しのために十分な材料を提供するために合成後増幅を要求する、フェムトモル濃度未満の規模で作製され、比較的低効率の短い読み取りの配列決定読み出し技術に主に適している。 TdT has demonstrated the ability to synthesize homopolymer tracts of well-defined length by controlling the ratio of dNTP concentration to the concentration of the 3' end of the nucleic acid strand desired to be modified. Inkjet synthesis on an array-based format allows for very low-cost phosphoramidite synthesis, but the strands produced are limited to 100-200 bases in length, making them primarily suitable for relatively low-efficiency short-read sequencing readout techniques made at sub-femtomolar scales that must sacrifice some length to index the sequence and require post-synthetic amplification to provide sufficient material for subsequent readout.

本発明のプロセスに従って合成された一本鎖DNAの鎖は、合成の間または読み出しの間のいずれかの、ヘアピンまたはdsDNAの防止から利益を得うる。ヘアピン形成は、塩基対合に必要な水素結合を防止するために、A:TまたはG:C塩基対の一方のメンバーの環外アミンを修飾することによって防止され得る。一部の実施形態では、環外アミンは、アシル化またはアルキル化によって修飾され得る。塩基対合を防止する、A、GまたはCの環外アミンの任意の単純かつ安定な修飾が、ヘアピン形成を防止するために使用され得る。ある特定の実施形態では、デオキシアデノシンのN6およびデオキシグアノシンのN2が、塩基対合を防止するアセチル基でアセチル化され得る。一部の実施形態では、デオキシアデノシンのN6およびデオキシシチジンのN4が、塩基対合およびヘアピン形成を防止するために修飾され得る。一部の実施形態では、デオキシグアノシンのO6またはデオキシチミジンのO6が、塩基対合およびヘアピン形成を防止するために修飾され得る。一部の実施形態では、デオキシチミジンのO4またはデオキシチミジンのN3が、塩基対合およびヘアピン形成を防止するために修飾され得る。一部の実施形態では、より高次の塩基エンコーディングスキームを生成するためのA、G、CまたはTへの修飾もまた、塩基対合およびヘアピン形成を防止するという目的にかなう。一部の実施形態では、ホモポリマービットは、2、3、4またはそれよりも多くの異なる化学基で修飾された単一のヌクレオチド型(すなわち、チミン)のみから構成され得、独自の電流遮断を生じ、鎖内または鎖間二重鎖領域の形成を防止する。別の実施形態では、熱安定性バージョンのTdTまたは別の鋳型非依存的ヌクレオチジルトランスフェラーゼが、上昇した温度において鎖合成を実施するために使用され得、したがって、鎖内または鎖間二重鎖領域の形成を防止する。 A strand of single-stranded DNA synthesized according to the process of the present invention may benefit from the prevention of hairpins or dsDNA, either during synthesis or during readout. Hairpin formation may be prevented by modifying the exocyclic amine of one member of the A:T or G:C base pair to prevent hydrogen bonding necessary for base pairing. In some embodiments, the exocyclic amine may be modified by acylation or alkylation. Any simple and stable modification of the exocyclic amine of A, G or C that prevents base pairing may be used to prevent hairpin formation. In certain embodiments, the N6 of deoxyadenosine and the N2 of deoxyguanosine may be acetylated with an acetyl group that prevents base pairing. In some embodiments, the N6 of deoxyadenosine and the N4 of deoxycytidine may be modified to prevent base pairing and hairpin formation. In some embodiments, the O6 of deoxyguanosine or the O6 of deoxythymidine may be modified to prevent base pairing and hairpin formation. In some embodiments, the O4 of deoxythymidine or the N3 of deoxythymidine may be modified to prevent base pairing and hairpin formation. In some embodiments, modifications to A, G, C, or T to generate higher order base encoding schemes also serve the purpose of preventing base pairing and hairpin formation. In some embodiments, homopolymer bits may be composed of only a single nucleotide type (i.e., thymine) modified with two, three, four, or more different chemical groups, resulting in a unique current blockade and preventing the formation of intrastrand or interstrand duplex regions. In another embodiment, a thermostable version of TdT or another template-independent nucleotidyl transferase may be used to perform strand synthesis at elevated temperatures, thus preventing the formation of intrastrand or interstrand duplex regions.

ホモポリマートラクト長の制御は、2~10ヌクレオチド長の再現性のある範囲のホモポリマートラクト長を創出するために、dNTPアナログの取り込み速度の決定および較正の後に、上記任意のアナログについて最適化され得る。A、G、CおよびTならびにA**、G**、C**およびT**ホモポリマートラクトの使用は、8ビットまたは12ビットのエンコーディングの創出を可能にし、「0」および「1」をエンコードするために2つのヌクレオチドを単純に使用するよりも、1つの連続する鎖中に記憶され得るデータの密度を増加させる。3つの連続するホモポリマートラクトは、A、G、C、T、A、G、CおよびTが使用される場合、256の数(すなわち、1バイト)をエンコードし得る。かかる実施形態では、3ヌクレオチド長のホモポリマートラクトまたは10ヌクレオチド長のホモポリマートラクトをそれぞれ使用した場合、999または990ヌクレオチド長の核酸メモリ鎖中に111バイトまたは33バイトが存在する。2つの連続するホモポリマートラクトは、A、G、C、T、A、G、C、T、A**、G**、C**およびT**が使用される場合、256の数(すなわち、1バイト)をエンコードし得る。これらの実施形態では、3ヌクレオチド長のホモポリマートラクトまたは10ヌクレオチド長のホモポリマートラクトをそれぞれ使用した場合、996または1000ヌクレオチド長の核酸メモリ鎖中に166バイトまたは50バイトが存在する。 Control of homopolymer tract length can be optimized for any of the dNTP analogs after determination and calibration of the incorporation rate of the analog to create a reproducible range of homopolymer tract lengths from 2 to 10 nucleotides long. The use of A * , G * , C * , and T * , as well as A ** , G ** , C ** , and T ** homopolymer tracts allows for the creation of 8-bit or 12-bit encoding, increasing the density of data that can be stored in one continuous strand rather than simply using two nucleotides to encode "0" and "1". Three consecutive homopolymer tracts can encode 256 numbers (i.e., one byte) when A, G, C, T, A * , G * , C * , and T * are used. In such an embodiment, there are 111 or 33 bytes in a 999 or 990 nucleotide long nucleic acid memory strand when using 3-nucleotide or 10-nucleotide long homopolymer tracts, respectively. Two consecutive homopolymer tracts can encode 256 numbers (i.e., one byte) if A, G, C, T, A * , G * , C * , T * , A ** , G ** , C ** , and T ** are used. In these embodiments, there are 166 or 50 bytes in a 996 or 1000 nucleotide long nucleic acid memory strand if 3 or 10 nucleotide long homopolymer tracts are used, respectively.

ある特定の実施形態では、データはまた、より高いレベルのデータ圧縮を達成するために、ランダム配列および規定された組成のメモリ鎖ヘテロポリマートラクト中にエンコードされ得る。ヘテロポリマーストレッチは、異なるdNTPの混合物を使用する酵素反応を用いて生成され得、ここで、dNTP化学量論が、ヘテロポリマートラクトの組成を制御するために使用される。ヘテロポリマートラクトの数および型は、dNTPアナログと、異なるトラクトの組成を識別する検出モダリティの能力との組合せによってのみ制限される。m個のdNTPアナログについて、ヘテロポリマー形成のための(m-m)/2個の二進法組合せが存在する。各二進法組合せについて2つの異なるレベルのトラクト組成(例えば、アナログAおよびBが、それぞれおよそ2:1の比で存在するトラクト、ならびにそれらが1:2の比で存在するトラクト)を識別することができる検出モダリティは、m個のアナログのセットから基数mの速度でデータがエンコードされるのを可能にし、メモリ鎖のコーディング能を効果的に倍化させる。図5は、ホモポリマーおよび2レベルのトラクト組成を有する二進法ヘテロポリマーベースのエンコーディングスキームのいずれかを使用した、利用可能なdNTPアナログの数の関数として、メモリ鎖中に記憶され得るデータを例示する。 In certain embodiments, data can also be encoded into memory chain heteropolymer tracts of random sequence and defined composition to achieve higher levels of data compression. Heteropolymer stretches can be generated using enzymatic reactions using mixtures of different dNTPs, where dNTP stoichiometry is used to control the composition of the heteropolymer tracts. The number and type of heteropolymer tracts is limited only by the combination of dNTP analogs and the ability of the detection modality to distinguish the composition of the different tracts. For m dNTP analogs, there are (m 2 -m)/2 binary combinations for heteropolymer formation. A detection modality that can distinguish two different levels of tract composition for each binary combination (e.g., tracts where analogs A and B are present in approximately a 2:1 ratio, respectively, and tracts where they are present in a 1:2 ratio) would allow data to be encoded at base m 2 rates from a set of m analogs, effectively doubling the coding capacity of the memory chain. FIG. 5 illustrates the data that can be stored in a memory chain as a function of the number of available dNTP analogs using either homopolymer and binary heteropolymer-based encoding schemes with two levels of tract composition.

本発明のデータエンコーディング鎖は、正確に規定されたホモポリマー長を必ずしも要求しない場合があるが、それは、これらが、ハイスループットDNA配列決定技術によるホモポリマートラクトセグメント間の遷移の一義的な区別を可能にするのに十分に長い(約2~10ヌクレオチド)ことだけが必要だからである。既存の次世代の合成による配列決定(SBS)システムは、2つの隣接するホモポリマートラクト間の遷移を容易に決定することができる。やはり、ホモポリマートラクトの正確な長さは、ホモポリマービットの正確な検出にとって重要ではない。同じヌクレオチドのトラクトの使用は、現行のSBSプラットフォームにおいて最も一般的なエラー:挿入および欠失を克服することにおいて利点を提供する。2ntよりも長いホモポリマートラクト中の1ヌクレオチドの欠失は、真のホモポリマーとしてなおも解釈される。同様に、ホモポリマートラクト中の単一ヌクレオチドの挿入は、2つの隣接するホモポリマーとして誤って解釈されることがないが、それは、SBSの間の1つよりも多くのヌクレオチドの挿入が、可能性の低い事象だからである。この配列決定エラー寛容性は、DNAデータ鎖によって記憶される情報の正しいデコーディングを確実にするために要求される配列決定深度を減少させるという利点を提供する。既存のナノポアシステムは、それらの差次的電流遮断に基づいて、A、G、CまたはTのホモポリマートラクトを互いから容易に識別することができる。ある特定の実施形態では、単一分子ZMW配列決定が、直鎖上のホモポリマートラクトの直線的順序を決定するために使用され得る。いずれかの配列決定技術の使用は、DNAイニシエーターが、単一分子ZMW配列決定のためのプライマーを提供するために、合成された一本鎖メモリ鎖の5’末端における自己相補的(self-complimentary)ヘアピンなどの、配列決定読み出し技術と適合性の特性を有することを要求し得る。ナノポア配列決定技術もまた、「開始」データマークを提供するために、鎖の5’末端に自己相補的ヘアピンを要求し得る。種々の実施形態では、読み出し技術は、Illumina(San Diego、CA)によって提供されるものなどの任意の次世代配列決定方法であり得る。一部の実施形態では、読み出しまたは配列決定技術は、質量分析ベースであり得る。読み出し技術の技術特異的エラー率は、その技術が、2つの異なるホモポリマートラクト間の遷移を一義的に検出できる限り、および/または2つの同一のホモポリマートラクトが互いに隣接している場合には、1つのホモポリマートラクト長と1つの2×長との間の差異を一義的に検出できる限り、重要ではない。 The data encoding strands of the present invention may not necessarily require precisely defined homopolymer lengths, since they only need to be long enough (approximately 2-10 nucleotides) to allow unambiguous discrimination of the transition between homopolymer tract segments by high-throughput DNA sequencing techniques. Existing next-generation sequencing-by-synthesis (SBS) systems can easily determine the transition between two adjacent homopolymer tracts. Again, the exact length of the homopolymer tract is not critical for accurate detection of homopolymer bits. The use of tracts of the same nucleotides offers an advantage in overcoming the most common errors in current SBS platforms: insertions and deletions. A deletion of one nucleotide in a homopolymer tract longer than 2 nt is still interpreted as a true homopolymer. Similarly, an insertion of a single nucleotide in a homopolymer tract will not be misinterpreted as two adjacent homopolymers, since an insertion of more than one nucleotide between SBS is an unlikely event. This sequencing error tolerance offers the advantage of reducing the sequencing depth required to ensure correct decoding of the information stored by the DNA data strand. Existing nanopore systems can easily distinguish homopolymeric tracts of A, G, C, or T from one another based on their differential current blockade. In certain embodiments, single-molecule ZMW sequencing can be used to determine the linear order of homopolymeric tracts on a linear strand. The use of either sequencing technique may require the DNA initiator to have properties compatible with the sequencing readout technique, such as a self-complementary hairpin at the 5' end of the synthesized single-stranded memory strand to provide a primer for single-molecule ZMW sequencing. Nanopore sequencing techniques may also require a self-complementary hairpin at the 5' end of the strand to provide a "start" data mark. In various embodiments, the readout technique can be any next-generation sequencing method, such as those provided by Illumina (San Diego, Calif.). In some embodiments, the readout or sequencing technique can be mass spectrometry-based. The technique-specific error rate of the readout technique is not important as long as the technique can unambiguously detect the transition between two different homopolymer tracts and/or, when two identical homopolymer tracts are adjacent to each other, the difference between one homopolymer tract length and one 2× length.

ある特定の読み出し技術が、本発明の具体的な適用に基づいて、他よりも好ましい場合がある。ナノポア配列決定などの技術は、非破壊的であり得、核酸メモリ鎖をインタクトなままにし得、複数の読み出しサイクルに適切であり得る。ZMW単一分子などの、合成による配列決定(SBS)に依存する読み出し技術は、元の鋳型鎖のコピーを生成し、そして、相補鎖を除去し、読み出しの引き続くサイクルの準備ができたその初期状態へと元の核酸メモリ鎖を戻すために、読み出し後操作(すなわち、融解による鎖分離)を要求し得る。質量分析などの他の読み出し技術は、破壊的であり、サンプリングおよび読み出しの反復したサイクルの後に、核酸メモリ鎖のプールを枯渇させる。 Certain readout techniques may be preferred over others based on the specific application of the invention. Techniques such as nanopore sequencing may be non-destructive, may leave the nucleic acid memory strand intact, and may be suitable for multiple readout cycles. Readout techniques that rely on sequencing by synthesis (SBS), such as ZMW single molecule, may require a post-readout operation (i.e., strand separation by melting) to generate a copy of the original template strand and remove the complementary strand, returning the original nucleic acid memory strand to its initial state ready for subsequent cycles of readout. Other readout techniques, such as mass spectrometry, are destructive and deplete the pool of nucleic acid memory strands after repeated cycles of sampling and readout.

種々の実施形態では、核酸メモリ鎖は、「ストッパー」を含み得る。「ストッパー」は、ナノポアを介した一本鎖または二本鎖核酸の通過を防止する高分子構築物であり得る(参照によって本明細書に組み込まれる、Manrao, et al., 2012, Reading DNA at single- nucleotide resolution with a mutant MspA nanopore and phi29 DNA polymerase, Nature Biotechnology 30, 349-353)。ファイ29 DNAポリメラーゼなどのタンパク質は、タンパク質ナノポアのシス側のより大きいポア(約6.3nm)を介して引っ張られないように十分に大きい。小さい側のポア直径は、約1.2nm幅であると推定される。本発明の核酸メモリ鎖の5’末端または3’末端のいずれか上で、ストッパーが使用され得る。一部の適用では、核酸分子の3’末端または5’末端の両方にストッパーを有することが望ましい場合がある。ストッパーは、情報エンコーディング核酸がそこに共有結合される、突出する5’-オーバーハングまたは3’-オーバーハングのいずれかを有するヘアピン(ステム-ループ)構造からなり得る。ストッパーがヘアピンからなる場合、dsステムの長さは、ナノポアを介してメモリ鎖をトランスロケーションさせるために使用される電場によってそれに対して発揮される任意の融解力に対して抵抗するのに十分に長くすることができる。ある特定の実施形態では、二本鎖ステム領域の1つの塩基を、ナノポアを介して分子の残部をトランスロケーションさせる電場によってそれに対して発揮される力の影響下でヘアピンの二本鎖ステム部分が融解するのが不可能であるように、塩基対を形成するその同族塩基に架橋させることができる。ある特定の実施形態に従うTdT媒介性核酸メモリ合成のためにヘアピンストッパーを利用するために、ストッパーは、鋳型非依存的合成のためのTdTの結合を可能にするのに十分な長さ(すなわち、>10ヌクレオチド)の3’-オーバーハングを有し得る。 In various embodiments, the nucleic acid memory strand may include a "stopper." A "stopper" may be a polymeric construct that prevents the passage of single-stranded or double-stranded nucleic acid through the nanopore (Manrao, et al., 2012, Reading DNA at single-nucleotide resolution with a mutant MspA nanopore and phi29 DNA polymerase, Nature Biotechnology 30, 349-353, incorporated herein by reference). Proteins such as phi29 DNA polymerase are large enough not to be pulled through the larger pore (about 6.3 nm) on the cis side of the protein nanopore. The pore diameter on the small side is estimated to be about 1.2 nm wide. Stoppers may be used on either the 5' or 3' end of the nucleic acid memory strand of the invention. In some applications, it may be desirable to have stoppers on both the 3' or 5' end of the nucleic acid molecule. The stopper may consist of a hairpin (stem-loop) structure with either a protruding 5'-overhang or a 3'-overhang to which the information-encoding nucleic acid is covalently attached. If the stopper consists of a hairpin, the length of the ds stem may be long enough to resist any melting force exerted thereon by the electric field used to translocate the memory strand through the nanopore. In certain embodiments, one base of the double-stranded stem region may be cross-linked to its cognate base that forms a base pair such that the double-stranded stem portion of the hairpin is unable to melt under the influence of the force exerted thereon by the electric field that translocates the remainder of the molecule through the nanopore. To utilize a hairpin stopper for TdT-mediated nucleic acid memory synthesis according to certain embodiments, the stopper may have a 3'-overhang of sufficient length (i.e., >10 nucleotides) to allow binding of TdT for template-independent synthesis.

ストッパーは、核酸分子の3’末端または5’末端のいずれかに付け足され得る非ヌクレオチド高分子構築物からなり得る。構築物は、ポリメラーゼ、もしくはTdTなどのトランスフェラーゼによる核酸の3’末端上への高分子種の直接的コンジュゲーション(参照によって本明細書に組み込まれる、Sorensen, et al., 2013, Enzymatic Ligation of Large Biomolecules to DNA, ACS Nano, 7(9):8098-8104)によって、またはその官能性を介した核酸の特異的修飾を可能にする官能化されたヌクレオチドの取り込み(参照によって本明細書に組み込まれる、Winz, et al., 2015, Nucleotidyl transferase assisted DNA labeling with different click chemistries, Nucleic Acids Res. 43(17):e110)によって、合成され得る。5’末端ストッパーは、ヘアピンの直接的合成を介して、または3’から5’へのオリゴヌクレオチド合成の最後のステップとして導入された官能性ハンドルの二次的修飾を介して、オリゴヌクレオチドアダプターの化学的合成の時点で容易に導入され得、イニシエーターとして使用され得る。あるいは、5’末端ストッパーは、オリゴヌクレオチドイニシエーターを、5’末端を介して、磁気もしくは非磁気のビーズまたは粒子もしくはナノ粒子に結合させ、ホモポリマートラクトを含有するメモリ鎖を酵素的に合成し、次いで、磁気もしくは非磁気のビーズまたは粒子もしくはナノ粒子にメモリ鎖を結合したままにすることによって、構築され得る。 The stopper may consist of a non-nucleotide polymeric construct that can be added to either the 3' or 5' end of the nucleic acid molecule. The construct may be synthesized by direct conjugation of a polymeric species onto the 3' end of the nucleic acid by a polymerase or a transferase such as TdT (Sorensen, et al., 2013, Enzymatic Ligation of Large Biomolecules to DNA, ACS Nano, 7(9):8098-8104, incorporated herein by reference) or by incorporation of a functionalized nucleotide that allows specific modification of the nucleic acid via its functionality (Winz, et al., 2015, Nucleotidyl transferase assisted DNA labeling with different click chemistries, Nucleic Acids Res. 43(17):e110, incorporated herein by reference). The 5' end stopper can be easily introduced at the time of chemical synthesis of the oligonucleotide adaptor, either through direct synthesis of the hairpin or through secondary modification of a functional handle introduced as the last step of the 3' to 5' oligonucleotide synthesis, and used as an initiator. Alternatively, the 5' end stopper can be constructed by attaching an oligonucleotide initiator via its 5' end to a magnetic or non-magnetic bead or particle or nanoparticle, enzymatically synthesizing a memory strand containing a homopolymer tract, and then leaving the memory strand attached to the magnetic or non-magnetic bead or particle or nanoparticle.

ストッパーは、核酸鎖がナノポアの外に受動的に拡散するのを可能にするため、または核酸鎖が電圧の印加を介してナノポアの外にトランスロケーションされるのを可能にするため、分子の残部からのストッパーの切断を可能にするようにさらに修飾され得、したがって、鎖が回収されるのを可能にする。 The stopper can be further modified to allow cleavage of the stopper from the remainder of the molecule to allow the nucleic acid strand to passively diffuse out of the nanopore, or to allow the nucleic acid strand to be translocated out of the nanopore via application of a voltage, thus allowing the strand to be retrieved.

ある特定の実施形態では、鋳型非依存的ポリメラーゼまたはトランスフェラーゼは、「ライトワンスリードメニー」型のメモリデバイスとしてのナノポアデバイスの使用を可能にするために、核酸のあらかじめ合成された鎖を修飾するために使用され得る。DNAシーケンサーとしてのナノポアデバイスの使用に関連する固有の問題の一部は、ナノポアの不十分な区別に起因してそれらが生じさせる高いエラー率である。これは、ポアを介したトランスロケーションのスピード、またはナノポアのおおよその深度が8nmであり、ポア中に複数の塩基を同時に存在させることを可能にするという事実に起因し得る。本発明のホモポリマーメモリ鎖は、ホモポリマー反復の使用を介してこの問題に対処し、厳密な配列決定精度の必要性を減少させる。ある特定の実施形態では、ナノポア配列決定の欠点は、二本鎖DNAメモリ鎖の一方の末端にヘアピンアダプターを実装することによって対処され得、その結果、トランスロケーションおよび塩基呼び出しプロセスの間に、個々の塩基およびその相補鎖を読み取ることが、各塩基を一回だけ読み取ったときのエラー率を相殺し得るように、DNAメモリ鎖の各センスが読み取られ得る。ある特定の実施形態では、ナノポア配列決定の忠実度は、ポアを横断してトランスロケーションしない嵩高い付属物(例えば、タンパク質またはソリッドステート)を有する一本鎖または二本鎖核酸分子の各末端(5’および3’)の適切な修飾によって増加させることができる。次いで、分子は、ポア内にトラップされ得、同じポア中の同じ分子の複数の読み取りを可能にするために何回も前方および後方にトランスロケーションされ得、そうして、配列決定エラー率を読み取りの数の二乗だけ低減させ得る(配列決定読み取りエラーが、確率的起源に起因する場合)。 In certain embodiments, template-independent polymerases or transferases can be used to modify pre-synthesized strands of nucleic acid to enable the use of nanopore devices as "write once read many" type memory devices. Some of the inherent problems associated with the use of nanopore devices as DNA sequencers are the high error rates they produce due to the poor discrimination of the nanopores. This can be attributed to the speed of translocation through the pore or the fact that the approximate depth of the nanopore is 8 nm, allowing multiple bases to be present in the pore simultaneously. The homopolymer memory strands of the present invention address this issue through the use of homopolymer repeats, reducing the need for strict sequencing accuracy. In certain embodiments, the shortcomings of nanopore sequencing can be addressed by implementing a hairpin adapter at one end of the double-stranded DNA memory strand, so that during the translocation and base calling process, each sense of the DNA memory strand can be read such that reading each individual base and its complementary strand can offset the error rate of reading each base only once. In certain embodiments, the fidelity of nanopore sequencing can be increased by appropriate modification of each end (5' and 3') of a single-stranded or double-stranded nucleic acid molecule with bulky appendages (e.g., proteins or solid states) that do not translocate across the pore. The molecule can then be trapped in the pore and translocated forward and backward multiple times to allow multiple reads of the same molecule in the same pore, thus reducing the sequencing error rate by the square of the number of reads (if the sequencing read errors are due to stochastic origins).

TdTなどのトランスフェラーゼは、DNA分子の3’末端に、大きく嵩高い修飾ヌクレオチドアナログを付け足すために使用され得る。ある特定の実施形態では、WORMナノポアメモリデバイスは、以下のステップを使用して生成され得る:(1)上で議論したような任意の高密度エンコーディングスキームにおいて具体的な情報をエンコードするDNAの単一分子を生成し、ナノポアを介したDNA分子の完全なトランスロケーションを防止する嵩高い分子構築物で5’末端を共有結合的に修飾するステップ;(2)5’-修飾された末端がナノポアと接触し、それ以上トランスロケーションできないところまで、ナノポアを介してDNA分子を通り抜けさせるステップ;(3)TdTおよび修飾ヌクレオチドを使用して、ナノポアのトーラス内に分子を効果的にトラップするために、DNA分子の3’末端に1つの(または複数の)嵩高いヌクレオチドアナログ(「ストッパー」)を共有結合的に付加するステップ;(4)3’-修飾されていない任意のDNA分子を取り除くために、ナノポアへの電流の極性を逆転させ、したがって、「トラップされた」(5’-および3’-修飾された)核酸鎖の純粋な集団を創出するステップ;(5)任意のトラップされていない核酸を、洗浄または他の手段を介して、ナノポアの近辺から除去するステップ;(6)印加された電圧を使用して、いずれかの方向または両方の方向で、「トラップされた」DNA鎖を読み取るステップ(潜在的に、エラー率を許容可能なレベルまで低減させるために、複数回読み取るステップ)。種々の実施形態では、ステップ6は、1つの方向での電圧誘導された「読み取り」、およびナノポアを介してデータエンコーディング核酸を「巻き戻す」ための反対方向での迅速なトランスロケーションとその後の元の方向での別の電圧誘導された「読み取り」からなり得る。「読み取り」-「巻き戻し」-「読み取り」のこのサイクルは、所望に応じて何回も反復され得る。 Transferases such as TdT can be used to append large, bulky modified nucleotide analogs to the 3' end of a DNA molecule. In certain embodiments, a WORM nanopore memory device can be generated using the following steps: (1) generate a single molecule of DNA that encodes specific information in any of the high-density encoding schemes discussed above, and covalently modify the 5' end with a bulky molecular construct that prevents complete translocation of the DNA molecule through the nanopore; (2) thread the DNA molecule through the nanopore until the 5'-modified end contacts the nanopore and cannot be translocated any further; (3) use TdT and the modified nucleotides to effectively trap the molecule within the torus of the nanopore at the 3' end of the DNA molecule. (4) covalently attaching one (or more) bulky nucleotide analogs ("stoppers") to the 3' end; (5) reversing the polarity of the current to the nanopore to remove any DNA molecules that are not 3'-modified, thus creating a pure population of "trapped" (5'- and 3'-modified) nucleic acid strands; (6) removing any untrapped nucleic acid from the vicinity of the nanopore via washing or other means; (7) reading the "trapped" DNA strands in either or both directions using an applied voltage (potentially reading multiple times to reduce the error rate to an acceptable level). In various embodiments, step 6 can consist of a voltage-induced "read" in one direction and rapid translocation in the opposite direction to "unwind" the data-encoding nucleic acid through the nanopore, followed by another voltage-induced "read" in the original direction. This cycle of "read"-"unwind"-"read" can be repeated as many times as desired.

一部の実施形態では、トラップされた核酸鎖は、いずれかの方向でのトランスロケーションの間に読み取られ得る。一部の実施形態では、トラップされた鎖は、分子の一方の末端(5’または3’のいずれか)にトランスロケーションされ得、反対方向で読み取られ得、そのため、読み取りの極性は、より高い精度の読み取りを提供し得る。 In some embodiments, the trapped nucleic acid strand can be read during translocation in either direction. In some embodiments, the trapped strand can be translocated to one end of the molecule (either 5' or 3') and read in the opposite direction, so the polarity of the read can provide a more accurate read.

ある特定の実施形態では、環状化された核酸メモリ鎖は、上記合成方法とその後の環状化とを使用して生成され得る。環状化された鎖は、嵩高い高分子または特定のホモポリマー配列を含み得、ここで、合成された鎖の末端は、データ読み取りのための開始点および停止点を指定するために、接合されたものである。開始および停止ホモポリマー配列は、直鎖状核酸鎖においても使用され得る。環状鎖305が、図6に示されるように、単一のメンブレン303上に位置する2つのナノポア(306および309)間に物理的にトラップされるように、環状化された鎖305は、2つの隣接するナノポア(306および309)間を通り抜けていてもよい。環状化されたメモリ鎖は、単一のヌクレオチドの配列、ホモポリマートラクト配列、修飾ヌクレオチドアナログの配列、またはそれらの一部の組合せのいずれかとして、デジタル情報をエンコードし得る。一方のナノポア309は、情報エンコードしたメモリ鎖がポアを介してトランスロケーションされるときに、電気的シグナルを生成するために使用され得るが、他方のナノポア307は、メンブレン303のシス側および第1のナノポア309にDNA分子が戻るのを可能にするためのポータル(portal)として単純に機能し得る。このスキームの1つの利点は、情報エンコーディング鎖が、反復した読み取りのためにリサイクルされ得、複数回読み取られ得、したがって、任意の可能な読み出しエラーを低減させ得るということである。 In certain embodiments, circularized nucleic acid memory strands can be produced using the synthesis method described above followed by circularization. The circularized strands can include bulky macromolecules or specific homopolymer sequences, where the ends of the synthesized strands are spliced to specify start and stop points for data reading. Start and stop homopolymer sequences can also be used in linear nucleic acid strands. The circularized strand 305 can be threaded between two adjacent nanopores (306 and 309) such that the circularized strand 305 is physically trapped between two nanopores (306 and 309) located on a single membrane 303 as shown in FIG. 6. The circularized memory strands can encode digital information as either a sequence of a single nucleotide, a homopolymer tract sequence, a sequence of modified nucleotide analogs, or some combination thereof. One nanopore 309 may be used to generate an electrical signal when the information-encoding memory strand is translocated through the pore, while the other nanopore 307 may simply function as a portal to allow the DNA molecule to return to the cis side of the membrane 303 and the first nanopore 309. One advantage of this scheme is that the information-encoding strand may be recycled for repeated reading and may be read multiple times, thus reducing any possible read errors.

他の実施形態は、そのデータが特定の条件セット下でのみアクセスされ得るように、メモリ鎖中にデータをエンコードし得る。かかる場合には、メモリ鎖は、切断可能なリンカーに結合した、修飾を含有するヌクレオチドから少なくとも部分的に構成される。修飾(例えば、化学的保護基)およびリンカーは、ポリマートラクトが正しい処理なしにナノポアを介してトランスロケーションする場合に、電流遮断が、データをエンコードする配列とは異なるように、選択され得る。図7は、dGヌクレオチドへのジスルフィドおよびアミド連結した修飾を使用するスキームを概説し、電流遮断、およびメモリ鎖中にエンコードされたデータが、処理条件に応答してどのように変化し得るかを例示している。GおよびG**は、サイズおよび柔軟性において構造的に類似しており、ナノポアプラットフォーム上で類似の電流遮断を生じ得るが、異なる条件下では除去される。GおよびG***は、構造的に異なるが、これらの修飾は、同じ除去条件を共有する。他の実施形態は、特定の波長の光、酸性もしくはアルカリ性pH、酸化的もしくは還元的条件、または配列特異的ヌクレアーゼなどの異なる処理を用いて切断可能な他の修飾またはリンカーを用い得る。一部の実施形態は、暗号化のために、またはデータへの以前のアクセスもしくは変更の化学的マーカーとして、メモリ鎖修飾の存在または非存在を使用し得る。ほとんどのリンカー切断反応は、効果的に不可逆的であり、したがって、このアプローチは、単一分子が冗長性なしにデータをエンコードするのに十分であり得るライトワンスリードメニー(write-one read many)システムに、最良に適している。 Other embodiments may encode data in the memory strand such that the data can only be accessed under a specific set of conditions. In such cases, the memory strand is at least partially composed of nucleotides containing modifications attached to cleavable linkers. The modifications (e.g., chemical protecting groups) and linkers may be selected such that the current blockade is different from the sequence encoding the data when the polymer tract translocates through the nanopore without the correct treatment. Figure 7 outlines a scheme using disulfide and amide linked modifications to dG nucleotides and illustrates how the current blockade and the data encoded in the memory strand may change in response to treatment conditions. G * and G ** are structurally similar in size and flexibility and may produce similar current blockade on the nanopore platform, but are removed under different conditions. Although G* and G *** are structurally different, these modifications share the same removal conditions. Other embodiments may use other modifications or linkers that are cleavable using different treatments such as specific wavelengths of light, acidic or alkaline pH, oxidative or reductive conditions, or sequence-specific nucleases. Some embodiments may use the presence or absence of memory chain modifications for encryption or as a chemical marker of previous access or modification of data. Most linker cleavage reactions are effectively irreversible, and therefore this approach is best suited for write-one read many systems, where a single molecule may be sufficient to encode data without redundancy.

本発明の読み出しスキームで有用な多くの可能な情報エンコーディングスキームが可能であり、本開示に基づいて当業者に明らかであり得る。 Many possible information encoding schemes useful in the readout schemes of the present invention are possible and would be apparent to one of skill in the art based on this disclosure.

合成は、プレートのウェル(例えば、各々1.5μLの1536ウェルプレート)中への滴の音響的送達を使用して達成され得る。種々の実施形態では、核酸メモリ鎖は、ビーズもしくは磁気ビーズもしくは表面上で合成され得、適用に依存して、全長合成が完了した後に、ビーズもしくは磁気ビーズもしくは表面上に残され得、または合成支持体から除去され得る。 Synthesis can be accomplished using acoustic delivery of droplets into the wells of a plate (e.g., a 1536-well plate of 1.5 μL each). In various embodiments, the nucleic acid memory strands can be synthesized on beads or magnetic beads or surfaces and, depending on the application, can be left on the beads or magnetic beads or surfaces or removed from the synthesis support after full-length synthesis is complete.

ある特定の実施形態では、長い(5~10kb)データ鎖の合成のためのシステムは、ウェル(例えば、複数のナノリットル体積のウェル)のアレイへのインクジェット送達を使用し得る。他の実施形態では、空気圧で制御される複数のアクチュエータが、アレイの各位置に試薬を同時に送達するために、各ウェルの上方に位置付けられ得る。各アクチュエータは、DNAデータ鎖のビットを特定するために使用される、鋳型非依存的ポリメラーゼを用いて配合された2つまたはそれよりも多くのヌクレオチドまたは修飾ヌクレオチドの各々の間を選択するセレクター弁によって供される。1つまたは複数のさらなるセレクター弁ポートが、必要に応じて、1つまたは複数の洗浄試薬専用にされる。ナノリットル体積のウェルのアレイは、ウェルの直径が、送達された液体が開放端のウェルの長さ内の毛細管作用によってトラップされるような直径である限り、両方の末端において開放であり得る。各ラウンドのヌクレオチド-酵素配合物が、開放端のウェルに送達された後、各ウェルが反応混合物でリンスされ、そうして、次のサイクルの酵素的合成のためにアレイを準備するように、リンス試薬または酵素反応停止試薬が、ウェルのアレイの下部開口部を横断しそれを通って流され得る。他の実施形態では、真空供給源が、次の試薬の送達の前に、毛細管ナノウェルから1つの試薬を迅速に除去するために使用される。 In certain embodiments, a system for the synthesis of long (5-10 kb) data strands may use inkjet delivery to an array of wells (e.g., multiple nanoliter-volume wells). In other embodiments, multiple pneumatically controlled actuators may be positioned above each well to simultaneously deliver reagents to each location of the array. Each actuator is served by a selector valve that selects between each of two or more nucleotides or modified nucleotides formulated with a template-independent polymerase that are used to specify a bit of the DNA data strand. One or more additional selector valve ports are dedicated to one or more wash reagents, as needed. The array of nanoliter-volume wells may be open at both ends, so long as the diameter of the wells is such that the delivered liquid is trapped by capillary action within the length of the open-ended wells. After each round of nucleotide-enzyme formulation is delivered to the open-ended wells, each well is rinsed with the reaction mixture, thus preparing the array for the next cycle of enzymatic synthesis, and a rinse reagent or enzyme reaction stop reagent may be flowed across and through the lower opening of the array of wells. In other embodiments, a vacuum source is used to quickly remove one reagent from the capillary nanowell prior to delivery of the next reagent.

ある特定の実施形態は、弁制御される試薬送達と共に高度に並行なナノ流体チャンバを使用し得る。例示的なマイクロ流体核酸メモリ鎖合成デバイスは、例示目的のために図8に示されるが、一定の拡大縮小比ではない。レギュレーター257を含むマイクロ流体チャネル255は、リザーバー253を反応チャンバ251にカップリングし、レギュレーター257を含む出口チャネル259は、反応チャンバ251から廃棄物を排除する。核酸メモリ鎖合成のためのマイクロ流体デバイスは、例えば、チャネル255、リザーバー253および/またはレギュレーター257を含み得る。核酸メモリ鎖合成は、反応チャンバの内側表面にアンカリングまたは結合された、必要に応じてポリヌクレオチドイニシエーターを放出可能に結合することが可能なビーズまたは他の基材を含み得る、いくつかのアンカリングされた合成されたヌクレオチドイニシエーターを含み得るマイクロ流体反応チャンバ251中で生じ得る。反応チャンバ251は、試薬が反応チャンバ254に添加され得そこから除去され得るように、少なくとも1つの取り込みチャネルおよび1つの出口チャネル259を含み得る。反応チャンバ251は、最適で再現性のある酵素的合成条件を維持するために、温度制御しなくてはならない。マイクロ流体デバイスは、メモリ鎖コーディングスキームにおいて使用される各それぞれのdNTPまたはアナログについてのリザーバー253を含み得る。これらのリザーバー253の各々は、適切な量のTdTまたは鋳型非依存的様式でDNAもしくはRNA鎖を伸長させる任意の他の酵素もまた含み得る。さらなるリザーバー253は、洗浄または他のタスクのための試薬を含み得る。 Certain embodiments may use highly parallel nanofluidic chambers with valve-controlled reagent delivery. An exemplary microfluidic nucleic acid memory strand synthesis device is shown in FIG. 8 for illustrative purposes, not to scale. A microfluidic channel 255 including a regulator 257 couples a reservoir 253 to a reaction chamber 251, and an outlet channel 259 including a regulator 257 removes waste from the reaction chamber 251. A microfluidic device for nucleic acid memory strand synthesis may include, for example, a channel 255, a reservoir 253 and/or a regulator 257. Nucleic acid memory strand synthesis may occur in a microfluidic reaction chamber 251 that may include several anchored synthesized nucleotide initiators, which may include beads or other substrates capable of releasably binding polynucleotide initiators, anchored or bound to the inner surface of the reaction chamber. The reaction chamber 251 may include at least one intake channel and one outlet channel 259 so that reagents can be added to and removed from the reaction chamber 254. The reaction chamber 251 must be temperature controlled to maintain optimal and reproducible enzymatic synthesis conditions. The microfluidic device may contain a reservoir 253 for each respective dNTP or analog used in the memory strand coding scheme. Each of these reservoirs 253 may also contain an appropriate amount of TdT or any other enzyme that extends DNA or RNA strands in a template-independent manner. Additional reservoirs 253 may contain reagents for washing or other tasks.

リザーバー253は、別々のチャネル255を介して反応チャンバ254にカップリングされ得、各チャネル255を介した反応チャンバ254中への試薬の流れは、ゲート、弁、圧力レギュレーターまたは他の手段の使用を介して個々に調節され得る。出口チャネル259を介した反応チャンバ254からの流れは、同様に調節され得る。リザーバー253は、試薬の濃度が、反応チャンバ254中へ流される試薬の体積に基づいて厳密に制御され得るように、既知の濃度で流体中に懸濁されたdNTP、修飾されたdNTPまたは上記のそれらの任意のアナログを保持し得る。したがって、各ホモポリマートラクトの長さは、試薬濃度の制御を介して管理され得る。 The reservoirs 253 may be coupled to the reaction chambers 254 via separate channels 255, and the flow of reagents into the reaction chambers 254 via each channel 255 may be individually regulated through the use of gates, valves, pressure regulators or other means. Flow from the reaction chambers 254 via outlet channels 259 may be similarly regulated. The reservoirs 253 may hold dNTPs, modified dNTPs or any analogs thereof suspended in a fluid at known concentrations, such that the concentration of the reagents may be precisely controlled based on the volume of reagent flowed into the reaction chambers 254. Thus, the length of each homopolymer tract may be managed through control of the reagent concentrations.

ある特定の例では、試薬、特に、dNTPおよび酵素試薬は、リサイクルされ得る。試薬は、ゲート、弁、真空ポンプ、圧力レギュレーターまたは他のレギュレーター257を使用して逆流を誘導することによって、それらが進入した同じチャネル255を介して、反応チャンバ254からそのそれぞれのリザーバー253中に引き戻され得る。あるいは、試薬は、独立した戻りチャネルを介して、反応チャンバ254からそのそれぞれのリザーバー253に戻され得る。マイクロ流体デバイスは、上記のゲート、弁、圧力または他のレギュレーター257を操作することが可能なコントローラーを含み得る。 In certain instances, the reagents, particularly the dNTP and enzyme reagents, may be recycled. The reagents may be drawn back from the reaction chamber 254 into their respective reservoirs 253 through the same channel 255 they entered by inducing backflow using gates, valves, vacuum pumps, pressure regulators or other regulators 257. Alternatively, the reagents may be returned from the reaction chamber 254 to their respective reservoirs 253 through a separate return channel. The microfluidic device may include a controller capable of operating the gates, valves, pressure or other regulators 257 described above.

例示的なマイクロ流体核酸メモリ鎖合成反応は、出口チャネル259または戻りチャネル(図示せず)を介して反応チャンバ254からNTP試薬を除去する前に、所望のdNTP(本発明の核酸メモリ鎖中にデータをエンコードするために使用される任意の成分分子に言及するためにいたるところで使用される)試薬を、(所望のホモポリマー長を生じるように計算された)所定の濃度で所定の量の時間にわたって反応チャンバ254中に流すステップ;洗浄試薬を反応チャンバ254中に流すステップ;出口チャネル259を介して洗浄試薬を反応チャンバ254から除去するステップ;所望のホモポリマートラクト比を達成するように計算された条件下で所望のメモリ鎖配列に次のNTP試薬を流すステップ;および所望の核酸メモリ鎖が合成されるまで反復するステップを含み得る。所望の核酸メモリ鎖が合成された後、それは、反応チャンバアンカーまたは基材から放出され得、出口チャネル259または他の手段を介して収集され得る。 An exemplary microfluidic nucleic acid memory strand synthesis reaction may include flowing the desired dNTP (used throughout to refer to any component molecule used to encode data in the nucleic acid memory strand of the present invention) reagent into the reaction chamber 254 at a predetermined concentration (calculated to produce a desired homopolymer length) for a predetermined amount of time before removing the NTP reagent from the reaction chamber 254 via the outlet channel 259 or return channel (not shown); flowing a wash reagent into the reaction chamber 254; removing the wash reagent from the reaction chamber 254 via the outlet channel 259; flowing the next NTP reagent into the desired memory strand sequence under conditions calculated to achieve the desired homopolymer tract ratio; and repeating until the desired nucleic acid memory strand is synthesized. After the desired nucleic acid memory strand is synthesized, it may be released from the reaction chamber anchor or substrate and collected via the outlet channel 259 or other means.

使用可能な量のデータをエンコードするために要求される、ホモポリマーエンコードされたDNA鎖のかなりの数に起因して、DNA合成の高度に並行な方法が要求される。一部の実施形態では、図9に示されるように、ウェルのアレイを含有するフローセル(9-1)が、疎水性領域によって境界される複数の親水性ウェル(?)を形成するために、疎水性材料の水平および垂直のストライプ(9-2)をパターン形成することによって、適切な基材上に形成される。親水性ウェルの典型的な寸法は、300×300nm~1000×1000nmであり得る。この親水性アレイは、床と光学的に透過性のカバーとの間に適切な寸法のギャップを伴って、フローセルの床を形成する。冷(すなわち、最適な酵素特異的温度よりも低い)ヌクレオチジルトランスフェラーゼ、天然または修飾ヌクレオチド三リン酸のうち1つ、および任意の必要な補因子の溶液は、流体の流れの休止の際に、酵素-ヌクレオチド三リン酸溶液が、各親水性領域上方に位置付けられた空間的に規定された液滴(9-4)へと玉状になるように、入口(9-3)を介してフローセル中に流される。IR供給源(9-5)は、成形レンズ(9-6)を介して、ビーム(9-7)をDLP(デジタル光投射)デバイス(9-8)上に投射し、これは、特定のヌクレオチドが添加されるように選択される疎水的に束縛された液滴(9-4)の各々にIRビーム(9-9)を同時に指向させるために使用され、所望の長さのホモポリマーを合成するための規定された期間にわたる、最大酵素活性のための温度までのポリメラーゼ伸長反応配合物の迅速な加熱を生じる。いくらかの適切に規定された反応時間の後、IR供給源は、スイッチが切られ、冷リンス緩衝液は、フローセル中に迅速に注入され、出口(9-10)を介して排水され、そうして、反応をクエンチし、1回の「書き込み」サイクルを終わらせる。この一連のステップは、各新生データ鎖が、その空間的位置に従ってランダムにアクセスされ、全長ホモポリマーデータ鎖が完成するまで選択されたヌクレオチドが付加されるように、各「書き込み」サイクルについて複数回反復される。一部の実施形態では、1920×1080の指向性ミラーを有するDLPデバイスは、合成フローセル中の約2Mの合成位置に同時にランダムにアクセスするために使用され得る。一部の実施形態では、使用される鋳型非依存的ポリメラーゼは、室温を十分に上回る最適な反応温度で好熱性であり、その結果、酵素活性は、IR供給源による液滴の迅速な加熱の前には、疎水的に束縛された液滴において最小化される。一部の実施形態では、疎水的に規定された親水性ウェルを保有するフローセルの底部表面は、IR供給源によって温度が上昇されるまで酵素活性を防止するために低減された温度で疎水性ウェル中に液滴を維持する冷却デバイスに境を接する。 Due to the significant number of homopolymer encoded DNA strands required to encode a usable amount of data, a highly parallel method of DNA synthesis is required. In some embodiments, as shown in FIG. 9, a flow cell (9-1) containing an array of wells is formed on a suitable substrate by patterning horizontal and vertical stripes of hydrophobic material (9-2) to form a plurality of hydrophilic wells (?) bounded by hydrophobic regions. Typical dimensions of the hydrophilic wells can be 300×300 nm to 1000×1000 nm. This hydrophilic array forms the floor of the flow cell, with a gap of suitable dimensions between the floor and an optically transparent cover. A solution of cold (i.e., below the optimal enzyme-specific temperature) nucleotidyl transferase, one of the native or modified nucleotide triphosphates, and any required cofactors is flowed into the flow cell via an inlet (9-3) such that upon cessation of fluid flow, the enzyme-nucleotide triphosphate solution bead up into spatially defined droplets (9-4) positioned above each hydrophilic region. The IR source (9-5) projects a beam (9-7) through a shaped lens (9-6) onto a DLP (digital light projection) device (9-8), which is used to simultaneously direct the IR beam (9-9) to each of the hydrophobically constrained droplets (9-4) to which a specific nucleotide is selected to be added, resulting in rapid heating of the polymerase extension reaction mix to a temperature for maximum enzyme activity over a defined period of time to synthesize a homopolymer of the desired length. After some well-defined reaction time, the IR source is switched off and a cold rinse buffer is rapidly injected into the flow cell and drained through the outlet (9-10), thus quenching the reaction and terminating one "write" cycle. This sequence of steps is repeated multiple times for each "write" cycle, such that each nascent data strand is randomly accessed according to its spatial location and selected nucleotides are added until a full-length homopolymer data strand is completed. In some embodiments, a DLP device with a 1920x1080 directional mirror can be used to simultaneously randomly access approximately 2M synthesis locations in a synthesis flow cell. In some embodiments, the template-independent polymerase used is thermophilic with an optimal reaction temperature well above room temperature, so that enzymatic activity is minimized in the hydrophobically constrained droplets prior to rapid heating of the droplets by the IR source. In some embodiments, the bottom surface of the flow cell bearing the hydrophobically defined hydrophilic wells abuts a cooling device that maintains the droplets in the hydrophobic wells at a reduced temperature to prevent enzymatic activity until the temperature is increased by the IR source.

別の実施形態において、疎水性領域によって境界される複数の親水性スポットを形成する疎水性材料の水平および垂直のストライプをパターン形成することによって、適切な基材上に形成される、ウェルのアレイから構成されたフローセル。親水性スポットの典型的な寸法は、300×300nm~1000×1000nmであり得る。各親水性スポットは、個々にアドレス可能なCMOSヒーター上に位置付けられる。この親水性-CMOSヒーターアレイは、床と光学的に透過性のカバーとの間に適切な寸法のギャップを伴って、フローセルの床を形成する。冷(すなわち、最適な酵素特異的温度よりも低い)ヌクレオチジルトランスフェラーゼ、および天然または修飾ヌクレオチド三リン酸のうち1つの溶液は、流体の流れの休止の際に、ポリメラーゼ伸長反応溶液が、関連するCMOSヒーターを有する各親水性領域上方に位置付けられた空間的に規定された液滴へと玉状になるように、フローセル中に流される。特定のヌクレオチドが添加されるように選択される疎水的に束縛された液滴の各々は、所望の長さのホモポリマーを合成するための規定された期間にわたり、最大酵素活性のための温度まで、迅速に加熱される。いくらかの適切に規定された反応時間の後、ヒーターは、スイッチが切られ、冷リンス緩衝液は、フローセル中に迅速に注入され、そうして、反応をクエンチし、1回の「書き込み」サイクルを終わらせる。この一連のステップは、各新生データ鎖が、その空間的位置に従ってランダムにアクセスされ、全長ホモポリマーデータ鎖が完成するまで選択されたヌクレオチドが付加されるように、各「書き込み」サイクルについて複数回反復される。一部の実施形態では、使用される酵素は、室温を十分に上回る最適な温度で好熱性であり、その結果、CMOSヒーターによる液滴の迅速な加熱の前には、疎水的に束縛された滴における望まれないヌクレオチド付加の可能性は低い。 In another embodiment, the flow cell is composed of an array of wells formed on a suitable substrate by patterning horizontal and vertical stripes of hydrophobic material forming a plurality of hydrophilic spots bounded by hydrophobic regions. Typical dimensions of the hydrophilic spots can be 300×300 nm to 1000×1000 nm. Each hydrophilic spot is located on an individually addressable CMOS heater. This hydrophilic-CMOS heater array, with a gap of suitable dimensions between the floor and the optically transparent cover, forms the floor of the flow cell. A cold (i.e., lower than the optimal enzyme-specific temperature) solution of nucleotidyl transferase and one of the natural or modified nucleotide triphosphates is flowed through the flow cell such that upon cessation of fluid flow, the polymerase extension reaction solution beaded into spatially defined droplets positioned above each hydrophilic region with an associated CMOS heater. Each of the hydrophobically constrained droplets to which a particular nucleotide is selected to be added is rapidly heated to a temperature for maximum enzyme activity for a defined period of time to synthesize a homopolymer of the desired length. After some well-defined reaction time, the heater is switched off and a cold rinse buffer is rapidly injected into the flow cell, thus quenching the reaction and terminating one "write" cycle. This sequence of steps is repeated multiple times for each "write" cycle, such that each nascent data strand is randomly accessed according to its spatial location and selected nucleotides are added until a full-length homopolymer data strand is completed. In some embodiments, the enzymes used are thermophilic with an optimum temperature well above room temperature, so that unwanted nucleotide addition in hydrophobically constrained droplets is unlikely prior to rapid heating of the droplets by the CMOS heater.

当業者は、本発明のシステムおよび方法について、必要であるまたは最良に適していると認識するが、本発明のシステムおよび方法は、バスを介して互いと連絡する1つもしくは複数のプロセッサー309(例えば、中央処理装置(CPU)、グラフィック処理装置(GPU)など)、コンピュータ可読記憶デバイス307(例えば、メインメモリ、スタティックメモリなど)、またはそれらの組合せを含み得る、図10に示されるようなコンピューティングデバイスを含み得る。コンピューティングデバイスには、モバイルデバイス101(例えば、携帯電話)、パーソナルコンピュータ901およびサーバーコンピュータ511が含まれ得る。種々の実施形態では、コンピューティングデバイスは、ネットワーク517を介して互いと連絡するように構成され得る。 As those skilled in the art will recognize, as necessary or best suited for the systems and methods of the present invention, the systems and methods of the present invention may include computing devices as shown in FIG. 10, which may include one or more processors 309 (e.g., central processing unit (CPU), graphics processing unit (GPU), etc.), computer-readable storage devices 307 (e.g., main memory, static memory, etc.), or combinations thereof, in communication with each other via a bus. The computing devices may include mobile devices 101 (e.g., mobile phones), personal computers 901, and server computers 511. In various embodiments, the computing devices may be configured to communicate with each other via a network 517.

コンピューティングデバイスは、メモリ鎖の合成、配列決定されたメモリ鎖の読み取り、ならびにヒトまたは機械可読フォーマット間のデータ、デジタル化されたデータ、および本明細書に記載される他のステップ間の核酸配列のコンパイルまたは転換を制御するために使用され得る。コンピューティングデバイスは、可読フォーマットのデータを表示するために使用され得る。 The computing device may be used to control synthesis of memory strands, reading of sequenced memory strands, and compilation or conversion of data between human or machine readable formats, digitized data, and nucleic acid sequences during other steps described herein. The computing device may be used to display data in a readable format.

プロセッサー309には、当技術分野で公知の任意の適切なプロセッサー、例えば、Intel(Santa Clara、CA)によって商標XEON E7の下で販売されるプロセッサー、またはAMD(Sunnyvale、CA)によって商標OPTERON 6200の下で販売されるプロセッサーが含まれ得る。 Processor 309 may include any suitable processor known in the art, such as a processor sold under the trademark XEON E7 by Intel (Santa Clara, Calif.) or a processor sold under the trademark OPTERON 6200 by AMD (Sunnyvale, Calif.).

メモリ307は、好ましくは、以下を記憶することが可能な少なくとも1つの有形の非一過性媒体を含む:本明細書に記載される機能をシステムに実施させるための実行可能な1つもしくは複数のセットの命令(例えば、本明細書で見出される任意の方法論または機能を具体化するソフトウェア);データ(例えば、メモリ鎖中にエンコードされるデータ);またはそれら両方。コンピュータ可読記憶デバイスは、例示的な実施形態では、単一の媒体であり得るが、用語「コンピュータ可読記憶デバイス」は、命令またはデータを記憶する単一の媒体または複数の媒体(例えば、集中型もしくは分散型データベースならびに/または関連するキャッシュおよびサーバー)を含むと解釈すべきである。用語「コンピュータ可読記憶デバイス」は、限定なしに、ソリッドステートメモリ(例えば、加入者識別モジュール(SIM)カード、セキュアデジタルカード(SDカード)、マイクロSDカードまたはソリッドステートドライブ(SSD))、光学および磁気媒体、ハードドライブ、ディスクドライブ、ならびに任意の他の有形の記憶媒体を含むとしかるべく解釈するものとする。 The memory 307 preferably includes at least one tangible, non-transitory medium capable of storing: one or more sets of executable instructions (e.g., software embodying any methodology or functionality found herein) for causing the system to perform the functions described herein; data (e.g., data encoded in a memory chain); or both. Although the computer-readable storage device may be a single medium in an exemplary embodiment, the term "computer-readable storage device" should be interpreted to include a single medium or multiple media (e.g., centralized or distributed databases and/or associated caches and servers) that store instructions or data. The term "computer-readable storage device" should be interpreted accordingly to include, without limitation, solid-state memory (e.g., subscriber identity module (SIM) cards, secure digital cards (SD cards), microSD cards or solid-state drives (SSD)), optical and magnetic media, hard drives, disk drives, and any other tangible storage medium.

例えばAmazon Web Servicesなどの任意の適切なサービス、サーバー511のメモリ307、クラウド記憶域、別のサーバー、または他のコンピュータ可読記憶域が、記憶域527に使用され得る。クラウド記憶域は、データ記憶スキームを指し得、ここで、データは、論理プール中に記憶され、物理的記憶は、複数のサーバーおよび複数の位置にわたり得る。記憶域527は、ホスティング会社によって所有および管理され得る。好ましくは、記憶域527は、必要に応じて、本明細書に記載される操作を実施およびサポートするために、レコード399を記憶するために使用される。 Any suitable service, such as Amazon Web Services, memory 307 of server 511, cloud storage, another server, or other computer-readable storage may be used for storage 527. Cloud storage may refer to a data storage scheme where data is stored in a logical pool and the physical storage may span multiple servers and multiple locations. Storage 527 may be owned and managed by a hosting company. Preferably, storage 527 is used to store records 399 as needed to perform and support the operations described herein.

本発明に従う入力/出力デバイス305には、ビデオディスプレイユニット(例えば、液晶ディスプレイ(LCD)または陰極線管(CRT)モニター)、英数字入力デバイス(例えば、キーボード)、カーソル制御デバイス(例えば、マウスまたはトラックパッド)、ディスクドライブユニット、シグナル生成デバイス(例えば、スピーカー)、タッチスクリーン、ボタン、加速度計、マイクロホン、セルラー無線周波数アンテナ、例えば、ネットワークインターフェースカード(NIC)、Wi-Fiカードもしくはセルラーモデムであり得るネットワークインターフェースデバイス、またはそれらの任意の組合せのうち1つまたは複数が含まれ得る。 Input/output devices 305 according to the present invention may include one or more of a video display unit (e.g., a liquid crystal display (LCD) or cathode ray tube (CRT) monitor), an alphanumeric input device (e.g., a keyboard), a cursor control device (e.g., a mouse or trackpad), a disk drive unit, a signal generating device (e.g., a speaker), a touch screen, buttons, an accelerometer, a microphone, a cellular radio frequency antenna, a network interface device which may be, for example, a network interface card (NIC), a Wi-Fi card or a cellular modem, or any combination thereof.

当業者は、任意の適切な開発環境またはプログラミング言語が、本発明の種々のシステムおよび方法のために、本明細書に記載される操作性を可能にするために用いられ得ることを認識する。例えば、本明細書のシステムおよび方法は、Perl、Python、C++、C#、Java(登録商標)、JavaScript(登録商標)、Visual Basic、Ruby on Rails、GroovyおよびGrails、または任意の他の適切なツールを使用して実装され得る。コンピューティングデバイス101について、native xCodeまたはAndroid Java(登録商標)を使用することが好ましい場合がある。 Those skilled in the art will recognize that any suitable development environment or programming language may be used to enable the operability described herein for the various systems and methods of the present invention. For example, the systems and methods herein may be implemented using Perl, Python, C++, C#, Java, JavaScript, Visual Basic, Ruby on Rails, Groovy and Grails, or any other suitable tools. For computing device 101, it may be preferable to use native xCode or Android Java.

図11は、酵素的合成を介して作製された2つの異なる単一のホモポリマートラクトのポリアクリルアミドゲル電気泳動分析を示す。レーンAは、以下の全てのレーンにおいて使用される20マーの出発オリゴヌクレオチドの試料である。レーンBは、21マーの形成を示す、20マーのオリゴヌクレオチドおよび非可逆的ターミネーターddATPを含有するTdT反応からの試料である。レーンCは、37℃で1分間の後の、20マーおよび天然のヌクレオチドdATPを含有するTdT反応からの試料である。レーンDは、37℃で5分間の後の、レーンD中の同じ反応混合物の試料である。レーンEは、37℃で15分間の後の、レーンC中の同じ反応混合物の試料である。これら3つのレーンは、TdT伸長反応の間の約5分間での入力dATPの消費に起因するホモポリマー長制御、および5分間と15分間との間でホモポリマー成長が観察されないことを示す。レーンFは、37℃で1分間の後の、20マーオリゴヌクレオチドおよびヌクレオチドアナログN6-ベンゾイル-dATPを含有するTdT反応からの試料である。レーンGは、37℃で5分間の後の、レーンF中の反応混合物の試料である。レーンHは、37℃で15分間の後の、レーンF中の同じ反応混合物の試料である。レーンF~Hにおいて形成されたdABzホモポリマーの長さの間には、質的差異が存在するが、同じ長さ制御が、N6-修飾されたdATPアナログを用いた場合にも実証されている。 FIG. 11 shows polyacrylamide gel electrophoresis analysis of two different single homopolymer tracts made via enzymatic synthesis. Lane A is a sample of the 20-mer starting oligonucleotide used in all following lanes. Lane B is a sample from a TdT reaction containing a 20-mer oligonucleotide and the irreversible terminator ddATP showing the formation of a 21-mer. Lane C is a sample from a TdT reaction containing a 20-mer and the natural nucleotide dATP after 1 min at 37° C. Lane D is a sample of the same reaction mixture in lane D after 5 min at 37° C. Lane E is a sample of the same reaction mixture in lane C after 15 min at 37° C. These three lanes show homopolymer length control due to consumption of input dATP at approximately 5 min during the TdT extension reaction, and no homopolymer growth is observed between 5 and 15 min. Lane F is a sample from a TdT reaction containing a 20-mer oligonucleotide and the nucleotide analog N6-benzoyl-dATP after 1 min at 37° C. Lane G is a sample of the reaction mixture in lane F after 5 min at 37° C. Lane H is a sample of the same reaction mixture in lane F after 15 min at 37° C. Although there are qualitative differences between the lengths of the dABz homopolymers formed in lanes F-H, the same length control is also demonstrated when using the N6-modified dATP analog.

分子アプローチに基づく分子記憶フォーマット中へのデジタルデータの書き込みは、テープまたはディスクなどの現在使用されている記憶媒体を超える利点を提供する。DNAベースの記憶は、達成可能な高い情報密度、極端に長い寿命、および休止期間の間の低いエネルギー消費に起因して、興味に火を点けてきた。今日まで、合成DNAを記憶媒体として使用するためのほとんどの試みには、一般的なホスホルアミダイト方法を使用する化学的合成が関与している。 Writing digital data into molecular storage formats based on molecular approaches offers advantages over currently used storage media such as tapes or disks. DNA-based storage has sparked interest due to the high information density achievable, extremely long lifetimes, and low energy consumption during dormant periods. To date, most attempts to use synthetic DNA as a storage medium have involved chemical synthesis using the common phosphoramidite method.

DNAベースのデータ記憶は、既存の研究市場のために現在合成されているよりも、非常に大きい数の鎖を要求し得る。ヌクレオチド遮断またはターミネーターの除去に依存する任意の合成技術(化学的または酵素的)は、さらなるステップおよび複雑さを課すが、それは、試薬が、アレイ上の正しい位置に正しいヌクレオチドを方向付けるために、アドレス可能な方式で合成特色(すなわち、ウェルまたはスポット)のアレイに送達される必要があるからである。合成のアレイベースの方法は、以下のいくつかの方法のうち1つで実施され得る:1)活性化された反応物のバルク送達と、その後の、遮断基の選択的除去、または2)活性化された反応物のアドレス可能な送達と、その後の、バルク遮断基除去、または3)不活性反応物のバルク送達と、その後の、アドレス可能な活性化。大きい(10~10)2-Dアレイへの試薬のアドレス可能な送達は、一般に、各所望の位置へのインクジェット堆積を使用して達成される。データエンコーディングスキームが4つのヌクレオチドを使用する場合、4つの別々の書き込みヘッドが使用され、複雑なX-Y機械的方式でインデックス化されなければならない。さらに、インクジェット送達の使用は、各特色(ウェルまたはスポット)間の寸法を、低数十ミクロンに制限する。このプロセスにおける課題は、それがたとえどのように達成されるにしても、各合成サイクルのためのステップ時間を減少させることである。 DNA-based data storage may require a much larger number of strands than are currently synthesized for the existing research market. Any synthesis technique (chemical or enzymatic) that relies on nucleotide blockage or removal of terminators imposes additional steps and complexity because reagents must be delivered to the array of synthesis features (i.e., wells or spots) in an addressable manner to direct the correct nucleotide to the correct location on the array. Array-based methods of synthesis can be performed in one of several ways: 1) bulk delivery of activated reactants followed by selective removal of blocking groups, or 2) addressable delivery of activated reactants followed by bulk blocking group removal, or 3) bulk delivery of inactive reactants followed by addressable activation. Addressable delivery of reagents to large (10 4 -10 6 ) 2-D arrays is commonly achieved using inkjet deposition to each desired location. If the data encoding scheme uses four nucleotides, four separate writing heads must be used and indexed in a complex X-Y mechanical manner. Furthermore, the use of inkjet delivery limits the dimensions between features (wells or spots) to low tens of microns. A challenge in this process, however accomplished, is to reduce the step time for each synthesis cycle.

ある特定の実施形態では、本発明のシステムおよび方法は、不活性反応混合物を、2-Dアレイ上の全ての特色に送達するステップ、次いで、AまたはGまたはCまたはTの付加を要求する特色のみを選択的に活性化するステップを含み得る。機械的動作に依存しない送達、活性化または遮断基除去のアドレス可能な方法が好ましい。好ましい実施形態は、反応物のバルク送達、およびヌクレオチドアナログからの遮断基の除去による特定の合成特色の選択的活性化を使用し、これは次いで、図15に示されるような迅速なDNAポリメラーゼ媒介性取り込みおよびホモポリマービットの形成を可能にし、したがって、ホモポリマーエンコードされた核酸メモリ鎖の高度に並行かつ迅速な合成を可能にする。ホモポリマーエンコードされた核酸情報ポリマーには、いくつかの他の利点が存在する:1)ホモポリマーエンコードされたビットは、次世代配列決定に関連するエラープロファイルを克服する、2)得られたポリマーは、非天然の核酸であり、したがって、バイオテロリストの活動に転用することができない。 In certain embodiments, the systems and methods of the invention may include the steps of delivering an inactive reaction mixture to all features on a 2-D array, then selectively activating only those features that require the addition of A or G or C or T. Addressable methods of delivery, activation, or blocking group removal that do not rely on mechanical motion are preferred. A preferred embodiment uses bulk delivery of reactants and selective activation of specific synthetic features by removal of blocking groups from nucleotide analogs, which then allows for rapid DNA polymerase-mediated incorporation and formation of homopolymeric bits as shown in FIG. 15, thus enabling highly parallel and rapid synthesis of homopolymer-encoded nucleic acid memory strands. Several other advantages exist for homopolymer-encoded nucleic acid information polymers: 1) homopolymer-encoded bits overcome the error profile associated with next-generation sequencing, 2) the resulting polymers are non-natural nucleic acids and therefore cannot be diverted for bioterrorist activities.

鋳型非依存的ポリメラーゼDNA合成の送達および選択的活性化は、順次(Aを送達する->ホモポリマー合成をアドレス可能に活性化し、開始させる->洗浄する;Cを送達する->ホモポリマー合成をアドレス可能に活性化し、開始させる->洗浄する;Gを送達する->ホモポリマー合成をアドレス可能に活性化し、開始させる->洗浄する;Tを送達する->ホモポリマー合成をアドレス可能に活性化し、開始させる->洗浄する)または並行して(4つ全てのヌクレオチドを全ての特色に同時に送達する->A、C、G、Tを、同時にまたは順次、アドレス可能に活性化する->洗浄する)、実施され得る。この方式では、合成サイクルは、非常に効率的になり、以下の3つのステップのみを含む:反応物送達、取り込み反応活性化、次いで、次のサイクル開始の前の洗浄。反応は、気体もしくは液体による反応物の迅速な除去によって、またはクエンチ試薬の迅速な送達によって、停止される。好ましい実施形態では、クエンチ試薬は、金属キレーターである。 Delivery and selective activation of template-independent polymerase DNA synthesis can be performed sequentially (deliver A -> addressably activate and initiate homopolymer synthesis -> wash; deliver C -> addressably activate and initiate homopolymer synthesis -> wash; deliver G -> addressably activate and initiate homopolymer synthesis -> wash; deliver T -> addressably activate and initiate homopolymer synthesis -> wash) or in parallel (deliver all four nucleotides to all features simultaneously -> addressably activate A, C, G, T simultaneously or sequentially -> wash). In this manner, the synthesis cycle becomes highly efficient and involves only three steps: reactant delivery, incorporation reaction activation, then wash before the next cycle begins. The reaction is stopped by rapid removal of the reactants with a gas or liquid, or by rapid delivery of a quenching reagent. In a preferred embodiment, the quenching reagent is a metal chelator.

ホモポリマービットエンコーディングメモリ鎖を合成するために使用され得る装置のための好ましい設計は、鋳型非依存的酵素的合成を支持するために適切に修飾された、疎水的にパターン形成されたウェルの2-Dアレイから構成されるフローセルからなる。反応物を疎水性ウェルの2-Dアレイに送達した後、液体は、玉状になって、図16に示されるような、空間的に別個の反応ゾーンを規定する。 A preferred design for a device that can be used to synthesize homopolymeric bit-encoding memory strands consists of a flow cell composed of a 2-D array of hydrophobically patterned wells appropriately modified to support template-independent enzymatic synthesis. After delivering reactants to the 2-D array of hydrophobic wells, the liquid beads up to define spatially distinct reaction zones, as shown in Figure 16.

好ましい実施形態は、疎水性パターン形成によって4つの側面が囲まれたウェルの底部表面が、ウェルの底部表面に5’末端が結合した5’->3’配向の共有結合されたオリゴヌクレオチドイニシエーターで修飾される、実施形態である。別の実施形態では、ウェルは、フローセルの底部表面にくぼみをエッチングすることによって物理的に形成され、この場合、共有結合されたオリゴヌクレオチドイニシエーターは、ウェルの表面(底部および側面)に共有結合される。一部の場合には、ウェルは、ウェルを介した液体の流れを可能にするために、底部において開口している。他の場合には、ウェルは、底部において閉鎖されている。 A preferred embodiment is one in which the bottom surface of the well, surrounded on all four sides by hydrophobic patterning, is modified with a covalently attached oligonucleotide initiator in a 5'->3' orientation, with the 5' end attached to the bottom surface of the well. In another embodiment, the well is physically formed by etching a depression into the bottom surface of the flow cell, in which case the covalently attached oligonucleotide initiator is covalently attached to the surfaces (bottom and sides) of the well. In some cases, the well is open at the bottom to allow for liquid flow through the well. In other cases, the well is closed at the bottom.

3’-OHにおいて保護されたヌクレオチドアナログは、一般に、市販のまたはWTのTdT酵素では不活性である(米国特許第10,059,929号)。したがって、3’-遮断されたdNTPアナログ、TdTタンパク質および適切な補因子の混合物は、ホモポリマー形成をほとんど~全く伴わずに、37℃で、イニシエーターオリゴヌクレオチドの存在下で一緒に混合され得る。3’-OHが、保護基または遮断基の除去によって「デケージングされる」(すなわち、非遮断状態にされる)と、得られたヌクレオチドは、自由継続取り込み(free running incorporation)およびホモポリマー形成のために利用可能である。「送達なしの」方法によって達成され得るデケージングが好ましい。活性化エネルギー、例えば、光、熱、pH変化の電気化学的生成または還元剤の投与またはそれらへの曝露によるアドレス可能な3’-OHデケージングを可能にするように構築されたアナログが好ましい。これらのデケージングまたは非遮断反応の各々は、光透過性のカバーを介した機械的に指向可能な光(例えば、図17)、個々にアドレス可能なヒーター(例えば、図18)、電気化学的に誘導されたpH変化、または還元条件の生成のいずれかを用いて、適切に構築されたフローセルにおいて達成され得る。 Nucleotide analogs protected at the 3'-OH are generally inactive with commercially available or WT TdT enzymes (U.S. Pat. No. 10,059,929). Thus, a mixture of 3'-blocked dNTP analogs, TdT protein and appropriate cofactors can be mixed together in the presence of initiator oligonucleotides at 37°C with little to no homopolymer formation. Once the 3'-OH is "decased" (i.e., rendered unblocked) by removal of the protecting or blocking group, the resulting nucleotide is available for free running incorporation and homopolymer formation. Decasing that can be achieved by "delivery-free" methods is preferred. Analogs constructed to allow addressable 3'-OH decasing by electrochemical generation of activation energy, e.g., light, heat, pH change, or administration of or exposure to reducing agents are preferred. Each of these de-caging or unblocking reactions can be accomplished in an appropriately constructed flow cell using either mechanically directable light through a light-transmitting cover (e.g., FIG. 17), individually addressable heaters (e.g., FIG. 18), electrochemically induced pH changes, or the creation of reducing conditions.

例示されたフローセル設計の各々は、その周りの疎水性パターン形成によって束縛された液滴中に含有されるヌクレオチドのアドレス可能なデケージングの方法と適合性である。図19は、光デケージングされたヌクレオチドアナログの使用のために設計されたフローセルと共に使用され得る装置を例示する。当業者に公知の他の実施形態および構成が、この目的のために可能である。 Each of the illustrated flow cell designs is compatible with the method of addressable decaging of nucleotides contained in droplets constrained by hydrophobic patterning around them. Figure 19 illustrates an apparatus that can be used with a flow cell designed for the use of photodecaged nucleotide analogs. Other embodiments and configurations known to those of skill in the art are possible for this purpose.

各デケージング機構は、システムにおける使用のために選択された物理化学的プロセスのために特に設計されたヌクレオチドアナログを要求する:
Each decaging mechanism requires a nucleotide analogue specifically designed for the physicochemical process selected for use in the system:

一部の実施形態では、光媒介性デケージングに適切なヌクレオチドアナログは、3’-O-(2-ニトロ-ベンジル)-dNTPである。一部の実施形態では、熱媒介性デケージングに適切なヌクレオチドアナログは、3’-O-(テトラヒドロフラニル)-dNTPである。一部の実施形態では、還元媒介性デケージングに適切なヌクレオチドアナログは、3’-O-メチル-ジチオメチル-dNTPである。得られた3’-OH修飾ヌクレオチドアナログが鋳型非依存的ポリメラーゼの基質ではなく、「送達なしの」方法、例えば、光、熱または電気化学的に生成された反応物によって容易に除去される限り、多くの他の3’-OH保護基が適切である。本明細書に記載される3’-O修飾が、鋳型非依存的ポリメラーゼの基質であると明示的に述べられ、可逆的ターミネーターと呼ばれる限り、これらのdNTPアナログの組成は、WO2016/034807に記載されるものとは異なる。本発明の主題は、明示的にポリメラーゼの基質ではなく、除去されて重合の進行を可能にするまでdNTPをケージングするように機能する3’-O-遮断基である。Mathews AS et al (2016)は、天然の非ホモポリマーオリゴヌクレオチドの制御された酵素的合成のための可逆的ターミネーターとしての3’-O-(2-ニトロベンジル)-dNTPアナログの使用を記載している。彼らは、極端に長い(約1時間)酵素反応時間を使用することによるDNA合成のための基質としてのかかるヌクレオチドの使用を明示的に教示しており、さらに、複数のヌクレオチドの酵素的重合を開始させるためのケージング基としてのこれらのアナログの使用を教示している本特許の主題とは対照的に、可逆的ターミネーターとしてのそれらの使用を明示的に教示している。自由継続ホモポリマー合成の開始は、ケージングされたdNTPアナログ以外の方法によって達成され得る。一部の実施形態は、Church 9,928,869号(2018)に記載されるように、ssDNA合成を開始および停止させるためにポリメラーゼの流体パルスを使用し得る。Reza et al WO2017/196783では、鋳型依存的な酵素的合成は、電気化学的に生成されたpH変化によるポリメラーゼの活性化によって開始される。3’-O-可逆的ターミネーターを含む修飾ヌクレオチドアナログは記載されているが、いずれの特許も、ケージングされたdNTPアナログのデケージングを使用するホモポリマー合成の活性化については教示していない。Church 9,928,869号(2018)は、天然のdNTPを使用し、形成されるホモポリマーの長さを反応持続時間によって制御する、自由継続ホモポリマー合成を記載している。Lee HR et al (2018)は、2Dアレイ上の複数の反応ゾーンに天然のヌクレオチドを堆積させ、アピラーゼを用いて未反応の未修飾dNTPを積極的に破壊することによってホモポリマー形成の長さを制御するための、機械的送達の使用を記載している。本特許の主題の一部の実施形態では、未修飾の3’-OHを有する、ホモポリマー速度調節修飾されたdNTPアナログが、流体パルスまたは機械的XY送達またはpH活性化された鋳型非依存的DNAポリメラーゼのいずれかと組み合わせて使用される。 In some embodiments, the nucleotide analogue suitable for light-mediated decaging is 3'-O-(2-nitro-benzyl)-dNTP. In some embodiments, the nucleotide analogue suitable for heat-mediated decaging is 3'-O-(tetrahydrofuranyl)-dNTP. In some embodiments, the nucleotide analogue suitable for reduction-mediated decaging is 3'-O-methyl-dithiomethyl-dNTP. Many other 3'-OH protecting groups are suitable, so long as the resulting 3'-OH modified nucleotide analogue is not a substrate for template-independent polymerases and is easily removed by "delivery-free" methods, e.g., light, heat or electrochemically generated reactants. Insofar as the 3'-O modifications described herein are explicitly stated to be substrates for template-independent polymerases and are referred to as reversible terminators, the composition of these dNTP analogues differs from those described in WO2016/034807. The subject of the present invention is not explicitly a substrate for polymerase, but rather a 3'-O-blocking group that functions to cage dNTPs until it is removed to allow polymerization to proceed. Mathews AS et al (2016) describe the use of 3'-O-(2-nitrobenzyl)-dNTP analogs as reversible terminators for the controlled enzymatic synthesis of natural non-homopolymeric oligonucleotides. They explicitly teach the use of such nucleotides as substrates for DNA synthesis by using extremely long (approximately 1 hour) enzymatic reaction times, and furthermore, as reversible terminators, in contrast to the subject of this patent, which teaches the use of these analogs as caging groups to initiate enzymatic polymerization of multiple nucleotides. Initiation of free-running homopolymer synthesis can be achieved by methods other than caged dNTP analogs. Some embodiments may use fluid pulses of polymerase to initiate and terminate ssDNA synthesis, as described in Church 9,928,869 (2018). In Reza et al WO2017/196783, template-dependent enzymatic synthesis is initiated by activation of the polymerase by electrochemically generated pH changes. Modified nucleotide analogs containing 3'-O-reversible terminators are described, but neither patent teaches activation of homopolymer synthesis using decaging of caged dNTP analogs. Church 9,928,869 (2018) describes free-running homopolymer synthesis using natural dNTPs and controlling the length of homopolymer formed by reaction duration. Lee HR et al (2018) describe the use of mechanical delivery to deposit natural nucleotides into multiple reaction zones on a 2D array and control the length of homopolymer formation by actively destroying unreacted unmodified dNTPs with apyrase. In some embodiments of the subject matter of this patent, homopolymeric rate-modifying modified dNTP analogs with an unmodified 3'-OH are used in combination with either fluid pulse or mechanical XY delivery or pH-activated template-independent DNA polymerase.

図20および21は、光媒介性デケージングの動態を示す。鋳型非依存的ポリメラーゼ反応混合物中の3’-ケージングされたdNTPは、ポリメラーゼの基質に変換されると、新生ホモポリマー鎖へと重合される。利用可能なケージングされていないdNTPは、ポリメラーゼによって容易に取り込まれるので、ケージングされていない(基質)dNTPへの、ケージングされたdNTPの完全な変換は要求されない。デケージングされると、所望のホモポリマーの長さは、生成されたデケージングされたdNTPの濃度および/または酵素的に媒介される取り込み反応の時間を制御することによって制御される。 Figures 20 and 21 show the kinetics of light-mediated decaging. Once converted to a substrate for the polymerase, the 3'-caged dNTP in the template-independent polymerase reaction mixture is polymerized into a nascent homopolymer strand. Complete conversion of the caged dNTP to an uncaged (substrate) dNTP is not required, since available uncaged dNTPs are readily incorporated by the polymerase. Once decaged, the desired homopolymer length is controlled by controlling the concentration of the decaged dNTP produced and/or the time of the enzymatically mediated incorporation reaction.

図22は、可視波長の光でデケージングされることができ調節可能な光物理的特性を示す3’-O修飾でケージングされた2つのヌクレオチドアナログの例を示しており(Peterson J.A., et al J. Amer. Chem. Soc. 2018 140:7343-6)、これは、2つの異なるホモポリマー鎖配列の同時の導入、デケージングおよび合成を可能にする。一部の実施形態では、2つの異なる波長の光によってデケージングされることが可能な2つの異なる3’-ケージング種で修飾されたヌクレオチドアナログが、合成位置の2Dアレイに同時に送達される。別の実施形態では、4つの異なる光除去可能な3’-ケージング種で修飾された4つのdNTPアナログが、合成位置の2Dアレイに同時に送達され、4つの異なる波長の光でデケージングされる。デケージング反応は、2Dアレイ上の1セットの位置に対して逐次的に実施され得、その後、2つの残りのdNTPの送達および引き続く逐次的デケージングが行われ、そうして、全ての情報ポリマーの長さを1ヌクレオチド増加させる1ラウンドを完了する。代替的な実施形態では、4つの異なる3’-ケージング種で修飾された4つのdNTPアナログが、同時に送達され得、4つの異なる波長の光のうちの1つへの各合成特色の同時曝露によってデケージングされ得る。図19に示されるものなどのハードウェア構成が、2つまたはそれよりも多くの波長特異的光源、および2D光方向付けシステム上に2つまたはそれよりも多くの光源のうち1つを方向付けるための適切なシャッター機構の取り込みによる多色デケージングのために使用され得る。 Figure 22 shows an example of two nucleotide analogs caged with 3'-O modifications that can be decaged with visible wavelengths of light and exhibit tunable photophysical properties (Peterson J.A., et al J. Amer. Chem. Soc. 2018 140:7343-6), allowing for the simultaneous introduction, decaging, and synthesis of two different homopolymeric chain sequences. In some embodiments, nucleotide analogs modified with two different 3'-caging species that can be decaged with two different wavelengths of light are delivered simultaneously to a 2D array of synthesis locations. In another embodiment, four dNTP analogs modified with four different photoremovable 3'-caging species are delivered simultaneously to a 2D array of synthesis locations and decaged with four different wavelengths of light. The decaging reaction can be performed sequentially for a set of locations on the 2D array, followed by delivery and subsequent sequential decaging of the two remaining dNTPs, thus completing one round of increasing the length of all information polymers by one nucleotide. In an alternative embodiment, four dNTP analogs modified with four different 3'-caging species can be delivered simultaneously and decaged by simultaneous exposure of each synthetic trait to one of four different wavelengths of light. A hardware configuration such as that shown in FIG. 19 can be used for multi-color decaging by incorporation of two or more wavelength-specific light sources and an appropriate shutter mechanism to direct one of the two or more light sources onto a 2D light directing system.

図23は、サイクル#1、6、8、10、12においてUV光デケージングされた3’-oNBn-dATPが組み入れられたdCTP、dGTP、dTTPを使用するホモポリマー合成の連続的サイクルからなる12ビットの情報鎖の合成を示す。取り込み反応は、気体または液体のいずれかのボーラスの導入による酵素反応成分の迅速な除去が含まれるがこれに限定されない、いくつかの方法によって終結され得る。一部の実施形態では、液体が、反応成分を単純にリンスして除くが、他の実施形態では、リンス液体は、EDTAなどの能動的クエンチ剤または他の酵素阻害剤を含有する。 Figure 23 shows the synthesis of a 12-bit information strand consisting of successive cycles of homopolymer synthesis using dCTP, dGTP, dTTP interspersed with UV light decased 3'-oNBn-dATP in cycles #1, 6, 8, 10, 12. The incorporation reaction can be terminated by several methods, including but not limited to, rapid removal of the enzyme reaction components by introduction of a bolus of either gas or liquid. In some embodiments, the liquid simply rinses away the reaction components, while in other embodiments, the rinse liquid contains an active quenching agent such as EDTA or other enzyme inhibitors.

別の実施形態では、dNTPをケージングする方法は、3’-OHの代わりのヌクレオチド塩基への修飾が関与する立体機構によって媒介され得る。好ましい実施形態では、未修飾の3’-OHを有するヌクレオチドは、A、C、GまたはTのそれぞれN6、N4、N2、O4において、dNTPをケージングする除去可能な立体遮断基(取り込み遮断因子)によって修飾される。ホモポリマー合成は、立体遮断基の光媒介性、熱媒介性または還元媒介性のいずれかの切断によって、したがって、自由継続ホモポリマー合成に適切な天然のヌクレオチドの「アンケージング(uncaging)」によって、開始され得る。 In another embodiment, the method of caging a dNTP can be mediated by a steric mechanism involving a modification to the nucleotide base instead of the 3'-OH. In a preferred embodiment, a nucleotide with an unmodified 3'-OH is modified at N6, N4, N2, O4 of A, C, G or T, respectively, with a removable steric blocking group (incorporation blocker) that cages the dNTP. Homopolymer synthesis can be initiated by either light-, heat- or reduction-mediated cleavage of the steric blocking group, thus "uncaging" the natural nucleotide suitable for free-running homopolymer synthesis.

一部の実施形態では、修飾ヌクレオチドは、除去されるまでdNTPをケージングされた状態にする、したがって、取り込み不能にする1つの部分を含有するリンカーで構成され、別の部分は、複数のホモポリマートラクト合成の間中、共有結合したままである。一部の実施形態では、プリンまたはピリミジン塩基は、2つの位置において修飾され、一方の修飾は、ヌクレオチドをケージングし、酵素的取り込みを防止するが、他方の修飾は、ポリマー合成の間中共有結合したままである;各修飾は、各々の選択的除去を可能にする異なる機構によって除去可能である。一部の実施形態では、プリンまたはピリミジン塩基は、2つの位置において修飾され、各々の修飾は、各々の選択的除去を可能にする異なる機構によって除去可能である。 In some embodiments, the modified nucleotide is composed of a linker that contains one moiety that renders the dNTP caged, and therefore incapable of incorporation, until removed, and another moiety that remains covalently attached throughout the synthesis of multiple homopolymer tracts. In some embodiments, the purine or pyrimidine base is modified at two positions, one modification that cages the nucleotide and prevents enzymatic incorporation, while the other modification remains covalently attached throughout the synthesis of the polymer; each modification is removable by a different mechanism that allows for selective removal of each. In some embodiments, the purine or pyrimidine base is modified at two positions, each modification is removable by a different mechanism that allows for selective removal of each.

ホモポリマービットデータ鎖を読み取るために使用される配列検出モダリティに依存して、傷なしでまたは傷を伴ってヌクレオチドを生じる適切なdNTPアナログ修飾が設計され得る。合成による配列決定(SBS)に依存する読み出し方法について、プリンまたはピリミジンに対する全ての修飾は、ホモポリマー合成の後であるがSBS読み出しの前に除去されなければならない。1つまたは複数のナノポアを介したポリマートランスロケーションの間の電流モジュレーションに依存する読み出し方法について、互いから容易に識別可能な、プリンおよびピリミジンに対する修飾が所望される。一部の実施形態では、ホモポリマー合成の間のポリメラーゼ動態を調節する修飾が、プリンおよびピリミジン塩基に対してなされる。これらの「速度調節」修飾は、ナノポア検出のための電流モジュレーターとしても作用し得、またはSBS検出のために除去され得る。 Depending on the sequence detection modality used to read the homopolymer bit data strand, appropriate dNTP analog modifications can be designed that result in nucleotides without or with a lesion. For readout methods that rely on sequencing by synthesis (SBS), all modifications to purines or pyrimidines must be removed after homopolymer synthesis but before SBS readout. For readout methods that rely on current modulation during polymer translocation through one or more nanopores, modifications to purines and pyrimidines that are easily distinguishable from each other are desired. In some embodiments, modifications are made to purine and pyrimidine bases that modulate the polymerase kinetics during homopolymer synthesis. These "rate modulating" modifications can also act as current modulators for nanopore detection or can be removed for SBS detection.

活性化の機構にかかわらず、自由継続ホモポリマー合成の長さを制御することは、重要である。理想的には、2~4ヌクレオチドのホモポリマーが望ましい。天然のヌクレオチドの存在下では、TdTは、個々のヌクレオチドのKm(A>T>G>C)に対応する核酸塩基に基づいてホモポリマーを形成する傾向を有する。Lee HR et al (2018)によって指摘されたように、欠失頻度を増加させることなしにホモポリマー成長を制限することは困難である。上記の著者らは、ホモポリマー成長を2~3ヌクレオチドに制限するための試みにおいて、約66%の欠失エラーを報告している。TdTは、分散性の様式で動作して、自由継続合成においてホモポリマー長のポアソン分布をもたらすと報告されているが、実務上、長い酵素的伸長反応時間がなければ、ホモポリマー合成の間にイニシエーター核酸の完全な変換を駆動することは困難である。短すぎる自由継続ホモポリマー合成反応時間は、上に報告されるように、ビット欠失エラーをもたらす。長すぎるホモポリマー合成反応時間は、過度に長いホモポリマー形成および低効率のデータ密度をもたらす。1つの解法は、複数の塩基取り込みの速度を調節するが、全てのステップにおいて除去を要求するわけではない修飾ヌクレオチドアナログを使用することであり、そうして、開始核酸の完全な変換、形成されるホモポリマーの長さの制御を可能にし、本特許の主題である単純な2ステップサイクルを維持する。理想的には、情報ポリマー中のホモポリマートラクトは、2ヌクレオチドよりも大きいが、4またはそれ未満のヌクレオチド長である。 Regardless of the mechanism of activation, it is important to control the length of the free-running homopolymer synthesis. Ideally, homopolymers of 2-4 nucleotides are desired. In the presence of natural nucleotides, TdT has a tendency to form homopolymers based on the nucleobases corresponding to the Km of the individual nucleotides (A>T>G>C). As pointed out by Lee HR et al (2018), it is difficult to limit homopolymer growth without increasing the deletion frequency. The authors reported about 66% deletion errors in an attempt to limit homopolymer growth to 2-3 nucleotides. Although TdT is reported to operate in a dispersive manner resulting in a Poisson distribution of homopolymer lengths in free-running synthesis, in practice, it is difficult to drive complete conversion of the initiator nucleic acid during homopolymer synthesis without long enzymatic extension reaction times. Too short a free-running homopolymer synthesis reaction time results in bit deletion errors, as reported above. Too long a homopolymer synthesis reaction time results in excessively long homopolymer formation and low efficient data density. One solution is to use modified nucleotide analogs that modulate the rate of incorporation of multiple bases but do not require removal at every step, thus allowing complete conversion of the starting nucleic acid, control of the length of the homopolymer formed, and maintaining the simple two-step cycle that is the subject of this patent. Ideally, the homopolymer tracts in the information polymer are greater than two nucleotides but four or fewer nucleotides in length.

必要に応じて、ホモポリマー長を制限する修飾は、合成の終了時に全てのヌクレオチドから除去され得、そうして、SBS検出に適切な天然のDNA分子を生成する。上記デケージング条件と化学的に適合性の修飾が最も望ましい;これらは、デケージングのために使用されるものとは直交的な化学的条件によって除去可能でなければならない。一部の実施形態では、3’-OHは、3’-O-(2-ニトロベンジル)によってケージングされるが、dAのN6、dCのN4、dGのN2およびdTのO4またはN3は、自由継続酵素的ホモポリマー合成の間の複数の付加を調節する非終結性部分で修飾される。図24は、速度調節修飾の存在下および非存在下での自由継続ホモポリマー合成の比較を示す。一部の実施形態では、ホモポリマー合成速度調節修飾は、4つ全てのヌクレオチドアナログについて同じであるが、別の実施形態では、修飾は、dATP、dCTP、dGTPおよびdTTPアナログの各々について異なる。一部の実施形態では、速度制限的修飾は、全合成の間、その位置にあり続ける。 Optionally, homopolymer length limiting modifications can be removed from all nucleotides at the end of synthesis, thus generating native DNA molecules suitable for SBS detection. Modifications that are chemically compatible with the decaging conditions described above are most desirable; they must be removable by chemical conditions that are orthogonal to those used for decaging. In some embodiments, the 3'-OH is caged with 3'-O-(2-nitrobenzyl), while the N6 of dA, the N4 of dC, the N2 of dG, and the O4 or N3 of dT are modified with non-terminating moieties that regulate multiple additions during free-running enzymatic homopolymer synthesis. Figure 24 shows a comparison of free-running homopolymer synthesis in the presence and absence of rate-regulating modifications. In some embodiments, the homopolymer synthesis rate-regulating modifications are the same for all four nucleotide analogs, while in other embodiments, the modifications are different for each of the dATP, dCTP, dGTP, and dTTP analogs. In some embodiments, the rate-limiting modifications remain in place during the entire synthesis.

図25および26は、異なって修飾された2つのヌクレオチドアナログの2回の連続的付加サイクルの結果を示す。別の実施形態では、新生情報ポリマーは、ホモポリマー速度制限的修飾の部分的または完全な除去を生じる化学的条件を有する周期的または交互になったサイクルに曝露される。クラス2 dNTPアナログの使用の一部の実施形態では、以前に取り込まれた速度調節修飾は、酵素的伸長反応混合物の交互になったサイクルに穏やかな還元剤を含めることによって、ポリメラーゼ伸長と同時に除去される。 Figures 25 and 26 show the results of two successive addition cycles of two differentially modified nucleotide analogs. In another embodiment, the nascent information polymer is exposed to periodic or alternating cycles having chemical conditions that result in partial or complete removal of the homopolymer rate-limiting modification. In some embodiments of the use of class 2 dNTP analogs, previously incorporated rate-controlling modifications are removed simultaneously with polymerase extension by including a mild reducing agent in alternating cycles of the enzymatic extension reaction mixture.

非SBS方法の読み出し(すなわち、ナノポア)が使用される場合、ホモポリマー速度調節修飾は、切断不能な連結を用いて共有結合され得、読み出しの間、その位置に残され得る。一部の実施形態では、ホモポリマー速度調節修飾は、読み出しプロセスの間に情報をエンコードするためにも使用され得る。好ましい実施形態では、ホモポリマー合成速度調節アナログは、ナノポアトランスロケーションの間の電流を調節するようにも設計され、さらに、2つまたはそれよりも多くの検出可能で識別可能な電流遮断レベルを提供するように選択される。別の実施形態では、単一の型のヌクレオチドのみ(すなわち、AまたはCまたはGまたはT)が、情報鎖合成において使用され、ホモポリマービットは、2つまたはそれよりも多くの差次的電流遮断生成性修飾によってエンコードされる。 If a non-SBS method of readout (i.e., nanopore) is used, the homopolymer rate-modulating modification may be covalently attached using a non-cleavable linkage and left in place during readout. In some embodiments, the homopolymer rate-modulating modification may also be used to encode information during the readout process. In a preferred embodiment, the homopolymer synthesis rate-modulating analog is also designed to modulate the current during nanopore translocation and is further selected to provide two or more detectable and distinguishable levels of current blockage. In another embodiment, only a single type of nucleotide (i.e., A or C or G or T) is used in the information strand synthesis and the homopolymer bit is encoded by two or more differential current blockage-generating modifications.

図27~30は、ペプチド修飾されたdNTPアナログの酵素的に合成されたホモポリマーのソリッドステートナノポアによる検出の例を示す。5アミノ酸ペプチドへの切断可能なジスルフィド連結によって修飾されたdTTPアナログ(N-Ac-CYPEE)を使用して、100nt長よりも長い自由継続ホモポリマー合成を介して、完全に修飾された分子を生成した。500mVでの2D窒化ケイ素30nm厚ナノポアを介したトランスロケーションは、未修飾のdUホモポリマー(Goeppert LLC、Philadelphia、PAの厚意による)と比較して、大きいシグナルの振れを生じた。 Figures 27-30 show examples of solid-state nanopore detection of enzymatically synthesized homopolymers of peptide-modified dNTP analogs. A dTTP analog modified by a cleavable disulfide linkage to a 5 amino acid peptide (N-Ac-CYPEE) was used to generate fully modified molecules via free-running homopolymer synthesis greater than 100 nt in length. Translocation through a 2D silicon nitride 30 nm thick nanopore at 500 mV produced a large signal swing compared to unmodified dU homopolymer (courtesy of Goeppert LLC, Philadelphia, PA).

以下の表は、3つの異なる「送達なしの」ホモポリマー合成活性化アプローチおよび2つの異なるホモポリマーエンコードされた核酸メモリ鎖読み出し技術のために有用な、6つの異なるクラスの修飾されたdNTPアナログを記載する。
The following table describes six different classes of modified dNTP analogs useful for three different "delivery-free" homopolymer synthesis activation approaches and two different homopolymer-encoded nucleic acid memory strand readout technologies.

クラスIを構成する4つの光媒介性デケージングヌクレオチドアナログの例が以下に示される:
Examples of the four light-mediated decaging nucleotide analogs that make up Class I are shown below:

このクラスのアナログは、光媒介性デケージングの際に天然の非修飾dNTPになる3’-O-ケージングされたdNTPを示している。デケージングされると、ホモポリマー形成の速度は、天然のヌクレオチドのものと異ならず、形成されるホモポリマーの長さは、鋳型非依存的ポリメラーゼ反応配合物への添加物によって調節される必要がある。一部の実施形態では、テトラヒドロピラニル、4-メトキシ-テトラヒドロピラニル、テトラヒドロフラニル、アセチル、メトキシアセチルまたはフェノキシアセチル修飾が、3’-O遮断されたdNTPアナログの熱誘発性のデケージングのために有用である。一部の実施形態では、-O-CH-S-S-Rなどの3’-O-アナログが、還元条件によって電気化学的に媒介されるデケージングのために有用である。クラスI dNTPアナログは、古典的な合成による配列決定またはラチェットスタイルのナノポアのいずれかによる読み出しに適切な未修飾のホモポリマーを生じるヌクレオチドによって特徴付けられる。両方の場合において、ホモポリマーの長さにおける精度は必要ないが、ホモポリマー間の遷移の正確な検出は要求される。 This class of analogs represents a 3'-O-caged dNTP that becomes a native unmodified dNTP upon light-mediated decaging. Once decaged, the rate of homopolymer formation does not differ from that of the native nucleotide, and the length of the homopolymer formed needs to be controlled by additives to the template-independent polymerase reaction formulation. In some embodiments, tetrahydropyranyl, 4-methoxy-tetrahydropyranyl, tetrahydrofuranyl, acetyl, methoxyacetyl, or phenoxyacetyl modifications are useful for thermally induced decaging of 3'-O blocked dNTP analogs. In some embodiments, 3'-O-analogs such as -O-CH 2 -S-S-R are useful for electrochemically mediated decaging by reducing conditions. Class I dNTP analogs are characterized by nucleotides that yield unmodified homopolymers suitable for readout by either classical sequencing-by-synthesis or ratchet-style nanopores. In both cases, precision in the length of the homopolymer is not required, but precise detection of the transition between homopolymers is required.

直交的に除去可能なペプチド速度調節修飾を有する4つのクラスII光媒介性デケージングヌクレオチドアナログの例が以下に示される:
Examples of four Class II photomediated de-caging nucleotide analogs with orthogonally removable peptide rate controlling modifications are shown below:

クラスII dNTPアナログとの使用のためのペプチド修飾は、1つのホモポリマー型(A、C、G、T)から次のホモポリマー型への遷移を検出するのに十分に敏感な、SBSに依存する配列決定方法またはナノポアを介したトランスロケーションによる引き続く問い合わせのために、情報ポリマー合成の終了時に除去されることが意図される。本出願における使用に適切なペプチドは、異なる組成の未修飾の鎖または修飾された鎖の完全な変換の前の長いホモポリマー形成を防止するために、修飾ヌクレオチドアナログの取り込みの速度を減速させる。一部の実施形態では、取り込み速度調節修飾は、4つのヌクレオチドアナログについて、1、2、3または4つの異なるペプチドからなり得る。一部の実施形態では、ペプチドは、穏やかな化学的条件下で切断可能な自己犠牲的傷を有するジスルフィドリンカーを介して、ヌクレオチドに連結される。一部の実施形態では、ペプチドは、これらに限定されないが、Ac-EECGY、Ac-EEGCGW、Ac-EEGCGGW、Ac-EC-pNA、Ac-CWEE、Ac-CYPEE、Ac-EEGCPPW、Ac-CPYEE、Ac-CPWEE、Ac-CWPEEからなり得る。多くの他のペプチド配列および組成が、当業者に可能である。全体的なアニオン性組成を有するペプチドが最も適切と思われる;カチオン性組成を有するペプチドは、Finn PS et al 2003によって以前に指摘されたように、ヌクレオチドの取り込みの速度を加速させる。残留する傷を残すことなしに完成したホモポリマーDNA鎖のヌクレオチドからそれらを除去する能力が維持されている限り、システインアミノ酸へのジスルフィドを介したもの以外のヌクレオチドへの共有結合的連結を有するペプチドが可能である。チオラクトンの形成により穏やかな条件下で排除されるジスルフィド切断媒介性自己犠牲的リンカーが、特に有用である。 Peptide modifications for use with class II dNTP analogs are intended to be removed at the end of information polymer synthesis for subsequent interrogation by SBS-dependent sequencing methods or nanopore-mediated translocation, which are sensitive enough to detect the transition from one homopolymer type (A, C, G, T) to the next. Peptides suitable for use in this application slow down the rate of incorporation of modified nucleotide analogs to prevent long homopolymer formation prior to complete conversion of unmodified or modified strands of different composition. In some embodiments, the incorporation rate modulating modifications may consist of one, two, three or four different peptides for four nucleotide analogs. In some embodiments, the peptides are linked to the nucleotides via disulfide linkers that have a self-immolative scar that is cleavable under mild chemical conditions. In some embodiments, the peptides may consist of, but are not limited to, Ac-EECGY, Ac-EEGCGW, Ac-EEGCGGW, Ac-EC-pNA, Ac-CWEE, Ac-CYPEE, Ac-EEGCPPW, Ac-CPYEE, Ac-CPWEE, Ac-CWPEE. Many other peptide sequences and compositions are possible to one of skill in the art. Peptides with an overall anionic composition seem most suitable; peptides with a cationic composition accelerate the rate of nucleotide incorporation, as previously pointed out by Finn PS et al 2003. Peptides with covalent linkages to nucleotides other than via disulfides to cysteine amino acids are possible, so long as they maintain the ability to remove them from the nucleotides of completed homopolymeric DNA strands without leaving residual damage. Disulfide cleavage mediated self-immolative linkers, which are eliminated under mild conditions by the formation of thiolactones, are particularly useful.

以下は、光媒介性デケージングおよび直交的に除去可能な非ペプチドホモポリマー合成速度調節修飾を有するクラスIIの4つのヌクレオチドの例である:
The following are examples of four class II nucleotides with light-mediated decaging and orthogonally removable non-peptide homopolymer synthesis rate-regulating modifications:

アデニンのN6、シチジンのN4、グアニンのN2およびチミンのN3に対する非ペプチド修飾は、取り込み速度モジュレーターとして作用し得る。一部の実施形態では、アセチル、ジアセチル、イソブチリル、プロピオニル(proprionyl)、ピバロイル、ベンゾイル、シクロヘキシルおよび他の有機修飾剤が有用である。この型の修飾剤は、限定されないがアンモノリシスによって、情報ポリマー合成後に除去される。クラスII dNTPアナログは、古典的な合成による配列決定またはラチェットスタイルのナノポアのいずれかによる読み出しに適切な未修飾のホモポリマーを生じるヌクレオチドによって特徴付けられる。両方の場合において、ホモポリマーの長さにおける精度は必要ないが、ホモポリマー間の遷移の正確な検出は要求される。 Non-peptide modifications to N6 of adenine, N4 of cytidine, N2 of guanine, and N3 of thymine can act as incorporation rate modulators. In some embodiments, acetyl, diacetyl, isobutyryl, proprionyl, pivaloyl, benzoyl, cyclohexyl, and other organic modifiers are useful. Modifiers of this type are removed after information polymer synthesis, including but not limited to by ammonolysis. Class II dNTP analogs are characterized by nucleotides that yield unmodified homopolymers suitable for readout by either classical sequencing-by-synthesis or ratchet-style nanopores. In both cases, precision in the length of the homopolymer is not required, but precise detection of the transition between homopolymers is.

以下は、未修飾の3’-OHおよびプリンまたはピリミジン上の除去可能な取り込みケージング修飾を有する2つのクラスIIIヌクレオチドアナログの例である:
Below are examples of two Class III nucleotide analogs with an unmodified 3′-OH and a removable incorporation caging modification on the purine or pyrimidine:

一部の実施形態では、2-ニトロベンジル官能基への有用なケージング修飾は、ペプチド、環状ペプチド、PEG、分岐鎖PEG、スターPEG、デンドリマー、ナノ粒子などであるがこれらに限定されない嵩高い修飾である。クラスIII dNTPアナログもまた、古典的な合成による配列決定またはラチェットスタイルのナノポアのいずれかによる読み出しに適切な未修飾のホモポリマーを生じるヌクレオチドによって特徴付けられる。両方の場合において、ホモポリマーの長さにおける精度は必要ないが、ホモポリマー間の遷移の正確な検出は要求される。 In some embodiments, useful caging modifications to the 2-nitrobenzyl functionality are bulky modifications, including but not limited to peptides, cyclic peptides, PEG, branched PEG, star PEG, dendrimers, nanoparticles, etc. Class III dNTP analogs are also characterized by nucleotides that yield unmodified homopolymers suitable for readout by either classical sequencing-by-synthesis or ratchet-style nanopores. In both cases, precision in the length of the homopolymer is not required, but precise detection of the transition between homopolymers is.

未修飾の3’-OH、3’-OH以外の位置における除去可能な取り込み遮断因子、およびこれもまた3’-OHには位置しない直交的に除去可能なホモポリマー合成速度モジュレーター修飾を有する1つのクラスIVヌクレオチドアナログの例は以下である:
An example of one Class IV nucleotide analog having an unmodified 3'-OH, a removable uptake blocker at a position other than the 3'-OH, and an orthogonally removable homopolymer synthesis rate modulator modification that is also not located at the 3'-OH is:

クラスIVのヌクレオチドアナログは、光、熱または電気化学的手段によって除去されるまで、ヌクレオチドを酵素的取り込みからケージングする1つまたは複数の取り込み遮断修飾を有するように設計される。ヌクレオチドアナログをポリメラーゼ取り込みに対して不活性にする大きい嵩高い修飾が好ましい。一部の実施形態では、1つまたは複数の修飾は、光分解によって除去され得る2-ニトロベンジルの誘導体である。全てのサイクルにおけるケージング修飾の除去は、情報ポリマー合成の完了時にヌクレオチドアナログをデケージングするために使用される方法とは直交的な化学的方法によって除去される取り込み速度調節修飾を残す。好ましい実施形態では、取り込み遮断修飾は、取り込み速度調節修飾に共有結合される。一部の実施形態では、嵩高い修飾であり立体遮断因子として作用する、2-ニトロベンジル官能基へのケージング修飾が有用である。立体遮断因子として作用し得る修飾の例は、これらに限定されないが、ペプチド、タンパク質、ペプトイド、PEG、分岐鎖PEG、スターPEG、デンドリマーまたはナノ粒子である。 Class IV nucleotide analogs are designed to have one or more incorporation blocking modifications that cage the nucleotide from enzymatic incorporation until removed by light, heat or electrochemical means. Large bulky modifications that render the nucleotide analog inactive to polymerase incorporation are preferred. In some embodiments, the one or more modifications are derivatives of 2-nitrobenzyl that can be removed by photolysis. Removal of the caging modification in every cycle leaves the incorporation rate modulating modification that is removed by chemical methods that are orthogonal to the methods used to de-cage the nucleotide analog upon completion of the information polymer synthesis. In a preferred embodiment, the incorporation blocking modification is covalently linked to the incorporation rate modulating modification. In some embodiments, a caging modification to the 2-nitrobenzyl functionality is useful, which is a bulky modification and acts as a steric blocking agent. Examples of modifications that can act as steric blocking agents are, but are not limited to, peptides, proteins, peptoids, PEG, branched PEG, star PEG, dendrimers or nanoparticles.

3’-O-ケージング修飾および除去不能な塩基修飾を有するクラスVピリミジンヌクレオチドの例は以下である:
Examples of Class V pyrimidine nucleotides having a 3'-O-caging modification and a non-removable base modification are:

直接的トランスロケーションによるナノポア検出が読み出し方法として所望される場合、ヌクレオチドは、適切な除去可能な3’-O-ケージング基と、非インデックス化ナノポアを介した直接的トランスロケーションの間に遮断電流モジュレーターとして作用する共有結合的な除去不能な修飾とで、二重に修飾される。適切な修飾は、ペプチドまたは非ペプチドであり得る。遮断電流調節基の理想的な実施形態は、最も短い可能なホモポリマーストレッチで最も独自のシグナルを生じる最も小さい可能な修飾である。このクラスのdNTPアナログの重要な革新は、修飾ヌクレオチドの1つの型だけが要求されることであるが、それは、ホモポリマーの「配列」が、ヌクレオチド自体ではなく、2つまたはそれよりも多くの電流調節修飾の配列によってエンコードされるからである。 If nanopore detection by direct translocation is desired as the readout method, the nucleotide is dually modified with a suitable removable 3'-O-caging group and a covalent non-removable modification that acts as a block current modulator during direct translocation through a non-indexed nanopore. Suitable modifications can be peptides or non-peptides. The ideal embodiment of a block current modulating group is the smallest possible modification that produces the most unique signal in the shortest possible homopolymer stretch. The key innovation of this class of dNTP analogs is that only one type of modified nucleotide is required, since the homopolymer "sequence" is encoded by the sequence of two or more current modulating modifications, not the nucleotide itself.

以下は、未修飾の3’-OH、除去可能な取り込み遮断(ケージング)修飾、および直接的ナノポア配列決定による検出のために有用な2つまたはそれよりも多くの異なる型の除去不能な電流調節修飾を含むクラスVIヌクレオチドアナログの例である。クラスVI dNTPアナログの重要な革新は、修飾ヌクレオチドの1つの型だけが要求されることであるが、それは、ホモポリマーの「配列」が、ヌクレオチド自体ではなく、2つまたはそれよりも多くの電流調節修飾の配列によってエンコードされるからである。エンコーディングは、基数2または基数4に限定されず、単一のプリンまたはピリミジンヌクレオチドに対してなされ得る電流調節修飾の数によってのみ制限される。
Below are examples of Class VI nucleotide analogs that contain an unmodified 3'-OH, a removable uptake blocking (caging) modification, and two or more different types of non-removable current modulating modifications useful for detection by direct nanopore sequencing. The key innovation of Class VI dNTP analogs is that only one type of modified nucleotide is required, since the homopolymer "sequence" is encoded by the sequence of two or more current modulating modifications, rather than the nucleotide itself. The encoding is not limited to base 2 or base 4, but is limited only by the number of current modulating modifications that can be made to a single purine or pyrimidine nucleotide.

一部の実施形態では、取り込み遮断(ケージング)修飾は、光、熱または電気化学的手段のいずれかによって除去可能であるが、2つまたはそれよりも多くのナノポア検出要素は除去不能であり、ホモポリマー鎖合成の間の全てのサイクルにおいて使用されるデケージング条件への反復した曝露を乗り切る。立体遮断因子として作用する、2-ニトロベンジルへのケージング修飾は、ペプチド、タンパク質、ペプトイド、PEG、分岐鎖PEG、スターPEG、デンドリマーまたはナノ粒子などであるがこれらに限定されない嵩高い修飾である。 In some embodiments, the entrapment blocking (caging) modification is removable by either light, heat or electrochemical means, while the two or more nanopore sensing elements are non-removable and survive repeated exposure to the de-caging conditions used in every cycle during homopolymer chain synthesis. The caging modification to 2-nitrobenzyl that acts as a steric blocking agent is a bulky modification such as, but not limited to, a peptide, protein, peptoid, PEG, branched PEG, star PEG, dendrimer or nanoparticle.

(実施例1)
-ベンゾイル-デオキシアデノシン三リン酸を、乾燥N下でバイアルにN-ベンゾイル-2’-デオキシアデノシン(0.055g、0.16mmol)を加えることによって調製し、リン酸トリメチル(0.435mL)を添加した。得られた溶液に、トリブチルアミン(0.077mL、0.32mmol)を添加し、反応混合物に、-5℃で維持しながら、乾燥Nを30分間かけ流した。このバイアルに、シリンジを介して無水オキシ塩化リン(0.018mL、0.19mmol)を添加し、反応混合物を、-5℃で3分間撹拌した。無水オキシ塩化リンの第2のアリコート(0.009mL、0.10mmol)を、シリンジを介して添加し、反応混合物を、-5℃で8分間撹拌した。第2のバイアルに、ピロリン酸トリブチルアミン(0.075g、0.14mmol)を加え、乾燥Nをかけ流し、無水アセトニトリル(0.609mL)を添加し、その後、トリブチルアミン(0.231mL、0.97mmol)を添加した。調製されたピロリン酸トリブチルアミン混合物を、-20℃に冷却し、反応混合物に添加し、10分間反応させた。反応を、HO(4.35mL)の滴加によってクエンチした。フラスコの内容物を、0.87mLのH2Oと合わせ、ジクロロメタン(3×150mL)で抽出した。水相を、濃NHOHを用いてpH6.5に調整し、4℃で12時間撹拌した。混合物を、50mLの水と共に250mL丸底フラスコに移し、減圧下で濃縮した。残渣を、40mL水中に溶解させ、イオン交換クロマトグラフィー(AKTA FPLC、Fractogel DEAE 48mLカラム体積、段階的勾配 水中0->70%のTEAB、pH7.5)を介して精製した。所望の産物を含有する画分をプールし、A260による濃度、減圧下で濃縮し、乾燥するまでの水からの反復濃縮(5×50mL)を介して残留重炭酸トリエチルアンモニウムを除去して、N-ベンゾイル-2’-デオキシアデノシン三リン酸を得た。
Example 1
N 6 -benzoyl-deoxyadenosine triphosphate was prepared by adding N 6 -benzoyl-2'-deoxyadenosine (0.055 g, 0.16 mmol) to a vial under dry N 2 and trimethyl phosphate (0.435 mL) was added. To the resulting solution was added tributylamine (0.077 mL, 0.32 mmol) and the reaction mixture was flushed with dry N 2 for 30 minutes while maintaining at -5°C. To this vial was added anhydrous phosphorus oxychloride (0.018 mL, 0.19 mmol) via syringe and the reaction mixture was stirred at -5°C for 3 minutes. A second aliquot of anhydrous phosphorus oxychloride (0.009 mL, 0.10 mmol) was added via syringe and the reaction mixture was stirred at -5°C for 8 minutes. To a second vial, tributylamine pyrophosphate (0.075 g, 0.14 mmol) was added, flushed with dry N2 , anhydrous acetonitrile (0.609 mL) was added, followed by tributylamine (0.231 mL, 0.97 mmol). The prepared tributylamine pyrophosphate mixture was cooled to -20°C, added to the reaction mixture, and allowed to react for 10 minutes. The reaction was quenched by dropwise addition of H2O (4.35 mL). The contents of the flask were combined with 0.87 mL of H2O and extracted with dichloromethane (3 x 150 mL). The aqueous phase was adjusted to pH 6.5 with concentrated NH4OH and stirred at 4°C for 12 hours. The mixture was transferred to a 250 mL round bottom flask with 50 mL of water and concentrated under reduced pressure. The residue was dissolved in 40 mL water and purified via ion exchange chromatography (AKTA FPLC, Fractogel DEAE 48 mL column volume, step gradient 0->70% TEAB in water, pH 7.5). Fractions containing the desired product were pooled, concentrated under reduced pressure, concentration by A260, and residual triethylammonium bicarbonate was removed via repeated concentration from water to dryness (5 x 50 mL) to give N -benzoyl -2'-deoxyadenosine triphosphate.

ヌクレオチジルトランスフェラーゼTdTによる、修飾ヌクレオチドから構成されるホモポリマートラクトの制御された合成を、以下の様式で実施した。各々1mMのデオキシアデノシン三リン酸(TriLink Biosciences)およびN-ベンゾイル-デオキシアデノシン三リン酸のストック溶液を、HO中に調製した。 Controlled synthesis of homopolymeric tracts composed of modified nucleotides by nucleotidyl transferase TdT was carried out in the following manner: Stock solutions of 1 mM each of deoxyadenosine triphosphate (TriLink Biosciences) and N 6 -benzoyl-deoxyadenosine triphosphate were prepared in H 2 O.

0.5μL(500pモル)の異なる三リン酸の各々を、別々に、1.5μL(30U)の市販のTdT(Thermo Scientific)、0.5μL(50pモル)の5’-TAATAATAATAATTTTT-3’(IDT)、2μLの市販のTdT Rxn緩衝液(Thermo Scientific - 1Mカコジル酸カリウム、0.125Mトリス、0.05%(v/v)Triton X100、5mM CCl2(25℃でpH7.2))および4.5μLのH2Oと合わせた。反応を37℃でインキュベートした。30μLアリコートを、1分、5分および15分後に除去し、各々20μL 5mM EDTAでクエンチした。各試料を、真空下で乾燥させ、100μL H2O中で再構成した。10μLの各時点を、10μLの変性ロード緩衝液(100%ホルムアミドおよび0.1%Orange G)と混合し、1mm×20cm×14cmの20%ポリアクリルアミドゲルのウェルに適用した。400Vで3.5時間の電気泳動後、バンドを、Sybr Gold(Thermo Scientific)によって可視化し、UV照射下で写真撮影した(UV遮断性Wratten 2Aフィルター 405nmカットオフ、UVP、LLC)。 0.5 μL (500 pmoles) of each of the different triphosphates was separately combined with 1.5 μL (30 U) of commercial TdT (Thermo Scientific), 0.5 μL (50 pmoles) of 5'-TAATAATAATTTTT-3' (IDT), 2 μL of commercial TdT Rxn buffer (Thermo Scientific - 1 M potassium cacodylate, 0.125 M Tris, 0.05% (v/v) Triton X100, 5 mM CoCl2 (pH 7.2 at 25°C)) and 4.5 μL of H2O. Reactions were incubated at 37°C. 30 μL aliquots were removed after 1, 5 and 15 min and each quenched with 20 μL 5 mM EDTA. Each sample was dried under vacuum and reconstituted in 100 μL H2O. 10 μL of each time point was mixed with 10 μL of denaturing loading buffer (100% formamide and 0.1% Orange G) and applied to the wells of a 1 mm x 20 cm x 14 cm 20% polyacrylamide gel. After 3.5 hours of electrophoresis at 400 V, bands were visualized by Sybr Gold (Thermo Scientific) and photographed under UV illumination (UV-blocking Wratten 2A filter 405 nm cutoff, UVP, LLC).

複数のホモポリマートラクトの合成のために、イニシエーターオリゴヌクレオチドが、以前の反応物および洗浄液の除去が組み入れられた複数ラウンドの酵素的合成を可能にするために、ビーズに結合され得る。5’-ビオチン-TAATAATAATAATTTTT-3’(IDT)が、ストレプトアビジンコーティングされた磁気セファロースマイクロビーズ(GE Healthcare Life Sciences)と共にインキュベートされ得る。オリゴヌクレオチドが加えられたビーズは、ビーズスラリーのアリコートを取り出し、フィルターカップに移すことによって調製され得る。次いで、ビーズは、1×PBS(2×体積のビーズスラリーを使用する)ボルテックスで5回洗浄され得、各リンス液はスピンダウンされ得る。次いで、1/2ビーズスラリー体積の1×PBSが添加され得、ビオチン化されたオリゴヌクレオチドが、公開されたビーズ結合能の1/10でスパイクされ得る。混合物は、30分毎にボルテックスしながら、37Cで2時間インキュベートされ得る。2時間後、少量の上清が取り出され得、あらゆる未結合のオリゴヌクレオチドについてA260が測定され得る。A260が10%未満の残存するオリゴヌクレオチドを示したところで、ビーズは、MQ水で5回洗浄され得る。洗浄されたビーズは、MQ水中で所望の濃度にされ得る。 For synthesis of multiple homopolymer tracts, initiator oligonucleotides can be attached to beads to allow multiple rounds of enzymatic synthesis incorporating removal of previous reactants and washes. 5'-biotin-TAATAATAATTTTT-3' (IDT) can be incubated with streptavidin-coated magnetic sepharose microbeads (GE Healthcare Life Sciences). Oligonucleotide-loaded beads can be prepared by removing an aliquot of bead slurry and transferring to a filter cup. The beads can then be washed 5 times with 1x PBS (using 2x volume of bead slurry) vortexing, each rinse can be spun down. 1/2 bead slurry volume of 1x PBS can then be added and biotinylated oligonucleotides can be spiked at 1/10 of the published bead binding capacity. The mixture can be incubated at 37C for 2 hours with vortexing every 30 minutes. After 2 hours, a small amount of supernatant can be removed and the A260 can be measured for any unbound oligonucleotide. When the A260 indicates less than 10% remaining oligonucleotide, the beads can be washed five times with MQ water. The washed beads can be brought to the desired concentration in MQ water.

ホモポリマー合成は、ビーズ結合したオリゴヌクレオチドに対して、2~10×モル当量の所望のdNTPを使用して、上記のように実施され得る。ビーズ、dNTP、TdTおよび緩衝液を含有する反応混合物が、37℃で15分間インキュベートされ得る。反応は、10μl EDTAで停止され得、水で3回リンスされ得る。新たなサイクルのホモポリマー合成が、新しいTdT酵素、dNTP、緩衝液を添加することによって開始され得、37℃で15分間インキュベートされ得る。EDTAで反応を停止させ、水で3回リンスした後に、ホモポリマー合成のサイクルは、所望に応じて何回も反復され得る。最後のEDTAクエンチおよび水での3回のリンスの後、支持体結合した交互になったホモポリマーは、100μl濃アンモニウムを使用して固体支持体から切断され得、上清は、Gen-vacによって乾燥され得、次いで、上記のようにポリアクリルアミドゲルを使用して分析される準備ができるまで、-20℃で貯蔵され得る。 Homopolymer synthesis can be carried out as above using 2-10x molar equivalents of the desired dNTPs relative to the bead-bound oligonucleotides. The reaction mixture containing beads, dNTPs, TdT and buffer can be incubated at 37°C for 15 minutes. The reaction can be stopped with 10 μl EDTA and rinsed three times with water. A new cycle of homopolymer synthesis can be initiated by adding fresh TdT enzyme, dNTPs, buffer and incubated at 37°C for 15 minutes. After stopping the reaction with EDTA and rinsing three times with water, the cycle of homopolymer synthesis can be repeated as many times as desired. After the final EDTA quench and three rinses with water, the support-bound alternating homopolymer can be cleaved from the solid support using 100 μl concentrated ammonium and the supernatant can be dried by Gen-vac and then stored at -20°C until ready to be analyzed using polyacrylamide gels as above.

別の実験では、図12に示されるように、2文字メッセージ「MA」を、二進法に変換し、次いで、基数2のヌクレオチドコードに変換した。各文字記号を、1から26までの対応する数字に変換した(A→1、…Z→26)。次いで、各数字を、1から26までの通常の二進法表示に2つのゼロを付け足すことによって、6ビット二進数に変換した(例えば、「M」=001101;「A」=000001)。二進法表示の各ビットを、以下の表に従って、基数2のヌクレオチド表示に変換した:
In another experiment, as shown in Figure 12, the two-letter message "MA" was converted to binary and then to base-2 nucleotide code. Each letter symbol was converted to a corresponding number from 1 to 26 (A→1, ...Z→26). Each number was then converted to a 6-bit binary number by appending two zeros to the normal binary representation of 1 to 26 (e.g., "M"=001101;"A"=000001). Each bit of the binary representation was converted to a base-2 nucleotide representation according to the following table:

こうして、「MA」を、001101 000001に転換し、次いで、単一のヌクレオチド文字列ACTGAGACACAGに転換し、これを、Aとして合成し、ここで、各ヌクレオチドは、可変の長さのホモポリマーとして合成される。 Thus, "MA" is converted to 001101 000001, which is then converted to the single nucleotide string ACTGAGACACAG, which is synthesized as A n C n T n G n A n G n A n C n A n C n A n G n , where each nucleotide is synthesized as a homopolymer of variable length.

12ビットのホモポリマーエンコードされた核酸の合成を、約20pmol/ulのビーズで、34umストレプトアビジン-セファロースビーズ(GE Healthcare)に結合した5’-ビオチン化された39nt長のオリゴヌクレオチドイニシエーター:5’ビオチン-CAGGTCCTAUCGATATCTGTGAGCTTAATGTCCTTATGT-3’を用いて実施した。 Synthesis of 12-bit homopolymer encoded nucleic acids was performed using a 5'-biotinylated 39 nt long oligonucleotide initiator: 5'biotin-CAGGTCCTAUC GATATC TGTGAGCTTAATGTCCTTATGT-3' bound to 34 um streptavidin-sepharose beads (GE Healthcare) at approximately 20 pmol/ul of beads.

このオリゴヌクレオチドは、合成の間に使用される固体支持体から最終産物を放出させるための2つの特色を含有する:1)USER酵素システム(New England Biolabs)による切断を可能にする単一のデオキシウリジン残基、および2)Eco R Vエンドヌクレアーゼ制限部位。 This oligonucleotide contains two features to release the final product from the solid support used during synthesis: 1) a single deoxyuridine residue that allows cleavage with the USER enzyme system (New England Biolabs), and 2) an Eco R V endonuclease restriction site.

約2nmolのビーズ結合したイニシエーターで開始して、各可変の長さのホモポリマーを、TdT、および4つの修飾ヌクレオチド三リン酸のうち1つを使用して、酵素的に合成した。各反応を、37℃で2.5~20分間のインキュベーションで、40~100uMの修飾されたdNTP(40uM-A;100uM-C;50uM-T;100uM-G)、20U TdT(Thermo-Fisher Scientific)、1×TdT緩衝液(Thermo-Fisher Scientific)を含有する750ulの総体積で実施した。各酵素的伸長ステップの後、反応を、10mMトリス緩衝液(pH6.8)中の250mM EDTAを500ul添加することによってクエンチした。ビーズを、10000×gでの遠心分離および上清の除去によって回収した。図13は、12ビットのホモポリマーデータ鎖の酵素的合成の各サイクルのPAGE分析を示す。各レーンは、未反応の39ntイニシエーターを示す「N」で始まり、サイクル数でマークされる。黒の矢印は、60ntのオリゴヌクレオチドのサイズマーカーを示す。 Starting with approximately 2 nmol of bead-bound initiator, homopolymers of each variable length were enzymatically synthesized using TdT and one of four modified nucleotide triphosphates. Each reaction was carried out in a total volume of 750 ul containing 40-100 uM modified dNTPs (40 uM-A; 100 uM-C; 50 uM-T; 100 uM-G), 20 U TdT (Thermo-Fisher Scientific), and 1x TdT buffer (Thermo-Fisher Scientific) with incubation at 37°C for 2.5-20 min. After each enzymatic extension step, the reaction was quenched by adding 500 ul of 250 mM EDTA in 10 mM Tris buffer (pH 6.8). The beads were collected by centrifugation at 10,000×g and removal of the supernatant. FIG. 13 shows a PAGE analysis of each cycle of enzymatic synthesis of a 12-bit homopolymeric data strand. Each lane begins with "N" indicating unreacted 39 nt initiator and is marked with the cycle number. The black arrow indicates the size marker of the 60 nt oligonucleotide.

固体支持体からの全長データ鎖の除去後、NGSライブラリー調製を、ACCEL-NGS(登録商標)1S PLUS DNA LIBRARY KIT(Swift Bioscience)を製造業者の使用説明書に従って使用して実施し、引き続いて、Illumina MiSeq Systemを使用して配列決定した。図14A~Lは、酵素的合成の間に生成された12のヌクレオチド付加(標識のとおり)の各々の観察された塩基組成のヒストグラムを示す。 After removal of the full-length data strand from the solid support, NGS library preparation was performed using the ACCEL-NGS® 1S PLUS DNA LIBRARY KIT (Swift Bioscience) according to the manufacturer's instructions and subsequently sequenced using an Illumina MiSeq System. Figures 14A-L show histograms of the observed base composition of each of the 12 nucleotide additions (as labeled) generated during enzymatic synthesis.

(実施例2)
クラスI-プリンおよびピリミジンdNTPアナログを合成するための手順
クラスI dNTPアナログの合成のためのスキーム
ニトロベンジル-アデノシン
ニトロベンジル-シトシン
ニトロベンジル-グアノシン
ニトロベンジル-チミジン
Example 2
Procedures for the Synthesis of Class I - Purine and Pyrimidine dNTP Analogs Scheme for the Synthesis of Class I dNTP Analogs Nitrobenzyl-Adenosine
Nitrobenzyl-cytosine
Nitrobenzyl-guanosine
Nitrobenzyl-thymidine

(実施例3)
3’-O-ニトロベンジルデオキシアデノシンのための詳細な手順:
9-[β-D-5’-ヒドロキシ-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリン(1.00g、3.69mmol)およびイミダゾール(554mg、8.12mmol)を、無水ギ酸ジメチル(18mL)中に溶解させ、その後、tert-ブチルジメチルシリルクロリド(611mg、3.93mmol)を添加した。反応混合物を、アルゴン下で室温で20時間撹拌した。乾燥させた残渣を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、2:1)によって精製して、9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリンを得た。
Example 3
Detailed procedure for 3'-O-nitrobenzyldeoxyadenosine:
9-[β-D-5'-hydroxy-2'-deoxyribofuranosyl]-6-chloropurine (1.00 g, 3.69 mmol) and imidazole (554 mg, 8.12 mmol) were dissolved in anhydrous dimethyl formate (18 mL) followed by the addition of tert-butyldimethylsilyl chloride (611 mg, 3.93 mmol). The reaction mixture was stirred at room temperature under argon for 20 h. The dried residue was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 2:1) to give 9-[β-D-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2'-deoxyribofuranosyl]-6-chloropurine.

9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリン(1.73g、4.48mmol)を、無水ジクロロメタン(135mL)中に溶解させた。テトラブチルアンモニウムブロミド(722mg、2.24mmol)、2-ニトロベンジルブロミド(2.41g、11.2mmol)および40%水性水酸化ナトリウム(65mL)を、前もって作製した溶液に添加した。反応混合物を、室温で1時間攪拌し、酢酸エチル(300mL)で希釈した。層を分離した。水層を、酢酸エチル(125mL×2)で抽出した。合わせた有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカゲル上に含浸させ、その後、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、2:1)で精製して、9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリンを得た。
9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2′-deoxyribofuranosyl]-6-chloropurine (1.73 g, 4.48 mmol) was dissolved in anhydrous dichloromethane (135 mL). Tetrabutylammonium bromide (722 mg, 2.24 mmol), 2-nitrobenzyl bromide (2.41 g, 11.2 mmol) and 40% aqueous sodium hydroxide (65 mL) were added to the pre-made solution. The reaction mixture was stirred at room temperature for 1 hour and diluted with ethyl acetate (300 mL). The layers were separated. The aqueous layer was extracted with ethyl acetate (125 mL×2). The combined organic layers were dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer was impregnated onto silica gel and then purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 2:1) to give 9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3′-O-(2-nitrobenzyl)-2′-deoxyribofuranosyl]-6-chloropurine.

9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシリボフラノシル]-6-クロロプリン(2.22g、3.83mmol)を、無水テトラヒドロフラン(40mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。その後、テトラヒドロフラン中1.0Mのテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液(4.20mL、4.20mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で1時間攪拌した。反応混合物を乾燥させた後、残渣を、ジオキサン、およびエタノール中7Nのアンモニア(40mL)中に溶解させた。反応混合物を、密封丸底中で90℃で18時間撹拌した。反応混合物を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、20:1)によって精製して、3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシンを得た。
9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3′-O-(2-nitrobenzyl)-2′-deoxyribofuranosyl]-6-chloropurine (2.22 g, 3.83 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (40 mL) and cooled to 0° C. Then, 1.0 M tetrabutylammonium fluoride solution in tetrahydrofuran (4.20 mL, 4.20 mmol) was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 1 h. After drying the reaction mixture, the residue was dissolved in dioxane and 7N ammonia in ethanol (40 mL). The reaction mixture was stirred at 90° C. for 18 h in a sealed round bottom. The reaction mixture was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 20:1) to give 3′-O-(2-nitrobenzyl)-2′-deoxyadenosine.

3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(15mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(tetrabutylammonium hydrogen diphosphate)(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyadenosine (15 mg, 1 eq, 38 μmol) was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight under high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 5 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 sec. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added in one portion as a solid. The mixture was stirred for 30 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例4)
3’-O-ニトロベンジルデオキシシチジンのための詳細な手順:
3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジン(1.00g、2.12mmol)を、無水アセトニトリル(90mL)中に溶解させ、アルゴン下で0℃に冷却した。三塩化ホスホリル(1.49mL、2.12mmol)を、2分間かけて滴加した。10分後、トリエチルアミン(11.1mL、79.7mmol)を、3分間かけて滴加した。15分後、反応混合物を、室温で2時間撹拌した。反応混合物を、0℃に冷却し、トリアゾール(4.40g、63.7mmol)を、固体として一度に添加した。沈殿物が観察され、懸濁物を30分間撹拌した。室温で2時間攪拌した後、反応混合物を、乾燥するまで濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(30mL)中に溶解させ、重炭酸ナトリウムの飽和溶液(25mL×2)、ブライン(25mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。残渣を、ジクロロメタン中に溶解させ、その後、アリルアルコール(2.00mL、29.4mmol)およびトリエチルアミン(2.67mL、18.9mmol)を添加した。反応混合物を、0℃で15分間撹拌した。DBU(0.33mL、2.17mmol)を添加し、室温で6時間撹拌した。反応混合物を、ジクロロメタン(17mL)で希釈し、ブライン(15mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、4:1)によって精製して、4-O-アリル-3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジンを得た。
Example 4
Detailed procedure for 3'-O-nitrobenzyldeoxycytidine:
3',5'-Di-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2'-deoxyuridine (1.00 g, 2.12 mmol) was dissolved in anhydrous acetonitrile (90 mL) and cooled to 0° C. under argon. Phosphoryl trichloride (1.49 mL, 2.12 mmol) was added dropwise over 2 minutes. After 10 minutes, triethylamine (11.1 mL, 79.7 mmol) was added dropwise over 3 minutes. After 15 minutes, the reaction mixture was stirred at room temperature for 2 hours. The reaction mixture was cooled to 0° C. and triazole (4.40 g, 63.7 mmol) was added as a solid in one portion. A precipitate was observed and the suspension was stirred for 30 minutes. After stirring at room temperature for 2 hours, the reaction mixture was concentrated to dryness. The residue was dissolved in dichloromethane (30 mL) and washed with a saturated solution of sodium bicarbonate (25 mL×2), brine (25 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate and concentrated to dryness. The residue was dissolved in dichloromethane, followed by the addition of allyl alcohol (2.00 mL, 29.4 mmol) and triethylamine (2.67 mL, 18.9 mmol). The reaction mixture was stirred at 0° C. for 15 min. DBU (0.33 mL, 2.17 mmol) was added and stirred at room temperature for 6 h. The reaction mixture was diluted with dichloromethane (17 mL) and washed with brine (15 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 4:1) to give 4-O-allyl-3′,5′-di-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2′-deoxyuridine.

4-O-アリル-3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジン(3.37g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(triethylammonium fluoride dihydrofluoride)(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、4-O-アリル-2’-デオキシウリジンを得た。
4-O-allyl-3',5'-di-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2'-deoxyuridine (3.37 g, 5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give 4-O-allyl-2'-deoxyuridine.

4-O-アリル-2’-デオキシウリジン(1.18g、4.40mmol)を、無水ピリジン(37mL)中に溶解させ、その後、アルゴン下でtert-ブチルジメチルシリルクロリド(815mg、5.41mmol)を添加した。反応混合物を、室温で20時間撹拌した。濃縮後、残渣を、ジクロロメタン中に溶解させ、シリカ上に含浸させた。粗製産物を、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、4-O-アリル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジンを得た。
4-O-allyl-2'-deoxyuridine (1.18 g, 4.40 mmol) was dissolved in anhydrous pyridine (37 mL) followed by the addition of tert-butyldimethylsilyl chloride (815 mg, 5.41 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 20 h. After concentration, the residue was dissolved in dichloromethane and impregnated onto silica. The crude product was purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give 4-O-allyl-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2'-deoxyuridine.

ジクロロメタン/水(20mL、1:1)中の4-O-アリル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシウリジン(1.28g、3.35mmol)、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド(1.5mL、水中55~60%)およびヨウ化ナトリウム(50.0mg、0.335mmol)の混合物に、アルゴン下で1.0M水酸化ナトリウム溶液(10mL)を添加した。反応混合物を、室温で10分間撹拌し、その後、10mLジクロロメタン中の2-ニトロベンジルブロミド(1.45g、6.70mmol)を、5分間かけて添加した。室温で7時間撹拌した後、反応混合物を、ジクロロメタン(150mL)で希釈した。有機層を、ブライン(20mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、1:1)によって精製して、4-O-アリル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシウリジンを得た。
To a mixture of 4-O-allyl-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2'-deoxyuridine (1.28 g, 3.35 mmol), tetrabutylammonium hydroxide (1.5 mL, 55-60% in water) and sodium iodide (50.0 mg, 0.335 mmol) in dichloromethane/water (20 mL, 1:1) was added 1.0 M sodium hydroxide solution (10 mL) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 10 minutes, after which 2-nitrobenzyl bromide (1.45 g, 6.70 mmol) in 10 mL dichloromethane was added over 5 minutes. After stirring at room temperature for 7 hours, the reaction mixture was diluted with dichloromethane (150 mL). The organic layer was washed with brine (20 mL) and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 1:1) to give 4-O-allyl-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyuridine.

4-O-アリル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシウリジン(1.55、3.00mmol)を、エタノール中7Nのアンモニア(55mL)中に溶解させ、密封丸底中で55℃で20時間攪拌した。反応混合物を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、20:1)によって精製して、5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。
4-O-allyl-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyuridine (1.55, 3.00 mmol) was dissolved in 7N ammonia in ethanol (55 mL) and stirred in a sealed round bottom for 20 hours at 55° C. The reaction mixture was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 20:1) to give 5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine.

5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(2.22g、3.83mmol)を、無水テトラヒドロフラン(40mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。その後、テトラヒドロフラン中1.0Mのテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液(4.20mL、4.20mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で1時間攪拌した。反応後、混合物を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、8:2)によって精製して、3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。
5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine (2.22 g, 3.83 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (40 mL) and cooled to 0°C. Then, 1.0 M tetrabutylammonium fluoride solution in tetrahydrofuran (4.20 mL, 4.20 mmol) was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 1 hour. After the reaction, the mixture was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 8:2) to obtain 3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine.

3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(14mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine (14 mg, 1 eq, 38 μmol) was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight under high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 5 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 sec. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added in one portion as a solid. The mixture was stirred for 30 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例5)
3’-O-ニトロベンジルデオキシグアノシンのための詳細な手順:
2-アミノ-6-クロロ-9-[β-D-2’-デオキシリボフラノシル]プリン(1.00g、3.50mmol)およびイミダゾール(715mg、10.50mmol)を、無水ギ酸ジメチル(18mL)中に溶解させ、その後、tert-ブチルジメチルシリルクロリド(686mg、4.60mmol)を添加した。反応混合物を、アルゴン下で室温で12時間撹拌した。乾燥させた残渣を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、2-アミノ-6-クロロ-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリンを得た。
(Example 5)
Detailed procedure for 3'-O-nitrobenzyldeoxyguanosine:
2-Amino-6-chloro-9-[β-D-2′-deoxyribofuranosyl]purine (1.00 g, 3.50 mmol) and imidazole (715 mg, 10.50 mmol) were dissolved in anhydrous dimethyl formate (18 mL) followed by the addition of tert-butyldimethylsilyl chloride (686 mg, 4.60 mmol). The reaction mixture was stirred at room temperature under argon for 12 h. The dried residue was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give 2-amino-6-chloro-9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2′-deoxyribofuranosyl]purine.

2-アミノ-6-クロロ-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリン(1.19g、3.00mmol)を、無水テトラヒドロフラン(8.0mL)中に溶解させ、その後、N,N-ジメチルホルムアミドジメチルアセタール(3.10mL、18.0mmol)を室温で添加した。反応混合物を、40℃で3時間撹拌した。反応混合物を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、6-クロロ-N-[(ジメチルアミノメチレン)アミノ]-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリンを得た。
2-Amino-6-chloro-9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2′-deoxyribofuranosyl]purine (1.19 g, 3.00 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (8.0 mL) and then N,N-dimethylformamide dimethyl acetal (3.10 mL, 18.0 mmol) was added at room temperature. The reaction mixture was stirred at 40° C. for 3 hours. The reaction mixture was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give 6-chloro-N 2 -[(dimethylaminomethylene)amino]-9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2′-deoxyribofuranosyl]purine.

6-クロロ-N-[(ジメチルアミノメチレン)アミノ]-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリン(1.09g、2.40mmol)を、無水アセトニトリル(3.5mL)中に溶解させ、その後、鉱油中の水素化ナトリウム粉末(60%)(122mg、4.80mmol)を0℃で添加した。室温で1時間撹拌した後、無水アセトニトリル(1.5mL)中の2-ニトロベンジルブロミド(1.04g、4.80mmol)溶液を添加した。室温で2時間攪拌した後、反応混合物を濾過した。濾液を乾燥させ、得られた残渣を、酢酸エチル(100mL)中に溶解させた。有機層を、飽和重炭酸ナトリウム溶液(50mL)、ブライン(50mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル 4:6)によって精製して、6-クロロ-N-[(ジメチルアミノメチレン)アミノ]-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリンを得た。
6-Chloro-N 2 -[(dimethylaminomethylene)amino]-9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-2′-deoxyribofuranosyl]purine (1.09 g, 2.40 mmol) was dissolved in anhydrous acetonitrile (3.5 mL) followed by the addition of sodium hydride powder (60%) in mineral oil (122 mg, 4.80 mmol) at 0° C. After stirring for 1 h at room temperature, a solution of 2-nitrobenzyl bromide (1.04 g, 4.80 mmol) in anhydrous acetonitrile (1.5 mL) was added. After stirring for 2 h at room temperature, the reaction mixture was filtered. The filtrate was dried and the resulting residue was dissolved in ethyl acetate (100 mL). The organic layer was washed with saturated sodium bicarbonate solution (50 mL), brine (50 mL) and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate 4:6) to give 6-chloro-N 2 -[(dimethylaminomethylene)amino]-9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3′-O-(2-nitrobenzyl)-2′-deoxyribofuranosyl]purine.

6-クロロ-N-[(ジメチルアミノメチレン)アミノ]-9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシリボフラノシル]プリン(1.02g、1.73mmol)を、無水ギ酸ジメチル(15mL)中に溶解させ、その後、アルゴン下で、酢酸セシウム(996mg、5.19mmol)、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(194mg、1.73mmol)およびトリエチルアミン(0.72mL、5.19mmol)を添加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌した。無水酢酸(5mL)を添加し、0.5時間撹拌した。反応混合物を、水(100mL)でクエンチし、酢酸エチル(100mL)で抽出した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、20:1)によって精製して、5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-N-[(ジメチルアミノ)メチレン]-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシグアノシンを得た。
6-Chloro-N 2 -[(dimethylaminomethylene)amino]-9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3′-O-(2-nitrobenzyl)-2′-deoxyribofuranosyl]purine (1.02 g, 1.73 mmol) was dissolved in dimethyl formate anhydride (15 mL) followed by the addition of cesium acetate (996 mg, 5.19 mmol), 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (194 mg, 1.73 mmol) and triethylamine (0.72 mL, 5.19 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 hours. Acetic anhydride (5 mL) was added and stirred for 0.5 hours. The reaction mixture was quenched with water (100 mL) and extracted with ethyl acetate (100 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica, and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 20:1) to give 5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-N 2 -[(dimethylamino)methylene]-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyguanosine.

5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-N-[(ジメチルアミノ)メチレン]-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシグアノシン(732mg、1.28mmol)を、アルゴン下で無水テトラヒドロフラン(8mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。その後、テトラヒドロフラン中1.0Mのテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液(2.56mL、2.56mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で2時間攪拌した。反応混合物を、冷水(50mL)中に注ぎ、酢酸エチル(50mL×2)で抽出した。有機層を合わせ、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、10:1)によって精製して、N-[(ジメチルアミノ)メチレン]-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシグアノシンを得た。
5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-N 2 -[(dimethylamino)methylene]-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyguanosine (732 mg, 1.28 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (8 mL) under argon and cooled to 0°C. Then, 1.0 M tetrabutylammonium fluoride solution in tetrahydrofuran (2.56 mL, 2.56 mmol) was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 2 hours. The reaction mixture was poured into cold water (50 mL) and extracted with ethyl acetate (50 mL x 2). The organic layers were combined and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 10:1) to give N 2 -[(dimethylamino)methylene]-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyguanosine.

-[(ジメチルアミノ)メチレン]-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシグアノシン(17mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N 2 -[(dimethylamino)methylene]-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyguanosine (17 mg, 1 eq, 38 μmol) was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight on high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 5 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 sec. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added as a solid in one portion. The mixture was stirred for 30 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例6)
3’-O-ニトロベンジルデオキシチミジンのための詳細な手順:
チミジン(2.50g、10.3mmol)を、アルゴン下で室温でジメチルホルムアミド(60mL)中に懸濁した。この懸濁物に、イミダゾール(4.22g、61.9mmol)およびtert-ブチルクロロジメチルシラン(4.66g、30.1mmol)を添加した。2時間攪拌した後、反応混合物を、メタノール(8mL)でクエンチし、酢酸エチル(200mL)で希釈した。有機層を、水(100mL×2)、重炭酸ナトリウムの飽和溶液(100mL)およびブライン(100mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、8:2)によって精製して、3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジンを得た。
Example 6
Detailed procedure for 3'-O-nitrobenzyldeoxythymidine:
Thymidine (2.50 g, 10.3 mmol) was suspended in dimethylformamide (60 mL) at room temperature under argon. To this suspension was added imidazole (4.22 g, 61.9 mmol) and tert-butylchlorodimethylsilane (4.66 g, 30.1 mmol). After stirring for 2 h, the reaction mixture was quenched with methanol (8 mL) and diluted with ethyl acetate (200 mL). The organic layer was washed with water (100 mL x 2), a saturated solution of sodium bicarbonate (100 mL) and brine (100 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 8:2) to give 3',5'-di-O-(tert-butyldimethylsilyl)thymidine.

3’,5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジン(4.34g、9.22mmol)およびジメチル-4-アミノピリジン(1.12g、9.22mmol)を、無水ジクロロメタン(140mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(5.14mL、36.9mmol)を添加し、反応混合物を0℃に冷却した。塩化ベンジル(3.21mL、27.7mmol)を滴加し、室温に温めた(warp up)。14時間攪拌した後、重炭酸ナトリウムの飽和溶液(80mL)を添加し、層を分離した。水層を、ジクロロメタン(200mL×2)で抽出した。合わせた有機層を、水(300mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、8:2)によって精製して、3-N-ベンゾイル-3’5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジンを得た。
3',5'-Di-O-(tert-butyldimethylsilyl)thymidine (4.34 g, 9.22 mmol) and dimethyl-4-aminopyridine (1.12 g, 9.22 mmol) were dissolved in anhydrous dichloromethane (140 mL). Triethylamine (5.14 mL, 36.9 mmol) was added and the reaction mixture was cooled to 0° C. Benzyl chloride (3.21 mL, 27.7 mmol) was added dropwise and warped up to room temperature. After stirring for 14 hours, a saturated solution of sodium bicarbonate (80 mL) was added and the layers were separated. The aqueous layer was extracted with dichloromethane (200 mL×2). The combined organic layers were washed with water (300 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 8:2) to give 3-N-benzoyl-3'5'-di-O-(tert-butyldimethylsilyl)thymidine.

3-N-ベンゾイル-3’5’-ジ-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジン(3.03g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、3-N-ベンゾイルチミジンを得た。
3-N-benzoyl-3'5'-di-O-(tert-butyldimethylsilyl)thymidine (3.03 g, 5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give 3-N-benzoylthymidine.

3-N-ベンゾイルチミジン(XXg、4.40mmol)を、無水ピリジン(37mL)中に溶解させ、その後、アルゴン下でtert-ブチルジメチルシリルクロリド(815mg、5.41mmol)を添加した。反応混合物を、室温で20時間撹拌した。濃縮後、残渣を、ジクロロメタン中に溶解させ、シリカ上に含浸させた。粗製産物を、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、3-N-ベンゾイル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジンを得た。
3-N-benzoylthymidine (XX g, 4.40 mmol) was dissolved in anhydrous pyridine (37 mL) followed by the addition of tert-butyldimethylsilyl chloride (815 mg, 5.41 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 20 h. After concentration, the residue was dissolved in dichloromethane and impregnated onto silica. The crude product was purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give 3-N-benzoyl-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)thymidine.

3-N-ベンゾイル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)チミジン(1.18g、2.56mmol)に、テトラブチルアンモニウムヒドロキシドの水溶液(10mL、60%)を添加し、その後、ヨウ化ナトリウム(76.7mg、0.51mmol)、ジクロロメタン(10mL)、水(10mL)、および1M水酸化ナトリウムの水溶液(10mL)を添加した。この混合物を、ジクロロメタン(10mL)中の2-ニトロベンジルブロミド(718mg、3.32mmol)溶液に滴加した。反応混合物を、室温で6時間撹拌した後、水(10mL)を添加した。水層を、ジクロロメタン(50mL×3)で抽出した。有機層を合わせ、ブライン(100mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。濾過および濃縮の後、残渣を、酢酸エチルで溶解させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、6:4)によって精製して、3-N-ベンゾイル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジンを得た。
To 3-N-benzoyl-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)thymidine (1.18 g, 2.56 mmol) was added an aqueous solution of tetrabutylammonium hydroxide (10 mL, 60%), followed by sodium iodide (76.7 mg, 0.51 mmol), dichloromethane (10 mL), water (10 mL), and an aqueous solution of 1 M sodium hydroxide (10 mL). This mixture was added dropwise to a solution of 2-nitrobenzyl bromide (718 mg, 3.32 mmol) in dichloromethane (10 mL). The reaction mixture was stirred at room temperature for 6 hours, after which water (10 mL) was added. The aqueous layer was extracted with dichloromethane (50 mL x 3). The organic layers were combined, washed with brine (100 mL), and dried over anhydrous sodium sulfate. After filtration and concentration, the residue was dissolved in ethyl acetate, impregnated onto silica, and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 6:4) to give 3-N-benzoyl-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3′-O-(2-nitrobenzyl)thymidine.

3-N-ベンゾイル-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジン(1.24g、2.08mmol)を、エタノール(15mL)中に溶解させ、その後、30%水酸化アンモニウム溶液(1.5mL、12.3mmol)を添加した。反応混合物を、室温で1時間撹拌し、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、6:4)によって精製して、5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジンを得た。
3-N-benzoyl-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)thymidine (1.24 g, 2.08 mmol) was dissolved in ethanol (15 mL) followed by the addition of 30% ammonium hydroxide solution (1.5 mL, 12.3 mmol). The reaction mixture was stirred at room temperature for 1 h, impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 6:4) to give 5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)thymidine.

5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジン(681mg、1.39mmol)を、アルゴン下で無水テトラヒドロフラン(12mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。その後、テトラヒドロフラン中1.0Mのテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液(2.78mL、2.78mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で2時間攪拌した。反応混合物を、冷水(50mL)に注ぎ、酢酸エチル(50mL×3)で抽出した。有機層を合わせ、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。有機層を、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、10:1)によって精製して、3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジンを得た。
5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)thymidine (681 mg, 1.39 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (12 mL) under argon and cooled to 0°C. Then, 1.0 M tetrabutylammonium fluoride solution in tetrahydrofuran (2.78 mL, 2.78 mmol) was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 2 hours. The reaction mixture was poured into cold water (50 mL) and extracted with ethyl acetate (50 mL x 3). The organic layers were combined and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic layer was impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 10:1) to give 3'-O-(2-nitrobenzyl)thymidine.

3’-O-(2-ニトロベンジル)チミジン(15mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 3'-O-(2-nitrobenzyl)thymidine (15 mg, 1 eq, 38 μmol) was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight under high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 5 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise over 30 sec to the rxn mixture. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added in one portion as a solid. The mixture was stirred for 30 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例6)
クラスII-プリンおよびピリミジンdNTPアナログを合成するための手順。
クラスII非ペプチドdNTPアナログの合成のためのスキーム
非ペプチド前駆体 - アデノシン
非ペプチド前駆体 - シトシン
クラスIIペプチド-dNTPアナログの合成のためのスキーム
ジスルフィドペプチド前駆体 - アデノシン
ジスルフィドペプチド前駆体 - シトシン
Example 6
Class II - Procedures for synthesizing purine and pyrimidine dNTP analogs.
Scheme for the synthesis of class II non-peptide dNTP analogs. Non-peptide precursor - adenosine
Non-peptide precursor - cytosine
Scheme for the synthesis of class II peptide-dNTP analogs Disulfide peptide precursor - Adenosine
Disulfide Peptide Precursor - Cytosine

(実施例7)
クラスII非ペプチドdATP構築物の合成のための詳細な手順:
9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(0.24mmol)を、アルゴン下で室温で無水テトラヒドロフラン(4mL)中に溶解させた。水素化ナトリウム(48mg、1.21mmol)を、一度に添加した。1時間攪拌した後、反応混合物を0℃に冷却し、塩化アシル(3当量、0.723mmol)を滴加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌した。反応混合物を、飽和重炭酸ナトリウムおよびジクロロメタンの冷溶液中に注いだ。層を分離した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、2:8)によって精製して、所望の産物を得た。
(Example 7)
Detailed procedure for the synthesis of class II non-peptide dATP constructs:
9-[β-D-5′-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3′-O-(2-nitrobenzyl)-2′-deoxyadenosine (0.24 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (4 mL) at room temperature under argon. Sodium hydride (48 mg, 1.21 mmol) was added in one portion. After stirring for 1 h, the reaction mixture was cooled to 0° C. and acyl chloride (3 eq, 0.723 mmol) was added dropwise. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 h. The reaction mixture was poured into a cold solution of saturated sodium bicarbonate and dichloromethane. The layers were separated. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica, and purified by flash column chromatography (hexanes/ethyl acetate, 2:8) to give the desired product.

N-置換ヌクレオシド(5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、N-置換3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシンを得た。
The N-substituted nucleoside (5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give the N-substituted 3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyadenosine.

N-置換3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N-substituted 3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyadenosine (1 eq, 38 μmol) was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight under high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 5 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 sec. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added in one portion as a solid. The mixture was stirred for 30 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例8)
クラスII非ペプチドdCTP構築物の合成のための詳細な手順:
5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(524.3mg、1.10mmol)およびカルボン酸(1.32mmol)を、アルゴン下で無水ギ酸ジメチル中に溶解させた。N,N-ジイソプロピルエチルアミン(0.48mL、2.74mmol)および2-(3H-[1,2,3]トリアゾロ[4,5-b]ピリジン-3-イル)-1,1,3,3-テトラメチルイソウロニウムヘキサフルオロホスフェート(V)(417mg、1.10mmol)を添加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌し、酢酸エチル(30mL)で希釈した。有機層を、飽和重炭酸ナトリウム溶液(30mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、4:6)によって精製して、N-置換5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。
(Example 8)
Detailed procedure for the synthesis of class II non-peptide dCTP constructs:
5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine (524.3 mg, 1.10 mmol) and carboxylic acid (1.32 mmol) were dissolved in anhydrous dimethyl formate under argon. N,N-diisopropylethylamine (0.48 mL, 2.74 mmol) and 2-(3H-[1,2,3]triazolo[4,5-b]pyridin-3-yl)-1,1,3,3-tetramethylisouronium hexafluorophosphate (V) (417 mg, 1.10 mmol) were added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 hours and diluted with ethyl acetate (30 mL). The organic layer was washed with saturated sodium bicarbonate solution (30 mL), dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica, and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 4:6) to give N-substituted 5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine.

N-置換5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(3.37g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、N-置換3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。
N-substituted 5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine (3.37 g, 5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give N-substituted 3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine.

N-置換3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N-substituted 3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine (1 eq, 38 μmol) was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight under high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 5 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 sec. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added in one portion as a solid. The mixture was stirred for 30 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例9)
ペプチド-dATPコンジュゲートの合成のための詳細な手順:
9-[β-D-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(524.3mg、1.10mmol)および4-(ピリジン-2-イルジスルファニル(sulfaneyl))ブタン酸(302.7mg、1.32mmol)を、アルゴン下で無水ギ酸ジメチル中に溶解させた。N,N-ジイソプロピルエチルアミン(0.48mL、2.74mmol)および2-(3H-[1,2,3]トリアゾロ[4,5-b]ピリジン-3-イル)-1,1,3,3-テトラメチルイソウロニウムヘキサフルオロホスフェート(V)(417mg、1.10mmol)を添加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌し、酢酸エチル(30mL)で希釈した。有機層を、飽和重炭酸ナトリウム溶液(30mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、4:6)によって精製して、N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル(butanyryl))-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシンを得た。
(Example 9)
Detailed procedure for the synthesis of peptide-dATP conjugates:
9-[β-D-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyadenosine (524.3 mg, 1.10 mmol) and 4-(pyridin-2-yldisulfaneyl)butanoic acid (302.7 mg, 1.32 mmol) were dissolved in anhydrous dimethyl formate under argon. N,N-diisopropylethylamine (0.48 mL, 2.74 mmol) and 2-(3H-[1,2,3]triazolo[4,5-b]pyridin-3-yl)-1,1,3,3-tetramethylisouronium hexafluorophosphate (V) (417 mg, 1.10 mmol) were added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 hours and diluted with ethyl acetate (30 mL). The organic layer was washed with saturated sodium bicarbonate solution (30 mL), dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica, and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 4:6) to give N-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)butanyryl)-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyadenosine.

N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(3.75g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシンを得た。
N-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)butanyl)-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyadenosine (3.75 g, 5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica, and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give N-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)butanyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyadenosine.

N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシアデノシン(23mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加後10分間撹拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)butanyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxyadenosine (23 mg, 1 eq, 38 μmol) was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight on high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 5 uL was added. The mixture was stirred for a further 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise over 30 sec to the rxn mixture. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added as a solid in one portion. The mixture was stirred for 10 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例10)
ペプチド-dCTPコンジュゲートの合成のための詳細な手順:
5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(524.3mg、1.10mmol)および4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタン酸(1.32mmol)を、アルゴン下で無水ギ酸ジメチル中に溶解させた。N,N-ジイソプロピルエチルアミン(0.48mL、2.74mmol)および2-(3H-[1,2,3]トリアゾロ[4,5-b]ピリジン-3-イル)-1,1,3,3-テトラメチルイソウロニウムヘキサフルオロホスフェート(V)(417mg、1.10mmol)を添加した。反応混合物を、室温で18時間撹拌し、酢酸エチル(30mL)で希釈した。有機層を、飽和重炭酸ナトリウム溶液(30mL)で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/酢酸エチル、4:6)によって精製して、N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。
(Example 10)
Detailed procedure for the synthesis of peptide-dCTP conjugates:
5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine (524.3 mg, 1.10 mmol) and 4-(pyridin-2-yldisulfanyl)butanoic acid (1.32 mmol) were dissolved in anhydrous dimethyl formate under argon. N,N-diisopropylethylamine (0.48 mL, 2.74 mmol) and 2-(3H-[1,2,3]triazolo[4,5-b]pyridin-3-yl)-1,1,3,3-tetramethylisouronium hexafluorophosphate (V) (417 mg, 1.10 mmol) were added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 18 hours and diluted with ethyl acetate (30 mL). The organic layer was washed with saturated sodium bicarbonate solution (30 mL), dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica, and purified by flash column chromatography (hexane/ethyl acetate, 4:6) to give N-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)butanyl)-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine.

N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-5’-O-(tert-ブチルジメチルシリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(3.62g、5.27mmol)を、乾燥テトラヒドロフラン(50mL)中に溶解させた。トリエチルアミン(1.98mL、14.2mmol)を添加し、その後、アルゴン下でトリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(2.32mL、14.2mmol)を添加した。反応混合物を、室温で29時間撹拌し、その後濃縮した。残渣を、ジクロロメタン(100mL)中に溶解させ、1.5M炭酸アンモニウム(75mL×1)、ブライン(75mL)で洗浄した。有機層を、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、シリカ上に含浸させ、フラッシュカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン/メタノール、9:1)によって精製して、N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジンを得た。
N-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)butanyl)-5'-O-(tert-butyldimethylsilyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine (3.62 g, 5.27 mmol) was dissolved in dry tetrahydrofuran (50 mL). Triethylamine (1.98 mL, 14.2 mmol) was added followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (2.32 mL, 14.2 mmol) under argon. The reaction mixture was stirred at room temperature for 29 hours and then concentrated. The residue was dissolved in dichloromethane (100 mL) and washed with 1.5 M ammonium carbonate (75 mL x 1), brine (75 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, impregnated onto silica, and purified by flash column chromatography (dichloromethane/methanol, 9:1) to give N-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)butanyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine.

N-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ブタニリル)-3’-O-(2-ニトロベンジル)-2’-デオキシシチジン(22mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後10分間撹拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)butanyl)-3'-O-(2-nitrobenzyl)-2'-deoxycytidine (22 mg, 1 eq, 38 μmol) was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight on high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 5 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 sec. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added as a solid in one portion. The mixture was stirred for 10 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例11)
クラスIII-プリンおよびピリミジンdNTPアナログを合成するための手順。
クラスIII dNTPアナログの合成のためのスキーム
(Example 11)
Class III - Procedures for synthesizing purine and pyrimidine dNTP analogs.
Scheme for the synthesis of class III dNTP analogs

(実施例12)
クラスIII-プリンdNTPアナログのための詳細な手順:
乾燥トルエン(100mL)中のホスゲン(6.46g、2当量、65.3mmol)溶液に、23℃で、20mL乾燥THF中の(2-ニトロフェニル)メタノール(5.00g、1当量、32.6mmol)を添加した。反応物を、23℃で24時間撹拌した。次いで、反応物を、NaOH水溶液でトラップしながら、真空下で乾燥するまで濃縮した。残存した琥珀色の油状物を、さらなる精製なしに反応において直接使用した。
Example 12
Detailed Procedure for Class III-Purine dNTP Analogs:
To a solution of phosgene (6.46 g, 2 eq, 65.3 mmol) in dry toluene (100 mL) at 23° C. was added (2-nitrophenyl)methanol (5.00 g, 1 eq, 32.6 mmol) in 20 mL dry THF. The reaction was stirred at 23° C. for 24 h. The reaction was then concentrated to dryness under vacuum with a trap of aqueous NaOH. The residual amber oil was used directly in the reaction without further purification.

乾燥DMF(100mL)中の9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-9H-プリン-6-アミン(12.2g、1.1当量、25.5mmol)の溶液に、0℃で、N,N-ジイソプロピルエチルアミン(3.60g、4.9mL、1.2当量、27.8mmol)を添加した。反応物を、30分間撹拌し、次いで、カルボノクロリド酸2-ニトロベンジル(5.00g、1当量、23.2mmol)を、温度を5Cより下に維持しながら、30分間かけてゆっくりと滴下して加えた。次いで、反応物を、室温に温め、一晩撹拌した。反応物を、5%Na2CO3およびEtOAcの冷却溶液中に注いだ。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、次いで、乾燥するまで濃縮した。粗製産物を、ヘキサン/EtOAc混合物を使用するシリカゲル上でのクロマトグラフィーにかけて、精製された産物を得、これを次の反応で使用した。
To a solution of 9-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-9H-purin-6-amine (12.2 g, 1.1 eq, 25.5 mmol) in dry DMF (100 mL) at 0° C. was added N,N-diisopropylethylamine (3.60 g, 4.9 mL, 1.2 eq, 27.8 mmol). The reaction was stirred for 30 minutes and then 2-nitrobenzyl carbonochloridate (5.00 g, 1 eq, 23.2 mmol) was added dropwise slowly over 30 minutes while maintaining the temperature below 5° C. The reaction was then allowed to warm to room temperature and stirred overnight. The reaction was poured into a cooled solution of 5% Na2CO3 and EtOAc. The EtOAc layer was dried over sodium sulfate and then concentrated to dryness. The crude product was chromatographed on silica gel using hexane/EtOAc mixtures to give the purified product, which was used in the next reaction.

(9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-9H-プリン-6-イル)カルバミン酸2-ニトロベンジル(5.00g、1当量、7.59mmol)を、室温でTHF中に溶解させ、次いで、乾燥アルゴンのブランケット下でOCに冷却した。次いで、混合物に、テトラブチルアンモニウムフルオリド(4.96g、2.5当量、19.0mmol)を加えた。混合物を、0Cで2時間撹拌し、次いで、1時間23Cに温めた。溶液を、10%NaHCO3の冷溶液中に注ぎ、DCMで抽出した。DCM層を濃縮し、粗製産物を、5~50%DCM/MeOHで溶出させるシリカゲル上で精製して、三リン酸化に適切な産物を得た。
2-Nitrobenzyl (9-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-9H-purin-6-yl)carbamate (5.00 g, 1 eq, 7.59 mmol) was dissolved in THF at room temperature and then cooled to OC under a blanket of dry argon. To the mixture was then added tetrabutylammonium fluoride (4.96 g, 2.5 eq, 19.0 mmol). The mixture was stirred at 0 C for 2 h and then warmed to 23 C for 1 h. The solution was poured into a cold solution of 10% NaHCO3 and extracted with DCM. The DCM layer was concentrated and the crude product was purified on silica gel eluting with 5-50% DCM/MeOH to give the product suitable for triphosphorylation.

(9-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-9H-プリン-6-イル)カルバミン酸2-ニトロベンジル(28mg、1当量、65μmol)を、リン酸トリメチル(1.5mL)および0.60mLの乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(30mg、18μL、3当量、0.20mmol)を添加した。5分後、10uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.23g、4当量、0.26mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn t=35分で、反応混合物に30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチル-ナフタレン-1,8-ジアミン(56mg、4当量、0.26mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、30分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移した。 2-Nitrobenzyl (9-((2R,4S,5R)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)tetrahydrofuran-2-yl)-9H-purin-6-yl)carbamate (28 mg, 1 eq, 65 μmol) was dissolved in trimethyl phosphate (1.5 mL) and 0.60 mL dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of phosphoryl trichloride (30 mg, 18 μL, 3 eq, 0.20 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 10 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (0.23 g, 4 eq, 0.26 mmol) in dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise over 30 sec to the reaction mixture at rxn t=35 min. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethyl-naphthalene-1,8-diamine (56 mg, 4 eq, 0.26 mmol) was added as a solid in one portion. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred for 30 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation.

(実施例13)
クラスIII-ピリミジンdNTPアナログのための詳細な手順:
乾燥DMF(100mL)中の4-アミノ-1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)ピリミジン-2(1H)-オン(9.30g、1.1当量、20.4mmol)の溶液に、0℃で、N,N-ジイソプロピルエチルアミン(2.88g、3.9mL、1.2当量、22.3mmol)を添加した。反応物を、30分間撹拌し、次いで、カルボノクロリド酸2-ニトロベンジル(4.00g、1当量、18.6mmol)を、温度を5Cより下に維持しながら、30分間かけてゆっくりと滴下して加えた。次いで、反応物を室温に温め、一晩撹拌した。反応物を、5%Na2CO3およびEtOAcの冷却溶液中に注いだ。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、次いで、乾燥するまで濃縮した。粗製産物を、ヘキサン/EtOAc混合物を使用するシリカゲル上でのクロマトグラフィーにかけて、精製された産物を得、これを次の反応で使用した。
Example 13
Detailed Procedure for Class III-Pyrimidine dNTP Analogs:
To a solution of 4-amino-1-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-methyl)tetrahydrofuran-2-yl)pyrimidin-2(1H)-one (9.30 g, 1.1 eq, 20.4 mmol) in dry DMF (100 mL) at 0° C. was added N,N-diisopropylethylamine (2.88 g, 3.9 mL, 1.2 eq, 22.3 mmol). The reaction was stirred for 30 minutes and then 2-nitrobenzyl carbonochloridate (4.00 g, 1 eq, 18.6 mmol) was added dropwise slowly over 30 minutes while maintaining the temperature below 5° C. The reaction was then allowed to warm to room temperature and stirred overnight. The reaction was poured into a cooled solution of 5% Na2CO3 and EtOAc. The EtOAc layer was dried over sodium sulfate and then concentrated to dryness. The crude product was chromatographed on silica gel using hexane/EtOAc mixtures to give the purified product, which was used in the next reaction.

(1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)カルバミン酸2-ニトロベンジル(5.00g、1当量、7.88mmol)を、室温で25mL THF中に溶解させ、次いで、乾燥アルゴンのブランケット下でOCに冷却した。次いで、混合物に、テトラブチルアンモニウムフルオリド(5.15g、2.5当量、19.7mmol)を加えた。混合物を、0Cで2時間撹拌し、次いで、1時間23Cに温めた。溶液を、10%NaHCO3の冷溶液中に注ぎ、DCMで抽出した。DCM層を濃縮し、粗製産物を、5~50%DCM/MeOHで溶出させるシリカゲル上で精製して、三リン酸化に適切な産物を得た。
2-Nitrobenzyl (1-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)-tetrahydrofuran-2-yl)-2-oxo-1,2-dihydropyrimidin-4-yl)carbamate (5.00 g, 1 eq, 7.88 mmol) was dissolved in 25 mL THF at room temperature and then cooled to OC under a blanket of dry argon. To the mixture was then added tetrabutylammonium fluoride (5.15 g, 2.5 eq, 19.7 mmol). The mixture was stirred at 0 C for 2 h and then warmed to 23 C for 1 h. The solution was poured into a cold solution of 10% NaHCO3 and extracted with DCM. The DCM layer was concentrated and the crude product was purified on silica gel eluting with 5-50% DCM/MeOH to give the product suitable for triphosphorylation.

(1-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)カルバミン酸2-ニトロベンジル(35.0mg、1当量、86.1μmol)を、リン酸トリメチル(1.5mL)および0.60mLの乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(39.6mg、3当量、258μmol)を添加した。5分後、10uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(311mg、4当量、345μmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn t=35分で、反応混合物に30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(73.8mg、4当量、345μmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、30分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移した。 2-Nitrobenzyl (1-((2R,4S,5R)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)tetrahydrofuran-2-yl)-2-oxo-1,2-dihydropyrimidin-4-yl)carbamate (35.0 mg, 1 eq, 86.1 μmol) was dissolved in trimethyl phosphate (1.5 mL) and 0.60 mL dry pyridine and cooled in an ice bath under argon. A first aliquot of phosphoryl trichloride (39.6 mg, 3 eq, 258 μmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 10 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (311 mg, 4 eq, 345 μmol) in dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise over 30 sec to the reaction mixture at rxn t=35 min. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (73.8 mg, 4 eq, 345 μmol) was added as a solid in one portion. The mixture was stirred for 30 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred for 30 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation.

(実施例14)
クラスIV-dCTPアナログを合成するための手順。
クラスIV dCTPアナログの合成のためのスキーム
クラスIV dCTPアナログのための詳細な手順:
(Example 14)
Procedure for synthesizing class IV-dCTP analogs.
Scheme for the synthesis of class IV dCTP analogs
Detailed Procedure for Class IV dCTP Analogs:

3,4,5-トリヒドロキシ安息香酸メチル(10g、1当量、54mmol)を、50mLのアセトン中に溶解させた。ヨウ化ナトリウム(0.81g、0.1当量、5.4mmol)および炭酸カリウム(38g、5当量、270mmol)を、周囲温度で固体として添加した。1-(クロロメチル)-2-ニトロベンゼン(34g、3.6当量、0.20mol)を、40mLのアセトン中の溶液として、10分間かけて滴加した。混合物を、1時間撹拌し、次いで、6時間50℃に加熱した。混合物を周囲温度に冷却し、バルクの溶媒を、回転式蒸発器上で除去した。残渣を、200mLのEtOAc中に懸濁し、これを、200mL分の水および飽和NaCl水溶液で逐次的に洗浄した。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、蒸発させた。粗製産物を、ヘキサン/EtOAc混合物を使用するシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、次の反応において使用され得る精製された産物を得た。
Methyl 3,4,5-trihydroxybenzoate (10 g, 1 eq, 54 mmol) was dissolved in 50 mL of acetone. Sodium iodide (0.81 g, 0.1 eq, 5.4 mmol) and potassium carbonate (38 g, 5 eq, 270 mmol) were added as solids at ambient temperature. 1-(chloromethyl)-2-nitrobenzene (34 g, 3.6 eq, 0.20 mol) was added dropwise over 10 minutes as a solution in 40 mL of acetone. The mixture was stirred for 1 hour and then heated to 50° C. for 6 hours. The mixture was cooled to ambient temperature and the bulk of the solvent was removed on a rotary evaporator. The residue was suspended in 200 mL of EtOAc, which was washed successively with 200 mL portions of water and saturated aqueous NaCl. The EtOAc layer was dried over sodium sulfate and evaporated. The crude product was chromatographed on silica using hexane/EtOAc mixtures to give a purified product which could be used in the next reaction.

3,4,5-トリス((2-ニトロベンジル)オキシ)安息香酸メチル(25g、1当量、42mmol)を、300mLのTHF中に溶解させた。水性2M NaOH(105mL、210mmol)を添加し、混合物を、周囲温度で18時間撹拌した。バルクのTHFを、回転式蒸発器上で除去し、残渣を、1またはそれ未満のpHになるまで、6M HClでゆっくりと酸性化した。得られた固体を濾過し、水で十分に洗浄し、フィルター漏斗上で5時間乾燥させ、次いで、高真空下で18時間乾燥させた。産物を、さらなる精製なしに、次の反応に進めた。
Methyl 3,4,5-tris((2-nitrobenzyl)oxy)benzoate (25 g, 1 eq, 42 mmol) was dissolved in 300 mL of THF. Aqueous 2 M NaOH (105 mL, 210 mmol) was added and the mixture was stirred at ambient temperature for 18 h. The bulk of the THF was removed on a rotary evaporator and the residue was slowly acidified with 6 M HCl to a pH of 1 or less. The resulting solid was filtered, washed thoroughly with water, and dried on the filter funnel for 5 h and then dried under high vacuum for 18 h. The product was carried forward to the next reaction without further purification.

4-アミノ-1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)ピリミジン-2(1H)-オン(12g、1当量、26mmol)および3,4,5-トリス((2-ニトロベンジル)オキシ)安息香酸(15g、1当量、26mmol)を、アルゴン雰囲気下で周囲温度で50mLの乾燥DMF中に溶解させた。N-エチル-N-イソプロピルプロパン-2-アミン(5.1g、6.8mL、1.5当量、39mmol)を添加し、その後、10mLの乾燥DMF中の1-((ジメチルアミノ)(ジメチルイミニオ)メチル)-1H-[1,2,3]トリアゾロ[4,5-b]ピリジン3-オキシドヘキサフルオロホスフェート(V)(12g、1.2当量、31mmol)溶液を、周囲温度で5分間かけて滴加した。混合物を、周囲温度で18時間撹拌した。混合物を、300mLのEtOAc中に溶解させ、これを、200mL分の水(2×)および飽和NaCl水溶液で逐次的に洗浄した。EtOAcを、硫酸ナトリウムで乾燥させ、回転式蒸発器上で最初に蒸発させ、次いで、高真空下で18時間蒸発させた。残渣を、ジクロロメタンおよびメタノールの混合物を使用するシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、所望の産物を無色の泡沫として得た。
4-Amino-1-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)pyrimidin-2(1H)-one (12 g, 1 eq, 26 mmol) and 3,4,5-tris((2-nitrobenzyl)oxy)benzoic acid (15 g, 1 eq, 26 mmol) were dissolved in 50 mL of dry DMF at ambient temperature under an argon atmosphere. N-Ethyl-N-isopropylpropan-2-amine (5.1 g, 6.8 mL, 1.5 eq, 39 mmol) was added followed by a solution of 1-((dimethylamino)(dimethyliminio)methyl)-1H-[1,2,3]triazolo[4,5-b]pyridine 3-oxide hexafluorophosphate (V) (12 g, 1.2 eq, 31 mmol) in 10 mL of dry DMF dropwise over 5 min at ambient temperature. The mixture was stirred at ambient temperature for 18 h. The mixture was dissolved in 300 mL of EtOAc, which was washed successively with 200 mL portions of water (2×) and saturated aqueous NaCl. The EtOAc was dried over sodium sulfate and evaporated first on a rotary evaporator and then under high vacuum for 18 h. The residue was chromatographed on silica using a mixture of dichloromethane and methanol to give the desired product as a colorless foam.

N-(1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)-3,4,5-トリス((2-ニトロベンジル)オキシ)ベンズアミド(5g、1当量、5mmol)を、アルゴン下で周囲温度で25.0mLの乾燥THF中に溶解させた。トリエチルアミン(4g、6mL、8当量、4e+1mmol)を迅速に添加し、その後、トリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(5g、5mL、6当量、3e+1mmol)もまた周囲温度で迅速に添加した。混合物を、周囲温度で24時間撹拌した。シリカゲル(20g)を添加し、混合物を、回転式蒸発器上で蒸発させて、微細粉末にし、次いで、100gシリカカラム上にロードし、ジクロロメタンおよびメタノールの混合物で溶出させて、僅かに黄色の泡沫としてヌクレオシドを得た。
N-(1-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-2-oxo-1,2-dihydropyrimidin-4-yl)-3,4,5-tris((2-nitrobenzyl)oxy)benzamide (5 g, 1 eq, 5 mmol) was dissolved in 25.0 mL of dry THF at ambient temperature under argon. Triethylamine (4 g, 6 mL, 8 eq, 4e+1 mmol) was added rapidly followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (5 g, 5 mL, 6 eq, 3e+1 mmol), also at ambient temperature. The mixture was stirred at ambient temperature for 24 hours. Silica gel (20 g) was added and the mixture was evaporated on a rotary evaporator to a fine powder then loaded onto a 100 g silica column and eluted with a mixture of dichloromethane and methanol to give the nucleoside as a slightly yellow foam.

N-(1-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)-3,4,5-トリス((2-ニトロベンジル)オキシ)ベンズアミド(30mg、1当量、38μmol)を、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリル(18mg、11μL、3当量、0.11mmol)の6uLの第1のアリコートを添加した。5分後、5uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(0.14g、4当量、0.15mmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(33mg、4当量、0.15mmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 N-(1-((2R,4S,5R)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)tetrahydrofuran-2-yl)-2-oxo-1,2-dihydropyrimidin-4-yl)-3,4,5-tris((2-nitrobenzyl)oxy)benzamide (30 mg, 1 eq, 38 μmol) was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight on high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of 6 uL of phosphoryl trichloride (18 mg, 11 μL, 3 eq, 0.11 mmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 5 uL was added. The mixture was stirred for a further 30 min. A solution of tetrabutylammonium dihydrogen phosphate (0.14 g, 4 eq, 0.15 mmol) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise over 30 seconds to the rxn mixture. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (33 mg, 4 eq, 0.15 mmol) was added as a solid in one portion. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

(実施例15)
クラスVペプチドおよび非ペプチドアナログを合成するための手順。
ペプチド-チミジンdNTPコンジュゲートの合成のためのスキーム
非ペプチド-チミジンdNTPコンジュゲートの合成のためのスキーム
(Example 15)
Procedures for synthesizing Class V peptides and non-peptide analogs.
Scheme for the synthesis of peptide-thymidine dNTP conjugates
Scheme for the synthesis of non-peptide-thymidine dNTP conjugates

(実施例16)
ペプチド-dTTPアナログのための詳細な手順:
4-(ブロモメチル)ベンゼンチオール(5.00g、1当量、24.6mmol)を、メタノール(50mL)中に溶解させ、0℃に冷却した。次いで、混合物に、1,2-ジ(ピリジン-2-イル)ジスルファン(5.42g、1当量、24.6mmol)を加え、0Cで18時間撹拌した。次いで、反応物を直接濃縮し、ヘキサン/酢酸エチル(0~100%EtOAc)で溶出させるシリカゲル(silica get)上で精製して、産物を白色固体として得、これを次の反応において直接使用した。
(Example 16)
Detailed procedure for peptide-dTTP analogs:
4-(Bromomethyl)benzenethiol (5.00 g, 1 eq, 24.6 mmol) was dissolved in methanol (50 mL) and cooled to 0° C. To the mixture was then added 1,2-di(pyridin-2-yl)disulfane (5.42 g, 1 eq, 24.6 mmol) and stirred at 0° C. for 18 h. The reaction was then concentrated directly and purified on silica get eluting with hexanes/ethyl acetate (0-100% EtOAc) to give the product as a white solid which was used directly in the next reaction.

1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(5.00g、1当量、10.6mmol)を、50mL DMF中に溶解させ、次いで、0Cに冷却した。反応物を、0Cで30分間撹拌し、次いで、水素化ナトリウム(306mg、1.2当量、12.7mmol)を加えた。次いで、反応物を、0Cでさらに30分間撹拌し、次いで、23Cに温めた。次いで、混合物に、2-((4-(ブロモメチル)フェニル)-ジスルファニル)-ピリジン(3.32g、1当量、10.6mmol)を加え、撹拌を、23Cでさらに2時間継続した。次いで、反応物を、10%NaHCO3およびDCMの冷溶液中に注いだ。DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。次いで、混合物を、0~20%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。
1-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-5-methylpyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (5.00 g, 1 eq, 10.6 mmol) was dissolved in 50 mL DMF and then cooled to 0 C. The reaction was stirred at 0 C for 30 minutes and then sodium hydride (306 mg, 1.2 eq, 12.7 mmol) was added. The reaction was then stirred at 0 C for an additional 30 minutes and then warmed to 23 C. To the mixture was then added 2-((4-(bromomethyl)phenyl)-disulfanyl)-pyridine (3.32 g, 1 eq, 10.6 mmol) and stirring was continued at 23 C for an additional 2 hours. The reaction was then poured into a cold solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was separated, dried over sodium sulfate and concentrated to dryness. The mixture was then purified on silica gel eluting with 0-20% DCM/methanol to give the desired product.

1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチル-3-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ベンジル)ピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(2.00g、1当量、2.85mmol)を、THF中に溶解させ、0Cに冷却した。次いで、混合物に、0Cでテトラブチルアンモニウムフルオリド(2.23mg、3当量、8.55mmol)を加えた。反応物を、0Cで2時間撹拌し続け、次いで、さらに1時間23Cに温めた。次いで、反応物を、再度0Cに冷却し、10%NaHCO3およびDCMのあらかじめ冷却した溶液中に0Cで加えた。次いで、DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、濃縮し、5~50%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、純粋な産物を得た。
1-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-5-methyl-3-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)benzyl)pyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (2.00 g, 1 eq, 2.85 mmol) was dissolved in THF and cooled to 0 C. To the mixture was then added tetrabutylammonium fluoride (2.23 mg, 3 eq, 8.55 mmol) at 0 C. The reaction was continued to stir at 0 C for 2 h and then warmed to 23 C for an additional 1 h. The reaction was then cooled to 0 C again and added to a pre-cooled solution of 10% NaHCO3 and DCM at 0 C. The DCM layer was then separated, dried over sodium sulfate, concentrated and purified on silica gel eluting with 5-50% DCM/methanol to give the pure product.

1-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチル-3-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ベンジル)ピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(5.00g、1当量、10.6mmol)を、23Cで20mLのTHF中に溶解させた。次いで、混合物に、トリエチルアミン(1.07g、1.5mL、1当量、10.6mmol)を加え、0Cに冷却した。次いで、混合物に、TBS-Cl(1.59g、1当量、10.6mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに2時間継続した。次いで、混合物を、10%水性NaClおよびDCMのあらかじめ冷却した混合物に加えた。DCM層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、濃縮し、乾燥させて、琥珀色の油状物を得た。次いで、粗製産物を、5~50%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、純粋な産物を得た。
1-((2R,4S,5R)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)tetrahydrofuran-2-yl)-5-methyl-3-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)benzyl)pyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (5.00 g, 1 eq, 10.6 mmol) was dissolved in 20 mL of THF at 23 C. To the mixture was then added triethylamine (1.07 g, 1.5 mL, 1 eq, 10.6 mmol) and cooled to 0 C. To the mixture was then added TBS-Cl (1.59 g, 1 eq, 10.6 mmol) and stirring was continued at 0 C for an additional 2 h. The mixture was then added to a pre-cooled mixture of 10% aqueous NaCl and DCM. The DCM layer was dried over sodium sulfate and concentrated to dryness to give an amber oil. The crude product was then purified on silica gel eluting with 5-50% DCM/methanol to give the pure product.

1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-4-ヒドロキシテトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチル-3-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ベンジル)ピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(2.00g、1当量、3.40mmol)を、20mL DMF中に溶解させ、次いで、0Cに冷却した。次いで、混合物に、水素化ナトリウム(98.0mg、1.2当量、4.08mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに30分間継続した。次いで、反応物に、1-(ブロモメチル)-2-ニトロベンゼン(735mg、1当量、3.40mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに1時間継続した。次いで、反応物を、10%NaClおよびEtOAcのあらかじめ冷却した混合物に加えた。EtOAc層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。粗製産物を、0~50ヘキサン/EtOAcで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。
1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)-4-hydroxytetrahydrofuran-2-yl)-5-methyl-3-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)benzyl)pyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (2.00 g, 1 eq, 3.40 mmol) was dissolved in 20 mL DMF and then cooled to 0 C. To the mixture was then added sodium hydride (98.0 mg, 1.2 eq, 4.08 mmol) and stirring was continued at 0 C for an additional 30 min. To the reaction was then added 1-(bromomethyl)-2-nitrobenzene (735 mg, 1 eq, 3.40 mmol) and stirring was continued at 0 C for an additional 1 h. The reaction was then added to a pre-cooled mixture of 10% NaCl and EtOAc. The EtOAc layer was separated, dried over sodium sulfate and concentrated to dryness. The crude product was purified on silica gel eluting with 0-50 hexanes/EtOAc to give the desired product.

1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-4-((2-ニトロベンジル)オキシ)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチル-3-(4-(ピリジン-2-イルジスルファニル)ベンジル)ピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(1.00g、1当量、1.38mmol)を、THF中に溶解させ、0Cに冷却した。次いで、反応物に、0CでTBAF(362mg、1当量、1.38mmol)を加え、0Cで1時間撹拌し、次いで、2時間かけて室温に温めた。次いで、混合物を、10%NaHCO3およびDCMのあらかじめ冷却した溶液中に注いだ。DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させた。粗製産物を、5~25%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。
1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)-4-((2-nitrobenzyl)oxy)tetrahydrofuran-2-yl)-5-methyl-3-(4-(pyridin-2-yldisulfanyl)benzyl)pyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (1.00 g, 1 eq, 1.38 mmol) was dissolved in THF and cooled to 0 C. To the reaction was then added TBAF (362 mg, 1 eq, 1.38 mmol) at 0 C and stirred at 0 C for 1 h then warmed to room temperature over 2 h. The mixture was then poured into a pre-cooled solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was separated and dried over sodium sulfate. The crude product was purified on silica gel eluting with 5-25% DCM/methanol to give the desired product.

(1-((2R,4S,5R)-5-(ヒドロキシメチル)-4-((2-ニトロベンジル)オキシ)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)カルバミン酸4-(ピリジン-2-イル)ベンジル(35.0mg、1当量、61.0μmol)を、リン酸トリメチル(1.5mL)および0.60mLの乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(39.6mg、3当量、258μmol)を添加した。5分後、10uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(311mg、4当量、345μmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn t=35分で、反応混合物に30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(73.8mg、4当量、345μmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、30分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移した。 4-(pyridin-2-yl)benzyl (1-((2R,4S,5R)-5-(hydroxymethyl)-4-((2-nitrobenzyl)oxy)tetrahydrofuran-2-yl)-2-oxo-1,2-dihydropyrimidin-4-yl)carbamate (35.0 mg, 1 eq, 61.0 μmol) was dissolved in trimethyl phosphate (1.5 mL) and 0.60 mL of dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of phosphoryl trichloride (39.6 mg, 3 eq, 258 μmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 10 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (311 mg, 4 eq, 345 μmol) in dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise over 30 seconds to the reaction mixture at rxn t=35 minutes. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (73.8 mg, 4 eq, 345 μmol) was added in one portion as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred for 30 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation.

(実施例17)
非ペプチド-dTTPアナログのための詳細な手順:
1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)-オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(5.00g、1当量、10.6mmol)を、50mL DMF中に溶解させ、次いで、0Cに冷却した。反応物を、0Cで30分間撹拌し、次いで、水素化ナトリウム(306mg、1.2当量、12.7mmol)を加えた。反応物を、0Cでさらに30分間撹拌し、次いで、23Cに温めた。次いで、混合物に、(ブロモメチル)ベンゼン(1.82g、1当量、10.6mmol)を加え、撹拌を、23Cでさらに2時間継続した。次いで、反応物を、10%NaHCO3およびDCMの冷溶液中に注いだ。DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。次いで、混合物を、0~20%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。
(Example 17)
Detailed Procedure for Non-peptide-dTTP Analogues:
1-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)-oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-5-methylpyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (5.00 g, 1 eq, 10.6 mmol) was dissolved in 50 mL DMF and then cooled to 0 C. The reaction was stirred at 0 C for 30 min and then sodium hydride (306 mg, 1.2 eq, 12.7 mmol) was added. The reaction was stirred at 0 C for an additional 30 min and then warmed to 23 C. To the mixture was then added (bromomethyl)benzene (1.82 g, 1 eq, 10.6 mmol) and stirring was continued at 23 C for an additional 2 h. The reaction was then poured into a cold solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was separated, dried over sodium sulfate and concentrated to dryness. The mixture was then purified on silica gel eluting with 0-20% DCM/methanol to give the desired product.

3-ベンジル-1-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(4.00g、1当量、7.13mmol)を、THF中に溶解させ、0Cに冷却した。次いで、混合物に、0Cでテトラブチルアンモニウムフルオリド(3.72g、2当量、14.26mmol)を加えた。反応物を、0Cで2時間撹拌し続け、次いで、さらに1時間23Cに温めた。次いで、反応物を、再度0Cに冷却し、10%NaHCO3およびDCMのあらかじめ冷却した溶液中に0Cで加えた。次いで、DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、濃縮し、5~50%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、純粋な産物を得た。
3-Benzyl-1-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-5-methylpyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (4.00 g, 1 eq, 7.13 mmol) was dissolved in THF and cooled to 0 C. To the mixture was then added tetrabutylammonium fluoride (3.72 g, 2 eq, 14.26 mmol) at 0 C. The reaction was continued to stir at 0 C for 2 h and then warmed to 23 C for an additional 1 h. The reaction was then cooled again to 0 C and added to a pre-cooled solution of 10% NaHCO3 and DCM at 0 C. The DCM layer was then separated, dried over sodium sulfate, concentrated and purified on silica gel eluting with 5-50% DCM/methanol to give the pure product.

3-ベンジル-1-((2R,4S,5R)-4-ヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(1.00g、1当量、3.01mmol)を、23Cで20mLのTHF中に溶解させた。次いで、混合物に、トリエチルアミン(304mg、0.42mL、1当量、3.01mmol)を加え、0Cに冷却した。次いで、混合物に、TBS-Cl(453mg、1当量、3.01mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに2時間継続した。次いで、混合物を、10%水性NaClおよびDCMのあらかじめ冷却した混合物に加えた。DCM層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、濃縮し、乾燥させて、琥珀色の油状物を得た。次いで、粗製産物を、5~50%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、純粋な産物を得た。
3-Benzyl-1-((2R,4S,5R)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)tetrahydrofuran-2-yl)-5-methylpyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (1.00 g, 1 eq, 3.01 mmol) was dissolved in 20 mL of THF at 23 C. To the mixture was then added triethylamine (304 mg, 0.42 mL, 1 eq, 3.01 mmol) and cooled to 0 C. To the mixture was then added TBS-Cl (453 mg, 1 eq, 3.01 mmol) and stirring was continued at 0 C for an additional 2 h. The mixture was then added to a pre-cooled mixture of 10% aqueous NaCl and DCM. The DCM layer was dried over sodium sulfate and concentrated to dryness to give an amber oil. The crude product was then purified on silica gel eluting with 5-50% DCM/methanol to give the pure product.

3-ベンジル-1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-4-ヒドロキシテトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(6.00g、1当量、13.4mmol)を、20mL DMF中に溶解させ、次いで、0Cに冷却した。次いで、混合物に、水素化ナトリウム(387mg、1.2当量、16.1mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに30分間継続した。次いで、反応物に、1-(ブロモメチル)-2-ニトロベンゼン(2.90g、1当量、13.4mmol)を加え、撹拌を、0Cでさらに1時間継続した。次いで、反応を、10%NaClおよびEtOAcのあらかじめ冷却した混合物に加えた。EtOAc層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、乾燥するまで濃縮した。粗製産物を、0~50ヘキサン/EtOAcで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。
3-Benzyl-1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)-4-hydroxytetrahydrofuran-2-yl)-5-methylpyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (6.00 g, 1 eq, 13.4 mmol) was dissolved in 20 mL DMF and then cooled to 0 C. To the mixture was then added sodium hydride (387 mg, 1.2 eq, 16.1 mmol) and stirring was continued at 0 C for an additional 30 min. To the reaction was then added 1-(bromomethyl)-2-nitrobenzene (2.90 g, 1 eq, 13.4 mmol) and stirring was continued at 0 C for an additional 1 h. The reaction was then added to a pre-cooled mixture of 10% NaCl and EtOAc. The EtOAc layer was separated, dried over sodium sulfate and concentrated to dryness. The crude product was purified on silica gel eluting with 0-50 hexanes/EtOAc to give the desired product.

3-ベンジル-1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)-4-((2-ニトロベンジル)オキシ)-テトラヒドロフラン-2-イル)-5-メチルピリミジン-2,4(1H,3H)-ジオン(1.50g、1当量、2.58mmol)を、THF中に溶解させ、0Cに冷却した。次いで、反応物に、0CでTBAF(674mg、1当量、2.58mmol)を加え、0Cで1時間撹拌し、次いで、2時間かけて室温に温めた。次いで、混合物を、10%NaHCO3およびDCMのあらかじめ冷却した溶液中に注いだ。DCM層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥させた。粗製産物を、5~25%DCM/メタノールで溶出させるシリカゲル上で精製して、所望の産物を得た。
3-Benzyl-1-((2R,4S,5R)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)-4-((2-nitrobenzyl)oxy)-tetrahydrofuran-2-yl)-5-methylpyrimidine-2,4(1H,3H)-dione (1.50 g, 1 eq, 2.58 mmol) was dissolved in THF and cooled to 0 C. To the reaction was then added TBAF (674 mg, 1 eq, 2.58 mmol) at 0 C and stirred at 0 C for 1 h then warmed to room temperature over 2 h. The mixture was then poured into a pre-cooled solution of 10% NaHCO3 and DCM. The DCM layer was separated and dried over sodium sulfate. The crude product was purified on silica gel eluting with 5-25% DCM/methanol to give the desired product.

(1-((2R,4S,5R)-5-(ヒドロキシメチル)-4-((2-ニトロベンジル)オキシ)テトラヒドロフラン-2-イル)-2-オキソ-1,2-ジヒドロピリミジン-4-イル)カルバミン酸ベンジル(35.0mg、1当量、70.5μmol)を、リン酸トリメチル(1.5mL)および0.60mLの乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(39.6mg、3当量、258μmol)を添加した。5分後、10uLの第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(311mg、4当量、345μmol)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn t=35分で、反応混合物に30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(73.8mg、4当量、345μmol)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、30分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移した。 Benzyl (1-((2R,4S,5R)-5-(hydroxymethyl)-4-((2-nitrobenzyl)oxy)tetrahydrofuran-2-yl)-2-oxo-1,2-dihydropyrimidin-4-yl)carbamate (35.0 mg, 1 eq, 70.5 μmol) was dissolved in trimethyl phosphate (1.5 mL) and 0.60 mL of dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of phosphoryl trichloride (39.6 mg, 3 eq, 258 μmol) was added. After 5 min, a second aliquot of 10 uL was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (311 mg, 4 eq, 345 μmol) in dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise over 30 seconds to the reaction mixture at rxn t=35 minutes. Immediately, pre-weighed N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (73.8 mg, 4 eq, 345 μmol) was added in one portion as a solid. The mixture was stirred for 30 minutes after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred for 30 minutes and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation.

(実施例18)
クラスVIペプチドおよび非ペプチドdGTPアナログを合成するための手順。
クラスVI-dGTP構築物の合成のためのスキーム
非ペプチドdGTPアナログのための詳細な手順:
(Example 18)
Procedures for synthesizing Class VI peptide and non-peptide dGTP analogs.
Scheme for the synthesis of Class VI-dGTP constructs
Detailed Procedure for Non-peptide dGTP Analogs:

2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tertブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-1,9-ジヒドロ-6H-プリン-6-オン(0.50g、1当量、1.0mmol)を、アルゴン下で5.0mLの乾燥ジメチルアセトアミド中に溶解させた。オキシラン(0.13g、3当量、3.0mmol)を周囲温度で添加し、その後、水酸化ナトリウム(40mg、1当量、1.0mmol)を固体として添加した。混合物を、周囲温度で4時間撹拌した。混合物を、50mLのEtOAcで希釈し、これを、100mLの水および100mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、蒸発させたところ、黄色の油状物が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用する40gのシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、白色の泡沫を得た。
2-Amino-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-1,9-dihydro-6H-purin-6-one (0.50 g, 1 eq, 1.0 mmol) was dissolved in 5.0 mL of dry dimethylacetamide under argon. Oxirane (0.13 g, 3 eq, 3.0 mmol) was added at ambient temperature followed by sodium hydroxide (40 mg, 1 eq, 1.0 mmol) as a solid. The mixture was stirred at ambient temperature for 4 h. The mixture was diluted with 50 mL of EtOAc which was washed successively with 100 mL of water and 100 mL of brine. The EtOAc layer was dried over sodium sulfate and evaporated to leave a yellow oil. This was chromatographed on 40 g of silica using dichloromethane/methanol mixtures as eluent to give a white foam.

2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-1-(2-ヒドロキシエチル)-1,9-ジヒドロ-6H-プリン-6-オン(200mg、1当量、370μmol)を、アルゴン下で周囲温度で5mLの乾燥ピリジン中に懸濁した。クロロホルメート(1当量)を、固体として添加した。混合物を、8時間95Cに加熱し、周囲温度に冷却した。溶媒を、真空中で除去し、残渣を、50mLのEtOAcで希釈し、これを、50mLの水および50mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、蒸発させたところ、黄色の油状物が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用する40gのシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、白色の泡沫を得た。
2-Amino-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-1-(2-hydroxyethyl)-1,9-dihydro-6H-purin-6-one (200 mg, 1 eq, 370 μmol) was suspended in 5 mL of dry pyridine at ambient temperature under argon. Chloroformate (1 eq) was added as a solid. The mixture was heated to 95 C for 8 hours and cooled to ambient temperature. The solvent was removed in vacuo and the residue was diluted with 50 mL of EtOAc which was washed successively with 50 mL of water and 50 mL of brine. The EtOAc layer was dried over sodium sulfate and evaporated to leave a yellow oil. This was chromatographed on 40 g of silica using dichloromethane/methanol mixtures as eluent to give a white foam.

アルコール出発材料を、アルゴン下で周囲温度で乾燥THF中に溶解させた。2当量のトリエチルアミンを添加した。THF中の塩化アシル溶液を、周囲温度で滴加し、混合物を、18時間攪拌した。溶媒を、真空中で除去し、残渣を、50mLのEtOAcで希釈し、これを、50mLの水および50mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、Na2SO4で乾燥させ、蒸発させたところ、明るい茶色の固体が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用するシリカカラム上でのクロマトグラフィーにかけて、対応するエステルを得た。
The alcohol starting material was dissolved in dry THF under argon at ambient temperature. Two equivalents of triethylamine were added. A solution of acyl chloride in THF was added dropwise at ambient temperature and the mixture was stirred for 18 hours. The solvent was removed in vacuo and the residue was diluted with 50 mL of EtOAc, which was washed successively with 50 mL of water and 50 mL of brine. The EtOAc layer was dried over Na2SO4 and evaporated to leave a light brown solid. This was chromatographed on a silica column using a dichloromethane/methanol mixture as eluent to give the corresponding ester.

ビス-シリルエーテル(1当量)を、アルゴン下で周囲温度で乾燥THF中に溶解させた。トリエチルアミン(8当量)を迅速に添加し、その後、トリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(6当量)もまた周囲温度で迅速に添加した。混合物を、周囲温度で24時間撹拌した。シリカゲルを添加し、混合物を、回転式蒸発器上で蒸発させて、微細粉末にし、次いで、シリカカラム上にロードし、ジクロロメタンおよびメタノールの混合物で溶出させて、僅かに黄色の泡沫としてヌクレオシドを得た。
The bis-silyl ether (1 eq.) was dissolved in dry THF under argon at ambient temperature. Triethylamine (8 eq.) was added rapidly followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (6 eq.), also at ambient temperature. The mixture was stirred at ambient temperature for 24 hours. Silica gel was added and the mixture was evaporated on a rotary evaporator to a fine powder then loaded onto a silica column and eluted with a mixture of dichloromethane and methanol to give the nucleoside as a slightly yellow foam.

ヌクレオシドを、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(1.5当量)を添加した。5分後、1.5当量の第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(4当量)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(4当量)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 The nucleoside was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight under high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of phosphoryl trichloride (1.5 eq.) was added. After 5 min, a second aliquot of 1.5 eq. was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (4 eq.) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 s. Immediately, a pre-weighed amount of N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (4 eq.) was added as a solid in one portion. The mixture was stirred for 30 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

ペプチド-dGTPアナログのための詳細な手順:
Detailed procedure for peptide-dGTP analogs:

2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-1,9-ジヒドロ-6H-プリン-6-オン(1.00g、1当量、2.02mmol)を、アルゴン下で、30mLの乾燥N,N-ジメチルアセトアミド中に溶解させた。4-ブロモブタン酸(337mg、1当量、2.02mmol)を、周囲温度で添加し、その後、水酸化ナトリウム(161mg、2当量、4.03mmol)を、固体として添加した。混合物を、80Cに加熱し、12時間撹拌した。混合物を、周囲温度に冷却し、100mLのEtOAcで希釈し、これを、50mLの水および50mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、Na2SO4で乾燥させ、蒸発させたところ、明るい茶色の固体が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用するシリカカラム上でのクロマトグラフィーにかけて、4-(2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-6-オキソ-6,9-ジヒドロ-1H-プリン-1-イル)ブタン酸を白色固体として得た。
2-Amino-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-1,9-dihydro-6H-purin-6-one (1.00 g, 1 eq, 2.02 mmol) was dissolved in 30 mL of dry N,N-dimethylacetamide under argon. 4-Bromobutanoic acid (337 mg, 1 eq, 2.02 mmol) was added at ambient temperature followed by sodium hydroxide (161 mg, 2 eq, 4.03 mmol) as a solid. The mixture was heated to 80 C and stirred for 12 h. The mixture was cooled to ambient temperature and diluted with 100 mL of EtOAc which was washed successively with 50 mL of water and 50 mL of brine. The EtOAc layer was dried over Na2SO4 and evaporated to leave a light brown solid which was chromatographed on a silica column using dichloromethane/methanol mixtures as eluent to give 4-(2-amino-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-6-oxo-6,9-dihydro-1H-purin-1-yl)butanoic acid as a white solid.

4-(2-アミノ-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)-5-(((tert-ブチルジメチルシリル)オキシ)メチル)テトラヒドロフラン-2-イル)-6-オキソ-6,9-ジヒドロ-1H-プリン-1-イル)ブタン酸(1当量)を、アルゴン下で周囲温度で5mLの乾燥ピリジン中に懸濁した。クロロホルメート(1当量)を、固体として添加した。混合物を、8時間95Cに加熱し、周囲温度に冷却した。溶媒を、真空中で除去し、残渣を、50mLのEtOAcで希釈し、これを、50mLの水および50mLのブラインで逐次的に洗浄した。EtOAc層を、硫酸ナトリウムで乾燥させ、蒸発させたところ、黄色の油状物が残った。これを、溶離液としてジクロロメタン/メタノール混合物を使用する40gのシリカ上でのクロマトグラフィーにかけて、白色の泡沫を得た。
4-(2-amino-9-((2R,4S,5R)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-(((tert-butyldimethylsilyl)oxy)methyl)tetrahydrofuran-2-yl)-6-oxo-6,9-dihydro-1H-purin-1-yl)butanoic acid (1 eq) was suspended in 5 mL of dry pyridine at ambient temperature under argon. Chloroformate (1 eq) was added as a solid. The mixture was heated to 95 C for 8 hours and cooled to ambient temperature. The solvent was removed in vacuo and the residue was diluted with 50 mL of EtOAc which was washed successively with 50 mL of water and 50 mL of brine. The EtOAc layer was dried over sodium sulfate and evaporated to leave a yellow oil. This was chromatographed on 40 g of silica using dichloromethane/methanol mixtures as eluent to give a white foam.

カルボン酸を、周囲温度で乾燥THF中に溶解または懸濁した。この溶液に、1.3当量のトリエチルアミンを添加し、その後、1.1当量のジフェニルホスホリルアジドを添加した。混合物を、20時間加熱還流し、周囲温度に冷却した。シリカゲルを混合物に添加し、溶媒を蒸発させて、微細粉末を得た。これを、シリカゲルのカラム上にロードし、EtOAcおよびジクロロメタンの混合物で溶出させて、所望のイソシアネートを無色の油状物として得た。
The carboxylic acid was dissolved or suspended in dry THF at ambient temperature. To this solution was added 1.3 equivalents of triethylamine followed by 1.1 equivalents of diphenylphosphoryl azide. The mixture was heated to reflux for 20 hours and cooled to ambient temperature. Silica gel was added to the mixture and the solvent was evaporated to give a fine powder. This was loaded onto a column of silica gel and eluted with a mixture of EtOAc and dichloromethane to give the desired isocyanate as a colorless oil.

ビス-シリルエーテル(1当量)を、アルゴン下で周囲温度で乾燥THF中に溶解させた。トリエチルアミン(8当量)を迅速に添加し、その後、トリエチルアンモニウムフルオリドジヒドロフルオリド(6当量)もまた周囲温度で迅速に添加した。混合物を、周囲温度で24時間撹拌した。シリカゲルを添加し、混合物を、回転式蒸発器上で蒸発させて、微細粉末にし、次いで、シリカカラム上にロードし、ジクロロメタンおよびメタノールの混合物で溶出させて、僅かに黄色の泡沫としてヌクレオシドを得た。
The bis-silyl ether (1 eq.) was dissolved in dry THF under argon at ambient temperature. Triethylamine (8 eq.) was added rapidly followed by triethylammonium fluoride dihydrofluoride (6 eq.), also at ambient temperature. The mixture was stirred at ambient temperature for 24 hours. Silica gel was added and the mixture was evaporated on a rotary evaporator to a fine powder then loaded onto a silica column and eluted with a mixture of dichloromethane and methanol to give the nucleoside as a slightly yellow foam.

ヌクレオシドを、ピリジン(1mL×3)と共蒸発させ、高真空で一晩乾燥させた。これを次いで、1.5mLのリン酸トリメチルおよび0.60mL乾燥ピリジン中に溶解させ、氷浴中アルゴン下で冷却した。三塩化ホスホリルの第1のアリコート(1.5当量)を添加した。5分後、1.5当量の第2のアリコートを添加した。混合物を、さらに30分間撹拌した。1.5mL乾燥DMF中の二リン酸水素テトラブチルアンモニウム(4当量)溶液を、Ar下で調製し、氷浴中で冷却した。これを、rxn混合物に、30秒間かけて滴加した。即座に、あらかじめ計量したN1,N1,N8,N8-テトラメチルナフタレン-1,8-ジアミン(4当量)を、固体として一度に添加した。混合物を、この添加の後30分間攪拌し、8mLの冷0.1M TEAB緩衝液でクエンチした。混合物を、氷浴中で10分間撹拌し、次いで、分液漏斗に移した。溶液を、10mLのEtOAcで1回抽出した。水層を、FPLC分離のために小管に移し、この分離をEtOAc抽出の直後に実施した。最終精製は、逆相HPLCによった。 The nucleoside was coevaporated with pyridine (1 mL x 3) and dried overnight under high vacuum. It was then dissolved in 1.5 mL trimethyl phosphate and 0.60 mL dry pyridine and cooled under argon in an ice bath. A first aliquot of phosphoryl trichloride (1.5 eq.) was added. After 5 min, a second aliquot of 1.5 eq. was added. The mixture was stirred for an additional 30 min. A solution of tetrabutylammonium hydrogen diphosphate (4 eq.) in 1.5 mL dry DMF was prepared under Ar and cooled in an ice bath. This was added dropwise to the rxn mixture over 30 s. Immediately, a pre-weighed amount of N1,N1,N8,N8-tetramethylnaphthalene-1,8-diamine (4 eq.) was added as a solid in one portion. The mixture was stirred for 30 min after this addition and quenched with 8 mL of cold 0.1 M TEAB buffer. The mixture was stirred in an ice bath for 10 min and then transferred to a separatory funnel. The solution was extracted once with 10 mL of EtOAc. The aqueous layer was transferred to a small tube for FPLC separation, which was performed immediately after the EtOAc extraction. Final purification was by reverse phase HPLC.

3’-O-(2-ニトロ-ベンジル)-dATPのデケージング、およびホモポリマー合成は、図20および21に示される。25uMの3’-O-(2-ニトロ-ベンジル)-dATP(TriLink Technologies、San Diego、CA)を、1×TdT反応緩衝液(Thermo-Fisher)、2U/uLの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(Thermo-Fisher)および0.002U/uL無機ピロホスファターゼ(Thermo-Fisher)と共に、1uMのオリゴヌクレオチドイニシエーター(5’-ビオチン-TTTTTTGGCCTTTTUTAATAATAATAATAATTTTT、IDT)と混合した。反応体積を、20~22mW/cm2の365nmの光に、種々の区間にわたって供し、次いで、37oCで30分間置いた。0.1M EDTAの添加によってクエンチした後、各時点を、等しい体積の2×Novex TBE-尿素ゲルローディング緩衝液(Thermo-Fisher)と混合し、ポリアクリルアミドゲル電気泳動(15%)によって分析し、Sybr Gold(Thermo-Fisher)で染色し、紫外線トランスイルミネーターで写真撮影した。 Decaging of 3'-O-(2-nitro-benzyl)-dATP and homopolymer synthesis are shown in Figures 20 and 21. 25 uM 3'-O-(2-nitro-benzyl)-dATP (TriLink Technologies, San Diego, CA) was mixed with 1 uM oligonucleotide initiator (5'-biotin-TTTTTTGGCCTTTTUTAATAATAATAATAATTTTTT, IDT) along with 1x TdT reaction buffer (Thermo-Fisher), 2 U/uL terminal deoxynucleotidyl transferase (Thermo-Fisher) and 0.002 U/uL inorganic pyrophosphatase (Thermo-Fisher). Reaction volumes were subjected to 20-22 mW/cm2 of 365 nm light over various intervals and then placed at 37°C for 30 min. After quenching by the addition of 0.1 M EDTA, each time point was mixed with an equal volume of 2x Novex TBE-urea gel loading buffer (Thermo-Fisher), analyzed by polyacrylamide gel electrophoresis (15%), stained with Sybr Gold (Thermo-Fisher), and photographed under a UV transilluminator.

参照による組み込み
特許、特許出願、特許公報、ジャーナル、本、論文、ウェブコンテンツなどの他の文書に対する参照および引用が、本開示を通じてなされてきた。全てのかかる文書は、全ての目的のためにそれらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
INCORPORATION BY REFERENCE References and citations to other documents, such as patents, patent applications, patent publications, journals, books, articles, web content, etc. have been made throughout this disclosure. All such documents are incorporated herein by reference in their entirety for all purposes.

等価物
本明細書で示され記載されたものに加えて、本発明の種々の改変、および多くのさらなるそれらの実施形態が、本明細書で引用された科学文献および特許文献に対する参照を含むこの文書の全内容から、当業者に明らかになる。本明細書の主題は、その種々の実施形態およびそれらの等価物において本発明の実施のために適応され得る重要な情報、例証およびガイダンスを含む。
EQUIVALENTS Various modifications of the invention, and many further embodiments thereof, in addition to those shown and described herein, will become apparent to those skilled in the art from the entire contents of this document, including references to the scientific and patent literature cited herein. The subject matter of this specification contains important information, exemplification and guidance that can be adapted to the practice of this invention in its various embodiments and equivalents thereof.

Claims (19)

複数の核酸メモリ鎖を合成する方法であって、
基材に連結された2つまたはそれよりも多くの核酸のアレイを提供するステップと、
前記アレイに、遮断されたヌクレオチドアナログおよび鋳型非依存的ポリメラーゼを提供するステップと、
ドレス可能な活性化エネルギーを前記アレイのある位置に送達して前記遮断されたヌクレオチドアナログの3’-OHにある遮断基を除去することによって、前記遮断されたヌクレオチドアナログを遮断されていないヌクレオチドアナログに変換するステップであって、ここで、前記活性化エネルギーが、光、還元条件、pH変化または熱を含む、ステップと、
前記アレイの前記核酸の1つまたは複数を、少なくとも2つの反復する遮断されていないヌクレオチドアナログのホモポリマートラクトで伸長させるステップと
を含む方法であって、ここで、前記遮断基が、除去されて重合の進行を可能にするまでヌクレオチドアナログをケージングする3’-O-遮断基である、方法
1. A method for synthesizing a plurality of nucleic acid memory strands, comprising:
Providing an array of two or more nucleic acids linked to a substrate;
providing the array with blocked nucleotide analogs and a template-independent polymerase;
converting said blocked nucleotide analogs to unblocked nucleotide analogs by delivering addressable activation energy to a location on said array to remove a blocking group at the 3'-OH of said blocked nucleotide analogs, wherein said activation energy comprises light, reducing conditions, a pH change, or heat;
and extending one or more of said nucleic acids of said array with homopolymeric tracts of at least two repeating unblocked nucleotide analogues , wherein said blocking groups are 3'-O-blocking groups that cage the nucleotide analogues until removed to allow polymerization to proceed .
前記遮断されたヌクレオチドアナログが、ヌクレオチド三リン酸のデオキシリボースまたはリボースの3’-OH上の除去可能な遮断基および前記ヌクレオチドアナログのプリン塩基またはピリミジン塩基上の除去不能な修飾を含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the blocked nucleotide analog comprises a removable blocking group on the 3'-OH of the deoxyribose or ribose of a nucleotide triphosphate and a non-removable modification on a purine or pyrimidine base of the nucleotide analog. 前記複数の遮断されたヌクレオチドアナログが、除去可能な3’-O-遮断基と、同じ核酸塩基の修飾ヌクレオチドアナログ間の区別を可能にする2つまたはそれよりも多くの除去不能な分子修飾とを含む、前記同じ核酸塩基の修飾ヌクレオチドである、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the multiple blocked nucleotide analogs are modified nucleotides of the same nucleobase that contain a removable 3'-O-blocking group and two or more non-removable molecular modifications that allow for differentiation between modified nucleotide analogs of the same nucleobase. 前記伸長を停止させるステップと、
別の複数の遮断されたヌクレオチドアナログおよび前記鋳型非依存的ポリメラーゼの存在下で、前記ホモポリマートラクトに、アドレス可能な活性化エネルギーを送達することによって、前記ホモポリマートラクトを、2つまたはそれよりも多くの反復するヌクレオチドのさらなるホモポリマートラクトで伸長させるステップと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
stopping the elongation;
and extending the homopolymer tract with an additional homopolymer tract of two or more repeating nucleotides by delivering an addressable activation energy to the homopolymer tract in the presence of another plurality of blocked nucleotide analogs and the template-independent polymerase.
前記伸長が、前記ホモポリマートラクトについての所望の長さを得るために、所定の長さの時間の後に停止される、請求項に記載の方法。 5. The method of claim 4 , wherein the elongation is stopped after a predetermined amount of time to obtain a desired length for the homopolymer tract. 前記ホモポリマートラクトの前記反復するヌクレオチドが、2と10との間である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the repeating nucleotides of the homopolymer tract are between 2 and 10. 前記停止させるステップおよび前記伸長させるステップを反復して、核酸メモリ鎖を合成するステップをさらに含む、請求項に記載の方法。 5. The method of claim 4 , further comprising repeating the terminating and extending steps to synthesize a nucleic acid memory strand. 前記核酸メモリ鎖が、200ヌクレオチド長~5,000ヌクレオチド長である、請求項に記載の方法。 8. The method of claim 7 , wherein the nucleic acid memory strand is between 200 nucleotides in length and 5,000 nucleotides in length. 所定の濃度の前記遮断されたヌクレオチドアナログが、前記ホモポリマートラクトについての所望の長さを得るために、提供される、請求項1に記載の方法。 10. The method of claim 1, wherein a predetermined concentration of the blocked nucleotide analog is provided to obtain a desired length for the homopolymer tract. 前記ホモポリマートラクトおよび前記さらなるホモポリマートラクトが、異なる核酸塩基を含む、請求項に記載の方法。 The method of claim 4 , wherein the homopolymer tract and the further homopolymer tract comprise different nucleobases. 前記核酸メモリ鎖が、テキストファイル、画像ファイルおよび音声ファイルからなる群より選択されるデータセットをエンコードする、請求項に記載の方法。 8. The method of claim 7 , wherein the nucleic acid memory strand encodes a data set selected from the group consisting of a text file, an image file, and an audio file. 前記データセットの人間が可読なフォーマットをモニタ上にまたはプリンターを使用して表示するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 11 , further comprising the step of displaying a human readable format of the data set on a monitor or using a printer. 前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、基数2で示される、請求項に記載の方法。 8. The method of claim 7 , wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is represented in base 2. 前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、基数3で示される、請求項に記載の方法。 8. The method of claim 7 , wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is represented in base 3. 前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、基数4で示される、請求項に記載の方法。 8. The method of claim 7 , wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is represented in base 4. 前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、基数4よりも大きい基数で示される、請求項に記載の方法。 8. The method of claim 7 , wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is represented in a base greater than base-4. 前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、メモリ鎖合成の個々のステップにおけるデケージングの程度または得られたトラクト長によって示される、請求項に記載の方法。 8. The method of claim 7 , wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is indicated by the degree of decaging or the resulting tract length at individual steps of memory strand synthesis. 前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、DNA配列決定によって読み取られる、請求項に記載の方法。 The method of claim 7 , wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is read by DNA sequencing. 前記核酸メモリ鎖中にエンコードされたデータが、ナノポアを介した前記核酸メモリ鎖の通過によって読み取られる、請求項に記載の方法。 8. The method of claim 7 , wherein the data encoded in the nucleic acid memory strand is read by passing the nucleic acid memory strand through a nanopore.
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