專利名稱:用于檢測和鑒定分子結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微圖像基于模型的融合的制作方法
用于檢測和鑒定分子結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微圖像基于模型的融合
相關(guān)申請
本申請是2002年10月17日提交的、在審中的序列號為10，273，312的美國專利
申請的部分繼續(xù)申請。
發(fā)明領(lǐng)域
本申請總體上涉及成像，更特別地，涉及圖像基于模型的融合(model-basedfusion)。某些公開的方法是涉及測定結(jié)構(gòu)，包括生物分子諸如蛋白、肽、脂類、多糖和/或核酸的結(jié)構(gòu)。
技術(shù)背景
在各種形式的成像技術(shù)諸如掃描探針顯微技術(shù)(scanning probemicroscopy,SPM)中，可以應(yīng)用不同的傳感形式(sensing modalities)對特定的對象進(jìn)行成像。在傳統(tǒng)方法中，各個圖像可以被單獨闡釋(interpreted)，其僅僅對圖像的各種常規(guī)特征作定性的交叉參照(cross-referencing)。在SPM中，圖像通常用目測(visual observation)來闡釋。當(dāng)必須闡釋大量的數(shù)據(jù)時，如鑒定各種樣品中一種或者多種特定的分子結(jié)構(gòu)時，圖像的闡釋可能是耗費時間且效率低下的。通過不同的掃描探針形式諸如原子力顯微技術(shù)(atomic force microscopy,AFM)、掃描穿隧顯微技術(shù)(scanning tunneling microscopy,STM)和/或磁力顯微技術(shù)(magnetic force microscopy, MFM)攝取的圖像中的結(jié)構(gòu)特征的交叉參照是非常緩慢的，而且容易產(chǎn)生操作失誤或錯誤闡釋。
在確定已知的對象是否存在于樣品中時，通常并不會將用于對樣品進(jìn)行成像的不同傳感形式組合起來以提供樣品的同一區(qū)域的融合圖像(fused image)。在樣品的多個圖像被組合時，通常是通過在逐點(point-by-point)或逐象素(pixel_by-pixel)的基礎(chǔ)上將不同組的數(shù)據(jù)組合起來實現(xiàn)的。然而，圖像的組合不能充分利用在不同圖像中相互獨立的信息。而且，在逐點或逐象素的基礎(chǔ)上組合圖像需要各個圖像精確的對準(zhǔn)(alignment)，以在同一柵格(grid)創(chuàng)造出多特征(multi-feature)圖像。在不存在用于對準(zhǔn)的已知的校正地標(biāo)(calibrationlandmarks)時,這樣的對準(zhǔn)對于納米級結(jié)構(gòu)的SPM圖像是非常困難的。因此需要利用生物分子的已知結(jié)構(gòu)特征來輔助SPM圖像的鑒定和分析的圖像融合方法。
附圖簡述
下面的附圖形成本說明書的一部分，用來進(jìn)一步闡述公開的方法和儀器。通過參考其中一幅或多幅附圖并結(jié)合本文中的詳細(xì)描述，可以更好的理解這些方法和儀器。
圖I顯示了圖像參量基于模型的融合的示范性方法。
圖2顯示了流程圖,其示出了對一組圖像進(jìn)行基于參量的分析(parameter-basedanalysis)的示范性方法。[0008]圖3顯示了將SPM圖像與分子結(jié)構(gòu)的物理模型組合起來形成該結(jié)構(gòu)基于參量的表征的示范性方法。
圖4顯示了示范性的利用SPM的對象鑒定體系。
圖5顯示了示范性的 通過原子力顯微技術(shù)獲得的消化λ DNA圖像。
圖6 顯不了用微流態(tài)分子梳(microf luidic molecular combing, MMC)對準(zhǔn) DNA分子的實例。
圖7 顯不了用微流態(tài)分子梳(microf luidic molecular combing, MMC)對準(zhǔn) DNA分子的另一個實例。
圖8顯示了示范性的由13個獨立寡核苷酸鏈雜交在一起的寡核苷酸SPM探針。
圖9顯示了圖8的SPM探針的各個寡核苷酸組分。注意，如圖8中所示，有9個片段(按次序標(biāo)記為PTl到PT9)用于組成SPM探針的上鏈；有4個片段(標(biāo)記為#1到#4)組成SPM探針的下鏈。雜交的SPM探針顯示出可由掃描探針顯微技術(shù)檢測到的分支點(branchpoints)。

圖10列出了 PTl到PT9的全序列，包括分支點。
圖I I顯示了通過原子力顯微技術(shù)成像的圖8和圖9的SPM探針(箭頭，圖的右上角)。為了比較，2. 8kb的線性質(zhì)粒DNA也被顯示出來。
示范性實施方案詳述定義
如本文中所用的，“一”、“一個”(“a”和“an”)可以指一個或者一個以上的某事物。
如本文中所用的，“對象(subject)”可以是能夠通過SPM技術(shù)成像的任何物體，包括但不局限于生物分子。技術(shù)人員將會理解，生物分子可以指發(fā)現(xiàn)于生物系統(tǒng)的任何分子，包括但不局限于蛋白質(zhì)、多肽、肽、糖蛋白、脂蛋白、脂類、多糖、糖脂、脂多糖、寡核苷酸、多聚核苷酸、核酸和核蛋白?！皩ο蟆辈痪窒抻趩畏肿樱部梢园▋蓚€或多個分子的復(fù)合物。
“核酸”包括脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)，可以是單鏈的、雙鏈的或三鏈的，以及其任何化學(xué)修飾?！昂怂帷笨梢允侨魏伍L度的，從2個堿基大小的到全長染色體。事實上，核酸的任何共價或非共價修飾都在請求保護(hù)的主題的考慮范圍之內(nèi)?！昂怂帷卑?，但不局限于寡核苷酸和多聚核苷酸。
“蛋白質(zhì)”指任何長度的由氨基酸組裝而得的聚合分子。“蛋白質(zhì)”可以包括自然發(fā)生的、修飾的、衍生的、標(biāo)記的和/或非自然發(fā)生的氨基酸和/或氨基酸類似物。“蛋白質(zhì)”包括，但不局限于肽、多肽、糖蛋白和脂蛋白。
本文中描述的方法和儀器可用于SPM圖像基于模型的融合。SPM圖象基于模型的融合可以用來檢測、鑒定和/或表征一種或多種生物分子。參量可以源自已知的對象的多份圖像，這些圖像是利用不同的SPM成像形式獲得的。所述參量可以與所述對象的模型融合，從而形成所述對象基于參量的表征。
在下面的詳細(xì)描述中，為了解釋的目的，描述了許多具體的細(xì)節(jié)。然而，應(yīng)該理解，請求保護(hù)的方法和儀器沒有這些具體細(xì)節(jié)也可以實施。在其他方面，眾所周知的電路、結(jié)構(gòu)、技術(shù)和裝置沒有詳細(xì)描述。
下面描述的各種方法可以用硬件組件來實施，或者可以根據(jù)可由機器執(zhí)行的指令來實施，所述指令可以被用來獲得由所述指令編程的通用的或?qū)Ｓ玫奶幚砥骰蜻壿嬰娐芬詫嵤┻@些方法。可選擇地，這些方法可以通過硬件和軟件的組合來實施。
生物分子
下面的討論關(guān)于已知生物結(jié)構(gòu)的非限制性實施例，諸如核酸和蛋白質(zhì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，其他類型的已知生物結(jié)構(gòu)，包括但不局限于脂類、糖類、肽、寡核苷酸、糖蛋白、糖脂、脂蛋白也可以用公開的方法和儀器分析。
核酸待分析的核酸可以用本領(lǐng)域已知的任何技術(shù)制備。將被分析的核酸可以包括純化或部分純化的DNA或RNA樣品。事實上，任何自然發(fā)生的核酸都可以被分析，包括但不局限于染色體、質(zhì)粒、葉綠體和線粒體DNA和信使RNA、核糖體RNA、轉(zhuǎn)運RNA和不均一核RNA。純化核酸的方法是已知的(如 Guide to Molecular Cloning Techniques, eds. Berger andKimmel, Academic Press, New Your, NY,1987 ；MoleculaCloning A Laboratory Manual,2nd Ed. ,eds Sambrook,Fritsch andManiatis, Cold Spring Harbor Press, Cold SpringHarbor Press,NY, 1989)。核酸純化試劑盒也可以商購(如 Qiagen, Valencia, CA ;Ambion,Austin, TX ；Clontech, Palo Alto, CA)。這些方法和試劑盒只是示范性的,本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的任何變化都可以被應(yīng)用。
將被分析的其他類型的核酸可以用引物延伸或聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR )制備(如美國專利4，683，195 ;4，683，202和4，800, 159)?？蛇x擇地，核酸可以被插入到各種載體中，諸如BAC、YAC、質(zhì)粒、病毒、柯斯質(zhì)粒(cosmids)、噬菌體等，并復(fù)制和/或純化這些插入片段(參見如Berger and Kimmel , 1987 ；Sambrook etal. ,1989)。核酸插入片段可以從載體DNA分離得到，例如通過用合適的限制性內(nèi)切酶切割，再進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳來分離。分離核酸插入片段的方法是本領(lǐng)域已知的。公開的方法不限制待分析的核酸的來源，任何類型的核酸包括原核生物、細(xì)菌、病毒、真核生物、哺乳動物和/或人的核酸都可以在請求保護(hù)的主題范圍內(nèi)被分析。
目前確定核酸分子結(jié)構(gòu)的方法主要是指核酸測序，這主要是利用Sanger雙脫氧測序方法的某些變型或與芯片陣列上的已知寡核苷酸序列雜交的方法來測定?？梢杂糜嬎銠C處理方法來分析核酸序列，鑒定結(jié)構(gòu)特征，諸如莖-環(huán)(stem-loop)形成序列、回文序列、發(fā)夾結(jié)構(gòu)和蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域。目前其他的核酸結(jié)構(gòu)分析方法包括核磁共振(NMR)成像和X射線晶體學(xué)(參見如http://ndbserver. rutgers. edu/)。NMR僅適用于鑒定短的、相對簡單的核酸結(jié)構(gòu)，而X射線晶體學(xué)需要繁瑣、耗時的單分子晶體形成過程，并需要大量的純化核酸。
已知的核酸結(jié)構(gòu)通常歸入表I中總結(jié)的幾類中的其中一類。這些結(jié)構(gòu)有時被稱作雙鏈DNA的A、B和Z結(jié)構(gòu)。表I.已知的核酸結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1.一種檢測和鑒定分子結(jié)構(gòu)的方法，包括 a)在分析之前，將生物分子附著到表面上并且通過分子梳在所述表面上以平行的方式對準(zhǔn)所述生物分子； b)用至少兩種不同形式的掃描探針顯微技術(shù)(SPM)對所述生物分子進(jìn)行成像； c)使用基于模型的分析，利用已知生物分子的一個或多個物理結(jié)構(gòu)模型來分析所述圖像； d)由所述圖像獲得一個或多個參量的值的估量和與一個或多個參量的值的所述估量相關(guān)的誤差； e)融合由不同的圖像獲得的估量參量和所述誤差，以獲得最終參量估量；和 f)鑒定所述生物分子的結(jié)構(gòu)， 其中所述分子梳包括將所述生物分子附著到所述表面并且利用抽出所述生物分子通過移動的彎月面將所述附著的生物分子對準(zhǔn)。
2.權(quán)利要求
I的方法，其中所述融合基于所述生物分子的物理結(jié)構(gòu)的模型。
3.權(quán)利要求
I的方法，進(jìn)一步包括鑒定所述生物分子。
4.權(quán)利要求
3的方法，進(jìn)一步包括將所述一個或多個融合參量與由已知生物分子確定的參量相比較，從而鑒定是否存在已知生物分子。
5.權(quán)利要求
I的方法，其中SPM成像包括選自下列形式的至少兩種形式原子力顯微術(shù)(AFM)、掃描穿隧顯微術(shù)(STM)、側(cè)向力顯微術(shù)(LFM)、化學(xué)力顯微術(shù)(CFM)、力調(diào)制成像、磁力顯微術(shù)(MFM)、高頻MFM、磁阻敏感繪圖(MSM)、電力顯微術(shù)(EFM)、掃描電容顯微術(shù)(SCM)、掃描擴展電阻顯微術(shù)(SSRM)、穿隧AFM和傳導(dǎo)AFM。
6.權(quán)利要求
I的方法，其中所述參量通過水平集技術(shù)、TOE(偏微分方程)技術(shù)和/或活性表面技術(shù)來估量。
7.權(quán)利要求
6的方法，進(jìn)一步包括將所述技術(shù)嵌入到概率(貝葉斯)估算框架，來表示模型的不確定性和儀器噪音。
8.權(quán)利要求
I的方法，進(jìn)一步包括將向量量化、支持向量機和/或統(tǒng)計分類器運用于所述融合的參量，從而對所述生物分子進(jìn)行分類。
9.權(quán)利要求
8的方法，進(jìn)一步包括利用已知的生物分子結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。
10.權(quán)利要求
I的方法，進(jìn)一步包括利用已知的生物分子結(jié)構(gòu)來獲得每類生物分子的參量范圍。
11.權(quán)利要求
10的方法，其中所述已知生物分子的參量范圍被用于估量所述參量。
12.分子結(jié)構(gòu)鑒定系統(tǒng)，包括 a)包括分子結(jié)構(gòu)的表面，所述分子結(jié)構(gòu)在分析以前通過分子梳以平行的方式對準(zhǔn)； b)用于拍攝圖像的具有多種成像形式的掃描探針顯微鏡； c)控制掃描探針顯微鏡的操作的控制器；和 d)包括一個或多個已知分子結(jié)構(gòu)的表征的存儲器； 其中所述控制器包含處理器，其被設(shè)定用于由所述圖像獲得一個或多個參量的值的估量和與一個或多個參量的值的所述估量相關(guān)的誤差和融合由不同的圖像獲得的估量參量和所述誤差，以獲得最終參量估量，其中所述分子結(jié)構(gòu)是生物分子，并且所述分子梳包括將所述生物分子附著到所述表面并且利用抽出所述生物分子通過移動的彎月面將所述附著的生物分子對準(zhǔn)。
13.權(quán)利要求
12的系統(tǒng)，其中所述的已知結(jié)構(gòu)的表征代表來自多個已知的生物分子結(jié)構(gòu)的融合參量的集合。
14.權(quán)利要求
13的系統(tǒng)，其中所述的已知結(jié)構(gòu)的表征被用于分析一組SPM圖像。
15.權(quán)利要求
14的系統(tǒng)，其中所述的SPM圖像被分析，以鑒定樣品中是否存在一種或多種已知結(jié)構(gòu)。
16.權(quán)利要求
15的系統(tǒng)，其中所述SPM圖像按下面方法分析(i)分析粗?jǐn)?shù)據(jù)集，以檢測已知結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的位置；和(ii)再一次或多次重新分析可能的出現(xiàn)位置，每一次分析利用比在前分析中所利用的數(shù)據(jù)集更精練的數(shù)據(jù)集。
17.權(quán)利要求
15的系統(tǒng)，其中所述多個圖像形式選自原子力顯微術(shù)(AFM)、掃描穿隧 顯微術(shù)(STM)、側(cè)向力顯微術(shù)(LFM)、化學(xué)力顯微術(shù)(CFM)、力調(diào)制成像、磁力顯微術(shù)(MFM)、 高頻MFM、磁阻敏感繪圖(MSM)、電力顯微術(shù)(EFM)、掃描電容顯微術(shù)(SCM)、掃描擴展電阻顯微術(shù)(SSRM)、穿隧AFM和傳導(dǎo)AFM。
18.權(quán)利要求
I所述的方法，其中分子梳包括微流態(tài)分子梳。
19.權(quán)利要求
I所述的方法，其中分析包括同時分析多個不同的已知生物分子的存在。
20.權(quán)利要求
I所述的方法，其中分析包括納米級結(jié)構(gòu)的三維分析。
21.權(quán)利要求
I所述的方法，其中分析包括確定所述生物分子的一級結(jié)構(gòu)。
22.權(quán)利要求
I所述的方法，其中分析包括確定所述生物分子的二級結(jié)構(gòu)。
23.權(quán)利要求
I所述的方法，其中分析包括確定所述生物分子的三級結(jié)構(gòu)。
24.權(quán)利要求
I所述的方法，其中分析包括確定所述生物分子的四級結(jié)構(gòu)。
專利摘要
在本發(fā)明某些實施方案中，可以使用不同的成像技術(shù)諸如不同形式的掃描探針顯微技術(shù)捕獲一個或多個對象的一系列圖像。利用已知的分子結(jié)構(gòu)的一種或多種模型，可以由所述的一系列圖像估算出參量，以提供基于模型的分析。所述的估算出的參量可以與來自已知的分子結(jié)構(gòu)的物理模型的進(jìn)一步輸入相融合。融合參量可以用來表征對象。這樣的表征可以包括檢測和/或鑒定特定的分子結(jié)構(gòu)，例如具有已知序列和/或結(jié)構(gòu)的蛋白、肽和/或核酸。在本發(fā)明的某些實施方案中，結(jié)構(gòu)表征可以用來鑒定對象分子的先前未知的性質(zhì)。
文檔編號G01Q60/50GKCN1706002 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200380101491
公開日2012年11月21日 申請日期2003年10月16日
發(fā)明者A·伯林, E·漢娜, H·奧瑟克, M·山川, N·孫達(dá)拉簡, S·陳 申請人:英特爾公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5), 非專利引用 (5),