CC BY
0
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДАТЧИКА СЕКВЕНИРОВАНИЯ НА БАЗЕ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ КМОП-ТЕХНОЛОГИИ 180 НМ
М.С. Кульпинов, ассистент А.Г. Балашов, проректор
A.Ю. Красюков, доцент
B.В. Лосева, техник Д.А. Рожнов, магистрант А.Д. Калёнов, ассистент
Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
(Россия, г. Москва)
DOr.10.244n/2500-m0-2024-n-2-241-244
Производство интегральной микросхемы было выполнено за счет средств Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Подготовка кадров и научного фундамента для электронной промышленности» по гос. заданию на выполнение научно-исследовательской работы «Разработка методики прототипирования электронной компонентной базы на отечественных микроэлектронных производствах на основе сервиса MPW (FSMR-2023-0008)
Аннотация. Спроектирован и разработан датчик секвенирования для определения точной последовательности нуклеотидов в нити ДНК на базе отечественной КМОП-технологии 180 нм. Приведены характеристики датчика и краткое описание принципов работы. Ключевые слова: ISFET, КМОП, ДНК, Секвенирование, Датчик.
Секвенирования ДНК является ключевым современным исследованием в области молекулярной биологии и генетики. Оно позволяет детально определить порядок нуклеотидных оснований в геноме организма, что имеет фундаментальное значение для понимания генетической информации. Секвенирование превращает биологическую молекулу в текстовый файл, который можно рассматривать и изучать подобно обычному тексту. Сравнивая ДНК различных клеток, можно найти поврежденный ген. Это важный шаг на пути к выявлению генетических заболеваний. К числу тяжелых заболеваний относятся муковисци-доз, клеточная анемия и др.
История. Существующие методы секвенирования ДНК основаны на окрашивании с помощью флуоресцентного материала. Окрашивание является утомительный процесс, который затрудняет проведение секвенирования в больших масштабах. Для преодоления недостатков традиционных методов секвенирова-ния ДНК используются ионоселективные полевые транзисторы (ISFET). ISFET обеспечивает возможность получения изображения,
что делает секвенирование ДНК более точным [1].
Принципы секвенирования. Генетические заболевания можно выявить и лечить наиболее подходящим способом, зная их основания. Секвенирование ДНК является процессом определения порядка расположения нуклео-тидов в ДНК.
Появление технологий секвенирования позволило заглянуть еще глубже и рассмотреть «лицо» нашей генетической информации. Это вещество, находящееся в ядре почти каждой клетки нашего организма, определяет наше внешнее и внутреннее состояние, наши характеристики и наши предрасположенности.
Однако развитие технологий и биохимических методов не стоит на месте, и их сочетание позволяет погрузиться в более сложные механизмы функционирования организма.
Методы секвенирования постоянно совершенствуются, позволяя выбирать различные подходы в зависимости от нужд и целей исследования. Теперь можно анализировать клетки индивидуально, следить за их измене-
ниями во времени, либо получить полную информацию о ДНК. Современные методы секвенирования порождают огромное количество коротких фрагментов, которые затем можно сравнивать с уже существующим геномом, выявляя различия в последовательности «текста» ДНК.
Поскольку ДНК является очень длинной молекулой, постоянное нахождение ее в раскрученном состоянии является неэффективным и опасным. Поэтому она спирализуется и упаковывается на специальные белковые комплексы, образуя нуклеосомы. Модификация гистонов, составляющих нуклеосомы, позволяет организму адаптироваться к окружающей среде. Фосфорилирование и ацети-лирование гистонов позволяют регулировать доступ к фрагментам ДНК, обеспечивая необходимую экспрессию генов. Нуклеосома остается связанной с ДНК, что открывает новые возможности для исследования регуляции генов.
Для изучения участков ДНК, связанных с белком, используется метод иммунопреципи-тация хроматина. Процедура проводится следующим образом [2]:
1) Создание обратимых связей между ДНК и взаимодействующих белков с помощью формальдегида;
2) Выделение и раздробление ДНК на фрагменты при помощи ультразвука или эн-донуклеаз;
3) Поглощение фрагментов специфическими антителами к целевому белку;
4) Разрушение связей между белком и ДНК, а затем очистка ДНК.
Отделяется белок, связанный с ДНК, и «освобождается» эту ДНК. Целью этого анализа является изучение экспрессии генов, состояния закрытых и открытых областей и других биологических процессов.
При проведении секвенирования полученные ДНК-фрагменты амплифицируются и се-квенируются. Биоинформатики анализируют набор коротких ДНК-последовательностей.
Полученные данные проходят через процесс контроля качества, фильтрации и выравнивания на исходную ДНК-последовательность с использованием специальных программных инструментов [3].
Принцип работы. Суть передачи сигнала основывается на принципе работы приборов с зарядовой связью (ПЗС). Принцип работы ПЗС основан на изменении заряда при подаче напряжения на электрод. В устройстве ПЗС есть кремниевая подложка, на которой образован слой диэлектрика и электрод, выведенный из него. Если на него подавать высокий уровень напряжения, то носители заряда будут проникать вглубь структуры, тем самым образовывая потенциальную яму, так как дырки будут отсутствовать на границе разделов. При внедрении второго электрода в непосредственной близости к первому, и подачи на него более высокого потенциала, электроны будут переходить из одной ямы в другую. Основываясь на вышеупомянутой механике, можно создать структуру из электродов, по которым сигналы будут проходить большие расстояния. Управлять данной структурой возможно благодаря всего трем шинам [4].
Выбран ISFET с открытым затвором, суть которого заключается в замене затвора из металла электролитом, в раствор погружен электрод сравнения, который отвечает за установку потенциала. Каждый ISFET расположен в собственной лунке. Форма лунки над ISFET представляет собой усеченный конус. Цепочка ДНК фрагментируется на мелкие части, образуя микробусины, которые помещаются в лунки. В процессе полимеризации преобразуется изменение рН в соответствующее выходное напряжение.
Результаты. Разработана и спроектирована КБЕТ-структура с открытым затвором на базе отечественной технологии 180 нм. Данный блок представляет собой логику считывания и передачи информации, поступающей на вход, где находится чувствительный датчик, который будет встроен на данное место на финальных стадиях производства. Собрана схема и построенная топология для проведения моделирования с учетом паразитных эффектов в ячейке ISFET, показанная на рисунке 1. Она включает в себя ISFET-структуру, буфер и ПЗС элемента. Такая совокупность собрана с целью отображения корректной работы блоков.
Рис. 1. Топология тестовой структуры
При построении датчика секвенирования нужно учитывать, что при прохождении всего пути до площадок вывода часть заряда теряется. С целью безошибочного считывания сигнала, на выходах добавлены буферы, которые позволяют выдавать сигнал для корректного считывания другими блоками схемы. Итоговая матрица поделена на 4 части. Для правильного считывая сигналов в каждую часть добавлены по 4 аналоговых мультиплексора.
На рисунке 2 показана топология датчика секвенирования. Она представляет собой матрицу из ISFET-структур, которая насчитывает 5017600 ISFET. В правой и левой части чипа расположены блоки логики. Напряжение питания составляет 1,8 В. Напряжение чувствительности - 500 мВ. Максимальный ток потребления составляет 112 мА. Общая площадь составляет 249,6 мм2. Разрешение получаемой картинки составляет 2240 на 2240.
Рис. 2. Итоговая топология датчика секвенирования
Проделана работа по изучению состояния тематику. Спроектированы и разработаны современных технологий в сфере секвениро- КБЕТ-структура, ПЗС элемент, буфер, муль-вания, технической документации на данную типлексор, из которых в последующем создан
датчик секвенирования, а также разработана тестовая структура для определения характеристик ISFET при различных вариациях, состоящая из четырех ISFET-структур с различными составляющими.
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты: данное исследование представляет собой первую попытку создания датчика се-квенирования на базе отечественной КМОП-
технологии 180 нм. Актуальность данного исследования заключается в том, что разработка датчиков секвенирования является важным направлением в современных биотехнологиях и электронике, однако большинство подобных устройств основаны на зарубежных технологиях. Поэтому создание датчика на основе отечественных технологий представляет значительный интерес для научного сообщества и индустрии.
Библиографический список
1. Кузнецов А.Е. Исследование электрохимического потенциала каталитической реакции на затворе полевого транзистора: дис. - М.: Нац. исслед. ун-т МИЭТ, 2016. - 115 c.
2. Jung Y.L., Luquette L.J., Ho J.W., Ferrari F., Tolstorukov M., Minoda A., Park P.J. Impact of sequencing depth in ChIP-seq experiments // Nucleic Acids Res. - 2014. - № 42, e74.
3. Nakato R., Sakata T. Methods for ChIP-seq analysis: A practical workflow and advanced applications // Methods. - 2021. - № 187. - P. 44-53.
4. Лазовский Л. Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир. - СПб.: АВТЭКС, 2008. - 16 c.
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF A SEQUENCING SENSOR BASED ON THE DOMESTIC CMOS TECHNOLOGY OF 180 NM
M.S. Kulpinov, Assistant
A.G. Balashov, Vice-rector
A.Y. Krasyukov, Associate Professor
V.V. Loseva, Technician
D.A. Rozhnov, Graduate Student
A.D. Kalenov, Assistant
National Research University «Moscow Institute of Electronic Technology» (Russia, Moscow)
Abstract. A sequencing sensor has been designed and developed to determine the exact sequence of nucleotides in a DNA strand based on the domestic 180 nm CMOS technology. The characteristics of the sensor and a brief description of the principles of operation are given. Keywords: ISFET, CMOS, DNA, Sequencing, Sensor.
