TAN TANTA CU O USLA 20180030515A1DA MATA MATA MALTA MARTINI ( 19) United States (12 ) Patent Application Publication (10 ) Pub. No. : US 2018/ 0030515 A1 Regev et al. (43 ) Pub . Date : Feb . 1 . 2018 ( 54 ) DROPLET -BASED METHOD AND Related U . S . Application Data APPARATUS FOR COMPOSITE (63 ) Continuation - in -part of application No . PCT/ SINGLE - CELL NUCLEIC ACID ANALYSIS US2015 / 049178 , filed on Sep . 9 , 2015 . ( 71) Applicants : The Broad Institute Inc ., Cambridge, (60 ) Provisional application No . 62 /048 ,227 , filed on Sep . MA (US ) ; Massachusetts Institute of 9 , 2014 , provisional application No. 62 / 146 ,642 , filed Technology , Cambridge , MA (US ) ; on Apr. 13 , 2015 . President and Fellows of Harvard College, Cambridge, MA (US ) Publication Classification (51 ) Int . CI. (72 ) Inventors : Aviv Regev , Cambridge, MA (US ) ; C120 1 /68 (2006 .01 ) Evan Zane MACOSKO , Cambridge , GO6K 19 / 06 ( 2006 . 01 ) MA (US ) ; Steven Andrew ( 2006 .01 ) MCCARROLL , Cambridge , MA (US ) ; C12N 15 / 10 Alexander K . SHALEK , Cambridge, (52 ) U . S . CI. MA (US ) ; Anindita BASU , Cambridge , CPC .. .. C12Q 1/ 6809 ( 2013. 01 ) ; C12N 15 / 1096 MA (US ) ; Christopher B . FORD , (2013 . 01 ) ; C12Q 1 /6869 ( 2013 .01 ) ; C12Q Cambridge, MA (US ) ; Hongkun 1 /6834 ( 2013. 01 ) ; G06K 19 / 06 ( 2013. 01 ) PARK , Lexington , MA (US ) ; David A . (57 ) ABSTRACT WEITZ , Bolton , MA (US ) The present invention generally relates to a combination of molecular barcoding and emulsion - based microfluidics to (21 ) Appl. No. : 15 / 453 ,405 isolate , lyse , barcode , and prepare nucleic acids from indi (22 ) Filed : Mar. 8 , 2017 vidual cells in a high - throughput manner . Synthesis of UMI ( 8 bases) 8 rounds of synthesis • Millions of the same cell barcode per bead • 48 differentmolecular barcodes (UMIS ) per bead Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 1 of 24 US 2018 / 0030515 A1 edo 90 FIG . 1 Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 2 of 24 US 2018 / 0030515 A1 SMTA CBC MBC 112 bp 8 bp FIG . 2A * W **** * * * *** * * * **** * * * * * * ??? ** *** ** * * * * * * * * *** * RR FIG . 2B Patent Application Publication Feb . 1, 2018 Sheet 3 of 24 US 2018/ 0030515 A1 * * * * * rrrrrrrr , ? ?istree ? … ? ?? … ? Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 4 of 24 US 2018 / 0030515 A1 * * ** * ** *** * * * . * * * .. * *. * * * .* * * . * * . * . * *. * * . .. .. .. * XXXS . .. 9 , - . WWW XXX X X X X ting .. .. .. Lar ;*. W401036WM3 *primero * * . * . * . * ** * * * * * * * * * * * * *. * . * . .* . .. " W " . *. .. .. .. DOC ost OTICIAS SO Cara SiccoleCROTECTION ammato.5 To C Togg Become P GeoG Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 5 of 24 US 2018 / 0030515 A1 H r . :. W Ova FIG . 4 Patent Application Publication Feb . 1, 2018 Sheet 6 of 24 US 2018/ 0030515 A1 . … … … Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 7 of 24 US 2018 / 0030515 A1 x . WS3 . 9owBogue0100WIN WO Www Big B e .. .. .. .. * * * * ** * * ** * . .. .. .. i wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww 0 2000 4000 6000 8000 90000 92000 Number of transcript HUMAN FIG 6 : Drop - Seq . Patent Application Publication Feb . 1, 2018 Sheet 8 of 24 US 2018/ 0030515 A1 FIG . 7A ? … … SS : : : 23 ?? SS : … … … … … www . FIG .7B FIG . 70 FIG . 7D Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 9 of 24 US 2018 / 0030515 A1 FB. 8A 4 : 29 Suscrow * Vook MAX 2 . 0008804 SHA 4 . * soos 7 . K UR * * YOxx Siap 8 x WWW * s * * * * * * * in Edm o do is STARE - 3 - 6 8 - 8 po - aid* • Eenso FIG . 8B Microfluidic device Gel Barcoded Bercutedocas Niers Sample sequencing road pašr Read 1 Read 2 Droplet Ceis Omation * * Ces UANL Gene identity Barcode FIG . 8C Car Breidevo un . ONA 50- Lp Markica ) * ** * * * ** * * * * * . V . O X * * 14cskco SEATS . SKCC6C & C socom . .cox 2Cell3 nowiorytare . .. : ; * . 2203X CTO Wiscovoro . : : : : : : : : : : WW W 57AGS : 01 . - . 0297776 ) oorwxxx . .. 10 ABR Cogni uoque mis 44444:: 2 . .. Pecenswer . cre DNA 28grsment to Accaccer : 75770: 302E2 SENE i 2 * * * * * * * * * genom and soup COTTA ! 40047. .. GONCA os sah gane 672NWAST . 273666 ! eus x re8 28 ngen al SENE 2 : 27 X X X Mi . .. 44 YAXW30 *30 ! roor. .Kocour innnnnnnnnnnn GENE 3 90 WOONK3 .. sace WMCW010014 . 1144CC COMC . - .. - . CAN Aww 1978 Cigole digital 030276015733XAVIE . : - ) WONGANCE . , x5: 5 . sexgroseros matrix : GENEX 2 COSTA cicer070 ! . 70YALST w a SOD . .. 3679 GoTELi s ax & Co WWWXX. GRO ! 11 . C ARTIQ . Celt 75WM X414 , . TV sinirini . ???? Ng8905 o mintyses 61 76005TE) ( kousqx09 3 Bis } FIG . 3D Patent Application Publicati0ll Feb . 1 , 2018 Sheet 10 Of 24 US 2018/ 0030515 Al FIG , 9A ? FIG . 9B ? FIG. 96 ??????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ?? ???? ? ????????? ? ? ? ? ?. .???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? .- - - ???? 3 : : ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? v????ww ? ? ? ? - ? ? ? ; -; ? ?- ?:.-' - ? ? ??????????????????????? ?????????????????????? . ????????? ? ? ? FIG . 9F FIG . 9F ??????????? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? . - . " . ' ? ? ? ? ? ?????? ; . « ? ? ????? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? . ???? ? ? ?? .? .??? . .? .? .? ?? ? .? ?? - ? ? ? ? ? ? ? ? -????????????? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? . ? ?????????????????? ???? .??? .??? ??. ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ; ? ? ? ? ; ; ? - .. ?? . ? ? ? ? ? ? ? . ? .? -i' ? ? ? ? ????? *(. ?- ? ? ••••••• x-. ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - - - - - - - ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? - - - - - - - - - - - ???? - - . ? ? ? ? ?????????????????? . ' -' - '- ? ? . ? ???? ? ? ????? :: ? ? ? ? 4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? FIG. 9D FIG . 9G Patent Application Publication Feb . 1, 2018 Sheet 11 of 24 US 2018/ 0030515 A1 FIG 10A ?????.? . …” . .… . FIG . 10B . ." ? | 3 FIG .10C " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " neraterse ????????????????? 3 A : : Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 12 of 24 US 2018 / 0030515 A1 FIG . 11A FIG . 11B * WW * X XXX X :44 : : : : * * * * * * * * * 20 Rais . .XXX 3389. .. .. : sia ROX wwwwwwwwwwwww www SNS2 FIG . 11D Wix . - FIG . 110 4 * * * * * * * * * - * Li -4 : wo . -4 . .. -4 ???????????????. 4 - .. -4 li. KESK - . 4 - . 4 LucLULU - - WWWWWW* - * * XX * . * : -!* WY * se. .. is W - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - FIG . 11E WWWwwwww ** * * * * * * ** * * * ** * * * * * * * * FIG . 11F Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 13 of 24 US 2018/ 0030515 A1 FIG . 12A FIG . 12B ??? : ? : ???? ???? ? ?? ? ?? ??? ???? ????? ??? ??? . .* ????* ?? ?? ??? ??? ??? ?? ??? ????? ???? ?? : : * * * * * * * * ???? ???? ????? ? ?? ? ???????????????????? ? :- : :: : : : : : - : -: - :- : -: - : -: -: - : -: ????????? ??? ? ????? ?? ???? ????? . .. ??????????? ???? ???? ??? * * * * * * * ???? ?? ? ??? ? • :: ? ??????? = = = = = = ??? ? : : . .: : . .: : : . ???? : : ?????? ?? ???? ?? ?? ? -: : ?? ?? : ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ????? ?? ?? ?? ?????? ? .: ? :- : -: - : - : - : - :- ?? ? ??????? . ??? ???? . ??? ? = ??? ? ? ? ? ? ? - -- - - - - - - - - * :. ??????????????? ? ?????? . ?????? :. ???????????????????????????????????????????? : ????????? ???? : . ? . ? . ? . ?? = = = := := := := : . : ?? : . ????? ??????????? ?. ??????? ?????? ??? ?? ?????? ? .?????????????????? : :. , , ??? ??? . - - - - . ????? : . : . .. .. .? ? ?? ? ? ????? ??? ????? ?? ????? ?????????? ???? ???? ??? . :. : :. : ??? ????????? ????? ? ? ??? ?? ??? ?? ???? ?? ?? ?? ????? ???? ?? ?? ??? ??? ????? ???? ?? ????? ???? ??? ?? ? ??? ? FIG . 120 ? FIG . 12D * ?? ?? . ????? ? . * ????? ????????? ??? ????????????? * ?? ????????? ??????????? . ?????????????????????????? ????????????? ????????????????? *: ?????????????????????? ?????????.?? ????????????????? ??? ???.?. ??. ???????????????????????????? : .????.. ????????????? ???????????????? ???????????????? ??????????????????? ??? ???????? : ?????????.? : ????????????? ??? ??? ?? ????????????? ?? : ?????. ????? : ??????? : : . .. .. ?? . : FIG , 12E FIG . 126 ???? ?????? ?????????????????? ? . ?? ? ?? ? ?? ??? ?? ..| : ??? ????? ??? ??? ?????? ??? ? ??? ????? ??? . : : * . * . * . * . * ? ??? ?????? ??? ? ?? ?????? ???? ???? ??? :: : ?????? ?? ???? ?? ?? ???? ??? ???? ??? ?? :: F } G . 12H FIG . 12 : .* ?? FIG . 12F ? . ?. * ???????????????: :: . ?. ::: ..? * * * : ???????????????* ??: ????????????????????? ?. ? : ??? ?????? * : * : * : * * * : : : : ?? ?? .. .. .. .. .. .. .. ? : ?? ????? ??? ??? ???? ?????? ??? ????? ??? ???? ?? ???? ?? ??? ????? ??? ?? ???? ?? ??? ? - : ???? ? ?? ?? ?? ??? ? ??? ????? Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 14 of 24 US 2018 /0030515 A1 > ervinroloerythroid NK cellscells ?og§ 1SNEISNE1 OYO OYO B cells • B cells T cells granulocytergranulocyto - 60 * * monocyte SNE 2 FIG . 13A Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 15 of 24 US 2018 / 0030515 A1 MPO AETN L32 TRAQ $ 10049 LY MNDA VCAN S10048 PS4R CSAA1 S100412 KGLUT KBHW KGKO K9441pgE NKC7 GNCY KLAC1 DARI ROGA34 NUSARI TOP24 CA1 ADX2 AMSER BEVAS BA HBAT HOWGN 1 2 3 4 5 6 78 dusters Fig . 13B Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 _ Sheet 16 of 24 US 2018/ 0030515 A1 OO ! ! ! ??????? ! - 5 ] 50 100 C079 Fig. 13 Patent Application Publication Feb . 1 , 2018 Sheet 17 of 24 US 2018/ 0030515 A1 FIG . 14A . FIG . 14B : : : : :: : ?? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? .. .???? ???. ?????? .. .. .. .. .. .. : . ? ?? ? ??? ??? ??? . .??? .??? . ? ? . ?????????????? ??????? : ?????????? ?????? : ??????????????????????????????????? ??????? : ?????? : : ?????????? ??? ?? ?????????????????? : . -: :