CA2406948A1 - Biochips, preparation and uses - Google Patents

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CA2406948A1 CA002406948A CA2406948A CA2406948A1 CA 2406948 A1 CA2406948 A1 CA 2406948A1 CA 002406948 A CA002406948 A CA 002406948A CA 2406948 A CA2406948 A CA 2406948A CA 2406948 A1 CA2406948 A1 CA 2406948A1
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nucleic acids
arm
biochip
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Todor Vujasinovic
Sylvie Dumas
Jacques Mallet
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
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Abstract

The invention concerns biochips, their preparation and their uses. In particular it concerns biochips comprising immobilised nucleic acids on a support by means of a dendritic arm and/or an arm bearing a negative charge and/or directly on supports bearing a negative charge. The inventive methods and biochips can be used for detecting or analysing gene expression, for searching genes of interest, or for diagnostic purposes, for example.

Description

BIOPUCES, PREPARATION ET UTILISATIONS
La présente invention concerne le domaine de la biologie et de la génétique.
Elle concerne en particulier de nouvelles compositions et méthodes pour la préparation de biopuces et leurs utilisations. Elle concerne notamment des biopuces comprenant des populations d'acides nucléiques particulières et/ou préparées à partir de molécules d'ancrages ou de supports particuliers. Les méthodes et biopuces selon la présente invention peuvent être utilisées pour la détection ou l'analyse de l'expression de gènes, pour la recherche de gènes d'intérét, ou pour des applications diagnostiques, par exemple.
Les puces à ADN (« DNA microarrays ») ou, plus généralement, tes puces à
acides nucléiques (« biopuces ») sont des systèmes miniaturisés d'analyse génétique à grande échelle, permettant par exemple d'étudier l'activité
transcriptionnelle d'un grand nombre de gènes (analyse de l'expression génique), de déterminer la séquence d'un grand nombre de fragments d'ADN (dont les analyses de polymorphismes génétiques), etc. Leur principe général consiste à:
- Fixer de façon ordonnée des fragments d'acides nucléiques sur un support, et ceci de manière miniaturisée afin de pouvoir fixer un grand nombre de fragments différents sur une surface réduite. La biopuce est l'ensemble constitué par le support et les fragments d'acides nucléiques fixés sur ce support. Dans la présente invention, les acides nucléiques fixés sur la biopuce sont désignés sous le nom de "cibles". Chaque acide nucléique (ou groupe d'acides nucléiques) correspondant à
une séquence d'ADN ou d'ARN spécifique, est fixé à un endroit précis du support (« spot »). Préférentiellement, les biopuces ont une densité supérieure à 500 spots par cm2, de préférence supérieure à 1000 spots par cm2 et encore plus préférentiellement supérieure à 5000 spots par cm2.
- Hybrider sur la puce une population d'acides nucléiques à analyser (quelle que soit leur nature et leur origine biologique). Nous désignons ici les acides nucléiques à analyser sous le nom de "sondes". Lors de l'hybridation, les acides nucléiques présents dans la sonde vont se fixer de façon spécifique aux cibles présentes sur la puce, dont la séquence nucléique est similaire à tout ou partie de la séquence de ces sondes,
BIOCUCES, PREPARATION AND USES
The present invention relates to the field of biology and genetics.
It relates in particular to new compositions and methods for the preparation of biochips and their uses. It concerns in particular biochips comprising specific nucleic acid populations and / or prepared from molecules of anchors or specific supports. The methods and biochips according to the present invention can be used to the detection or analysis of gene expression, for gene search of interest, or for diagnostic applications, for example.
DNA microarrays or, more generally, your microarrays nucleic acids ("biochips") are miniaturized systems of analysis large-scale genetics, for example to study activity transcription of a large number of genes (expression analysis gene), to determine the sequence of a large number of DNA fragments (including genetic polymorphism analyzes), etc. Their general principle consists in:
- Fix in an orderly manner fragments of nucleic acids on a support, and this in a miniaturized way in order to be able to fix a large number of fragments different on a reduced surface. The biochip is the set made up of the support and the nucleic acid fragments attached to this support. In the present invention, the nucleic acids attached to the biochip are referred to as name of "targets". Each corresponding nucleic acid (or group of nucleic acids) at a specific DNA or RNA sequence is attached to a specific location in the support ("Spot"). Preferably, the biochips have a density greater than 500 spots per cm2, preferably more than 1000 spots per cm2 and even more preferably greater than 5000 spots per cm2.
- Hybridize on the chip a population of nucleic acids to be analyzed (which whatever their nature and their biological origin). Here we designate the acids nucleic acids to be analyzed under the name of "probes". During hybridization, the acids nucleic acid present in the probe will specifically bind to targets present on the chip, whose nucleic sequence is similar to all or part of the sequence of these probes,

2 - Mesurer la quantité de sondes spécifiquement hybridées sur chacune des cibles de la puce. Cette mesure peut étre effectuée soit par marquage fluorescent ou radioactif préalable des sondes et lecture de la quantité de marquage présente après hybridation sur chaque cible, soit par d'autres types de mesure de la quantité
d'hybridation sonde-cible pour chaque cible (telles que, par exemple et de façon non exhaustive, la mesure de micro-courants induits par la formation d'une capacité
électrique sonde-cible double brin, ou la mesure directe de la masse moléculaire de sonde fixée sur chaque cible).
Un certain nombre de biopuces ont été décrites . dans l'art antérieur.
Cependant, ces biopuces présentent un certain nombre d'inconvénients ou de limitations liés notamment à la nature des acides nucléiques cibles utilisés et/ou aux conditions de préparation des biopuces, qui rendent leur production et leurs utilisation difficiles.
Ainsi, la technologie de puces à acides nucléiques simple brin développée par la société Affymetrix consiste à synthétiser des oligonucléotides directement sur le support de la puce, par photolithographie et synthèse d'ADN en phase solide. Ce principe, qui peut étre obtenu avec d'autres méthodes de synthèse, est communément désigné par l'expression « synthèse in situ". Cependant, à ce jour, ce principe ne permet pas de synthétiser avec une efficacité suffisante des oligonucléotides de plus de 25 bases de long, et l'utilisation de tels oligonucléotides (longs de 25 bases ou moins) entraine la présence de nombreuses hybridations non spécifiques des sondes, et par conséquent une mauvaise reproductibilité
des expériences utilisant ce système.
A cet égard, il est connu que la spécificité de l'hybridation entre deux fragments d'acides nucléiques (par exemple le complexe sonde-cible pour les biopuces) dépend des conditions dans lesquelles la réaction d'hybridation est faite, de la composition en bases de ces acides nucléiques, de leur similitude ou identité
de séquence, et de la longueur de séquence identique. Ainsi, plus la longueur de séquence identique entre les deux fragments est grande, plus l'hybridation est spécifique. Cependant, au delà d'une certaine longueur, variable en fonction des WO 01/4450
2 - Measure the quantity of specifically hybridized probes on each of the chip targets. This measurement can be carried out either by marking fluorescent or radioactive prior to the probes and reading of the quantity of labeling present after hybridization on each target, either by other types of measurement of the amount probe-target hybridization for each target (such as, for example and way non-exhaustive, the measurement of micro-currents induced by the formation of a capacity electric double-stranded target probe, or direct mass measurement molecular of probe attached to each target).
A number of biochips have been described. in the prior art.
However, these biochips have a number of disadvantages or limitations related in particular to the nature of the target nucleic acids used and or the preparation conditions for biochips, which make their production and their difficult to use.
So the single stranded nucleic acid chip technology developed by the company Affymetrix consists in synthesizing oligonucleotides directly on chip support, by photolithography and DNA synthesis in phase solid. This principle, which can be obtained with other synthetic methods, is commonly referred to as "in situ synthesis". However, at this day, this principle does not make it possible to synthesize with sufficient efficiency oligonucleotides more than 25 bases long, and the use of such oligonucleotides (25 bases or less long) leads to the presence of numerous hybridizations nonspecific probes, and therefore poor reproducibility of experiments using this system.
In this regard, it is known that the specificity of hybridization between two nucleic acid fragments (e.g. the probe-target complex for biochips) depends on the conditions under which the hybridization reaction is done, the base composition of these nucleic acids, their similarity or identity identical sequence length. So the longer the length of identical sequence between the two fragments, the greater the hybridization specific. However, beyond a certain length, variable depending on of WO 01/4450

3 CA 02406948 2002-06-14 pCT~R00/03572 séquences, mais en général de l'ordre de plus de 1000 bases, les structures moléculaires secondaires peuvent gêner le rendement de la réaction d'hybridation (repliement des molécules sur elles-mêmes, voire hybridation des molécules sur elles-mêmes).
II serait donc utile de disposer de technologies permettant de produire des biopuces comportant tout type d'acides nucléiques, dans des conditions compatibles avec une lecture efficace et sensible des hybridations. Toutefois, la fixation des acides nucléiques sur les supports de biopuces reste problématique à
ce jour, en raison notamment des problèmes d'encombrement stérique et des modes physico-chimique actuels de fixation sur les supports.
La question de l'encombrement stérique lié au dépôt d'un grand nombre de molécules sur une surface très petite ("spot" de chaque dépôt sur la puce) est importante. II faut en effet que les molécules déposées (cibles) soient en nombre et en densité suffisants pour permettre la mesure de l'hybridation sur celles-ci des molécules d'acides nucléiques à analyser (sondes). Cependant, il ne faut pas que cette densité soit telle que l'accès des molécules sondes aux molécules cibles soit gêné par l'encombrement spatial des cibles.
Par ailleurs, les conditions de fixation des cibles sur la biopuce sont également importantes. En effet, il faut que cette fixation soit stable, idéalement de type covalent, sans toutefois diminuer la capacité des cibles à être hybridées sur les sondes. De ce point de vue, il faut idéalement que la fixation des cibles soit effectuée par l'une des extrémités de la cible (5' ou 3') et non sur leur longueur.
Enfin, pour des questions à la fois d'encombrement stérique et de disponibilité des cibles sur toute leur longueur, mais aussi de faisabilité technique, la question n'est pas résolue de savoir s'il vaut mieux fixer directement les cibles sur le support de la puce ou s'il vaut mieux les y fixer par l'intermédiaire d'un "bras" (molécule polymère, quelle que soit sa nature et sa taille).
La présente invention apporte maintenant des solutions avantageuses aux difficultés et aux limitations des techniques et produits de l'art antérieur.
Ces solutions portent notamment sur les conditions de fixation des cibles sur le support,
3 CA 02406948 2002-06-14 pCT ~ R00 / 03572 sequences, but in general on the order of more than 1000 bases, the structures secondary molecules can interfere with reaction yield hybridization (folding of the molecules on themselves, even hybridization of the molecules on themselves).
It would therefore be useful to have technologies enabling the production of biochips comprising any type of nucleic acids, under conditions compatible with an efficient and sensitive reading of hybridizations. However, the fixation of nucleic acids on biochip supports remains problematic to date, mainly due to steric hindrance problems and current physico-chemical methods of fixing to supports.
The question of steric hindrance linked to the deposit of a large number of molecules on a very small surface ("spot" of each deposit on the chip) is important. It is indeed necessary that the deposited molecules (targets) are in number and in sufficient density to allow the measurement of hybridization thereon of nucleic acid molecules to be analyzed (probes). However, do not than this density is such that the access of the probe molecules to the target molecules is hampered by the spatial obstruction of the targets.
Furthermore, the conditions for fixing the targets on the biochip are also important. Indeed, this fixation must be stable, ideally from covalent type, without however reducing the capacity of the targets to be hybridized sure respondents. From this point of view, ideally, setting targets is performed by one of the ends of the target (5 'or 3') and not on their length.
Finally, for questions of both steric hindrance and availability of targets along their entire length, but also of technical feasibility, the question is not resolved whether it is better to fix the targets directly on the support of the chip or if it is better to fix them there by means of an "arm" (molecule whatever its nature and size).
The present invention now provides advantageous solutions to difficulties and limitations of the techniques and products of the prior art.
These solutions relate in particular to the conditions for fixing targets on the support,

4 ainsi que sur la nature et/ou les caractéristiques physico-chimiques des molécules de fixation utilisées. L'invention décrit également des biopuces sur lesquelles des populations particulières de molécules cibles sont déposées, notamment des populations d'acides nucléiques cibles de taille définie.
La présente invention décrit notamment une nouvelle approche de fixation d'acides nucléiques cibles sur des supports de biopuces. Elle peut étre mise en oeuvre avec tout type d'acides nucléiques cibles tels que définis ci-après, et avec tout type de supports, tels que définis ci-après. Elle peut en outre étre mise en oeuvre aussi bien avec des acides nucléiques cibles synthétisés directement sur le support de la biopuce (synthèse in situ) ou synthétisés indépendamment puis fixés sur la biopuce dans un second temps. En outre, elle peut également être mise en oeuvre avec des molécules d'intérêt autres que des polynucléotides.
Plus particulièrement, selon un premier aspect, la présente invention réside dans l'utilisation, pour fixer les cibles sur la puce, de bras (ou molécules « espaceur » ou « linker ») ayant une structure spatiale (structure primaire ou secondaire de la molécule) en forme d'arborescence. En particulier, l'invention concerne, de manière générale, l'utilisation de toute molécule dont la structure spatiale est organisée selon un principe d'arborescence, que celle-ci soit à
un ou plusieurs degrés de liberté, comme "bras" de fixation de cibles sur un support de biopuce.
Ainsi, un premier objet de la présente invention réside dans une biopuce, caractérisée en ce qu'elle comprend des acides nucléiques immobilisés sur un support au moyen de bras en forme d'arborescence.
Un autre aspect de la présente invention réside dans une biopuce composée d'acides nucléiques simple-brin fixés sur un support, dans laquelle les acides nucléiques simple-brin ont une longueur comprise entre 25 et 100 nucléotides environ, de préférence entre 30 et 60 nucléotides environ.

Un autre aspect de l'invention réside également dans une biopuce comprenant des acides nucléïques immobilisés sur un support portant une charge électrique négative uniforme ou au moyen de bras portant une charge électrique négative.
4 as well as on the nature and / or the physico-chemical characteristics of molecules used. The invention also describes biochips on which of particular populations of target molecules are deposited, in particular target nucleic acid populations of defined size.
The present invention describes in particular a new fixing approach of target nucleic acids on biochip carriers. It can be put in works with any type of target nucleic acids as defined below, and with any type of support, as defined below. It can also be used in works equally well with target nucleic acids synthesized directly on the biochip support (in situ synthesis) or synthesized independently then fixed on the biochip in a second step. In addition, it can also be put in works with molecules of interest other than polynucleotides.
More particularly, according to a first aspect, the present invention resides in use, to fix the targets on the chip, arms (or molecules "Spacer" or "linker") having a spatial structure (primary structure or secondary of the molecule) in the form of a tree. In particular, the invention generally concerns the use of any molecule whose structure is organized according to a tree structure principle, whether this is one or several degrees of freedom, as "arms" for fixing targets on a support of biochip.
Thus, a first object of the present invention resides in a biochip, characterized in that it comprises nucleic acids immobilized on a support by means of tree-shaped arms.
Another aspect of the present invention resides in a compound biochip of single-stranded nucleic acids attached to a support, in which the acids single-stranded nucleic acids are between 25 and 100 nucleotides in length approximately, preferably between 30 and 60 nucleotides approximately.

Another aspect of the invention also resides in a biochip comprising nucleic acids immobilized on a support carrying a charge uniform negative electric or by means of arms carrying an electric charge negative.

5 L'invention concerne également la préparation et l'utilisation des biopuces telles que définies ci-dessus, pour des analyses génétiques, du séquençage, la recherche de gènes, le diagnostic, etc.
Pour permettre une meilleure compréhension de la présente invention, les définitions suivantes sont fournies. Sauf indications particulières, les autres termes techniques employés dans la présente demande doivent étre interprétés selon leur sens habituel.
Biopuce : Une biopuce s'entend au sens de l'invention de tout support sur lequel sont déposés des acides nucléiques cibles. Généralement, les acides nucléiques sont immobilisés sur le support, de préférence par liaison covalente. Ils peuvent être immobilisés directement sur le support, ou de manière indirecte, par l'intermédiaire de « bras ». II peut s'agir de biopuces pour lesquelles les cibles ont été préalablement produites puis fixées sur le support, ou pour lesquelles les cibles sont synthétisées directement sur le support (y compris par photolithographie et synthèse d'ADN en phase solide). Les biopuces selon l'invention peuvent comprendre un nombre faible ou très élevé de cibles, et la taille de la surface totale du support occupée par les cibles peut être variable.
D'une manière générale, le terme « bras » (ou « espaceur » ou « linker ») désigne toute molécule, utilisable pour fixer des acides nucléiques cibles à
un support. II s'agit de molécules incapables de former, de manière spécifique, des hybrides avec des acides nucléiques sondes. II s'agit donc préférentiellement de molécules de nature essentiellement non nucléique. Dans la constitution des biopuces de l'invention, un seul type de « bras » ou encore « espaceur » ou « linker » peut être utilisé par biopuce ou, des mélanges de bras de structure différente. Toutefois, on préfère généralement utiliser un type unique de bras sur WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572
5 The invention also relates to the preparation and use of biochips as defined above, for genetic analyzes, sequencing, gene research, diagnosis, etc.
To allow a better understanding of the present invention, the The following definitions are provided. Unless otherwise specified, other terms techniques used in this application must be interpreted according to their usual sense.
Biochip: A biochip is understood in the sense of the invention of any support on which are deposited target nucleic acids. Generally, acids nucleic acids are immobilized on the support, preferably by bonding covalent. They can be immobilized directly on the support, or indirectly, through through "arm". They may be biochips for which the targets have been previously produced and then fixed on the support, or for which the targets are synthesized directly on the support (including by photolithography and solid phase DNA synthesis). The biochips according to the invention can understand a low or very high number of targets, and the size of the total surface of the support occupied by the targets can be variable.
Generally, the term "arm" (or "spacer" or "linker") denotes any molecule which can be used to attach target nucleic acids to a support. These are molecules incapable of specifically forming of hybrids with probe nucleic acids. It is therefore preferentially of molecules of essentially non-nucleic nature. In the constitution of biochips of the invention, a single type of “arm” or even “spacer” or "Linker" can be used by biochip or, mixtures of structural arms different. However, it is generally preferred to use a single type of arm sure WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572

6 une seule biopuce, de façon à obtenir un signal homogène. A titre d'exemple, la molécule de bras peut être un polymère organique de nature protéique, glucidique ou lipidique, ou un polymère non organique de synthèse.
Dans le contexte de la présente invention, les acides nucléiques « cibles présents sur le support de la biopuce peuvent être de nature et d'origine diverses.
Ainsi, il peut s'agir d'acides nucléiques simple ou double-brin, d'origine naturelle, synthétique et/ou semi-synthétique. En particulier, il peut s'agir d'oligonucléotides de synthèse, de produits de PCR, de gènes ou fragments de gènes, de plasmides, d'ADNc simple ou double-brin, d'ARN, etc. II peut s'agir de populations d'acides nucléiques isolées à partir d'échantillons biologiques, tels que des biopsies, des échantillons de cellules, tissus ou organes mammifères, notamment humain, des échantillons d'origine végétale, animale, virale ou bactérienne, etc.
S'agissant d'oligonucléotides, ils sont définis plus particulièrement comme des fragments d'acides nucléiques simple brin de longueur comprise entre 25 et 100 nucléotides, que ceux-ci soient de nature ADN ou ARN.
Le support de la biopuce peut être de nature variée. Ainsi, il peut s'agir de tout support adapté à recevoir, de manière directe ou indirecte, des acides nucléiques cibles. En particulier, le support peut comporter une surface plane et/ou bombée, et être de nature solide ou semi-solide. Par ailleurs, le support peut avoir une forme et une dimension variables. On peut citer notamment les supports circulaires, rectangulaires, carrés, etc. La surface du support est préférentiellement comprise entre 300 et 3000 mm2, de préférence entre 400 et 1800 mm2. A titre d'exemple, on peut citer comme matériau entrant dans la constitution des supports le verre, silice (notamment la silice du verre après déprotection par l'ammoniaque), poly-lysine, amino-silanes et/ou silanes amino-réactifs.
Les figures annexées illustrent des modes de réalisation de l'invention et décrivent plus particulièrement Figure N°1 : Utilisation de bras de fixation des cibles arborescents ;
Utilisation de de bras de fixation des cibles non arborescents WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572
6 a single biochip, so as to obtain a homogeneous signal. For exemple, the arm molecule can be an organic polymer of protein nature, carbohydrate or lipid, or a synthetic inorganic polymer.
In the context of the present invention, the "target" nucleic acids present on the biochip support can be of nature and origin various.
Thus, it can be single or double-stranded nucleic acids, of origin natural, synthetic and / or semi-synthetic. In particular, it may be oligonucleotides synthesis, PCR products, genes or gene fragments, plasmids, single or double-stranded cDNA, RNA, etc. It can be populations acids nucleic acids isolated from biological samples, such as biopsies, of samples of mammalian, especially human, cells, tissues or organs, samples of plant, animal, viral or bacterial origin, etc.
Regarding of oligonucleotides, they are more particularly defined as fragments single stranded nucleic acids between 25 and 100 nucleotides, whether these are DNA or RNA in nature.
The biochip support can be varied. So it can be any support adapted to receive, directly or indirectly, acids target nucleic acids. In particular, the support may include a flat surface and or domed, and be solid or semi-solid in nature. In addition, the support can to have variable shape and size. Mention may in particular be made of the supports circular, rectangular, square, etc. The surface of the support is preferentially between 300 and 3000 mm2, preferably between 400 and 1800 mm2. As example, we can cite as material entering into the constitution of supports glass, silica (especially silica in glass after deprotection by ammonia), poly-lysine, amino-silanes and / or amino-reactive silanes.
The appended figures illustrate embodiments of the invention and more specifically describe Figure N ° 1: Use of tree target fixation arms;
The use of non-arborescent target fixation arms WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572

7 Figure N°2 : Uridine diphosphate glucose (UDPGIuc), selon Harper biochimie, R.K.
Murray, D.K. Granner, P.A. Mayes, V.W. Rodwell, Editeur Mc Graw-Hill International (UK) Ltd..
Figure N°3 : Liaison N au sein d'une glycoprotéine.
Figure N°4 : Liaison O au sein d'une glycoprotéine.
Figure N°5 : Ancrage des sondes de capture sur la biopuce par l'intermédiaire de molécules de glycogène (échelle non respectée).
Figure N°6 : Ancrage des sondes de capture sur la biopuce par l'intermédiaire de molécules de glycogène (échelle non respectée).
Figure N°7 : Structure de la molécule de glycogène en un point de ramification, selon Harper Biochimie.
Figure N°8 : Amylopectine montrant la ramification 1 -~ 6, selon Harper Biochimie.
Figure N°9 : Représentation schématique de l'agrécane du cartilage nasal bovin, selon Harper Biochimie.
Figure N°10: Représentation schématique de polymères d'immunoglobulines humaines. Les chaînes polypeptidiques sont représentées par des lignes épaisses ;
les ponts disulfure reliant les différentes chaînes polypeptidiques sont représentées par des lignes fines.
Comme indiqué ci-avant, un premier objet de la présente invention réside dans une biopuce, caractérisée en ce qu'elle comprend des acides nucléiques immobilisés sur un support au moyen de bras en forme d'arborescence.

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7 Figure N ° 2: Uridine diphosphate glucose (UDPGIuc), according to Harper biochemistry, RK
Murray, DK Granner, PA Mayes, VW Rodwell, Publisher Mc Graw-Hill International (UK) Ltd ..
Figure N ° 3: N bond within a glycoprotein.
Figure N ° 4: O bond within a glycoprotein.
Figure N ° 5: Anchoring of the capture probes on the biochip by the intermediary of glycogen molecules (scale not respected).
Figure N ° 6: Anchoring of the capture probes on the biochip by the intermediary of glycogen molecules (scale not respected).
Figure N ° 7: Structure of the glycogen molecule at a point of branching out, according to Harper Biochemistry.
Figure 8: Amylopectin showing branching 1 - ~ 6, according to Harper Biochemistry.
Figure N ° 9: Schematic representation of cartilage agrecan bovine nasal, according to Harper Biochemistry.
Figure N ° 10: Schematic representation of polymers immunoglobulins human. The polypeptide chains are represented by lines thick;
the disulfide bridges connecting the different polypeptide chains are represented by fine lines.
As indicated above, a first object of the present invention resides in a biochip, characterized in that it comprises nucleic acids immobilized on a support by means of tree-shaped arms.

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8 Ce principe, nouveau à notre connaissance, présente l'intérêt de pouvoir limiter les difficultés liées à l'encombrement stérique des molécules. En effet, le fait de fixer les acides nucléiques cibles au bout de l'arborescence de tels "bras"
permet d'augmenter la surface de présentation de ces cibles aux acides nucléiques sondes étudiés (voir Figure 1 ). Par ailleurs, cela permet de diminuer le nombre de molécules à fixer directement sur le support des puces à ADN (seuls les troncs de ces "bras" sont fixés). Ceci permet donc d'obtenir une forte densité d'acides nucléiques cibles sur chaque "spot" de la puce tout en ayant un encombrement stérique de ces cibles diminué par rapport aux situations où les cibles sont soit directement fixées sur le support, soit fixées sur le support par l'intermédiaire d'un "bras" linéaire.
Plusieurs natures physiques de bras ont été proposées dans l'art antérieur pour la fixation d'oligonucléotides sur des supports. On peut citer, de façon non limitative, des oligoéthylène glycols linéaires de 26 à 105 atomes de longueur, sélectionnés pour leur capacité à être liés de façon covalente à l'une des extrémités de l'oligonucléotide d'une part, et d'autre part à être fixés de façon covalente à
divers supports de biopuce. Toutefois, à ce jour, tous les bras qui ont été
proposés présentent une structure primaire linéaire et/ou sont de nature synthétique (voir WO
00/43539 et WO 99/10362). La présente invention réside dans la mise en évidence que des bras non linéaires peuvent être utilisés pour fixer les acides nucléiques aux supports, notamment des bras en forme d'arborescence, à base de préférence d'un polymère d'origine biologique.
Dans un mode plus particulier, le bras est un polymère ayant une organisation spatiale en arborescence, de préférence de forme oblongue.
Avantageusement, le bras est un polymère ramifié, ayant un ou plusieurs niveaux de ramification.
Le bras arborescent peut être préparé à partir de différentes molécules organiques, notamment de polymères organiques (existant dans la nature), leurs dérivés, ou de composés mixtes, comportant une partie organique et une partie synthétique.

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8 This principle, new to our knowledge, has the advantage of being able limit the difficulties linked to the steric hindrance of the molecules. In indeed the fact to fix the target nucleic acids at the end of the tree of such "arms"
increases the presentation surface of these acid targets nucleic probes studied (see Figure 1). It also reduces the number of molecules to be fixed directly on the support of DNA chips (only the trunks of these "arms" are fixed). This therefore makes it possible to obtain a high density of acids.
target nucleic acids on each "spot" of the chip while having a space requirement steric of these targets decreased compared to situations where targets are is directly fixed on the support, or fixed on the support by through a linear "arm".
Several physical natures of arms have been proposed in the prior art for fixing oligonucleotides on supports. We can cite, in a way no limiting, linear oligoethylene glycols from 26 to 105 atoms of length, selected for their ability to be covalently linked to one of ends of the oligonucleotide on the one hand, and on the other hand to be fixed so covalent to various biochip supports. However, to date, all of the arms that have been proposed have a linear primary structure and / or are of a synthetic nature (see WO
00/43539 and WO 99/10362). The present invention lies in the implementation evidence that nonlinear arms can be used to fix acids nucleic acid supports, in particular tree-shaped arms, preferably based of a polymer of biological origin.
In a more particular embodiment, the arm is a polymer having a spatial organization in tree structure, preferably oblong.
Advantageously, the arm is a branched polymer, having one or more levels branching.
The tree arm can be prepared from different molecules organic, in particular organic polymers (existing in nature), their derivatives, or mixed compounds, comprising an organic part and a part synthetic.

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9 Dans un mode particulier de mise en oeuvre, le bras selon l'invention comprend un polymère organique d'origine biologique. Le composé biologique utilisé pour la préparation du bras peut étre un sucre, un polypeptide, une glycoprotéine, un glycopolypeptide, une immunoglobuline, etc. éventuellement sous forme isolée, complexée ou multimérisée, le cas échéant fonctionnalisé ou modifié, notamment au moyen de molécules ou polymères synthétiques, ou de groupes chimiques réactifs.
S'agissant de composés organiques existant dans la nature, ceux-ci peuvent étre purifiés à partir d'extraits biologiques ou synthétisées artifïciellement.
Selon un premier mode avantageux de mise en oeuvre, le polymère organique est un polymère de sucres ou polysaccharides.
L'utilisation de tels polymères de sucres pour la préparation de biopuces ou, plus généralement, l'immobilisation d'acides nucléiques, présente de multiples intéréts et avantages, liés notamment à leurs propriétés chimiques et à leur structure primaire et secondaire.
Ainsi, les polysaccharides sont hydrophiles, ce qui est une condition favorable à
l'hybridation des sondes sur les cibles et notamment à celle des sondes de nature nucléotidique (ADN, ARN) ou dérivée (PNA). En effet, ces dernières sont hydrophiles et leur hybridation se fait en solution aqueuse. Un polymère d'ancrage hydrophobe risquerait donc de gêner l'hybridation en ayant un effet répulsif sur la solution d'hybridation.
D'autre part, les polysaccharides, notamment ceux décrits, ont des radicaux permettant la création de liaisons covalentes en bouts de chaîne (à toutes les extrémités), du fait de la présence de fonctions hydroxyles (OH). Les liaisons covalentes, peuvent étre, par exemple, des liaisons phosphate (C-P-C ou C-P-P-C
ou C-Pn-C) telles qu'il en existe dans les sucres nucléotidiques ou dans les polynucléotides donneurs de sucres qui interviennent dans la synthèse des polysaccharides et des glycoprotéines. Un exemple possible d'ancrage est basé
sur les étapes de la synthèse naturelle du glycogène et notamment la réaction du glucose-1-phosphate avec l'uridine triphosphate (UTP) en présence de l'enzyme UDPGIuc-pyrophosphorylase pour former l'uridine diphosphate glucose (UDPGIuc, WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572 Figure n°2). II peut encore s'agir de liaisons azote (C-N-C-C) telles qu'elles existent dans les glycoprotéines (voir Figure n°3), de liaisons oxygène (C-O-C) comme c'est également le cas dans certaines glycoprotéines ou dans la structure même des polysaccharides (voir Figure n°4). Cette propriété permet donc d'établir de façon 5 simple des liaisons covalentes entre les polysaccharides et d'autres polymères (tels que, par exemple, des protéines, d'autres polysaccharides, ou des acides nucléiques).
La formation dans la nature de complexes « sucres nucléotidiques », par exemple
9 In a particular embodiment, the arm according to the invention includes an organic polymer of biological origin. The biological compound used for the preparation of the arm can be a sugar, a polypeptide, a glycoprotein, glycopolypeptide, immunoglobulin, etc. eventually under isolated, complexed or multimerized form, if necessary functionalized or amended, in particular by means of synthetic molecules or polymers, or of groups reactive chemicals.
As organic compounds existing in nature, these can be purified from organic or synthesized extracts artificially.
According to a first advantageous embodiment, the polymer organic is a polymer of sugars or polysaccharides.
The use of such sugar polymers for the preparation of biochips or, more usually immobilization of nucleic acids has multiple interests and advantages, linked in particular to their chemical properties and their structure primary and secondary.
So polysaccharides are hydrophilic, which is a condition favorable to the hybridization of the probes on the targets and in particular that of the probes of nature nucleotide (DNA, RNA) or derivative (PNA). Indeed, these are hydrophilic and their hybridization is done in aqueous solution. A polymer anchor hydrophobic would therefore risk hindering hybridization by having a repellent effect on the hybridization solution.
On the other hand, polysaccharides, in particular those described, have radicals allowing the creation of covalent bonds at the chain ends (at all ends), due to the presence of hydroxyl functions (OH). Connections covalent, can be, for example, phosphate bonds (CPC or CPP-VS
or C-Pn-C) as it exists in nucleotide sugars or in sugar donor polynucleotides involved in the synthesis of polysaccharides and glycoproteins. A possible example of anchoring is based on the stages of natural glycogen synthesis and in particular the reaction of glucose-1-phosphate with uridine triphosphate (UTP) in the presence of the enzyme UDPGIuc-pyrophosphorylase to form uridine diphosphate glucose (UDPGIuc, WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572 Figure 2). It can also be nitrogen bonds (CNCC) such that they exist in glycoproteins (see Figure 3), oxygen bonds (COC) How is it also the case in certain glycoproteins or in the structure of polysaccharides (see Figure 4). This property therefore allows to establish so 5 simple covalent bonds between polysaccharides and other polymers (such that, for example, proteins, other polysaccharides, or acids nucleic acids).
The formation in nature of "nucleotide sugars" complexes, by example

10 lors de l'une des étapes intermédiaires de la synthèse naturelle du glycogène comme donneur de glucose (dans ce cas précis, la liaison sucre-nucléotide est une liaison diphosphate, aboutissant à l'uridine diphosphate glucose, avec une liaison glucose-ribose, voir Figure n°2) illustre ce type d'interaction et l'établissement de liaisons covalentes entre des sucres et des acides nucléiques. A titre d'exemple, la liaison polysaccharide-polynucléotide peut faire intervenir des liens de type 1 -~ 5, sucre1-sucre2, le sucre 1 étant à l'extrémité du polysaccharide, le sucre 2 étant celui du nucléotide se trouvant à l'extrémité 5' du polynucléotide.
Un autre avantage de l'utilisation de polysaccharides selon l'invention découle de leur structure primaire et secondaire. En effet, les polysaccharides utilisés dans la présente invention sont polyramifiés (voir Figure n°5). Par ailleurs, leur taille (21 nm de diamètre pour le glycogène) est tout à fait adaptée au format miniaturisé
des puces à ADN, et l'écart entre les embranchements (environ 13 résidus de glucose en ce qui concerne le glycogène naturel) permet d'éviter, de manière avantageuse, un encombrement stérique trop important des cibles fixées sur les extrémités du polymère ramifié. Un embranchement tous les 2 à 5 résidus, risquerait, en effet, de gêner l'hybridation des sondes. D'autre part, les polysaccharides, comme le glycogène, ont une forme sphérique adaptée aux surfaces, selon l'invention, de présentation des sondes (voir Figures 5 et 6).
Enfin, l'utilisation de polymères à base de sucres permet également de fixer, de façon covalente et grâce à l'une des liaisons chimiques telles que décrites précédemment, les sucres au support de la puce, soit par l'une quelconque de WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572
10 during one of the intermediate stages of the natural synthesis of glycogen as a glucose donor (in this case, the sugar-nucleotide bond is a diphosphate bond, resulting in uridine diphosphate glucose, with a bond glucose-ribose, see Figure 2) illustrates this type of interaction and the establishment of covalent bonds between sugars and nucleic acids. As for example, the polysaccharide-polynucleotide link can involve type links 1 - ~ 5, sugar1-sugar2, sugar 1 being at the end of the polysaccharide, sugar 2 being that of the nucleotide located at the 5 ′ end of the polynucleotide.
Another advantage of using polysaccharides according to the invention derived from their primary and secondary structure. Indeed, the polysaccharides used in the present invention are polyramified (see Figure No. 5). Otherwise, their size (21 nm diameter for glycogen) is perfectly suited to the miniaturized format of DNA chips, and the gap between branch lines (about 13 residues of glucose natural glycogen) helps to avoid advantageous, too much steric hindrance of the targets fixed on the ends of branched polymer. A branch every 2 to 5 residues, would risk, in effect of interfere with the hybridization of the probes. On the other hand, polysaccharides, such as glycogen, have a spherical shape adapted to the surfaces, according to the invention, of presentation of the probes (see Figures 5 and 6).
Finally, the use of polymers based on sugars also makes it possible to fix, of covalently and through one of the chemical bonds as described previously, the sugars supporting the chip, either by any of WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572

11 leurs extrémités, soit, préférentiellement, par leur noyau. Cette liaison peut étre une liaison directe sur le support ou une liaison indirecte par l'intermédiaire d'une molécule d'ancrage, une telle molécule pouvant être, notamment, de nature protéique. Ainsi, dans le cas du glycogène naturel, celui-ci est lié de façon covalente par son noyau à une protéine, la glycogénine (en l'occurrence ici par un résidu tyrosine). Dans ce cas de figure, le polysaccharide est donc utilisé
dans ces applications sous forme d'une glycoprotéine.
Un exemple spécifique d'une telle molécule est la molécule de glycogène, notamment de glycogène endogène chez l'être humain. Cette molécule est un polymère de sucres dont, à partir d'un tronc commun, de nombreuses ramifications s'étendent, elles-mémes polymères de sucres. Un objet particulier de la présente demande concerne donc l'utilisation de glycogène ou de dérivés du glycogène dans ce but.
Le glycogène possède toutes les propriétés citées ci-dessus. Elle est disponible commercialement et peu coûteuse (Voir Figures n° 5, 6 et 7 : puce-glycogène-polynucléotide). Une molécule de glycogène peut présenter plus de 60 extrémités glucidiques libres, permettant donc de fixer plus de 60 sondes, ce qui correspond à
une capacité de fixation très importante, et très difficile à obtenir par synthèse artificielle de polymères, tout en gardant un encombrement spatial limité qui soit compatible avec l'utilisation prévue selon l'invention.
D'autres exemples de tels composés à base de sucres biologiques sont l'amylopectine ou tout autre polymère dérivé de la structure de l'amidon (voir Figure n°8), les glycosaminoglycanes (notamment les mucopolysaccharides), ainsi que tout autre polysaccharide, quels que soient le ou les sucres entrant dans sa composition (galactose, glucose, mannose, fucose, xylose, N'acétylgalactosamine, N-acétylglucosamine, etc.), pouvant présenter une structure ramifiée.
Le polymère ou composé organique arborescent peut encore être un polymère à base de glycoprotéines. De telles molécules existent dans la nature et ont pour propriété d'avoir une structure présentant un noyau protéique, autour duquel peuvent étre liés de façon covalente des polysaccharides (liaison O- ou N-en fonction des acides aminés qui servent de résidu et sur lesquels la chaîne WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572
11 their ends, or, preferably, by their core. This link can be a direct bond on the support or an indirect bond via of a anchor molecule, such a molecule possibly being, in particular, of a nature protein. So, in the case of natural glycogen, it is linked in a way covalent by its nucleus to a protein, glycogenin (in this case here by a tyrosine residue). In this case, the polysaccharide is therefore used in these applications in the form of a glycoprotein.
A specific example of such a molecule is the glycogen molecule, including endogenous glycogen in humans. This molecule is a polymer of sugars including, from a common core, many ramifications extend, themselves polymers of sugars. A particular object of the present request therefore relates to the use of glycogen or glycogen derivatives in this goal.
Glycogen has all of the properties listed above. She is available commercially and inexpensively (See Figures 5, 6 and 7: chip-glycogen-polynucleotide). A glycogen molecule can have more than 60 ends free carbohydrates, allowing to fix more than 60 probes, which correspond to a very high fixing capacity, and very difficult to obtain by synthesis artificial polymers, while keeping a limited space requirement which is compatible with the intended use according to the invention.
Other examples of such compounds based on organic sugars are amylopectin or any other polymer derived from the structure of starch (see Figure n ° 8), glycosaminoglycans (in particular mucopolysaccharides), as well as any other polysaccharide, whatever the sugar or sugars entering its composition (galactose, glucose, mannose, fucose, xylose, Acetylgalactosamine, N-acetylglucosamine, etc.), which may have a branched structure.
The tree organic polymer or compound can also be a glycoprotein-based polymer. Such molecules exist in nature and have the property of having a structure presenting a protein nucleus, around which can be covalently linked to polysaccharides (O- or NOT-depending on the amino acids which serve as residue and on which the chain WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572

12 polysaccharidique est fixée) (voir Figures n° 3 et 4). Ces polysaccharides peuvent être fixés en nombre variable, et notamment en nombre supérieur à 2. Une même glycoprotéine peut présenter plusieurs polysaccharides différant en longueur, en nombre de résidus entre les ramifications et en nature chimique des résidus (pentoses, hexoses etc.) sans que ceci n'affecte le principe général de leur utilisation dans ces applications. La structure générale de ces molécules peut être ramifiée. Dans ce cas de figure, les sondes de capture (ADN, ARN, PNA..) sont fixées de façon covalente à l'extrémité des chaînes de polysaccharides. La liaison de la glycoprotéine sur le support de la puce peut se faire soit au niveau du noyau protéique, soit au niveau d'une chaîne polysaccharidique, mais, dans ce cas, préférentiellement au niveau du noyau protéique, et de façon encore plus préférée par une liaison O- ou N- avec un résidu d'acide aminé, soit à une molécule intermédiaire d'ancrage elle même directement fixée sur le support, soit directement au support.
Ces molécules possèdent les propriétés requises pour leur application dans le cadre des biopuces selon l'invention, comme c'est le cas du complexe glycogène-glycogénine précédemment évoqué.
Dans le cas d'autres glycoprotéines, les caractéristiques spatiales peuvent varier (taille de la molécule, nombre de ramifications, et nombre de résidus entre les ramifications), mais elles restent dans les mêmes ordres de grandeur (facteur 10) que ceux cités pour le glycogène ou l'aggrégane, et sont donc compatibles avec leur utilisation pour des biopuces.
La présente invention fonctionne également avec des glycoprotéines présentant plusieurs chaines polysaccharidiques, dans le cas de figure où ces chaînes ne sont pas elles mêmes ramifiées, mais où la structure externe de la molécule reste globalement sphérique et possède, en périphérie, de nombreux sites de fixation de sondes (structure générale de type « oursin »), et une taille moléculaire du même ordre de grandeur que celle du glycogène ou de l'aggrégane.
Des exemples particuliers de tels composés sont les protéoglycannes, protéines renfermant des glycosaminoglycannes liés de façon covalente. Dans ces VVE 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572
12 polysaccharide is fixed) (see Figures 3 and 4). These polysaccharides can be fixed in variable number, and in particular in number greater than 2. The same glycoprotein can have several polysaccharides differing in length, in number of residues between ramifications and chemical residues (pentoses, hexoses etc.) without this affecting the general principle of their use in these applications. The general structure of these molecules can to be branched. In this case, the capture probes (DNA, RNA, PNA, etc.) are covalently attached to the end of the polysaccharide chains. The bond glycoprotein on the chip carrier can be done either at the core protein, or at the level of a polysaccharide chain, but, in this case, preferably at the level of the protein nucleus, and even more so favorite by an O- or N- bond with an amino acid residue, either to a molecule anchoring intermediary itself directly fixed on the support, or directly to the support.
These molecules have the properties required for their application in the framework of the biochips according to the invention, as is the case of the glycogen complex-glycogenin previously mentioned.
In the case of other glycoproteins, the spatial characteristics may vary (size of the molecule, number of branches, and number of residues between the ramifications), but they remain in the same orders of magnitude (factor 10) than those cited for glycogen or agregane, and are therefore compatible with their use for biochips.
The present invention also works with glycoproteins having several polysaccharide chains, in the case where these chains do not are not themselves branched, but where the external structure of the molecule remains globally spherical and has numerous attachment sites at the periphery of probes (general “sea urchin” type structure), and a molecular size of the even order of magnitude as that of glycogen or aggregate.
Particular examples of such compounds are proteoglycans, proteins containing covalently linked glycosaminoglycans. In these VVE 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572

13 molécules, les protéines forment le « noyau protéique » de la molécule, et les glycosaminoglycannes forment ses ramifications. Préférentiellement, l'invention porte sur l'utilisation de l'aggrécane. L'aggrécane (voir figure n°9), est une glycoprotéine présente de façon naturelle notamment dans les cartilages. Elle peut se présenter sous la forme naturelle de multiples molécules de protéoglycannes agrégées sur un motif (polymère) central, tel que l'acide hyaluronique, cette agrégation pouvant se faire, par l'intermédiaire de liaisons covalentes ou non, avec le polymère central, et aboutissant à la formation d'une « super molécule »
multi-ramifiée, dont les propriétés générales de structure sont compatibles avec l'invention, et dont les extrémités libres, qui sont des sucres, peuvent étre liées aux cibles. Enfin, les protéoglycannes sont globalement chargés de façon négative, ce qui peut favoriser la spécificité de l'hybridation sonde-cible dans le cas où
celles-ci sont des acides nucléiques (ADN, ARN).
Dans un autre mode de réalisation particulier, le polymère peut aussi être un polymère d'acides aminés, ou de tout type de molécules possédant des groupements amine réactifs à une attaque nucléophile ou d'autres types de groupements chimiques pouvant être liés de façon covalente à un acide nucléique.
Le polymère organique peut ainsi étre un polymère à base de protéines ou de complexes protéiques (formés de plusieurs sous-unités, elles-mémes reliées entre elles par des liaisons covalentes telles que des liens disulfure), qui présentent une structure de type ramifiée.
Un exemple particulier de composé polypeptidique est représenté par les immunoglobulines (1g), que celles-ci soient sous forme simple ou sous forme de complexes (comme dans le cas des immunoglobulines de type A, voir Figure n°10).
Les immunoglobulines, molécules naturelles, sont faciles à produire en grande quantité après sélection de clones adéquats (immunoglobulines monoclonales).
Dans cette application, les immunoglobulines sont utilisées en tant que molécules d'ancrage des sondes de capture. Les sondes sont liées aux extrémités Fab des immunoglobulines, soit par une liaison de type antigène-anticorps classique, dans le cas où l'immunoglobuline est dirigée contre une portion de la sonde, soit, de WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572
13 molecules, proteins form the “protein nucleus” of the molecule, and glycosaminoglycans form its ramifications. Preferably, the invention relates to the use of aggrecan. Aggrecan (see Figure 9), is a glycoprotein naturally present in particular in the cartilages. She can appear in the natural form of multiple proteoglycan molecules aggregated on a central motif (polymer), such as hyaluronic acid, this aggregation can be done, via covalent bonds or no, with the central polymer, and resulting in the formation of a "super molecule"
multi-branched, whose general structure properties are compatible with the invention, and whose free ends, which are sugars, can be related to targets. Finally, proteoglycans are generally negatively charged, this which can promote the specificity of probe-target hybridization in the case where these are nucleic acids (DNA, RNA).
In another particular embodiment, the polymer can also be a polymer of amino acids, or of any type of molecules having amine groups reactive to nucleophilic attack or other types of chemical groups which can be covalently linked to an acid nucleic acid.
The organic polymer can thus be a polymer based on proteins or protein complexes (formed of several subunits, themselves linked Between them by covalent bonds such as disulfide bonds), which present a branched type structure.
A particular example of a polypeptide compound is represented by the immunoglobulins (1g), whether these are in simple form or in the form of complex (as in the case of type A immunoglobulins, see Figure n ° 10).
Immunoglobulins, natural molecules, are easy to produce in large quantities quantity after selection of suitable clones (monoclonal immunoglobulins).
In this application, the immunoglobulins are used as molecules anchoring the capture probes. The probes are linked to the Fab ends of immunoglobulins, either by a classic antigen-antibody bond, in the case where the immunoglobulin is directed against a portion of the probe, that is, of WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572

14 manière préférentielle par une liaison covalente de type acide aminé (de 1'1g) -sucre (du polynucléotide).
II est entendu que l'homme du métier peut sélectionner d'autres composés d'origine biologique ayant les caractéristiques requises pour une utilisation dans la présente invention, à savoir la possibilité de créer de multiples liaisons avec une molécule d'intérêt (il peut s'agir par exemple d'acides nucléiques), une forme en arborescence assurant une excellente disponibilité et permettant d'augmenter la densité, et une absence d'interférence avec la réaction d'hybridation.
Pour la mise en oeuvre de l'invention, le tronc de la molécule servant de bras de fixation est fixé sur le support de la puce, de préférence de manière covalente, et les acides nucléiques cibles sont fixés (ou synthétisés directement) au bout de plusieurs ou de toutes les arborescences de la molécule, de préférence de manière covalente. La Figure 1 donne une représentation dans l'espace d'une biopuce construite au moyen d'un tel bras, en comparaison avec les biopuces fabriquées avec des bras linéaires. Préférentiellement, un type unique de molécules de bras est utilisé sur une méme biopuce, à une densité qui peut étre adaptée par l'homme du métier. Toutefois, il est entendu que des molécules de structure et/ou de longueur et/ou de forme différentes peuvent étre utilisées sur une méme biopuce.
Les acides nucléiques peuvent, à titre d'exemple, être fixés sur le bras par l'intermédiaire d'un groupement amine qui soit réactif à une attaque nucléophile, quelle que soit la nature de cette attaque. Par exemple, un groupement amine peut étre lié de façon covalente avec un acide nucléique sous l'action d'une exposition à la lumière. D'une façon plus générale, le bras polymère contient préférentiellement, en bout de chaîne de ses bras, un groupe chimique activable, quel que soit celui-ci, qui ait la capacité à étre lié de façon covalente avec un groupe phosphate (ou autre) en bout de chaîne d'un acide nucléique. Ce groupe chimique activable peut étre présent lors de la synthèse du polymère ou lui être ajouté dans un second temps. II peut étre actif d'emblée lors de la synthèse du polymère ou lors de sa fixation sur le polymère, ou bien étre activé
chimiquement dans un second temps.

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT~R00/03572 Un certain nombre de modes chimiques d'établissement de liaison covalente entre un nucléotide ou un acide nucléique d'une part, et un support de nature non nucléique d'autre part, ont été décrits dans l'art antérieur, par exemple pour la synthèse d'oligonucléotides in vitro ou pour la fixation d'oligonucléotides sur un 5 support métallique. Ces techniques peuvent être utilisées dans le cadre de la présente invention pour fixer des acides nucléiques sur une puce à ADN, notamment en les fixant par l'intermédiaire de bras tels que définis ci-avant.
Ceci inclut la possibilité d'effectuer cette fixation par l'intermédiaire d'un système du type streptavidine.
10 La fixation du bras sur le support peut se faire par l'intermédiaire d'un groupe chimique activable, en bout de tronc, qui puisse interagir avec des molécules du support de façon à créer une liaison, idéalement de type liaison covalente.
Comme indiqué ci-avant, l'utilisation de bras arborescents selon la présente
14 preferably by a covalent bond of amino acid type (of 1'1g) -sugar (from the polynucleotide).
It is understood that a person skilled in the art can select other compounds original biological having the characteristics required for use in the present invention, namely the possibility of creating multiple bonds with a molecule of interest (it may for example be nucleic acids), a form in tree structure ensuring excellent availability and increasing the density, and an absence of interference with the hybridization reaction.
For the implementation of the invention, the trunk of the molecule serving as an arm is fixed on the chip holder, preferably so covalent, and the target nucleic acids are attached (or synthesized directly) to the a piece of several or all the trees of the molecule, preferably way covalent. Figure 1 gives a spatial representation of a biochip constructed by means of such an arm, in comparison with the biochips manufactured with linear arms. Preferably, a unique type of molecules of arms is used on the same biochip, at a density which can be adapted by the man of career. However, it is understood that molecules of structure and / or different length and / or shape can be used on the same biochip.
The nucleic acids can, for example, be attached to the arm by through an amine group that is reactive to an attack nucleophile, whatever the nature of this attack. For example, an amine group can be covalently linked to a nucleic acid by the action of a exposure to light. More generally, the polymer arm contains preferentially, at the end of its arms, a chemical group activatable, whatever it is, which has the ability to be covalently linked with a phosphate group (or other) at the chain end of a nucleic acid. This group activatable chemical may be present during the synthesis of the polymer or to be added later. It can be active from the start during synthesis of polymer or when it is fixed on the polymer, or else be activated chemically in a second time.

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT ~ R00 / 03572 A number of chemical modes of covalent bonding between a nucleotide or a nucleic acid on the one hand, and a support of nature no nucleic acid on the other hand, have been described in the prior art, for example for the synthesis of oligonucleotides in vitro or for the fixation of oligonucleotides on a 5 metal support. These techniques can be used as part of the present invention for fixing nucleic acids on a DNA chip, in particular by fixing them by means of arms as defined above.
This includes the possibility of carrying out this fixing by means of a type system streptavidin.
10 The arm can be attached to the support by means of a group activatable chemical, at the end of the trunk, which can interact with molecules of support so as to create a bond, ideally of the covalent bond type.
As indicated above, the use of tree arms according to the present

15 invention offre de nombreux avantages en termes de densité d'acides nucléiques cibles. Par exemple, dans le cas de "spots" de 28 pm de diamètre:
- Dans le cas "A" de la fixation des cibles sur le support par l'intermédiaire de bras de fixation non arborescents (rapport moléculaire stochiométrique bras/cibles = 1 ), ou de la fixation directe des cibles sur le support, la surface de présentation des cibles (surface à laquelle les sondes vont accéder pour étre hybridées aux cibles) est de: (rr) x (rayon)2 = (rr) x 8 2 = a (Nm2) - Dans le cas "B" de la fixation des cibles sur le support par l'intermédiaire de bras arborescents, on peut estimer que chaque bras forme une structure hémisphérique au niveau de la surface de présentation des cibles (surface de fixation des cibles sur le bras), soit, en d'autres termes, que la surface totale de présentation des cibles est de:
(1/2) x (4) x (~rr) x (rayon)2 = 2 x (rr) x A 2 = 2 x a (pm2).
Cela revient donc à doubler la surface de présentation du cas "A", pour une densité de cibles constante. Ou inversement, pour une même quantité de cibles par "spot", de diminuer d'un facteur 2 leur densité et donc d'améliorer l'accessibilité des cibles pour les sondes (diminution de l'encombrement stérique). Par extension, si la WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572
The invention offers many advantages in terms of acid density nucleic targets. For example, in the case of "spots" of 28 pm in diameter:
- In case "A" of the fixation of the targets on the support via of non-arborescent fixation arms (stochiometric molecular ratio arms / targets = 1), or the direct fixation of the targets on the support, the surface of presentation targets (surface to which the probes will access to be hybridized to targets) is: (rr) x (radius) 2 = (rr) x 8 2 = a (Nm2) - In case "B" of the fixation of the targets on the support via of tree arms, we can estimate that each arm forms a structure hemispherical at the target presentation surface (surface of fixation of the targets on the arm), that is, in other words, that the surface total of presentation of targets is to:
(1/2) x (4) x (~ rr) x (radius) 2 = 2 x (rr) x A 2 = 2 xa (pm2).
This therefore amounts to doubling the presentation area of case "A", for a constant target density. Or vice versa, for the same quantity of targets through "spot", to reduce their density by a factor of 2 and therefore to improve accessibility of targets for probes (reduction in steric hindrance). By extension, if the WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572

16 surface des bras arborescents est de forme oblongue, la surface de présentation des cibles est d'autant plus augmentée.
Par ailleurs, la densité de fixation des cibles sur des bras arborescents est, a priori, d'autant plus forte que celle obtenue par fixation directe des cibles sur le support de la puce ou par fixation des cibles par l'intermédiaire de bras linéaires (non arborescents) car, pour un méme nombre de cibles fixées par "spot" de la puce, l'encombrement stérique des bras eux-mêmes à la surface du support de la puce est inférieur dans le cas de bras arborescents par rapport aux bras linéaires.
Par conséquent, en réalité, la densité des cibles doit pouvoir être augmentée de plus d'un facteur 2 selon ce principe, ou l'encombrement stérique des cibles doit étre diminué de plus d'un facteur 2.
Cet aspect de l'invention permet donc à la fois, d'une part d'augmenter la densité de cibles par "spot" de la puce (et par conséquent d'augmenter la sensibilité de détection lors de la mesure de l'hybridation des sondes sur les cibles), et d'autre part simultanément de diminuer l'encombrement stérique des cibles (et par conséquent de favoriser l'hybridation des sondes sur les cibles, ce qui augmente aussi la sensibilité de détection).
Comme indiqué ci-avant, les biopuces comprenant ce type de bras peuvent être composées d'un support comportant une surface plane et/ou bombée, de nature solide ou semi-solide. En outre, ces supports peuvent comprendre des matériaux tels que verre, silice, poly-lysine, amino-silanes et/ou silanes amino-réactifs, ou des supports chargés négativement, comme il sera décrit en détails dans la suite du texte. D'autre part, les acides nucléiques cibles immobilisés sur les arborescences des bras peuvent également être de nature, de composition et d'origine variées. Ainsi, il peut s'agir d'acides nucléiques simple ou double-brin, d'origine naturelle, synthétique et/ou semi-synthétique. En particulier, il peut s'agir d'oligonucléotides de synthèse, de produits de PCR, de gènes ou fragments de gènes, de plasmides (ou autres vecteurs tels que cosmides, YAC, phages, etc.), d'ADNc simple ou double-brin ou d'ARN. De même, la longueur des acides nucléiques peut étre variée. Toutefois, on préfère cependant que les acides WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT~R00/03572
16 the surface of the tree arms is oblong, the surface of presentation targets is further increased.
In addition, the density of fixation of targets on tree arms is, at a priori, all the stronger as that obtained by direct fixing of targets on the chip support or target fixation via arms linear (not tree-like) because, for the same number of targets set by "spot" of the chip, the steric hindrance of the arms themselves on the surface of the support of the chip is lower in the case of tree arms compared to the arms linear.
Therefore, in reality, the target density must be able to be increased of more than a factor of 2 according to this principle, or the steric hindrance of the targets must be reduced by more than a factor of 2.
This aspect of the invention therefore makes it possible, on the one hand, to increase the density of targets per chip spot (and therefore increase the detection sensitivity when measuring the hybridization of the probes on the targets), and on the other hand simultaneously to decrease the steric hindrance of targets (and therefore to favor the hybridization of probes on targets, which also increases detection sensitivity).
As indicated above, biochips comprising this type of arm can be composed of a support comprising a flat and / or curved surface, solid or semi-solid nature. In addition, these supports may include materials such as glass, silica, poly-lysine, amino-silanes and / or silanes amino-reagents, or negatively charged carriers, as will be described in details in the rest of the text. On the other hand, immobilized target nucleic acids on the arm trees can also be of a nature, composition and of various origins. So it can be single or double nucleic acids strand, of natural, synthetic and / or semi-synthetic origin. In particular, it can be synthetic oligonucleotides, PCR products, genes or fragments of genes, plasmids (or other vectors such as cosmids, YAC, phages, etc.), single or double-stranded cDNA or RNA. Likewise, the length of the acids nucleic acids can be varied. However, it is preferred, however, that the acids WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT ~ R00 / 03572

17 nucléiques aient une longueur inférieure à environ 1000 bases (ou paires de bases).
Dans un mode particulier de mise en oeuvre, les acides nucléiques cibles sont constitués d'acides nucléiques simple-brin, notamment d'acides nucléiques simple-brin ayant une longueur inférieure à 1000 bases.
Dans un mode particulier de mise en oeuvre, les acides nucléiques cibles sont constitués d'ARN simple brin, de préférence ayant une longueur inférieure à
1000 bases. II peut s'agir notamment d'ARN totaux ou d'ARNm, prélevés à partir d'un échantillon biologique. La présente invention décrit en effet pour la première fois l'utilisation d'ARN simple-brins comme cibles sur une biopuce. Ceci constitue un autre objet particulier de la présente demande.
Dans une autre variante de l'invention, il s'agit d'ADN simple-brin, ou de mélanges d'ADN et d'ARN simple-brins.
Dans un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, les acides nucléiques cibles simple-brin ont une longueur comprise entre 25 et 100 nucléotides environ, de préférence entre 30 et 60 nucléotides environ.
A cet égard, un objet particulier de la présente invention réside également dans une biopuce composée d'acides nucléiques simple-brin fixés sur un support, les acides nucléiques simple-brin ayant une longueur comprise entre 25 et 100 nucléotides environ, de préférence entre 30 et 60 nucléotides. L'invention réside également dans l'utilisation, comme acides nucléiques cibles, d'une population (de fragments) d'acides nucléiques simple brin ayant une longueur comprise entre et 60 nucléotides environ, désignés dans la présente demande par l'expression "oligonucléotides longs".
Selon une première variante particulière, les acides nucléiques simple-brin sont des ADN simple-brin de longueur comprise entre 30 et 60 nucléotides environ.

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17 nucleic acids are less than about 1000 bases in length (or pairs of basics).
In a particular embodiment, the target nucleic acids consist of single-stranded nucleic acids, including nucleic acids single-strand having a length less than 1000 bases.
In a particular embodiment, the target nucleic acids consist of single-stranded RNA, preferably having a shorter length at 1000 bases. It can in particular be total RNA or mRNA, taken from of a biological sample. The present invention indeed describes for the first times the use of single-stranded RNA as targets on a biochip. This constitutes another particular object of the present application.
In another variant of the invention, it is single-stranded DNA, or mixtures of single-stranded DNA and RNA.
In a preferred embodiment of the invention, the acids single-stranded target nucleic acids are between 25 and 100 nucleotides approximately, preferably between 30 and 60 nucleotides approximately.
In this regard, a particular object of the present invention also resides in a biochip composed of single-stranded nucleic acids attached to a support, single-stranded nucleic acids having a length of between 25 and 100 approximately nucleotides, preferably between 30 and 60 nucleotides. The invention resides also in the use, as target nucleic acids, of a population (of fragments) of single-stranded nucleic acids having a length between and approximately 60 nucleotides, designated in the present application by the expression "long oligonucleotides".
According to a first particular variant, the single-stranded nucleic acids are single-stranded DNA between 30 and 60 nucleotides in length about.

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18 Selon une autre variante particulière, les acides nucléiques simple-brin sont des ARN simple-brin de longueur comprise entre 30 et 60 nucléotides environ.
Avantageusement, il s'agit d'acides nucléiques produits par synthèse chimique in vitro, selon les techniques connues de l'homme du métier (synthétiseurs). Ces oligonucléotides sont ensuite, dans un deuxième temps immobilisés sur le support.
L'utilisation (de fragments) d'acides nucléiques de telle longueur permet, par opposition aux produits disponibles actuellement, d'obtenir une hybridation spécifique des sondes sur leurs cibles correspondantes sur les biopuces. En effet, comme indiqué précédemment, l'utilisation d'oligonucléotides longs de 25 bases ou moins, tels que décrits dans l'art antérieur, entraine la présence de nombreuses hybridations non spécifiques des sondes, et par conséquent une mauvaise reproductibilité des expériences utilisant ce système. L'utilisation selon l'invention d'oligonucléotides plus longs, notamment d'une longueur comprise entre 30 et nucléotides, peut au contraire permettre d'obtenir une spécificité absolue d'hybridation.
Les oligonucléotides longs peuvent, une fois synthétisés, étre fixés sur le support de la biopuce, de manière ordonnée. Cette fixation peut étre soit directe (fixation de l'oligonucléotide long directement sur le support), soit indirecte (fixation covalente de l'oligonucléotide long sur un "bras" tel que défini et décrit ci-avant, ce bras étant fixé sur le support). L'intérêt de fixer l'oligonucléotide long de façon indirecte est d'augmenter l'accessibilité des sondes à la séquence de l'oligonucléotide, par rapport à la situation de fixation directe où
l'encombrement stérique est plus important. Cependant, la fixation directe de l'oligonucléotide long est possible et peut permettre une spécificité d'hybridation suffisante pour l'utilisation reproductible des biopuces à oligonucléotides. Quel que soit le mode de fixation (directe ou indirecte), les oligonucléotides sont fixés par une de leurs extrémités (5' ou 3') et non sur toute leur longueur, afin de donner aux sondes une bonne accessibilité aux oligonucléotides. Par ailleurs, dans le cas d'une fixation indirecte, deux choix sont possibles: soit les oligonucléotides longs sont fixés par une de leurs extrémités sur le bras, et les complexes oligonucléotide-bras sont WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572
18 According to another particular variant, the single-stranded nucleic acids are single-stranded RNAs of length between approximately 30 and 60 nucleotides.
Advantageously, these are nucleic acids produced by synthesis chemical in vitro, according to techniques known to those skilled in the art (synthesizers). These oligonucleotides are then, in a second step immobilized on the support.
The use (of fragments) of nucleic acids of such length allows, by opposition to the products currently available, to obtain a hybridization specific probes on their corresponding targets on biochips. In effect, as previously indicated, the use of oligonucleotides 25 bases long or less, as described in the prior art, results in the presence of many non-specific hybridizations of the probes, and therefore poor reproducibility of experiments using this system. Use according to the invention longer oligonucleotides, especially with a length between 30 and nucleotides, can on the contrary make it possible to obtain an absolute specificity hybridization.
The long oligonucleotides can, once synthesized, be fixed on the biochip support, neatly. This fixation can be either direct (fixation of the long oligonucleotide directly on the support), or indirect (fixation covalent of the long oligonucleotide on an "arm" as defined and described above before this arm being fixed on the support). The advantage of fixing the oligonucleotide along way indirect is to increase the accessibility of the probes to the sequence of the oligonucleotide, compared to the direct fixation situation where clutter steric is more important. However, the direct fixation of the long oligonucleotide is possible and can allow sufficient specific hybridization for reproducible use of oligonucleotide biochips. Regardless fashion of fixation (direct or indirect), the oligonucleotides are fixed by one of their ends (5 'or 3') and not over their entire length, to give probe one good accessibility to oligonucleotides. Furthermore, in the case of a fixation indirect, two choices are possible: either the long oligonucleotides are set by one of their ends on the arm, and the oligonucleotide-arm complexes are WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572

19 ensuite déposés de façon ordonnée sur le support et fixés à celui-ci, soit le bras est d'abord fixé au support, et les oligonucléotides longs sont ensuite déposés de manière ordonnée sur le complexe bras-support et fixés aux bras.
Dans ce mode de mise en oeuvre, le type de support et de bras utilisés peuvent être comme décrits ci-avant. L'utilisation de ce type de biopuces à
oligonucléotides longs synthétisés chimiquement selon la présente invention offre certains avantages, par rapport à l'utilisation de cibles simple brin plus courtes et/ou de cibles double brin et plus longues produites par PCR
Tout d'abord, le fait que la cible soit de rature simple brin permet d'améliorer le rendement de la réaction d'hybridation de la sonde sur la cible. En effet, si la cible est de nature double brin, un nombre important de cibles vont s'hybrider sur elles-mémes lors de cette réaction (le deuxième brin de la cible est en compétition avec la sonde pour l'hybridation).
Ensuite, la synthèse chimique directe des cibles est de gestion plus simple que la synthèse des cibles par PCR. Dans le premier cas, seule la connaissance des séquences des cibles que l'on veut disposer sur la puce est nécessaire, alors que dans le second cas il est nécessaire de disposer matériellement d'acides nucléiques contenant ces séquences (en général sous forme de clones) afin de pratiquer leur amplification spécifique par PCR.
D'autre part, l'amplification par PCR produit une population d'acides nucléiques double brin hétérogène avec, dans l'immense majorité des cas, la présence de fragments contaminants, méme si ces fragments sont minoritaires dans le produit final de la réaction. Ceci entraine la présence d'hybridations sondes-cibles aspécifiques et par conséquent un bruit de fond lors de la mesure des taux d'hybridation. A l'inverse, la synthèse directe des cibles simple brin permet d'obtenir des fragments d'acides nucléiques de séquence très homogène et permet à terme d'obtenir des cibles plus pures et par conséquent moins d'hybridation sonde-cible aspécifique. Cette spécificité est d'autant plus assurée lorsque les biopuces comportent des bras, arborescents ou non, chargés électriquement comme il sera décrit plus loin.

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572 Enfin, la synthèse chimique des sondes simple brin est automatisable de manière à obtenir des cibles purifiées, alors que les cibles double brin produites par PCR doivent être purifiées avant leur fixation sur le support.
5 Les biopuces à oligonucléotides synthétiques longs selon l'invention représentent donc un avantage technique important par rapport aux produits et aux procédés décrits dans l'art antérieur. Cet avantage est d'autant plus grand lorsque ces biopuces comportent des bras arborescents ou des bras ou supports chargés électriquement.
En effet, la présente invention décrit en outre de nouvelles approches pour contrôler l'arrangement spatial des acides nucléiques et/ou des bras sur la biopuce, de manière à favoriser les conditions de présentation, et donc d'hybridation des sondes sur les cibles. En particulier, la présente invention montre à présent qu'il est possible de déterminer (et de modifier) les caractéristiques électriques des bras (que ceux-ci soient des polymères organiques de nature protéique, glucidique ou lipidique, ou des polymères non organiques de synthèse) ou des supports de biopuce, de façon à améliorer les conditions d'hybridation, notamment la sélectivité
et la sensibilité des biopuces.
Cet aspect de l'invention peut être mis en oeuvre sur toutes les natures possibles de bras de fixation d'oligonucléotides sur les supports de biopuces, que leur structure primaire soit linéaire ou arborescente, et quelle que soit la nature du support de la puce.
Ainsi, il est connu que les acides nucléiques sont chargés négativement (du fait que ce sont des acides faibles qui sont, dans les conditions habituelles, dans des environnements de pH supérieur à leur pKa; leurs fonctions acides sont situées sur les groupements phosphates qui assurent la liaison entre les sucres des nucléotides). Les interactions entre séquences d'acides nucléiques peuvent être, en simplification, schématisées comme suit: d'une part, ces séquences peuvent être hybridées entre elles par l'établissement de liaisons hydrogène et de forces de Van der Waals entre des bases complémentaires (ce qui peut être considéré

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT~R00/03572 comme une affinité entre elles), d'autre part elles peuvent se repousser du fait de leurs charges négatives au niveau des groupes phosphate. Pour obtenir une hybridation stable entre deux molécules simple brin d'acides nucléiques, il faut que l'attraction liée aux liaisons hydrogène et de Van der Waals soit supérieure à
la répulsion liée aux charges négatives, ce qui est le cas lorsque le nombre de bases complémentaires adjacentes est suffisant pour obtenir une attraction supérieure à
la répulsion. Un autre paramètre qui entre en compte est celui des contraintes atomiques de repliement des molécules (structures secondaires et tertiaires).
Ces principes généraux concernant les acides nucléiques sont aussi valides au sein d'une même molécule simple brin d'acide nucléique, quelle que soit sa longueur. Ils permettent d'expliquer la capacité ou non d'une telle molécule à s'hybrider ou non sur elle-même. En ce qui concerne les bras de fixation des cibles sur le support de la puce, eux aussi sont soumis à des contraintes atomiques de structure secondaire et d'encombrement stérique, mais ils ne présentent pas de phénomène d'attraction et d'hybridation tels que ceux décris pour les acides nucléiques.
Ces contraintes s'exerçant sur les bras sont aussi influencées par le fait que des brins d'acides nucléiques soient fixés à leurs) extrémité(s).
Un des problèmes posés par la fabrication des biopuces, que les cibles fixées soient des oligonucléotides simple brin (quelle que soit leur longueur) ou des ADN double brin (qu'il s'agisse de plasmides entiers ou de produits de réaction de polymérisation en chaine (PCR)), est celui de l'accessibilité de ces cibles aux molécules sondes que l'on veut analyser et que l'on veut hybrider de façon spécifique sur leurs cibles correspondantes. Cette accessibilité conditionne le rendement des réactions d'hybridation et par conséquent la sensibilité et la spécificité de l'analyse des sondes. Cette accessibilité à l'hybridation sonde-cible est diminuée notamment par l'encombrement stérique des cibles fixées sur la puce, par les interactions entre cibles situées à proximité les unes des autres en raison de l'encombrement stérique (hybridations partielles) et par les structures secondaires de celles-ci (repliements intra-moléculaires des cibles). Les difficultés liées à l'encombrement stérique sont générées par la nécessité de disposer les cibles avec une forte densité sur chaque "spot" de la puce si l'on veut pouvoir détecter de faibles taux d'acides nucléiques spécifiques (sensibilité de détection) et WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572 diminuer les effets de saturation des capacités d'hybridation qui risquent de gêner la quantification des signaux d'hybridation. C'est pourquoi un principe général est de déposer des quantités moléculaires de cibles telles qu'elles soient en large excès par rapport aux molécules correspondantes des sondes.
La présente invention permet de remédier à ces inconvénients. Elle décrit en effet l'utilisation de bras ou de supports particuliers, réduisant les interférences ioniques entre les cibles, et assurant ainsi une meilleure hybridation, y compris lorsque les cibles sont présentes à des densités élevées. Plus particulièrement, la présente demande montre qu'il est possible d'utiliser, pour fixer les cibles sur le support des biopuces, des bras de fixation ayant une charge électrique négative ou des supports chargés négativement.
Ainsi, un autre objet de l'invention réside dans une biopuce comprenant des acides nucléiques immobilisés sur un support au moyen de bras portant une charge électrique négative. Un autre objet de l'invention réside dans une biopuce comprenant des acides nucléiques immobilisés sur un support portant une charge électrique négative uniforme La présente invention réside également dans l'utilisation de molécules chargées négativement ou de supports chargés négativement, pour la préparation de biopuces.
L'utilisation de bras de fixation qui soient chargés négativement de façon uniforme, dans les conditions expérimentales d'hybridation des sondes sur les cibles, permet avantageusement d'obtenir les phénomènes suivants:
- Les bras exercent des forces électriques de répulsion vis à vis des bras adjacents, ce qui a pour conséquence de diminuer à la fois leurs repliements propres et leur encombrement stérique, notamment au niveau de leurs extrémités fixées sur les cibles ;
- Les bras exercent des forces électriques de répulsion vis à vis des cibles qui sont fixées à leurs extrémités, ce qui a pour conséquence de pousser les cibles à se disposer vers "l'extérieur", c'est-à-dire à s'éloigner du support de la puce, les rendant plus accessibles aux sondes ;

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572 - Ces contraintes mutuelles de répulsion ont pour conséquence de limiter les interactions attractives entre sondes adjacentes en les éloignant les unes des autres, les rendant plus accessibles aux sondes et diminuant les risques d'attractions mutuelles liées aux forces de Van der Waals ou aux liaisons hydrogène ;
- Ce champ électrique négatif exercé du coté des cibles fixé aux bras a tendance à défaire les structures secondaires des cibles (c'est-à-dire à les linéariser) et par conséquent à diminuer le repliement des cibles sur elles-mêmes, les rendant plus accessibles aux sondes ;
- La couche située près du support de la puce et formée par les bras est globalement chargée de façon négative, ce qui a pour conséquence d'exercer une force de répulsion électrique vis à vis des sondes (elles-mêmes chargées négativement) et donc de diminuer les phénomènes d'hybridations aspécifiques sondes-cibles. Ceci permet de diminuer les phénomènes de bruit de fond lors de l'analyse des résultats d'hybridation, et par conséquent d'augmenter à la fois la sensibilité et la spécificité des analyses pratiquées par la technologie des puces à
ADN.
Cet aspect particulier de l'invention apporte donc une amélioration technologique claire aux méthodes de l'art, assurant meilleures sélectivité et sensibilité aux biopuces.
Bien entendu, cet aspect de l'invention n'est pas limité aux biopuces dans lesquelles des bras sont utilisés. Au contraire, il s'applique également à
l'utilisation d'un support de puce chargé négativement de façon uniforme, dans les situations où les cibles sont directement fixées sur le support sans bras intermédiaires.
Ceci est valable que l'établissement des charges négatives sur le support soit effectué
préalablement ou après la fixation des cibles sur le support. Ceci est un principe différent de celui qui consiste à déposer les cibles sur des micro-électrodes auxquelles on peut appliquer un courant électrique, car dans ce dernier cas la charge électrique du support n'est pas homogène.

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT/FR00/03572 Dans cet aspect de l'invention, les biopuces peuvent comporter tout type de population d'acides nucléiques cibles telles que définies ci-avant, et les bras chargés négativement peuvent également comporter une forme en arborescence, telle que mentionnée ci-avant.
La présente invention réside également dans un procédé de préparation des biopuces, telles que décrites ci-avant, comprenant l'immobilisation (ou la fixation) des acides nucléiques sur un support au moyen de bras en forme d'arborescence comprenant un polymère d'origine biologique.
Le procédé de préparation peut comprendre une première étape de fixation du bras en forme d'arborescence sur le support, suivie d'une deuxième étape de fixation de la molécule cible au bras en forme d'arborescence. Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le procédé de préparation de la biopuce peut comprendre une première étape de fixation de la molécule cible au bras en forme d'arborescence puis une deuxième étape de fixation du complexe, obtenu lors de la première étape,au support.
La présente invention réside également dans l'utilisation des biopuces telles que décrites ci-avant, dans un but expérimental, thérapeutique, diagnostic. En particulier, l'invention concerne l'utilisation des biopuces décrites ci-avant - pour étudier la régulation de l'expression génétique, ou - pour la recherche de gènes ou fragments de gènes, ou - pour l'identification de cibles, ou encore - pour le diagnostic génétique.
Dans ces applications, les biopuces sont mises en contact avec une population d'acides nucléiques « sondes », généralement préalablement marquée, puis le profil d'hybridation des sondes sur la biopuce est déterminé, selon les techniques connues de l'homme du métier. Un objet de l'invention réside donc également dans un procédé d'analyse de polynucléotides, comprenant la mise en contact d'une population de polynucléotides, préférentiellement marqués, avec une biopuce selon l'invention, et la mise en évidence de la formation d'hybrides.

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT~R00/03572 II est entendu que la présente invention n'est pas limitée aux modes spécifiques de réalisation décrits ci-avant, mais s'étend également aux variantes d'exécution entrant dans les connaissance normales de l'homme du métier.
19 then deposited in an orderly fashion on the support and fixed to it, i.e.
arm is first attached to the support, and the long oligonucleotides are then deposited from orderly on the arm-support complex and attached to the arms.
In this embodiment, the type of support and arms used can be as described above. The use of this type of biochips oligonucleotides long chemically synthesized according to the present invention provides certain advantages over using shorter single strand targets and / or double strand and longer targets produced by PCR
First of all, the fact that the target is of single-strand strike allows to improve the yield of the probe hybridization reaction on the target. Indeed, if the target is double stranded, a significant number of targets will hybridize sure themselves during this reaction (the second strand of the target is in competition with the probe for hybridization).
Then, the direct chemical synthesis of the targets is simpler to manage as the synthesis of targets by PCR. In the first case, only knowledge sequences of targets that we want to have on the chip is necessary, so that in the second case it is necessary to have materially acids nucleic acids containing these sequences (generally in the form of clones) in order to practice their specific amplification by PCR.
On the other hand, PCR amplification produces a population of acids heterogeneous double strand nucleic acid with, in the vast majority of cases, presence of contaminating fragments, even if these fragments are in the minority in the final product of the reaction. This leads to the presence of hybridizations non-specific target probes and therefore background noise during measured hybridization rates. Conversely, direct synthesis of simple targets strand allows obtain nucleic acid fragments of very homogeneous sequence and allows in the long term to obtain purer targets and consequently less hybridization aspecific target probe. This specificity is all the more guaranteed when the biochips have arms, tree or not, electrically charged as will be described later.

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572 Finally, the chemical synthesis of single-strand probes can be automated from so as to obtain purified targets, whereas the double-stranded targets produced by PCR must be purified before their fixation on the support.
5 The biochips with long synthetic oligonucleotides according to the invention therefore represent a significant technical advantage over the products and to the processes described in the prior art. This advantage is all the greater when these biochips have tree arms or loaded arms or supports electrically.
Indeed, the present invention further describes new approaches for control the spatial arrangement of nucleic acids and / or arms on the biochip, so as to favor the conditions of presentation, and therefore of hybridization of target probes. In particular, the present invention now shows that it is possible to determine (and modify) the electrical characteristics of arms (these are organic polymers of protein, carbohydrate nature or lipid, or synthetic inorganic polymers) or biochip, so as to improve the hybridization conditions, in particular the selectivity and the sensitivity of biochips.
This aspect of the invention can be implemented on all types possible oligonucleotide attachment arms on biochip supports, than their primary structure is linear or tree-like, and whatever the nature of chip support.
Thus, it is known that nucleic acids are negatively charged (from fact that these are weak acids which are, under usual conditions, in environments with a pH greater than their pKa; their acid functions are located on the phosphate groups which provide the bond between the sugars of nucleotides). Interactions between nucleic acid sequences can to be, in simplification, schematized as follows: on the one hand, these sequences can be hybridized with each other by establishing hydrogen bonds and strengths of Van der Waals between complementary bases (which can be considered WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT ~ R00 / 03572 as an affinity between them), on the other hand they can repel themselves from the made of their negative charges at the phosphate group level. To get a stable hybridization between two single stranded nucleic acid molecules it must the attraction linked to the hydrogen and Van der Waals bonds is greater than the repulsion related to negative charges, which is the case when the number of basics complementary adjacent is enough to get an attraction better than repulsion. Another parameter that comes into account is that of constraints atomic folding of molecules (secondary and tertiary structures).
These general principles regarding nucleic acids are also valid within of the same single-stranded nucleic acid molecule, whatever its length. They explain the capacity or not of such a molecule to hybridize or no on herself. Regarding the target attachment arms on the support of the chip, they too are subject to atomic structural constraints secondary and steric hindrance, but they do not exhibit any phenomenon attraction and hybridization such as those described for nucleic acids.
These stresses on the arms are also influenced by the fact that strands nucleic acids are attached to their) end (s).
One of the problems posed by the manufacturing of biochips, that targets fixed are single-stranded oligonucleotides (regardless of their length) or some Double-stranded DNA (whether whole plasmids or products of reaction of chain polymerization (PCR)), is that of the accessibility of these targets to the probe molecules that we want to analyze and that we want to hybridize in a way specific on their corresponding targets. This accessibility conditions the yield of hybridization reactions and therefore the sensitivity and specificity of probe analysis. This accessibility to probe hybridization-target is reduced in particular by the steric hindrance of the targets fixed on the chip, by the interactions between targets located close to each other in reason steric hindrance (partial hybridizations) and by structures secondary of these (intramolecular folding of the targets). The difficulties linked to steric hindrance are generated by the need to arrange the targets with a high density on each "spot" of the chip if you want power detect low levels of specific nucleic acids (sensitivity of detection) and WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572 reduce the saturation effects of hybridization capacities which risk hinder quantification of hybridization signals. This is why a principle general is to deposit molecular quantities of targets such that they are in large excess compared to the corresponding molecules of the probes.
The present invention overcomes these drawbacks. She describes in effect the use of special arms or supports, reducing interference between the targets, and thus ensuring better hybridization, including understood when targets are present at high densities. More particularly the present application shows that it is possible to use, to set targets on the biochip support, fixing arms with electric charge negative or negatively charged media.
Another object of the invention thus lies in a biochip comprising nucleic acids immobilized on a support by means of arms carrying a charge negative electric. Another object of the invention resides in a biochip comprising nucleic acids immobilized on a support carrying a charge electric negative uniform The present invention also resides in the use of molecules negatively charged or negatively charged media, for preparation biochips.
The use of fixing arms which are negatively charged so uniform, under the experimental conditions of hybridization of the probes on the targets, advantageously provides the following phenomena:
- The arms exert repulsive electrical forces towards the arms adjacent, which has the effect of reducing both their folds clean and their steric hindrance, especially at their ends set on targets;
- The arms exert repulsive electrical forces towards targets which are fixed at their ends, which has the effect of pushing the targets to move outwards, that is to say away from the support of the chip, the making it more accessible to probes;

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572 - These mutual repulsion constraints have the consequence of limiting the attractive interactions between adjacent probes by moving them away from each other others, making them more accessible to probes and reducing risks mutual attractions linked to Van der Waals forces or connections hydrogen;
- This negative electric field exerted on the side of the targets attached to the arms has tendency to undo secondary structures of targets (i.e.
linearize) and therefore decrease the folding of targets on them-same, making them more accessible to probes;
- The layer located near the chip holder and formed by the arms is generally negatively charged, which has the effect of exerting a electrical repulsion force with respect to the probes (themselves charged negatively) and therefore to reduce the phenomena of non-specific hybridizations target probes. This makes it possible to reduce the background noise phenomena during analysis of hybridization results, and therefore increase both the sensitivity and specificity of the analyzes carried out by the technology of chips to DNA.
This particular aspect of the invention therefore provides an improvement clear technological methods, ensuring better selectivity and sensitivity to biochips.
Of course, this aspect of the invention is not limited to biochips in which arms are used. On the contrary, it also applies to use of a uniformly charged negatively charged chip carrier, within situations where the targets are directly fixed on the support without intermediate arms.
This is valid that the establishment of negative charges on the support is performed before or after fixing the targets on the support. This is a principle different from that of depositing the targets on micro-electrodes to which an electric current can be applied, because in the latter case the electrical charge of the support is not homogeneous.

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT / FR00 / 03572 In this aspect of the invention, the biochips can comprise any type of target nucleic acid population as defined above, and the arms negatively charged can also have a tree form, as mentioned above.
The present invention also resides in a process for the preparation of biochips, as described above, comprising the immobilization (or the fixation) nucleic acids on a support by means of tree-shaped arms comprising a polymer of biological origin.
The preparation process can include a first step of fixing the arms tree-shaped on the support, followed by a second step of fixing of the target molecule in the tree-shaped arm. According to another mode of embodiment of the present invention, the method for preparing the biochip can understand a first step of fixing the target molecule to the arm by form tree structure then a second step of fixing the complex, obtained during the first step, to support.
The present invention also resides in the use of biochips such as described above, for experimental, therapeutic and diagnostic purposes. In in particular, the invention relates to the use of the biochips described above - to study the regulation of gene expression, or - for the search for genes or gene fragments, or - for target identification, or - for genetic diagnosis.
In these applications, the biochips are brought into contact with a population of “probe” nucleic acids, generally previously labeled, then the hybridization profile of the probes on the biochip is determined, according to the techniques known to those skilled in the art. An object of the invention therefore resides also in a method for analyzing polynucleotides, comprising setting up contact of a population of polynucleotides, preferably labeled, with a biochip according to the invention, and the demonstration of the formation of hybrids.

WO 01/44503 CA 02406948 2002-06-14 pCT ~ R00 / 03572 It is understood that the present invention is not limited to the modes specific embodiments described above, but also extends to variants of execution entering the normal knowledge of the skilled person.

Claims (30)

REVENDICATIONS 1. Biopuce, caractérisée en ce qu'elle comprend des acides nucléiques immobilisés sur un support au moyen de bras en forme d'arborescence comprenant un polymère d'origine biologique. 1. Biochip, characterized in that it comprises nucleic acids immobilized on a support by means of tree-shaped arms comprising a polymer of biological origin. 2. Biopuce selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bras est un polymère ramifié, ayant un ou plusieurs niveaux de ramification. 2. Biochip according to claim 1, characterized in that the arm is a polymer branched, having one or more levels of branching. 3. Biopuce selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le bras est un polymère organique. 3. Biochip according to claim 1 or 2, characterized in that the arm is a organic polymer. 4. Biopuce selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le bras est un polymère de sucres, par exemple le glycogène ou un dérivé du glycogène ou l'amylopectine. 4. Biochip according to one of claims 1 to 3, characterized in that the east arm a polymer of sugars, for example glycogen or a derivative of glycogen or amylopectin. 5. Biopuce selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le bras est un polymère ramifié comprenant une répétition de monomères de galactose, glucose, mannose, fucose, xylose, N-acétylgalactosamine et/ou N-acétylglucosamine. 5. Biochip according to one of claims 1 to 3, characterized in that the east arm a branched polymer comprising a repeat of galactose monomers, glucose, mannose, fucose, xylose, N-acetylgalactosamine and/or N-acetylglucosamine. 6. Biopuce selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le bras est un glycopolypeptide, par exemple l'aggrécane. 6. Biochip according to one of claims 1 to 3, characterized in that the east arm a glycopolypeptide, for example aggrecan. 7. Biopuce selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le bras est un composé polypeptidique, par exemple une immunoglobuline. 7. Biochip according to one of claims 1 to 3, characterized in that the east arm a polypeptide compound, for example an immunoglobulin. 8. Biopuce selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les acides nucléiques sont fixés de manière covalente aux extrémités de l'arborescence des bras. 8. Biochip according to any one of the preceding claims, characterized in that nucleic acids are covalently attached to the ends of the arm tree. 9. Biopuce selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bras sont fixés au support, de manière covalente, par la partie tronc de la molécule. 9. Biochip according to any one of the preceding claims, characterized in that the arms are attached to the support, covalently, by the part trunk of the molecule. 10. Biopuce selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le support comporte une surface plane et/ou bombée. 10. Biochip according to any one of the preceding claims, characterized in that the support has a flat and/or curved surface. 11. Biopuce selon la revendication 10, caractérisée en ce que le support est un support solide ou semi-solide. 11. Biochip according to claim 10, characterized in that the support is a solid or semi-solid support. 12. Biopuce selon 1a revendication 11, caractérisée en ce que le support est composé de verre, silice, poly-lysine, amino-silanes et/ou silanes amino-réactifs. 12. Biochip according to claim 11, characterized in that the support is composed of glass, silica, poly-lysine, amino-silanes and/or amino-silanes reagents. 13. Biopuce selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les acides nucléiques sont des acides nucléiques simple ou double-brin, d'origine naturelle, synthétique et/ou semi-synthétique. 13. Biochip according to any one of the preceding claims, characterized in that the nucleic acids are single or double nucleic acids strand, of natural, synthetic and/or semi-synthetic origin. 14. Biopuce selon la revendication 13, caractérisée en ce que les acides nucléiques sont choisis parmi les oligonuctéotides de synthèse, les produits de PCR, les gènes ou fragments de gènes, des plasmides. des ADNc simple ou double-brin ou des ARN. 14. Biochip according to claim 13, characterized in that the acids nucleic are chosen from synthetic oligonucleotides, PCR products, Genoa or gene fragments, plasmids. single- or double-stranded cDNAs or RNA. 15. Biopuce selon la revendication 14, caractérisée en ce que les acides nucléiques sont des acides nucléiques simple-brin, notamment des molécules d'acides nucléiques simple-brin de longueur comprise entre 25 et 100 nucléotides environ, de préférence entre 30 et 60 nucléotides environ. 15. Biochip according to claim 14, characterized in that the acids nucleic are single-stranded nucleic acids, including acid molecules single-stranded nuclei of length between 25 and 100 nucleotides about, preferably between 30 and 60 nucleotides approximately. 16. Utilisation d'un polymère de sucres dérivés du glycogène ayant une organisation spatiale en forme d'arborescence, pour la fixation d'acides nucléiques sur des supports.

28~
16. Use of a polymer of sugars derived from glycogen having a tree-like spatial organization, for binding acids nucleic on supports.

28~
17. Biopuce selon la revendication 13, caractérisée en ce que les acides nucléiques sont des acides nucléiques simple-brin ayant une longueur comprise entre 30 et nucléotides environ. 17. Biochip according to claim 13, characterized in that the acids nucleic are single-stranded nucleic acids with a length between 30 and nucleotides approx. 18. Biopuce selon la revendication 17, caractérisée en ce que les acides nucléiques simple-brin sont des ADN simple-brin de longueur comprise entre 30 et 60 nucléotides environ. 18. Biochip according to claim 17, characterized in that the acids nucleic single-stranded are single-stranded DNAs of length between 30 and 60 nucleotides approx. 19. Biopuce selon la revendication 17, caractérisée en ce que les acides nucléiques simple-brin sont des ARN simple-brin de longueur comprise entre 30 et 60 nucléotides environ. 19. Biochip according to claim 17, characterized in that the acids nucleic single-stranded are single-stranded RNAs of length between 30 and 60 nucleotides approx. 20. Biopuce selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisée en ce que les acides nucléiques simple-brin sont des acides nucléiques produits par synthèse chimique in vitro. 20. Biochip according to one of claims 17 to 19, characterized in that the single-stranded nucleic acids are nucleic acids produced by synthesis chemical in vitro. 21. Biopuce selon l'une des revendications 17 à 20, caractérisée en ce qu'elle comprend des ARN immobilisés sur un support solide ou semi-solide au moyen de bras en forme d'arborescence comprenant un polymère d'origine biologique. 21. Biochip according to one of claims 17 to 20, characterized in that it comprises RNAs immobilized on a solid or semi-solid support by means of tree-shaped arm comprising a polymer of biological origin. 22. Biopuce selon l'une des revendications 17 à 20, caractérisée en ce qu'elle comprend des acides nucléiques produits de PCR immobilisés sur un support solide ou semi-solide au moyen de bras en forme d'arborescence comprenant un polymère d'origine biologique. 22. Biochip according to one of claims 17 to 20, characterized in that it comprises PCR product nucleic acids immobilized on a support solid or semi-solid by means of tree-shaped arms comprising a polymer of biological origin. 23. Biopuce selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 et 17 à 22, caractérisée en ce que le bras porte une charge électrique négative. 23. Biochip according to any one of claims 1 to 15 and 17 to 22, characterized in that the arm carries a negative electrical charge. 24. Biopuce selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 et 17 à 22, caractérisée en ce que le support porte une charge électrique négative uniforme. 24. Biochip according to any one of claims 1 to 15 and 17 to 22, characterized in that the support bears a negative electric charge uniform. 25. Utilisation d'une biopuce selon l'une des revendications 1 à 15 et 17 à
24, pour étudier la régulation de l'expression génétique.
25. Use of a biochip according to one of claims 1 to 15 and 17 to 24, for study the regulation of gene expression.
26. Utilisation d'une biopuce selon l'une des revendications 1 à 15 et 17 à
24, pour la recherche de gènes ou fragments de gènes.
26. Use of a biochip according to one of claims 1 to 15 and 17 to 24, for the search for genes or gene fragments.
27. Utilisation d'une biopuce selon l'une des revendications 1 à 15 et 17 à
24, pour l'identification de cibles.
27. Use of a biochip according to one of claims 1 to 15 and 17 to 24, for target identification.
28. Utilisation d'une biopuce selon l'une des revendications 1 à 15 et 17 à
24, pour le diagnostic génétique.
28. Use of a biochip according to one of claims 1 to 15 and 17 to 24, for genetic diagnosis.
29. Procédé de préparation d'une biopuce selon l'une des revendications 1 à 15 et 17 à 24, caractérisé en ce qu'il comprend:
a) une étape de fixation du bras en forme d'arborescence surle support, et, b) une étape de fixation de la molécule cible au bras en forme d'arborescence obtenu en a).
29. Process for preparing a biochip according to one of claims 1 to 15 and 17 to 24, characterized in that it comprises:
a) a step of fixing the tree-shaped arm on the support, and, b) a step of attaching the target molecule to the tree-shaped arm obtained in a).
30. Procédé de préparation d'une biopuce selon l'une des revendications 1 à 15 et 17 à 24, caractérisé en ce qu'il comprend:
a) une étape de fixation de la molécule cible au bras en forme d'arborescence, b) une étape de fixation du complexe obtenu en a) sur le support.
30. Process for the preparation of a biochip according to one of claims 1 to 15 and 17 to 24, characterized in that it comprises:
a) a step of fixing the target molecule to the tree-shaped arm, b) a step of fixing the complex obtained in a) on the support.
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