DE10042797C2

DE10042797C2 - Analysen-Chip

Info

Publication number: DE10042797C2
Application number: DE2000142797
Authority: DE
Inventors: Ralph Mueller
Original assignee: BASF Lynx Bioscience AG
Current assignee: Sygnis Pharma AG
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: AU2002212136A1; WO2002018945A2; WO2002018945A3; DE10042797A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Analysen-Chip, auf dem unterschiedliche Arten von Molekülen in jeweils zugeordneten räumlichen Bereichen immobilisiert sind.

In immer mehr medizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen werden Proben, die DNA- oder RNA-Moleküle enthalten, mit Hilfe von geeigneten DNA- Arrays qualitativ bzw. quantitativ analysiert. Bei der Analyse wird die Bindung bzw. Hybridisierung der gewonnenen DNA-Moleküle an geeignete, auf dem Array immo bilisierte DNA-Fragmente, sogenannte Targets, detektiert.

Hierzu bedarf es der Herstellung geeigneter DNA-Arrays, die auch Biochips ge nannt werden. Diese werden in der Regel ausgehend von Mikrotiterplatten herge stellt, die Lösungen mit geeigneten DNA-Fragmenten in den Wells enthalten (Schena, Shalon, Davis, Brown. 1995. Quantitative monitorina of gene expression patterns with a complementarv DNA-microarray. Science 270: 467-470) (Maier, Meier-Evert, Ahma di, Curtis, Lehrach. 1994. Application of robotic technology to automated sequence fingerprint analysis by oligonucleotide hybridizotion. J. Biotechnol. 35: 191-203.). Die Wells sind kleine Vertiefungen mit einem Volumen pro Well von beispielsweise 20 µl. Jedes Well enthält ein bekanntes, speziell synthetisiertes DNA-Fragment. Zum Aufbau eines DNA-Arrays werden jeweils z. B. 220 pl Lösung aus einem Well auf eine genau definierte Position auf z. B. einem Objektträger (Slide) pipettiert. Dies wird von sog. Spotting-Robotern durchgeführt. Die pipettierten DNA-Fragmente werden anschlie ßend auf dem Slide oder Chip oder Targetträger immobilisiert.

Danach wird die zu analysierende Probe auf den Targetträger bzw. das DNA- Array gegeben. Die Probe enthält radioaktiv oder mit Farbstoffen markierte DNA- oder RNA-Moleküle. In einer speziellen Hybridisierungskammer erfolgt bei geeigneter Temperatur die Hybridisierung. Nicht hybridisierte bzw. unspezifisch gebundene DNA oder RNA aus der zu untersuchenden Probe wird durch Spülen entfernt. Hybridisierte DNA- oder RNA-Moleküle werden entsprechend ihrer Markierung in einem Reader detektiert.

Als Nachweismöglichkeiten kommen grundsätzlich der Nachweis radioaktiver Strahlung der Probe sowie der Nachweis von Fluoreszenzsignal in Betracht. Fluoreszenzsignale können sich aus einer Fluoreszenzmarkie rung der Probe oder des Targets ergeben oder durch Interkalatoren. Auch können Energietransfer oder Mechanismen der Fluoreszenzlöschung zwi schen Probe und Target ausgenutzt werden.

Schwierigkeiten bereitet dabei, dass derartige DNA-Arrays von Her steller zu Hersteller unterschiedlich aufgebaut sind. Ihr genauer Aufbau hängt idR von der jeweiligen Befüllung der Mikrotiterplatten und der An ordnung der Applikatoren (Nadeln, Piezodüsen etc.) der Spotting-Roboter ab. Die unterschiedlichen DNA-Array-Formate bzw. -Designs führen leicht zu Auswertefehlern, die aufgrund von Verwechslung oder durch Auflegen falscher oder nicht korrekt angepaßter Auswertemasken entstehen. Selbst bei korrekter Auswerte-Vorbereitung kann es durch fehlerhafte Analyse von Leit- oder Kontrollspots zu Auswertefehlern durch Auswertemaskenver schiebung kommen. Zu einem hohen Sicherheitsrisiko führen diese Fehler in der medizinischen Gendiagnose, welche ein Hauptanwendungsgebiet der DNA-Chips darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Analysen- und Auswerfe-Sicherheit bei der Verwendung von Arrays- und DNA-Chips zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Analysen-Chip mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 16, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 18 sowie durch ein Computerprogramm mit den Merkma len der Ansprüche 19 oder 20 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Analysen-Chip verwendet, auf dem unter schiedliche Arten von Molekülen in jeweils zugeordneten räumlichen Be reichen immobilisiert sind. Typischerweise handelt es sich dabei um DNA- Arrays. Die immobilisierten Moleküle sind dann z. B. eindeutig ein Gen iden tifizierende Genabschnitte oder Oligonukleotide. Es können aber auch An tikörper-, Protein-, Allergen-Arrays etc. oder nichtpeptidische chemische Substanzbibliotheken sein. Die Analysen-Chips dienen idR zum Nachweis von Bindungsreaktionen. Es ist aber auch der Nachweis einer enzymati schen Aktivität möglich.

Der einer Art von Molekülen zugeordnete räumliche Bereich ist idR ein Rechteck oder ein Kreis, wie er bei Spottingverfahren entsteht. Durch mehrere Spots eines Targets innerhalb eines Bereichs kann der Bereich aber auch linear oder nach einem vorgegeben Schema über den gan zen Analysen-Chip verteilt sein, um Ungleichmäßigkeiten in der Hybridisie rung auszugleichen oder ausfindig zu machen und um eine Redundanz der Hybridisierungsreaktion zu erzeugen, die die Sicherheit der Markera nalyse erhöht.

Erfindungsgemäß wird für jede Art von Molekülen ein zugehöriger Code in einem zugehörigen räumlichen Bereich auf dem Analysen-Chip ausgebildet, wobei der Code angibt, welche Art von Molekülen in dem jeweiligen Bereich immobilisiert ist.

Jeder Art von Molekülen ist einerseits ein räumlicher Bereich zuge ordnet, in dem diese Moleküle immobilisiert sind. Andererseits ist jeder Art von Molekülen ein Code zugeordnet. Zu jedem Code gehört wiederum ein räumlicher Bereich auf dem Analysen-Chip, in dem er ausgebildet ist. Dieser zugehörige räumliche Bereich kann mit dem räumlichen Bereich identisch sein, in dem die Moleküle immobilisiert sind. Er kann aber auch diesem räumlichen Bereich benachbart sein oder dem Immobilisierungs bereich nach einem festen Schema zugeordnet sein.

Bei einer Nachweisreaktion kann gleichzeitig der Code ausgelesen werden und somit festgestellt werden, an welche Art von Molekülen die Probe gebunden hat. Es bedarf dann keiner array-spezifischer Angaben mehr über die Art und Anordnung der Moleküle auf einem Beiblatt oder in einer begleitenden Software. Eine Verwechslung verschiedener Arten von Molekülen ist damit ausgeschlossen. Die Sicherheit in der Handhabung, Auswertung und Diagnose ist dadurch wesentlich erhöht.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Code durch die Anordnung der Moleküle selbst in dem zugehörigen räumlichen Be reich ausgebildet. Auf diese Weise können in nur einem Schritt das Reakti onsergebnis und der Code ausgelesen werden.

Besonders einfach kann dies dadurch erfolgen, dass jeder einer vor gegebenen Art von Molekülen zugeordnete räumliche Bereich auf dem Analysen-Chip in eine Mehrzahl von Spots unterteilt ist, und dass der Code ein Binärcode ist, der dadurch erzeugt wird, dass in einigen dieser Spots Moleküle immobilisiert sind und in den verbleibenden Spots nicht.

Der Binärcode kann beispielsweise dadurch kodiert sein, das einem immobilisierten Spot eine 1 und einem freien Spot eine Null entspricht, oder umgekehrt. In einer etwa auf dem Internet allgemein zugänglichen Datenbanken kann erklärt werden, wie die einzelnen Codes den immobili sierten Moleküladen zugeordnet werden.

Im Nebeneffekt erhält man eine Redundanz der Hybridisierungsreak tion, da es für jede Art von Molekülen mehr als einen Spot gibt. Eine solche Art der Redundanz kann als "interne" Redundanz bezeichnet werden. Von "externer" Redundanz wird gesprochen, wenn einer Molekülart mehr als ein Code zugeordnet ist, so dass der Code der Molekülart unter Umstän den noch erkannt werden kann, wenn ein Spot z. B. wegen technischer Unzulänglichkeiten kein vollständiges Hybridisierungssignal liefert, obwohl dies zu erwarten gewesen wäre. Die Codes können für die externe Red undanz hinsichtlich Fehledoleranz optimiert gewählt werden. Im einfach sten Fall wird dies dadurch erreicht, dass mehr Bits pro Code verwendet werden, als minimal nötig wären, etwa 4 statt 3. Der Molekülart werden dann sowohl der 4-Bit-Code, als auch alle 3-Bit-Codes zugeordnet, die sich ergeben, wenn ein Spot bzw. Bit nicht erkannt werden kann.

Alternativ dazu kann der Code unabhängig von den immobilisierten Molekülen auf dem Analysen-Chip ausgebildet sein. Der Code kann dann mit üblichen Mitteln, etwa einem Laserschreiber wie bspw. nach dem CD- Brennerprinzip oder einem hochauflösenden Printer erzeugt werden.

Beispielsweise kann der Code auf der Unterseite des Analysen-Chips angeordnet sein. Für eine Nachweisreaktion wird in diesem Fall zunächst der Code auf der Unterseite des Analysen-Chips in einem den Molekül spots eindeutig zugeordneten Bereich, z. B. der gleichen räumlichen Positi on, gelesen. Anschließend wird der Analysen-Chip umgedreht und das Hybridisierungssignal, beispielsweise ein Fluoreszenzsignal oder radioaktive Strahlung wird ausgelesen. Im folgenden konzentrieren sich die Beispiele auf Fluoreszenzsignale allgemeiner Art.

Bei transparenten Trägern, wie Glas oder Kunststoffolien, können Code und Fluoreszenz gleichzeitig ausgelesen werden.

Weiterhin können Code und Spots auf der gleichen Trägerseite auf gebracht werden, wobei Targetspots und Code sich im gleichen räumli chen Bereich befinden und die oder der Targetspot(s) auf den Codebe reich aufgebracht werden.

Schließlich kann der Code zwischen den Spots ausgebildet werden, etwa in den Lücken zwischen kreisförmigen Spots. In einem solchen Falle muss jeweils nur ein einziger Spot pro Molekülart aufgebaut werden. Der Code kann mit gängigen technischen Mitteln, wie Laserbeschriften oder Microspotting (Piezo, Pin, Imprint etc.) aufgebracht werden.

Bevorzugterweise wird der Code in Form eines zweidimensionalen Barcodes ausgebildet. Dieser kann sich an gängigen Standards orientie ren, etwa dem Symbol Typ C aus dem Code One des Unternehmens Ax tel, Inc., Fountain Valley, CA 92708, USA, www.Axtel.com, der 64 alpha numerische Zeichen codieren kann.

Der Code könnte dann eine alphanumerische Zeichenfolge codie ren, die den Namen der jeweils immobilisierten Art von Molekülen dar stellt, z. B. die Annotation des Gens, wie er in einer öffentlich zugänglichen Datenbank definiert ist. Es bräuchte dann nicht mehr in einer etwa auf dem Internet allgemein zugänglichen Datenbank erklärt zu werden, wie die einzelnen Codes den immobilisierten Molekülarten zugeordnet wer den. Hinreichend wäre in einem solchen Falle der einfache Hinweis auf Code One Typ C von Axtel auf dem Chip, verbundenen mit einem Hin weis auf die Datenbank, in der sich die Sequenzen der Gene mit der je weiligen Annotation finden.

Generell könnte zu jedem globalen Datenbankeintrag (z. B. in der EMBL-Datenbank) auch ein standardisierter Array-Code abgelegt werden, der die eindeutige und sichere Zuordnung von Molekülarten auf allen zwei- bzw. mehrdimensionalen Ablageformaten erlaubt.

Um die Sicherheit des Auslesens weiter zu erhöhen, können auf dem Analysen-Chip zusätzlich Positionsmarken ausgebildet sein. Diese können z. B. durch einen der Bereiche mit einer Mehrzahl von Spots gebildet werden, wobei jeder Spot immobilisierte Moleküle trägt, während in den Be reichen mit Molekülen, die für die Bindungsreaktion verwendet werden, nicht alle Spots belegt sind. Denn auf letzteren ist ein Code ausgebildet, der aus belegten und unbelegten Spots besteht.

Z. B. könnten grundsätzlich auf einem Bereich von 5 × 5 Spots nur 5 Spots als Code mit immobilisierten Molekülen belegt sein, d. h. nur 5 Bits "gesetzt" sein. Das ergäbe insgesamt (25 über 5) Codiermöglichkeiten, das sind 53130. Die Positionsmarken könnten sich hingegen dadurch auszeich nen, dass alle 25 Spots belegt sind und zusätzlich als Grundmuster für den Auswertealgorithmus dienen. Allgemein sollen insgesamt so wenig Positi onsmarken wie möglich aufgebracht werden, da durch diese nicht zu vernachlässigend viel Spottingfläche beansprucht wird.

Bei den heute üblichen Array-Chips sind sehr viele Positionsmarken für ein halbwegs sicheres Auslesen vonnöten.

Dagegen ermöglicht bereits eine Positionsmarke bei einem einen er findungsgemäßen Code tragenden Chip eine genaue räumliche Orien tierung des Analysen-Chips.

Ferner können die Codes derart gewählt werden, dass bei einer Auswertemasken-Verschiebung des Auslesens um eine Zeile oder Spalte kein sinnvoller Code mehr erkannt wird. Einerseits erhöht dies die Sicherheit gegen falsches Auslesen im Falle von Verschiebungen. Andererseits kann so auch erkannt werden, dass hier wohl eine Maskenverschiebung vor liegt.

Sinnvollerweise wird der Code hierarchisch aufgebaut. Beispielsweise kann der Code aus einem ersten Teil bestehen, der den Organismus be schreibt, aus dem ein Gen stammt, während ein zweiter Teil des Codes das Gen selbst benennt. Auf diese Weise können Analysen-Chips aufge baut werden, die etwa sämtliche Gene des Menschen bzw. sämtliche Gene der Maus oder eines anderen Organismus jeweils tragen.

Der hierarchische Code kann aus einem ersten und einem zweiten Teil bestehen. Der erste Teil des hierarchischen Codes kann beispielsweise in den Positionsmarken angeordnet sein, während der zweite Teil in den jeweiligen Bereichen der immobilisierten Moleküle angeordnet ist. Dabei sollte sich die Art der Codierung des zweiten Teils des Codes in den jewei ligen Bereichen und die Art der Codierung des ersten Teils des Codes in den Positionsmarken eindeutig voneinander unterscheiden, damit die Po sitionsmarken noch als solche erkannt werden können.

Z. B. könnten für die Codierung der Annotation eines Gens 5 Bits aus 5 × 5 = 25 gesetzt sein, während für den Organismus, aus dem das Gen stammt, 5 Bits aus 5 × 5 = 25 nicht gesetzt sind, d. h. 20 Bits gesetzt sind. Auf diese Weise lässt sich eine universale Architektur für DNA-Arrays für Gen tests aufbauen.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann innerhalb eines räumlichen Bereichs, der einer ersten Art von Molekülen zugeordnet ist, zusätzlich eine zweite Art von Molekülen immobilisiert sein. Für beide Arten von Molekülen kann jeweils der zugehörige Code durch die Anordnung der Moleküle in nerhalb des einen räumlichen Bereichs ausgebildet sein.

Wird beispielsweise ein Bereich von 10 × 10 Slots (das sind Platzhalter für Spots) gebildet, von denen nur 3 Bits gesetzt sind (entsprechend (100 über 3) = 161700 Codiermöglichkeiten), so blieben noch 97 Slots frei. Die restlichen 97 Slots können noch genutzt werden, um Platz zu sparen und so den Analysen-Chip besser auszunutzen. Das Auslesen einer Bindungsre aktion kann dann beispielsweise über zwei unterschiedlich gefärbte DNA- Fragmenten in der Probe erfolgen.

Bei einer derartigen mehrfachen Belegung eines Bereichs sollte ver mieden werden, dass zwei Arten von Molekülen auf ein und denselben Slot immobilisiert werden, da eine solche Doppelbelegung zu Schwierig keiten beim Auslesen von Fluoreszenzsignalen führen kann. Vermieden werden kann dies durch eine geeignete Auswahl der Arten von Molekü len bzw. der Codes. Im einfachsten Fall liegt ein Code in einer räumlichen Hälfte des Bereichs und der zweite Code im verbleibenden Teil des Be reichs. Insgesamt können die Molekülarten und Codes derart gewählt werden, dass mehr als zwei Arten von Molekülen in einem Bereich immo bilisiert sein können. Man kann hier von einer Auswahl für eine maximale Packungsdichte sprechen, die bei der Herstellung eines Analysen-Chips von einem Sortieralgorithmus übernommen werden könnte.

Eine Mehrfachbelegung eines einzigen Slots ist dann möglich, wenn die unterschiedlichen Arten von immobilisierten Molekülen innerhalb eines einzigen räumlichen Bereichs unterschiedlich gefärbt sind. Beim Auslesen des Analysen-Chips können dann die unterschiedlichen Farben erkannt werden. Gibt man eine markierte Probe zu, so erhält man bei der Hybridi sierung auf allen Spots, die zu einem bestimmten Code gehören, sowohl die Farbe des Targets als auch die Farbe der gebundenen Probe. Allge meinen können jegliche Formen von spektroskopischen Charakteristika innerhalb eines Spots zum Identifizieren ausgenutzt werden. Denkbar ist auch ein Energietransfer oder eine Fluoreszenzlöschung zwischen Target und Probe.

Eine weitere Möglichkeit, Slots mehrfach zu belegen, kann dadurch erreicht werden, dass die zu einer Molekülart gehörenden Spots mit einem vorgegebenen räumlichen Muster ausgebildet sind. So kann der Spot für die einzelnen Arten von Targetmolekülen beispielsweise in Form eines Pfeils, Eies oder Exzenters ausgebildet sein, d. h. einem Objekt, das eine Vorzugsrichtung aufweist, das je nach Moleküleart unterschiedlich orien tiert ist. Derartige Muster können besonders einfach dann aufgebracht werden, wenn die Übertragung des Targets auf den Analysen-Chip mittels Stempeln erfolgt, die außerdem drehbar sind. Räumliche Muster kann man beispielsweise auch erhalten, wenn man einen kleinen Kreis und ei nen großen Kreis teilweise überlappend spottet. Auch in diesem Fall wird man die zu einem bestimmten Code gehörigen Spots daran erkennen können, dass sie das gleiche räumliche Muster aufweisen.

Auch ein kombinierter Einsatz von Farbe und Form zum Identifizieren von Codes ist denkbar.

Eine weitere effiziente Ausnutzung des Raumes innerhalb eines Be reichs kann dadurch erreicht werden, dass der Abstand der Spots einer ersten Molekülart innerhalb des einen Bereichs und der Abstand der Spots einer zweiten Molekülart innerhalb desselben Bereichs sich unterscheiden. So kann der Abstand von Spot zu Spot (Pitch) für die erste Molekülart bei spielsweise 100 µm und für die zweite Moleküle 98 µm betragen, nach Art eines Nonius. Eine derartige Verschiebung ist leicht zu erkennen. So kann jeder Moleküleart ein bestimmter Pitch zugeordnet werden.

Durch eine geeignete Auswertung der Auslesesignale kann auch ein Überlappen der Spots einzelner Molekülarten hingenommen werden, wie sie sich durch den unterschiedlichen Pitch leicht ergeben kann. Generell kann durch definierte Überlappung der Spots auch die Spotdichte erhöht werden.

Die verschiedenen erwähnten Möglichkeiten des mehrfachen Aus nutzens eines Bereichs können alle miteinander kombiniert werden.

Die Sicherheit in der Verwendung von Analysen-Chips kann auch dadurch erhöht werden, dass nach Auslesen einer Nachweisreaktion auf dem Analysen-Chip das Ergebnis der Nachweisreaktion auf den Analysen- Chip geschrieben wird. Auf diese Weise bleiben Informationen, etwa ein Befund für medizinische Zwecke, erhalten, selbst wenn beispielsweise die DNA auf dem Chip degradieren sollte. Der Analysen-Chip kann dem Pati enten dann schlicht mitgegeben werden. Der Analysen-Chip kann dabei auch eine der erwähnten Arten der Codierung tragen. Das Schreiben des Analysen-Ergebnisses in definierter Codeform auf den Analysen-Chip kann mit üblichen Mitteln erfolgen, beispielsweise mittels eines Lasers, eines Tin tenstrahls, eines Laserdruckers, oder sonstiger Beschriftungsverfahren. Die Information sollte möglichst permanent lesbar sein.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche Elemen te. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1A den schematischen Aufbau eines bevorzugten DNA-Arrays;

Fig. 1B eine Auswertung des DNA-Arrays gemäß Fig. 1A;

Fig. 2A den schematischen Aufbau eines alternativen DNA-Arrays;

Fig. 2B den schematischen Aufbau eines weiteren alternativen DNA- Arrays;

Fig. 3 Möglichkeiten der räumlichen Codierung;

Fig. 4 einen Bereich mit Spots von unterschiedlichem Pitch; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Analysen-Chips, auf den das Ergebnis einer Nachweisreaktion geschrieben werden kann.

Fig. 1A zeigt einen DNA-Chip 10 mit auf einem rechteckigen Raster angeordneten Bereichen 12. Innerhalb eines jeden Bereichs 12 befindet sich ein Raster von Spots 14, auf denen Oligonukleotide immobilisiert sind. An den äußersten Ecken des Chips befinden sich Positionsmarken 16, die dadurch zu erkennen sind, dass innerhalb ihrer Bereiche alle Spots 14 be legt sind. In einer der Positionsmarken 18, die auf Grund ihrer räumlichen Lage als Positionsmarke zu erkennen ist, sind nicht alle Spots belegt. Viel mehr weist diese Positionsmarke 18 einen Code für das Wort "Human" auf. Es handelt sich bei dem DNA-Chip 10 somit um einen Chip für einen Gen test am Menschen.

Der Code in der Positionsmarke 18 kann beispielsweise aufgebaut werden, indem im einfachsten Falle Farbstoffmoleküle auf einzelnen Spots immobilisiert werden, was einem gesetzten Bit entspricht, während andere Spots freigelassen werden. Außer Farbstoffmolekülen können auch dop pelsträngige DNA-Moleküle immobilisiert werden, die mittels Interkalatoren nachgewiesen werden.

Im Zentrum des DNA-Chips 10 befindet sich ein Bereich 20, der einen Code für die Annotation eines ersten Gens aufweist, z. B. "actin", d. h. hier sind Oligo- bzw. Polynukleotide immobilisiert, die eindeutig repräsentativ für dasjenige Gen sind, das beim Menschen das Protein ACTIN codiert.

In einem zweiten Bereich 22 ist ein Code für ein zweites Gen durch Immobilisieren der zugehörigen Oligo/Polynukleotide erzeugt worden. Auf diese Weise kann in den einzelnen Bereichen des DNA-Arrays jeweils ein Gen codiert sein. Bei Uneindeutigkeit der Gene können weitergehende Informationen wie Splice- und Mutationsvarianten, Polymorphismen, Se quenzbereiche und -längen etc. ebenfalls kodiert werden.

Fig. 1B zeigt den Analysen-Chip gemäß Fig. 1A, wie er nach Auslesen durch einen Fluoreszenzreader und Auswerfen an einem Bildschirm darge stellt werden kann. Alle Bereiche 16, 18, 20, 22 sind in ihrer Lage erkannt und durch Rechtecke markiert. Bereiche 22, in denen keine Hybridisie rungssignale erkannt werden konnten, sind durchgestrichen. Bereiche 22, in denen zwar Hybridisierungssignale, aber kein Code erkannt werden konnten, sind z. B. mit einem durchgestrichenen Vollkreis gekennzeichnet. Bereiche 20, in denen ein Code erkannt wurde, sind mit dem erkannten Code bzw. der Information beschriftet.

Fig. 2A zeigt den schematischen Aufbau eines alternativen DNA- Arrays 10, bei dem der Code unabhängig von den in Spots 14 immobili sierten Molekülen in solchen Bereichen 24 des DNA-Arrays 10 ausgebildet ist, die in den Lücken zwischen den im wesentlichen kreisförmigen Spots 14 liegen. Für jede Molekülart braucht dann nur ein Spot gesetzt zu werden, der außerdem relativ groß sein kann. Zur Erhöhung der Auslesesicherheit weist das DNA-Array 10 eine Positionsmarke 16 auf.

Fig. 2B zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine Variante des DNA-Arrays gemäß Fig. 2A, bei der die Oligonukleotide direkt über dem zweidimensionalen Barcode immobilisiert sind. Da eine dünne Schicht von Oligo/Polynukleotiden im wesentlichen transparent ist, kann der Code auch durch die DNA bzw. Proteine hindurch ohne Schwierigkeiten gelesen werden.

In den Fig. 2A und 2B wird der Code in Form eines zweidimensionalen Barcodes ausgebildet. Als Standard für den Code wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Symbol Typ A aus dem Code One des Unterneh mens Axtel, Inc., Fountain Valley, CA 92708, USA, www.Axtel.com, ver wendet. Dieser Standard erlaubt die Codierung von 13 alphanumerischen Zeichen auf 18 × 16 Feldern. Symbol Typ C, eine andere Variante, kann 64 alphanumerische Zeichen auf 28 × 32 Feldern codieren. Diese Codes sind u. a. fehlerkorrigierend, was die Lesesicherheit weiter erhöht.

Bei einer Spotgröße im Code von ca. 5 µm, der Codegröße des Symboltyps A von 18 × 16 Spots und der daraus resultierenden geringen Größe der Codebereiche von ca. 100 µm Kantenlänge kann auf einem einzelnen DNA-Chip von ca. 10 cm^∧2 Größe das gesamte menschliche Genom mit seinen fast 100.000 Genen für einen Test zur Verfügung gestellt werden.

Wird nicht Code One Symboltyp A verwendet, sondern ein einfacher Binärcode zum Bezeichnen der ca. 100.000 menschlichen Gene, so wer den weniger als 20 Bits benötigt. Ein Bereich von 4 × 5 Spots ist somit völlig ausreichend. Um das gesamte Genom auf einem Chip von 10 cm^∧2 ab zulegen reichen dann Spotgrößen von ca. 20 µm.

Möchte man nicht das gesamte Genom ablegen, sondern nur aus gewählte Gene, so können die Spots deutlich größer sein.

Fig. 3A zeigt eine Möglichkeit, die zu einer Molekülart gehörenden Spots mit einem vorgegebenen räumlichen Muster auszubilden, hier durch einen Pfeil 26 für ein erstes Gen, einen Pfeil 28 für ein zweites Gen, etc.

Fig. 3B zeigt eine weitere Möglichkeiten der räumlichen Codierung. In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei im wesentlichen gleich große Kreise in unterschiedlichen räumlichen Anordnungen nebeneinander ge spottet, woraus sich räumliche Muster 26', 28', etc. für verschiedene Gene ergeben.

Fig. 3C zeigt die Muster gemäß Fig. 3B, wenn einige von ihnen über einander gespottet werde.

Fig. 3D zeigt eine weitere Möglichkeiten der räumlichen Codierung. In diesem Ausführungsbeispiel werden räumlich unterschiedlich orientierte Exzenter im wesentlichen überlappend gespottet, woraus sich räumliche Muster 26", 28", etc. für verschiedene Gene ergeben. Der große Kreis in der Mitte enthält dabei immobilisierte Moleküle für alle Gene.

Fig. 4 zeigt eine weitere effiziente Ausnutzung des Raums innerhalb eines Bereichs. Der Abstand (Pitch) X1 der Spots 30 einer ersten Molekülart innerhalb des Bereichs und der Abstand X2 der Spots 32 einer zweiten Molekülart innerhalb des Bereichs unterscheiden sich in zwei Dimensionen geringfügig. So kann der Abstand X1 beispielsweise 100 µm und der Ab stand X2 98 µm betragen, nach Art eines Nonius. Eine derartige Verschie bung ist leicht zu erkennen. So kann jeder Moleküleart ein bestimmter zweidimensionaler Pitch zugeordnet werden. Werden nur wenige Bits in nerhalb eines Bereichs gesetzt, d. h. nur wenige Spots für einen Code be legt, so ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei belegte Spots sich überlappen, relativ gering. Ein Gen-Sortieralgorithmus kann hier die größtmögliche Packungsdichte bei höchster Nachweissicherheit gewährleisten.

Fig. 5 zeigt ein DNA-Array 34, auf das nach Auslesen einer Nach weisreaktion das Ergebnis der Nachweisreaktion geschrieben werden kann. Dazu zeigt das DNA-Array 34 einen Abschnitt 36, in den das Ergebnis mit gängigen Mitteln geschrieben werden kann. Ferner zeigt das DNA- Array 34 einen Abschnitt 38, in dem Targetmoleküle immobilisiert sind. Welche Moleküle in den einzelnen Bereichen 40 des Abschnitts 38 jeweils immobilisiert sind, wird durch einen Code angegeben, der durch das räumliche Immobilisierungsmuster dargestellt wird. Wie der Code zu lesen ist, ist in einem dritten Abschnitt 42 auf dem DNA-Array 34 angegeben. Im vorliegenden Fall ist angegeben, dass Code Alpha Verwendung findet. Code Alpha ist an anderer Stelle, etwa auf dem Internet näher zu erklä ren. Im Übrigen entspricht Fig. 5 der Fig. 1B.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen und Wei terbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar. Das Speichern des Codes in einem zugehörigen räumlichen Bereich kann auf der Oberfläche des Chips erfolgen oder im Innern des Chips, beispielsweise in einem elektronischen Speicherchip, der über ein Kon taktfeld wie bei einer Telefonkarte ausgelesen werden kann. Allgemein können sämtliche Speichermedien zum Einsatz kommen, solange sie sich in oder auf dem Chip selbst befinden, z. B. auch ein Magnetstreifen auf dem Chip.

Auch das Schreiben von Ergebnissen einer Nachweisreaktion kann in einen solchen elektronischen oder sonstigen Speicher auf oder in dem Chip erfolgen.

Bezugszeichenliste

10

DNA-Chip

12

Bereich, in dem eine Molekülart in mehreren Spots immobili siert ist

14

Spot

16

Positionsmarke

18

Positionsmarke, in der der Organismus codiert ist

20

Bereich, der einen zweidimensionalen Barcode für die Anno tation eines ersten Gens aufweist

22

Bereich, der einen zweidimensionalen Barcode für die Anno tation eines zweiten Gens aufweist

24

Bereich für Code, der unabhängig von den immobilisierten Molekülen ausgebildet ist

26

Pfeil

26

',

26

" räumliches Muster

28

Pfeil

28

',

28

" räumliches Muster

30

Spot einer ersten Molekülart
X1 Abstand zwischen Spots

30

einer ersten Molekülart

32

Spot einer zweiten Molekülart
X2 Abstand zwischen Spots

32

einer zweiten Molekülart

34

DNA-Array

36

Abschnitt, in den das Ergebnis einer Nachweisreaktion ge schrieben werden kann

38

Abschnitt, in dem Targetmoleküle immobilisiert sind

40

Bereich, in dem eine Molekülart in mehreren Spots immobili siert ist

42

Abschnitt, der den verwendeten Code angibt

Claims

1. Analysen-Chip, auf dem unterschiedliche Arten von Molekülen in jeweils zugeordneten räumlichen Bereichen (20, 22, 40) immobilisiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Art von Molekülen ein zugehöriger Code in einem zu gehörigen räumlichen Bereich (20, 22, 24) auf dem Analysen-Chip ausge bildet ist, wobei der Code angibt, welche Art von Molekülen in dem je weiligen Bereich immobilisiert ist.

2. Analysen-Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Code durch die Anordnung der Moleküle in dem zugehöri gen räumlichen Bereich (20, 22, 40) ausgebildet ist.

3. Analysen-Chip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass jeder einer vorgegebenen Art von Molekülen zugeordnete räumliche Bereich (20, 22, 40) auf dem Analysen-Chip (10, 34) in eine Mehrzahl von Spots (14) unterteilt ist; und
dass der Code ein Binärcode ist, der dadurch erzeugt wird, dass in einigen dieser Spots Moleküle immobilisiert sind und in den verbleibenden Spots nicht.

4. Analysen-Chip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Code derart ausgebildet ist, dass er noch erkannt werden kann, wenn die Immobilisierung der Moleküle in einem der Spots nicht er kannt werden kann.

5. Analysen-Chip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Code (24) unabhängig von den immobilisierten Molekülen auf dem Analysen-Chip ausgebildet ist.

6. Analysen-Chip nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Code in Form eines zweidimensionalen Barcodes ausgebil det ist.

7. Analysen-Chip nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Code eine alphanumerische Zeichenfolge codiert, die den Namen der jeweils immobilisierten Art von Molekülen darstellt.

8. Analysen-Chip nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Analysen-Chip zusätzlich Positionsmarken (16, 18) aus gebildet sind.

9. Analysen-Chip nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Code hierarchisch aufgebaut ist.

10. Analysen-Chip nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der hierarchische Code aus einem ersten und einem zweiten Teil besteht;
dass der erste Teil des hierarchischen Codes in mindestens einer Posi tionsmarke (18) angeordnet ist; und
dass der zweite Teil des hierarchischen Codes in den jeweiligen Be reichen (20, 22, 40) der immobilisierten Moleküle angeordnet ist.

11. Analysen-Chip nach mindestens einem der Ansprüche 2, 3 und 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb eines räumlichen Bereichs (20, 22, 40), der einer ersten Art von Molekülen zugeordnet ist, zusätzlich eine zweite Art von Molekülen immobilisiert ist; und
dass für beide Arten von Molekülen jeweils der zugehörige Code durch die Anordnung der Moleküle innerhalb des einen räumlichen Be reichs ausgebildet ist.

12. Analysen-Chip nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Arten von Molekülen bzw. die Codes derart ausgewählt sind, dass nicht beide Arten von Molekülen auf einem gemeinsamen Spot (14) immobilisiert sind.

13. Analysen-Chip nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Arten von immobilisierten Molekülen in nerhalb eines einzigen räumlichen Bereichs (20, 22, 40) unterschiedlich gefärbt sind.

14. Analysen-Chip nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einer Molekülart gehörenden Spots (14) mit einem vor gegebenen räumlichen Muster (26, 26, 28, 28') ausgebildet sind.

15. Analysen-Chip nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (X1) der Spots (30) der ersten Molekülart innerhalb des einen Bereichs und der Abstand (X2) der Spots (32) der zweiten Mole külart innerhalb des Bereichs sich unterscheiden.

16. Analysen-Chip, auf dem unterschiedliche Arten von Molekülen in jeweils zugeordneten räumlichen Bereichen immobilisiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass nach Auslesen einer Nachweisreaktion auf dem Analysen-Chip das Ergebnis der Nachweisreaktion in definierter Codeform in einen Abschnitt (36) auf den Analysen-Chip schreibbar ist.

17. Verfahren mit folgenden Schritten:
Mittels eines Analysen-Chips, auf dem unterschiedliche Arien von Molekülen in jeweils zugeordneten räumlichen Bereichen (40) immobilisiert sind, wird eine Nachweisreaktion durchgeführt.
Nach Auslesen der Nachweisreaktion wird das Ergebnis der Nach weisreaktion in definierter Codeform in einen Abschnitt (36) auf den Analysen-Chip geschrieben.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 17.