DE10046069A1 - Synthesis of polynucleotide in microfluidics system, useful for preparing synthetic genes, comprises stepwise addition of sequemers to immobilized starter oligonucleotide - Google Patents

Synthesis of polynucleotide in microfluidics system, useful for preparing synthetic genes, comprises stepwise addition of sequemers to immobilized starter oligonucleotide

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DE10046069A1 DE2000146069 DE10046069A DE10046069A1 DE 10046069 A1 DE10046069 A1 DE 10046069A1 DE 2000146069 DE2000146069 DE 2000146069 DE 10046069 A DE10046069 A DE 10046069A DE 10046069 A1 DE10046069 A1 DE 10046069A1
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/26Preparation of nitrogen-containing carbohydrates
    • C12P19/28N-glycosides
    • C12P19/30Nucleotides
    • C12P19/34Polynucleotides, e.g. nucleic acids, oligoribonucleotides

Abstract

Preparative synthesis of polynucleotides (I) using a microfluidics system (MS), is new. A starter oligonucleotide (ON) is either bound (directly or through a spacer) to the surface of the reaction space in MS, or is synthesized directly, with one end bound to the surface. ON corresponds to one end of (I) being synthesized. One or more rounds of hybridization of 'sequemers', each corresponding to a segment of (I) or its complement and having overlapping ends that allow hybridization, is performed. If required blunt ends, formed e.g. after a polymerase reaction, are converted to sticky ends suitable for hybridization. Where there are nicks between consecutive sequemers, ligation is performed, or if a segment of one or more nucleotides (nt) is missing (complementary to a segment of sequemer) this is completed by polymerase reaction, and ligation of the resulting nick if necessary. The process is repeated as necessary to assemble (I). Independent claims are also included for the following: (1) microfluidics element that includes bound polynucleotides produced by the new method, or their precursors; and (2) a kit or apparatus for the new method comprising appropriately coated microfluidics elements and optionally other components.

Description

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Synthese von Polynucleotiden unter Verwen­ dung mikrofluidischer Systeme, mikrofluidische Elemente mit den verfahrensgemäss erhält­ lichen gebundenen Polynucleotiden oder Vorstufen davon, die Verwendung von an Mikro­ fluidikelemente gebundenen Vorstufen der herzustellenden Polynucleotide bzw. der ent­ sprechend beschickten Mikrofluidikelemente zur Herstellung der Polynucleotide und/oder Kits oder Apparaturen für die Herstellung von Polynucleotiden, die entsprechend beschickte Mikrofluidikelemente umfassen.The invention relates to a new process for the synthesis of polynucleotides using of microfluidic systems, microfluidic elements obtained with the process bound polynucleotides or precursors thereof, the use of micro fluidic element-bound precursors of the polynucleotides to be produced or the ent speaking microfluidic elements for the production of the polynucleotides and / or Kits or apparatus for the production of polynucleotides that are loaded accordingly Include microfluidic elements.

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention

Mit dem Ausdruck "Mikrofluidik" wird eine vielversprechende Technologie bezeichnet, die unter Verwendung miniaturisierter Elemente etwa biochemische Nachweisreaktionen in sehr kleinem Maßstab erlaubt. Die so erreichbare Miniaturisierung biochemischer Reak­ tionsapparaturen hat neben dem ökonomischen Einsatz hochwertiger oder teurer Reagen­ tien und Materialien weiter den besonderen Vorteil kurzer Reaktions- und Nachweiszeiten. Temperaturgesteuerte Prozesse können sehr schnell eingestellt und genau kontrolliert werden. Durch Computer und geeignete Interfaces sowie Mikropumpen, Mikroventile, Mi­ kroheizvorrichtungen, Vorrichtungen zum Anlegen von Feldern etc. können Temperaturen wie auch Flüssigkeitsströme in den mikrofluidischen Mikrokanälen und/oder mikrokompar­ timentierten Reaktionskammern präzise gesteuert werden. Dies erlaubt die exakte Einstel­ lung von Konzentrationen bei Mischungsprozessen. Verschiedenste, beispielsweise opti­ sche, Nachweisverfahren können leicht eingesetzt werden, insbesondere, wenn die Mikro­ fluidik-Elemente mindestens teilweise transparent sind.The term "microfluidics" denotes a promising technology that using miniaturized elements such as biochemical detection reactions in allowed very small scale. The miniaturization of biochemical reac that can be achieved in this way besides the economical use of high-quality or expensive reagents tien and materials further the special advantage of short reaction and detection times. Temperature-controlled processes can be set up very quickly and precisely controlled become. Through computers and suitable interfaces as well as micropumps, micro valves, Mi kroheizvorrichtungen, devices for creating fields, etc. can temperatures as well as liquid flows in the microfluidic microchannels and / or microcompar Timed reaction chambers can be precisely controlled. This allows the exact setting concentration in mixing processes. Various, for example opti cal detection methods can be used easily, especially if the micro fluidic elements are at least partially transparent.

Die Verwendung mikrofluidischer Systeme wurde für sehr viele Anwendungen in der Bio­ technologie vorgeschlagen, insbesondere im Bereich der Analytik, etwa der Detektion oder des Nachweises von Nukleinsäuren, oder auch für Synthesen, einerseits in der kombinato­ rischen Chemie (z. B. für 1,4-Benzodiazepin-Derivate, WO 96/15450), andererseits zur Am­ plifikation vorhandener DNS- oder RNS-Moleküle entweder unter Temperaturvariation (z. B. WO 99/12016, DE 195 19 015) oder unter isothermen Bedingungen (z. B. US 5,939,291, Verwendung von Denaturierung durch Basen oder Verwendung von optional paramagneti­ schen elektrostatisch aufgeladenen Mikropartikeln, die die Proben-Nukleinsäuren an der Oberfläche binden und ihre Trennung in elektrischen Feldern erlauben). WO 99/36571 be­ schreibt die analytische Verwendung von "Protector"-Nukleinsäuresequenzen, die an feste Substrate, wie Arrays oder Beads, gebunden sind, anschliessende Hybridisierung mit gelö­ sten Nukleinsäuren, dann Anligation von Primern an diese und nachfolgende Amplifikation und Nachweis der gebildeten amplifizierten Nukleinsäuren in der Analytik. WO 99/57310 beschreibt Mikrofluidiksysteme mit Mäanderstruktur für die Analytik. Z. B. werden Trennver­ fahren für Biomoleküle (DNS, RNS) von der Firma Agilent unter der Marke DNA LabChip™ angeboten, Aclara Biosciences Inc. bietet Kunststoff-Arrays unter dem Namen LabCard an.The use of microfluidic systems has been used for many applications in the bio technology proposed, especially in the field of analytics, such as detection or the detection of nucleic acids, or also for syntheses, on the one hand in the combination Chemical chemistry (e.g. for 1,4-benzodiazepine derivatives, WO 96/15450), on the other hand to Am plication of existing DNA or RNA molecules with either temperature variation (e.g. WO 99/12016, DE 195 19 015) or under isothermal conditions (e.g. US 5,939,291, Use of denaturation by bases or use of optional paramagneti  electrostatically charged microparticles that attach the sample nucleic acids to the Bind surface and allow their separation in electrical fields). WO 99/36571 be writes the analytical use of "protector" nucleic acid sequences attached to fixed Substrates such as arrays or beads are bound, followed by hybridization with dissolved Most nucleic acids, then primers are attached to this and subsequent amplification and detection of the amplified nucleic acids formed in the analysis. WO 99/57310 describes microfluidic systems with a meandering structure for analysis. For example, Trennver drive for biomolecules (DNA, RNS) from Agilent under the brand DNA LabChip ™ , Aclara Biosciences Inc. offers plastic arrays under the name LabCard.

Ein noch neues Gebiet der Verwendung mikrofluidischer Elemente betrifft die Durchführung von Biomolekülsynthesen im Mikromaßstab. Im Bereich der Biotechnologie und der "Life Sciences" gewinnen gentechnische Methoden zunehmend Bedeutung. Insbesondere Ver­ fahren zur Erzeugung rekombinanter Gene und Verfahren der "umgekehrten Genetik" ("re­ verse genetics", bei der die Analyse bzw. Veränderung der DNS Ausgangspunkt ist) gewin­ nen zunehmend an Bedeutung. Die Klonierung und "in-vitro"-Mutagenese von Genkon­ strukten für Anwendungen der umgekehrten Genetik bindet bislang erhebliche zeitliche, personelle und finanzielle Ressourcen. Hier würde das einfache Verfügbarmachen insbe­ sondere längerer DNS-Sequenzen, wie synthetischer Gene, enorme Fortschritte ermögli­ chen. Sowohl in der akademischen als auch der industriellen Forschung würde durch Gen­ syntheseverfahren unter Verwendung von Mikrofluidikelementen ein Direktübergang von der computergestützten DNS-Sequenzanalyse zur funktionsorientierten Analyse und Ver­ wendung der verschiedensten Konstrukte ermöglicht - bis hin zur Anwendung in verschie­ denen Organismen in vivo. Neben einer zum Teil drastischen Reduktion der notwendigen Zeit könnten durch die Fokussierung von Infrastruktur und Personal auf die eigentlichen Kernkompetenzen für Forscher deutliche Kostenvorteile erzielt werden. Die durch die de­ novo-Synthese langer DNS-Sequenzen gewinnbare freie physikalische Verfügbarkeit digi­ taler genetischer Information (in Form von Sequenzen) mit allen Möglichkeiten zur Variation könnte zuvor bestehende Begrenzungen aufheben. Sie würde die Gewinnung neuer Er­ kenntnisse und die Verwirklichung neuer Perspektiven ermöglichen, durch Rückschlüsse aus der Beobachtung des mit ihrer Hilfe beobachtbar gemachten Flusses und der Umset­ zung genetischer Information. Neue, mit herkömmlichen Methoden nur schwer oder gar nicht realisierbare Lösungen könnten angeboten werden. In der "grünen" (= Pflanzen-) und "roten" (Tiere betreffenden) Biotechnologie und Mikrobiologie bieten sich eine Vielzahl von konkreten Anwendungsmöglichkeiten, z. B.:
A still new area of using microfluidic elements relates to the implementation of biomolecular syntheses on a micro scale. Genetic engineering methods are becoming increasingly important in the field of biotechnology and the "life sciences". In particular, methods for generating recombinant genes and methods of "reverse genetics"("reversegenetics", in which the analysis or modification of the DNA is the starting point) are becoming increasingly important. The cloning and "in vitro" mutagenesis of gene constructs for applications in reverse genetics has so far tied up considerable time, human and financial resources. Here, simply making available, in particular longer DNA sequences, such as synthetic genes, would make enormous progress. In both academic and industrial research, gene synthesis methods using microfluidic elements would enable a direct transition from computer-aided DNA sequence analysis to function-oriented analysis and use of a wide variety of constructs - right up to use in various organisms in vivo. In addition to a sometimes drastic reduction in the time required, the focus of infrastructure and personnel on the actual core competencies for researchers could result in significant cost advantages. The free physical availability of digital genetic information (in the form of sequences) that can be obtained through the de novo synthesis of long DNA sequences with all possibilities for variation could remove existing limitations. It would enable new insights to be gained and new perspectives to be realized, by drawing conclusions from observing the flow made observable with their help and implementing genetic information. New solutions that are difficult or impossible to implement with conventional methods could be offered. In "green" (= plant) and "red" (animal-related) biotechnology and microbiology, there are a variety of specific applications, e.g. B .:

  • - Verbesserung (qualitativ und/oder quantitativ) der Expression von Allogenen und Trans­ genen in verschiedensten Organismen basierend auf Codonoptimierung und/oder Mo­ difikation von Regulatoren (cis- und trans-Elemente), z. B. Expression von Transgenen in Pflanzen, DNS-Vakzinierung oder Gentherapie;- Improvement (qualitative and / or quantitative) of the expression of allogens and trans genes in various organisms based on codon optimization and / or Mo. dification of regulators (cis and trans elements), e.g. B. Expression of transgenes in plants, DNA vaccination or gene therapy;
  • - Generierung geeigneter Gene (oder damit herstellbarer Genprodukte) für therapeuti­ sche Anwendungen, z. B. Antisense-Molekülexpression, Ribozymexpression oder Immunotoxin-Produktion;- Generation of suitable genes (or gene products that can be produced) for therapeuti cal applications, e.g. B. antisense molecule expression, ribozyme expression or Immunotoxin production;
  • - Erstellung artifizieller Proteinsequenzen z. B. aus Resultaten des "molecular modelling" und genetische Veränderungen für Proteinstruktur- und Funktionsstudien synthetischer Designer-Proteine (z. B. Ergänzung oder Entfernung von Proteindomänen oder Protein- Leitsequenzen wie "leading signals", "homing signals", chimäre oder Fusions-Proteine aus der Kombination kodierender Regionen verschiedener heterologer Gene, etc.);- Creation of artificial protein sequences e.g. B. from results of "molecular modeling" and genetic changes for protein structure and function studies of synthetic Designer proteins (e.g. addition or removal of protein domains or protein Leading sequences such as "leading signals", "homing signals", chimeric or fusion proteins from the combination of coding regions of different heterologous genes, etc.);
  • - und/oder neue Möglichkeiten im Bereich molekularer Evolutionsverfahren.- and / or new opportunities in the field of molecular evolution processes.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist vor diesem Hintergrund, die vollautomatisierte Synthese synthetischer Biomoleküle, wie Oligonucleotide oder Polynukleotide, z. B. synthetische Ge­ ne etc.) mittels mikrokompartimentierter Mikrofluidikelemente auf der Basis computerge­ stützter Synthesevollautomaten zu ermöglichen. Dabei wird die aufwendige in-vitro-Kon­ struktion zur physikalischen Realisierung geeigneter, biologisch aktiver Nukleinsäuremole­ küle, wie RNS, DNS und Genvarianten, in die Produktion innerhalb des mikrokompartimen­ tierten Mikrofluidik-Elements verlagert. Eine wesentliche Aufgabe ist die Bereitstellung ge­ eigneter Methoden und Vorrichtungen für die genannten Zwecke.Against this background, the aim of the present invention is fully automated synthesis synthetic biomolecules such as oligonucleotides or polynucleotides, e.g. B. synthetic Ge ne etc.) by means of micro-compartmentalized microfluidic elements based on computer ge supported fully automatic synthesis machines. The elaborate in vitro con structure for the physical realization of suitable, biologically active nucleic acid moles cool, like RNA, DNA and gene variants, into production within the microcompartment microfluidic element. An essential task is the provision suitable methods and devices for the stated purposes.

Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren oder eine Methode zur präparativen Synthese von Poly­ nucleotiden unter Verwendung mikrofluidischer Systeme, insbesondere mikrofluidischer Elemente, oder die Verwendung mikrofluidischer Systeme, insbesondere mikrofluidischer Elemente, zur Synthese von Polynucleotiden, umfassend
The invention relates to a method or a method for the preparative synthesis of poly nucleotides using microfluidic systems, in particular microfluidic elements, or the use of microfluidic systems, in particular microfluidic elements, for the synthesis of polynucleotides, comprising

  • a) die Verwendung eines Startermolekül-Oligonucleotids ("Starter"), welches an einer Oberfläche eines Reaktionsraums eines Mikrofluidiksystems, vorzugsweise eines Mi­ krofluidikelements, insbesondere eines Mikrokanals, direkt oder über einen Spacer gebunden wird, vorzugsweise über sein 5'- oder insbesondere sein 3'-Hydroxy, oder direkt unter Bindung eines Endes an der Oberfläche des Reaktionsraumes syntheti­ siert wird, und welches eines der Enden, vorzugsweise das 3'-Ende, eines Stranges des zu synthetisierenden Polynukleotidsequenz umfasst;a) the use of a starter molecule oligonucleotide ("starter"), which on a Surface of a reaction space of a microfluidic system, preferably a Mi Krofluidikelements, especially a microchannel, directly or via a spacer  is bound, preferably via its 5'- or in particular its 3'-hydroxy, or directly with one end bound to the surface of the reaction space Siert, and which one of the ends, preferably the 3 'end of a strand of the polynucleotide sequence to be synthesized;
  • b) einen oder mehrere sich anschliessende Schritte der Hybridisierung von einem oder mehreren Sequemeren, welche Sequenzabschnitten aus der Sequenz eines zu syn­ thetisierenden Stranges oder deren Komplementärsequenz entsprechen und deren endständige Sequenzen jeweils so überlappen, dass sie die Hybridisierung mit ei­ nem endständigen Teilabschnitt aus dem Startermolekül oder dem jeweils vorausge­ henden Sequemer und dem nachfolgenden Sequemer oder im Falle des Resultie­ rens eines endständigen Blunt Ends, beispielsweise nach Polymerasereaktions­ schritten, nach Herstellung eines Sticky Ends dessen Hybridisierung mit dem über­ lappenden Bereich eines nachfolgenden Sequemers ermöglichen, undb) one or more subsequent steps of hybridizing one or several sequemers, which sequence sections from the sequence of a syn correspond to the thetizing strand or its complementary sequence and their terminal sequences each overlap so that they hybridize with ei nem terminal section from the starter molecule or the respective preceding sequencer and the subsequent sequemer or in the case of the result a terminal blunt end, for example after polymerase reaction steps, after producing a sticky end, its hybridization with the above allow overlapping area of a subsequent sequencer, and
  • c) im Falle von Nicks zwischen so hintereinandergereihten Sequemeren Ligation oder zur Komplettierung fehlender Teilabschnitte aus 1 oder mehr Nucleotiden, die zu einem Abschnitt des jeweils gegenüberliegenden Sequemerabschnitts komplemen­ tär sind, Polymerasereaktionen und erforderlichenfalls anschliessend Ligation zur Beseitigung resultierender Nicks, wobei die Schritte (ii) und (iii) so oft wiederholt werden, bis das gewünschte Polynucleotid erhalten ist.c) in the case of nicks between such sequential ligation or to complete missing sections of 1 or more nucleotides that are complete a section of the opposite sequencer section tare, polymerase reactions and, if necessary, subsequent ligation Eliminate resulting nicks, repeating steps (ii) and (iii) so many times until the desired polynucleotide is obtained.

Die Erfindung betrifft auch mikrofluidische Elemente mit verfahrensgemäss erhältlichen (nicht kovalent oder vorzugsweise kovalent) gebundenen Polynucleotiden oder Vorstufen davon, die Verwendung von an Mikrofluidikelemente gebundenen Vorstufen der herzustel­ lenden Polynucleotide, insbesondere der gebundenen Starter, wie oben definiert, bzw. der entsprechend beschickten (= mit (nicht-kovalent oder vorzugsweise kovalent) gebundenen Polynucleotidvorstufen versehenen) Mikrofluidikelemente zur Herstellung der Polynucleo­ tide und Kits oder Apparaturen für die Herstellung von Polynucleotiden, die entsprechend beschickte Mikrofluidikelemente und gegebenenfalls weitere Komponenten umfassen.The invention also relates to microfluidic elements with those obtainable according to the method (non-covalently or preferably covalently) bound polynucleotides or precursors from producing the use of microfluidic element precursors lend polynucleotides, in particular the bound starter as defined above, or the appropriately charged (= bound with (non-covalently or preferably covalently) Polynucleotide precursors) microfluidic elements for the production of the polynucleo tides and kits or apparatus for the production of polynucleotides, accordingly loaded microfluidic elements and optionally further components.

Die Verwendung (nicht-kovalent oder insbesondere kovalent) an eine Oberfläche in einem Mikrofluidiksystem gebundener Oligonucleotid-Startermoleküle zur In-situ-Synthese von Po­ lynucleotiden wird im Stand der Technik weder genannt noch nahegelegt. Sie vereinfacht jedoch entscheidend die jeweiligen Schritte für das Einbringen von Reagentien (wie Puffer, Enzyme oder Substrate), Waschschritte etc., indem die Bindung die jeweils resultierenden Moleküle fixiert, und ermöglicht, insbesondere ohne zusätzliche Trägermaterialien, wie Beads oder Säulenmaterialien, die konventionell als Träger für Nukleinsäuresynthesen ein­ gesetzt werden, zu arbeiten, was z. B. die Handhabung der Mikrofluidiksysteme erleichtert (kein Verstopfen, keine komplizierten Beladungsprozeduren mit Trägermaterialien).The use (non-covalent or especially covalent) on a surface in one Microfluidic system of bound oligonucleotide starter molecules for the in-situ synthesis of Po In the prior art, lynucleotides are neither mentioned nor suggested. It simplifies however, the respective steps for the introduction of reagents (such as buffers, Enzymes or substrates), washing steps etc., by binding the resultant in each case  Fixes molecules, and enables, in particular without additional support materials, such as Beads or column materials that are conventionally used as carriers for nucleic acid synthesis be set to work what z. B. facilitates the handling of microfluidic systems (no clogging, no complicated loading procedures with carrier materials).

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der ErfindungDetailed description of the preferred embodiments of the invention

Die allgemeinen Ausdrücke, die vor- und nachstehend verwendet werden, haben vorzugs­ weise die nachfolgend genannten Bedeutungen, wobei anstelle von allgemeinen Ausdrüc­ ken vor- und nachstehend unabhängig voneinander die spezifischeren Definitionen einge­ setzt werden können, was bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschreibt:
Polynucleotide bezeichnet insbesondere solche Nukleinsäurederivate, die mehrere Nucleo­ tide, insbesondere Ribonucleotide (in RNS) oder Deoxyribonucleotide (in DNS), in 3'-/5'- Bindung enthalten, beispielsweise komplette Gene, Cistrone, Ribozym-Sequenzen, jeweils mit oder ohne eine oder mehrere geeignete vor- und/oder nachgeschaltete Sequenzen, wie Promotorsequenzen, Reporter-Sequenzen, Sequenzen, die Restriktionsenzymschnittstellen enthalten, oder dergleichen. Bevorzugt sind DNS oder RNS mit jeweils 10 oder mehr, insbe­ sondere 20 bis 100 000, vorzugsweise 20 bis 10 000, vor allem 50 bis 500, z. B. 80 bis 90 Nucleotide. Daneben können, wie unten bei der Definition von Sequemeren beschrieben, auch Derivate von Nukleotiden in der Sequenz vorliegen. Solche Spezies umfassen bei­ spielsweise Basenmodifikationen oder Modifikationen des Zucker/Phosphat-Rückgrats. Sie können beispielsweise die Resistenz gegenüber Nukleasen erhöhen (etwa im Falle der Her­ stellung von Antisense-Molekülen) und daher angestrebt werden. Offenbarungsgemässe Polynucleotide können insbesondere doppel- oder einzelsträngig vorliegen.
The general terms used above and below preferably have the meanings given below, and instead of general terms above and below the more specific definitions can be used independently, which describes preferred embodiments of the invention:
Polynucleotides refers in particular to those nucleic acid derivatives which contain several nucleotides, in particular ribonucleotides (in RNA) or deoxyribonucleotides (in DNA), in 3 '- / 5' binding, for example complete genes, cistrons, ribozyme sequences, each with or without one or several suitable upstream and / or downstream sequences, such as promoter sequences, reporter sequences, sequences which contain restriction enzyme interfaces, or the like. Preferred are DNA or RNA with 10 or more, in particular special 20 to 100,000, preferably 20 to 10,000, especially 50 to 500, for. B. 80 to 90 nucleotides. In addition, as described below in the definition of sequemers, derivatives of nucleotides can also be present in the sequence. Such species include, for example, base modifications or modifications of the sugar / phosphate backbone. For example, they can increase resistance to nucleases (for example in the case of the manufacture of antisense molecules) and can therefore be sought. Polynucleotides according to the disclosure can in particular be double or single-stranded.

Beispielsweise kann in 2-Stellung des Riboserings anstelle eines Wasserstoff (DNS) oder Hydroxy (RNS) SH, SCH3, F, N3, CN, OCN, OCH3, O(CH2)zNH2 oder O(CH2)zCH3, worin z 1 bis 10 ist, O(CH2CH2O)vCH3 worin v 0 bis 12, insbesondere 1 bis 3, ist, CH2CH(CH3)OCH3, CH2CH(OH)CH2OH, Cl, Br, CF3, ONO2, NO2, NH2, O-, S- oder NH-C1-C7-Alkyl vorliegen. Statt der Phosphodiesterbindung kann ein Phosphorothioat, Phosphordithioat, Sulfat, Sulfo­ nat, Sulfonamid, Sulfon, Sulfit, Sulfoxid, Sulfid, Formacetal, 3'-Thioformacetal, 5'-Thioether, Hydroxylamin (mit CH2-NH-O-CH2 statt der Phosphodiesterbindung O-[(HO-)P(=O)]-O-CH2), Methylen(methylimino) (mit CH2-N(CH3)-O-CH3 statt der Phosphodiesterbindung); Methylen­ oxy(methylimino) (mit CH2-O-N(CH3)-CH2 statt der Phosphodiesterbindung), Methylen-((me­ thylimino)-methylimino) (mit CH2-N(CH3)-N(CH3)-CH2 statt der Phosphodiesterbindung), Car­ bonat, 5'-N-Carbamat, Amid (mit CH2-(C=O)-NH-CH2 statt der Phosphodiesterbindung, sie­ he WO 92/20823), Morpholino-carbamat (siehe Summerton, J.E. and Weiler, D.D., U.S. Pa­ tent No: 5,034,506) oder insbesondere eine Peptid-nucleinsäure (PNA, siehe P.E. Nielsen, M. Egholm, R.H. Berg, O. Buchardt, Science 254, 1497 (1991)) oder eine "Locked Nucleic Acid" (LNA®, z. B. mit Bicyclo[2.2.1]ribunucleosiden oder -xylosiden, worin der Sauerstoff der 2'-OH-Gruppe (oder stattdessen ein S oder ein -NH-) und das C-4' der Ribose oder Xylose über eine Methylengruppe miteinander verbunden sind, siehe z. B. Pharmaceutical Manufacturing Int., 127-130 (1999) oder Nucleosides Nucleotides 18, 1365-70 (1999) und darin genannte Referenzen; Exiqon AS, Vedbaek, Kopenhagen) vorliegen (Übersichts­ artikel zu Modifikationen: siehe auch Milligan et al., J. Med. Chem. 36(14), 1923-37 (1993), und Uhlmann et al., Chemical Reviews 90(4), 543-84 (1990)). Vorzugsweise finden sich derartige Modifikationen, insbesondere LNA-Abschnitte, die eine besonders hohe Affinität (meist um 3 bis 8°C erhöhte TM, s. u., als bei unmodifizierten Nucleotiden) bei Basenpaa­ rungen bewirken, in den (insbesondere 3'-)Abschnitten von Sequemeren, die an das jeweils vorherige Sequemer oder den Starter hybridisiert werden (der Vorteil davon ist, dass im nicht hybridisierten Teil enzymatische Reaktionen, wie Polymerase- oder Ligationsreak­ tionen, nicht behindert werden). Die Erfindung betrifft daher auch insbesondere die Ver­ wendung von Sequemeren im erfindungsgemässen Verfahren, die (vor allem in diesem Überlappungsbereich) modifizierte Nucleinsäuren, insbesondere LNA, enthalten.For example, in the 2-position of the ribose ring SH, SCH 3 , F, N 3 , CN, OCN, OCH 3 , O (CH 2 ) z NH 2 or O (CH 2 ) instead of a hydrogen (DNS) or hydroxy (RNS) z CH 3 , in which z is 1 to 10, O (CH 2 CH 2 O) v CH 3 in which v is 0 to 12, in particular 1 to 3, CH 2 CH (CH 3 ) OCH 3 , CH 2 CH (OH ) CH 2 OH, Cl, Br, CF 3 , ONO 2 , NO 2 , NH 2 , O-, S- or NH-C 1 -C 7 alkyl are present. Instead of the phosphodiester bond, a phosphorothioate, phosphorodithioate, sulfate, sulfonate, sulfonamide, sulfone, sulfite, sulfoxide, sulfide, formacetal, 3'-thioformacetal, 5'-thioether, hydroxylamine (with CH 2 -NH-O-CH 2 instead of Phosphodiester bond O - [(HO-) P (= O)] - O-CH 2 ), methylene (methylimino) (with CH 2 -N (CH 3 ) -O-CH 3 instead of the phosphodiester bond); Methylene oxy (methylimino) (with CH 2 -ON (CH 3 ) -CH 2 instead of the phosphodiester bond), methylene - ((methylimino) -methylimino) (with CH 2 -N (CH 3 ) -N (CH 3 ) - CH 2 instead of the phosphodiester bond), car bonate, 5'-N-carbamate, amide (with CH 2 - (C = O) -NH-CH 2 instead of the phosphodiester bond, see he WO 92/20823), morpholino-carbamate (see Summerton, JE and Weiler, DD, US Patent No: 5,034,506) or in particular a peptide nucleic acid (PNA, see PE Nielsen, M. Egholm, RH Berg, O. Buchardt, Science 254, 1497 (1991)) or a " Locked Nucleic Acid "(LNA®, e.g. with bicyclo [2.2.1] ribunucleosides or xylosides, in which the oxygen of the 2'-OH group (or instead an S or an -NH-) and the C-4 'The ribose or xylose are connected to one another via a methylene group, see e.g. Pharmaceutical Manufacturing Int., 127-130 (1999) or Nucleosides Nucleotides 18, 1365-70 (1999) and the references mentioned therein; Exiqon AS, Vedbaek, Copenhagen ) are available (overview article on modifications: s see also Milligan et al., J. Med. Chem. 36 (14), 1923-37 (1993), and Uhlmann et al., Chemical Reviews 90 (4), 543-84 (1990)). Such modifications, in particular LNA sections, which have a particularly high affinity (usually 3 to 8 ° C. higher T M , see below than in the case of unmodified nucleotides) in base pairings, are preferably found in the (in particular 3 ′ -) sections of Sequemers that are hybridized to the previous sequencer or starter (the advantage of this is that enzymatic reactions such as polymerase or ligation reactions are not hindered in the non-hybridized part). The invention therefore also relates in particular to the use of sequemers in the process according to the invention which (especially in this overlap region) contain modified nucleic acids, in particular LNA.

Als Basen kommen die Standardpurinbasen (Adenin, Guanin) oder die Standardpyrimidin­ basen (Thymin, Uracil und Cytosin) oder ferner Derivate in Betracht, beispielsweise Xan­ thin, Hypoxanthin, N-Methyladenin, N-Benzoyladenin, 2-Methylthioadenin, 2-Aminoadenin, 6-Hydroxypurin, 2-Amino-6-chlorpurin, 2-Amino-6-methylthiopurin, N-Isobutyrylguanin, 5- Fluoruracil, 5-Chloruracil, 5-Bromuracil, Dihydrouracil, 5-Methylcytosin, 5-Propinylthymin, 5- Propinyluracil oder 5-Propinylcytosin. Daneben können auch mit Markem versehene, ins­ besondere biotinylierte (für indirekte Markierungsmethoden) oder durch Farbstoffe, insbe­ sondere Fluoreszenzfarbstoffe, wie Fluorescein, Rhodamin, Hydroxycumarin, Benzofuran, Texas-Rot, Biman oder Ethidium/Tb3+, oder Lumineszenzmarker, wie (Iso)-luminolderivate, Acridiniumester, Ru2+-(2,2'-bipyridyl)3-Komplexe, Rhodamin oder Luminol, markierte Nucle­ otide Einsatz finden, was die Detektion der resultierenden Moleküle erleichtert und/oder die Synthese markierter Moleküle, wie Sonden, ermöglicht. Suitable bases are the standard purine bases (adenine, guanine) or the standard pyrimidine bases (thymine, uracil and cytosine) or further derivatives, for example Xan thin, hypoxanthine, N-methyladenine, N-benzoyladenine, 2-methylthioadenine, 2-aminoadenine, 6 -Hydroxy purine, 2-amino-6-chloropurine, 2-amino-6-methylthiopurine, N-isobutyrylguanine, 5-fluorouracil, 5-chlorouracil, 5-bromouracil, dihydrouracil, 5-methylcytosine, 5-propynylthymine, 5-propynyluracil or 5 -Propinylcytosin. In addition, markers, in particular biotinylated ones (for indirect labeling methods) or by dyes, in particular special fluorescent dyes, such as fluorescein, rhodamine, hydroxycoumarin, benzofuran, Texas red, biman or ethidium / Tb 3+ , or luminescent markers, such as (iso ) -luminol derivatives, acridinium esters, Ru 2+ - (2,2'-bipyridyl) 3 complexes, rhodamine or luminol, labeled nucleotides are used, which facilitates the detection of the resulting molecules and / or the synthesis of labeled molecules, such as probes, allows.

Weitere Modifikationen finden sich unten im Abschnitt über chemische Ligation. Soweit derartige Modifikationen die Ligations- oder Polymerisationsreaktionen behindern können, finden sich die Modifikationen an solchen Stellen in den Sequemeren, an denen sie die Ligations- oder Polymerasereaktionen nicht behindern.Further modifications can be found below in the section on chemical ligation. So far such modifications can hinder the ligation or polymerization reactions, the modifications can be found in the sequence in those places where they are the Do not interfere with ligation or polymerase reactions.

"Mikrofluidische Systeme" (= Mikrofluidiksysteme) sind vorzugsweise solche Systeme, die einen oder mehrere Passage, Kammern oder Leitungen umfassen, welche mindestens eine interne Querschnittsabmessung, z. B. Tiefe, Weite, Länge, Durchmesser etc., im µm-Maß­ stab, insbesonder von 800 µm oder weniger, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 500 µm, z. B. zwischen 5 und 500 µm, haben. Die mikrofluidischen Systeme gemäss der Erfindung beinhalten vorzugsweise mindestens ein Mikrofluidikelement mit mindestens einem Kanal im µm-Maßstab (Mikrokanal) oder mehreren davon, die sich auch schneiden können und in den verschiedensten Formen oder Geometrien vorliegen können, beispielsweise geradlinig, sägezahnförmig, verzweigt, mäanderförmig, spiralig, kreisförmig oder dergleichen. Schnitt­ punkte können, falls vorhanden, beispielsweise als Kreuzung, T-Einmündungen oder der­ gleichen vorliegen. Vorzugsweise umfasst ein Mikrofluidiksystem für die Zwecke der vorlie­ genden Erfindung ein Mikrofluidikelement, d. h., eine Struktur, die einen oder mehrere Mi­ krokanäle und Mikrokammern, insbesondere einen Mikrokanal oder eine Mikrokammer, in integrierter Form enthält, beispielsweise einen Array (Chip), und in Monolithstruktur oder vorzugsweise aus zwei oder mehr Schichten oder Teilen aufgebaut ist, beispielsweise mit einer Deck- und einer Substratschicht, welche die Kanäle und Kammern des Mikrofluidik­ elements definiert, z. B. wie in Fig. 1. Vorzugsweise liegt eine im wesentlichen planare Sub­ stratschicht vor, die mindestens eine im wesentlichen flache Oberfläche mit Mikrofluidik­ kanälen und/oder -kammern, insbesondere einem Mikrokanal oder einer Mikrokammer, aufweist, auf die eine ebenfalls im wesentlichen planare Deckschicht aufgelegt wird."Microfluidic systems" (= microfluidic systems) are preferably those systems which comprise one or more passages, chambers or lines which have at least one internal cross-sectional dimension, e.g. B. depth, width, length, diameter, etc., in microns dimension, in particular of 800 microns or less, especially in the range of 0.1 to 500 microns, z. B. between 5 and 500 microns. The microfluidic systems according to the invention preferably contain at least one microfluidic element with at least one channel on a μm scale (microchannel) or more thereof, which can also intersect and can be in a wide variety of shapes or geometries, for example linear, sawtooth-shaped, branched, meandering, spiral, circular or the like. Intersection points, if present, can be present, for example, as an intersection, T-junctions or the like. A microfluidic system for the purposes of the present invention preferably comprises a microfluidic element, ie a structure which contains one or more microchannels and microchambers, in particular a microchannel or a microchamber, in an integrated form, for example an array (chip), and in a monolith structure or is preferably constructed from two or more layers or parts, for example with a cover and a substrate layer, which defines the channels and chambers of the microfluidic element, for. B. As in Fig. 1. Preferably there is an essentially planar substrate layer which has at least one essentially flat surface with microfluidic channels and / or chambers, in particular a microchannel or a microchamber, on which a likewise essentially planar Top layer is placed.

Eine Reihe von Materialien können für die Deck- und die Substratschicht verwendet wer­ den. Vorzugsweise, da die Vorrichtungen mikrotechnisch hergestellt werden, sind die Mate­ rialien so ausgesucht, dass sie mit bekannten Mikrofabrikations-Techniken kompatibel sind, z. B. Photolithographie, chemische Nassätzung, Plasma- oder Laser-Abtragung, Spritzguss oder andere Urformmethoden, Pressung, Prägung, CVD-Beschichtungstechnik und derglei­ chen. Die Substratmaterialien werden auch selektioniert nach ihrer Eignung für den gesam­ ten Bereich an Bedingungen, denen die Mikrofluidiksysteme ausgesetzt werden sollen, ein­ schließlich extremer Temperatur-, pH- oder Salzkonzentrationsbedingungen oder der An­ wendung elektrischer oder magnetischer Felder. In einem bevorzugten Aspekt der Erfin­ dung handelt es sich bei den Materialien um solche, die auch in der Halbleiterindustrie An­ wendung finden, wo regelmässig Mikrofabrikationstechniken Anwendung finden, insbeson­ dere auf Siliziumbasis, wie Silizium, Siliziumdioxid, Glas, Quartz, Silikon oder Polysilikon, oder andere Halbleitermaterialien, wie Galliumarsenid. Als Glas ist beispielsweise FOTU­ RAN® der Firma Mikroglas Technik AG, Mainz, Deutschland, erforderlichenfalls mit hydro­ xytragenden Silanen silanisiert, verwendbar. Im Falle von Halbleitermaterialien kann es oft zweckmässig sein, eine Isolierschicht, beispielsweise aus Siliziumdioxid, über das Material zu schichten, insbesondere, wo elektrische Felder auf dem Mikrofluidikelement Anwendung finden sollen. Weitere bevorzugte Materialien sind u. a. Polymere, z. B. Kunststoffe, wie Po­ lymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat, Polyester, Polyamide, Polytetrafluorethylen (TEFLON®), Polyvinylchlorid (PVC), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polysulfon, Polystyrol, Po­ lyolefine, wie Polymethylpenten, Polypropylen oder Polyethylen, Polyvinylidinfluorid, Acryl­ nitril-Butadien-Copolymer (ABS), Blockcopolymere oder Gemische von zwei oder mehr da­ von verwendbar. Derartige polymere Substrat- und Deckschichten sind nach bekannten, beispielsweise den oben genannten, Mikrofabrikationsverfahren herstellbar, oder mittels mikrotechnisch hergestellter Mutterformen unter Verwendung bekannter Formungsverfah­ ren, wie Spritzguss, Prägen oder Stempeln, oder durch Polymerisation des monomeren Vorläufermaterials innerhalb der Form (Urform). Derartige polymere Materialien sind bevor­ zugt, da sie leicht herstellbar, preisgünstig und auch wegwerfbar sein können. Jedoch sind Mikrofluidikelemente auf Glasbasis besonders bevorzugt. Alle genannten Materialien kön­ nen spezifisch behandelte oder beschichtete Oberflächen oder Oberflächenabschnitte (z. B. innerhalb der Mikrokanäle) enthalten, beispielsweise durch Silanierung (Beschichtung mit einem Silan, an das ein eine Hydroxygruppe tragendes Verbindungsmolekül gekoppelt wird), Anätzung von Glas, so dass die Oberfläche viele Hydroxygruppen aufweist, beispiels­ weise mit Caro'scher Säure, oder anderweitige Einführung reaktiver Gruppen (z. B. Epoxid­ gruppen, aktivierte Estergruppen, Dien- oder Dienophilgruppen oder dergleichen).A number of materials can be used for the top and substrate layers the. Preferably, since the devices are micro-engineered, the mate rialien selected so that they are compatible with known microfabrication techniques, z. B. photolithography, chemical wet etching, plasma or laser ablation, injection molding or other primary molding methods, pressing, embossing, CVD coating technology and the like chen. The substrate materials are also selected according to their suitability for the whole range of conditions to which the microfluidic systems are to be exposed finally extreme temperature, pH or salt concentration conditions or the An  application of electric or magnetic fields. In a preferred aspect of the inven The materials are materials that are also used in the semiconductor industry find application where microfabrication techniques are regularly used, in particular silicon-based, such as silicon, silicon dioxide, glass, quartz, silicone or polysilicon, or other semiconductor materials such as gallium arsenide. For example, the glass is FOTU RAN® from Mikroglas Technik AG, Mainz, Germany, if necessary with hydro xy-bearing silanes silanized, usable. In the case of semiconductor materials, it can often be appropriate, an insulating layer, for example made of silicon dioxide, over the material to layer, particularly where electrical fields are applied to the microfluidic element should find. Other preferred materials include a. Polymers, e.g. B. plastics, such as Po lymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polyester, polyamide, polytetrafluoroethylene (TEFLON®), polyvinyl chloride (PVC), polydimethylsiloxane (PDMS), polysulfone, polystyrene, Po lyolefins, such as polymethylpentene, polypropylene or polyethylene, polyvinylidine fluoride, acrylic nitrile-butadiene copolymer (ABS), block copolymers or mixtures of two or more of usable. Such polymeric substrate and cover layers are known, For example, the above-mentioned, microfabrication processes can be produced, or by means of Microtechnically produced mother molds using known molding processes ren, such as injection molding, embossing or stamping, or by polymerization of the monomer Precursor material within the form (original form). Such polymeric materials are coming trains because they can be easily manufactured, inexpensive and also disposable. However are Glass-based microfluidic elements are particularly preferred. All materials mentioned can surfaces or sections of the surface that have been specifically treated or coated (e.g. contained within the microchannels), for example by silanation (coating with a silane to which a compound molecule carrying a hydroxyl group is coupled is), etching of glass so that the surface has many hydroxyl groups, for example wise with Caro's acid, or otherwise introducing reactive groups (e.g. epoxy groups, activated ester groups, diene or dienophile groups or the like).

Die Mikrokanäle und/oder -kammern der Mikrofluidikelemente werden insbesondere unter Verwendung der üblichen, insbesondere der bereits genannten, Mikrofabrikations-Techni­ ken innerhalb der Oberschicht der Substratschicht eingebracht, als Gruben im Mikromaß­ stab oder Einkerbungen oder dergleichen. Die Deckschicht (5 in Fig. 1) hat vorzugsweise zwei einander gegenüberliegende im wesentlichen parallele Schichten und kann selbst Mi­ krokanäle und/oder -kammern an der Oberfläche enthalten oder einfach in der Substrat­ schicht vorhandene Mikrokanäle oder -kammern abdecken und selbst völlig planar sein, oder sie kann auch ein oder mehrere Aperturen, Öffnungen oder Verbindungselemente, die sie nach aussen durchdringen, beinhalten.The microchannels and / or chambers of the microfluidic elements are introduced, in particular using the customary, in particular the microfabrication techniques mentioned above, into the upper layer of the substrate layer, as micro-scale pits or notches or the like. The cover layer ( 5 in FIG. 1) preferably has two mutually opposite, essentially parallel layers and can itself contain microchannels and / or chambers on the surface or simply cover existing microchannels or chambers in the substrate layer and themselves be completely planar, or it can also include one or more apertures, openings or connecting elements which penetrate to the outside.

Vorzugsweise werden eine Oberfläche der Deckschicht und die Seite der Substratschicht, die die Mikrokanäle und/oder -kammern umfasst, miteinander verbunden, beispielsweise durch Klammern, Verklebung oder Verschmelzung, so dass die Deckschicht die Kanäle oder Kammern nach oben vervollständigt und abdichtet. Nach aussen führende Zu- und Ableitungselemente für Flüssigkeiten, wie 3 und 4 in Fig. 1, und/oder elektrische Leiter wer­ den durch die Deckschicht oder seitlich oder unten an der Substratschicht geführt.Preferably, a surface of the cover layer and the side of the substrate layer, which comprises the microchannels and / or chambers, are connected to one another, for example by clamping, gluing or fusing, so that the cover layer completes and seals the channels or chambers upwards. To the outside leading supply and discharge elements for liquids, such as 3 and 4 in Fig. 1, and / or electrical conductors who led through the cover layer or laterally or below on the substrate layer.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Mikrofluidikelemente ein optisches Detektionsfenster, welches beispielsweise die Kontrolle von Vorgängen in Mikro­ kanälen oder -kammern erlaubt. Vorzugsweise ist die ganze Deckschicht oder die ganze Substratschicht optisch transparent, oder insbesondere beide. Optische Detektionsfenster oder die entsprechend transparenten Schichten sind insbesondere in der Lage, UV-, sicht­ bares oder Infrarotlicht durchzulassen. Z. B. sind Quartz oder Glas oder transparente Polymermaterialien, wie PMMA, Polycarbonat geeignete optisch durchlässige Materialien.In preferred embodiments of the invention, the microfluidic elements include optical detection window, which, for example, controls processes in micro channels or chambers allowed. Preferably the whole cover layer or the whole Substrate layer optically transparent, or in particular both. Optical detection window or the correspondingly transparent layers are in particular capable of UV, vision passable or infrared light. For example, are quartz or glass or transparent Polymer materials such as PMMA, polycarbonate suitable optically transparent materials.

Die optisch durchlässigen Bereiche sind insbesondere geeignet zur Überwachung und Kon­ trolle. Geeignete Detektionssysteme hierfür sind beispielsweise solche, die kolorimetrische, fluorometrische oder radioaktive Signale oder Chemilumineszenzsignale erfassen können, oder ferner Änderungen des Brechungsindex oder der Dichte, z. B. mittels photoakustischer Einrichtungen. Beispiele für geeignete Detektoren sind Spektrophotometer, Photodioden, Photomultiplier, Mikroskope, Szintillationszähler, Kameras, gekühlte Charge-Coupled Devi­ ce-Kameras (CCD), Filme und dergleichen. Bevorzugt sind insbesondere optische Detekti­ onssysteme; so werden fluoreszenzbasierte Signale beispielsweise mittels Laser-aktivierter Fluoreszenz-Detektionssysteme gemessen mit Lasern, welche eine geeignete Wellenlänge haben, um den Fluoreszenzindikator innerhalb des Systems zu aktivieren. Die Fluoreszenz wird dann beispielsweise mittels einer Photomultiplier-Röhre gemessen. Für die kolorimetri­ sche Detektion werden vorzugsweise spektrophotometrische Detektionssysteme verwen­ det, die eine auf die Probe gerichtete Lichtquelle detektieren und eine Messung der Absor­ banz oder der optischen Durchlässigkeit ermöglichen (vgl. The Photonics Design and Appli­ cations Handbook, Bücher 1, 2, 3 und 4, jährlich von Laurin Publishing Co., Berkshire Com­ mon, Pittsfield, MA, USA mit Quellen optischer Komponenten).The optically transparent areas are particularly suitable for monitoring and monitoring trolls. Suitable detection systems for this are, for example, those that use colorimetric, can detect fluorometric or radioactive signals or chemiluminescent signals, or further changes in refractive index or density, e.g. B. by means of photoacoustic Institutions. Examples of suitable detectors are spectrophotometers, photodiodes, Photomultipliers, microscopes, scintillation counters, cameras, cooled charge-coupled devi CE cameras (CCD), films and the like. Optical detectors are particularly preferred onssysteme; for example, fluorescence-based signals are activated using laser Fluorescence detection systems measured with lasers that have a suitable wavelength have to activate the fluorescent indicator within the system. The fluorescence is then measured, for example, using a photomultiplier tube. For the colorimetri detection are preferably used spectrophotometric detection systems det, which detect a light source directed at the sample and a measurement of the absorber or the optical permeability (see. The Photonics Design and Appli  cations Handbook, Books 1, 2, 3 and 4, annually by Laurin Publishing Co., Berkshire Com mon, Pittsfield, MA, USA with sources of optical components).

Auch nicht-optische Detektionssysteme können verwendet werden, beispielsweise Tempe­ ratursensoren (nützlich bei endothermen oder exothermen Reaktionen), Leitfähigkeit, Impe­ danz (z. B. durch ISFETS), Potentiometrie (pH, Ionen) oder Amperometrie (bei Einsatz oxi­ dierbarer oder reduzierbarer Reagentien, wie Sauerstoff oder organische oxidierbare oder reduzierbare Reagentien). Beispiele für nützliche Detektionssysteme sind immunologische Systeme, beispielweise solche, die eine Detektion von doppelsträngiger DNS ermöglichen, oder insbesondere solche auf Basis interkalierender Verbindungen, die über Fluoreszenz, Fluoreszenz-Quenching oder photometrische Messungen die Messung der Länge syntheti­ sierter Polynucleotid-Moleküle ermöglichen.Non-optical detection systems can also be used, for example Tempe temperature sensors (useful for endothermic or exothermic reactions), conductivity, impe danz (e.g. by ISFETS), potentiometry (pH, ions) or amperometry (when using oxi dierbaren or reducible reagents, such as oxygen or organic oxidizable or reducible reagents). Examples of useful detection systems are immunological Systems, such as those that allow detection of double-stranded DNA, or especially those based on intercalating compounds that are fluorescent, Fluorescence quenching or photometric measurements measure the length syntheti enabled polynucleotide molecules.

Die Mikrofluidikelemente können auch Abschnitte umfassen, in denen chromatographische Trägermaterialien, z. B. Molekularsiebe auf der Basis von Agarose, Zellulose, Polyacrylamid, Polymethacrylamid oder Polydimethacrylamid, Ionenaustauscherharze, Trennmaterialien für die Chromatographie auf Basis hydrophober Wechselwirkungen, Affinitätsharze, Gelaus­ schlussharze und dergleichen, vorliegen, die beispielsweise direkte Trennungen von Pro­ dukten von Reagentien ermöglichen.The microfluidic elements can also include sections in which chromatographic Carrier materials, e.g. B. molecular sieves based on agarose, cellulose, polyacrylamide, Polymethacrylamide or polydimethacrylamide, ion exchange resins, separating materials for chromatography based on hydrophobic interactions, affinity resins, Gelaus final resins and the like, are present, for example, direct separations from Pro products of reagents.

Die Verwendung mikrofluidischer Systeme bedingt entsprechende Einrichtungen zur Steu­ erung der Flüsse und Verweildauern von Lösungen mit Puffern, Reagentien, Enzymen etc., wie externe Pumpsysteme, die Flüssigkeiten in reproduzierbarer Weise zuführen können, in reproduzierbaren und akkurat kontrollierten Mengen, und auch die Reinheit und gewünsch­ tenfalls die Sterilität von Lösungen aufrechterhalten. Die 205U Multichannel Cassette Pump von Watson Marley, Inc. (USA) ist ein Beispiel für eine derartige Pumpe. Alternativ können miniaturisierte mechanische Pumpen, basierend auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), eingesetzt werden. Diese Miniaturpumpen können intern oder extern in Bezug auf Mikrokanäle und Reaktionskammern oder dergleichen sein. Ein Beispiel für derartige Pum­ pen sind die von Shoji et al. in Electronics und Communications in Japan, Part 2, 70, 52-59 (1989) beschriebenen, oder Diaphragma-Pumpen, thermische Pumpen oder dergleichen. Andere geeignete Förderungsmittel für Flüssigkeiten durch Mikrokanäle umfassen elektro­ kinetische Pumpen - basierend auf dem Prinzip der Elektroosmose -, z. B. wie von Dasgupta et al. in Anal. Chem. 66, 1792-1798 (1994) beschriebenen, oder elektrophoretische Metho­ den, welche z. B. die Verwendung inerter Metallelektroden (z. B. aus Gold oder Platin), die mit externen oder internen Schaltkreisen oder elektrischen Verbindungen und geeigneten Ansteuerungsgeräten in Kontakt stehen, erfordern (siehe z. B. US 5,858,195).The use of microfluidic systems requires appropriate control devices increasing the flows and residence times of solutions with buffers, reagents, enzymes etc., such as external pumping systems that can deliver liquids in a reproducible manner reproducible and accurately controlled quantities, and also the purity and desired if necessary, maintain sterility of solutions. The 205U Multichannel Cassette Pump from Watson Marley, Inc. (USA) is an example of such a pump. Alternatively, you can miniaturized mechanical pumps based on microelectromechanical systems (MEMS) can be used. These miniature pumps can be used internally or externally Microchannels and reaction chambers or the like. An example of such a pump pen are those of Shoji et al. in Electronics and Communications in Japan, Part 2, 70, 52-59 (1989), or diaphragm pumps, thermal pumps or the like. Other suitable fluids through microchannels include electro kinetic pumps - based on the principle of electroosmosis - e.g. B. as from Dasgupta et al. in anal. Chem. 66, 1792-1798 (1994), or electrophoretic metho  the z. B. the use of inert metal electrodes (z. B. of gold or platinum), the with external or internal circuits or electrical connections and suitable Control devices are in contact, require (see e.g. US 5,858,195).

Der Zu- und Abstrom kann auch durch Mikroventile reguliert werden, die auf dem piezoelek­ trischen Biegungsprinzip, beispielsweise mit Piezoelementen auf der Basis von Polysilikon oder Lithium-Niobat, auf Ultraschallsensorbasis, auf der Basis zungenförmiger Elemente, die unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes auf Grund magnetorestriktiver Kräfte gebogen werden, Gleitschieber-kontrollierter Ventile oder fluidischer Elemente, bei denen kleine Flüssigkeitsbewegungen grosse kontrollieren, und dergleichen funktionieren. Derar­ tige Elemente sind z. B. in US 5,837,200 beschrieben.The inflow and outflow can also be regulated by micro valves on the piezoelek trical bending principle, for example with piezo elements based on polysilicon or lithium niobate, based on ultrasonic sensors, based on tongue-shaped elements, that under the influence of an external magnetic field due to magnetorestrictive forces be bent, slide valve-controlled valves or fluidic elements where control small liquid movements big ones, and the like work. Derar term elements are e.g. B. described in US 5,837,200.

Auch elektrische Kontrolleinrichtungen sind erforderlich, beispielsweise zum Ansteuern von Pumpen, Lichtelementen und dergleichen. Ein Beispiel findet sich in WO 98/00707.Electrical control devices are also required, for example for controlling Pumps, light elements and the like. An example can be found in WO 98/00707.

Mikrofluidiksysteme umfassen insbesondere die genannten Mikroelemente, vorzugsweise -kanäle und/oder -kammern und ausserdem Detektionssysteme (beispielsweise Sensoren, Detektoren oder dergleichen) und gegebenenfalls stromleitende Beschichtungen oder Lei­ tungen, Mikroventile und Pumpen sowie gegebenenfalls Heiz- oder Kühlelemente (ausser­ halb oder innerhalb der Mikrofluidikelemente) oder sonstige Bestandteile, insbesondere wie vorstehend genannt. Weiter können Kontrollsysteme beispielsweise für die Richtung und In­ tensität von Flüssigkeitsbewegungen, Detektionsmittel für die Kontrolle der Umgebung (bei­ spielsweise Temperatur) des Mikrofluidikelements, und Einheiten für die Detektion oder Kontrolle von Daten aus dem Mikrofluidikelement selbst vorliegen, wie Spannungskontroll­ elemente, etc. Vorzugsweise sind diese und weitere Elemente computerkontrolliert.Microfluidic systems include, in particular, the micro elements mentioned, preferably channels and / or chambers and also detection systems (for example sensors, Detectors or the like) and optionally current-conducting coatings or Lei tion, microvalves and pumps as well as heating or cooling elements (except half or within the microfluidic elements) or other components, in particular how mentioned above. Control systems can also be used for direction and in Intensity of fluid movements, detection means for the control of the environment (at example temperature) of the microfluidic element, and units for detection or Control of data from the microfluidic element itself is present, such as voltage control elements, etc. These and other elements are preferably computer-controlled.

Startermolekül-Oligonucleotide können direkt an der Oberfläche (ggf. über Spacer) des je­ weiligen Mikrokanals oder der Mikrokammer synthetisiert werden, ausgehend von ihrem 5'- oder vorzugsweise dem 3'-Ende. Dann können sie Sequenzen beinhalten, die vor den ei­ gentlich zu synthetisierenden Polynucleotidsequenzen Restriktionsschnittstellen, insbeson­ dere für Restriktionsendonucleasen des Typs II, bilden. Die Abspaltung des fertig syntheti­ sierten, interessierenden Polynucleotids kann dann durch Spaltung mit der entsprechenden Restriktionsendonuklease (z. B. Alu I, Bam HI, Bgl I, Bst I, Eco RI, Eco RII, Fok I, Fnu Dl, Hae II, Hae III, Hind II, Hind III, Hpa I, Msp I, Not I, Pst I, Sac I, Sal I, Sau 3A, Sma I, Taq I, Xho I, Xma I) erfolgen. Alternativ kann die Abspaltung des fertigen Polynucleotids durch Spaltung spaltbarer Spacer erfolgen (beispielsweise photolytisch, oder auf chemischem Wege, z. B. durch Säure- oder durch Basenbehandlung, reduktiv (z. B. Reduktion von bin­ denden Disulfidbrücken) oder thermisch (für Retro-Diels-Alder-Reaktion), oder durch Aufhe­ bung nicht-kovalenter Bindungen (z. B. Zugabe von Biotin zur Unterbindung der Biotin/Avi­ din-Bindung). Bei der in situ-Synthese wird die an die Oberfläche beispielsweise (ggf. nach Beschichtung mit einem hydroxytragenden Silan) ein eine Hydroxylgruppe tragendes Spa­ cermolekül gekoppelt. Von diesem ausgehend erfolgt die Oligonukleotidsynthese nach übli­ chen Verfahren, insbesondere nach dem CPG-Phosphoramidit-Verfahren ausgehend vom 3'-Ende des Startermoleküls. Bei modifizierten Verfahren wird die Hydroxylgruppe des Ver­ bindungsmoleküls mit einer photolabilen Schutzgruppe, wie Pyrenylmethyl, Hydroxystyryl- (dialkyl)silyl, Dimethoxybenzoinoxycarbonyl (DMBO), Methylnitropiperonyloxycarbonyl (MeNPOC) oder insbesondere 2-Nitrophenylpropyloxycarbonyl (NPPOC) versehen, welche nach UV-Bestrahlung (beispielsweise mit einer Quecksilberdampflampe, beispielsweise 100 W, oder einem Laser, insbesondere einem XeF-Laser mit 351 nm Wellenlänge) wieder ent­ fernt werden kann und so die Ankopplung eines weiteren gewünschten Phosphoramiditmo­ nomers ermöglicht. Startermoleküle haben vorzugsweise eine Länge von 4 bis 100, vor­ zugsweise von 6 bis 80, beispielsweise von 6 bis 50 Nucleotiden, wenn nicht anders ange­ geben. Sie können jedoch auch länger sein.Starter molecule oligonucleotides can be directly on the surface (possibly via spacers) of each micro channel or the micro chamber are synthesized, starting from their 5'- or preferably the 3 'end. Then they can contain sequences that precede the egg Restriction cleavage sites to be synthesized occasionally, in particular those for type II restriction endonucleases. The separation of the finished syntheti The polynucleotide of interest can then be cleaved with the corresponding Restriction endonuclease (e.g. Alu I, Bam HI, Bgl I, Bst I, Eco RI, Eco RII, Fok I, Fnu Dl, Hae II, Hae III, Hind II, Hind III, Hpa I, Msp I, Not I, Pst I, Sac I, Sal I, Sau 3A, Sma I, Taq I,  Xho I, Xma I). Alternatively, the finished polynucleotide can be cleaved by Cleavable spacers occur (for example photolytically, or on a chemical one Ways, e.g. B. by acid or base treatment, reductive (z. B. reduction of bin end disulfide bridges) or thermally (for Retro-Diels-Alder reaction), or by Aufhe Practice of non-covalent bonds (e.g. addition of biotin to prevent biotin / Avi din-binding). In the case of in situ synthesis, for example (if necessary after Coating with a hydroxy-bearing silane) a spa bearing a hydroxyl group coupled molecule. Starting from this, the oligonucleotide synthesis is carried out according to übli Chen process, especially based on the CPG phosphoramidite process 3 'end of the starter molecule. In modified processes, the hydroxyl group of Ver binding molecule with a photolabile protecting group, such as pyrenylmethyl, hydroxystyryl (dialkyl) silyl, dimethoxybenzoinoxycarbonyl (DMBO), methylnitropiperonyloxycarbonyl (MeNPOC) or in particular 2-nitrophenylpropyloxycarbonyl (NPPOC), which after UV radiation (for example with a mercury vapor lamp, for example 100 W, or a laser, especially a XeF laser with a 351 nm wavelength) can be removed and thus the coupling of another desired phosphoramidite nomers enables. Starter molecules preferably have a length of 4 to 100 preferably from 6 to 80, for example from 6 to 50 nucleotides, unless otherwise stated give. However, they can also be longer.

Spacer (oder Linker) sind insbesondere solche Moleküle, die es ermöglichen, dass das an­ zusynthetisierende Startermolekül in ausreichendem Abstand von der Oberfläche des Mi­ krokanals oder der Mikrokammer sind, um sterische Hinderungen zu vermindern, und die ausserdem vorzugsweise die Abspaltung des erhältlichen Polynucleotids nach vollendeter Reaktion ermöglichen. Beispielsweise handelt es sich um photolabile Linker (weniger bevor­ zugt, wenn eine photolabile Schutzgruppe, wie NPPOC, verwendet wird), Säure- oder Ba­ senlabile Linker, reduktiv spaltbare Linker (beispielsweise mit Disulfidbrücken), oder einer thermischen Spaltung zugängliche Linker, z. B. spaltbar in einer Retro-Diels-Alder-Reaktion. Beispiele für geeignete Spacer sind Polyethylenglykole, Dicarbonsäuren (wie Bernsteinsäu­ re), Polyamine und Alkylene, oder Cross-Linker, wie N-(p-Maleimidophenyl)isocyanat. Be­ sonders bevorzugt sind Linker, die über durch Diels-Alder-Reaktion hergestellte Gruppen an die Oberfläche oder den Starter gebunden werden, oder intern solche Gruppen enthalten, und durch thermische Reaktion (Erwärmung) wieder in Dien und Dienophil gespalten wer­ den können, so dass das synthetisierte Polynucleotid abgespalten werden kann. Spacers (or linkers) are in particular those molecules that make it possible for the starter molecule to be synthesized at a sufficient distance from the surface of the Mi crocodile or the microchamber to reduce steric hindrance, and the furthermore preferably the cleavage of the available polynucleotide after completion Enable reaction. For example, there are photolabile linkers (less before if a photolabile protecting group such as NPPOC is used), acid or Ba Senlable linker, reductively cleavable linker (for example with disulfide bridges), or one thermal cleavage accessible linkers, e.g. B. cleavable in a Retro-Diels-Alder reaction. Examples of suitable spacers are polyethylene glycols, dicarboxylic acids (such as succinic acid right), polyamines and alkylenes, or cross-linkers such as N- (p-maleimidophenyl) isocyanate. Be linkers which are via groups prepared by the Diels-Alder reaction are particularly preferred the surface or the starter are bound, or contain such groups internally, and split back into diene and dienophile by thermal reaction (warming) can, so that the synthesized polynucleotide can be cleaved.  

"Gebunden" oder "Bindung" (z. B. über ein Spacerelement) bedeutet nicht kovalent (z. B. über starke nicht-kovalente Bindungen zwischen den Partnern von Bindungspaaren, wie zwischen Biotin und Streptavidin oder dergleichen) oder vorzugsweise kovalent (über kovalente Bindung) gebunden. Gebunden bedeutet, dass bei den üblichen Wasch- und Reagenzzuführungsschritten keine Dissoziation von der Oberfläche (ausser im Falle der gewollten Ablösung) des Mikrofluidikelements, z. B. Mikrokanals, stattfindet. Die Bindung von Polynucleotiden und deren Endstufen erfolgt vorzugsweise endständig."Bound" or "binding" (e.g. via a spacer element) does not mean covalent (e.g. about strong non-covalent bonds between the partners of bond pairs, such as between biotin and streptavidin or the like) or preferably covalently (via covalent bond). Bound means that with the usual washing and Reagent delivery steps do not dissociate from the surface (except in the case of deliberate detachment) of the microfluidic element, e.g. B. microchannel takes place. The connection polynucleotides and their end stages are preferably terminal.

Nicht-kovalente Bindung bezeichnet Bindung, die über Bindungspaar-Wechselwirkungen geschehen, wobei eine der Komponenten eines derartigen Bindungspaares (direkt oder über Spacer, kovalent oder nicht kovalent) an die Oberfläche des Mikrofluidikelements, z. B. Mikrokanals, gebunden ist, die andere (direkt oder über Spacer) an die Vorstufen der zu synthetisierenden Polynucleotide oder die Polynucleotide. Bindungspaare können z. B. En­ zym/Substrat, Antigen/Antikörper, Glutathion(derivat)/Glutathion-S-Transferase, Lektin/Lek­ tinbindungsprotein oder insbesondere Biotin/Avidin oder Biotin/Streptavidin-Spacer können auch eine nicht-kovalente Bindung bewirken (z. B. Bindung über Biotin an auf der Ober­ fläche des Mikrokanals gebundenes Avidin oder Streptavidin oder dergleichen). Auch Bin­ dungspaare selbst können Spacer sein.Non-covalent binding refers to binding that occurs via binding pair interactions happen, one of the components of such a binding pair (direct or via spacers, covalently or non-covalently) to the surface of the microfluidic element, e.g. B. Microchannel, the other (directly or via spacer) is bound to the precursors of the synthesizing polynucleotides or the polynucleotides. Binding pairs can e.g. B. En zym / substrate, antigen / antibody, glutathione (derivative) / glutathione-S-transferase, lectin / lek tin binding protein or in particular biotin / avidin or biotin / streptavidin spacers also cause a non-covalent bond (e.g. binding via biotin on the surface area of the microchannel bound avidin or streptavidin or the like). Bin too Coupling pairs themselves can be spacers.

Direkt synthetisiert bedeutet, dass das Startermolekül direkt wie oben beschrieben an der (optional derivatisierten) Oberfläche (ggf. über einen Spacer) des Mikrokanals oder der Mi­ krokammer hergestellt wird. Alternativ kann auch ein (vorzugsweise an den nicht an der Reaktion zu beteiligenden funktionellen Gruppen, wie Amino- oder Hydroxygruppen, durch Schutzgruppen geschütztes) Oligonucleotid als Startermolekül direkt über sein freies 5'- oder vorzugsweise 3'-Hydroxy an die Oberfläche (ggf. über einen Spacer) gebunden wer­ den, beispielsweise an aktivierte Estergruppen (wie 2,4-Dinitrophenyloxycarbonyl), Epoxy­ gruppen, Diene oder Dienophile (z. B. bei Allyl-derivatisierten Nucleotiden) oder dergleichen.Directly synthesized means that the starter molecule is attached directly to the (optionally derivatized) surface (possibly via a spacer) of the microchannel or the Mi Krokammer is manufactured. Alternatively, a (preferably on the not on the Functional groups to be involved, such as amino or hydroxy groups Protected group protected) oligonucleotide as a starter molecule directly via its free 5'- or preferably 3'-hydroxy bound to the surface (if necessary via a spacer) to, for example, activated ester groups (such as 2,4-dinitrophenyloxycarbonyl), epoxy groups, dienes or dienophiles (e.g. in the case of allyl-derivatized nucleotides) or the like.

Ein Ende umfassend, besonders 3', bedeutet, dass das entsprechende Startermolekül ent­ weder lediglich die endständige Sequenz des herzustellenden Polynucleotides hat (insbe­ sondere verwendbar bei spaltbaren Spacern) oder ggf. am 5'- oder vorzugsweise 3'-Ende zusätzliche Sequenzen umfasst, beispielsweise mit Restriktionsschnittstellen oder anderen Sequenzen, die beispielsweise für den Einbau in Vektoren, wie Plasmide, Cosmide, Pha­ gemide, YACs oder dergleichen verwendet werden können. Including one end, especially 3 ', means that the corresponding starter molecule ent has neither only the terminal sequence of the polynucleotide to be produced (esp particularly usable with cleavable spacers) or optionally at the 5 'or preferably 3' end includes additional sequences, for example with restriction sites or others Sequences that are used, for example, for incorporation into vectors, such as plasmids, cosmids, Pha gemide, YACs or the like can be used.  

Für die Hybridisierung von überlappenden komplementären Abschnitten von Sequemeren an das Startermolekül oder untereinander finden vor allem stringente Hybridisierungsbedin­ gungen Verwendung. Stringente Hybridisierung bedeutet, dass die Hybridisierung unter sol­ chen Bedingungen durchgeführt wird, bei denen die unspezifische Hybridisierung im we­ sentlichen unterdrückt wird, so dass im wesentlichen nur die spezifischen Basenpaarungen zur Bildung von Doppelsträngen beitragen. Generell werden stärker bevorzugte hochstrin­ gente Hybridisierungsbedingungen erhalten, wenn man ungefähr 5 bis 15°C unterhalb des "Schmelzpunktes" (Tm) der jeweils gepaarten Sequenzen bei definiertem pH und definierter Ionenstärke arbeitet. Der Tm-Wert ist die Temperatur, bei der bei gegebener Ionenstärke und gegebenem pH 50% der Zielsequenz an die Komplementärsequenz bindet. Sehr strin­ gente Bedingungen werden so gewählt, dass sie nahezu identisch sind mit dem Tm für ein spezifisches Paar (z. B. 0 bis 5°C unter dem Tm-Wert). Die Einstellung geeigneter Hybridi­ sierungsbedingungen ist dem Fachmann bekannt und kann beispielsweise nach Protokol­ len wie in Sambrook et al., "Molecular Cloning, a Laboratorial Manual", CSH Press, Cold Spring Harbor (1989) oder in Hames und Higgins, "Nucleic Acid Hybridzation, A Practical Approach", IRL Press, Oxford 1985, vorgenommen werden.For the hybridization of overlapping complementary sections of sequeners to the starter molecule or with one another, stringent hybridization conditions are used above all. Stringent hybridization means that the hybridization is carried out under conditions in which the unspecific hybridization is essentially suppressed, so that essentially only the specific base pairings contribute to the formation of double strands. In general, more preferred highly stringent hybridization conditions are obtained if one works approximately 5 to 15 ° C below the "melting point" (T m ) of the paired sequences at a defined pH and ionic strength. The T m value is the temperature at which 50% of the target sequence binds to the complementary sequence for a given ionic strength and pH. Very strict conditions are chosen so that they are almost identical to the T m for a specific pair (e.g. 0 to 5 ° C below the T m value). The setting of suitable hybridization conditions is known to the person skilled in the art and can be carried out, for example, according to protocols such as in Sambrook et al., "Molecular Cloning, a Laboratory Manual", CSH Press, Cold Spring Harbor (1989) or in Hames and Higgins, "Nucleic Acid Hybridzation "A Practical Approach", IRL Press, Oxford 1985.

Blunt Ends ("stumpfe Enden") sind Enden eines Polynucleotid(insbesondere DNS)-Dop­ pelstranges, bei denen kein ungepaartes Nucleotid vorliegt. Sticky ends ("klebrige oder ko­ häsive Enden") liegen bei doppelsträngigen Polynucleotid(insbesondere DNS)-Molekülen vor, die am freien Ende ungepaarte Nucleotide haben. Besonders für die Herstellung eines Sticky Ends aus Blunt Ends geeignet sind Spaltungen mit Klasse-II-Restriktionsenzymen oder Exonucleasen (insbesondere zur Erzeugung freier 3'-Enden Lambda-Exonuclease oder T7-Exonuclease, New England Biolabs Inc., Beverly, MA, USA). Insbesondere die Er­ zeugung von freien 3'-Sticky Ends ist wichtig für die nur mit Polymerasen vorgenommenen rekursiven Verfahren. Siehe auch DE 198 12 103. Sticky ends können auch dadurch erhal­ ten werden, dass ein nicht an die Oberfläche des Mikroelements gebundener Einzelstrang eines Doppelstranges komplett durch Dehybridisierung entfernt wird.Blunt ends are ends of a polynucleotide (especially DNA) dop pelstranges, in which there is no unpaired nucleotide. Sticky ends ("sticky or knockout adhesive ends ") are double-stranded polynucleotide (especially DNA) molecules that have unpaired nucleotides at the free end. Especially for making one Sticky ends from blunt ends are suitable for cleavages with class II restriction enzymes or exonucleases (especially to generate free 3 'ends of lambda exonuclease or T7 exonuclease, New England Biolabs Inc., Beverly, MA, USA). Especially the Er Generation of free 3 'sticky ends is important for those made only with polymerases recursive procedure. See also DE 198 12 103. Sticky ends can also be obtained as a result that a single strand not bound to the surface of the microelement of a double strand is completely removed by dehybridization.

Sequemere sind Polynucleotidvorläufermoleküle, die Sequenzabschnitten aus der Sequenz eines zu synthetisierenden Stranges oder deren Komplementärsequenz entsprechen und deren endständige Sequenzen jeweils so überlappen, dass sie die Hybridisierung mit einem (komplementären) endständigen Teilabschnitt aus dem Startermolekül oder dem jeweils vorausgehenden Sequemer und dem nachfolgenden Sequemer ermöglichen, und sind auf synthetischem Wege nach Standardmethoden (dann können sie auch modifizierte Nucleo­ tidstrukturen beinhalten, wie oben beschrieben) oder (beispielsweise als Teilstücke) aus na­ türlich vorkommenden Sequenzen oder Sequenzabschnitten zugänglich. Sequemere haben vorzugsweise eine Länge von von 4 bis 1000, vorzugsweise von 6 bis 100, insbesondere von 10 bis 50 Nucleotiden, wenn nicht anders angegeben. Sie können jedoch auch länger sein. Vorzugsweise umfassen die zueinander komplementären Überlappungsbereiche je­ weils mindestens 3, vorzugsweise mindestens 4, beispielsweise 5 bis 30, Basenpaare.Sequemers are polynucleotide precursor molecules, the sequence segments from the sequence of a strand to be synthesized or its complementary sequence and whose terminal sequences each overlap so that they hybridize with a (Complementary) terminal section from the starter molecule or each  enable previous sequemer and subsequent sequemer, and are on synthetic route according to standard methods (then you can also use modified Nucleo tid structures include, as described above) or (for example as sections) from na naturally occurring sequences or sequence sections accessible. Have sequemers preferably a length from 4 to 1000, preferably from 6 to 100, in particular from 10 to 50 nucleotides unless otherwise stated. However, they can also last longer his. The mutually complementary overlap regions preferably each comprise because at least 3, preferably at least 4, for example 5 to 30 base pairs.

Nicks sind einfache Bruchstellen innerhalb von Oligo- oder Polynucleotiden, d. h., es ist le­ diglich das Rückgrat des entsprechenden Moleküls gespalten, ohne dass Nucleoside feh­ len. Ligationsreaktionen (Ligation) ermöglichen die Verbindung der freien Enden des Rück­ grats. Dabei können enzymatische und chemische Ligation beliebig kombiniert oder nur eine dieser Methoden angewendet werden. Geeignete Ligasen oder chemische Ligations­ reaktionen sind dem Fachmann bekannt. Beispiele für chemische Ligation sind (i) Metho­ den zur Ligation der 3'- und 5'-Enden von nicht modifizierten Oligo- oder Polynukleotiden, wie die Bromcyan-Methode, die entweder unter Verwendung eines 3'-Phosphates und eines freien 5'-Hydroxy (siehe z. B. Dolinnaya, N.G., et al., Nucleic Acids Res. 19, 3067-72 und 3073-80 (1991); Shabarova, Z.A., et al., Nucleic Acids Res. 19, 4247-51 (1991); Dolin­ naya. N.G., et al., Nucl. Acids Res. 21, 5403-7 (1993); Kanaya, E., et al., Biochemistry 25, 7423-30 (1986); Luebke, K.J., et al., J. Am. Chem. Soc. 111, 8733-5 (1989); Rubin, E., et al., Nucl. Acids Res. 23, 3547-53 (1995); Dolinnaya, N.G., et al., Nucl. Acids Res. 16, 3721-38 (1988); oder Fedorova, O.A., et al., Nucleosides Nucleotides 15(6), 1137-47 (1996)) oder eines 5'-Phosphates und eines freien 3'-Hydroxy durchgeführt werden kann (James, K.D., et al., Chem. Biol. 4, 595-605 (1997)) oder Kopplungsmethoden unter Verwendung anderer Kopplungsreagentien, wie Dicyclohexylcarbodiimid oder insbesondere wasserlös­ licher Carbodiimide, wie Ethyldiaminopropylcarbodiimid (siehe Harada et al., J. Mol. Evol. 38, 558-60 (1994); oder (ii) chemische Reaktionen zur Verbindung von benachbarten Nuc­ leosidbausteinen, bei denen mindestens einer der Bausteine ein modifiziertes Nucleosid darstellt, beispielsweise durch Verwendung von Oligonucleotid-phosphoaziden als Reagen­ tien für die chemische Ligation (vgl. Isagulyants, M.G., et al. Khim. Prir. Soedin (1987), die Endligation von Homopyridin-Oligodeoxyribonucleotiden (siehe z. B. Li, T., et al., Chem. Biol. 4, 209-214 (1997)), die Ligation von Oligodeoxyribonucleotiden mit einer Mercapto­ gruppe in 5'-Position des 2'-Deoxyuridins über eine Disulfidbrücke (siehe Ueno, Y., et al., Nucleosides Nucleotides 17(1-3), 283-9 (1998)) oder Ligation eines mit einer 5'-Iodogruppe modifizierten Oligonucleotids an ein als 3'-Thiophosphat modifiziertes 3'-Ende des benach­ barten Oligonucleotids (siehe z. B. Xu, Y.Z., et al., Tetrahedron Lett. 38, 5595-8 (1997)). Beispiele für Enzyme für die enzymatische Ligation sind die DNS- und die RNS-Ligase aus dem Bakteriophagen T4 oder die Ligase aus E. coli, für RNS-Ligierung die RNS-Ligase aus dem Bakteriophagen T4. DNS-Moleküle, denen ein endständiges Phosphat fehlt, können für die Ligation durch Polynucleotid-Kinase aus dem Bakteriophagen T4 vorbereitet werden. Auch thermostabile Ligasen, z. B. taq-Ligase, können verwendet werden, insbesondere für zyklische Ligationsprozesse.Nicks are simple breakpoints within oligo- or polynucleotides, i.e. that is, it is le digest only the backbone of the corresponding molecule without nucleosides missing len. Ligation reactions (ligation) allow the connection of the free ends of the back grats. Here, enzymatic and chemical ligation can be combined or only as desired one of these methods can be used. Suitable ligases or chemical ligations reactions are known to the person skilled in the art. Examples of chemical ligation are (i) metho for the ligation of the 3 'and 5' ends of unmodified oligo- or polynucleotides, like the cyanogen bromide method, either using a 3'-phosphate and a free 5'-hydroxy (see e.g. Dolinnaya, N.G., et al., Nucleic Acids Res. 19, 3067-72 and 3073-80 (1991); Shabarova, Z.A., et al., Nucleic Acids Res. 19, 4247-51 (1991); Dolin Oh well. N.G., et al., Nucl. Acids Res. 21: 5403-7 (1993); Kanaya, E., et al., Biochemistry 25, 7423-30 (1986); Luebke, K.J., et al., J. Am. Chem. Soc. 111: 8733-5 (1989); Rubin, E., et al., Nucl. Acids Res. 23: 3547-53 (1995); Dolinnaya, N.G., et al., Nucl. Acids Res. 16, 3721-38 (1988); or Fedorova, O.A., et al., Nucleosides Nucleotides 15 (6), 1137-47 (1996)) or a 5'-phosphate and a free 3'-hydroxy (James, K.D., et al., Chem. Biol. 4, 595-605 (1997)) or coupling methods using other coupling reagents, such as dicyclohexylcarbodiimide or in particular water-soluble Licher carbodiimides, such as ethyldiaminopropylcarbodiimide (see Harada et al., J. Mol. Evol. 38: 558-60 (1994); or (ii) chemical reactions to connect neighboring nuc leoside building blocks in which at least one of the building blocks is a modified nucleoside represents, for example by using oligonucleotide phosphoazides as reagents for chemical ligation (see Isagulyants, M.G., et al. Khim. Prir. Soedin (1987), the End ligation of homopyridine oligodeoxyribonucleotides (see e.g. Li, T., et al., Chem. Biol. 4, 209-214 (1997)), the ligation of oligodeoxyribonucleotides with a mercapto group in the 5'-position of the 2'-deoxyuridine via a disulfide bridge (see Ueno, Y., et al.,  Nucleosides Nucleotides 17 (1-3), 283-9 (1998)) or ligation of one with a 5'-iodo group modified oligonucleotide to a 3'-end modified as 3'-thiophosphate of the adj beard oligonucleotides (see e.g. Xu, Y.Z., et al., Tetrahedron Lett. 38, 5595-8 (1997)). Examples of enzymes for the enzymatic ligation are the DNA and the RNA ligase the bacteriophage T4 or the ligase from E. coli, for RNA ligation the RNA ligase from the bacteriophage T4. DNA molecules that lack a terminal phosphate be prepared for ligation by polynucleotide kinase from bacteriophage T4. Also thermostable ligases, e.g. B. taq ligase can be used, especially for cyclical ligation processes.

Fehlende Teilabschnitte sind im Unterschied zu Nicks dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Nucleoside einer Sequenz fehlen. Polymerasen ermöglichen das spezifische Auffüllen dieser Lücken (nachfolgend "Polymerasereaktion"). Sobald nur noch Nicks übrig sind, können diese durch Ligasen geschlossen werden. Auch chemische Ligation (siehe oben) ist möglich. Geeignete Polymerasen und Polymerasereaktionen sind dem Fachmann bekannt. Für die enzymatische Polymerisation werden Nucleosidtriphosphate (die ggf. auch markiert, z. B. durch Biotinylreste oder durch fluoreszierende Reste, sein können) als Sub­ strate verwendet. Es stehen eine Fülle von Nucleinsäurepolymerasen zur Verfügung, so­ wohl aus prokaryotischen als auch aus eukaryotischen Quellen oder viraler Herkunft. Diese sind beispielsweise die DNS-Polymerase I aus E. coli, insbesondere das Klenow-Fragment (ohne Exonuclease-Aktivität), die Bakteriophage-T4-DNS-Polymerase, DNS-Polymerasen α und β aus Mauszellen (A-9) oder humanen Zellen (HeLa), und die DNS-Polymerase des Herpes simplex-Virus, oder Thermostabile Polymerasen wie Taq, Pfu, Tth, Pwo oder Pfu- Polymerase. Die Reaktion zum Füllen von Lücken kann beispielsweise unter den Bedingun­ gen nach Bourguignon et al., J. Virol. 20, 290, (1976), geführt werden. Für die Herstellung von DNS auf RNS-Matrizen kann z. B. reverse Transkriptase aus Retroviren, wie aus Maus- oder Vogel-Retroviren, verwendet werden. Für die RNS-Herstellung sind z. B. RNS-Polyme­ rasen aus E. coli oder Bakteriophagen, wie T7, SP6 oder T3, oder HeLa-Zell-RNS-Polyme­ rase III, Kalbsthymus-RNS-Polymerase II oder Mauszellen-RNS-Polymerase II (eukaryoti­ sche RNA-Polymerasen) verwendbar. Auch Gemische von zwei oder mehr Polymerasen sind möglich. In contrast to Nicks, missing sections are characterized by a or several nucleosides of a sequence are missing. Polymerases enable the specific Filling these gaps (hereinafter "polymerase reaction"). As soon as there are only nicks left are closed by ligases. Chemical ligation (see above) is possible. Suitable polymerases and polymerase reactions are known to the person skilled in the art known. For the enzymatic polymerization, nucleoside triphosphates (which may also be used marked, e.g. B. by biotinyl residues or by fluorescent residues) as a sub strate used. There is an abundance of nucleic acid polymerases available, so probably from prokaryotic as well as from eukaryotic sources or viral origin. This are, for example, the DNA polymerase I from E. coli, in particular the Klenow fragment (without exonuclease activity), the bacteriophage T4 DNA polymerase, DNA polymerases α and β from mouse cells (A-9) or human cells (HeLa), and the DNA polymerase of Herpes simplex virus, or thermostable polymerases such as Taq, Pfu, Tth, Pwo or Pfu- Polymerase. The response to fill gaps can be, for example, under the conditions according to Bourguignon et al., J. Virol. 20, 290, (1976). For the production from DNA to RNA matrices can e.g. B. reverse transcriptase from retroviruses, such as from mouse or bird retroviruses. For the RNA production z. B. RNA polyme lawn from E. coli or bacteriophages, such as T7, SP6 or T3, or HeLa cell RNA polymers rase III, calf thymus RNA polymerase II or mouse cell RNA polymerase II (eukaryotic RNA polymerases) can be used. Mixtures of two or more polymerases are possible.  

Geeignete Bedingungen für Ligations- und Polymerasereaktionen finden sich z. B. in Sam­ brook et al., "Molecular Cloning - a Laboratory Manual", CSH Press, Cold Spring Harbor 1989, in Gassen et al., "Gentechnische Methoden - Eine Sammlung von Arbeitsanleitungen für das molekularbiologische Labor", Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, in F.M. Asubel (Hg.) "Short Protocols in Molecular Biology", 3rd ed., New York, Wiley 1997; oder in Asubel et al., "Current Protocols in Molecular Biology", Vol. 1-3, Greene Publishing Associates and Wiley-Interscience, New York, 1987; sowie darin genannten Referenzen.Suitable conditions for ligation and polymerase reactions can be found e.g. B. in Sam brook et al., "Molecular Cloning - a Laboratory Manual", CSH Press, Cold Spring Harbor 1989, in Gassen et al., "Genetic Engineering Methods - A Collection of Instructions for the Molecular Biology Laboratory", Spektrum Akademischer Verlag, (ed.) Heidelberg 1999, FM Ausubel "Short Protocols in Molecular Biology", 3rd ed, New York, Wiley. 1997; or in Asubel et al., "Current Protocols in Molecular Biology", vol. 1-3, Greene Publishing Associates and Wiley-Interscience, New York, 1987; as well as references mentioned therein.

"Umfassen" bedeutet "mindestens beinhalten", also können z. B. bei Verfahren weitere Schritte optional hinzukommen, bei Teilen von Vorrichtungen, wie Mikrofluidiksystemen, weitere Teile."To include" means "to include at least". B. more in the process Steps may optionally be added to parts of devices such as microfluidic systems, more pieces.

Schutzgruppen sind solche Gruppen, die die Reaktion von funktionellen Gruppen, die nicht an einer gewünschten Reaktion teilnehmen sollen, verhindern und auf einer geeigneten Re­ aktionsstufe ohne unerwünschte Nebenreaktionen wieder abgespalten werden können. Bei­ spiele für solche Schutzgruppen, ihre Einführung und ihre Abspaltung sind bekannt, z. B. wie in Greene et al., Protective Groups in Organic Chemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, New York (1991), oder vor allem wie sonst in der vorliegenden Offenbarung erwähnt.Protecting groups are those groups which prevent the reaction of functional groups which are not intended to take part in a desired reaction and can be split off again at a suitable reaction stage without undesired side reactions. In games for such protecting groups, their introduction and their separation are known, for. , As described in Greene et al., Protective Groups in Organic Chemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, otherwise mentioned New York (1991), or especially as in the present disclosure.

Weitere in bevorzugten Ausführungsformen hinzukommende Schritte sind die Abspaltung des erhaltenen Polynucleotids, welches als Doppelstrang unter Spaltung der Bindung zur Oberfläche des Mikrokanals oder der Mikrokammer (beispielsweise mittels Restriktionsen­ donukleasen oder einer photospaltbaren oder durch Base oder Säure oder Reduktionsmit­ tel, wie Dithiothreitol, spaltbaren Spacergruppe) oder unter die Hybridisierung aufhebenden Bedingungen unter Gewinnung des nicht gebundenen Einzelstrangs gewonnen werden kann, oder unter Aufhebung einer nicht-kovalenten Wechselwirkung (wie zwischen Biotin und Streptavidin). Das Produkt kann weiterer Reinigung, beispielsweise durch Gelelektro­ phorese (z. B. Agarosegele), Gelchromatographie, HPLC, Ionenaustauschchromatographie oder andere Standardverfahren, unterzogen werden, oder direkt für die gewünschten Zwec­ ke eingesetzt werden, beispielsweise als Impfstoff (ggf. mit Adjuvantien), oder (ggf. nach Einbau in Vektoren, wie Plasmide) zur Transformation von Wirtszellen, oder dergleichen.Further steps to be added in preferred embodiments are the spin-off of the polynucleotide obtained, which acts as a double strand with cleavage of the bond to Surface of the microchannel or the microchamber (for example by means of restrictions donucleases or a photo-cleavable or by base or acid or reducing agent tel, such as dithiothreitol, cleavable spacer group) or under the hybridization Conditions can be obtained by extracting the unbound single strand can, or by abolishing a non-covalent interaction (as between biotin and streptavidin). The product can be further cleaned, for example by gel electro phoresis (e.g. agarose gels), gel chromatography, HPLC, ion exchange chromatography or other standard procedures, or directly for the desired purpose ke are used, for example as a vaccine (possibly with adjuvants), or (possibly after Incorporation in vectors, such as plasmids) for the transformation of host cells or the like.

Nach der Herstellung eines Polynukleotids kann dieses in einem weiteren Schritt amplifiziert werden, beispielsweise durch Polymerase-Kettenreaktion (PCR), Ligase-Kettenreaktion (LCR), Strand-Displacement Amplification (SDA), Nucleic Acid Sequence Based Amplifica­ tion (NASBA) oder Branched DNA amplification (bDNA), oder Kombinationen davon. RNS- basierte Amplifikationssysteme sind beispielsweise die QB RNA Replicase-Methode und RNS-transkriptionsbasierte Amplifizierungssysteme (TMA). Weitere Modifikationen sind möglich, beispielsweise das Anfügen von Sticky Ends, Restriktionsschnittstellen, usw.After the production of a polynucleotide, this can be amplified in a further step be, for example by polymerase chain reaction (PCR), ligase chain reaction  (LCR), Strand-Displacement Amplification (SDA), Nucleic Acid Sequence Based Amplifica tion (NASBA) or Branched DNA amplification (bDNA), or combinations thereof. RNA based amplification systems are for example the QB RNA replicase method and RNA transcription-based amplification systems (TMA). Other modifications are possible, for example adding sticky ends, restriction interfaces, etc.

Mikrofluidische Elemente mit verfahrensgemäss erhältlichen nicht kovalent oder vorzugs­ weise kovalent gebundenen Polynucleotiden (insbesondere Einzelstrang oder teilweise oder vollständig Doppelstrang, wobei im ersteren Fall der Strang, im zweiteren einer der endständigen Stränge über sein 5'- oder insbesondere 3'-Hydroxy gebunden ist) sind vor allem solche mit an der Oberfläche der Mikrokanäle oder -kammern, insbesondere eines Mikrokanals oder einer Mikrokammer, direkt oder über Spacer nicht-kovalent oder vorzugs­ weise kovalent über das 3'- oder 5'-Hydroxy gebundenen Startermolekülen, an die insbe­ sondere [vorzugsweise bereits durch Polymerase- und/oder Ligationsbehandlung verbun­ dene, optional bereits durch Strangtrennung in die Einzelstränge umgewandelte fertige Polynucleotide oder ferner nicht nur durch Hybridisierung überlappender komplementärer Sequenzen des Startermoleküls und eines oder mehrerer Sequemere) oder nur teilweise bereits ligierte und/oder polymerasebehandelte] mindestens teilweise doppelsträngige Starter/Sequemer-Komplexe gebunden sind.Microfluidic elements with non-covalent or preferred available according to the process wise covalently bound polynucleotides (especially single strand or partially or completely double strand, the strand in the former case and one of the two in the second terminal strands are bound via its 5'- or in particular 3'-hydroxy) all those with on the surface of the microchannels or chambers, in particular one Microchannel or a microchamber, directly or via spacers non-covalently or preferentially as covalently bound via the 3'- or 5'-hydroxy starter molecules to the esp special [preferably already linked by polymerase and / or ligation treatment finished, optionally already converted into individual strands by strand separation Polynucleotides or moreover not only overlapping complementary by hybridization Sequences of the starter molecule and one or more sequences) or only partially already ligated and / or polymerase treated] at least partially double-stranded Starter / sequemer complexes are bound.

Auch die Verwendung (nicht kovalent oder insbesondere kovalent) an Mikrofluidikelemente gebundener Vorstufen der herzustellenden Polynucleotide, insbesondere der gebundenen Starter, wie oben definiert, bzw. der entsprechend mit einem Starter beschickten Mikroflui­ dikelemente zur Herstellung von Polynucleotiden, wobei die Herstellung insbesondere die oben und unten definierten Schritte (i) bis (iii) umfasst, ist Bestandteil der Erfindung.Also the use (not covalently or in particular covalently) on microfluidic elements bound precursors of the polynucleotides to be produced, in particular those bound Starter, as defined above, or the microflui charged accordingly with a starter dikelemente for the production of polynucleotides, the production in particular the Steps (i) to (iii) defined above and below is part of the invention.

Kits oder Apparaturen für die Herstellung von Polynucleotiden, die entsprechend beschickte Mikrofluidikelemente umfassen, umfassen insbesondere ein oder mehrere Mikrofluidikele­ mente mit (direkt oder über einen Spacer) an die Oberfläche eines oder mehrerer Mikroka­ näle oder -kammern nicht kovalent oder vorzugsweise kovalent über ihr 5'- oder vorzugs­ weise 3'-Hydroxy gebundenen Startermolekülen. Dazu kommen weitere optionale Kompo­ nenten, z. B. Reagentien und Enzyme für Ligation und/oder Polymerasereaktion, die in ge­ eigneten Behältern, wie Fläschchen oder Ampullen, abgefüllt sind, beispielsweise in lyophi­ lisierter Form oder in geeigneten Pufferlösungen, und/oder geeignete Reagentien für die Hybridisierung von Sequemeren. Bei den Apparaturen können noch andere Komponenten, wie Detektoren, Computer, Interfaces, Pumpen, Pipettiersysteme etc. dazukommen.Kits or apparatus for the production of polynucleotides that are loaded accordingly Microfluidic elements comprise, in particular comprise one or more microfluidic elements elements with (directly or via a spacer) on the surface of one or more microka channels or chambers not covalently or preferably covalently above their 5 'or preferred wise 3'-hydroxy bound starter molecules. There are also additional optional compos nenten, e.g. B. reagents and enzymes for ligation and / or polymerase reaction, which in ge suitable containers, such as vials or ampoules, are filled, for example in lyophi lized form or in suitable buffer solutions, and / or suitable reagents for the  Hybridization of sequemers. Other components, such as detectors, computers, interfaces, pumps, pipetting systems etc.

Vorzugsweise werden zur Herstellung der Starter und/oder vor allem der Sequemere mikro­ synthetische Verfahren verwendet. Insbesondere werden photolabile Schutzgruppen, vor­ zugsweise wie oben für die in-situ-Synthese von Startermolekülen erwähnt, verwendet. Der­ artige Methoden erlauben insbesondere, viele unterschiedliche Oligonucleotide auf einer Oberfläche zu synthetisieren. So können z. B. die 65536 möglichen 8-mer-Oligonucleotide, welche zu einer Gensynthese aus kombinatorischen Monomeren (Startermolekül und Se­ quemere), s. u., verwendet werden, von äußerst flexibel einsetzbaren Bio-Array-Synthese­ maschinen auf einer Festphase synthetisiert werden. Solche BioChip-Synthesemaschinen werden heute meist unter Verwendung digitaler Spiegel (digital mirror arrays), insbesondere von der Firma Texas Instruments, hergestellt. Synthesemaschinen diesen Typs werden zur Synthese von BioArrays beispielsweise von Skip Garner (Houston, Texas, Nimblegen (Ma­ dison, Wisconsin, USA) oder FeBit (Mannheim, Deutschland) verwendet. Optisch gesteuer­ te Festphasenmikrosynthesen zur Produktion von Sequemeren für die kombinatorische Gensynthese erfüllen alle Voraussetzungen, um die Synthese von Oligonucleotidvorläufer­ molekülen und die Synthese langer doppelsträngiger Polynucleotide auf einem Mikroflui­ dikelement zu vereinigen: Der Starter und die möglichen Sequemere werden insbesondere an verschiedenen definierten Stellen eines Mikrofluidikelements hergestellt, dann durch lokale Einwirkung von Licht oder Hitze die jeweils benötigten Oligonucleotide abgespalten und an den Starter oder die bereits an den Starter hybridisierten Sequemere herangeführt zur Hybridisierung und Weiterreaktion. Besonders bevorzugt ist die Synthese mit (kovalent gebundenen, vorzugsweise über das 5'- oder insbesondere das 3'-Hydroxy) kombinatori­ schen Oligonucleotiden als Startermolekülen vorbeschickter Mikrofluidikelemente, vor allem -arrays, die aus einer mit digitalen Spiegeln ausgestatteten Oligosynthesemaschine stam­ men, und deren Verwendung innerhalb einer Gensynthesemaschine, die in der Lage ist, auch die Mikrofluidikelemente so anzusteuern, dass die erfindungsgemässe Polynucleo­ tidsynthese daran ablaufen kann, insbesondere wie gerade beschrieben. Beispielsweise kann ein derartiger Array an einen Kunden verschickt und dort mittels der Gensynthesema­ schine zur Herstellung eines Polynucleotids, beispielsweise eines Gens, verwendet werden.Preferably, the starters and / or especially the sequemers are micro synthetic method used. In particular, photolabile protecting groups are proposed preferably used as mentioned above for the in-situ synthesis of starter molecules. the Like methods in particular allow many different oligonucleotides on one Synthesize surface. So z. B. the 65536 possible 8-mer oligonucleotides, which leads to a gene synthesis from combinatorial monomers (starter molecule and Se quemere), s. u., are used by extremely flexible bio-array synthesis machines are synthesized on a solid phase. Such BioChip synthesis machines are today mostly using digital mirrors (digital mirror arrays), in particular manufactured by Texas Instruments. Synthesis machines of this type are used Synthesis of BioArrays for example from Skip Garner (Houston, Texas, Nimblegen (Ma dison, Wisconsin, USA) or FeBit (Mannheim, Germany). Visually controlled te solid-phase microsynthesis for the production of sequemers for combinatorial Gene synthesis meets all the requirements for the synthesis of oligonucleotide precursors molecules and the synthesis of long double-stranded polynucleotides on a microflui unite dikelement: The starter and the possible sequemers in particular manufactured at different defined locations of a microfluidic element, then by local exposure to light or heat cleave the oligonucleotides required and introduced to the starter or the sequemers already hybridized to the starter for hybridization and further reaction. Synthesis with (covalent bound, preferably via the 5'- or especially the 3'-hydroxy) combinatori oligonucleotides as starter molecules of pre-loaded microfluidic elements, especially arrays that originate from an oligosynthesis machine equipped with digital mirrors and their use within a gene synthesis machine that is capable of also to control the microfluidic elements in such a way that the polynucleo according to the invention tide synthesis can take place there, especially as just described. For example Such an array can be sent to a customer and there using the gene synthesis scheme machines for producing a polynucleotide, for example a gene, can be used.

Vorzugsweise wird in einem Mikrokanal oder einer Mikrokammer nur ein Polynucleotidmole­ kül (eine Spezies) synthetisiert, doch können unter Verwendung der oben genannten mit Spiegeln ausgestatteten Synthesemaschinen auch mehrere verschiedene Moleküle an ver­ schiedenen Stellen ein- und derselben Mikrokammer bzw. ein und desselben Mikrokanals synthetisiert werden.Preferably only one polynucleotide mole is used in a microchannel or microchamber kül (a species) synthesized, but can be made using the above with  Synthesized machines also mirror several different molecules on ver different locations of one and the same microchamber or one and the same microchannel be synthesized.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein kombinatorisches Polynucleo­ tidsyntheseverfahren, welches zum doppelsträngigen Polynucleotid, insbesondere DNS, führt, oder (nach Dehybridisierung) zu einsträngigen Molekülen. Hierzu werden in einem er­ sten Schritt alle möglichen Sequenzkombinationen für eine gegebene Oligonucleotidlänge für die Synthese hergestellt, vorzugsweise wie oben beschrieben, also z. B. für Hexamere 46 = 4096 oder für Oktamere 48 = 65536. Die Verwendung dieses kombinatorischen Verfahrens zur Polynucleotidsynthese umfasst (vgl. Fig. 3):
A preferred embodiment of the invention relates to a combinatorial polynucleotide synthesis method which leads to the double-stranded polynucleotide, in particular DNA, or (after dehybridization) to single-stranded molecules. For this purpose, all possible sequence combinations for a given oligonucleotide length for the synthesis are prepared in a first step, preferably as described above, that is, for. B. for hexamers 4 6 = 4096 or for octamers 4 8 = 65536. The use of this combinatorial method for polynucleotide synthesis comprises (cf. FIG. 3):

  • a) die Verwendung eines Startermolekül-Oligonucleotids ("Starter") (z. B. 8 in Fig. 3) aus der Sammlung von Molekülen mit den kombinatorisch hergestellten Sequenz­ kombinationen, welches an einer Oberfläche eines Reaktionsraums eines Mikroflu­ idiksystems, vorzugsweise eines Mikrofluidikelements, insbesondere eines Mikroka­ nals, direkt oder über einen Spacer gebunden wird, vorzugsweise über sein 5'- oder insbesondere sein 3'-Hydroxy, und welches eines der Enden, vorzugsweise das 3'- Ende, eines Stranges des zu synthetisierenden Polynukleotidsequenz umfasst;a) the use of a starter molecule oligonucleotide (“starter”) (for example 8 in FIG. 3) from the collection of molecules with the combinatorially produced sequence combinations, which on a surface of a reaction space of a microfluidic system, preferably a microfluidic element, in particular a micro channel, is bound directly or via a spacer, preferably via its 5'- or in particular its 3'-hydroxy, and which comprises one of the ends, preferably the 3 'end, of a strand of the polynucleotide sequence to be synthesized;
  • b) anschliessend rekursive Schritte der Hybridisierung von einem oder mehreren Se­ quemeren (z. B. n, n+1, . . ., n+5 in Fig. 3) aus der Sammlung von Molekülen mit den kombinatorisch hergestellten Sequenzkombinationen, welche Sequenzabschnitten aus der Sequenz eines zu synthetisierenden Stranges oder deren Komplementärse­ quenz entsprechen und deren endständige Sequenzen jeweils so überlappen, dass sie die Hybridisierung mit einem endständigen Teilabschnitt aus dem Startermolekül oder dem jeweils vorausgehenden Sequemer und dem nachfolgenden Sequemer ermöglichen, undb) then recursive steps of hybridization of one or more sequencers (e.g. n, n + 1,..., n + 5 in FIG. 3) from the collection of molecules with the combinatorial sequence combinations, which sequence segments correspond to the sequence of a strand to be synthesized or its complementary sequence and their terminal sequences each overlap in such a way that they enable hybridization with a terminal section from the starter molecule or the respectively preceding sequencer and the subsequent sequemer, and
  • c) im Falle von Nicks zwischen so hintereinandergereihten Sequemeren, nachdem im ersten Schritt (ii) mindestens zwei Sequemere anhybridisiert worden sind oder in nachfolgenden Schritten mehrere teilüberlappende Sequemere oder vorzugsweise jeweils ein teilüberlappendes Sequemer an das wachsende herzustellende Poly­ nucleotid hybridisiert worden sind, Ligation (oder, falls nötig, zur Komplettierung feh­ lender Teilabschnitte aus 1 oder mehr Nucleotiden, die zu einem Abschnitt des je­ weils gegenüberliegenden Sequemerabschnitts komplementär sind, Polymerasere­ aktionen und anschliessend Ligation, beispielsweise im nicht-hybridisierenden zur bindenden Oberfläche orientierten Teil des Startermoleküls) zur Beseitigung resultie­ render Nicks,
    wobei die Schritte (ii) und (iii) so oft wie erforderlich wiederholt werden, bis die Sequenz des gewünschten Polynucleotides komplettiert ist;
    c) in the case of nicks between such sequencers, after at least two sequemers have been hybridized in the first step (ii) or in subsequent steps several partially overlapping sequemers or preferably one partially overlapping sequemer have been hybridized to the growing poly nucleotide to be produced, ligation (or , if necessary, to complete missing sections from 1 or more nucleotides, which are complementary to a section of the opposite sequencer section, polymerase reactions and then ligation, for example in the non-hybridizing part of the starter molecule oriented towards the binding surface) to remove the resulting render Nicks,
    repeating steps (ii) and (iii) as many times as necessary until the sequence of the desired polynucleotide is completed;
  • d) und schliesslich vorzugsweise Freisetzung des fertiggestellten Polynucleotids durch Dehybridisierung (Freisetzung eines Einzelstranges, während der andere gebunden bleibt) oder chemische Abspaltung von der Oberfläche oder dem Spacer (z. B. pho­ tochemisch, durch restriktionsenzymatische Abspaltung, Säure- oder Basenbe­ handlung, reduktiv oder thermische Abspaltung (insbesondere Retro-Diels-Alder- Reaktion) und gewünschtenfalls Reinigung, vorzugsweise wie oben beschrieben.d) and finally preferably release of the finished polynucleotide by Dehybridization (release of a single strand while the other is tied remains) or chemical cleavage from the surface or the spacer (e.g. pho chemically, by restriction enzymatic cleavage, acid or base action, reductive or thermal elimination (especially Retro-Diels-Alder- Reaction) and, if desired, cleaning, preferably as described above.

Bevorzugt für diesen kombinatorischen Ansatz ist die Verwendung kürzerer Starter und Se­ quemere, insbesondere mit 6 bis 10, vorzugsweise 6 bis 8 Nucleotiden, da sonst die Anzahl der möglichen Sequenzvarianten und damit der Verwaltungsaufwand exponentiell steigen. Für rekursive, kombinatorische Verfahren ist die Ligation die bevorzugte Reaktion, um die Sequemere und den Starter zu verknüpfen. Die Kürze der einzelsträngigen Vorläufermo­ leküle lässt in der Regel keine rationelle Polymerisation des Polynucleotids, insbesondere DNS, mit templateabhängigen Polymerasen ausgehend vom 3'-Ende der einen Kette zu. Andererseits hat die Ligation aber den Nachteil, dass sie relativ ineffizient ist: Je kürzer die Sequemere sind, desto mehr Ligationsreaktionen sind erforderlich. Hier kann es notwendig sein, die optimalen Bedingungen (vor allem optimale Nucleotidlänge) zu ermitteln.The use of shorter starters and Se is preferred for this combinatorial approach quemers, especially with 6 to 10, preferably 6 to 8 nucleotides, otherwise the number of the possible sequence variants and thus the administrative effort increase exponentially. For recursive, combinatorial procedures, ligation is the preferred response to the Link sequemere and the starter. The brevity of the single-strand precursor mo leküle usually does not allow efficient polymerization of the polynucleotide, especially DNA, with template-dependent polymerases starting from the 3 'end of one chain. On the other hand, the ligation has the disadvantage that it is relatively inefficient: the shorter the Sequemers are, the more ligation reactions are required. Here it may be necessary be to determine the optimal conditions (especially optimal nucleotide length).

Eine breitere Ausführungsform der Erfindung betrifft auch ein Verfahren, bei dem die Syn­ these ausgehend von einem nichtterminalen, über eine Seitengruppe des Startermoleküls (beispielsweise eine Aminogruppe, oder auch eine Allylgruppe einer modifizierten Base) an die Oberfläche des Mikrofluidikelements gebundenen Starter bidirektional erfolgt; doch kön­ nen hier wegen der kleinen Überlappungsbereiche kurzer n, . . ., n+m-Vorläufer bei der spe­ zifischen Anlagerung der Sequemere wegen geringer Spezifizität Probleme auftreten.A broader embodiment of the invention also relates to a method in which the syn thesis starting from a non-terminal, over a side group of the starter molecule (for example an amino group or an allyl group of a modified base) the surface of the microfluidic element-bound starter is bidirectional; but can NEN here because of the small overlap areas short n. , ., n + m forerunner at the spe specific sequencing problems due to low specificity.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft Verfahren der sequenzindividualisierten Synthese (sequenzindividualisiert bedeutet: Startermolekül und Sequemere sind nicht aus kombinatorischen Molekülen ausgewählt, sondern individuell hergestellt oder isoliert) - hier können nicht-rekursive ("one tube") und rekursive Verfahren Verwendung finden, oder Kom­ binationen davon. Another embodiment of the invention relates to methods of sequence-individualized Synthesis (sequence-individualized means: starter molecule and sequemers are not out combinatorial molecules selected, but individually manufactured or isolated) - here can use non-recursive ("one tube") and recursive methods, or com combinations of these.  

Das nicht-rekursive Verfahren (vgl. Fig. 2A) beruht auf dem Vertrauen darauf, dass die Se­ lektivität der Hybridisierungsreaktion der Sequemere und des Starters groß genug ist, dass sich alle Sequemere in der richtigen Reihenfolge finden und vollständig ligiert werden. Ne­ ben der einfachen Ligation verwendet man auch zyklische Ligationsprozesse mit thermosta­ bilen Ligasen. Diese Verfahren funktionieren, doch ist das Auftreten falscher Produkte mög­ lich, so dass die Sequenz überprüft und ggf. die Genfunktion getestet werden muss, bis das richtige Produkt gefunden ist.The non-recursive method (see FIG. 2A) is based on the trust that the selectivity of the hybridization reaction of the sequeners and the starter is large enough that all the sequencers are found in the correct order and are completely ligated. In addition to simple ligation, cyclic ligation processes with thermostable ligases are also used. These methods work, but the occurrence of wrong products is possible, so the sequence has to be checked and if necessary the gene function has to be tested until the right product is found.

Die Erfindung betrifft somit vorzugsweise auch ein Verfahren zur Synthese von Polynuc­ leotiden, umfassend
The invention thus preferably also relates to a process for the synthesis of Polynuc leotides, comprising

  • a) die Verwendung eines Startermolekül-Oligonucleotids ("Starter") (z. B. 8 in Fig. 2A oder 2B) mit spezifischer Sequenz, welches an einer Oberfläche eines Reaktions­ raums eines Mikrofluidiksystems, vorzugsweise eines Mikrofluidikelements, insbe­ sondere eines Mikrokanals, direkt oder über einen Spacer gebunden wird, vorzugs­ weise über sein 5'- oder insbesondere sein 3'-Hydroxy, und welches eines der Enden, vorzugsweise das 3'-Ende, eines Stranges des zu synthetisierenden Polynukleotidsequenz umfasst;a) the use of a starter molecule oligonucleotide ("starter") (z. B. 8 in Fig. 2A or 2B) with a specific sequence, which on a surface of a reaction space of a microfluidic system, preferably a microfluidic element, in particular a microchannel, directly or is bound via a spacer, preferably via its 5'- or in particular its 3'-hydroxy, and which comprises one of the ends, preferably the 3 'end, of a strand of the polynucleotide sequence to be synthesized;
  • b) anschliessende aufeinanderfolgende oder gleichzeitige Hybridisierung von jeweils einem oder mehreren (z. B. n, n+1, . . . n+5 in Fig. 2A oder n, n+1, . . . n+m in Fig. 2B), welche Sequenzabschnitten aus der Sequenz eines zu synthetisierenden Stranges oder deren Komplementärsequenz entsprechen und deren endständige Sequenzen jeweils so überlappen, dass sie die Hybridisierung mit einem endständigen Teilab­ schnitt aus dem Startermolekül oder dem jeweils vorausgehenden Sequemer und dem nachfolgenden Sequemer ermöglichen, und die zusammen die beiden komplet­ ten Doppelstränge des zu synthetisierenden Polynucleotids abdecken, so dass le­ diglich Nicks entstehen, oder, falls die Enden von Sequemeren (einschließlich des Starters) nicht aneinander stossen, auch Abschnitte mit ungepaarten Nucleotiden;b) subsequent successive or simultaneous hybridization of one or more in each case (e.g. n, n + 1, ... n + 5 in FIG. 2A or n, n + 1, .. n + m in FIG. 2B ) which sequence sections correspond to the sequence of a strand to be synthesized or their complementary sequence and whose terminal sequences each overlap in such a way that they enable hybridization with a terminal section from the starter molecule or the respective preceding sequencer and the subsequent sequemer, and which together form the cover both complete double strands of the polynucleotide to be synthesized, so that only nicks are formed, or, if the ends of sequeners (including the starter) do not abut one another, also sections with unpaired nucleotides;
  • c) und im Falle von Nicks zwischen so hintereinandergereihten Sequemeren Ligation oder zur Komplettierung fehlender Teilabschnitte aus 1 oder mehr Nucleotiden, die zu einem Abschnitt des jeweils gegenüberliegenden Sequemerabschnitts komple­ mentär sind, Polymerasereaktionen und anschliessend Ligation zur Beseitigung resultierender Nicks durchführt;
    wobei die Schritte (ii) und (iii), falls nicht alle Sequemeren auf einmal anhybridisiert und dann durch Ligase- oder Ligase- und Polymerasereaktion komplettiert werden, jeweils so oft wie erforderlich wiederholt werden, bis die Sequenz des gewünschten Polynucleotides komplettiert ist;
    c) and in the case of nicks between sequencers lined up in this way or for completing missing sections of 1 or more nucleotides which are complementary to a section of the opposite sequencer section, carries out polymerase reactions and then ligation to remove the resulting nicks;
    wherein steps (ii) and (iii), if not all of the sequeners are hybridized at once and then completed by ligase or ligase and polymerase reaction, are repeated as often as necessary until the sequence of the desired polynucleotide is completed;
  • d) und schliesslich vorzugsweise Freisetzung des fertiggestellten Polynucleotids und gewünschtenfalls Reinigung, vorzugsweise wie oben (insbesondere beim kombina­ torischen Polynucleotidsyntheseverfahren) beschrieben.d) and finally preferably release of the finished polynucleotide and if necessary, cleaning, preferably as above (especially with the kombina toric polynucleotide synthesis method).

Das rekursive Syntheseverfahren basiert auf der Kombination verschiedener vorteilhafter Eigenschaften der oben dargestellten Varianten: Hier werden einzelsträngige, synthetische (oder ferner anderweitig gewonnene) Oligonucleotide (Starter und Sequemere) in unabhän­ gigen Schritten jeweils eins nach dem anderen in einer geeigneten Reaktion als Template verwendet, um das wachsende Polynucleotid (insbesondere DNS) mittels Hybridisierung und Polymerasereaktion zu verlängern (Fig. 4). Die Verwendung von Polymerasen mit ho­ her Aktivität, Prozessivität und Synthesegenauigkeit ist dabei ein erster, wesentlicher Vorteil gegenüber Verfahren, die mit Ligasen arbeiten. Die Trennung der einzelnen Reaktions­ schritte einer jeden Additionsreaktion erlaubt anders als bei "one tube"-Verfahren weitge­ hend, Fehlhybridisierungen oder fehlerhafte Sequenzprodukte zu vermeiden. Da nach der enzymatischen Synthesereaktion eines Synthesezyklus ein glattes Ende des doppelsträngi­ gen Moleküls (insbesondere DNS) vorliegt, ist die Bereitstellung eines ungepaarten 3'-En­ des, an welches das jeweils nächste n+t Vorläufermolekül angelagert werden kann, für die­ sen Synthesetypus notwendig. Hier gibt es mehrere Lösungsmöglichkeiten, beispielsweise die Verwendung von Restriktionsendonucleasen der Klasse II oder von Exonucleasen zur Erzeugung von Sticky Ends.The recursive synthesis process is based on the combination of various advantageous properties of the variants presented above: Here, single-stranded, synthetic (or further obtained in another way) oligonucleotides (starters and sequemers) are used in independent steps, one after the other, in a suitable reaction as a template extend the growing polynucleotide (especially DNA) by hybridization and polymerase reaction ( Fig. 4). The use of polymerases with high activity, processivity and synthesis accuracy is a first, essential advantage over processes that work with ligases. The separation of the individual reaction steps of each addition reaction allows, unlike in "one tube" processes, largely to avoid incorrect hybridizations or incorrect sequence products. Since after the enzymatic synthesis reaction of a synthesis cycle there is a smooth end of the double-stranded molecule (in particular DNA), the provision of an unpaired 3'-ene to which the next n + t precursor molecule can be attached is necessary for this type of synthesis. There are several possible solutions here, for example the use of class II restriction endonucleases or exonucleases to generate sticky ends.

Die Erfindung betrifft insbesondere solch ein rekursives Verfahren mit (vorzugsweise relativ längeren) Vorläufermolekülen (vgl. Fig. 4), umfassend
The invention relates in particular to such a recursive method with (preferably relatively longer) precursor molecules (cf. FIG. 4), comprising

  • a) die Verwendung eines Startermolekül-Oligonucleotids ("Starter"), welches an einer Oberfläche eines Reaktionsraums eines Mikrofluidiksystems, vorzugsweise eines Mikrofluidikelements, insbesondere eines Mikrokanals, direkt oder über einen Spa­ cer gebunden wird, vorzugsweise über sein 5'- oder insbesondere sein 3'-Hydroxy, oder direkt unter Bindung eines Endes an der Oberfläche des Reaktionsraumes synthetisiert wird, und welches eines der Enden, vorzugsweise das 3'-Ende, eines Stranges des zu synthetisierenden Polynukleotidsequenz umfasst; a) the use of a starter molecule oligonucleotide ("starter"), which on a Surface of a reaction space of a microfluidic system, preferably one Microfluidic elements, in particular a microchannel, directly or via a spa cer is bound, preferably via its 5'- or in particular its 3'-hydroxy, or directly with one end bound to the surface of the reaction space is synthesized, and which one of the ends, preferably the 3 'end, one Strand of the polynucleotide sequence to be synthesized;  
  • b) einen anschliessenden Schritt der Hybridisierung eines Sequemeren, welches einem Sequenzabschnitt aus der Sequenz eines Stranges des zu synthetisierenden Poly­ nucleotids entspricht und dessen endständige Sequenzen jeweils im Falle des ers­ ten Sequemeren die Hybridisierung mit einem endständigen Teilabschnitt aus dem Startermolekül oder im Falle sequentiell nacheinander verwendeter weiterer Seque­ mere desselben Stranges wegen der nach den nachfolgend erwähnten Polymerase­ reaktionsschritten entstehenden Blunt Ends und nach Herstellung von Sticky Ends seine Hybridisierung mit dem überlappenden Bereich eines nachfolgenden Sequemers ermöglichen, und Herstellung eines Sticky Ends (insbesondere mit einem resultierenden freien 3'-OH im erhältlichen Einzelstrangabschnitt); undb) a subsequent step of hybridizing a sequencer, which a Sequence section from the sequence of a strand of the poly to be synthesized corresponds to nucleotides and their terminal sequences in the case of the first hybridizers with a terminal section from the Starter molecule or in the case of further sequencing used sequentially mers of the same strand because of the polymerase mentioned below reaction blot ends and after production of sticky ends its hybridization with the overlapping area of a subsequent one Enable sequencers, and manufacture a sticky end (especially with a resulting free 3'-OH in the available single strand section); and
  • c) zur Komplettierung fehlender Teilabschnitte aus 1 oder mehr Nucleotiden, die zu einem Abschnitt des jeweils gegenüberliegenden Sequenzabschnitts komplementär sind, nach jeder Anhybridisierung eines Sequemeren jeweils eine Polymerase­ reaktion, und, falls die kovalente Verbindung der Sequemere (auch auf dem nicht von der Polymerase synthetisierten Strang) gewünscht ist, gewünschtenfalls Po­ lymerasereaktionen zur Auffüllung eventuell resultierender Lücken (falls die Seque­ meren nicht direkt aneinanderstossen) und Ligation oder (falls die Sequemerenden aneinanderstossen) nur Ligation;
    wobei die Schritte (ii) und (iii) so oft wie erforderlich wiederholt werden, bis die Se­ quenz des gewünschten Polynucleotides komplettiert ist, und die kovalente Bindung der Sequemere durch Ligation oder Polymerasereaktion und Ligation auch erst nach Anlagerung von mehr als einem oder allen Sequemeren erfolgen kann;
    c) to complete missing sections of 1 or more nucleotides, which are complementary to a section of the opposite sequence section, a polymerase reaction after each hybridization of a sequencer, and, if the covalent connection of the sequeners (also on the one not synthesized by the polymerase) Strand) is desired, if desired polymerase reactions to fill any gaps which may result (if the sequencers do not directly meet) and ligation or (if the sequencer ends meet) only ligation;
    wherein steps (ii) and (iii) are repeated as often as necessary until the sequence of the desired polynucleotide has been completed, and the covalent binding of the sequemers by ligation or polymerase reaction and ligation only after addition of more than one or all of the sequemers can be done;
  • d) und schliesslich vorzugsweise Freisetzung des fertiggestellten Moleküls und ge­ wünschtenfalls Reinigung, vorzugsweise wie oben (insbesondere beim kombina­ torischen Polynucleotidsyntheseverfahren) beschrieben.d) and finally preferably release of the finished molecule and ge if desired, cleaning, preferably as above (especially with the kombina toric polynucleotide synthesis method).

Die "relativ längeren Vorläufermoleküle", die hier als Sequemere Einsatz finden, haben vor­ zugsweise eine Länge von 10 bis 1000, insbesondere von 15 bis 100, beispielsweise von 20 bis 50 Nucleotiden. Der Starter kann auch kürzer sein und kann insbesondere 4 bis 100, vorzugsweise 4 bis 10, z. B. 6 bis 8 Nucleotide Länge haben.The "relatively longer precursor molecules", which are used here as sequemers, intend to preferably a length of 10 to 1000, in particular from 15 to 100, for example of 20 to 50 nucleotides. The starter can also be shorter and can in particular be 4 to 100 preferably 4 to 10, e.g. B. 6 to 8 nucleotides in length.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Erfindung auch solche Synthesen, bei denen zwei oder mehrere Verfahren, ausgewählt aus kombinatorischen, sequenzindividu­ ellen, rekursiven und nicht-rekursiven Verfahren, insbesondere den oben beschriebenen, kombiniert werden, wobei auch solche Verfahren umfasst sind, bei denen Zwischenstufen isoliert (z. B. abgespalten und gereinigt) und dann zur Synthese von Polynucleotiden weiter­ verwendet werden. Besonders bevorzugt ist die Kombination der Herstellung mittels kombi­ natorischer Synthese zur Präparation von längeren Vorläufermolekülen, beispielsweise von 20 bis 300, insbesondere von 50 bis 200 Nukleotiden Länge, mit anschliessender Verwen­ dung der so erhältlichen Vorläufermoleküle im oben beschriebenen rekursiven Verfahren mit Polymerasereaktion und Ligation zu längeren Polynucleotiden.In a preferred embodiment, the invention also includes such syntheses which two or more methods, selected from combinatorial, sequence-individual ellen, recursive and non-recursive methods, especially the ones described above,  can be combined, which also includes processes in which intermediate stages isolated (e.g. cleaved and purified) and then further for the synthesis of polynucleotides be used. The combination of the production by means of a combi is particularly preferred Native synthesis for the preparation of longer precursor molecules, for example of 20 to 300, in particular 50 to 200 nucleotides in length, with subsequent use of the precursor molecules thus obtainable in the recursive method described above with polymerase reaction and ligation to longer polynucleotides.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft auch die Synthese eines Doppel­ strang-Polynucleotides nach einem der vorstehenden Verfahren, dessen einer Strang kova­ lent (insbesondere über sein 3'-Ende) direkt oder über einen Spacer an die Oberfläche eines Mikrokanals oder einer Mikrokammer gebunden ist, die Entfernung des nicht kovalent gebundenen Stranges durch Dehybridisierung, und die Verwendung des resultierenden ko­ valent gebundenen Einzelstranges für Polymerasereaktion zur erneuten Erzeugung des komplementären, nicht kovalent gebundenen Stranges mittels Polymerasereaktion im Mi­ krofluidikelement und dessen Freisetzung durch Dehybridisierung. Dies kann beliebig oft wiederholt und so der freie Einzelstrang in beliebiger Kopiezahl hergestellt werden.A preferred embodiment of the invention also relates to the synthesis of a double strand polynucleotides according to one of the above methods, one strand of which is kova lent (especially via its 3 'end) directly or via a spacer to the surface a microchannel or microchamber is bound, the removal of the non-covalently bound strand by dehybridization, and the use of the resulting ko valent bound single strand for polymerase reaction to regenerate the complementary, non-covalently bound strand by polymerase reaction in the Mi Krofluidikelement and its release by dehybridization. This can be done any number of times repeated and so the free single strand can be produced in any number of copies.

Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings

Fig. 1: Schematisches Beispiel für ein erfindungsgemässes Mikrofluidikelement (1), hier ausgebildet als Array aus Silicatglas; 2 = Mikrokanal (mäanderförmig); 3 = Zuleitung; 4 = Ableitung; 5 = Deckschicht, hier als Abdeckplatte [hier abgehoben gezeigt, im Betriebszu­ stand (beispielsweise durch Verkleben oder Verklammern) mit dem Unterteil verbunden]. Weitere Elemente wie Halterungen, Pumpen, Steuerung, Computer etc. wird nicht gezeigt. Fig. 1: A schematic example of an inventive microfluidic (1), here embodied as an array of silicate glass; 2 = microchannel (meandering); 3 = supply line; 4 = derivative; 5 = top layer, here as a cover plate [shown here lifted off, connected to the lower part in the operating state (for example by gluing or clipping)]. Other elements such as brackets, pumps, controls, computers etc. are not shown.

Fig. 2A: Schema für Synthese nach dem nicht-rekursiven ("one tube") Ligationsverfahren; Details siehe Beispiele 1 und 2. 6 = Spacer; 7 = Oberfläche des Substrates (z. B. im Mikro­ kanal (2) nach Fig. 1); 8 = Startermolekül (z. B. DNS). N, n+1, n+2, n+3, n+4, n+5 = Seque­ mere. Die Sequemere und das Startermolekül sind hier unligiert gezeigt ("one tube"). Fig. 2A: Scheme for synthesis by the non-recursive ( "one tube") ligation techniques; For details see Examples 1 and 2. 6 = spacer; 7 = surface of the substrate (z. B. in the micro-channel ( 2 ) of FIG. 1); 8 = starter molecule (e.g. DNA). N, n + 1, n + 2, n + 3, n + 4, n + 5 = Seque mere. The sequemers and the starter molecule are shown here without ligation ("one tube").

Fig. 2B dasselbe, wobei Ligation und templateabhängige Polymerasereaktion (.........) kombiniert werden ("one tube"); Spacer in Fig. 2B nicht gezeigt oder abwesend. 2B, wherein the ligation and template-dependent polymerase reaction (.........) are combined the same ( "one tube"). Spacer not shown or absent in Fig. 2B.

Fig. 3: Rekursive Anlagerung von Sequemeren: Startermolekül, Sequemere. Startermolekül und Sequemere werden kombinatorisch gewonnen. 6 = Spacer; 7 = Ober­ fläche des Substrates (z. B. im Mikrokanal (2) nach Fig. 1); 8 = Startermolekül (z. B. DNS); m = ganze Zahl (Zahl der benötigten Oligonucleotide zur Synthese des Ziel-Polynucleotids). Fig. 3: Recursive addition of sequemers: starter molecule, sequemers. Starter molecule and sequemers are obtained combinatorially. 6 = spacer; 7 = upper surface of the substrate (e.g. in the microchannel ( 2 ) according to FIG. 1); 8 = starter molecule (e.g. DNA); m = integer (number of oligonucleotides required to synthesize the target polynucleotide).

Fig. 4: Rekursives Verfahren mit (beispielsweise chemisch synthetisierten) langen Vorläu­ fermolekülen. Startermolekül (Spacer hier nicht gezeigt oder abwesend); = Se­ quemere (nach Beseitigung von blunt ends, z. B. mittels Exonuclease); ......... = template- abhängig synthetisierter Polynucleotidstrangteil; markiert Startstellen der Polymerase­ reaktionen (vorzugsweise 3'-Enden) nach Sticky End-Herstellung. m, 7, 8 wie in Fig. 3. Fig. 4: Recursive method with (for example chemically synthesized) long precursor molecules. Starter molecule (spacer not shown here or absent); = Se quemere (after blunt ends have been eliminated, for example by means of exonuclease); ......... = template-dependent synthesized polynucleotide strand part; marks starting points of the polymerase reactions (preferably 3 'ends) after sticky end production. m, 7 , 8 as in FIG. 3.

Beispiele: Die nachfolgenden Beispiele dienen der Illustration der Erfindung, ohne ihren Umfang einschränken zu wollen.Examples: The following examples serve to illustrate the invention without its Want to limit the scope.

Beispiel 1example 1 Herstellung eines DNS-90-mers (kodierend für die B-Kette von Schweine-Insulin) (Beispiel für rekursives Verfahren nur mit Ligation) (Fig. 2A)Production of a DNA-90-mer (coding for the B chain of porcine insulin) (example for recursive method only with ligation) ( FIG. 2A)

An der Oberfläche eines Mikrokanals mit etwa viereckigem Querschnitt mit je 200 µm Kan­ tenlänge senkrecht zur Längsachse von 5 cm Länge und mit Wänden auf einem Glas-Array aus Silicatglas (ein fotostrukturierbares Glas, z. B. FOTURAN®-Glas) gemäss Fig. 1 mit 5 cm Länge und 2 cm Breite, wobei der Kanal auf der Oberseite durch eine Glasplatte abgedeckt ist und die reaktive Oberfläche insgesamt einer Fläche von rund 0,3 cm2 aufweist und unge­ fähr 10 pmol OH-Gruppen für die Bindung zur Verfügung stehen, wird unter Verwendung des Phosphoamiditverfahrens und der 2-(2-Nitrophenyl)propoxycarbonyloxy-Schutzgruppe (siehe US 5,763,599) für die 5'-OH-Gruppe der verwendeten Nucleoside, die nach jedem Kupplungszyklus durch Bestrahlung mit einem XeF-Laser bei 351 nm (oder einer 100 W- Quecksilberdampflampe) abgespalten wird, und eines durch Retro-Diels-Alder-Reaktion thermisch spaltbaren Linkers am 3'-Ende ein DNS-20-mer mit einer DNS, die dem 3'-Ende des nicht-codogenen Strangs für die Schweine-Insulin-B-Kette entspricht, als Startermolekül (vgl. Fig. 2) synthetisiert.On the surface of a microchannel with an approximately square cross-section, each with a 200 µm edge length perpendicular to the longitudinal axis of 5 cm in length, and with walls on a glass array made of silicate glass (a photo-structurable glass, e.g. FOTURAN® glass) according to FIG. 1 with a length of 5 cm and a width of 2 cm, the channel on the top being covered by a glass plate and the total reactive surface having an area of approximately 0.3 cm 2 and approximately 10 pmol OH groups being available for binding, is using the phosphoamidite method and the 2- (2-nitrophenyl) propoxycarbonyloxy protecting group (see US 5,763,599) for the 5'-OH group of the nucleosides used, which after each coupling cycle by irradiation with a XeF laser at 351 nm (or a 100 W mercury vapor lamp) and a retro-Diels-Alder reaction which can be thermally cleaved at the 3 'end of a DNA 20-mer with a DNA which corresponds to the 3' end of the non-codogenic strand for corresponds to the porcine insulin B chain as a starter molecule (cf. Fig. 2) synthesized.

In einem DNS-Synthesizer (z. B. ABI 380 B Automated Synthesizer, Applied Biosystems, Inc.) wird unabhängig davon ein DNS-Sequemer nach der Phosphoramiditmethode synthe­ tisiert, das den ersten 30 Nukleinsäuren ab dem 5'-Ende des codierenden Stranges für die B-Kette von Schweineinsulin entspricht (vgl. Sequemer n in Fig. 2). 20 µmol hiervon werden unter stringenten Bedingungen an das Startermolekül hybridisiert und der Überschuss mit Puffer ausgewaschen.In a DNA synthesizer (e.g. ABI 380 B Automated Synthesizer, Applied Biosystems, Inc.), a DNA sequencer is synthesized independently of the phosphoramidite method, which contains the first 30 nucleic acids from the 5 'end of the coding strand for corresponds to the B chain of porcine insulin (see Sequemer n in Fig. 2). 20 µmol of this are hybridized to the starter molecule under stringent conditions and the excess is washed out with buffer.

Anschliessend wird ein weiteres im Synthesizer hergestelltes DNS-30-mer (n+1-Sequemer), welches den ab 3'gezählten Nucleotiden 21 bis 50 des nicht-codogenen Stranges für die Schweine-Insulin-B-Kette entspricht, unter stringenten Bedingungen so an das freie Ende des n-Sequemers hybridisiert, dass im Überlappungsbereich alle 10 Basenpaare kombi­ nieren.Another DNA-30-mer (n + 1 sequencer) produced in the synthesizer is then which is the nucleotides 21 to 50 of the non-codogenic strand counted from 3 ′ for the Pork insulin B chain corresponds to the free end under stringent conditions of the n-sequencer hybridizes that all 10 base pairs are combined in the overlap area kidney.

Dann wird der Mikrokanal mit T4-DNS-Ligase-Puffer mit Substraten und T4-DNS-Ligase (1 E/µl) (Gibco-BRL Life Technologies GmbH, Deutschland, Eggenstein) beschickt und das Startermolekül mit dem n+1-Sequemer ligiert. Nach erfolgter Ligation wird mit Puffer gespült und ein weiteres DNS-30-mer (das n+2-Sequemer, vgl. Fig. 2), welches im DNS-Synthe­ sizer hergestellt wurde und der Sequenz der Nucleinsäuren 31 bis 60 gezählt ab dem 5'- Ende des codogenen Stranges für die Schweine-Insulin-DNS entspricht, unter stringenten Bedingungen anhybridisiert, so dass die überlappenden Bereiche des n+2- und des n+1- Sequemeren sich paaren. Erneute Ligation verbindet das n- und das n+2-Sequemere des codogenen Strangs.The microchannel is then loaded with substrates and T4-DNA ligase (1 U / µl) (Gibco-BRL Life Technologies GmbH, Germany, Eggenstein) with T4-DNA ligase buffer and the starter molecule is ligated with the n + 1 sequencer , After the ligation is rinsed with buffer and a further DNA-30-mer (the n + 2-Sequemer, see Fig. 2), which was prepared in the DNA synthesizer and the sequence of nucleic acids 31 to 60 counted from the 5th '- End of the codogenic strand for the porcine insulin DNA corresponds, hybridized under stringent conditions, so that the overlapping regions of the n + 2 and n + 1 sequencers mate. Re-ligation joins the n- and n + 2-sequemers of the codogenic strand.

Ein weiteres synthetisches DNS-30-mer, welches den Nukleinsäuren 51 bis 80 des nicht- codogenen Stranges des Schweine-Insulin-B-Kettengens entspricht (n+3-Sequemer), wird mit dem überlappenden Abschnitt des ligierten n+2-Sequemers hybridisiert und das n+3- Sequemer mit dem n+1-Sequemer analog wie oben ligiert. Dann wird erneut mit einem weiteren im Synthesizer gewonnenen DNS-30-mer, welches den Nukleinsäuren 61 bis 90 des codogenen Stranges gezählt ab dem 5'-Ende entspricht, welcher für die B-Kette des Schweineinsulins codiert (n+4-Sequemer), der überlappende Teil an das einsträngige Ende des n+3-Sequemers hybridisiert und das n+4-Sequemer mit dem Ende des n+2-Sequemers ligiert. Schliesslich wird noch ein DNS-10-mer, welches der Sequenz der Nucleotide 81 bis 90, gezählt ab dem 3'-Ende, des nicht-kodierenden Strangs der für die B-Kette von Schwei­ neinsulin kodierenden DNS entspricht (Sequemer n+5), an den freien Einzelstrangabschnitt des Sequemers n+4 hybridisiert und dann mit dem n+3-Sequemer ligiert. Another synthetic DNA-30-mer, which the nucleic acids 51 to 80 of the non- corresponds to the codogenic strand of the porcine insulin B chain gene (n + 3 sequencer) hybridizes with the overlapping portion of the ligated n + 2 sequencer and the n + 3- Sequemer with the n + 1 sequencer ligated analogously as above. Then again with one another DNA-30-mer obtained in the synthesizer, which contains nucleic acids 61 to 90 of the codogenic strand counted from the 5 'end, which corresponds to the B chain of the Pig insulin encoded (n + 4 sequencers), the overlapping part to the single-stranded end of the n + 3 sequencer hybridized and the n + 4 sequencer with the end of the n + 2 sequencer ligated. Finally, there is a DNA 10-mer which corresponds to the sequence of nucleotides 81 to 90, counted from the 3 'end, of the non-coding strand for the B chain from Schwei DNA corresponding to neinsulin (Sequemer n + 5) corresponds to the free single-strand segment of the sequencer n + 4 hybridized and then ligated to the n + 3 sequencer.  

Die resultierende doppelsträngige DNS, welche die für die B-Kette von Insulin kodierende Sequenz enthält, wird dann durch kurzes Erhitzen abgespalten und kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise für Hybridisierungsexperimente oder (beispiels­ weise nach Anfügen von Sticky ends) zum Einbau in Plasmide. Man erhält etwa 10 pmol DNS (ca. 310 ng).The resulting double-stranded DNA, which encodes the B chain of insulin Sequence contains, is then split off by brief heating and can be used for different Purposes are used, for example for hybridization experiments or (for example after adding sticky ends) for incorporation into plasmids. About 10 pmol is obtained DNS (approx. 310 ng).

Beispiel 2Example 2 Herstellung der B-Ketten-Insulin-DNS auf nicht-rekursivem WegeProduction of B-chain insulin DNA in a non-recursive way

An das analog Beispiel 1 hergestellte, an die Oberfläche des Mikrokanals gekoppelte Star­ termolekül wird durch gleichzeitiges Zugeben eines Hybridisierungspuffers, der alle 6 Se­ quemere (analog n bis n+5 in Fig. 2) umfasst, zunächst ein Hybridisierungs-Zwischenpro­ dukt hergestellt, bei dem die einzelnen Sequemere einschliesslich des Startermoleküls noch nicht ligiert sind. Anschliessend wird die Ligation wie in Beispiel 1 beschrieben für alle Liga­ tionsstellen gleichzeitig durchgeführt. Die Ausbeute an korrekten Molekülen ist hier wegen Fehlpaarungen etwas geringer.To the starter molecule which is produced analogously to Example 1 and which is coupled to the surface of the microchannel, a hybridization intermediate product is initially produced by simultaneously adding a hybridization buffer which comprises all 6 sequencers (analogously n to n + 5 in FIG. 2) to which the individual sequemers, including the starter molecule, have not yet been ligated. The ligation is then carried out simultaneously for all league points as described in Example 1. The yield of correct molecules is somewhat lower here due to mismatches.

Beispiel 3Example 3

Synthese des nichtcodierenden Stranges des "grünen fluoreszierenden Proteins" (GFP) aus Aequoria victoria (Leptomedusae, Campanulidae) mit chemisch synthetisierten langen Vorläufermolekülen unter Verwendung von Polymerase:
Der codierende Gegenstrang des zu synthetisierenden nichtcodierenden Stranges für das fluoreszierende Protein hat folgende Sequenz (vgl. JP 1998234382):
Synthesis of the non-coding strand of the "green fluorescent protein" (GFP) from Aequoria victoria (Leptomedusae, Campanulidae) with chemically synthesized long precursor molecules using polymerase:
The coding counter strand of the non-coding strand to be synthesized for the fluorescent protein has the following sequence (cf. JP 1998234382):

Tabelle 1 zeigt die synthetisch (auf normalem chemischem Wege oder durch kombinatori­ sche Synthese unter Verwendung von Oktameren) gewonnenen Oligonucleotide, unter deren Verwendung ab dem 3'-Ende zunächst die Sequenz für den nichtcodierenden Strang ab Nukleinsäure 358 bis 717 zum 3'-Ende des komplementären, oben gezeigten kodieren­ den Strangs (SEQ ID NO: 1) hergestellt wird:Table 1 shows the synthetic (by normal chemical means or by combinatori cal synthesis using octamers) obtained oligonucleotides their use from the 3 'end first the sequence for the non-coding strand encode from nucleic acid 358 to 717 to the 3 'end of the complementary, shown above the strands (SEQ ID NO: 1):

Tabelle 1 Table 1

Oligonucleotide für die Synthese des nichtcodierenden Stranges des GFP-Gens Oligonucleotides for the synthesis of the non-coding strand of the GFP gene

Im einzelnen wird wie folgt vorgegangen (Kurzbezeichnungen der Oligonucleotide gemäss Tab. 1): An der Oberfläche eines Mikrokanals wie in Beispiel 1 wird Avidin (in einem Bei­ spiel über ein Bindesilan) gebunden. Das 5"-biotinylierte Oligonucleotid BIO1 (mit einer eine Restriktionsschnittstelle enthaltenden Vorsequenz von 50 Nucleinsäuren vor dem zur codierenden Sequenz des GFP-Gens komplementären Strang) wird nicht kovalent über den Biotinrest an das Avidin gebunden (Alternativ wird ein mit BIO1 bis auf das fehlende Biotin identisches Oligonucleotid kovalent an die Substratoberfläche über einen Succinat- Spacer gebunden - Abspaltung erfolgt dann später mittels Restriktionsendonuclease). Die Oligonucleotide GFP-1b, GFP-2b, GFP-3b, GFP-4b und GFP-5b sind am 3'-Ende ge­ schützt, um ihre Verlängerung in der Polymerasereaktion zu verhindern.The individual procedure is as follows (short names of the oligonucleotides according to Tab. 1): On the surface of a microchannel as in Example 1, avidin (in a case tied with a binding silane). The 5 "-biotinylated oligonucleotide BIO1 (with a a pre-sequence containing a restriction site of 50 nucleic acids before the  coding sequence of the GFP gene complementary strand) is not covalently over the biotin residue is bound to the avidin (alternatively one is used with BIO1 except for the missing one Biotin identical oligonucleotide covalently to the substrate surface via a succinate Spacer bound - cleavage then takes place later using restriction endonuclease). The Oligonucleotides GFP-1b, GFP-2b, GFP-3b, GFP-4b and GFP-5b are at the 3 'end protects to prevent their prolongation in the polymerase reaction.

Das 3'-geschützte Oligonucleotid GFP-1b (am 3'-Ende komplementär zu den letzten 18 Nucleinsäuren am 3'-Ende von BIO1) wird anhybridisiert. Eine erste Polymerasereaktion in Gegenwart von Nucleositriphosphaten und von einem Pfu/Taq-Polymerasegemisch führt nach Verlängerung von BIO1 zum teilweise doppelsträngigen Intermediat. Mittels T4 (Gen 6)-Exonuclease wird der Strang mit freiem 5'-Ende teilweise entfernt, wobei aus dem Blunt End am 3'-Ende des verbleibenden gebundenen Stranges die zur am 3'-Ende von GFP-2b (letzte 20 Nukleinsäuren am 3'-Ende) gelegenen Endsequenz komplementäre Sequenz als Sticky End freigesetzt wird. Über diesen überlappenden Abschnitt wird 3'-geschütztes GFP- 2b anhybridisiert. Es folgt Polymerasereaktion und teilweise Entfernung des gebildeten Stranges zur Erzeugung eines freien 3'-Sticky Ends, wie zuvor beschrieben. Damit liegt der erneut verlängerte gebundene Einzelstrang vor. Dieser hat nun am 3'-Ende die zu den letz­ ten 20 Nukleinsäuren am 3'-Ende von GFP-3b komplementäre Nukleinsäuresequenz. An­ hybridisierung dieses (3'-geschützten) Abschnitts, nachfolgende Polymerasereaktion und teilweise Entfernung des nicht an den Mikrokanal gebundenen Doppelstranges (jeweils wie oben) führt zu dem über Biotin gebundenen, erneut verlängerten Einzelstrang. An dessen 3'-Ende befindet sich nun die zu den letzten 22 Nucleinsäuren am 3'-Ende von GFP-4b komplementäre Sequenz. Anhybridisierung von 3'-geschütztem GFP-4b und anschließende Polymerasereaktion sowie teilweise Entfernung des nicht direkt an den Mikrokanal gebun­ denen Stranges führt zum erneut verlängerten über Biotin gebundenen Einzelstrang, der diesmal am 3'-Ende die zu den letzten 26 Nukleinsäuren am 3'-Ende von GFP-5b komple­ mentären Nukleinsäuren enthält. Schliesslich wird an diesen Strang 3'-geschütztes GFP-5b im Überlappungsbereich anhybridisiert. Erneute Polymerasereaktion führt zum über Biotin gebundenen nicht-kodierenden Strangabschnitt der GFP-DNS, der den Nukleinsäuren 358 bis 717 des kodierenden Stranges komplementär ist, mit einem 5'-terminal verlängerten En­ de von 50 Nukleinsäuren, das die Restriktionsschnittstelle umfasst. Dieser nicht-kodierende Abschnitt mit der 5'-terminalen Verlängerung und Biotin am 5'-Ende liegt nun an die Ober­ fläche des Mikrokanals über die Biotin/Avidin-Wechselwirkung vor. The 3'-protected oligonucleotide GFP-1b (at the 3 'end complementary to the last 18 Nucleic acids at the 3 'end of BIO1) are hybridized. A first polymerase reaction in Presence of nucleoside triphosphates and a Pfu / Taq polymerase mixture after extension of BIO1 to a partially double-stranded intermediate. Using T4 (Gen 6) -Exonuclease, the strand with the free 5 'end is partially removed, leaving the blunt End at the 3 'end of the remaining bound strand that at the 3' end of GFP-2b (last 20 nucleic acids at the 3 'end) end sequence complementary sequence as Sticky End is released. 3'-protected GFP is over this overlapping section 2b hybridized. This is followed by polymerase reaction and partial removal of the formed Strands to create a free 3 'sticky end as previously described. With that lies the again extended bound single strand. This now has the last one at the 3 'end ten 20 nucleic acids at the 3 'end of GFP-3b complementary nucleic acid sequence. to hybridization of this (3'-protected) section, subsequent polymerase reaction and partial removal of the double strand not bound to the microchannel (each like above) leads to the single strand which is bound again via biotin and is extended again. On whose The 3 'end is now the last 22 nucleic acids at the 3' end of GFP-4b complementary sequence. Hybridization of 3'-protected GFP-4b and subsequent Polymerase reaction and partial removal of the not directly bound to the microchannel which strands leads to the renewed single strand bound via biotin, the this time at the 3 'end of the last 26 nucleic acids at the 3' end of GFP-5b contains mental nucleic acids. Finally, 3'-protected GFP-5b is added to this strand hybridized in the overlap area. Another polymerase reaction leads to over biotin bound non-coding strand section of the GFP-DNA which contains the nucleic acids 358 to 717 of the coding strand is complementary, with a 5'-terminally elongated ene de of 50 nucleic acids encompassing the restriction site. This non-coding Section with the 5'-terminal extension and biotin at the 5'-end is now on the upper area of the microchannel via the biotin / avidin interaction.  

Parallel hierzu wird auf analoge Weise der komplementäre kodierende Abschnitt der GFP- DNS von Nukleinsäure 1 bis 401 (gezählt ab dessen 3'-Ende) aus entsprechenden Oligonuc­ leotidbausteinen hergestellt, wobei dieser an einem separaten Mikrofluidikelement gebun­ den ist. Dieser Polynucleotidabschnitt der kodierenden Kette, der über sein 5'-Biotinyl-Ende an Avidin auf der Oberfläche eines Mikrokanals gebunden ist, wird dann durch Biotin-Über­ schuss abgelöst, isoliert und in oben erhaltenen Mikrokanal mit dem nichtcodierenden Ab­ schnitt überführt und im Überlappungsbereich (358 bis 401 des kodierenden Stranges) mit diesem nichtkodierenden Polynucleotidabschnitt hybridisiert. Polymerasereaktion führt zum kompletten nichtkodierenden Strang mit jeweils 3'-terminalem und 5'-terminalem eine Re­ striktionsschnittstelle umfassenden Abschnitt und 5'-Biotinylrest. Entfernung des kodieren­ den Stranges (durch Endonuclease, wie oben beschrieben, oder durch Dehybridisierung und Waschen) ergibt den gewünschten DNS-Einzelstrang, der noch über das 5'-Biotin ge­ bunden ist. Durch Behandlung mit einem Biotinüberschuss wird dieser Strang freigesetzt und gereinigt. Er kann dann beliebig amplifiziert oder verwendet werden. Zwischenkontrol­ len auf korrekte Sequenzen der Intermediate erfolgen durch Amplifikation (Polymerase-Ket­ tenreaktion) mit geeigneten Primern, um die entsprechenden DNS-Abschnitte (beispiels­ weise durch Sequenzierung) zu überprüfen.In parallel, the complementary coding section of the GFP- DNA from nucleic acid 1 to 401 (counted from its 3 'end) from the corresponding Oligonuc Leotide modules produced, which was bundled on a separate microfluidic element that is. This polynucleotide portion of the coding chain, which over its 5'-biotinyl end is bound to avidin on the surface of a microchannel, then by biotin over shot detached, isolated and in the microchannel obtained above with the non-coding Ab transferred and in the overlap area (358 to 401 of the coding strand) hybridizes this non-coding polynucleotide section. Polymerase reaction leads to complete non-coding strand with 3'-terminal and 5'-terminal one Re section and 5'-biotinyl residue. Code removal the strands (by endonuclease as described above or by dehybridization and washing) gives the desired single strand of DNA, which is still above the 5'-biotin is bound. This strand is released by treatment with an excess of biotin and cleaned. It can then be amplified or used as desired. Zwischenkontrol correct sequences of the intermediates are obtained by amplification (polymerase ket ten reaction) with suitable primers to the corresponding DNA sections (ex by sequencing).

Claims (11)

1. Verfahren zur präparativen Synthese von Polynucleotiden unter Verwendung mikrofluidischer Systeme, umfassend
  • a) die Verwendung eines Startermolekül-Oligonucleotids, welches an einer Oberfläche eines Reaktionsraums eines Mikrofluidiksystems direkt oder über einen Spacer ge­ bunden wird, oder direkt unter Bindung eines Endes an der Oberfläche des Reak­ tionsraumes synthetisiert wird, und welches eines der Enden eines Stranges des zu synthetisierenden Polynukleotidsequenz umfasst;
  • b) einen oder mehrere sich anschliessende Schritte der Hybridisierung von einem oder mehreren Sequemeren, welche Sequenzabschnitten aus der Sequenz eines zu syn­ thetisierenden Stranges oder deren Komplementärsequenz entsprechen und deren endständige Sequenzen jeweils so überlappen, dass sie die Hybridisierung mit ei­ nem endständigen Teilabschnitt aus dem Startermolekül oder dem jeweils vorausge­ henden Sequemer und dem nachfolgenden Sequemer oder im Falle des Resultie­ rens eines endständigen Blunt Ends, beispielsweise nach Polymerasereaktions­ schritten, nach Herstellung eines Sticky Ends dessen Hybridisierung mit dem über­ lappenden Bereich eines nachfolgenden Sequemers ermöglichen, und
  • c) im Falle von Nicks zwischen so hintereinandergereihten Sequemeren Ligation oder zur Komplettierung fehlender Teilabschnitte aus 1 oder mehr Nucleotiden, die zu einem Abschnitt des jeweils gegenüberliegenden Sequemerabschnitts komplemen­ tär sind, Polymerasereaktionen und erforderlichenfalls anschliessend Ligation zur Beseitigung resultierender Nicks, wobei die Schritte (ii) und (iii) so oft wiederholt werden, bis das gewünschte Polynucleotid erhalten ist.
1. A method for preparative synthesis of polynucleotides using microfluidic systems, comprising
  • a) the use of a starter molecule oligonucleotide, which is bound to a surface of a reaction space of a microfluidic system directly or via a spacer, or is directly synthesized with the binding of one end to the surface of the reaction space, and which is one of the ends of a strand of the includes synthesizing polynucleotide sequence;
  • b) one or more subsequent steps of hybridization of one or more sequencers, which sequence segments correspond to the sequence of a strand to be synthesized or their complementary sequence and whose terminal sequences overlap in such a way that they hybridize with a terminal segment from the starter molecule or the respective preceding sequemer and the subsequent sequemer or, in the case of the result of a terminal blunt end, for example after polymerase reaction steps, after the manufacture of a sticky end, the hybridization thereof with the overlapping region of a subsequent sequencer, and
  • c) in the case of nicks between sequencers lined up in this way or for the completion of missing sections from 1 or more nucleotides which are complementary to a section of the respective opposite section of the sequencer, polymerase reactions and, if necessary, subsequent ligation to remove the resulting nicks, the steps (ii) and (iii) repeated until the desired polynucleotide is obtained.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofluidikelement eine Mikrokammer oder ein Mikrokanal ist und die Bindung des Startermoleküls über dessen 5'- oder insbesondere 3'-Hydroxy erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the microfluidic element is a micro-chamber or a micro-channel and the binding of the starter molecule via whose 5'- or in particular 3'-hydroxy takes place. 3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 und 2, weiter umfassend die Freisetzung eines der beiden Stränge, insbesondere des nicht an die Oberfläche des Mikrofluidikelements gebundenen, oder den Doppelstrang des erhältlichen Polynucleotids. 3. The method according to any one of the preceding claims 1 and 2, further comprising the Release of one of the two strands, especially the one not to the surface of the Microfluidic elements bound, or the double strand of the available Polynucleotide.   4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwei oder mehrere Verfahren, ausgewählt aus kombinatorischen, sequenzindividuellen, rekursiven und nicht-rekur­ siven Verfahren, kombiniert werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein two or more methods, selected from combinatorial, sequence-individual, recursive and non-recurs sive processes can be combined. 5. Verfahren gemäss Anspruch 4, wobei die Herstellung mittels kombinatorischer Syn­ these zur Präparation von längeren Vorläufermolekülen, beispielsweise von 20 bis 300, insbesondere von 50 bis 200 Nukleotiden Länge, mit anschliessender Verwen­ dung der so erhältlichen Vorläufermoleküle im rekursiven Verfahren mit Polymerase­ reaktion und Ligation zu längeren Polynucleotiden.5. The method according to claim 4, wherein the production by means of combinatorial syn thesis for the preparation of longer precursor molecules, for example from 20 to 300, in particular from 50 to 200 nucleotides in length, with subsequent use of the precursor molecules thus obtainable in a recursive process using polymerase reaction and ligation to longer polynucleotides. 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, ausgeprägt als kombina­ torisches Polynucleotidsyntheseverfahren, wobei in einem ersten Schritt alle mögli­ chen Sequenzkombinationen für die Synthese hergestellt werden, und das weiter umfasst
  • a) die Verwendung eines Startermolekül-Oligonucleotids aus der Sammlung von Mo­ lekülen mit den kombinatorisch hergestellten Sequenzkombinationen, welches an einer Oberfläche eines Reaktionsraums eines Mikrofluidiksystems, vorzugsweise eines Mikrofluidikelements, insbesondere eines Mikrokanals, direkt oder über einen Spacer gebunden wird, vorzugsweise über sein 5'- oder insbesondere sein 3'- Hydroxy, und welches eines der Enden, vorzugsweise das 3'-Ende, eines Stranges des zu synthetisierenden Polynukleotidsequenz umfasst;
  • b) anschliessend rekursive Schritte der Hybridisierung von einem oder mehreren Se­ quemeren aus der Sammlung von Molekülen mit den kombinatorisch hergestellten Sequenzkombinationen, welche Sequenzabschnitten aus der Sequenz eines zu synthetisierenden Stranges oder deren Komplementärsequenz entsprechen und deren endständige Sequenzen jeweils so überlappen, dass sie die Hybridisierung mit einem endständigen Teilabschnitt aus dem Startermolekül oder dem jeweils vorausgehenden Sequemer und dem nachfolgenden Sequemer ermöglichen, und
  • c) im Falle von Nicks zwischen so hintereinandergereihten Sequemeren, nachdem im ersten Schritt (ii) mindestens zwei Sequemere anhybridisiert worden sind oder in nachfolgenden Schritten mehrere teilüberlappende Sequemere oder vorzugsweise jeweils ein teilüberlappendes Sequemer an das wachsende herzustellende Polynuc­ leotid hybridisiert worden sind, Ligation (oder, falls nötig, zur Komplettierung fehlender Teilabschnitte aus 1 oder mehr Nucleotiden, die zu einem Abschnitt des jeweils gegenüberliegenden Sequemerabschnitts komplementär sind, Polymerase­ reaktionen und anschliessend Ligation, beispielsweise im nicht-hybridisierenden zur bindenden Oberfläche orientierten Teil des Startermoleküls) zur Beseitigung resultierender Nicks,
    wobei die Schritte (ii) und (iii) so oft wie erforderlich wiederholt werden, bis die Sequenz des gewünschten Polynucleotides komplettiert ist;
  • d) und dass man schliesslich vorzugsweise das fertiggestellte Molekül durch Dehybri­ disierung oder chemische Abspaltung von der Oberfläche oder dem Spacer freisetzt und gewünschtenfalls reinigt.
6. The method according to any one of the preceding claims 1 to 3, pronounced as a combinatorial polynucleotide synthesis method, wherein in a first step all possible sequence combinations for the synthesis are prepared, and which further comprises
  • a) the use of a starter molecule oligonucleotide from the collection of molecules with the combinatorial sequence combinations, which is bound to a surface of a reaction space of a microfluidic system, preferably a microfluidic element, in particular a microchannel, directly or via a spacer, preferably via its 5 ' - or in particular its 3'-hydroxy, and which comprises one of the ends, preferably the 3 'end, of a strand of the polynucleotide sequence to be synthesized;
  • b) then recursive steps of hybridization of one or more sequencers from the collection of molecules with the combinatorially produced sequence combinations, which sequence sections correspond to the sequence of a strand to be synthesized or its complementary sequence and whose terminal sequences overlap in such a way that they overlap the hybridization with enable a terminal section from the starter molecule or the respective preceding sequemer and the subsequent sequemer, and
  • c) in the case of nicks between sequencers lined up in this way, after at least two sequemers have been hybridized in the first step (ii) or in subsequent steps a number of partially overlapping sequences or preferably one partially overlapping sequence have been hybridized to the growing polynucleotide to be produced, ligation (or , if necessary, to complete missing sections from 1 or more nucleotides which are complementary to a section of the opposite sequencer section, polymerase reactions and then ligation, for example in the non-hybridizing part of the starter molecule which is oriented towards the binding surface) in order to remove resulting nicks,
    repeating steps (ii) and (iii) as many times as necessary until the sequence of the desired polynucleotide is completed;
  • d) and that, finally, the finished molecule is preferably released by dehybridization or chemical cleavage from the surface or the spacer and, if desired, cleaned.
7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgeprägt als sequenzindividuali­ sierte Synthese, umfassend
  • a) die Verwendung eines Startermolekül-Oligonucleotids mit spezifischer Sequenz, welches an einer Oberfläche eines Reaktionsraums eines Mikrofluidiksystems, vorzugsweise eines Mikrofluidikelements, insbesondere eines Mikrokanals, direkt oder über einen Spacer gebunden wird, vorzugsweise über sein 5'- oder insbeson­ dere sein 3'-Hydroxy, und welches eines der Enden, vorzugsweise das 3'-Ende, eines Stranges des zu synthetisierenden Polynukleotidsequenz umfasst;
  • b) anschliessende aufeinanderfolgende oder gleichzeitige Hybridisierung von jeweils einem oder mehreren Sequemeren, welche Sequenzabschnitten aus der Sequenz eines zu synthetisierenden Stranges oder deren Komplementärsequenz entspre­ chen und deren endständige Sequenzen jeweils so überlappen, dass sie die Hybri­ disierung mit einem endständigen Teilabschnitt aus dem Startermolekül oder dem jeweils vorausgehenden Sequemer und dem nachfolgenden Sequemer ermögli­ chen, und die zusammen die beiden kompletten Doppelstränge des zu synthetisie­ renden Polynucleotids abdecken, so dass lediglich Nicks entstehen, oder, falls die Enden von Sequemeren (einschliesslich des Starters) nicht aneinander stossen, auch Abschnitte mit ungepaarten Nucleotiden; und
  • c) im Falle von Nicks zwischen so hintereinandergereihten Sequemeren Ligation oder zur Komplettierung fehlender Teilabschnitte aus 1 oder mehr Nucleotiden, die zu einem Abschnitt des jeweils gegenüberliegenden Sequemerabschnitts komplemen­ tär sind, Polymerasereaktionen und anschliessend Ligation zur Beseitigung resultie­ render Nicks durchführt;
    wobei die Schritte (ii) und (iii), falls nicht alle Sequemeren auf einmal anhybridisiert und dann durch Ligase- oder Ligase- und Polymerasereaktion komplettiert werden, jeweils so oft wie erforderlich wiederholt werden, bis die Sequenz des gewünschten Polynucleotides komplettiert ist;
  • d) und vorzugsweise schliesslich das fertiggestellte Molekül durch Dehybridisierung oder chemische Abspaltung von der Oberfläche oder dem Spacer freisetzt und gewünschtenfalls reinigt.
7. The method according to any one of claims 1 to 3, pronounced as a sequence-individualized synthesis, comprising
  • a) the use of a starter molecule oligonucleotide with a specific sequence, which is bound to a surface of a reaction space of a microfluidic system, preferably a microfluidic element, in particular a microchannel, directly or via a spacer, preferably via its 5 'or, in particular, its 3' Hydroxy, and which comprises one of the ends, preferably the 3 'end, of a strand of the polynucleotide sequence to be synthesized;
  • b) subsequent sequential or simultaneous hybridization of in each case one or more sequencers, which sequence sections correspond to the sequence of a strand to be synthesized or its complementary sequence and whose end sequences each overlap in such a way that they hybridize with a terminal section from the starter molecule or the the preceding and subsequent sequemans are possible, and which together cover the two complete double strands of the polynucleotide to be synthesized, so that only nicks are formed, or, if the ends of sequeners (including the starter) do not meet, also sections with unpaired nucleotides; and
  • c) in the case of nicks between sequencers lined up in this way or to complete missing sections from 1 or more nucleotides which are complementary to a section of the opposite sequencer section, carries out polymerase reactions and then ligation to eliminate the resulting render nicks;
    wherein steps (ii) and (iii), if not all of the sequeners are hybridized at once and then completed by ligase or ligase and polymerase reaction, are repeated as often as necessary until the sequence of the desired polynucleotide is completed;
  • d) and preferably finally releases the finished molecule by dehybridization or chemical cleavage from the surface or the spacer and, if desired, cleans it.
8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgeprägt als rekursives Verfahren mit relativ längeren Vorläufermolekülen, umfassend
  • a) die Verwendung eines Startermolekül-Oligonucleotids, welches an einer Oberfläche eines Reaktionsraums eines Mikrofluidiksystems, vorzugsweise eines Mikrofluidik­ elements, insbesondere eines Mikrokanals, direkt oder über einen Spacer gebunden wird, vorzugsweise über sein 5'- oder insbesondere sein 3'-Hydroxy, oder direkt unter Bindung eines Endes an der Oberfläche des Reaktionsraumes synthetisiert wird, und welches eines der Enden, vorzugsweise das 3'-Ende, eines Stranges des zu synthetisierenden Polynukleotidsequenz umfasst;
  • b) einen anschliessenden Schritt der Hybridisierung eines Sequemeren, welches einem Sequenzabschnitt aus der Sequenz eines Stranges des zu synthetisierenden Poly­ nucleotids entspricht und dessen endständige Sequenzen jeweils im Falle des ers­ ten Sequemeren die Hybridisierung mit einem endständigen Teilabschnitt aus dem Startermolekül oder im Falle sequentiell nacheinander verwendeter weiterer Seque­ mere desselben Stranges wegen der nach den nachfolgend erwähnten Polymerase­ reaktionsschritten entstehenden Blunt Ends und nach Herstellung von Sticky Ends seine Hybridisierung mit dem überlappenden Bereich eines nachfolgenden Seque­ mers ermöglichen, und Herstellung eines Sticky Ends (insbesondere mit einem re­ sultierenden freien 3'-OH im erhältlichen Einzelstrangabschnitt); und
  • c) zur Komplettierung fehlender Teilabschnitte aus 1 oder mehr Nucleotiden, die zu einem Abschnitt des jeweils gegenüberliegenden Sequenzabschnitts komplementär sind, nach jeder Anhybridisierung eines Sequemeren jeweils eine Polymerase­ reaktion, und, falls die kovalente Verbindung der Sequemere gewünscht ist, Poly­ merasereaktionen zur Auffüllung eventuell resultierender Lücken und Ligation oder nur Ligation;
    wobei die Schritte (ii) und (iii) so oft wie erforderlich wiederholt werden, bis die Sequenz des gewünschten Polynucleotides komplettiert ist, und die kovalente Bindung der Sequemere durch Ligation oder Polymerasereaktion und Ligation auch erst nach Anlagerung von mehr als einem oder allen Sequemeren erfolgen kann;
  • d) und vorzugsweise schliesslich Freisetzung und gewünschtenfalls Reinigung des fer­ tiggestellten Moleküls durch Dehybridisierung oder chemische Abspaltung von der Oberfläche oder dem Spacer.
8. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized as a recursive method with relatively longer precursor molecules, comprising
  • a) the use of a starter molecule oligonucleotide which is bound to a surface of a reaction space of a microfluidic system, preferably a microfluidic element, in particular a microchannel, directly or via a spacer, preferably via its 5'- or in particular its 3'-hydroxy, or is synthesized directly by binding one end to the surface of the reaction space and which comprises one of the ends, preferably the 3 'end, of a strand of the polynucleotide sequence to be synthesized;
  • b) a subsequent step of hybridizing a sequencer, which corresponds to a sequence section from the sequence of a strand of the poly nucleotide to be synthesized and whose terminal sequences in the case of the first sequencer in each case hybridize with a terminal section from the starter molecule or in the case of sequentially used sequentially further seque mers of the same strand because of the blunt ends arising after the polymerase reaction steps mentioned below and after the production of sticky ends enable its hybridization with the overlapping region of a subsequent seque mers, and production of a sticky ends (in particular with a resultant free 3'-OH in the available single strand section); and
  • c) to complete missing sections of 1 or more nucleotides that are complementary to a section of the opposite sequence section, each polymerase reaction after each hybridization of a sequencer, and, if the covalent connection of the sequeners is desired, polymerase reactions to fill in any resulting Gaps and ligation or just ligation;
    wherein steps (ii) and (iii) are repeated as often as necessary until the sequence of the desired polynucleotide is completed, and the covalent binding of the sequeners by ligation or polymerase reaction and ligation also take place only after the addition of more than one or all of the sequeners can;
  • d) and preferably finally release and, if desired, cleaning of the finished molecule by dehybridization or chemical cleavage from the surface or the spacer.
9. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend die Entfernung des erhältlichen nicht kovalent gebundenen Stranges durch Dehybridisierung, und die Verwendung des resultierenden kovalent gebundenen Einzelstranges für Polyme­ rasereaktion zur erneuten Erzeugung des komplementären, nicht kovalent gebunde­ nen Stranges mittels Polymerasereaktion im Mikrofluidikelement und dessen Freiset­ zung durch Dehybridisierung, wobei die Freisetzung und Synthese beliebig oft wieder­ holt werden können, um den freien Einzelstrang in beliebiger Kopiezahl herzustellen.9. The method according to any one of claims 1 to 5, further comprising the removal of the available non-covalently bound strand by dehybridization, and the Use of the resulting covalently bound single strand for polyme Race reaction to generate the complementary, non-covalently bound again NEN strand by means of polymerase reaction in the microfluidic element and its release tion by dehybridization, the release and synthesis again as often as desired can be fetched to produce the free single strand in any number of copies. 10. Mikrofluidische Elemente mit nach einem der in Anspruch 1 bis 7 erhältlichen gebun­ denen Polynucleotid oder Vorstufen davon.10. Microfluidic elements with according to one of the available in claims 1 to 7 those polynucleotide or precursors thereof. 11. Kits oder Apparaturen für die Herstellung von Polynucleotiden gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, die entsprechend beschickte Mikrofluidikelemente und gege­ benenfalls weitere Komponenten umfassen.11. Kits or apparatus for the production of polynucleotides according to one of the Claims 1 to 7, the correspondingly loaded microfluidic elements and gege optionally include other components.
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