DE10117866A1 - Detecting and characterizing binding complexes, useful e.g. for diagnosis, comprises forming sample and reference complexes and determining force required for separation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung und/oder zum Nachweis eines Bindungskomplexes, insbesondere mittels Unterscheidung molekularer Trennkräfte durch einen differentiellen KrafttestThe invention relates to a method and an apparatus for characterization and / or for the detection of a binding complex, in particular by means of molecular differentiation Separation forces through a differential force test
Nicht-kovalente Wechselwirkungen zwischen Molekülen beruhen auf der atomaren Interaktion von Bindungspartnern durch Wasserstoffbrücken, ionische, hydrophobe und van der-Waals Kräfte. Schwache Wechselwirkungen sind Größenordnungen geringer als kovalente Bindungen, die durch chemische Reaktionen gebildet oder gelöst werden.Non-covalent interactions between molecules are based on the atomic Interaction of binding partners through hydrogen bonds, ionic, hydrophobic and van der-Waals forces. Weak interactions are orders of magnitude less than covalent bonds that are formed or broken by chemical reactions.
Nicht-kovalente Wechselwirkungen zwischen Bindungspartnern mit einem hohen Grad an selektiver Bindeeigenschaft sind die Voraussetzung für die molekulare Erkennung, die man sich in der chemischen Analytik und der Diagnostik zu Nutze macht. Im Folgenden werden solche Wechselwirkungen als spezifische Wechselwirkungen bezeichnet. Bei den Verfahren zum Nachweis oder der Charakterisierung biochemischer Moleküle handelt es sich meistens um Bindetests.Non-covalent interactions between binding partners with a high degree selective binding properties are the prerequisite for the molecular recognition that one makes use of chemical analysis and diagnostics. Below are such interactions are referred to as specific interactions. In the process it is mostly for the detection or characterization of biochemical molecules about binding tests.
Ein Bindetest basiert auf der Ausbildung eines Bindungskomplexes durch die spezifische Wechselwirkungen eines Liganden mit einem Rezeptor und dem Nachweis dieses Komplexes.A binding test is based on the formation of a binding complex by the specific one Interactions of a ligand with a receptor and the detection of this complex.
Bei diagnostischen Bindetest kommt es darauf an, eine bekannte Substanz in einer Probe
nachzuweisen:
Diagnostic binding testing is about detecting a known substance in a sample:
- - Die Identität einer Probesubstanz zu bestimmen- Determine the identity of a test substance
- - Eine Probesubstanz in einem komplexen Probegemisch nachzuweisen- Detect a test substance in a complex test mixture
- - Varianten einer Probesubstanz zu unterscheiden- to distinguish variants of a test substance
- - Die Konzentration einer Probesubstanz zu bestimmen- Determine the concentration of a test substance
Bei Bindetests für die Entwicklung neuer Diagnostika oder Therapeutika kommt es darauf an,
zu einem bestimmten Bindungspartner einen passenden, noch unbekannten zweiten
Bindungspartner zu finden, d. h.:
In the case of binding tests for the development of new diagnostic or therapeutic agents, it is important to find a suitable, yet unknown second binding partner for a specific binding partner, ie:
- - Aus einer Vielzahl von Probesubstanzen diejenige zu identifizieren, die an einen bestimmten Rezeptor bindet- To identify those from a large number of test substances that are associated with one specific receptor binds
- - Die Bindungskonstante der Probesubstanz zum Rezeptor zu bestimmen- Determine the binding constant of the test substance to the receptor
- - Weitere Bindungseigenschaften wie die Rate der Assoziation (on rate) oder der Dissoziation (off rate) zu bestimmen- Other binding properties such as the rate of association (on rate) or To determine dissociation (off rate)
In der Immunodiagnostik handelt es sich bei den Rezeptoren i. d. R. um Antikörper oder Antikörperderivate, mit denen Antigene von Proteinen, niedermolekulare Substanzen aber auch Viren und ganze Zellen nachgewiesen werden können.In immunodiagnostics, the receptors are i. d. R. for antibodies or Antibody derivatives with which antigens of proteins, but low molecular weight substances viruses and whole cells can also be detected.
In der molekularen Diagnostik spricht man bei dem Rezeptor von einer Sonde, die aus einer Nukleinsäure wie DNA oder RNA besteht und mit der Nukleinsäuren in einer Probe nachgewiesen werden.In molecular diagnostics, the receptor is called a probe that consists of a There is nucleic acid such as DNA or RNA and with the nucleic acids in a sample be detected.
Der verbreitetste immunodiagnostische Test ist der enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) Beim ELISA wird ein erster Antikörper auf einer Oberfläche immobilisiert. Er bindet selektiv ein Antigen eines zugegebenen Probegemischs über eine erste Bindestelle (Epitop). Ein zweiter Antikörper, der mit einer Markierung versehen ist und der sich in freier Lösung befindet bindet an ein zweites Epitop des Antigens. Bei einem Separationsschritt, wird die Fraktion des markierten Antikörpers abgetrennt, die nicht an das Antigen gebunden hat. Die auf der Oberfläche zurückbleibenden Sandwich-Komplexe aus erstem Antikörper, Antigen und zweitem Antikörper werden anhand der Markierung nachgewiesen. An die Markierung vermag i. d. R. ein Enzym zu binden, das mittels Bildung eines Farbstoffes das Signal entwickelt. Der Farbstoff ist letztlich das Maß für die Menge des Antigens in der untersuchten Probe.The most common immunodiagnostic test is the enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) In the ELISA, a first antibody is immobilized on a surface. He selectively binds an antigen of an added sample mixture via a first binding site (Epitope). A second antibody that is labeled and that is in free Solution located binds to a second epitope of the antigen. In a separation step, the fraction of the labeled antibody is separated which is not bound to the antigen Has. The sandwich complexes of the first antibody remaining on the surface, The antigen and the second antibody are detected using the label. To the Marking can i. d. R. to bind an enzyme that by forming a dye Signal developed. The dye is ultimately the measure of the amount of antigen in the examined sample.
Ein typischer molekulardiagnostischer Test ist die Southern-Hybridisierung. Sie beruht auf der Wechselwirkung eines bekannten Nukleinsäuremoleküls, der Sonde, zu einer komplementären Nukleinsäure eines Probengemischs. Die Probe wird auf einer Oberfläche immobilisiert und die markierte Sonde zugegeben. Bei geeigneten Puffer- und Temperaturbedingungen binden die Sondenmoleküle an komplementäre Sequenzen der Probe. Nach Separation der nicht gebundenen Sonde werden die gebildeten Nukleinsäureduplexe aus Sonde- und Probemolekülen mittels der Markierung quantifiziert.A typical molecular diagnostic test is Southern hybridization. It is based on the interaction of a known nucleic acid molecule, the probe, with one complementary nucleic acid of a sample mixture. The sample is on a surface immobilized and the labeled probe added. With suitable buffer and Temperature conditions bind the probe molecules to complementary sequences of the sample. After separation of the unbound probe, the nucleic acid duplexes formed are removed Probe and sample molecules quantified using the label.
Bei der reversen Southern-Hybridisierung, die Grundlage für die hoch parallele Nukleinsäureanalyse auf miniaturisierten Sondenanordnungen (DNA microarrays) ist, werden die Sondenmoleküle auf der Oberfläche gebunden und markierte Probemoleküle in freier Lösung zugegeben.In reverse Southern hybridization, the basis for the highly parallel Nucleic acid analysis on miniaturized probe arrays (DNA microarrays) the probe molecules bound to the surface and labeled sample molecules in free Solution added.
ELISA und Southern-Hybridisierung haben gemeinsam, daß das Bindeereignis durch eine Markierung nachgewiesen wird und daß einer der Bindepartner auf einer Oberfläche gebunden wird. Eine weitere Eigenschaft, die sie mit allen gängigen Bindetest gemeinsam haben besteht darin, daß man Bindeeigenschaften zweier Bindungspartner zueinander auf der Basis der Größe der Bindungsenergie im resultierenden Bindungskomplex charakterisiert.ELISA and Southern hybridization have in common that the binding event is triggered by a Marking is detected and that one of the binding partners on a surface is bound. Another property they share with all common binding tests have that one has binding properties of two binding partners to each other on the Characterized the size of the binding energy in the resulting binding complex.
Die chemische Wechselwirkung zwischen zwei Bindungspartnern läßt sich anhand verschiedener Modelle beschreiben. Das klassische theoretische Gerüst ist die Thermodynamik. Für die Entwicklung der Thermodynamik war ausschlaggebend, daß es lange nicht möglich war molekulare Wechselwirkungen an einzelnen Molekülen zu messen. Deshalb beschreibt sie die Wechselwirkung von Teilchen auf der Basis makroskopisch meßbarer Größen. Hieraus resultiert das Konzept der Bindungsenergie, die als die zum Lösen einer Bindung erforderliche Energie definiert ist. Die Bindungsenergie zweier Bindungspartner zueinander kann über die Messung der Konzentrationen von freien und gebundenen Bindungspartnern über die Gleichgewichtskonstante abgeleitet werden.The chemical interaction between two binding partners can be seen from describe different models. The classic theoretical framework is that Thermodynamics. For the development of thermodynamics it was crucial that it It has long been impossible to measure molecular interactions on individual molecules. That is why it describes the interaction of particles on a macroscopic basis measurable sizes. This results in the concept of binding energy, which is considered to be that of releasing energy required for a bond is defined. The binding energy of two Binding partners to one another can be measured by measuring the concentrations of free and bound binding partners can be derived from the equilibrium constant.
Ein grundlegend anderes Konzept zur Charakterisierung molekularer Wechselwirkung wurde durch die Kraftmessung, z. B. mit dem Atomic Force Microscope, an einzelnen Molekülen ermöglicht. Die Kräfte, die zwischen den Atomen zweier Bindungspartnern ausgebildet werden, können experimentell durch die aufzuwendende Trennkraft bestimmt werden. Aus der Ratenabhänigkeit der Trennkräfte kann unter bestimmten Voraussetzungen das Bindungspotential eines Bindungskomplexes rekonstruiert werden. Im Gegensatz zu einer Charakterisierung eines Bindekomplexes anhand seiner Bindungsenergien, ist der Zerfall des Komplexes bei einer Kraftmessung nicht durch die thermische Anregung sondern durch einen manipulativen Eingriff bedingt.A fundamentally different concept for characterizing molecular interaction was developed by force measurement, e.g. B. with the Atomic Force Microscope, on individual molecules allows. The forces formed between the atoms of two binding partners can be determined experimentally by the separation force to be used. Out the rate dependence of the separating forces can do this under certain conditions The binding potential of a binding complex can be reconstructed. In contrast to one Characterization of a binding complex based on its binding energies is the decay of the Complexities in a force measurement not by thermal excitation but by one manipulative intervention.
Zur Erläuterung des Bindungspotentials, wird hier ein stark vereinfachtes Bindungsmodell beschrieben.To explain the binding potential, here is a greatly simplified binding model described.
Ein Bindungskomplex ist nicht alleine durch seine Bindungsenergie charakterisiert. Er besitzt auch eine für ihn charakteristische Aktivierungsbarriere welche seine Binde- und Zerfallswahrscheinlichkeit bestimmt. Auch besitzt jeder Bindungskomplex eine definierte räumliche Struktur. Eine diese Struktur beschreibende charakteristische Größe ist die Bindungslänge oder Potentialweite. Diese Größen lassen sich in folgendem einfachen Modell des Bindungspotentials zusammenfassen, das in Fig. 1 dargestellt ist.A binding complex is not only characterized by its binding energy. It also has a characteristic activation barrier that determines its binding and disintegration probability. Each binding complex also has a defined spatial structure. A characteristic variable describing this structure is the bond length or potential width. These quantities can be summarized in the following simple model of the binding potential, which is shown in FIG. 1.
Im gebundenen Zustand sitzt der Ligand im Minimum des Potentials. Um den Komplex aufzubrechen muß der Ligand über die Potentialbarriere aus der Bindungstasche bzw. aus dem Bindungspotential herausgezogen werden. Die dazu nötige Kraft ist bestimmt durch die Ableitung des Potentials (Steigung).In the bound state, the ligand sits at the minimum of the potential. To the complex the ligand must be broken open via the potential barrier from the binding pocket or from the Binding potential can be extracted. The force required for this is determined by the Derivation of the potential (slope).
Dem mechanischen Aufbrechen ist ein spontaner Zerfall des Komplexes durch thermische
Aktivierung überlagert. Dieser spontane Zerfall ist abhängig von der Aktivierungsbarriere ΔG.
Eine an den Komplex angelegte Kraft erniedrigt die noch zu überwindende
Aktivierungsbarriere. Bei jeder anliegenden Kraft besitzt der Komplex damit eine gewisse
Wahrscheinlichkeit innerhalb einer bestimmten Zeit zu zerfallen. Die Kraft, bei der ein
Komplex tatsächlich zerfällt, hängt daher auch davon ab, wie schnell die Kraft angelegt wird.
Steigert man die angelegte Kraft kontinuierlich mit einer festen Kraftrate r bis der Komplex
zerfällt, erhält man folgende mittlere Trennkraft für den Komplex in Abhängigkeit von der
angelegten Kraftrate:
A spontaneous disintegration of the complex by thermal activation is superimposed on the mechanical breakup. This spontaneous decay depends on the activation barrier ΔG. A force applied to the complex lowers the activation barrier still to be overcome. With each applied force, the complex has a certain probability of disintegrating within a certain time. The force at which a complex actually disintegrates also depends on how quickly the force is applied. If you increase the applied force continuously with a fixed force rate r until the complex disintegrates, you get the following average separation force for the complex depending on the applied force rate:
Bestimmt man unter verschiedenen Kraftraten jeweils die mittlere Trennkraft, läßt sich daraus die für den Bindungskomplex charakteristische Bindungsweite Δx und die Zerfallsrate kzerfall des Komplexes bestimmen.If the mean separation force is determined under different force rates, the bond width Δx characteristic of the binding complex and the decay rate k decay of the complex can be determined therefrom .
Das Messen von Trennkräften stellt daher einen neuen Zugang zur Charakterisierung von Bindungskomplexen dar.Measuring separating forces therefore represents a new approach to the characterization of Binding complexes.
Obwohl die große Mehrheit der Bindetests selektive Wechselwirkungen auf der Basis von Bindungsenergien nachweist, gibt es Beispiele für Methoden die sich die Vorteile der charakteristischen Trennkräfte der Bindungskomplexe zu eigen machen.Although the vast majority of binding tests are based on selective interactions Evidence of binding energies, there are examples of methods that can take advantage of to make characteristic separation forces of the binding complexes their own.
Das erste Beispiel für eine solche Vorrichtung ist der "surface force apparatus" (SFA) der 1976 von Israelachvili entwickelt wurde (Patent US 5861954, 1999, Israelachvili). Mit diesem Apparat können Adhäsionskräfte zweier Molekülschichten zueinander gemessen werden. Jede der Probesubstanzen wird hierzu auf ein zylindrisch gebogenes Glimmerblättchen aufgebracht, die im Idealfall in nur einem Punkt in Berührung gebracht werden. Durch eine genau kontrollierte Bewegung der Glimmeroberflächen zueinander werden Kräfte zwischen den molekularen Schichten angelegt. Mißt man die Bewegung der Oberflächen zueinander in Abhängigkeit der angelegten Kraft, so erhält man eine Aussage über die Adhäsionskräfte zwischen den beiden molekularen Schichten.The first example of such a device is the "surface force apparatus" (SFA) Developed by Israelachvili in 1976 (Patent US 5861954, 1999, Israelachvili). With this The adhesive forces of two molecular layers can be measured with respect to one another. each the test substance is placed on a cylindrically curved mica sheet applied, which are ideally brought into contact in only one point. By a precisely controlled movement of the mica surfaces towards one another forces between the molecular layers. If one measures the movement of the surfaces towards one another Depending on the applied force, you get a statement about the adhesive forces between the two molecular layers.
Bei der zweiten Methode zur Messung molekularer Kräfte handelt es sich um das "atomic force microscope" (AFM). Mit dem AFM gelang die erste Bestimmung der Trennkraft einer schwachen Wechselwirkung eines biologischen Rezeptor-Ligand-Paares, dem Biotin- Streptavidin-System (E.-L. Florin, V. T. Moy and H. E. Gaub, Science 264, 415 (1994)). Im Gegensatz zum SFA werden beim AFM keine makroskopischen Oberflächen in Kontakt gebracht. Die Spitze eines AFM ist nur wenige Nanometer groß und kann sich an ihrem Ende im Idealfall auf ein einzelnes Atoms zuspitzen. Im Bestfall kann man zwischen einer AFM Spitze und einer zweiten Oberfläche einzelnes Molekül, z. B. einen DNA-Doppelstrang, aufhängen. Wird die Spitze nun von der Oberfläche weggezogen, so kommt es zur Spannung des Moleküls und zur Verbiegung des AFM-Cantilervers, die bei bekannter Federkonstante des Cantilevers eine Messung der molekularen Bindekräfte erlaubt. The second method for measuring molecular forces is the "atomic force microscope "(AFM). With the AFM the first determination of the separation force of a weak interaction of a biological receptor-ligand pair, the biotin Streptavidin system (E.-L. Florin, V.T. Moy and H.E. Gaub, Science 264, 415 (1994)). In contrast to the SFA, no macroscopic surfaces are in contact with the AFM brought. The tip of an AFM is only a few nanometers in size and can end up ideally pointed to a single atom. At best, you can choose between an AFM Tip and a second surface single molecule, e.g. B. a DNA double strand, hanging. If the tip is now pulled away from the surface, tension arises of the molecule and for the bending of the AFM cantilever, which is known when the spring constant is known of the cantilever allows a measurement of the molecular binding forces.
Eine Abwandlung der AFM-Methode, die in Richtung diagnostischer Anwendung zielt wird in Patent US 5992226; Lee et al. beschrieben. Hier ist die Probe satt auf einer flachen Oberfläche zwischen einem spitz auslaufenden Vorsprung und der AFM-Spitze gebunden, bzw. einer Oberfläche auf dem AFM-Cantilever gebunden wird.A modification of the AFM method, which is aimed at diagnostic applications in patent US 5992226; Lee et al. described. Here the sample is full on a flat Surface bound between a tapered projection and the AFM tip, or a surface on which the AFM cantilever is bound.
Eine dritte Methode zur Charakterisierung molekularer Kräfte basiert auf der Verwendung mikroskopisch kleiner magnetischer Kugeln. Man bindet einen Rezeptor auf einer magnetischen Kugel und läßt diesen mit einem Liganden, der wiederum an einer Oberfläche gebunden ist, einen Bindungskomplex bilden. Setzt man die Magnetkugel einem definiertem magnetischen Feld aus, so kann man eine definierte Zugkraft an den Bindungskomplex zwischen Kugel und Oberfläche anlegen. Beobachtet man die Position der Magnetkugel in Richtung der Zugkraft, während man diese variiert bis es zur Trennung des Bindungskomplexes kommt, so kann man die Trennkraft bestimmen, die benötigt wird um Rezeptor und Ligand auseinanderzureißen.A third method of characterizing molecular forces is based on use microscopic magnetic balls. You bind a receptor on one magnetic ball and leaves it with a ligand, which in turn is on a surface is bound to form a binding complex. If you put the magnetic ball in a defined position magnetic field, you can apply a defined tensile force to the binding complex place between ball and surface. Observing the position of the magnetic ball in Direction of traction, while varying it until it separates Binding complex comes, so you can determine the separation force that is needed to Tearing apart receptor and ligand.
Der Nachweis von Trennkräften mit Magnetkugeln leitet sich von einem immunologischen Sandwichtest ab, bei dem die Kräfte nur zur Separation von ungebundenen und gebundenem Ligand eingesetzt werden (Patente US 5445970 und US 5445971, 1995, Rohr). Ein weitergehender Ansatz sieht eine Feinabstimmung der Zugkräfte vor, so daß prinzipiell schwache spezifische Bindungen eines Antigens zu einem Antikörper von starken unterschieden werden können (Patent WO 9936577, 1999, Lee).The detection of separating forces with magnetic balls is based on an immunological Sandwich test from, in which the forces only for the separation of unbound and bound Ligand can be used (patents US 5445970 and US 5445971, 1995, Rohr). On further approach provides for fine-tuning the tensile forces, so that in principle weak specific binding of an antigen to an antibody of strong can be distinguished (Patent WO 9936577, 1999, Lee).
Bei der vierten Methode handelt es sich um eine Kraftmessung mit "optischen Pinzetten" (Optical Tweezers). Die Grundlagen dieser Technik gehen auf Arthur Ashkin zurück. Die Ausübung der Zugkraft wird hier durch die Bewegung eines stark fokussierten Laserstrahls ausgeübt, der einen mikroskopischen Partikel einfangen und bewegen kann.The fourth method is a force measurement with "optical tweezers" (Optical Tweezers). The basics of this technique go back to Arthur Ashkin. The The pulling force is exerted here by the movement of a highly focused laser beam exercised, which can capture and move a microscopic particle.
Eine Anwendung der Optical Tweezers zur Kraftmessung für diagnostische Zwecke wurde durch Kishore beschrieben. (Patent US 5620857, 1997, Kishore et al.)An application of the Optical Tweezers for force measurement for diagnostic purposes has been made described by Kishore. (Patent US 5620857, 1997, Kishore et al.)
Die fünfte Methode beruht auf der Adhäsion eines elastischen Stempels (Conformal Pillar), der mit einer Probesubstanz beschichtet ist zu einer Oberfläche, die mit einer Sonde beschichtet ist. Beim wieder Ablösen des Stempels von der Oberfläche können Trennkräfte gemessen werden, die der Identifikation der Probe dienen (Patent EP 0962759; 1999, Delamarche et al.). Bindungskomplexe anhand von Trennkräften statt an Bindungsenergien zu charakterisieren bringt einige bedeutende Vorteile. Über die Potentialweite der Bindung erhält man einen neuen unabhängigen Parameter zur Charakterisierung der Bindung, der es erlaubt verschiedene Bindungsmodi, die gleiche Bindungsenergien besitzen voneinander zu unterscheiden. Dies gilt insbesondere für die Unterscheidung von unspezifischen von spezifischen Bindungen bei Proteinen, sowie für die Diskriminierung zwischen Nukleinsäureduplexen, die vollständig komplementär sind bzw. Fehlpaarungen aufweisen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, das Assoziationsraten und Dissoziationsraten bestimmt werden können, was mit herkömmlichen Bindetests schwierig ist.The fifth method is based on the adhesion of an elastic stamp (conformal pillar), which is coated with a test substance to form a surface which is covered with a probe is coated. When the stamp is detached from the surface, separation forces can occur are measured, which serve to identify the sample (patent EP 0962759; 1999, Delamarche et al.). Binding complexes based on separation forces instead of on binding energies characterizing brings some significant advantages. Receives about the potential range of the bond a new independent parameter to characterize the bond that allows it different binding modes that have the same binding energies from each other differ. This applies in particular to the distinction between non-specific and specific bindings for proteins, as well as for discrimination between Nucleic acid duplexes that are completely complementary or have mismatches. Another advantage is that it determines association rates and dissociation rates can be, which is difficult with conventional binding tests.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die einen einfachen Test ermöglicht.An object of the present invention is a method and an apparatus to provide, which enables a simple test.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.This object is achieved with the features of the claims.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es die beschriebenen Vorteile von Bindetests, die auf der Unterscheidung von Trennkräften beruhen für ein breites Anwendungsfeld und die kommerzielle Nutzung zugänglich zu machen, was durch den bisherigen Stand der Technik nicht möglich war.Another object of the present invention is the described advantages of binding tests, which are based on the differentiation of separating forces for a wide range of applications and to make commercial use accessible through what has been done to date was not possible.
Die Erfindung hat Vorteile gegenüber herkömmlichen Kraftdiskriminierungsmethoden. Die herkömmlichen Methoden der molekularen Kraftmessung sind Weiterentwicklungen von Methoden, die ursprünglich einem völlig anderen Zweck dienten. Der SFA wurde für Oberflächenkräfte, AFM für die Abbildung von Oberflächen, Magnetkugeln für die Separation von Molekülen und die Conformal Pillar Methode zum Strukturieren von Oberflächen entwickelt.The invention has advantages over conventional force discrimination methods. The conventional methods of molecular force measurement are further developments of Methods that originally served a completely different purpose. The SFA was created for Surface forces, AFM for the imaging of surfaces, magnetic balls for the Separation of molecules and the conformal pillar method for structuring Surfaces developed.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist einen Krafttest bereitzustellen, der Bindeeigenschaften eines Bindungskomplexes durch simultanes testen vieler nicht kooperativer Einzelereignisse testen kann.Another object of the present invention is to provide a strength test that Binding properties of a binding complex by simultaneous testing of many do not can test cooperative individual events.
Bei Methoden mit magnetischen Kugeln (magnetic beads) erhält man i. d. R. Trennkräfte, die auf mehreren kooperativen Ereignissen beruhen, da mehrere Bindungskomplexe an einer Kugel befestigt werden.In methods with magnetic beads (magnetic beads) i. d. R. separation forces, the are based on several cooperative events, since several binding complexes on one Ball to be attached.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Krafttest, bei dem die Trennung des Bindungskomplexes und die Detektion des Ergebnisses zeitlich getrennt sind (einmalig). Dies resultiert in einem einfachen apparativen Aufbau und einer hohen Flexibilität bei der Auswahl der Detektionsmethode. Another object of the present invention is a strength test in which the separation of the Binding complex and the detection of the result are separated in time (once). This results in a simple apparatus structure and a high flexibility in the selection the detection method.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Krafttest, der keinen komplexen apparativen Aufbau erfordert und dessen Durchführung keine Experten erfordert. Dies ist vergleichbar mit conformal pillar.Another object of the present invention is a strength test that is not complex apparatus construction required and its implementation requires no experts. This is comparable to conformal pillar.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Krafttest, der eine hohe parallele Messung vieler verschiedener Proben ermöglicht.Another object of the present invention is a force test that has a high parallel Allows measurement of many different samples.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Krafttest, bei dem Zugkräfte realisierbar sind, die weit über dem der Optical Tweezers und dem der magnetischen Kugeln liegen.Another object of the present invention is a force test in which tensile forces can be realized are far above that of optical tweezers and magnetic balls.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine schnellere Bindungskinetik der Bindepartner bereitzustellen, als sie bei einem Verfahren wie dem ELISA möglich ist, bei dem die Kinetik durch die Diffusionsgeschwindigkeit der in freier Lösung befindlichen Reaktionspartner limitiert ist.Another object of the present invention is faster binding kinetics of the To provide binding partners than is possible with a method such as the ELISA the kinetics by the rate of diffusion of those in free solution Reaction partner is limited.
Im Gegensatz zu den beschriebenen Methoden handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Technik, die von Anfang an für die Bestimmung von Bindungspotentialen konzeptioniert wurde, und die gegenüber dem Stand der Technik bedeutende Vorteile bietet. Der Surface Force Apparatus von Israelachvili ist nicht für die Analyse von Biomolekülen geeignet. Der apparative Aufbau ist ausgesprochen komplex und teuer und schon deshalb für diagnostische Anwendungen kaum geeignet. Eine parallele Messung verschiedener Substanzen ist nicht beschrieben und dürfte nur schwer zu verwirklichen sein.In contrast to the methods described, the present invention is concerned a technique that has been used from the beginning for the determination of binding potentials was conceived, and which offers significant advantages over the prior art. The Surface Force Apparatus from Israelachvili is not for the analysis of biomolecules suitable. The construction of the equipment is extremely complex and expensive and therefore for diagnostic applications hardly suitable. A parallel measurement of different Substances are not described and may be difficult to implement.
Der Hauptvorteil des Atomic force Microscope ist seine hohe Kraftauflösung. Der komplexe apparative Aufbau führt jedoch zu hohen Anschaffungskosten und auch die Handhabung, die einen Experten erfordert, macht dieses Gerät ungeeignet für eine Nutzung außerhalb der Grundlagenforschung. Eine weitere Einschränkung besteht darin, das ein statistisch gesichertes Meßergebnis eine Vielzahl von sequentiellen Experimenten erfordert und deshalb mit einem großen Zeitaufwand verbunden ist. Auch hinsichtlich einer der wichtigsten Anforderungen an ein diagnostisches Meßverfahren, der parallelen Messung vieler verschiedener Probesubstanzen, hat das AFM eine inhärenten Nachteil.The main advantage of the Atomic force Microscope is its high force resolution. The complex apparatus construction, however, leads to high acquisition costs and also the handling that requires an expert, making this device unsuitable for use outside of the Basic research. Another limitation is that it is statistical assured measurement result requires a large number of sequential experiments and therefore takes a lot of time. Also regarding one of the most important Requirements for a diagnostic measurement method, the parallel measurement of many of different test substances, the AFM has an inherent disadvantage.
Der Einsatz von magnetischen Kugeln ist problematisch hinsichtlich der Ausübung von Kräften. Praktikable Partikelgrößen und Feldstärken erlauben keine Kräfte, die imstande wären einen DNA-Duplex auseinander zu ziehen, was diese Methode von dem Einsatz in der molekularen Diagnostik ausschließt. Die selbe Problematik gilt für die Verwendung von Optical Tweezers. Die realisierbaren Zugkräfte liegen hier deutlich unter 100 pN und sind somit viel zu gering um einen DNA-Duplex testen zu können.The use of magnetic balls is problematic in the exercise of Forces. Practical particle sizes and field strengths do not allow forces that are capable would be a DNA duplex to pull apart what this method of use in the excludes molecular diagnostics. The same problem applies to the use of Optical tweezers. The realizable tensile forces are well below 100 pN and are thus far too low to be able to test a DNA duplex.
Die Conformal-Pillar-Methode verwendet kleine Stempelchen, die mit einem der Bindungspartner beschichtet sind und die gleichzeitig als Lichtleiter zur Detektion der Ablösung des Stempelchens von der zweiten Oberfläche dienen. Die Miniaturisierung der Stempelchen ist somit limitiert, da sie mindestens die Abmessung der Wellenlänge des verwendeten Lichtes haben müssen. Ein weiterer Nachteil der Conformal Pillar besteht darin, daß das Zerreißen der Bindungskomplexe nicht unabhängig, d. h. kooperativ erfolgt, was zu einer Verschlechterung der Meßstatistik führt.The conformal pillar method uses small stamps with one of the Binding partners are coated and which also serve as light guides for the detection of Detach the stamp from the second surface. The miniaturization of the Stamp is therefore limited because it is at least the size of the wavelength of the must have used light. Another disadvantage of the conformal pillar is that that the tearing of the binding complexes is not independent, i. H. cooperatively what happens leads to a deterioration in the measurement statistics.
Die vorliegende Erfindung vereinigt mehrere Eigenschaften auf sich, die in dieser Weise
keine herkömmliche Methode aufweisen kann
Ein einfacher und günstiger apparativen Aufbau
Eine einfache Handhabung
Eine hohe Kraftauflösung bei simultaner Messung einer Vielzahl von Bindeereignissen
Nicht limitierte Zugkraft
Nicht kooperatives simultanen Testen vieler BindungskomplexeThe present invention combines several properties which no conventional method can have in this way
A simple and inexpensive apparatus construction
Easy handling
A high force resolution with simultaneous measurement of a large number of binding events
Unlimited traction
Non-cooperative simultaneous testing of many binding complexes
Die Möglichkeit viele gleichartige Probenkomplexe während eines Meßvorganges gleichzeitig zu testen, wobei das Ergebnis für jeden Komplex unabhängig von den anderen Komplexen ausfällt, also nicht-kooperativ ist, ist als einer der Hauptvorteile der Erfindung anzusehen. Bei den beschriebenen Methoden mit dem conformal pillar oder mit magnetischen Kugeln handelt es sich stets um kooperative Ereignisse, da eine Trennung einiger der Komplexe sich auf die Trennwahrscheinlichkeit der verbleibenden Komplexe auswirkt. Die Information über die Einzelereignisse geht dabei verloren.The possibility of many similar sample complexes during one measurement process test simultaneously, with the result for each complex independent of the others One of the main advantages of the invention is complex failure, i.e. non-cooperative to watch. In the described methods with the conformal pillar or with magnetic Spheres are always cooperative events because some of the Complexes affects the probability of separation of the remaining complexes. The Information about the individual events is lost.
Die zur Beschreibung der Erfindung verwendeten Begriffe werden folgendermaßen definiert:
Aufhängung: Verbindung eines Bindungspartners mit einer Halteeinrichtung.
Bindeeigenschaften: Verhältnis zweier Bindungspartner zueinander wie: keine Bindung;
Bindungsaffinität; Bindungsmodus.
Bindungskomplex: Komplex aus mehreren Bindepartnern; Molekülen oder Körpern oder
Körpern und Molekülen die miteinander in Wechselwirkungen stehen und die durch eine
Zugkraft getrennt werden können.
Bindungspartner: Bestandteil eines Bindungskomplexes, der durch Zugkräfte von einem
anderen Bindungspartner getrennt werden kann. Bindungspartner können spezifisch oder
unspezifisch miteinander wechselwirken. Die Wechselwirkung ist nicht-kovalent.
Biomoleküle: Moleküle die aus biologischen Systemen gewonnen werden bzw. künstliche
Moleküle die solchen aus biologischen Systemen gleichen.
Konjugat: Verbindung von zwei Bindungspartnern.
Verbindung: Verbindungselement eines Konjugats.
Referenzkomplex: Bindungskomplex mit einer bekannten Trennkraft.
Ligand: Einer der Bindungspartner eines spezifischen Bindungskomplexes.
Mittlere Trennkraft: Arithmetrisches Mittel der Trennkräfte mehrerer gleichartiger
Bindungskomplexe, deren individuelle Trennkraft aufgrund der thermischen Anregung
variiert.
Probe (target): Molekül, Polymer, usw. das einen Probenkomplex ausbilden kann.
Probenkomplex: Bindungskomplex der zu charakterisieren/nachzuweisen ist. Entweder
handelt es sich um zwei bekannte Bindungspartner, deren Bindungseigenschaften bestimmt
werden sollen oder es handelt sich um einen bekannten Bindungspartner. Es kann sich um
eine unbekannte oder eine bekannte Trennkraft handeln.
Rezeptor: Einer der Bindungspartner eines spezifischen Bindungskomplexes.
Separation: Bindungspartner die keinen Bindungskomplex eingegangen sind von solchen
absondern, die einen Bindungskomplex eingegangen sind.
Spezifische Wechselwirkung: Molekulare Wechselwirkung zwischen zwei Bindungspartnern
eines Bindungskomplexes, die sich durch ein hohes Maß an molekularer Erkennung
auszeichnet.
Trennkraft (unbinding force): maximal nötige Kraft um einen Bindungskomplex mechanisch
zu trennen.
Verkettung: lineare Anordnung eines ersten Bindungspartners, der an einen zweiten
Bindungspartner eines Konjugats bindet und eines dritten Bindungspartners der Bestandteil
des Konjugats ist und der einen vierten Bindungspartner bindet.
The terms used to describe the invention are defined as follows:
Suspension: Connection of a binding partner with a holding device.
Binding properties: ratio of two binding partners to each other such as: no binding; Binding affinity; Binding mode.
Binding complex: complex of several binding partners; Molecules or bodies or bodies and molecules that interact with each other and that can be separated by a tensile force.
Binding partner: Part of a binding complex that can be separated from another binding partner by tensile forces. Binding partners can interact with each other specifically or non-specifically. The interaction is non-covalent.
Biomolecules: Molecules that are obtained from biological systems or artificial molecules that are similar to those from biological systems.
Conjugate: connection of two binding partners.
Connection: connecting element of a conjugate.
Reference complex: binding complex with a known separating force.
Ligand: One of the binding partners of a specific binding complex.
Average separation force: Arithmetic mean of the separation forces of several identical binding complexes, whose individual separation force varies due to the thermal excitation.
Sample (target): Molecule, polymer, etc. that can form a sample complex.
Sample complex: binding complex to be characterized / demonstrated. Either there are two known binding partners whose binding properties are to be determined or it is a known binding partner. It can be an unknown or a known separation force.
Receptor: One of the binding partners of a specific binding complex.
Separation: Separate binding partners who have not formed a binding complex from those who have formed a binding complex.
Specific interaction: Molecular interaction between two binding partners of a binding complex, which is characterized by a high degree of molecular recognition.
Unbinding force: maximum force required to mechanically separate a binding complex.
Linking: linear arrangement of a first binding partner that binds to a second binding partner of a conjugate and a third binding partner that is part of the conjugate and that binds a fourth binding partner.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und der Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of examples and the drawings.
Es zeigenShow it
Fig. 1 ein vereinfachtes Bindungspotential eines Bindungskomplexes, Fig. 1 is a simplified potential binding of a binding complex,
Fig. 2 das Prinzip des differentiellen Krafttest. Nach der Ausübung einer Zugkraft auf das Konjugat aus B1 und B2, kommt es zum Zerreißen von B1 falls F1 < F2 oder zum Zerreißen von B2 falls F1 < F2, Fig. 2 shows the principle of the differential force test. After exerting a tensile force on the conjugate from B1 and B2, B1 breaks if F 1 <F 2 or B2 breaks if F 1 <F 2 ,
Fig. 3 die Unterscheidung zwischen unspezifischen Wechselwirkungen mit einem Körper und spezifischen Wechselwirkungen mit einem Bindungspartner, Fig. 3 shows the distinction between non-specific interactions with a body and specific interactions with a binding partner,
Fig. 4 die Unterscheidung eines vollständig gepaarten Nukleinsäureduplexes von einem unvollständig gepaartem, Fig. 4 shows the differentiation of a fully paired nucleic acid duplex of an incompletely mated,
Fig. 5 die simultane Ausführung eines vergleichen Krafttests an fünf unabhängigen, gleichartigen Bindungskomplexen im Sandwichformat. Die Probe verfügt in diesem Fall über die Bindungspartner BP2 und BP3. Die Probe ist mit einer Markierung versehen. Da F1 < F2 ist, zerreißen überwiegend die Bindungskomplexe B2, und Fig. 5, the simultaneous execution of a compare strength tests on five independent, similar binding complexes in the sandwich format. In this case, the sample has the binding partners BP2 and BP3. The sample is marked. Since F 1 <F 2 , the binding complexes B2, and tend to tear
Fig. 6 die simultane Ausführung eines vergleichenden Krafttests an fünf unabhängigen, gleichartigen Bindungskomplexen im Captureformat. Die Probe verfügt in diesem Fall an die Oberfläche 1 gebunden. Das Konjugat aus R1 und R2 ist mit einer Markierung versehen. Da F1 < F2 ist, zerreißen überwiegend die Bindungskomplexe B2. Fig. 6, the simultaneous execution of a comparative strength tests on five independent, similar binding complexes in the capture format. In this case the sample is bound to the surface 1 . The conjugate from R 1 and R 2 is provided with a label. Since F 1 <F 2 , the binding complexes B2 mostly tear.
Fig. 7 zeigt einen Stempelapparat, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Eine genauere Beschreibung findet sich im Experimentellen Beispiel 1. Fig. 7 shows a punch apparatus suitable for carrying out the inventive method. A more detailed description can be found in Experimental Example 1.
Fig. 8 zeigt Darstellungen einer Unterlage (8A) und eines Stempels (8B) nach einem Krafttest zum Vergleich der Komplexe Biotin/Streptavidin und Iminobiotin/Streptavidin (siehe Experimentelles Beispiel 1). Fig. 8 shows representations of a base (8A) and a punch (8B) to a power test for comparison of the complexes biotin / streptavidin and iminobiotin / streptavidin (see Experimental Example 1).
Fig. 9 zeigt Darstellungen je einer Unterlage (9A und 9C) und eines Stempels (9B und 9D) nach Krafttests zum Vergleich zweiter DNA-Duplexe (siehe Experimentelles Beispiel 2). Fig. 9A zeigt die Unterlage bei Experiment 2a, Fig. 9B zeigt den Stempel bei Experiment 2a, Fig. 9C zeigt die Unterlage bei Experiment 2b, Fig. 9D zeigt den Stempel bei Experiment 2b. Fig. 9 shows representations of a base (9A and 9C) and a stamp (9B and 9D) after force tests to compare two DNA duplexes (see Experimental Example 2). FIG. 9A shows the substrate in Experiment 2a, Fig. 9B shows the punch in Experiment 2a, Fig. 9C shows the base in experiment 2b, Fig. 9D shows the punch in Experiment 2b.
Fig. 10 zeigt die Ergebnisse der Auswertung von Unterlage und Stempel nach einem Kraftvergleich, wobei ein DNA-Duplex mit einem identischen Duplex (10C und D) und einem weiteren Duplex (10A und B) verglichen wurde (siehe Experimentelles Beispiel 2). Fig. 10 shows the results of evaluation of substrate and stamp by a motor comparison, wherein a DNA duplex was compared with an identical duplex (10C and D) and a further Duplex (10A and B) (see Experimental Example 2).
10A: Unterlage bei Experiment 2a; 10B: Stempel bei Experiment 2a; 10C: Unterlage bei Experiment 2b; 10D: Stempel bei Experiment 2b. Es handelt sich jeweils um Ausschnitte von Fluoreszenzprofilen.10A: Document for experiment 2a; 10B: stamp in experiment 2a; 10C: Document at Experiment 2b; 10D: stamp in experiment 2b. They are excerpts from Fluorescence profiles.
- 1. Erster Bindungspartner BP11. First binding partner BP1
- 2. Zweiter Bindungspartner BP22. Second binding partner BP2
- 3. Dritter Bindungspartner BP33. Third binding partner BP3
- 4. Vierter Bindungspartner BP44. Fourth binding partner BP4
- 5. Bindungskomplex 1 (B1)5. Binding complex 1 (B1)
- 6. Bindungskomplex 2 (B2)6. Binding complex 2 (B2)
- 7. Konjugat aus B1 und B27. Conjugate from B1 and B2
- 8. Konjugat des zweiten Bindungspartners BP2 und des dritten Bindungspartners BP38. Conjugate of the second binding partner BP2 and the third binding partner BP3
- 9. Aufhängung des ersten Bindungspartners BP19. Suspension of the first binding partner BP1
- 10. Aufhängung des vierten Bindungspartners BP410. Suspension of the fourth binding partner BP4
- 11. Verbindung des zweiten Bindungspartners BP2 und des dritten Bindungspartners BP311. Connection of the second binding partner BP2 and the third binding partner BP3
- 12. Vektor der Zugeschwindigkeit12. Vector of the speed
- 13. Oberfläche 1 13. Surface 1
- 14. Oberfläche 2 14. Surface 2
- 15. Probe15 samples
- 16. Probe mit dem zweiten Bindungspartner BP2 und dem dritten Bindungspartner BP316. Sample with the second binding partner BP2 and the third binding partner BP3
- 17. Aufhängung der Probe17. Suspension of the sample
- 18. Markierung18 mark
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Methode, die gegenüber den herkömmlichen Krafttests ein gänzlich unterschiedliches Prinzip der Bestimmung von Trennkräften aufweist.The present invention is a method which is compared to the conventional strength tests a completely different principle of determining Has separating forces.
Ein differentieller Krafttest besteht aus zwei Bindungskomplexen, die miteinander verkettet sind. Beim Anlegen einer Kraft, die über den Trennkräften der beiden Bindungskomplexe liegt, kommt es zum Zerreißen eines der beiden Bindungskomplexe. Der Bindungskomplex mit der höheren Trennkraft bleibt dabei intakt. Kennt man die Trennkraft eines der beiden Bindungskomplexe, so kann man auf diese Weise darauf schließen, ob die Trennkraft des zweiten Bindungskomplexes größer oder kleiner als die des ersten ist. Der differentielle Krafttest kann für eine Vielzahl von diagnostischen Anwendungen verwendet werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere als Methode zum diagnostischen Nachweis oder zur Charakterisierung der Bindeeigenschaften von biochemischen Molekülen bzw. Molekülen mit einem hohen Grad an spezifischer molekularer Erkennung.A differential strength test consists of two binding complexes that are linked together are. When applying a force that exceeds the separation forces of the two binding complexes one of the two binding complexes breaks. The binding complex with the higher separation force remains intact. Do you know the separation force of one of the two Binding complexes, it can be concluded in this way whether the separating force of the second binding complex is larger or smaller than that of the first. The differential Strength testing can be used for a variety of diagnostic applications. The The invention is particularly suitable as a method for diagnostic detection or Characterization of the binding properties of biochemical molecules or molecules with a high degree of specific molecular recognition.
Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Charakterisierung von Bindeeigenschaften von Bindungspartnern auf Basis der Trennkraft, die für das Trennen ihres Bindungskomplexes notwendig ist.In the present invention, binding properties are characterized by Binding partners based on the separating force required for separating their binding complex necessary is.
Zur Charakterisierung der Trennkraft F1 die für die Trennung eines Bindungskomplexes B1 (5) aufgewendet werden muß, durch den Vergleich mit der bekannten Trennkraft F2 die zur Trennung eines zweiten Bindungskomplexes B2 (6) aufgewendet werden muß. Beide Bindungskomplexe sind zu einem Konjugat verbunden an dessen beiden Seiten man eine Zugkraft anlegt. Hervorzuheben ist, daß die Zugkraft auf die beiden seriell angeordneten Bindungskomplexe gleich groß ist. Überschreitet die Zugkraft einen Wert, der über dem einer der Trennkräfte (F1 oder F2) liegt, so kommt es zur Trennung der Bindepartner desjenigen Bindungskomplexes dessen Trennkraft geringer ist. Kommt es z. B. zur Trennung des Bindungskomplexes B1 so folgt daraus, daß F1 < F2 war. Wurde B2 getrennt, so folgt daß F1 < F2 war. Fig. 2 zeigt das Prinzip des Krafttests.To characterize the separating force F 1 which must be used for the separation of a binding complex B1 ( 5 ), by comparison with the known separating force F 2 which must be used for the separation of a second binding complex B2 ( 6 ). Both binding complexes are connected to a conjugate, on both sides of which a tensile force is applied. It should be emphasized that the tensile force on the two serially arranged binding complexes is the same. If the tensile force exceeds a value which is greater than one of the separating forces (F 1 or F 2 ), the binding partners of the binding complex whose separating force is lower are separated. Is it z. B. to separate the binding complex B1 it follows that F 1 <F 2 . If B2 was separated, it follows that F 1 <F 2 . Fig. 2 shows the principle of the force test.
Bei dem Bindungskomplex B1 (5) handelt es sich in der Regel um einen Probenkomplex, d. h. einen Bindungskomplex, dessen Bindungseigenschaften charakterisiert werden sollen oder bei dem ein Bindungspartner über eine bekannte Bindeeigenschaft mit einem anderen Bindungspartner nachgewiesen werden soll. Es kann sich jedoch auch um eine undefinierte, unspezifische Wechselwirkung zwischen zwei Bindungspartnern oder zwischen einem Bindungspartner und einem Körper handeln.The binding complex B1 ( 5 ) is generally a sample complex, ie a binding complex whose binding properties are to be characterized or in which a binding partner is to be detected by means of a known binding property with another binding partner. However, it can also be an undefined, non-specific interaction between two binding partners or between a binding partner and a body.
Bei B2 (6) handelt es sich i. d. R um einen Referenzkomplex, d. h. um einem Bindungskomplex dessen Bindeeigenschaften, insbesondere eine Trennkraft, bekannt sind.B2 ( 6 ) is usually a reference complex, ie a binding complex whose binding properties, in particular a separating force, are known.
Bei dem vorhergehend beschriebenen Prinzip handelt es sich nicht um eine "Messung" im engeren Sinne, sondern vielmehr um ein "Lehren". Nach der Deutschen Industrienorm beschreibt der Begriff "Lehren" ein Prüfverfahren, bei dem der zu prüfende Gegenstand mit der einer bekannten Größe eines anderen Gegenstandes verglichen wird. In diesem Sinne wird auch bei der vorliegenden Erfindung die Trennkraft des Bindungskomplexes B1 mit einer zweiten bekannten Trennkraft verglichen. Beim "Messen" handelt es sich hingegen um ein Prüfverfahren, bei dem die zu bestimmende Größe einen konkreten Zahlenwert auf der Meßskala ergibt. Dies entspricht dem Sachverhalt einer Kraftmessung mit dem AFM oder mit einer der anderen Methoden des Standes der Technik.The principle described above is not a "measurement" in the narrower sense, but rather a "teaching". According to the German industry standard the term "teaching" describes a test procedure in which the object to be tested also includes compared to a known size of another item. With this in mind also in the present invention, the separation force of the binding complex B1 with a second known separation force compared. In contrast, "measuring" is a Test method in which the size to be determined has a concrete numerical value on the Measurement scale results. This corresponds to the situation of a force measurement with the AFM or with one of the other methods of the prior art.
Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß jedem zu testenden Probenkomplex eine Kraftlehre im nanoskopischen Maßstab, der Referenzkomplex zugeordnet ist. Jeder Probenkomplex wird unabhängig getestet, das Ergebnis vieler Einzeltest ergibt schließlich das Meßergebnis. Eine Besonderheit, die aus diesem Prinzip folgt, ist die Möglichkeit die Trennung der Bindungskomplexe und die Detektion zeitlich getrennt ausführen zu können.The peculiarity of the present invention is that everyone to be tested Sample complex a force theory on a nanoscopic scale, the reference complex assigned. Each sample complex is tested independently, the result of many individual tests finally gives the measurement result. A peculiarity that follows from this principle is that Possibility of separating the binding complexes and the detection separately to be able to execute.
Die Erfindung berücksichtigt insbesondere die thermische Anregung. Aus dem anfangs erörterten Modell der molekularen Wechselwirkung (Fig. 1) ist es ersichtlich, daß die Trennkraft, die benötigt wird um den Bindungskomplex B1 bzw. einen weiteren Bindungskomplex B2 zu trennen variiert, da die Wechselwirkung zwischen den Bindungspartnern einer thermischen Anregung unterliegt. Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Vergleich der beiden Bindungspaare vorzugsweise mehrere Male durchgeführt, um einen statistisch gesicherten Mittelwert, die mittlere Trennkraft, bilden zu können, der besagt ob F1 < F2 oder F1 < F2 ist. Dies geschieht indem man viele gleichartige Bindungskomplexe gleichzeitig der gleichen Trennkraft aussetzt und bestimmt wieviel der Bindungspartner von B1 und wieviel von B2 getrennt wurden.The invention particularly takes thermal excitation into account. From the model of molecular interaction ( FIG. 1) discussed at the beginning, it can be seen that the separating force which is required to separate the binding complex B1 or a further binding complex B2 varies, since the interaction between the binding partners is subject to thermal excitation. Therefore, according to the present invention, the comparison of the two pairs of bonds is preferably carried out several times in order to be able to form a statistically reliable mean, the average separating force, which states whether F 1 <F 2 or F 1 <F 2 . This is done by simultaneously exposing many similar binding complexes to the same separation force and determining how much of the binding partner of B1 and how much of B2 have been separated.
Die Erfindung berücksichtigt zusätzlich oder alternativ die Kraftratenabhängigkeit. Ein wichtiger Parameter für die Ausführung eines differentiellen Krafttests ist die Rate der angelegten Zugkraft, da die Trennkräfte F1 und F2 bei verschiedenen Kraftraten stark variieren können. Um einen differentiellen Krafttest nach dem oben beschriebenen Prinzip reproduzierbar wiederholen zu können ist darauf zu achten, mit nur einer bestimmten Kraftrate zu arbeiten.The invention additionally or alternatively takes into account the force rate dependency. An important parameter for the execution of a differential force test is the rate of the tensile force applied, since the separating forces F 1 and F 2 can vary greatly at different force rates. In order to be able to repeat a differential force test according to the principle described above, it is important to work with only a certain force rate.
Die Kraftrate ist bestimmt durch die Geschwindigkeit der Zugkraft und die Elastizität des Konjugats der beiden Bindungskomplexe samt der Aufhängung des ersten Bindungspartners BP1 und des vierten Bindungspartners BP4.The rate of force is determined by the speed of the tensile force and the elasticity of the Conjugate of the two binding complexes including the suspension of the first binding partner BP1 and the fourth binding partner BP4.
Je nach Anwendung des differentiellen Krafttests kann man die Kraftrate auch bewußt variieren um eine bestimmte Information über einen Bindungskomplex zu erhalten.Depending on the application of the differential force test, you can also consciously consider the force rate vary in order to obtain certain information about a binding complex.
Ein zentrales Problem von Bindetests bei denen ein erster Bindungspartner auf einer Oberfläche immobilisiert wird, ist das unspezifische Hintergrundsignal. Das unspezifische Hintergrundsignal wird durch Moleküle des zweiten Bindungspartner verursacht, die in freier Lösung zugegeben wurden und unspezifisch an die Oberfläche gebunden haben. Es kommt somit zu einer Überlagerung des spezifischen Signals, derjenigen Moleküle des zweiten Bindepartner, die spezifisch an den ersten Bindungspartner gebunden haben. Da unspezifische und spezifische Wechselwirkungen mit ähnlich große Bindungsenergien binden können, ist es schwierig sie durch einen Bindetest, der auf der Diskriminierung von Bindeenergien beruht zu unterscheiden.A central problem of binding tests in which a first binding partner on one Surface immobilization is the non-specific background signal. The unspecific Background signal is caused by molecules of the second binding partner that are in free Solution were added and bound non-specifically to the surface. It is coming thus a superposition of the specific signal, those molecules of the second Binding partners who have bound specifically to the first binding partner. Because unspecific and can bind specific interactions with similarly large binding energies, it is difficult with a binding test based on discrimination of binding energies differ.
Fig. 3 zeigt einen differentiellen Krafttest zur Unterscheidung von unspezifischer und spezifischer Bindung. Das Konjugat aus BP2 und BP3 bindet unspezifisch an der Oberfläche und spezifisch mit dem an der Oberfläche immobilisierten Bindungspartner BP1 mit dem er den Bindungskomplex B1 ausbildet. BP4 bildet mit BP3 einen Bindungskomplex B2. Für eine bestimmte Kraftrate ist die Trennkraft F2 des Bindepaars B2 größer als die unspezifische Trennkraft des Komplexes zur Oberfläche. Die spezifische Trennkraft F1 von BP2 und BP1 ist jedoch größer als F2. Nach dem Anlegen der Zugkraft kommt es deshalb zur Abtrennung des unspezifisch gebundenen Komplexes, jedoch nicht des spezifisch gebundenen. Fig. 3 shows a differential force test to differentiate between non-specific and specific binding. The conjugate of BP2 and BP3 binds unspecifically on the surface and specifically with the binding partner BP1 immobilized on the surface with which it forms the binding complex B1. BP4 forms a binding complex B2 with BP3. For a certain force rate, the separation force F 2 of the binding pair B2 is greater than the non-specific separation force of the complex to the surface. However, the specific separation force F 1 of BP2 and BP1 is greater than F 2 . After the tensile force is applied, the unspecifically bound complex is separated, but not the specifically bound one.
Ein wesentliches Problem bei der Unterscheidung von Nukleinsäuresequenzvarianten durch eine reverse Southern-Hybridisierung besteht darin, Nukleinsäureprobemoleküle, die an die immobilisierte Sonde gebunden haben dahingehend zu unterscheiden, ob sie vollständig komplementär gebunden haben oder eine Einzelbasenfehlpaarung aufweisen. Bei einem Test mit nur einer bestimmten Sonde von ca. 15-25 Basenpaaren können Einzelbasenfehlpaarungen von vollständigen Paarungen auch aufgrund der Bindungsenergien unterschieden werden. Hierzu führt man die Hybridisierung nahe der Schmelztemperatur des vollständig gepaarten Komplexes durch. Unter diesen Bedingungen ist die Fehlpaarung instabil. Bei einer Anordnung mehrerer, Sonden verschiedener Sequenz, wie es bei einer reversen Hybridisierung meist der Fall ist, besteht diese Möglichkeit jedoch nicht. A major problem in differentiating between nucleic acid sequence variants reverse southern hybridization consists of nucleic acid sample molecules attached to the immobilized probe bound to distinguish whether it is complete have complementary bound or have a single base mismatch. During a test with only one specific probe of approx. 15-25 base pairs Single base mismatches of complete pairings also due to the binding energies be distinguished. To do this, the hybridization is carried out close to the melting temperature of the fully paired complex through. Under these conditions is the mismatch unstable. If several probes of different sequence are arranged, as is the case with one reverse hybridization is usually the case, this possibility does not exist.
Fig. 4 zeigt eine Unterscheidung einer vollständigen Basenpaarung von einer Einzelbasenfehlpaarung FIG. 4 shows a distinction between a complete base pairing and a single base mismatch
Dissoziationsraten (off rates) zweier Bindungspartner eines Probenkomplexes können bestimmt werden, wenn man einen Probenkomplex gegen mehrere Referenzkomplexe mit verschiedenen Trennkräften bei verschiedenen Kraftraten testet.Dissociation rates (off rates) of two binding partners of a sample complex can can be determined when using a sample complex against several reference complexes tested different separation forces at different force rates.
Die Ausführungen der Erfindung erfolgt mit folgenden Mitteln:The invention is implemented using the following means:
Das Ausüben von Zugkräften auf den Konjugat der beiden Bindungskomplexe B1 und B2 kann auf sehr unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden, wobei es nicht darauf ankommt von welcher Natur die angelegte Kraft ist.The application of tensile forces on the conjugate of the two binding complexes B1 and B2 can be done in very different ways, but it doesn't matter of what nature the applied force is.
Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Zugkraft um einen mechanischen, makroskopischen Zug. Hierzu wird das Konjugat aus B1 und B2 zwischen zwei Körpern befestigt und diese voneinander wegbewegt, bis es zur Trennung des Komplexes kommt. Die Körper können nanoskopisch klein sein, wie es etwa bei dem Cantilever eines AFM's der Fall ist. Es kann sich jedoch ebenso um makroskopisch große Oberflächen handeln.In the preferred embodiment, the tensile force is one mechanical, macroscopic train. For this, the conjugate from B1 and B2 is between fixed two bodies and moved them away from each other until it separated the Complex comes. The bodies can be nanoscopic, as is the case with the AFM's cantilever is the case. However, it can also be macroscopically large Act surfaces.
Im zweiten Fall werden die Zugkräfte durch magnetische Partikel hervorgerufen, die am Konjugat (7) aus B1 und B2 befestigt sind und auf die ein magnetisches Feld einwirkt. Es kann sich um zwei verschiedene Partikel handeln, die jeweils an einem Ende des Komplexes befestigt sind und die in einem Fall diamagnetisch im anderen Fall paramagnetische Eigenschaften haben.In the second case, the tensile forces are caused by magnetic particles which are attached to the conjugate ( 7 ) from B1 and B2 and on which a magnetic field acts. They can be two different particles, each attached to one end of the complex and which in one case have diamagnetic properties in the other case.
In einem dritten Fall nutzt man die Möglichkeit das Konjugat aus B1 und B2 mit großen Molekülen oder Polymeren zu verbinden und mittels deren Widerstand in einem Flüssigkeitsstrom Zugkräfte aufzubauen. Dynamische Zugkräfte lassen sich aufbauen, wenn das Konjugat aus B1 und B2 zwischen Partikel gebunden wird, in die sich Schallwellen, insbesondere Ultraschall einkoppeln lassen.In a third case, one uses the possibility of using the conjugate from B1 and B2 with large Connect molecules or polymers and their resistance in one Liquid flow to build tensile forces. Dynamic tractive forces can be built up if the conjugate from B1 and B2 is bound between particles into which sound waves, in particular let ultrasound couple in.
In einem vierten Fall nutzt man den Einfluß eines elektrischen Feldes auf geladene Moleküle, wie dies etwa bei einem elektrophoretischen Verfahren der Fall ist. Das Konjugat aus B1 und B2 wird hierzu zumindest an einem Ende mit einem geladenen Molekül, vorzugsweise einem vielfach geladenen Polymer verbunden. Werden beide Enden mit einem geladenen Molekül verknüpft, so handelt es sich um gegensätzlich geladene Moleküle.In a fourth case, we use the influence of an electric field on charged molecules, as is the case with an electrophoretic process. The conjugate from B1 and B2 is for this purpose at least at one end with a charged molecule, preferably one multiply charged polymer linked. Both ends are loaded with a molecule linked, they are oppositely charged molecules.
In einem fünften Fall erfolgt das Aufbringen der Kraft durch eine Verkürzung eines Polymers, das die Aufhängungen der Bindungspartner BP1 und BP2 bzw. der Verbindung zwischen BP2 und BP3 bildet. Die Verkürzung beruht dabei auf einer Konformationsänderung des Polymers, die durch eine Veränderung des chemischen Milieus, z. B. den pH-Wert oder einer Salzkonzentration verursacht wird.In a fifth case, the force is applied by shortening a polymer, that the suspensions of the binding partners BP1 and BP2 or the connection between BP2 and forms BP3. The shortening is based on a change in the conformation of the polymer, caused by a change in the chemical environment, e.g. B. the pH or one Salt concentration is caused.
Die Kraftrate mit der an einem Molekül gezogen wird, wird durch zwei Parameter bestimmt. Zum einen ist es die Federkonstante der Aufhängungen zwischen der Bindungspartner BP1 und BP4 bzw. die Federkonstante der Verbindung zwischen BP2 und BP3, zum zweiten ist es die Ziehgeschwindigkeit. Um die Kraftrate zu variieren, wählt man entweder andere Federkonstante oder eine andere Ziehgeschwindigkeit.The rate of force with which a molecule is pulled is determined by two parameters. Firstly, it is the spring constant of the suspensions between the binding partner BP1 and BP4 or the spring constant of the connection between BP2 and BP3, the second is the pulling speed. To vary the rate of force, either choose another Spring constant or other pulling speed.
Die bevorzugte Ausführung zur Variation der Federkonstante einer Aufhängung oder eines Konjugats erfolgt durch die Variation der Länge eines Polymers, das die Aufhängung bzw. die Verbindung bildet.The preferred embodiment for varying the spring constant of a suspension or one Conjugate is done by varying the length of a polymer, the suspension or the Connection forms.
Die Detektion hat den Zweck zu bestimmen, welche der beiden Bindungskomplexe eines Konjugats aus B1 und B2 nach dem Anlegen einer Zugkraft getrennt wurden. Dies kann indirekt oder direkt geschehen.The purpose of the detection is to determine which of the two binding complexes one has Conjugates from B1 and B2 were separated after applying a tensile force. This can done indirectly or directly.
Ein indirekter Nachweis richtet sich auf einen freien Bindungspartner BP, der vor dem Anlegen der Zugkraft Teil eines Bindungskomplexes B war. Dies erreicht man durch Zugabe einer Sonde, die gegen den freien Bindungspartner gerichtet ist. Kommt es z. B. zur Trennung des Bindungskomplexes B1, so können BP1 oder/und BP2 nachgewiesen werden.Indirect proof is directed to a free binding partner BP, who is in front of the Applying the tensile force was part of a binding complex B. This is achieved by adding a probe directed against the free binding partner. Is it z. B. for separation of the binding complex B1, BP1 and / or BP2 can be detected.
Beim direkten Nachweis weist man nach, in welche der beiden Zugrichtungen das Konjugat der Bindungspartner BP1 und BP2 nach dem Zerreißen hin verlagert wurde. Zu diesem Zweck wird das Konjugat aus BP1 und BP2 mit einer Markierung versehen.Direct detection shows which of the two pulling directions the conjugate is in the binding partner BP1 and BP2 was displaced after tearing. To this For this purpose, the conjugate from BP1 and BP2 is provided with a label.
Zum Nachweis, welcher der Bindungskomplexe getrennt wurde, können auch zwei verschiedene Markierungen eingesetzt werden. Vorzugsweise wird dazu das Konjugat aus zweitem und drittem Bindungspartner, der zweite Bindungspartner oder der dritte Bindungspartner mit einer ersten Markierung versehen, und der erste oder der vierte Bindungspartner mit einer zweiten Markierung versehen, wobei die zweite Markierung von der ersten Markierung verschieden ist.To prove which of the binding complexes has been separated, two can also be used different markings can be used. For this purpose, the conjugate is preferably made from second and third binding partner, the second binding partner or the third Attach a first marker to the binding partner, and the first or fourth Provide binding partner with a second label, the second label from the first mark is different.
In einer Ausführungsform wird dann die Trennstelle detektiert, indem man die Menge an erster Markierung ermittelt, die an eine der Halteeinrichtungen gebunden ist, die Menge an zweiter Markierung ermittelt, die an dieselbe Halteeinrichtung gebunden ist, und die ermittelten Werte miteinander vergleicht und/oder zueinander in Beziehung setzt. Aus dem Verhältnis der Mengen an erster und zweiter Markierung, die beispielsweise an Stempel oder Unterlage gebunden sind, kann eine Aussage über das Ausmaß der Trennung von Proben- bzw. Referenzkomplex getroffen werden.In one embodiment, the separation point is then detected by looking at the amount of the first marker, which is bound to one of the holding devices, determines the amount of second marker determined, which is bound to the same holding device, and compares the determined values with one another and / or relates them to one another. From the Ratio of the quantities of first and second markings, for example stamps or Document, a statement about the extent of the separation of sample or reference complex.
Zum Nachweis der Sonde der indirekten oder der Markierung der direkten Detektion können verschiedenste Methoden des Stand der Technik herangezogen werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Markierung um ein fluoreszierendes Molekül. Hier kann auch FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) zum Einsatz kommen, indem man die beiden Bindungspartner eines Bindungskomplexes mit zwei verschiedenen Fluorophoren versieht, zwischen denen ein Resonanztransfer stattfindet. Bei der Trennung der beiden Fluorophore geht das Fluoreszenzsignal verloren. Eine weitere Abwandlung besteht darin, einen der beiden Bindungspartner eines Bindungskomplexes mit einem Fluorophor zu versehen, den anderen mit einem Molekül, das die Fluoreszenz des Fluorophor auslöscht (quenching). Beim Trennen der Bindungspartner wird die Auslöschung des Fluorophors aufgehoben, es kommt also zu einer Verminderung des Signals. Als bevorzugte Fluorophore kommen nanoskalige, kolloidale Halbleiterpartikel (quantum dots) zur Anwendung. Weitere Möglichkeiten sind die radioaktive Markierung, die Markierung mit einem Affinitätsmarker an dem ein Enzyms bindet, welches das Signal verstärkt, die Chemolumineszenz, elektrochemische Markierungen oder die Massenspektroskopie.To detect the probe the indirect or the label of the direct detection can Various methods of the prior art can be used. With the preferred In one embodiment, the label is a fluorescent molecule. Here FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) can also be used by the two binding partners of a binding complex with two different ones Fluorophores, between which a resonance transfer takes place. When separating the the fluorescence signal is lost in both fluorophores. Another variation exists in one of the two binding partners of a binding complex with a fluorophore provided the other with a molecule that quenches the fluorescence of the fluorophore (Quenching). When the binding partners are separated, the extinction of the fluorophore canceled, so there is a reduction in the signal. As preferred fluorophores nanoscale, colloidal semiconductor particles (quantum dots) are used. Further Options are radioactive labeling, labeling with an affinity marker to which an enzyme binds that amplifies the signal, the chemiluminescence, electrochemical markings or mass spectroscopy.
Der hier beschriebene differentielle Krafttest kann für ein weites Spektrum von Proben eingesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich dabei um Proteine, im allgemeinen Antikörper, Antigene, Haptene oder um natürliche und künstliche Nukleinsäuren. Es kann jedoch auch um Viren, Phagen, Zellbestandteile oder ganze Zellen handeln. Des weiteren kommen auch komplexbildende Substanzen wie Chelatoren in Betracht. The differential force test described here can be used for a wide range of samples be used. These are preferably proteins, generally antibodies, Antigens, haptens or around natural and artificial nucleic acids. However, it can also be around Viruses, phages, cell components or whole cells act. Furthermore come too complex-forming substances such as chelators into consideration.
Ein Bindungspartner eines Referenzkomplexes kann selbst Bestandteil einer Probe sein, wie es beim Sandwichformat der Fall ist. Ein Referenzkomplex kann im Prinzip aus den gleichen Bestandteilen aufgebaut sein, wie ein Probenkomplex.A binding partner of a reference complex can itself be part of a sample, such as it is the case with the sandwich format. In principle, a reference complex can consist of the same Components be built up, like a sample complex.
Die Verbindung der Bindungspartner BP2 (2) und BP3 (3) zu einem Konjugat (8) kann erfolgen bevor es zur Wechselwirkung von BP2 und BP3 mit BP1 oder BP4 kommt.The binding partners BP2 ( 2 ) and BP3 ( 3 ) can be combined to form a conjugate ( 8 ) before the interaction of BP2 and BP3 with BP1 or BP4 occurs.
Alternativ kann das Konjugat aus BP2 und BP3 auch erst gebildet werden, nach dem eine Interaktion mit BP1 und BP4 eingetreten ist.Alternatively, the conjugate of BP2 and BP3 can only be formed after one Interaction with BP1 and BP4 has occurred.
Bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei der das Konjugat aus B1 und B2 zwischen zwei Oberflächen befestigt wird, wird die Zugkraft durch einen mechanisch, makroskopischen Zug angelegt, die Detektion erfolgt direkt über eine Markierung.In the first preferred embodiment of the invention in which the conjugate from B1 and B2 is attached between two surfaces, the tensile force is determined by a mechanical, macroscopic train applied, the detection takes place directly via a marker.
Diese Ausführungsform wird hier an den beiden Formaten erörtert, die sich auch durch alle
anderen Ausführungsformen verwirklichen lassen, dem Sandwich- und dem Capture-Format:
Beim Sandwichformat des differentiellen Krafttests (Fig. 5) handelt es sich bei dem Konjugat
aus BP2 und BP3 um die Probe (15). Ein Bindungspartner BP2 (2) der Probe ist spezifisch für
einen Bindungspartner BP1 (1), der auf der ersten Oberfläche (13) gebunden ist. Ein weiterer
Bindungspartner BP3 (3) ist spezifisch für einen den Bindungspartner BP4 (4), der auf der
zweiten Oberfläche (14) gebunden ist. Bringt man die beiden Oberflächen in Kontakt, so
kommt es zur Interaktion der Probe mit BP1 und BP4 wodurch die Oberflächen (13,
14) mittels der entstandenen Bindungskomplexe B1 und B2 verknüpft werden. Zieht man die
Oberflächen nun auseinander, so bricht bevorzugt jener der beiden Bindungskomplexe, der
die geringere Trennkraft aufweist. Die Probe haftet derjenigen Oberfläche an, zu der noch ein
intakter Bindungskomplex besteht.This embodiment is discussed here using the two formats, which can also be implemented by all other embodiments, the sandwich and the capture format:
In the sandwich format of the differential force test ( FIG. 5), the conjugate of BP2 and BP3 is the sample ( 15 ). A binding partner BP2 ( 2 ) of the sample is specific for a binding partner BP1 ( 1 ) which is bound on the first surface ( 13 ). Another binding partner BP3 ( 3 ) is specific for the binding partner BP4 ( 4 ), which is bound on the second surface ( 14 ). If the two surfaces are brought into contact, the sample interacts with BP1 and BP4, whereby the surfaces ( 13 , 14 ) are linked by means of the resulting binding complexes B1 and B2. If the surfaces are now pulled apart, then that of the two binding complexes that has the lower separation force tends to break. The sample adheres to the surface to which an intact binding complex still exists.
Beim Captureformat des differentiellen Krafttests (Fig. 6) wird die Probe (15) auf der ersten Oberfläche (13) immobilisiert. Die Probe verfügt über den ersten Bindungspartner BP1 (1), der spezifisch für den zweiten Bindungspartner BP2 (2) ist. BP2 ist mit BP3 (3) zu einem Konjugat verbunden, wobei BP3 einen vierten Bindungspartner BP4 bindet, der auf der zweiten Oberfläche (14) gebunden ist.In the capture format of the differential force test ( FIG. 6), the sample ( 15 ) is immobilized on the first surface ( 13 ). The sample has the first binding partner BP1 ( 1 ), which is specific for the second binding partner BP2 ( 2 ). BP2 is linked to BP3 ( 3 ) to form a conjugate, with BP3 binding a fourth binding partner BP4, which is bound on the second surface ( 14 ).
Man bringt beide Oberflächen in Kontakt, wodurch es zur Interaktion von BP1 mit BP2 kommt. Zieht man die Oberflächen nun auseinander, so bricht bevorzugt der schwächere der beiden Komplexe, d. h. entweder der Komplex aus BP1 mit BP2 oder der Komplex aus BP3 mit BP4. Die Verteilung des Konjugats aus BP2 und BP3 zwischen den beiden Oberflächen wird bestimmt und gibt Aufschluß darüber, welcher der beiden Komplexe der stabilere war.One brings both surfaces into contact, causing BP1 to interact with BP2 comes. If you pull the surfaces apart, the weaker one breaks two complexes, d. H. either the complex of BP1 with BP2 or the complex of BP3 with BP4. The distribution of the conjugate from BP2 and BP3 between the two surfaces is determined and provides information about which of the two complexes was the more stable.
Die Anbindung der Probe (15) im Captureformat kann kovalent oder über schwache Wechselwirkungen erfolgen.The connection of the sample ( 15 ) in the capture format can take place covalently or via weak interactions.
Die bevorzugte Vorrichtung zur Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht aus:
The preferred device for carrying out the present invention consists of:
- a) Einem Verbrauchsmittel, das aus zwei Oberflächen zur Bindung der Reaktionspartner bestehta) A consumable that consists of two surfaces for binding the reactants consists
- b) Den Bindungspartnern, die auf den Oberflächen gebunden sindb) The binding partners that are bound on the surfaces
- c) Einer Vorrichtung um die beiden Oberflächen in Kontakt zu bringen und sie wieder zu trennen, nachdem es zur molekularen Interaktion der Bindungspartner gekommen ist.c) A device to bring the two surfaces in contact and close them again separate after the molecular interaction of the binding partners has occurred.
- d) Einer Markierung des Konjugats der Bindungspartner BP2 und BP3, anhand dessen n Verteilung zwischen den beiden Oberflächen bestimmt werden kannd) A label of the conjugate of the binding partners BP2 and BP3, based on which n Distribution between the two surfaces can be determined
- e) Einer Vorrichtung zur Detektion der Markierunge) A device for detecting the marking
Das Experiment zeigt, daß durch einen differentiellen Krafttest die Unterschiede in der Trennkraft der Komplexe Biotin/Streptavidin und Iminobiotin/Streptavidin bestimmt werden können.The experiment shows that a differential force test shows the differences in the Separation power of the complexes biotin / streptavidin and iminobiotin / streptavidin can be determined can.
Biotin- und Iminobiotin werden an einer Unterlage gebunden. Fluoreszenzmarkiertes Streptavidin wird an die immobilisierten Haptene gebunden. Ein Stempel, der mit Biotin beschichtet ist, wird so an die Unterlage angenähert, daß das am Stempel gebundene Biotin das über die Haptene an die Unterlage gekoppelte Streptavidin binden kann. Anschließend wird der Stempel wieder entfernt. Zum Schluß wird bestimmt welcher Anteil des Streptavidins vom Iminobiotin der Unterlage auf das Biotin des Stempels und welcher Anteil des Streptavidins vom Biotin der Unterlage auf das Biotins des Stempels übertragen wurde.Biotin and iminobiotin are bound to a support. fluorescence-labeled Streptavidin is bound to the immobilized haptens. A stamp made with biotin is coated, is approximated to the base so that the biotin bound to the stamp which can bind streptavidin coupled to the substrate via the haptens. Subsequently the stamp is removed. In the end it is determined which part of the Streptavidins from iminobiotin of the pad to the biotin of the stamp and what proportion of streptavidin was transferred from the biotin of the pad to the biotin of the stamp.
Beim Trennen der Oberflächen muß sich eine der beiden Bindungen lösen. Der Ligand bleibt dabei entweder am Stempel oder der Unterlage gebunden, je nachdem welche der Bindungen mechanisch stabiler ist.When separating the surfaces, one of the two bonds must be released. The ligand remains either bound to the stamp or the pad, depending on which of the bindings is mechanically more stable.
Es wurde ein mikrostrukturierter Stempel aus PDMS (Polydimethylsiloxan) gefertigt. Die Strukturen bestanden dabei aus Stempelfüßchen von ca. 100 × 100 µm, die durch Vertiefungen von ca. 25 µm Breite und 1 µm Tiefe getrennt wurden. Das in Kontakt bringen des Stempels und der Unterlage setzt voraus, daß der dazwischen befindliche Puffer verdrängt wird. Dies ist bei glatten Flächen nur äußerst schwierig bzw. langsam möglich. Die im Stempel befindlichen Rillen gewährleisten den schnellen Abfluß des Puffers und einen vollständigen Kontakt der Stempelfüße mit der Unterlage.A micro-structured stamp was made from PDMS (polydimethylsiloxane). The Structures consisted of stamp feet of approx. 100 × 100 µm, which through Wells of approximately 25 µm wide and 1 µm deep were separated. Bring that in contact of the stamp and the base assumes that the buffer in between is ousted. This is extremely difficult or slow to do on smooth surfaces. The grooves in the stamp ensure the rapid drainage of the buffer and complete contact of the stamp feet with the pad.
Ein weiterer Vorteil der Mikrostruktur besteht darin, daß auf der Unterlage spiegelbildlich zu den Stempelrillen keine Moleküle "weggestempelt" werden. Der Intensitätswert der verbleibenden "Gitter" repräsentiert die Dichte der Moleküle vor dem Stempeln und kann bei der Auswertung somit als Referenzwert herangezogen werden.Another advantage of the microstructure is that it is mirrored on the base no molecules are "stamped away" to the stamp grooves. The intensity value of the remaining "grid" represents the density of the molecules before stamping and can can thus be used as a reference value in the evaluation.
Zur Fertigung des mikrostrukturierten Stempels wurde ein Ansatz aus einer 1 : 10 Mischung von Silikonelastomer und Vernetzungsreagenz (Sylgard 184, Dow Corning) nach mehrfachem Entgasen auf einen entsprechend strukturierten Silikonwafer gegossen und für 24 h bei RT inkubiert. Nach der Polymerisierung wurde die strukturierte Oberfläche des Stempel bei 1 mbar in einem Plasmaofen für 15 s einem H2O-Plasma ausgesetzt. Die oxidierte Oberfläche wurde mit 3% Aminosilan (3-Aminopropyldimethyl-ethoxysilan; ABCR, Karlsruhe) in 10% H2O und 87% Ethanol für 30 min inkubiert. Die silanisierte Oberfläche wurde mit Reinstwasser gewaschen und mit Stickstoff trocken geblasen.To produce the microstructured stamp, a mixture of a 1:10 mixture of silicone elastomer and crosslinking reagent (Sylgard 184, Dow Corning) was poured onto an appropriately structured silicone wafer after multiple degassing and incubated for 24 h at RT. After the polymerization, the structured surface of the stamp was exposed to H 2 O plasma at 1 mbar in a plasma oven for 15 s. The oxidized surface was incubated with 3% aminosilane (3-aminopropyldimethylethoxysilane; ABCR, Karlsruhe) in 10% H 2 O and 87% ethanol for 30 min. The silanized surface was washed with ultrapure water and blown dry with nitrogen.
An die Aminogruppen des Silans wurde ein bifunktionales PEG angebunden dessen eines Ende über eine durch NHS aktivierte Carboxygruppe, das andere über eine Biotingruppe verfügte. 20 µl einer Lösung mit 2 mg/100 µl NHS-PEG-Biotin (Shearwater, Huntsville) wurden unter einem Deckglas für 1 h auf einem Stempel mit einer Fläche von 1 cm2 inkubiert. Es wurde mit Reinstwasser gewaschen und mit Stickstoff trocken geblasen.A bifunctional PEG was attached to the amino groups of the silane, one end of which had a carboxy group activated by NHS and the other had a biotin group. 20 μl of a solution with 2 mg / 100 μl of NHS-PEG-Biotin (Shearwater, Huntsville) were incubated under a cover glass for 1 h on a stamp with an area of 1 cm 2 . It was washed with ultrapure water and blown dry with nitrogen.
Ein Glasobjektträger wurde durch 100 minütige Behandlung mit gesättigter KOH- Ethanollösung gereinigt. Die gereinigte Oberfläche wurde mit 3% Aminosilan (3- Aminopropyldimethyl-ethoxysilan; ABCR, Karlsruhe) in 10% H2O und 87% Ethanol für 30 min inkubiert. Die silanisierte Oberfläche wurde mit Reinstwasser gewaschen und mit Stickstoff trocken geblasen. An die Aminogruppen des Silans wurde ein bifunktionales PEG angebunden dessen eines Ende über eine durch NHS aktivierte Carboxygruppe, das andere über eine t-Boc geschützte Aminogruppe verfügte (NHS-PEG-NH-tBoc, Shearewater, Huntsville). Anschließend wurde die tBoc Schutzgruppe mit Trifluor Essigsäure abgespalten. Biotin und Iminobiotin (Sigma, St. Louis) wurden aus einer PBS Lösung (Phosphate Saline Buffer; Sigma) mit einer Konzentration von 5 mg/ml mit 5 mg/ml EDC (1-Ethyl-3-(3-Dimethylamino-propyl)carbiimide; Sigma) und 5 mg/ml NHS (N-hydroxysuccinimid; Sigma, St. Louis) an die Aminogruppen des entschützten PEGs angebunden. Die Unterlage wurde in einer gesättigten H2O-Atmoshäre für 1 h inkubiert, mit Reinstwasser gespült und mit Stickstoff trocken geblasen. Die Unterlage mit den immobilisierten Haptenen wurde mit 0,1 mg/ml Alexa-Fluor®-546-Streptavidin-Konjugat inkubiert, mit Reinstwasser gespült und mit Stickstoff trocken geblasen.A glass slide was cleaned by treatment with saturated KOH-ethanol solution for 100 minutes. The cleaned surface was incubated with 3% aminosilane (3-aminopropyldimethyl-ethoxysilane; ABCR, Karlsruhe) in 10% H 2 O and 87% ethanol for 30 min. The silanized surface was washed with ultrapure water and blown dry with nitrogen. A bifunctional PEG was attached to the amino groups of the silane, one end of which had an NHS-activated carboxy group and the other had a t-Boc-protected amino group (NHS-PEG-NH-tBoc, Shearewater, Huntsville). The tBoc protective group was then cleaved off with trifluoroacetic acid. Biotin and iminobiotin (Sigma, St. Louis) were extracted from a PBS solution (Phosphate Saline Buffer; Sigma) with a concentration of 5 mg / ml with 5 mg / ml EDC (1-ethyl-3- (3-dimethylamino-propyl) carbiimide; Sigma) and 5 mg / ml NHS (N-hydroxysuccinimide; Sigma, St. Louis) bound to the amino groups of the deprotected PEG. The pad was incubated in a saturated H 2 O atmosphere for 1 h, rinsed with ultrapure water and blown dry with nitrogen. The pad with the immobilized haptens was incubated with 0.1 mg / ml Alexa-Fluor®-546-streptavidin conjugate, rinsed with ultrapure water and blown dry with nitrogen.
Die Stempelprozedur kann mit einem einfachen Apparat erfolgen wie er beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist. Die Apparatur besteht aus einer Bodenplatte (1), zwei Führungsstangen (2), einem Stempelschlitten (3), einer Stempelkopfpolsterung (4), dem Stempelkopf (5) und der Stempelpolsterung (6) (siehe Fig. 7). Die Bodenplatte, die Führungsstangen und der Stempelschlitten können aus Metall gefertigt sein. Das Stempelkopfpolster kann aus einem Schaumgummi und der Stempelkopf aus Plexiglas bestehen. Der Stempel ist quadratisch und hat die Fläche von einem cm2 und eine Dicke von 1 mm. Das Stempelposter hat die gleichen Abmessungen, ist jedoch auf beiden Seiten glatt und besteht z. B. aus einem besonders weichen PDMS.The stamping procedure can be carried out using a simple apparatus such as that shown in FIG. 7. The apparatus consists of a base plate ( 1 ), two guide rods ( 2 ), a stamp carriage ( 3 ), a stamp head pad ( 4 ), the stamp head ( 5 ) and the stamp pad ( 6 ) (see Fig. 7). The base plate, the guide rods and the stamp slide can be made of metal. The stamp head pad can consist of a foam rubber and the stamp head made of plexiglass. The stamp is square and has the area of one cm 2 and a thickness of 1 mm. The stamp poster has the same dimensions, but is smooth on both sides and consists, for. B. from a particularly soft PDMS.
Zum Stempeln wird die Unterlage auf die Bodenplatte und der Stempel auf das Stempelpolster gelegt. Beide werden mit Puffer bedeckt. Der Schlitten wird in die Führungsstangen eingeführt und solange per Hand abgesenkt, bis der Stempel mit der Unterlage in Kontakt kommt. Das Trennen erfolgt ebenfalls per Hand.For stamping, the base is placed on the base plate and the stamp on the Stamp pad placed. Both are covered with buffer. The sledge is in the Guide rods inserted and lowered by hand until the stamp with the Pad comes into contact. The separation is also done by hand.
Das Stempelkopfpolster hat die Funktion den Stempelkopf beim Aufsetzen des Stempels in eine exakt parallele Position zur Unterlage zu bringen. Das Stempelpolster dient dazu geringe Unebenheiten zwischen Stempel und Unterlage auszugleichen.The stamp head cushion has the function of the stamp head when the stamp is placed in bring an exactly parallel position to the base. The stamp pad is used for this compensate for slight unevenness between the stamp and the base.
Die Oberflächen wurden so einander angenähert, daß das auf dem Stempel gebundene Biotin mit dem Streptavidin der Unterlage interagieren kann. Nach einer Inkubationszeit von 30 min wurden die Oberflächen voneinander getrennt.The surfaces were brought together so that the one bound on the stamp Biotin can interact with the streptavidin of the pad. After an incubation period the surfaces were separated from one another for 30 min.
Stempel und Unterlage wurden mit einem Laser-Scanner (Perkin Eimer GeneTac LS IV) nach dem Marker Alexa-Fluor®-546 abgescannt.The stamp and base were scanned with a laser scanner (Perkin Elmer GeneTac LS IV) scanned for the marker Alexa-Fluor®-546.
- 1. Der Unterschiedliche Übertrag von Biotin bzw. Iminobiotin nach Biotin spiegelt die unterschiedliche mechanische Stabilität der Streptavidin-Hapten Komplexe wieder. Der Übertrag von Biotin auf Biotin liefert eine 50% Referenz, aus der die Dichte der Kopplungsereignisse im angenäherten Zustand bestimmt werden kann.1. The different transfer of biotin or iminobiotin to biotin reflects that different mechanical stability of the streptavidin-hapten complexes again. The Transfer from biotin to biotin provides a 50% reference from which the density of the Coupling events can be determined in the approximate state.
- 2. Es werden 15% des an Biotin gebundenen Streptavidins von dem Biotin beschichteten Stempel mitgenommen. Die Effizienz der Kopplung während des Stempelns liegt daher bei 30%. Von Iminobiotin auf Biotin werden 30% übertragen. Die Streptavidin-Biotin Bindung ist also stärker als die Streptavidin-Iminobiotin Bindung, so daß beim Trennen von Stempel und Unterlage das Streptavidin stets am Biotin gebunden bleibt während sich die Bindung zum Iminobiotin löst.2. 15% of the streptavidin bound to biotin is coated by the biotin Stamp taken. The efficiency of the coupling during stamping is therefore included 30%. 30% is transferred from iminobiotin to biotin. The streptavidin biotin Binding is therefore stronger than the streptavidin-iminobiotin binding, so that when separated The streptavidin is always bound to the biotin from the stamp and the underlay while it is releases the bond to iminobiotin.
Fig. 8A und 8B zeigen eine Darstellung der Unterlage bzw. des Stempels nach dem Stempeln. Messungen mit dem AFM-Kraftspektrometer ergaben für das Rezeptor-Ligand Paar Biotin/Avidin 160 pN ± 20 pN und 85 ± 15 für Iminobiotin/Avidin (Florin, E. L., Moy V. T. and Gaub H. E. Science 15. April 1994, Vol. 264, pp. 415-417: "Adhesion Forces Between Individual Ligand-Receptor Pairs"). Der Kraftvergleich zwischen Biotin/Streptavidin und Iminobiotin/Streptavidin kommt qualitativ zu dem Ergebnis. Auf der Unterlage in Fig. 8A erkennt man, daß auf den Iminobiotin-Spots der linken Reihe wesentlich weniger Streptavidin gebunden wurde als auf den Biotin-Spots der rechten Reihe. Diese Bild ist spiegelbildlich auf dem Stempel in Fig. 8B wieder zu finden, wobei die Spots der linken Reihe, bei denen eine Verkettung der Art Biotin/Streptavidin/Biotin statt fand, deutlich weniger Streptavidin auf den Stempel übertragen wurde als bei der rechten Reihe, die einer Verkettung Iminobiotin/Streptavidin/Biotin entspricht. Fig. 8A and 8B show a representation of the base or of the punch after stamping. Measurements with the AFM force spectrometer showed 160 pN ± 20 pN for the receptor-ligand pair biotin / avidin and 85 ± 15 for iminobiotin / avidin (Florin, EL, Moy VT and Gaub HE Science April 15, 1994, Vol. 264, pp 415-417: "Adhesion Forces Between Individual Ligand-Receptor Pairs"). The force comparison between biotin / streptavidin and iminobiotin / streptavidin comes qualitatively to the result. It can be seen on the support in FIG. 8A that considerably less streptavidin was bound to the iminobiotin spots in the left row than in the biotin spots in the right row. This image can be found in mirror image on the stamp in FIG. 8B, the spots in the left row, in which a concatenation of the species biotin / streptavidin / biotin took place, significantly less streptavidin transferred to the stamp than in the right row, which corresponds to a chain of iminobiotin / streptavidin / biotin.
Das Experiment zeigt, daß durch einen differentiellen Krafttest die Trennkräfte zweier DNA- Duplexe verglichen werden können. In diesem Beispiel handelt es sich bei Duplex 1 um einen 20 Basenpaare langen Doppelstrang, bei Duplex 3 um einen 30 Basenpaare langen Doppelstrang.The experiment shows that the separation forces of two DNA duplexes can be compared using a differential force test. In this example, duplex 1 is a 20 base pair long double strand, duplex 3 is a 30 base pair long double strand.
Oligonukleotid 1 (= Oligo1) wird terminal an einer Unterlage gebunden. Oligonukleotid 2 (= Oligo2) wird mit Oligo1 hybridisiert, wobei ein Probekomplex gebildet wird. Oligonukleotid 3 (= Oligo3) wird mit Oligo2 hybridisiert, wobei ein Referenzkomplex gebildet wird. Oligo1 und Oligo2 sind mit unterschiedlichen Fluorophoren markiert. Oligo3 ist mit einem Biotin markiert. Ein Stempel, der mit Streptavidin beschichtet ist wird auf die Unterlage mit den drei hybridisierten Oligos aufgepreßt. Dabei kommt es zur Bindung des Biotin von Oligo3 an das Streptavidin des Stempels. Der Stempel wird entfernt, wobei es in einer Verkettung von Oligo1 mit Oligo2 und Oligo3, entweder zum Zerreißen des Probekomplexes oder des Referenzkomplexes kommt.Oligonucleotide 1 (= Oligo1) is terminally bound to a support. Oligonucleotide 2 (= Oligo2) is hybridized with Oligo1, whereby a sample complex is formed. Oligonucleotide 3 (= Oligo3) is hybridized with Oligo2, whereby a reference complex is formed. Oligo1 and Oligo2 are labeled with different fluorophores. Oligo3 is labeled with a biotin. A stamp, which is coated with streptavidin, is pressed onto the base with the three hybridized oligos. The biotin of Oligo3 is bound to the streptavidin of the stamp. The stamp is removed, and in a chain of Oligo1 with Oligo2 and Oligo3, either the sample complex or the reference complex is torn.
Beim Probenkomplex handelt es sich um einen DNA-Duplex von 20 bp. Der Referenzkomplex besteht aus einem DNA-Duplex von 30 bp, von denen 20 mit denen des Probenkomplexes identisch sind. Als Referenz wird ein zweites Experiment durchgeführt, bei dem Proben- und Referenzkomplex 20 bp lang sind und den gleichen GC-Gehalt aufweisen. The sample complex is a 20 bp DNA duplex. The Reference complex consists of a DNA duplex of 30 bp, 20 of which match those of the Sample complex are identical. As a reference, a second experiment is carried out at the sample and reference complex are 20 bp long and have the same GC content.
Da die Effizienz, mit der Verkettungen über die Biotin-Streptavidin-Bindung gebildet werden beim Stempeln nur bedingt kontrollierbar ist, kann man sich bei dem Krafttest nicht darauf beschränken nur Oligo2 zu markieren, um mittels dem Ausmaß seiner Anreicherung auf der Stempeloberfläche das Verhältnis der Trennkräfte von Proben- und Referenzkomplex zu berechnen. Man benötigt eine zweite Markierung an Oligo3. Bestimmt man anhand der beiden Markierungen, wieviel Oligo2 im Verhältnis zu Oligo3 auf dem Stempel angereichert, bzw. auf der Unterlage abgereichert wurde, so erhält man ein Maß dafür, ob Oligo2 eine größere Trennkraft zu Oligo1 oder Oligo3 aufweist.Because the efficiency with which chains are formed via the biotin-streptavidin bond can only be controlled to a limited extent when stamping, you cannot rely on it during the strength test restrict only Oligo2 to mark by means of the extent of its enrichment on the The ratio of the separation forces of the sample and reference complex to to calculate. You need a second label on Oligo3. One determines from the two marks, how much Oligo2 is enriched in relation to Oligo3 on the stamp, or was depleted on the pad, you get a measure of whether Oligo2 a has greater separation force to Oligo1 or Oligo3.
Es ist darauf zu achten, daß bei einer Fluoreszenzmarkierung der Oligos keine Verfälschung des Meßergebnisses durch eine Fluoreszenz-Resonanz-Transfer (FRET) zwischen den Markierungen stattfindet. Da ein geringes Ausmaß von FRET zwischen den Markierungen einer Verkettung oft unvermeidlich ist, ist darauf zu achten, daß die Markierungen innerhalb einer Verkettung bei Experiment und Referenzexperiment den gleichen Abstand voneinander haben.Care must be taken to ensure that the oligos are not falsified by fluorescent labeling the measurement result by a fluorescence resonance transfer (FRET) between the Markings takes place. Because of a small amount of FRET between the marks a chaining is often unavoidable, make sure that the markings inside a chain in experiment and reference experiment the same distance from each other to have.
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1. Beschichtung der Unterlage:
Als Unterlage wurden mit Aldehydgruppen funktionalisierte Glas-Objektträger (Telechem, Atlanta: Superaldehyde Slides) verwendet. Als Passivierung gegen die Absorption des Streptavidins des Stempels wurde an die Glasoberfläche kovalent Polyethylenglykol (PEG) angebunden. Dazu wurden 2 mg bifunktionales PEG (Shearwater, Huntsville; Molekulargewicht = 3400 g/mol) mit je einer terminalen Amino- und einer terminalen Carboxygruppe, in 100 µl PBS (Phosphate Saline Buffer; Sigma, St. Louis) gelöst und unter einem Deckglas für 2 h auf dem Objektträger inkubiert. Die aus der Reaktion der Amino- mit den Aldehydgruppen resultierenden Schiffbasen wurden für 5 min mit einer 1%igen NaBH4-Lsg reduziert. Daraufhin wurde die Unterlage mit Reinstwasser gewaschen und mit einem ölfreien Stickstoffstrahl trocken geblasen.1. Coating of the underlay:
Glass slides functionalized with aldehyde groups (Telechem, Atlanta: Superaldehyde Slides) were used as the base. As a passivation against the absorption of the streptavidin of the stamp, polyethylene glycol (PEG) was covalently attached to the glass surface. For this purpose, 2 mg of bifunctional PEG (Shearwater, Huntsville; molecular weight = 3400 g / mol), each with a terminal amino and a terminal carboxy group, were dissolved in 100 μl PBS (Phosphate Saline Buffer; Sigma, St. Louis) and placed under a cover slip for Incubated for 2 hours on the slide. The Schiff bases resulting from the reaction of the amino with the aldehyde groups were reduced for 5 min with a 1% NaBH 4 solution. The pad was then washed with ultrapure water and blown dry with an oil-free nitrogen jet. -
2. Anbindung von Oligo1:
Oligo1 verfügt am 5'-Ende über eine Amino-Markierung und einen Spacer aus 10 Adeninen. Die weiteren 20 Basen bilden mit Oligo2 den Probenkomplex. Mehrere Tropfen von je 1 µl einer Mischung aus 25 µM Oligo1 mit 5 mg/ml EDC (1-Ethyl-3-(3- Dimethylamino-propyl)carbiimide; Sigma, St. Louis) und 5 mg/ml NHS (N-hydroxy succinimid; Sigma, St. Louis) in PBS (Phosphate Saline Buffer; Sigma, St. Louis) wurden auf die beschichtete Unterlage gespottet. Die Unterlage wurde in einer gesättigten H2O- Atmoshäre für 1 h inkubiert, mit 0,2% SDS (Sodiumdodekylsulfat; Sigma St. Louis) gewaschen, mit Reinstwasser gespült und mit Stickstoff trocken geblasen.2. Connection of Oligo1:
Oligo1 has an amino label at the 5 'end and a spacer made of 10 adenines. The other 20 bases form the sample complex with Oligo2. Several drops of 1 µl each of a mixture of 25 µM Oligo1 with 5 mg / ml EDC (1-ethyl-3- (3-dimethylamino-propyl) carbiimide; Sigma, St. Louis) and 5 mg / ml NHS (N-hydroxy succinimide; Sigma, St. Louis) in PBS (Phosphate Saline Buffer; Sigma, St. Louis) were spotted on the coated pad. The pad was incubated in a saturated H 2 O atmosphere for 1 h, washed with 0.2% SDS (sodium dodecyl sulfate; Sigma St. Louis), rinsed with ultrapure water and blown dry with nitrogen. -
3. Hybridisierung:
Die Oligos 2a und 2b verfügen über eine Cy3®-Markierung (Cyanine3, Amersham- Pharmacia Biotech) am 5'-Ende. Oligo3 verfügt über eine Cy5®-Markierung (Cyanine5, Amersham-Pharmacia) am 5'-Ende (alle Oligos von metabion, Martinsried).
5 µl einer Mischung aus Oligo2a (1 µM) und Oligo3 (2 µM) in einem Citrat-Puffer (pH = 7,2) mit 750 mM NaCl wurden unter einem Deckglas über die Spots des angebunden Oligo1 gegeben. Der Hybridisierungsansatz wurde in einer gesättigten H2O-Atmoshäre bei 80°C für 15 min inkubiert, dann bei Raumtemperatur (RT) 30 min ankühlen lassen. Die Unterlage wurde einmal mit 15 mM NaCl/O,2% SDS und ein zweites mal mit 15 mM NaCl bei Raumtemperatur gewaschen und in 15 mM NaCl aufbewahrt. Ebenso wurde bei dem Referenzexperiment verfahren, wobei Oligo2a gegen Oligo2b ausgetauscht wurde.3. Hybridization:
The oligos 2a and 2b have a Cy3® label (Cyanine3, Amersham-Pharmacia Biotech) at the 5 'end. Oligo3 has a Cy5® label (Cyanine5, Amersham-Pharmacia) at the 5 'end (all oligos from metabion, Martinsried).
5 µl of a mixture of Oligo2a (1 µM) and Oligo3 (2 µM) in a citrate buffer (pH = 7.2) with 750 mM NaCl were placed under a cover glass over the spots of the attached Oligo1. The hybridization mixture was incubated in a saturated H 2 O atmosphere at 80 ° C. for 15 min, then allowed to cool at room temperature (RT) for 30 min. The pad was washed once with 15 mM NaCl / O, 2% SDS and a second time with 15 mM NaCl at room temperature and stored in 15 mM NaCl. The same procedure was used for the reference experiment, with Oligo2a being replaced by Oligo2b. -
4. Beschichtung des Stempels:
Es wurde ein mikrostrukturierter Stempel aus PDMS (Polydimethylsiloxan) gefertigt. Die Strukturen bestanden dabei aus Stempelfüßchen von ca. 100 × 100 µm, die durch Vertiefungen von ca. 25 µm Breite und einem µm Tiefe getrennt wurden. Hierzu wurde ein Ansatz aus einer 1 : 10 Mischung von Silikonelastomer und Vernetzungsreagenz (Sylgard 184, Dow Corning) nach mehrfachem Entgasen auf einen entsprechend strukturierten Silikonwafer gegossen und für 24 h bei RT inkubiert. Nach der Polymerisierung wurde die strukturierte Oberfläche des Stempel bei 1 mbar in einem Plasmaofen für 15 s einem H2O- Plasma ausgesetzt.
Die oxidierte Oberfläche wurde mit 3% Aminosilan (3-Aminopropyldimethyl-ethoxysilan; ABCR, Karlsruhe) in 10% H2O und 87% Ethanol für 30 min inkubiert. Die silanisierte Oberfläche wurde mit Reinstwasser gewaschen und mit Stickstoff trocken geblasen. An die Aminogruppen des Silans wurde ein bifunktionales PEG angebunden dessen eines Ende über eine durch NHS aktivierte Carboxygruppe, das andere über eine Biotingruppe verfügte. 20 µl einer Lösung mit 2 mg/100 µl NHS-PEG-Biotin (Shearwater, Huntsville) wurden unter einem Deckglas für 1 h auf einem Stempel mit einer Fläche von 1 cm2 inkubiert. Es wurde mit Reinstwasser gewaschen und mit Stickstoff trocken geblasen. Auf die nun biotinylierte Oberfläche wurde 0,1 mg/ml Streptavidin (Sigma) in PBS gegeben und für 30 min inkubiert. Es wurde mit Reinstwasser gewaschen und mit Stickstoff trocken geblasen.4. Coating of the stamp:
A micro-structured stamp was made from PDMS (polydimethylsiloxane). The structures consisted of stamp feet of approx. 100 × 100 µm, which were separated by depressions approx. 25 µm wide and 1 µm deep. For this purpose, a mixture of a 1:10 mixture of silicone elastomer and crosslinking reagent (Sylgard 184, Dow Corning) was poured onto a correspondingly structured silicone wafer after multiple degassing and incubated for 24 h at RT. After the polymerization, the structured surface of the stamp was exposed to H 2 O plasma at 1 mbar in a plasma oven for 15 s.
The oxidized surface was incubated with 3% aminosilane (3-aminopropyldimethylethoxysilane; ABCR, Karlsruhe) in 10% H 2 O and 87% ethanol for 30 min. The silanized surface was washed with ultrapure water and blown dry with nitrogen. A bifunctional PEG was attached to the amino groups of the silane, one end of which had a carboxy group activated by NHS and the other had a biotin group. 20 ul of a solution with 2 mg / 100 ul NHS-PEG-Biotin (Shearwater, Huntsville) were incubated under a cover glass for 1 h on a stamp with an area of 1 cm 2 . It was washed with ultrapure water and blown dry with nitrogen. 0.1 mg / ml streptavidin (Sigma) in PBS was added to the now biotinylated surface and incubated for 30 min. It was washed with ultrapure water and blown dry with nitrogen. -
5. Stempeln:
Ein frisch präparierter Stempel und eine Unterlage wurden mit einer Lösung von 15 mM NaCl unter einem Druck von 400 g/cm2 auf die Flecken mit den angebundenen Oligos (Oligo1 + Oligo2 + Oligo3) gepreßt. Nach 30 min wurde der Stempel sehr langsam abgehoben. Unterlage und Stempel wurden mit Reinstwasser gewaschen und mit Stickstoff trocken geblasen.5. Stamp:
A freshly prepared stamp and a base were pressed onto the spots with the attached oligos (Oligo1 + Oligo2 + Oligo3) with a solution of 15 mM NaCl under a pressure of 400 g / cm 2 . After 30 minutes, the stamp was raised very slowly. The pad and stamp were washed with ultrapure water and blown dry with nitrogen. - 6. Stempel und Unterlage wurden mit einem Zweifarb-Laser-Scanner (Perkin Eimer GeneTac LS IV) nach den Markern Cy3 und Cy5 abgescannt. Um eine Vergleichbarkeit der Meßergebnisse zu gewährleisten wurden die Stempel von Experiment und Referenzexperiment sowie die Unterlagen von Experiment und Referenzexperiment mit gleichen Laserintensitäten gescannt.6. The stamp and the base were checked with a two-color laser scanner (Perkin Elmer GeneTac LS IV) scanned for the markers Cy3 and Cy5. To make the The stamp of experiment and to ensure measurement results Reference experiment as well as the documents from experiment and reference experiment with same laser intensities scanned.
Für jedes Experiment wurde der Stempel und die Unterlage ausgewertet.The stamp and the base were evaluated for each experiment.
Durch Subtraktion der Intensitäten der gestempelten Flächen von den Intensitäten der nicht gestempelten Rillen wurden die Differenzen ΔCy3Unt und ΔCy5Unt gebildet. Aus den beiden Differenzen für Experiment A (Oligo2a) wurde der Quotient QAUnt = ΔCy3Unt/ΔCy5Unt, aus den Differenzen für Experiment B (Oligo2b) der Quotient QBUnt = ΔCy3Unt/ΔCy5Unt gebildet. Als Maß für den Unterschied der Abreicherung von Oligo2a bzw. Oligo2b wurde der Quotient QUnt = QAUnt/QBUnt gebildet.The differences ΔCy3 Unt and ΔCy5 Unt were formed by subtracting the intensities of the stamped areas from the intensities of the non-stamped grooves. The quotient Q AUnt = ΔCy3 Unt / ΔCy5 Unt was formed from the two differences for experiment A (Oligo2a), and the quotient Q BUnt = ΔCy3 Unt / ΔCy5 Unt from the differences for experiment B (Oligo2b). The quotient Q Unt = Q AUnt / Q BUnt was formed as a measure of the difference in the depletion of Oligo2a and Oligo2b.
Durch Subtraktion der Intensitäten der Rillen, auf die keine Oligos übertragen wurden von den Intensitäten der Stempelflächen wurden die Differenzen ΔCy3St und ΔCy5St gebildet. Aus den beiden Differenzen für Experiment A (Oligo2a) wurde der Quotient QASt = ΔCy3St/ ΔCy5St, aus den Differenzen für Experiment B (Oligo2b) der Quotient QBSt = ΔCy3St/ΔCy5St gebildet. Als Maß für den Unterschied der Anreicherung von Oligo2a bzw. Oligo2b auf dem Stempel wurde der Quotient QSt = QASt/QBSt gebildet. By subtracting the intensities of the grooves to which no oligos were transferred from the intensities of the stamp surfaces, the differences ΔCy3 St and ΔCy5 St were formed. The quotient Q ASt = ΔCy3 St / ΔCy5 St was formed from the two differences for Experiment A (Oligo2a), and the quotient Q BSt = ΔC y 3 St / ΔCy5 St from the differences for Experiment B (Oligo2b). The quotient Q St = Q ASt / Q BSt was formed as a measure of the difference between the enrichment of Oligo2a and Oligo2b on the stamp.
Für die Unterlage von Experiment 2b ergab sich der Wert QBUnt = 0,36 ± 0,08 für die Unterlage von 2a QAUnt = 0,69 ± 0,09. Hieraus ergab sich QUnt = QAUnt/QBUnt = 1,92.For the base of experiment 2b, the value Q BUnt = 0.36 ± 0.08 was found for the base of 2a Q AUnt = 0.69 ± 0.09. This resulted in Q Unt = Q AUnt / Q BUnt = 1.92.
Für den Stempel von 2b ergab sich QBSt = 0,61 ± 0,08, für den Stempel von 2a QASt = 1,20 ± 0,08. Hieraus ergab sich QSt = QASt/QBSt = 1,97.For the stamp of 2b there was Q BSt = 0.61 ± 0.08, for the stamp of 2a Q ASt = 1.20 ± 0.08. This resulted in Q St = Q ASt / Q BSt = 1.97.
Bei Experiment 2a handelte es sich um einen Kraftvergleich eines 30 bp-Duplex auf der Seite des Stempels und einen 20 bp-Duplex auf Seite der Unterlage. Betrachtet man das Ergebnis zu 2a (QAUnt = 0,69, QASt = 1,2) isoliert, so läßt sich keine Aussage darüber treffen, ob einer der beiden Duplexe stabiler war, bzw. welcher der beiden beim Trennen des Stempels von der Unterlage häufiger zerriß als der andere. Eine solche Aussage aus Experiment 2a allein wäre nur möglich, wenn man aus den gemessenen Fluoreszenz-Intensitäten die tatsächlichen Stoffmengen an Cy3 und Cy5 berechnen könnte. Da beim vorliegenden Experiment entsprechende Eichwerte nicht vorliegen, soll zu dem Kraftvergleich des 30 bp-Duplex mit dem 20 bp-Duplex in Experiment 2a der Kraftvergleich des 20 bp-Duplex mit einem weiteren 20 bp-Duplex in Experiment 2b als Referenz herangezogen werden.Experiment 2a was a force comparison of a 30 bp duplex on the side of the stamp and a 20 bp duplex on the side of the base. If one looks at the result for 2a (Q AUnt = 0.69, Q ASt = 1.2) in isolation, no statement can be made as to whether one of the two duplexes was more stable or which of the two when separating the stamp from the Pad torn more than the other. Such a statement from experiment 2a alone would only be possible if the actual amounts of Cy3 and Cy5 could be calculated from the measured fluorescence intensities. Since corresponding calibration values are not available in the present experiment, the force comparison of the 20 bp duplex with another 20 bp duplex in experiment 2b should be used as a reference for the force comparison of the 30 bp duplex with the 20 bp duplex in experiment 2a.
Die Quotienten aus Experiment 2a und Referenzexperiment 2b ergeben für die Unterlage QUnt = QAUnt/QBUnt = 1,92 und für den Stempel QSt = QASt/QBSt = 1,97. Dies bedeutet, daß auf der Unterlage 2a etwa 2 mal so viel Cy3-markierter Oligo weggestempelt wurde wie bei 2b und daß auf den Stempel etwa 2 mal so viel Cy3-markierter Oligo übertragen wurde wie bei 2b.The quotients from experiment 2a and reference experiment 2b give Q Unt = Q AUnt / Q BUnt = 1.92 for the base and Q St = Q ASt / Q BSt = 1.97 for the stamp. This means that about 2 times as much Cy3-labeled oligo was stamped away on the support 2a as for 2b and that about 2 times as much Cy3-labeled oligo was transferred onto the pad as in 2b.
Für eine geeichte Messung, bei der die Fluoreszenzintensitäten direkt proportional zu den
Stoffmengen von Cy3 und Cy5 ausfallen würden, würde man beim Referenzexperiment 2b
aufgrund der gleichen Stabilität der beiden 20 bp-Duplexe ein QBUnt = 0,5 und ein QBSt = 0,5
erwarten. Der hier ermittelte QBUnt = 0,36 ist gegenüber dem bei einer geeichten Messung zu
erwartenden Ergebnis um den Faktor 1,39 zu klein. Korrigiert man QBUnt um diesen Faktor
auf 0,5, so erhält man für die Korrektur von Experiment 2a
For a calibrated measurement, in which the fluorescence intensities would be directly proportional to the amounts of Cy3 and Cy5, in reference experiment 2b one would use a Q BUnt = 0.5 and a Q BSt = 0 due to the same stability of the two 20 bp duplexes. 5 expect. The Q BUnt = 0.36 determined here is too small by a factor of 1.39 compared to the result to be expected in a calibrated measurement. If one corrects Q BUnt by this factor to 0.5, one gets for the correction of experiment 2a
QAUntkorr. = QAUnt × 1,39 = 0,69 × 1,39 = 0,96.Q AUcorr. = Q AUnt × 1.39 = 0.69 × 1.39 = 0.96.
Bei der Korrektur der Werte für die Stempel erhält man analog:
When correcting the values for the stamp, the following is obtained analogously:
QBStkorr. = 0,5
Q BStcorr. = 0.5
QBSt = 0,61 = 1,22 × 0,5
Q BSt = 0.61 = 1.22 × 0.5
QAStkorr. = QASt/1,22 = QASt = 1,20/1,22 = 0,98Q Corr. = Q ASt / 1.22 = Q ASt = 1.20 / 1.22 = 0.98
Hieraus kann geschlossen werden, daß es bei Experiment 2a zu einer Abreicherung des Oligo2a von der Unterlage bzw. einer Anreicherung von Oligo2a auf dem Stempel von ca. 97% kommt.From this it can be concluded that there is a depletion of the Oligo2a from the base or an enrichment of Oligo2a on the stamp of approx. 97% is coming.
Fig. 9A und 9B zeigen eine Darstellung der Unterlage bzw. des Stempels nach dem Stempeln bei Experiment 2a. Fig. 9C und 9D zeigen eine Darstellung der Unterlage bzw. des Stempels nach dem Stempeln bei Experiment 2b. FIG. 9A and 9B show a representation of the base or of the punch after stamping in Experiment 2a. Fig. 9C and 9D show a representation of the base or of the punch after stamping in Experiment 2b.
Fig. 10A bis 10D zeigen das Ergebnis der Auswertung von Unterlage und Stempel nach Kraftvergleich mit Oligonukleotid 2a bzw. Oligonukleotid 2b. Es handelt sich um Ausschnitte von Fluoreszenzprofilen. Der Verlauf der Profile wird durch den Pfeil in Fig. 9C angedeutet. Die Maxima der Graphen entsprechen den hellen Gitterlinien, die nicht gestempelte Bereiche repräsentieren. Die zwischen den Peaks liegenden Minima entsprechen den dunklen Quadraten, von denen in Folge des Kontakts mit dem auf den Stempelfüßchen gebundenen Streptavidins Oligos weggestempelt wurden. FIG. 10A to 10D show the result of evaluation of substrate and stamp by force compared with oligonucleotide or oligonucleotide 2a 2b. These are sections of fluorescence profiles. The course of the profiles is indicated by the arrow in Fig. 9C. The maxima of the graphs correspond to the light grid lines, which represent unstamped areas. The minima between the peaks correspond to the dark squares, from which oligos were stamped away as a result of contact with the streptavidin bound on the stamping feet.
QSt und QUnt ergaben, daß der Duplex zwischen Oligo2a und Oligo3 eine mindestens 50% größere Trennkraft aufweist als der Duplex zwischen Oligo2b und Oligo3. Q St and Q Unt showed that the duplex between Oligo2a and Oligo3 has at least 50% greater separation force than the duplex between Oligo2b and Oligo3.
Claims (90)
Bereitstellen eines ersten Bindungspartners und eines Konjugats aus einem zweiten und einem dritten Bindungspartner und Bereitstellen eines vierten Bindungspartners Bilden einer Verkettung der Bindungspartner, wobei der erste Bindungspartner mit dem zweiten Bindungspartner einen Probenkomplex und der dritte Bindungspartner mit dem vierten Bindungspartner einen Referenzkomplex ausbildet,
Aufbringen einer Kraft an die Verkettung, die zur Trennung des Probenkomplexes oder des Referenzkomplexes führt und
Bestimmen welcher der beiden Bindungskomplexe getrennt wurde.1. A method for characterizing and / or detecting a binding complex, comprising the steps:
Providing a first binding partner and a conjugate of a second and a third binding partner and providing a fourth binding partner forming a linkage of the binding partners, the first binding partner forming a sample complex with the second binding partner and the third binding partner forming a reference complex with the fourth binding partner,
Applying a force to the chain which leads to the separation of the sample complex or the reference complex and
Determine which of the two binding complexes has been separated.
einem ersten Bindungspartner und einem Konjugat aus einem zweiten und einem dritten Bindungspartner und einem vierten Bindungspartner,
einer Einrichtung zum Verketten der Bindungspartner, wobei der erste Bindungspartner mit dem zweiten Bindungspartner einen Probenkomplex und der dritte Bindungspartner mit dem vierten Bindungspartner einen Referenzkomplex ausbildet,
einer Einrichtung zum Aufbringen einer Kraft an die Verkettung, die zur Trennung des Probenkomplexes oder des Referenzkomplexes führt und
einer Einrichtung zum Bestimmen welcher der beiden Bindungskomplexe getrennt wurde.45. Device for characterizing and / or detecting a binding complex, with:
a first binding partner and a conjugate of a second and a third binding partner and a fourth binding partner,
a device for linking the binding partners, the first binding partner forming a sample complex with the second binding partner and the third binding partner forming a reference complex with the fourth binding partner,
a device for applying a force to the chain which leads to the separation of the sample complex or the reference complex and
a device for determining which of the two binding complexes has been separated.
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DE (1) | DE10117866A1 (en) |
Cited By (1)
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WO2005010211A1 (en) * | 2003-07-28 | 2005-02-03 | Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem | Optical detection of analytes by use of semiconductor nanoparticles |
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2001
- 2001-04-10 DE DE10117866A patent/DE10117866A1/en not_active Withdrawn
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