DE102004033411A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Anordnung von Polymeren - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Optimierung von Analysen, insbesondere von Analysen mit hohem Probendurchsatz, für die Bestimmung der supramolekularen Struktur und Dynamik von Assoziationen von linearen Biopolymeren ermöglicht, beispielsweise die Analytik von Protein-Protein-Interaktionen oder von Protein-Nukleinsäure-Interaktionen. Nach der in situ Ausbildung von linearen Biopolymeren auf nano-strukturierten Nanoarrays erfolgt die Identifizierung und Auswahl der geeigneten Biopolymere insbesondere mit optischen und rechnerprogrammgesteuerten Screening-Verfahren.

Description

  • Methodischer Ausgangspunkt ist die Identifizierung von funktionell wichtigen Assoziationen von linearen Biopolymeren (Biomolekulare Maschinen, BMM), deren makromolekulare Untereinheiten und gegenseitige Wechselwirkung aufgrund biochemischer oder molekularbiologischer oder strukturbiologischer Untersuchungen bereits hinreichend gut charakterisiert sind. Als Beispiele seien hier die vielfältigen, hochspezialisierten und funktionell essentiellen, an Membranen (z.B. Zellmembran, Kernhülle, Vesikel) oder fibrilläre Strukturen (z.B. Elemente des Zytoskeletts) gebundenen Proteinkomplexe genannt; ebenso die supramolekularen Strukturen der Proteindegradationsmaschinerie, die in ihrer Komplexität diejenige der Proteinsynthese erreichen; sowie die aus zahlreichen Untereinheiten bestehenden Komplexe der Replikations-, Transkriptions- und Reparatur- Maschinerie des Genoms im Zellkern.
  • Das zu lösende Strukturproblem besteht darin, in den BioMolekularen Maschinen die relative Lage (Topologie) der einzelnen makromolekularen Untereinheiten zueinander (Positionen, Distanzen) quantitativ zu bestimmen; ange strebt wird eine so große Genauigkeit der togologischen Bestimmung, daß ein Vergleich der Ergebnisse mit Methoden des Biocomputing eine verbesserte Voraussage der Gesamtstruktur der Biomolekularen Maschine möglich macht. Das Ziel ist die Bestimmung von Positionen mit einem Fehler im Subnanometerbereich und eine Bestimmung von Distanzen zwischen den Untereinheiten im Nanometerbereich, ebenfalls mit einem Fehler im Subnanometerbereich. Dies ermöglicht es beispielsweise, zwischen pharmazeutisch aktiven und inaktiven Komplexen zu unterscheiden. Dazu sollen zunächst einzelne Untereinheiten (hier insbesondere Proteine) in situ so identifiziert und markiert werden, daß der Ort der Markierung mit atomarer Auflösung bekannt ist. Beim gegenwärtigen Stand der Technik sind eine Reihe verschiedener Verfahren bekannt, die eine Fluoreszenzmarkierung linearer Biopolymere bewirken ( DE 100 52 823 Cremer & Grunze). Der Ort der Markierung selbst ist jedoch oftmals nicht mit der erforderlichen Auflösung gegeben. Dies gilt insbesondere von der Fluoreszenzmarkierung von Proteinen. In dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren wird dieses wesentliche Problem der Optimierung der Anordnung linearer Biopolymere auf Microarrays für lichtnanoskopische Messungen dadurch gelöst, daß einzelne an bekannten Stellen fluoreszenzmarkierte, proteinspezifische Sondenmoleküle (z.B. Aptamere) an gereinigte, für die höchstauflösende Magnetresonanz-Strukturananlyse (HMR) präparierte (Protein)-Untereinheiten in Lösung gebunden und ihre Position in den betreffenden Untereinheiten durch HMR-Verfahren mit atomarer Auflösung bestimmt wird. Aptamere sind einsträngige Oligonukleotidsequenzen, die in spezifischer Weise an spezifische Proteine binden; für die hier beschriebenen Analysen sind sie in ganz besonderer Weise geeignet.
  • Während Aptamere mit spezifischer Bindung an lineare Biopolymere zum Stand der Technik gehören, ist der Einsatz fluoreszenzmarkierter Aptamere in der hier beschriebenen Weise neu.
  • Für jede so fluoreszenzmarkierte Untereinheit der zu analysierenden Biomolekularen Maschine wird dabei eine lichtoptisch unterschiedliche spektrale Signatur (gekennzeichnet z.B. durch Fluoreszenzemissionsspektrum; Fluoreszenzlebensdauer etc.) gewählt. Unter geeigneten Bedingungen ist es möglich, von jedem einzelnen solcher Fluoreszenzmarkermoleküle ca. 10,000 – 50,000 Photonen zu detektieren und von benachbarten Fluoreszenzmarkermolekülen anderer spektraler Signatur getrennt zu registrieren.
  • Die so markierten Untereinheiten werden mit geeigneten Verfahren zu einzelnen supramolekularen Komplexen zusammengefügt. Diese Zusammenfügung, auch Bildung genannt, hat so zu erfolgen, daß die erhaltenen Strukturen möglichst nahe dem unter physiologischen Bedingungen auftretenden Zustand sind. Die Bildung erfolgt auf nanostrukturierten Micoarrays, wobei die Anordnung der linearen Biopolymere auf den Microarrays in der erfindungsgemäßen Weise optimiert erfolgt. Diese Optimierung der Anordnung ist von größter Bedeutung für das erfindungsgemäße Ziel, die BMM unter physiologischen Bedingungen analysieren zu können. Als physiologisch werden hier Bedingungen bezeichnet, die den in lebenden Organismen typischen Verhältnissen in Bezug auf wäßriges Milieu, Innenkonzentrationen, Temperatur, funktionsrelevante Moleküle und Enzyme in Lösung etc. entsprechen. Verfahren dieser Optimierung sind im Detail in der Erfindungsbeschreibung dargestellt.
  • In einer früheren Offenlegung ( DE 100 52 823 , Verfahren zur lichtmikroskopischen Analyse der Topologie molekularer Strukturen in Rasteranordnungen) wird im Einzelnen beschrieben, wie derartige Microarrays strukturiert sein müssen, damit die erfindungsgemäße lichtoptische Analyse durchgeführt werden können. Nicht geoffenbart wurde jedoch, in welcher spezifischen Weise die Anordnung der linearen Biopolymere auf den Rasteranordnungen so optimiert erfolgen kann, daß der Prozeß in der für die Analysen, insbesondere auch für High Through Put Analysen, erforderlichen Weise auch von Seiten der Struktur der linearen Biopolymere optimiert wird. Einer der wesentlichen Aspekte einer Reproduzierbarkeit der Analyse von BMM ist beispielsweise, daß die Faltung der beteiligten Biopolymere und ihre Assoziation zu Komplexen in der Weise erfolgt, daß sie dem nativen Zustand entspricht, also dem unter funktionsrelevanten Bedingungen in lebenden Zellen bestehenden Zustand möglichst nahe kommt. Zahlreiche Ergebnisse nach dem Stand der Technik haben gezeigt, daß ohne eine solche Optimierung der Anordnung die gebundenen linearen Biopolymere ganz oder teilweise denaturiert werden können, d.h. in nicht-funktionelle und variable Faltungsstrukturen übergehen können. Dies aber mindert entscheidend die Aussagekraft jeder Topologieanalyse der gebildeten Komplexe. Die hier beschriebene Erfindung erlaubt es, dieses wesentliche Problem zu lösen und damit ganz entscheidend eine Optimierung der Anordnung zu bewirken.
  • Über den Aspekt der Strukturanalyse hinaus können optimierte Anordnungen linearer Biopolymere auf Microarrays, z.B. im obigen Sinne optimierte BMM-Microarrays, auch für die Synthese von biologischen Makromolekülen eingesetzt werden. Geht man z.B. von einem Array von der Größe 1 cm2 und einem Abstand der BMM-Features von 1 μm aus, so ergeben sich bei voller Belegung 108 BMMs. Unter nativen Bedingungen entspricht dies der Synthesekapazität (je nach angenommener BMM) von tausenden bis vielen Millionen Zellen.
  • Fernfeldlichtmikroskopische Verfahren bieten den großen Vorteil einer berührungsfreien und minimalinvasiven Analyse bei relativ großem Gesichtsfeld. So entfällt das bei Anwendung von Rasterkraftmikroskopie (AFM) Methoden bestehende Problem der Auflagekraft-abhängigen Bildgebung. Ein Vergleich der beiden auf diese Weise gewonnenen Bilder würde die Analyse dynamischer Struktureigenschaften erheblich verbessern. Zum Beispiel kann man bei Anordnung von BMMs in einem Array mit Abständen von 500 nm zwischen den einzelnen BMM-Features in einem einzigen Gesichtsfeld viele tausende von einzelnen BMM analysieren; die. Untersuchungen können unter physiologischen Bedingungen durchgeführt werden können; insbesondere sind Wechselwirkungen zwischen BMM-Strukturen und Pharmaka/Toxinen möglich. Geht man für einen bestimmten Analysepunkt von einem Bedarf von 1000 Array-gebundenen BMMs aus, so ist dies bei einem angenommen Molekulargewicht in der Größenordnung von 1 Megadalton eine Gesamtsubstanzmasse im Bereich von Femtogramm. Die benötigte Menge an BMMs ist damit derartig klein, daß selbst tausende von Untersuchungen nur sehr wenig Material erfordern.
  • Bis vor wenigen Jahren war es allgemeine Meinung, dass solche lichtmikroskopische Ultrastrukturanalysen wegen der auf etwa eine halbe Wellenlänge begrenzten lichtoptischen Auflösung physikalisch nicht möglich seien. Mit neuen, in jüngster Zeit entwickelten Verfahren ist es jedoch möglich geworden, für bestimmte wichtige strukturelevante Parameter diese Grenze zu überwinden. Zum Beispiel ist es nunmehr mit Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer (FRET) möglich, einzelne Distanzen von wenigen Nanometern zwischen zwei Fluorochrom-Positionen in einer Struktur abzuschätzen, oder qualitative Aussagen über die Zusammensetzung von BioMolekularen Maschinen zu erhalten. Quantitative topologische Analysen im o.g. Sinne sind mit solchen Verfahren jedoch kaum durchführbar. Hier kann dies erreicht werden durch eine Kombination von Methoden des Point Spread Function [PSF] Engineering " mit Spectral Precision Distance Microscopy " [SPDM].
  • Die für die optische Auflösung eines Fluoreszenzmikroskopsystems entscheidende Größe ist die Punktabbildungsfunktion oder Point Spread Function [PSF]. Diese kann definiert werden durch die normierte räumliche Verteilung der Fluoreszenzintensität des Beugungsbildes eines punktförmigen Objekts. In jüngster Zeit wurden verschiedene Verfahren entwickelt, die Gestalt der PSF so zu verändern, dass eine gegenüber den konventionellen Lichtmikros kopieverfahren wesentlich erhöhte Auflösung von Strukturparametern der zu analysierenden Objekte möglich wird. Beispielsweise erlauben es neue fernfeldlichtmikroskopische Verfahren des Point-Spread-Function-Engineering mit Stimulation Emission Depletion [STED]-4Pi-Mikroskopie derzeit experimentell, die optische Auflösung (gemäß ihrer üblichen Definition als kleinste meßbare Distanz zwischen zwei punktförmigen fluoreszenzmarkierten Objekten derselben spektralen Signatur) in einer bestimmten Raumrichtung (derjenigen der optischen Achse des Systems) auf etwa 30 Nanometer (d.h. um etwa ein Zehnfaches des konventionellen Wertes, entsprechend etwa 1/20 der Anregungswellenlänge) zu verbessern. Andere Verfahren des PSF-Engineering haben es ebenfalls möglich gemacht, durch geeignete Strukturierte Beleuchtung die optische Auflösung wesentlich zu verbessern (auf etwa 50 – 100 nm, entsprechend 1/5 bis 1/10 der Anregungswellenlänge). Mithilfe eines speziellen Verfahrens der strukturierten Beleuchtung, der Spatially Modulated Illumination [SMI] Mikroskopie gelang es, bei einzelnen optisch isolierten fluoreszierenden Objekten eine Größenauflösung (Durchmesser) von etwa 25 nm zu erzielen, entsprechend etwa 1/20 der Anregungswellenlänge; sowie eine Distanzauflösung (in Richtung der Optischen Achse des Systems) von wenigen Nanometer und einer Präzision von 1.0 nm, entsprechend ca. 1/500 der Anregungswellenlänge).
  • Die oben skizzierten fernfeldlichtoptischen PSF-Engineering Verfahren haben bei fluoreszenzmarkierten Objekten optische Auflösungen und Größenauflösungen realisiert, die weit jenseits dessen liegen, was vor kurzem noch licht-physikalisch möglich schien. Sie sind bereits ausreichend, um Kolokalisationsvolumina von BMM wesentlich besser zu bestimmen, als dies mit konventionellen lichtoptischen Verfahren wie z.B. konfokaler Laserfluoreszenzmikroskopie oder Epifluoreszenzmikroskopie möglich war. Unter Kolokalisationsvolumen wird hier ein sphärisches oder ellipsoidförmiges Volumen verstanden, das alle linearen Biopolymere eines Komplexes oder einer BMM enthält. Beträgt beispielsweise das aufgrund von kristallographischen Untersuchungen gewonnene wahre (sphärische) Kolokalisationsvolumen 2 × 10–22 m3 (angenommener Durchmesser 50 nm), so wird mit konventioneller Fluoreszenzmikroskopie statt dessen aufgrund der begrenzten lichtoptischen Auflösung ein scheinbares (ellipsoidförmiges) Kolokalisationsvolumen im Bereich von 10–20 m3 bestimmt. Mithilfe der genannten PSF-Engineering Verfahren kann das korrekte Kolokalisationsvolumen bestimmt werden. Da die hier zu analysierenden Strukturen von Biomolekularen Maschinen jedoch typischerweise eine Größe im Bereich von wenigen zehn Nanometer bis wenige hundert Nanometer haben, sind selbst derartige Auflösungen für die hier angestrebte topologische Analyse noch nicht ausreichend. Das gleiche gilt von den Verfahren der Near Field Optical Scanning Microscopy, die gegenwärtig eine optimale optische (laterale) Auflösung im Bereich von ca. 15 nm erreicht.
  • In Ergänzung der o.g. Verfahren wurden in jüngster Zeit Methoden der digitalen Fluoreszenzmikroskopie entwickelt (Spektrale Präzisionsdistanzmikroskopie, SPDM), die in Verbindung mit neuen Verfahren der spektral unterschiedlichen Fluoreszenzmarkierung individueller biologischer Makromoleküle erstmals die Ermittlung von relativen räumlichen Positionen in situ weit jenseits der jeweiligen optischen Auflösung des verwendeten Mikroskopiesystems erlauben.
  • Physikalisch beruht dieses Verfahren auf der in der Astronomie seit langem bekannten und angewandten Positionsanalyse spektral diskriminierter punktförmiger Einzelobjekte. Bei der Untersuchung von fluoreszenzmarkierten Genom-Nanostrukturen in situ wurde so unter Verwendung der konfokalen Laser-Rastermikroskopie eine experimentelle 3D-Distanzauflösung von ca. 50 Nanometer bestimmt: d.h. in einzelnen, dreidimensional konservierten Zellkernen konnten noch individuelle 3D-Distanzen von 50 Nanometern zwischen Objekten verschiedener spektraler Signatur detektiert werden (i.e. ca. zehnmal kleiner als die axiale optische Auflösung).
  • Bei hoher Photonenzahl wurden experimentell konfokale Positionierungsgenauigkeiten um 0,2 Nanometer erreicht. Sofern die Fehler der chromatischen Aberration eliminiert werden können, entspricht dieser Wert in etwa auch der erreichbaren Präzision von Distanzmessungen. Unterscheiden sich die verwendeten Fluorochrome in ihren Anregungs/Emissionswellenlängen, so können die Fehler der Kalibrierung der chromatischen Aberration den Positionierungsfehler jedoch wesentlich übersteigen. Eine Lösung dieses Problems bei der Analyse der Topologie molekularer Strukturen in Rasteranordnungen wurde in DE 100 52 823 (C. Crerner & M. Grunze, Prodatum 24.10.2000, Universität Heidelberg) beschrieben.
  • Durch Realisierung spektraler Signaturunterschiede durch verschiedene Fluoreszenzlebensdauern (aber bei derselben Anregungs- und Emissionswellenlänge) kann die chromatische Aberration eliminiert werden: Vor kurzem wurden so Messungen bei Fluoreszenzlebensdauermarkierung von DNA-Sequenzen mit nur etwa 35 Fluorochrommolekülen unter Verwendung konfokaler Mikroskopie und spezieller Bildanalysealgorithmen durchgeführt; dabei wurde eine laterale Positionierungsgenauigkeit von ca. 0,2 Nanometer erhalten, entsprechend einem tausendstel der optischen Auflösung des Systems. Für die Limitierung der Positionierungsgenauigkeit durch das Photonenrauschen bei einem einzelnen Fluorochrommolekül konnte hieraus unter den genannten Bedingungen ein Wert von 1.2 Nanometer abgeschätzt werden. Experimentell wurden kürzlich bei einzelnen fluoreszenzmarkierten Oligonukleotiden und fernfeldlichtmikroskopischer konfokaler SPDM (laterale) Distanzauflösungen im Bereich von 15 nm realisiert.
  • Die in oben beschriebenen lichtnanoskopischen Verfahren des PSF-Engineering und der Spektralen Präzisionsdistanzmikroskopie werden kombiniert und bei der Analyse der Topologie von fluoreszenzmarkierten Untereinheiten (hier insbesondere Aptamermarkierte Proteine) in rekonstituierten Biomolekularen Maschinen auf nanostrukturierten Arrays eingesetzt.
  • Bei Verwendung der oben genannten SPDM-Verfahren in Verbindung mit einem Point Spread Function Engineering verbesserten Mikroskopsystem [PSF-SPDM] von z.B. 100 Nanometer optischer Auflösung oder 20 nm Größen-Auflösung ergibt sich als Limitierung der Positionierungsgenauigkeit eines einzelnen Fluorochrommoleküls unter Zugrundlegung derzeit realisierbarer Photonendetektionsraten ein Wert im Subnanometerbereich; bei geeigneter Verbesserung der Kalibrierungsverfahren, auch unter Verwendung von nanolithographisch hergestellten Standards, und optimalen optischen Bedingungen sind Distanzmessungen im Bereich von wenigen Nanometer mit der geforderten Präzision physikalisch-technisch möglich.
  • Mithilfe der o.g. SPDM-Techniken können auch Kolokalisationsmessungen wesentlich verbessert werden. Bei Verwendung eines PSF-SPDM-Verfahrens mit einer Distanz- oder Größenauflösung im Bereich von wenigen zehn Nanometer kann bei Kolokalisation eine Zugehörigkeit von markierten Untereinheiten zu derselben Suprastruktur mit hoher Sicherheit angenommen werden.
  • Die beschriebenen neuen Lichtmikroskopieverfahren eröffnen, insbesondere in ihrer gegenseitigen Verbindung [PSF-SPDM], erstmals methodische Wege, um bei der fernfeldlichtoptischen Analyse von SMMs die zwischen den Fluoreszenzenergietransfermessungen (Distanzmessungen von wenigen Nanometer) und den konventionellen fernfeldmikroskopischen Verfahren (Epifluoreszenzmikroskopie; konfokale Laser Scanning Mikroskopie; optimale optische 3D-Auflösung einige hundert Nanometer) bestehende Lücke zu schließen. Es sei darauf hingewiesen, dass die o.g. SPDM Verfahren auch bei Nahfeldlichtmikroskopiemethoden angewandt werden können. Des weiteren ist es seit kurzem möglich, Nahfeldlichtmikroskopie, Atomare Kraftmikroskopie und Fernfeldlichtmikroskopie in demselben Aufbau miteinander zu kombinieren (A. Lewis, Nanonics/Jerusalem). Dabei kann die Nahfeldlichtmikroskopie dazu eingesetzt werden, als optische Pinzette die bei Lebendbeobachtungen typischerweise auftretenden erheblichen thermisch bedingten Bewegungen von intrazellulären BioMolekularen Maschinen zu eliminieren und so die höchstauflösende topologische Lichtnanoskopie ganz wesentlich zu vereinfachen. Durch solche multifunktionalen Abbildungsverfahren ergeben sich daher erhebliche weitere Verbesserungsmöglichkeiten der togologischen Analyse.
  • Mathematische Modellierungsmethoden von linearen Biopolymeren, unterstützt durch computergrafische Visualisierung, haben inzwischen einen hohen Grad an berechenbarer Komplexität erreicht. Diesen Simulationen liegen biochemische oder physikalische Gesetzmäßigkeiten zu Grunde. Die Modellierung von Dynamik, Funktion und Biomechanik in molekularbiologischen Anwendungen umfaßt bisher u.a.: Protein-Membran-Komplexe, die Regulation und Packung von Proteinen, DNA-Bindungsdomänen, sowie verschiedene Strukturproteine. Durch die mathematische Komplexität ist jedoch eine Beschränkung auf das Verhalten innerhalb enger Grenzen der strukturellen Hierarchie notwendig.
  • Verfahren des Biocomputing haben es in den letzten Jahren möglich gemacht, auf der Grundlage von atomaren Strukturdaten von einzelnen isolierten linearen Biopolymeren (Untereinheiten ) auch sterisch mögliche Strukturen von Komplexen aus solchen Untereinheiten mit hoher effektiver räumlicher Auflösung zu berechnen. Es ergeben sich jedoch oftmals mehrere solcher Strukturmöglichkeiten, so dass die Lösungen nicht eindeutig sind.
  • Einfache geometrische Betrachtungen (Puzzle-Theorem) zeigen, dass Messungen von wenigen Positionen/Distanzen zwischen identifizierten, im atomarem Detail bekannten Partnern des Makromolekülkomplexes die Anzahl der mit hoher (in günstigen Fällen sogar atomarer) Auflösung berechneten möglichen 3D-Strukturen eines von diesen Partnern gebildeten Komplexes ganz erheblich einschränken können.
  • In günstigen Fällen ist es somit möglich, durch solche gröberen Positions/Distanzmessungen (z.B. mit einem Fehler im Bereich von 0.5 – 1.0 nm) ein bestimmtes hochaufgelöstes Modell einer gesamten supramolekularen Biostruktur als das einzige mit allen experimentellen Strukturdaten Kompatible zu identifizieren. Nach denselben Prinzipien ist es möglich, bei Vorliegen von multiplen Positions/Distanzmessungen als Funktion der Zeit (4D-Topohogie) detaillierte, experimentell testbare Strukturberechnungen von Komplexen zu den gemessenen Zeitpunkten durchzuführen. Über die Bestimmung der Topologie der fluoreszenzmarkierten Untereinheiten mithilfe der oben skizzierten PSF-SPDM -Methoden hinaus ist es von größter Bedeutung, die Lage der Fluoreszenzmarkierungsorte in den Untereinheiten (z.B. der fluoreszenzmarkierten Aptamere) so genau als möglich zu können. HMR-Messungen an solchen Untereinheiten bei atomerer Auflösung sind daher essentiell, um die mithilfe von SPDM-PSF-Methoden realisierbaren topologischen Karten der Lage und der gegenseitigen Abstände von Untereinheiten in Biomolekularen Maschinen soweit zu verfeinern, daß Voraussagen der atomaren Struktur großer Gesamtkomplexe möglich werden.
  • Die Biocomputing Methoden gehen dabei von der mithilfe von Magnetresonanzverfahren oder anderen Verfahren ermittelten Struktur der einzelnen linearen Bio-Polymere als Partner im Komplex aus; unter geeigneten Voraussetzungen entspricht diese dem Stand der Technik zufolge weitgehend der nativen Struktur unter physiologischen Bedingungen. Damit ist es eine wesentliche Voraussetzung der Anwendung der genannten Biocomputing Methoden, daß die Faltungsstruktur auch auf den Microarrays diesen nativen Strukturen weitgehend entspricht. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß eine physiologische Umgebung hierzu nicht ausreichend ist, wenn nicht auch die Anordnung der linearen Bio-Polymere auf den Microarrays ebenfalls so optimiert ist, daß die native Faltungsstruktur erhalten bleibt.
  • Erfindungsgemäß optimierte Anordnungen linearer Bio-Polymere auf Microarrays bieten vielfache Möglichkeiten des lichtnanoskopischen High Through Put Screening von BMM-Pharma/Toxin-Wechselwirkungen, allgemein von linearen Biopolymeren oder Komplexen. Zum Beispiel kann das Kolokalisationsvolumen und die BMM-Topologie als Konsequenz einer bestimmten Testsubstanz untersucht werden. Ist die Substanz selbst markiert und ihre atomare Struktur bekannt, so kann auch der Ort der Bindung in der BMM mit einem Fehler im 1 nm Bereich (unter besonders günstigen Umständen auch darunter) bestimmt werden. Da die Analyse auf der Ebene der einzelnen BMMs erfolgt, werden im Unterschied zu biochemischen Verfahren nur kleinste Substanzmengen im Milli-Attomol-Bereich (10–21 Mol) benötigt. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht in der Erfassung von Heterogenitäten in der BMM-Pharmawechselwirkung auf der Ebene einzelner BMMs. Bei addressierbaren BMM-Arrays können einzelne BMMs aufgrund der lichtoptischen Nanoskopiebefunde ausgewählt und z.B. mit Rasterkraftmikroskopie oder lichtoptischer Nahfeldmikroskopie nachuntersucht werden.
  • Nimmt man beispielsweise eine zu untersuchende Anzahl von 1000 BMMs pro Testsubstanz an, bei einem Abstand von 1 μm im BMM-Array, so sind auf 1 cm2 Array-Oberfläche etwa 105 verschiedene Testsubstanzen lokal testbar. Da 1000 BMMs unter den gemachten Annahmen eine Fläche von rund (32 μm)2 einnehmen, kann die lokale Zuführung durch geeignete Mikrostrukturierung nach dem Stand der Technik erfolgen.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Anordnung von Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anbindung der Polymere an periodische, rasterartige Strukturen (Arrays) über Bindungsstellen mit einer drei-dimensionalen Struktur erfolgt.
  2. Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindungsstellen eine dreidimensionale Struktur mit Vertiefungen aufweisen.
  3. Verfahren nach Anpruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindungsstellen trogartig mit einer Länge x, einer Breite y und einer Höhe h ausgebildet sind.
  4. Verfahren nach Anpruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich in jedem Trog mindestens ein molekulares Sondenelement für mindestens ein polymer befindet.
  5. Verfahren nach Anpruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konfiguration, die Ausbildung und die geometrische Auslegung der Arraystruktur, der Bindungsstellen und der Sondenanordnungen mittels lichtoptische Methoden vermessen und getestet werden.
  6. Verfahren nach Anpruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß fernfeldmikroskopische, präzisionsdistanzmikroskopische oder höchstauflösende fluoreszenzoptische Mikroskopieverfahren eingesetzt werden.
  7. Verfahren nach Anpruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Optimierung der Konfiguration, der Ausbildung und der geometrische Auslegung der Arraystruktur, der Bindungsstellen und der Sondenanordnungen sowie für die Optimierung der Bindungseigenschaften der Polymere die lichtoptisch bestimmten Daten für Simulationsberechnungen verwendet werden.
  8. Verfahren nach Anpruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die molekularen Strukturen Größenabmessungen zwischen 5 und 250 Nanometer aufweisen.
  9. Verfahren nach Anpruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die molekularen Strukturen biologische Makromoleküle wie Proteine, insbesondere Multienzymkomplexe, biologische oder synthetische Membranen, Oligonucleotide, DNS, RNS, mRNS, Genomstrukturen oder andere molkulare Bestnadteile von Zellen oder technischen Mikrostrukturen sind.
  10. Verfahren nach Anpruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Array ein lithographisch reaktiver Träger mit einer reaktiven Oberfläche verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anpruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger bzw. Array durch nanolithographische Verfahren Muster mit reaktiven Features erzeugt werden, deren Ausdehnung unter der durch die verwendeten lichtoptischen Systeme erreichbaren Auflösungsgrenze liegt.
  12. Verfahren nach Anpruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch lithographische Verfahren eine oder mehrere Kalibrierungssubstanzen mit einer oder mehreren spektralen Signaturen auf die reaktiven Features gebunden werden.
  13. Verfahren nach Anpruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere zu messende molekulare Strukturen an die reaktiven Features gebunden werden.
  14. Verfahren nach Anpruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden molekularen Strukturen an bestimmte chemisch oder biochemisch oder molekularbiologisch identifizierte Stellen mit mindestens zwei spektralen Signaturen markiert werden, die bevorzugt mit denen zur Markierung der Kalibriersubsubstanz verwendeten identisch sind.
  15. Verfahren nach Anpruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände und realiven Lagebeziehungen der durch die spektralen Signaturen identifizierten Positionen auf der oder den Kalibriersubstanzen bzw. In den Meßobjekten nach dem Verfahren der Präzisionsdistanzmikroskopie (SPDM) bestimmt werden, wobei die Kalibrierung der Distanzbestimmung mit Hilfe der spektral markierten Kalibriersubstanzen erfolgt.
  16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15.
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