DE102004038359A1 - Paralleles Hochdurchsatz-Einzelmolekül-Sequenzierungsverfahren - Google Patents

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DE102004038359A1
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    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
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    • C12Q1/6869Methods for sequencing

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine parallele Hochdurchsatz-Sequenzierung von Nukleinsäuremolekülen, insbesondere im Einzelmolekül-Format.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine parallele Hochdurchsatz-Sequenzierung von Nukleinsäuremolekülen, insbesondere im Einzelmolekül-Format.
  • Die Sequenzierung des aus ca. 3 × 109 Basen bestehenden humanen Genoms oder des Genoms anderer Organismen sowie die Bestimmung und der Vergleich individueller Sequenzvarianten erfordert die Bereitstellung von Sequenziermethoden, die einerseits schnell sind und andererseits routinemäßig und mit geringen Kosten eingesetzt werden können. Obwohl große Anstrengungen unternommen worden sind, um gängige Sequenziermethoden, z.B. die enzymatische Kettenabbruchmethode nach Sanger et al. (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74 (1977) 5463), zu beschleunigen, insbesondere durch Automatisierung (Adams et al., Automated DNA Sequencing and Analysis (1994), New York, Academic Press), können derzeit maximal nur 2.000 Basen pro Tag mit einem Sequenziergerät bestimmt werden.
  • Während der letzten Jahre sind neue Ansätze zur Überwindung der Beschränkungen konventioneller Sequenzierverfahren entwickelt worden, u.a. die Sequenzierung durch Rastertunnelmikroskopie (Lindsay und Phillip, Gen. Anal. Tech. Appl. 8 (1991), 8-13), durch hochparallelisierte Kapillarelektrophorese (Huang et al., Anal. Chem. 64 (1992), 2149-2154; Kambara und Takahashi, Nature 361 (1993), 565-566), durch Oligonukleotidhybridisierung (Drmanac et al., Genomics 4 (1989), 114-128; Khrapko et al., FEBS Let. 256 (1989), 118-122; Maskos und Southern, Nucleic Acids Res. 20 (1992), 1675-1678 und 1679-1684) sowie durch Matrix-unterstützte Laser-Desorptions/Ionisierungs-Massenspektroskopie (Hillenkamp et al., Anal. Chem. 63 (1991), 1193A-1203A).
  • Ein weiterer Ansatz ist die Einzelmolekülsequenzierung (Dörre et al., Bioimaging 5 (1997), 139-152), bei der die Sequenz von Nukleinsäuren durch fortschreitenden enzymatischen Abbau von fluoreszenzmarkierten einzelsträngigen DNA-Molekülen und Nachweis der sequenziell freigesetzten Monomermoleküle in einem Mikrostrukturkanal erfolgt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass nur ein einziges Molekül der Zielnukleinsäure für die Durchführung einer Sequenzbestimmung ausreicht.
  • Obwohl durch Anwendung der oben genannten Methoden bereits erhebliche Fortschritte erzielt wurden, besteht ein großer Bedarf nach weiteren Verbesserungen. Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand somit darin, ein Verfahren zur Sequenzierung von Nukleinsäuren bereitzustellen, das eine weitere Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt und das eine parallele Bestimmung einzelner Nukleinsäuremoleküle in einem Multiplexformat ermöglicht.
  • In PCT/EP01/07462 wird ein Multiplex-Sequenzierungsverfahren vorgeschlagen, wobei Nukleinsäuremoleküle, die mehrere Fluoreszenzmarkierungsgruppen tragen, in immobilisierter Form auf einem Träger bereitgestellt werden, und die Basenfolge mehrere Nukelinsäuremoleküle gleichzeitig aufgrund der bei Abspaltung von Nukleotidbausteinen hervorgerufenen zeitabhängigen Änderung der Fluoreszenz der Nukleinsäuremoleküle oder/und der abgespaltenen Nukleotidbausteine bestimmt wird. Gemäß WO 2003/052137 erfolgt die Sequenzbestimmung durch Einstrahlen von Licht in den Träger und Erzeugen eines evaneszenten Anregungsfeldes durch interne Reflexion an der Trägeroberfläche im Bereich der immobilisierten Nukleinsäuremoleküle.
  • Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Verfahren zur Sequenzierung von Nukleinsäuren, umfassend die Schritte:
    • (a) Bereitstellen eines Trägers mit einer Vielzahl von darauf immobilisierten, Nukleinsäure-abbauenden Enzymmolekülen,
    • (b) Inkontaktbringen des Trägers mit freien Nukleinsäuremolekülen, die mehrere Fluoreszenzmarkierungsgruppen tragen,
    • (c) fortschreitendes Abspalten einzelner Nukleotidbausteine von den freien Nukleinsäuremolekülen durch die immobilisierten Enzymmoleküle, und
    • (d) gleichzeitiges Bestimmen der Basenfolge mehrerer Nukleinsäuremoleküle aufgrund der bei Abspaltung von Nukleotidbausteinen hervorgerufenen zeitabhängigen Änderung der Fluoreszenz der Nukleinsäuremoleküle oder/und der abgespaltenen Nukleotidbausteine.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine trägergestützte Multiplex-Sequenziermethode, bei der eine Vielzahl von freien Nukleinsäuremolekülen parallel untersucht werden kann. Dies wird durch Bereitstellung eines Trägers mit mehreren darauf immobilisierten Nukleinsäure-abbauenden Enzymmolekülen und parallele Fluoreszenzbestimmung mehrerer Abbaureaktionen erreicht. Das Verfahren wird vorzugsweise als parallele Hochdurchsatz-Einzelmolekülanalyse durchgeführt.
  • Der für das Verfahren verwendete Träger kann ein beliebiger planarer oder strukturierter Träger sein, der zur Immobilisierung von Enzymmolekülen geeignet ist. Beispiele für geeignete Trägermaterialien sind Glas, Quarz, Kunststoff, Metalle, Halbmetalle, wie etwa Silicium, Metalloxide, wie etwa Siliciumdioxide, oder diese Materialien enthaltende Verbundstoffe. Der Träger kann zumindest im Bereich der immobilisierten Enzymmoleküle eine ausreichende optische Transparenz und geeignete Oberflächenbeschaffenheit für die Einstrahlung von Fluoreszenzanregungslicht oder/und die Rückstrahlung von Fluoreszenzemissionslicht durch den Träger hindurch oder für einen Evaneszenz-basierenden Nachweis von Fluoreszenz aufweisen. Auch die Gestaltung des Trägers kann grundsätzlich beliebig sein, sofern ein Reaktionsraum gebildet werden kann, welcher das fortschreitende Abspalten einzelner Nukleotidbausteine von den in Kontakt mit dem Träger gebrachten Nukleinsäuren in einem flüssigen Reaktionsgemisch ermöglicht.
  • Die Bindung der Enzymmoleküle an den Träger kann durch kovalente oder nicht kovalente Wechselwirkungen erfolgen. Beispielsweise kann die Bindung der Polypeptide an den Träger durch hochaffine Wechselwirkungen zwischen den Partnern eines spezifischen Bindepaares, z.B. Biotin/Streptavidin oder Avidin, Hapten/Anti-Hapten-Antikörper, Zucker/Lectin etc., vermittelt werden. So können biotinylierte Enzymmoleküle an Streptavidin-beschichtete Träger gekoppelt werden. Alternativ können die Enzymmoleküle auch adsorptiv an den Träger gebunden werden. So kann eine Bindung von durch Einbau von Alkanthiolgruppen modifizierten Enzymmolekülen an metallische Träger, z.B. Goldträger, erfolgen. Noch eine weitere Alternative ist die kovalente Immobilisierung, wobei die Bindung der Enzymmoleküle über reaktive Silangruppen auf einer Silika-Oberfläche vermittelt werden kann.
  • An einen Träger werden mehrere Enzymmoleküle gebunden. Die auf dem Träger immobilisierten Enzymmoleküle und die damit in Kontakt befindliche Probenflüssigkeit, die die abzubauenden Nukleinsäuremoleküle enthält, definieren einen oder mehrere Reaktionsräume. Vorzugsweise werden mindestens 100, besonders bevorzugt mindestens 1.000 und besonders bevorzugt mindestens 10.000 und bis zu mehr als 106 Enzymmoleküle an den Träger gebunden. Die Bindung der Enzymmoleküle an den Träger erfolgt vorzugsweise so, dass eine verdünnte Enzymschicht auf dem Träger entsteht, vorzugsweise mit einer Anzahl von 0,01 bis 2, vorzugsweise 0,1 bis 1 Enzymmolekülen/μm2 Trägeroberfläche. Das Aufbringen der Enzymmoleküle kann statistisch erfolgen, z.B. durch Inkontaktbringen einer verdünnten Lösung biotinylierter Enzymmoleküle mit einem flächig Streptavidin-beschichteten Träger. Andererseits können die Enzymmoleküle auch an spezifische Bereiche der Trägeroberfläche gebunden werden bzw. durch Inkontaktbringen einer verdünnten Lösung von biotinylierten Enzymmolekülen mit einem strukturierten Träger, der nur in bestimmten Bereichen eine Streptavidinbeschichtung aufweist. Die zu sequenzierenden Nukleinsäuremoleküle können in einzelsträngiger oder in doppelsträngiger Form vorliegen. Sie haben eine Länge von vorzugsweise 50 bis 2.000 Nukleotide, besonders bevorzugt 200 bis 1.000 Nukleotide. Die zu sequenzierenden Nukleinsäuremoleküle, z.B. DNA-Moleküle oder RNA-Moleküle, enthalten mehrere Fluoreszenzmarkierungsgruppen, wobei vorzugsweise mindestens 50 %, besonders bevorzugt mindestens 70 % und am meisten bevorzugt im wesentlichen alle, z.B. mindestens 90 %, der Nukleotidbausteine von einem oder mehreren, z.B. zwei, drei oder vier Basentypen eine Fluoreszenzmarkierungsgruppe tragen, wobei jeder Basentyp günstigerweise eine unterschiedliche Fluoreszenzmarkierungsgruppe trägt. Eine vollständige Markierung aller Nukleotidbausteine eines Basentyps ist nicht erforderlich, da eventuelle Lücken bei der Sequenzbestimmung an einen Nukleinsäuremolekül durch parallele Mehrfachbestimmungen ergänzt werden können.
  • Derart markierte Nukleinsäuren können durch enzymatische Primerextension an einer Nukleinsäurematrize unter Verwendung einer geeigneten Polymerase, z.B. einer DNA-Polymerase, wie etwa Taq-Polymerase, einer thermostabilen DNA-Polymerase von Thermococcus gorgonarius oder anderen thermostabilen Organismen (Hopfner et al., PNAS USA 96 (1999), 3600-3605) oder einer mutierten Taq-Polymerase (Pate) und Loeb, PNAS USA 97 (2000), 5095-5100) unter Verwendung fluoreszenzmarkierter Nukleotidbausteine erzeugt werden. Bevorzugt sind Polymerasen ohne Exonuklease-Aktivität, wie etwa Vent exo- oder Tgo exo. Besonders bevorzugte Methoden zum Einbau von Fluoreszenzmarkierungsgruppen sind bei Tasara et al. (Nucleic Acids Res. 31 (2003), 2636-2646) oder Giller et al. (Nucleic Acids Res. 31 (2003), 2630-2635) beschrieben.
  • Die markierten Nukleinsäuremoleküle können auch durch Amplifikationsreaktionen, z.B. PCR, hergestellt werden. So entstehen bei einer asymmetrischen PCR Amplifikationsprodukte, bei denen nur einziger Strang Fluroeszenzmarkierungen enthält. Derartige asymmetrische Amplifikationsprodukte können in doppelsträngiger Form sequenziert werden. Durch symmetrische PCR werden Nukleinsäurefragmente hergestellt, bei denen beide Stränge fluoreszenzmarkiert sind. Diese beiden fluoreszenzmarkierten Stränge können separiert und getrennt in einzelsträngiger Form mit den immobilisierten Enzymmolekülen in Kontakt gebracht werden, so dass die Sequenz eines oder beider Komplementärstränge separat bestimmt werden kann. Alternativ kann einer der beiden Stränge am 3'-Ende derart modifiziert werden, z.B. durch Einbau einer PNA-Klammer, dass eine Abspaltung von Monomerbausteinen nicht mehr möglich ist. In diesem Fall ist eine Doppelstrangsequenzierung möglich.
  • Vorzugsweise tragen im Wesentlichen alle Nukleotidbausteine von mindestens zwei Basentypen, beispielsweise zwei, drei oder vier Basentypen, eine Fluoreszenzmarkierung, wobei jeder Basentyp günstigerweise eine unterschiedliche Fluoreszenzmarkierungsgruppe trägt. Wenn die Nukleinsäuremoleküle nicht vollständig markiert sind, so kann durch parallele Sequenzierung von mehreren Molekülen dennoch die Sequenz vollständig bestimmt werden.
  • Die Nukleinsäurematrize, deren Sequenz bestimmt werden soll, kann beispielsweise aus DNA-Matrizen, wie genomischen DNA-Fragmenten, cDNA-Molekülen, Plasmiden etc., aber auch aus RNA-Matrizen, wie mRNA-Molekülen, ausgewählt werden.
  • Die Fluoreszenzmarkierungsgruppen können aus bekannten, zur Markierung von Biopolymeren, z.B. Nukleinsäuren, verwendeten Fluoreszenzmarkierungsgruppen, wie etwa Fluoresceinen, Rhodaminen, Oxazinen, z.B. Evoblue oder Gnothis Blue, Phycoerythrin, Cy3, Cy5, IR-Farbstoffen oder Derivaten davon etc., ausgewählt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass in Nukleinsäurestränge eingebaute Fluoreszenzmarkierungsgruppen Wechselwirkungen mit benachbarten Gruppen, beispielsweise mit chemischen Gruppen der Nukleinsäuren, insbesondere Nukleobasen, wie etwa G, oder/und benachbarten Fluoreszenzmarkierungsgruppen eingehen, die zu einer Änderung der Fluoreszenz, insbesondere der Fluoreszenzintensität gegenüber den Fluoreszenzmarkierungsgruppen in "isolierter" Form aufgrund von Quench- oder/und Energietransfer-Vorgängen, führen. Durch das Abspalten einzelner Nukleotidbausteine verändert sich die Gesamtfluoreszenz, z.B. die Fluoreszenzintensität eines immobilisierten Nukleinsäurestranges abhängig von der Abspaltung einzelner Nukleotidbausteine, d.h. abhängig von der Zeit. Diese zeitliche Änderung der Fluoreszenz kann parallel für eine Vielzahl von Nukleinsäuremolekülen erfasst und mit der Basenfolge der einzelnen Nukleinsäurestränge korreliert werden. Vorzugsweise werden solche Fluoreszenzmarkierungsgruppen verwendet, die, wenn sie in den Nukleinsäurestrang eingebaut sind, zumindest teilweise gequencht sind, so dass nach Abspaltung des die Markierungsgruppe enthaltenden Nukleotidbausteins oder eines benachbarten Bausteins, der ein Quenchen verursacht, die Fluoreszenzintensität erhöht wird.
  • Die Sequenzierungsreaktion des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das fortschreitende Abspalten einzelner Nukleotidbausteine von den zu sequenzierenden Nukleinsäuremolekülen durch immobilisierte Nukleinsäure-abbauende Enzymmoleküle. Vorzugsweise werden als Enzymmoleküle Exonukleasen verwendet, wobei Einzelstrang- bzw. Doppelstrang-Exonukleasen, die in 5'→3'-Richtung oder 3'→5'-Richtung abbauen, eingesetzt werden können. Besonders bevorzugt werden als Exonukleasen T7 DNA-Polymerase, E.coli Exonuklease I oder E.coli Exonuklease III verwendet.
  • Während der fortschreitenden Abspaltung einzelner Nukleotidbausteine kann eine Änderung der Fluoreszenzintensität des Nukleinsäurestrangs oder/und des abgespaltenen Nukleotidbausteins aufgrund von Quench- oder Energietransfervorgängen gemessen werden. Diese zeitliche Änderung der Fluoreszenzintensität ist von der Basenfolge des untersuchten Nukleinsäurestrangs abhängig und kann daher mit der Sequenz korreliert werden. Zur vollständigen Sequenzbestimmung eines Nukleinsäurestrangs werden üblicherweise mehrere – an unterschiedlichen Basen, z.B. A, G, C und T bzw. Kombinationen von zwei verschiedenen Basen – markierte Nukleinsäurestränge vorzugsweise durch enzymatische Primerextension, wie zuvor beschrieben, erzeugt und sequenziert. Gegebenenfalls kann an den zu untersuchenden Nukleinsäurestrang noch ein "Sequenzidentifikator", d.h. eine markierte Nukleinsäure bekannter Sequenz, angefügt werden, z.B. durch enzymatische Reaktion mit Ligase oder/und Terminaler Transferase, so dass zu Beginn der Sequenzierung zunächst ein bekanntes Fluoreszenzmuster und anschließend erst das der unbekannten, zu untersuchenden Sequenz entsprechende Fluoreszenzmuster erhalten wird.
  • Um die Entfernung abgespaltener Nukleotidbausteine von den Nukleotidsträngen zu beschleunigen, wird im Reaktionsraum vorzugsweise ein Konvektionsfluss vom Träger weg erzeugt. Die Flussgeschwindigkeit kann dabei im Bereich von 1 bis 10 mm/s liegen.
  • Die Detektion umfasst ein Einstrahlen von Licht in den Träger, vorzugsweise mittels eines Lasers, um eine Anregung der Fluoreszenzmarkierungsgruppen zu bewirken. Dabei können ein oder mehrere Laserstrahlen, z.B. ein aufgeweiteter Laserstrahl, mit einem Querschnitt von ca. 1-20 mm oder/und multiple Laserstrahlen verwendet werden. Die Detektion umfasst vorzugsweise eine Mehrpunkt-Fluoreszenzanregung durch Laser, z.B. eine Punktmatrix von Laserpunkten erzeugt durch eine Diffraktionsoptik oder einen Quanten-Well-Laser.
  • Alternativ kann auch eine Detektion der Fluoreszenz durch Einstrahlen von Licht in den Träger und Erzeugen eines evaneszenten Anregungsfeldes durch interne Reflexion an der Trägeroberfläche im Bereich der immobilisierten Enzymmoleküle erfolgen. Durch interne Reflexion an einer oder mehreren Positionen der Trägeroberfläche im Bereich von immobilisierten Nukleinsäuremolekülen wird ein evaneszentes Anregungsfeld erzeugt, das eine Anregung der Fluoreszenzmarkierungsgruppen der zu sequenzierenden Nukleinsäuremoleküle bewirkt. Vorzugsweise ist die Reflexion an der Trägeroberfläche eine totale interne Reflexion.
  • Die Fluoreszenzemission mehrerer Nukleinsäurestränge kann parallel unter Verwendung einer Detektormatrix nachgewiesen werden, die beispielsweise eine elektronische Detektormatrix, z.B. eine CCD-Kamera, eine CMOS-Detektormatrix, z.B. eine CMOS-Kamera oder eine Avalanche-Fotodiodenmatrix, umfasst. Die Detektion kann derart erfolgen, dass Fluoreszenzanregung und Detektion an allen untersuchten Nukleinsäuresträngen parallel erfolgt. Alternativ dazu kann in mehreren Schritten jeweils ein Teil der Nukleinsäurestränge untersucht werden. Vorzugsweise erfolgt der Nachweis an Fluoreszenzlicht, das im Wesentlichen orthogonal von der Trägeroberfläche durch den Reaktionsraum oder durch den Trägerkörper abgestrahlt wird.
  • Beispielsweise kann die Detektion mittels konfokaler Einzelmoleküldetektion, wie etwa durch Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie, erfolgen, wobei ein sehr kleines, vorzugsweise konfokales Volumenelement, beispielsweise 0,1 × 10-15 bis 20 × 10-12 I dem Anregungslicht eines Lasers ausgesetzt wird, das die in diesem Messvolumen befindlichen Rezeptoren zur Emission von Fluoreszenzlicht anregt, wobei das emittierte Fluoreszenzlicht aus dem Messvolumen mittels eines Fotodetektors gemessen wird, und eine Korrelation zwischen der zeitlichen Veränderung der gemessenen Emission und der Konzentration des Analyten erstellt wird, so dass bei entsprechend starker Verdünnung einzelne Moleküle in dem Messvolumen identifiziert werden können. Auf Einzelheiten zur Verfahrensdurchführung und apparative Details zu den für die Detektion verwendeten Vorrichtungen wird auf die Offenbarung des europäischen Patentes 0 679 251 verwiesen. Die konfokale Einzelmolekülbestimmung ist weiterhin bei Rigler und Mets (Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. 1921 (1993), 239 ff.) und Mets und Rigler (J. Fluoresc. 4 (1994) 259-264) beschrieben.
  • Alternativ bzw. zusätzlich kann die Detektion auch durch eine zeitaufgelöste Abklingmessung, ein so genanntes Time Gating erfolgen, wie beispielsweise von Rigler et al., "Picosecond Single Photon Fluorescence Spetroscopy of Nucleic Acids", in: "Ultrafast Phenomenes", D.H. Auston, Ed., Springer 1984, beschrieben. Dabei erfolgt die Anregung der Fluoreszenzmoleküle innerhalb eines Messvolumens und anschließend – vorzugsweise in einem zeitlichen Abstand von ≥100 ps – das Öffnen eines Detektionsintervalls am Fotodetektor. Auf diese Weise können durch Raman-Effekte erzeugte Hintergrundsignale ausreichend gering gehalten werden, um eine im Wesentlichen störungsfreie Detektion zu ermöglichen.
  • Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Sequenzierung von Nukleinsäuren, umfassend,
    • (a) einen Träger, umfassend eine Vielzahl von darauf immobilisierten Enzymmolekülen,
    • (b) Mittel zur Zufuhr von freien Nukleinsäuremolekülen, die mehrere Fluoreszenzmarkierungsgruppen tragen, zum Träger,
    • (c) einen Reaktionsraum zum fortschreitenden Abspalten einzelner Nukleotidbausteine von den Nukleinsäuremolekülen und
    • (d) Mittel zum gleichzeitigen Bestimmen der Basenfolge mehrerer Nukleinsäuremoleküle aufgrund der bei Abspaltung von Nukleotidbausteinen hervorgerufenen zeitabhängigen Änderung der Fluoreszenz der Nukleinsäuremoleküle oder/und der abgespaltenen Nukleotidbausteine.
  • Die Vorrichtung ist vorzugsweise eine zur Einzelmolekülbestimmung geeignete Mikro- oder Nanostruktur, z.B. eine zumindest teilweise transparente Struktur mit Kanälen oder/und Vertiefungen. Eine bevorzugte Nanostruktur ist in PCT/EP02/02582 beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können beispielsweise für die Analyse von Genomen und Transkriptomen bzw. für differenzielle Analysen, z.B. Untersuchungen bezüglich des Unterschieds im Genom bzw. Transkriptom einzelner Spezies oder Organismen innerhalb einer Spezies, eingesetzt werden.
  • Weiterhin soll die vorliegende Erfindung durch die nachfolgenden Figuren erläutert werden.
  • In 1 ist die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Trägers (2) mit einer Vielzahl von daran immobilisierten Enzymmolekülen (4) gezeigt. Ein Träger mit einer Fläche von 1 bis 2 cm2 kann beispielsweise bis zu 106 Enzymmoleküle enthalten.
  • In 2 ist gezeigt, wie durch die an den Träger (2) immobilisierten Enzymmoleküle (4) aus einer freien Nukleinsäure (6), mit mehreren Fluoreszenzmarkierungsgruppen (8) fortlaufend einzelne Nukleotidbausteine (10) abgespalten werden. Während die in den Nukleinsäurestrang eingebauten Nukleotidbausteine aufgrund Quenchvorgängen keine oder nur eine geringe Fluoreszenz zeigen, wird die Fluoreszenz nach der Abspaltung erhöht. Die erhöhte Fluoreszenz kann durch einen Detektor nachgewiesen werden.
  • In 3A ist eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Auf dem Träger (2) sind Enzymmoleküle (4) immobilisiert, die Nukleinsäuremoleküle (6) in der Probenflüssigkeit abbauen. Von einem Laser (12) wird Anregungslicht (14) durch die Probenflüssigkeit eingestrahlt. Das Anregungslicht (14) kann beispielsweise von einem diffraktionsoptischen Element (16) konfokal auf die Positionen der einzelnen immobilisierten Enzymmoleküle gelenkt werden. Das durch die Probenflüssigkeit ausgestrahlte Fluoreszenzemissionslicht (18) wird von einer Detektormatrix (20), z.B. einer CCD- oder einer CMOS-Kamera, aufgezeichnet.
  • Bei der in 3B gezeigten Ausführungsform wird das vom Laser (12) stammende Anregungslicht (14) durch einen optisch transparenten Träger (2) auf die Enzymmoleküle (4) eingestrahlt. Das ebenfalls durch den Träger (2) ausgestrahlte Emissionslicht (18) wird von der Detektormatrix (20) aufgezeichnet.
  • In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei in den optisch transparenten Träger (2) mit darauf immobilisierten Enzymmolekülen (4) und zu sequenzierenden Nukleinsäuremolekülen (6) Anregungslicht (14) von einem aufgeweiteten Laser eingestrahlt wird und nach Reflexion an der Trägeroberfläche im Bereich der immobilisierten Enzymmoleküle (4) wieder aus dem Träger (2) austritt. Auf diese Weise wird ein evaneszentes Anregungsfeld erzeugt, durch das die fluoreszenzmarkierten Nukleinsäuremoleküle bzw. Nukleotidbausteine zur Fluoreszenz angeregt werden. Das Emissionslicht (18) wird durch eine Optik (22) auf einen Detektor (20) gelenkt.
  • Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform werden durch multiple Reflexionen (24a, 24b, 24c) im optisch transparenten Träger (2) evaneszente Anregungsfelder erzeugt. Die evaneszenten Anregungsfelder können z.B. in Form von Streifen oder Punkten vorliegen.
  • Alternativ können auch mehrere Foci des Laserlichts durch Verwendung einer diffraktiven Optik, wie z.B. in DE 101 26 083.0 offenbart, auf oder in den Träger eingestrahlt werden.
  • Wie in 6 gezeigt, können die auf dem Träger (2) immobilisierten Enzymmoleküle statistisch bzw. ungeordnet auf der Trägeroberfläche angeordnet sein (6A) oder geordnet bzw. auf vorbestimmten Strukturbereichen vorliegen (6B).

Claims (22)

  1. Verfahren zur Sequenzierung von Nukleinsäuren, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägers mit einer Vielzahl von darauf immobilisierten, Nukleinsäuren-abbauenden Enzymmolekülen, (b) Inkontaktbringen des Trägers mit freien Nukleinsäuremolekülen, die mehrere Fluoreszenzmarkierungsgruppen tragen, (c) fortschreitendes Abspalten einzelner Nukleotidbausteine von den freien Nukleinsäuremolekülen durch die immobilisierten Enzymmoleküle und (d) gleichzeitiges Bestimmen der Basenfolge mehrerer Nukleinsäuremoleküle aufgrund der bei Abspaltung von Nukleotidbausteinen hervorgerufenen zeitabhängigen Änderung der Fluoreszenz der Nukleinsäuremoleküle oder/und der abgespaltenen Nukleotidbausteine.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Träger aus Glas, Kunststoffen, Quarz, Metallen, Halbmetallen, Metalloxiden oder eines mehrere dieser Materialien enthaltenden Verbundwerkstoffs verwendet.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enzymmoleküle aus Einzelstrang- und Doppelstrang-Exonukleasen ausgewählt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass T7 DNA-Polymerase, E.coli Exonuklease I oder E.coli Exonuklease III verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Enzymmoleküle ungeordnet auf dem Träger immobilisiert werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Enzymmoleküle geordnet in vorbestimmten Bereichen auf dem Träger immobilisiert werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleinsäuremoleküle derart markiert sind, dass mindestens 50 % aller Nukleotidbausteine von einem oder mehreren Basentypen eine Fluoreszenzmarkierungsgruppe tragen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen alle Nukleotidbausteine von einem Basentyp eine Fluoreszenzmarkierungsgruppe tragen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Basenfolge eine Fluoreszenzanregung, vorzugsweise eine Mehrpunkt-Fluoreszenzanregung durch Laser umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht durch den Reaktionsraum hindurch auf die immobilisierten Enzymmoleküle eingestrahlt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den Reaktionsraum hindurch abgestrahltes Fluoreszenzemissionslicht bestimmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht durch einen zumindest teilweise optisch transparenten Träger hindurch auf die immobilisierten Enzymmoleküle eingestrahlt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den Träger hindurch abgestrahltes Fluoreszenzemissionslicht bestimmt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht in den Träger eingestrahlt und die Ausbildung eines evaneszenten Anregungsfeldes durch interne Reflexion an der Trägeroberfläche im Bereich der immobilisierten Enzymmoleküle bewirkt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Basenfolge eine Detektion der Fluoreszenzemission mehrerer Nukleinsäurestränge durch eine Detektionsmatrix umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektionsmatrix eine CMOS-Kamera, eine CCD-Kamera oder eine Avalanche-Fotodiodenmatrix verwendet wird.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fluoreszenzanregung und -detektion an allen untersuchten Nukleinsäuresträngen parallel erfolgt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Fluoreszenzanregung und -detektion in mehreren Schritten jeweils an einen Teil der untersuchten Nukleinsäurestränge erfolgt.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bestimmung ein Konvektionsfluss vom Träger weg erzeugt wird.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzmarkierungsgruppen, wenn sie in die Nukleinsäurestränge eingebaut sind, zumindest teilweise gequencht sind, und dass nach Abspaltung die Fluoreszenzintensität erhöht wird.
  21. Vorrichtung zur Sequenzierung von Nukleinsäuren, umfassend (a) einen Träger umfassend eine Vielzahl von darauf immobilisierten Enzymmolekülen, (b) Mittel zur Zufuhr von freien Nukleinsäuremolekülen, die mehrere Fluoreszenzmarkierungsgruppen tragen, zum Träger, (c) einen Reaktionsraum zum fortschreitenden Abspalten einzelner Nukleotidbausteine von den Nukleinsäuremolekülen und (d) Mittel zum gleichzeitigen Bestimmen der Basenfolge mehrerer Nukleinsäuremoleküle aufgrund der bei Abspaltung von Nukleotidbausteinen hervorgerufenen zeitabhängigen Änderung der Fluoreszenz der Nukleinsäuremoleküle oder/und der abgespaltenen Nukleotidbausteine.
  22. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 21 in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
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