DE10256898A1 - Elektrochemischer Nachweis von Nukleinsäuren - Google Patents

Elektrochemischer Nachweis von Nukleinsäuren Download PDF

Info

Publication number
DE10256898A1
DE10256898A1 DE2002156898 DE10256898A DE10256898A1 DE 10256898 A1 DE10256898 A1 DE 10256898A1 DE 2002156898 DE2002156898 DE 2002156898 DE 10256898 A DE10256898 A DE 10256898A DE 10256898 A1 DE10256898 A1 DE 10256898A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
detection
electrode
marker
target nucleic
nucleic acids
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE2002156898
Other languages
English (en)
Other versions
DE10256898B4 (de
DE10256898A8 (de
Inventor
Beate Dr. Strehlitz
Regina Dr. Stoltenburg
Bernd Dr. Gründig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Senslab-Gesellschaft Zur Entwicklung und Herst De
Original Assignee
SENSLAB GES ZUR ENTWICKLUNG UN
SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWICKLUNG und HERSTELLUNG BIOELEKTROCHEMISCHER SENSOREN MBH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SENSLAB GES ZUR ENTWICKLUNG UN, SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWICKLUNG und HERSTELLUNG BIOELEKTROCHEMISCHER SENSOREN MBH filed Critical SENSLAB GES ZUR ENTWICKLUNG UN
Priority to DE2002156898 priority Critical patent/DE10256898B4/de
Publication of DE10256898A1 publication Critical patent/DE10256898A1/de
Publication of DE10256898A8 publication Critical patent/DE10256898A8/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10256898B4 publication Critical patent/DE10256898B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/02Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
    • C12Q1/04Determining presence or kind of microorganism; Use of selective media for testing antibiotics or bacteriocides; Compositions containing a chemical indicator therefor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6834Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase
    • C12Q1/6837Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase using probe arrays or probe chips
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00277Apparatus
    • B01J2219/00497Features relating to the solid phase supports
    • B01J2219/00527Sheets
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00585Parallel processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00596Solid-phase processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00608DNA chips
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/0061The surface being organic
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00623Immobilisation or binding
    • B01J2219/00626Covalent
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00623Immobilisation or binding
    • B01J2219/00628Ionic
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00623Immobilisation or binding
    • B01J2219/0063Other, e.g. van der Waals forces, hydrogen bonding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00632Introduction of reactive groups to the surface
    • B01J2219/00637Introduction of reactive groups to the surface by coating it with another layer
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00639Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being trapped in or bound to a porous medium
    • B01J2219/00644Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being trapped in or bound to a porous medium the porous medium being present in discrete locations, e.g. gel pads
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00653Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being bound to electrodes embedded in or on the solid supports
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00659Two-dimensional arrays
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00677Ex-situ synthesis followed by deposition on the substrate
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00718Type of compounds synthesised
    • B01J2219/0072Organic compounds
    • B01J2219/00722Nucleotides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C40COMBINATORIAL TECHNOLOGY
    • C40BCOMBINATORIAL CHEMISTRY; LIBRARIES, e.g. CHEMICAL LIBRARIES
    • C40B40/00Libraries per se, e.g. arrays, mixtures
    • C40B40/04Libraries containing only organic compounds
    • C40B40/06Libraries containing nucleotides or polynucleotides, or derivatives thereof

Abstract

Verfahren zur simultanen Detektion unterschiedlicher Target-Nukleinsäuren in einer Probe, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: DOLLAR A - kovalentes Koppeln einer im Wesentlichen einheitlichen Nachweissequenz an die unterschiedlichen Target-Nukleinsäuren, wodurch Target-Nachweis-Oligonukleotide entstehen, wobei diese zumindest in einem Teilbereich identisch sind, DOLLAR A - in Kontakt bringen der Target-Nachweis-Oligonukleotide mit mindestens einer Elektrode oder einem Elektrodenarray, umfassend targetspezifische, komplementäre Fänger-Oligonukleotide, die auf den Elektroden oder dem Elektrodenarray fixiert sind, wobei die Target-Nachweis-Oligonukleotide in einer ersten Hybridisierungsreaktion an die komplementären Fänger-Oligonukleotide binden, DOLLAR A - Zugabe eines im Wesentlichen einheitlichen Marker-Oligonukleotids, umfassend eine zur Nachweissequenz komplementäre Sequenz und ein Markermolekül, wobei in einer zweiten Hybridisierungsreaktion das Marker-Oligonukleotid an alle in der ersten Reaktion gebundenen Nachweissequenzen bindet, DOLLAR A - Detektion des Markers.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Detektion verschiedener Target-Nukleinsäuren in einer Probe mittels eines elektrochemischen Sensors.
  • Nukleinsäuren gehören zur Stoffklasse der langkettigen Polynukleotide, die die Träger der genetischen Information darstellen. Als Bausteine des Lebens spielen Nukleinsäuren oder deren Äquivalente eine zentrale Rolle im gesamten Gebiet der Life-Sciences (Lebenswissenschaften) und Chemie.
  • Die wiederkehrenden Einheiten von Base, Pentose und Phosphorsäure, aus denen Nukleinsäuren bestehen, werden als Nukleotide bezeichnet. Die Abfolge bzw. die Strukturen dieser wiederkehrenden Einheiten bestimmen die Funktion der Nukleinsäuren und sind für jeden Organismus charakteristisch. Das heißt, mit der Detektion einer bestimmten Nukleotidabfolge der in einer Probe vorkommenden Nukleinsäure, beispielsweise in einer Trinkwasser- oder Lebensmittelprobe, ist es u.a. möglich, zu bestimmen, durch welche Organismen, insbesondere Mikroorganismen, die Probe kontaminiert ist. Bei der Lebensmittelprüfung ist es selbstverständlich auch möglich, nicht nur die Anwesenheit von kontaminierenden Mikroorganismen oder Parasiten nachzuweisen, sondern auch die Reinheit der Lebensmittel zu bestimmen. So kann z. B. bestimmt werden, ob Rind- oder Schweinefleisch, das aus religiösen oder gesundheitlichen Gründen in definierten Lebensmitteln nicht vorhanden sein sollte, in der Lebensmittelprobe vorkommt.
  • Gemäß der Schlüsselrolle der Nukleinsäuren im gesamten Bereich der Life-Sciences sind im Stand der Technik eine Vielzahl von Methoden und Vorrichtungen offenbart, mit denen Nukleinsäuren bzw. Oligonukleotide detektiert werden können.
  • In einer ersten Näherung ist es möglich, Nukleinsäuren durch Zonenzentrifugation bzw. Gleichgewichtszentrifugation zu bestimmen. Bei bestimmten Nukleinsäuremolekülen kann auch die Analyse mit Hilfe der Elektronenmikroskopie hilfreich sein, um beispielsweise eine virale Nukleinsäure in einer Probe zu detektieren. Derartige Methoden lassen jedoch keine detaillierte Bestimmung der anwesenden Nukleinsäuren zu.
  • Eine weitere Nachweismethode ist die Agarose-Gel-Elektrophorese, die in Kombination mit Endo- und Exonukleasen die Untersuchung von Nukleinsäuremolekülen ermöglicht. Zahlreiche weitere Detektionsmöglichkeiten machen sich die Fähigkeit der Denaturierung und Renaturierung von Nukleinsäuren zunutze. Bei diesen Verfahren bildet die Fähigkeit der Nukleinsäuren zur Hybridisierung die Grundlage des Nachweises. Hybridisierung ist die sequenzabhängige Paarung von einzelsträngigen RNA- oder DNA-Molekülen zu einem Doppelstrang – dem Hybrid. Wenn z. B. überprüft werden soll, ob ein Stück DNA aus einem Organismus mit dem eines anderen Organismus verwandt ist, werden die zu vergleichenden DNA- Abschnitte denaturiert, folgend zur Reassoziation in einem Reaktionsgefäß vereinigt und untersucht, ob sich ein Strang des ersten Organismus mit einem Strang einer DNA des zweiten Organismus zu einem Doppelstrang zusammenfinden kann. Auch komplementäre RNA kann mit DNA ein doppelsträngiges RNA-DNA-Hybrid bilden und dadurch zum Nachweis und zur Analyse von Nukleinsäuren genutzt werden.
  • Die WO 00/42217 betrifft ein Nachweisverfahren von Nukleinsäuresequenzen mittels der Detektion eines Hybridisierungsereignisses. Dabei dienen einzelsträngige Oligomere mit redoxaktiven Einheiten, die an einer leitfähigen Fläche gebunden sind, als Hybridisierungssonde, wobei sich das Stromsignal an der Elektrode nach der Hybridisierungsreaktion ändert.
  • In der WO 01/16361 A2 ist ein Verfahren zum Nachweis und zur Quantifizierung von in einer Flüssigkeit befindlichen Biomolekülen offenbart, wobei Polymere, die eine spezifische Affinität zu den Biomolekülen aufweisen, an der Oberfläche von Elektroden gebunden sind und durch Anlegen einer veränderlichen Spannung die Anlagerung der Biomoleküle durch Messung der unmittelbaren Spannungsänderung bestimmt werden kann.
  • Weiterhin sind im Stand der Technik Verfahren beschrieben, bei denen so genannte Fänger-Sequenzen, die an einer Elektrode gebunden sind, komplementär zu einem Teil des Targets sind, und Nachweissequenzen komplementär zu einem anderen Teil des Targets sind, wobei die Nachweissequenzen mit einer signalverstärkenden Einheit verbunden sind, wie z. B. einem Enzym (WO 00/32813, WO 99/67628, WO 99/57319).
  • Die genannten Verfahren weisen jedoch mehrere Nachteile auf. Die Verfahren, die sich die unterschiedlichen Sedimentationskonstanten oder bestimmte optische Eigenschaften zunutze machen, sind relativ ungenau und lassen eine genaue Detektion der Nukleinsäuren nicht zu. Die elektrophoretischen Verfahren, einschließlich der Blottingmethoden, sind sehr teuer und zeitaufwendig. Mit den bekannten elektrochemischen Verfahren ist es nicht möglich, mit einer universellen Nachweisreaktion unterschiedliche Analyten unter Verwendung einer Messreaktion zu erfassen. Das heißt, dass unterschiedliche Analyten jeweils unterschiedlich analysiert oder nachgewiesen werden müssen, so dass das Verfahren zur parallelen Bestimmung verschiedener Nukleinsäuren relativ aufwendig ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem mit einer universellen Nachweisreaktion unterschiedliche Analyten gleichzeitig sicher, effektiv und kostengünstig erfasst werden können.
  • Die Erfindung löst dieses technische Problem durch Bereitstellung eines Verfahrens zur simultanen Detektion verschiedener bzw. unterschiedlicher Target-Nukleinsäuren in einer Probe, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • – kovalentes Koppeln einer im Wesentlichen einheitlichen Nachweissequenz an die unterschiedlichen Target-Nukleinsäuren, wodurch Target-Nachweis-Oligonukleotide entstehen, wobei diese zumindest in einem Teilbereich identisch sind,
    • – in Kontakt bringen der Target-Nachweis-Oligonukleotide mit mindestens einer Elektrode oder einem Elektrodenarray umfassend targetspezifische, komplementäre Fänger-Oligonukleotide, die auf den Elektroden oder dem Elektrodenarray fixiert sind, wobei die Target-Nachweis-Oligonukleotide in einer ersten Hybridisierungsreaktion an die komplementären Fänger-Oligonukleotide binden,
    • – Zugabe eines im Wesentlichen einheitlichen Marker-Oligonukleotids umfassend eine zur Nachweissequenz komplementäre Sequenz und ein Markermolekül, wobei in einer zweiten Hybridisierungsreaktion das Marker-Oligonukleotid an alle in der ersten Reaktion gebundenen Nachweissequenzen bindet,
    • – Detektion des Markers.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher mehrere verschiedene Target-Nukleinsäuren parallel bzw. simultan unter Nutzung einer einheitlichen Nachweisreaktion detektiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich mit anderen Verfahren zur Probenvor- oder -nachbereitung kombiniert werden. Insbesondere kann die nachzuweisende Nukleinsäure – beispielsweise eine DNA – zunächst denaturiert und folgend eine spezifische Region dieser Nukleinsäure mittels PCR vervielfältigt werden. Diese spezifische Region ist ein charakteristischer Sequenzbestandteil der zu detektierenden Nukleinsäure. Erfindungsgemäß ist es in einem ersten Verfahrensschritt möglich, mittels entsprechender Primerpaare diese spezifischen Regionen der zu detektierenden Nukleinsäuren in einer PCR zu amplifizieren. Einer der Primer ist dabei z. B. an seinem 5'-Ende mit einer nichtprimenden Nachweissequenz modifiziert. So ist gewährleistet, dass alle amplifizierten Nukleinsäurefragmente mit einer einheitlichen Nachweissequenz verlängert sind, intern jedoch die targetspezifischen Regionen der ursprünglich zu detektierenden Nukleinsäuren enthalten. Sofern die zu untersuchende Probe für das erfindungsgemäße Verfahren auf diese Weise vorbereitet wurde, werden beide Stränge der aus der PCR hervorgegangenen dsDNA getrennt. Der +Strang, der erfindungsgemäß auch als einzelsträngiges Target-Nachweis-Oligonukleotid bezeichnet werden kann, wird dann in einem weiteren Verfahrensschritt mit der Elektrode oder einem Elektroden-Array in Kontakt gebracht. Jede Elektrode ist so aufgebaut, dass sie eine für einen bestimmten Abschnitt der Target-Nukleinsäuren spezifische und komplementäre Sequenz trägt. Demgemäß sind diese Target-Nukleinsäure spezifischen Sequenzen, die wegen ihrer Funktion auch als Fänger-Oligonukleotide bezeichnet werden können, an den Elektroden immobilisiert. Dabei ist es vorteilhafterweise nicht erforderlich, dass die Fänger-Oligonukleotide in ihrer Länge der vollständigen nachzuweisenden Target-Nukleinsäure im Target-Nachweis-Oligonukleotid entsprechen. Die Fänger-Oligonukleotide hybridisieren jeweils mit den komplementären Bereichen der Target-Nukleinsäure im Target-Nachweis-Oligonukleotid in einer ersten Hybridisierungsreaktion, so dass eine Bindung untereinander und somit an der Elektrode erfolgt. Im Ergebnis dieser ersten Hybridisierungsreaktion hat sich demgemäß auf der Elektrode ein Hybrid aus Target-Nachweis-Oligonukleotid und dem Fänger-Oligonukleotid ausgebildet, welches außerdem die durch den vorgeschalteten Verfahrensschritt eingefügte Nachweissequenz umfasst.
  • Nach dieser ersten Hybridisierungsreaktion an den Elektroden ist eine Sortierung der Target-Nachweis-Oligonukleotide und somit eine Zuordnung zu einzelnen Elektroden im Array erfolgt.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt werden einheitliche Marker-Oligonukleotide zugegeben. Diese können mit den komplementären Nachweissequenzen in den Target-Nachweis-Oligonukleotiden in einer zweiten Reaktion hybridisieren, sofern sich auf den Elektroden die Hybride aus Fänger-Oligonukleotid und Target-Nachweis-Oligonukleotid gebildet haben. Das heißt, die Marker-Oligonukleotide und somit die an diesen befindlichen Markermoleküle werden genau auf den Elektroden angekoppelt, auf denen in der ersten Hybridisierungsreaktion die Target-Nachweis-Oligonukleotide an komplementäre Fänger-Oligonukleotide binden konnten. Im Anschluss an diese zweite Hybridisierungreaktion kann nun in Abhängigkeit vom verwendeten Markermolekül mit einer einheitlichen elektrochemischen bzw. biochemischen Nachweisreaktion der Marker detektiert werden.
  • Der Marker kann beispielsweise ein redoxaktives Molekül oder ein Enzym sein, wobei durch eine Reduktion bzw. Oxidation des Markers selbst oder durch die Reduktion oder Oxidation von Substraten bzw. Produkten in einer Enzymreaktion der Marker direkt oder indirekt detektierbar ist. Dem Fachmann sind weitere Marker bekannt, die durch Enzymreaktionen direkt oder indirekt bestimmt werden können. Es ist selbstverständlich auch möglich, dass redoxaktive Markermoleküle verwendet werden, die bewirken, dass die Bindungsreaktion der Marker-Oligonukleotide an die Nachweissequenzen in den Target-Nachweis-Oligonukleotiden, also die zweite Hybridisierungsreaktion, zu einer Spannungs- oder Stromänderung führt, und daher z. B. durch Impedanzmessung, durch Square Wave-Voltammetrie und/oder Differenzial-Puls-Voltammetrie das zweite Hybridisierungsereignis bestimmt werden kann. Durch das Anlegen einer Spannung und/oder eines Stroms an den Elektroden und die Mesung der zweiten Hybridisierungsreaktion, die eine unmittelbare Änderung der Spannung und/oder des Stroms an den betreffenden Elektroden bedingt, können die in der Probe befindlichen Target-Nachweis-Oligonukleotide detektiert werden. Dem Fachmann sind verschiedene Formen der Ausgestaltung solcher Verfahren bekannt. Es ist beispielsweise möglich, dass die Messung der zweiten Hybridisierungsreaktion über eine aufgeprägte Änderung eines Gleichspannungssignals mit bestimmter Geschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Potentialbereichs und Messung des daraus resultierenden Gleichstromsignals erfasst wird, beispielsweise als zyklovoltammetrische Messung. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die zweite Hybridisierungsreaktion über ein Wechselstromsignal phasensensitiv bestimmt wird, insbesondere so, dass das Wechselstromsignal einem zyklischen Gleichstromsignal aufgeprägt ist.
  • Die erfolgreiche Hybridisierungsreaktion wird also u.a. durch elektrochemische Effekte erkennbar, die in vielen Fällen auch zu einer quantitativen Analyse nutzbar sind.
  • Unter Immobilisierung im Sinne der Erfindung sind alle Methoden zur Einschränkung der Beweglichkeit und Löslichkeit von Nukleinsäuren, insbesondere von den Fänger-Oligonukleotiden, auf chemischen und/oder physikalischen Wegen zu verstehen. Die Immobilisierung kann durch unterschiedliche Methoden erfolgen, wie der Bindung der Oligonukleotide an Elektrodenflächen, durch Festhalten im Netzwerk einer polymeren Matrix oder Umschließen durch Membranen. Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, die Oberfläche der Elektroden mit Poly-L-Lysinen, Aminosilanen, Aldehydsilanen, Epoxy-Gruppen, Gold, Streptavidin, reaktiven Gruppen, Polyacrylamid-Pads, immobilisierter Nitrocellulose, aktivierten Aldehyden, Agarose-Aldehyd-Gruppen und/oder Tresyl-Gruppen zu beschichten. Durch derartige Substratoberflächenbehandlungen ist es vorteilhafterweise möglich, die Haltbarkeit und die Bindungskapazität der Oberfläche der Elektroden so zu verbessern, dass die Fänger-Oligonukleotide sehr gut und stabil über einen längeren Zeitraum immobilisiert werden können. Durch die Immobilisierung der Oligonukleotide (Fänger-Oligonukleotide) kann die Elektrodenoberfläche nach dem Prozess der Interaktion mit der biologischen Probe leicht wieder regeneriert und somit wiederverwendbar werden, indem die über Hybridisierung gebundenen Nukleinsäuren wieder abgelöst werden, die Immobilisierung der Fänger-Oligonukleotide aber erhalten bleibt. Die Bindung bzw. die Immobilisierung der Oligonukleotide an den Elektroden kann durch direkte Trägerbindung und durch Quervernetzung erfolgen. Die Trägerbindung bzw. Quervernetzung erfolgt gemäß der Erfindung insbesondere ionisch/adsorptiv oder durch kovalente Bindung. Die Quervernetzung im Sinne der Erfindung ist eine Vernetzung der Detektionsmoleküle, das heißt der Fänger-Oligonukleotide, untereinander oder mit anderen Polymeren. Bei der Immobilisierung durch Einschluss werden die Oligonukleotide in Gelstrukturen bzw. in Membranen so eingeschlossen, dass eine Interaktion mit den nachzuweisenden Target-Nukleinsäuren nach wie vor möglich ist.
  • Im Weiteren können Temperaturerhöhungen benutzt werden, um durch Hybridisierung entstandene doppelsträngige Nukleinsäure-Bereiche wieder aufzutrennen. Im Falle von Nukleinsäure-Molekülen, die an Elektrodenoberflächen immobilisiert sind, wie den Fänger-Oligonukleotiden, kann z. B. eine vorübergehende Temperaturerhöhung bis kurz unterhalb der Siedetemperatur des Wassers dazu dienen, alle hybridisierten Target-Nachweis-Oligonukleotide und Marker-Oligonukleotide von der Elektrodenoberfläche zu entfernen und diese dadurch für den nächsten Erkennungsvorgang zu regenerieren. Diese Vorgehensweise zur Regeneration der Elektrodenoberfläche macht häufig wiederholte Temperaturänderungen zwischen einer oberen Temperatur, bei der die komplementären. Partner getrennt werden, und einer unteren Temperatur (meist nahe der Zimmertemperatur), bei der eine Hybridisierung möglich ist, notwendig. Beide Grenztemperaturen müssen vom Fachmann durch Routineversuche eingestellt werden. Chemische Regenerierungsschritte, die ebenfalls benutzt werden können, beruhen auf der Lösung der Wasserstoffbrückenbindungen, z. B. durch Harnstoff, NaOH oder Formamid.
  • Das Ablegen der Fänger-Oligonukleotide auf den Elektroden für deren Immobilisierung kann zum Beispiel mit physikalischen oder chemischen Methoden erfolgen. Unabhängig von der Art der zu immobilisierenden Oligonukleotide (spezifische Nukleotidabfolge) können verschiedene Wege verfolgt werden, wie z. B.:
    • 1. Ablegen und Immobilisieren von zuvor synthetisierten Fänger-Oligonukleotiden an definierten Positionen eines funktionalisierten Elektrodenmaterials. Hierfür können sowohl Spotting- als auch Druckverfahren eingesetzt wer den. Unter Spotting versteht man Verfahren, bei denen Flüssigkeitstropfen abgelegt werden, wobei durch Oberflächenwechselwirkung und Trocknen im Wesentlichen runde Spots entstehen. Andere Druckverfahren ermöglichen das Aufbringen des Immobilisats in definierten Flächen auf der Oberfläche. Bevorzugt werden die Fänger-Oligonukleotide – durch Contact Tip Printing, Ring and Pin Printing, Nanopipetting, Buble Jet Printing, TopSpot Printing, Micro Contact Printing, Micro Fluidic Networks-Methoden, Photolithographic Activation-Verfahren, Photoresist Lithography, Electrochemical Focusing und/oder Micro Wet Printing immobilisiert.
    • 2. In situ-Synthese der Fänger-Oligonukleotide an definierten Positionen der Elektroden durch sukzessive Kopplung monomerer Synthesebausteine.
  • Eine Probe im Sinne der Erfindung ist die Bezeichnung für ein durch Probenentnahme entnommenes biologisches oder chemisches Gut oder eines Teiles bzw. einer kleinen Menge eines solchen, dessen Beschaffenheit chemisch, biologisch, klinisch oder ähnlich geprüft werden soll. Die Probenentnahme erfolgt insbesondere so, dass die entnommene Teilmenge einem Durchschnitt der gesamten Menge entspricht. Die durch Untersuchung der Probe ermittelten Merkmale dienen der Beurteilung der durch die Probe erfassten Menge, die Rückschlüsse auf die Gesamtmenge, z. B. Trinkwasser, Lebensmittel, Blut, transplantierte Organe u. a., zulässt. Für die Untersuchung können die Proben durch Mischen, Zerteilen, Zerkleinern, Zugabe von Enzymen oder Markern bzw. anders vorbehandelt werden. Dem Fachmann sind verschiedene Möglichkeiten der Vorbehandlung der Proben bekannt.
  • Selbstverständlich kann es auch vorgesehen sein, dass die Probe so entnommen wird, dass sie keinem Durchschnitt der gesamten Menge entspricht. Eine Probe können alle biologischen und nichtbiologischen Materialien sein, wie biologische Gewebe und Flüssigkeiten, z. B. Blut, Lymphe, Urin, Gehirnflüssigkeit und andere, sowie Trink- und Badewässer, Umweltabwässer, Bioreaktorenflüssigkeiten, Lebensmittelinhaltsstoffe, Gefahrenstoffe u.v.a. mehr.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt das kovalente Binden der einheitlichen Nachweissequenz an die in einer Probe befindlichen, potentiellen Target-Nukleinsäuren in einer PCR mit entsprechenden Primern, wobei einer der Primer an seinem 5'-Ende mit einer nichtprimenden Nachweissequenz modifiziert ist. Die Auswahl der Primer richtet sich nach der Art der nachzuweisenden Target-Nukleinsäuren. Beispielsweise können mit Hilfe so genannter Universalprimer Regionen der 16S rDNA aus Mikroorganismen amplifiziert werden. Diese Universalprimer sind komplementär zu den hoch konservierten Bereichen der 16S rDNA, um eine Vielzahl unterschiedlicher Mikroorganismen zu erfassen. Gleichzeitig flankieren sie einen Bereich der 16S rDNA, der für die jeweils verschiedenen Mikroorganismen spezifisch ist. Die auf den Elektroden immobilisierten Fänger-Oligonukleotide werden aus diesen spezifischen Bereichen gewählt und können somit ganz bestimmte Mikroorganismen detektieren. Neben den Universalprimern können auch spezifische Primer in der PCR eingesetzt werden, um beispielsweise Bereiche aus Genen zu amplifizieren, die charakteristisch für bestimmte Mikroorganismen oder Mikroorganismengruppen sind. Unabhängig jedoch von der Art der gewählten Primerpaare wird in jedem Fall durch die Modifizierung eines Primers an seinem 5'-Ende mit der nichtprimenden Nachweissequenz eine dsDNA amplifiziert, welche nun sowohl die targetspezifischen Sequenzen enthält, als auch die einheitliche Nachweissequenz. Für den eigentlichen Detektionsschritt an der Elektrode wird aus dem doppelsträngigen PCR-Produkt das einzelsträngige Target-Nachweis-Oligonukleotid gewonnen. Dem Fachmann sind verschiedene Verfahrensweisen diesbezüglich bekannt.
  • Das Target-Nachweis-Oligonukleotid wird anschließend mit der modifizierten Elektrodenoberfläche in Kontakt gebracht. In einer ersten Reaktion können die targetspezifischen Sequenzen des Target-Nachweis-Oligonukleotids mit den komplementären Sequenzen des auf der Elektrode immobilisierten Fänger-Oligonukleotids hybridisieren. In einer nachfolgenden zweiten Hybridisierungsreaktion kann nun das einheitliche Marker-Oligonukleotid an die komplementäre Nachweissequenz im zuvor entstandenen Hybrid binden. Das Marker-Oligonukleotid enthält seinerseits ein Markermolekül, mit Hilfe dessen der gebildete Oligonukleotid-Komplex auf der Elektrode elektrochemisch nachgewiesen werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann als Marker ein redoxaktives Molekül oder ein Enzym eingesetzt werden. Im Sinne der Erfindung kann der Marker demgemäß ein redoxaktives Molekül sein, wie beispielsweise ein Farbstoff aus den Stoffgruppen der Phenazine, Phenothiazine, Phenoxazine, Indigosulfonate, Viologene oder Triarylmethan-Farbstoffe, der an der entsprechend polarisierten Elektrode ein Stromsignal bewirkt. Es ist selbstverständlich auch möglich, dass der Marker ein Enzym ist, das bei einer Reaktion ein Substrat zu einem Produkt umsetzt, wobei die verbrauchten Substrate/Cosubstrate und/oder die gebildeten Produkte so aufgebaut sind, dass sie in einer elektrochemischen Reaktion an der Elektrode gemessen werden können. Derartige Verfahren sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Mit Vorteil ist es selbstverständlich weiterhin möglich, an diese erste Enzymreaktion eine zweite Enzymreaktion zu koppeln, die vorteilhafterweise zu einer Signalverstärkung führen kann. Bevorzugt ist hierfür als Markerenzym eine saure und/oder alkalische Phosphatase oder Beta-Galaktosidase, die bei der Hydrolyse eines geeigneten Substrats (z. B. Phenylphosphat) Phenol generiert. Auf einer mediatormodifizierten Elektrodenoberfläche kann gemäß der Lehre Kotte et al. „Analytical Chemistry 67" (1995) Tyrosinase immobilisiert werden. Tyrosinase katalysiert die Oxidation von Phenol zu Catechol und in einem zweiten Reaktionsschritt zu o-Chinon. Der aufgrund der verwendeten Polarisationsspannung der Elektrode in reduzierter Form vorliegende Redoxmediator reduziert o-Chinon wieder zu Catechol, so dass es vorteilhafterweise für einen weiteren Reaktionsschritt wieder zur Verfügung steht. Diese zyklische Reaktion führt zur Signalverstärkung und ermöglicht dadurch die Erfassung sehr kleiner Messsignale. Der Marker kann erfindungsgemäß jedoch auch so aufgebaut sein, dass er einen markierten Antikörper umfasst, der beispielsweise durch Radioimmuntests detektiert werden kann.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden als Arbeitselektroden auf einem Array oder Träger angeordnet. Die Arbeitselektroden können beispielsweise bevorzugt aus Gold, Platin, Silber, Karbon oder anderen dem Fachmann bekannten Materialien oder Mischungen, z. B. auch Dickschichtpasten, bestehen. Bevorzugt werden auf die Oberflächen der Arbeitselektroden die Fänger-Oligonukleotide für die nachzuweisenden Sequenzen fixiert. Bevorzugt kann dies durch Adsorption, Bindung über reaktive Gruppen oder durch die Fixierung an eine Polymermatrix erfolgen. Selbstverständlich ist es auch möglich, Leiterbahnen, beispielsweise aus einem Silberplatingemisch, einem Karbonplatingemisch oder aus Kohlenstoffgemischen zu verwenden, wobei die Isolierung der Elektroden insbesondere mit einem Epoxidharz oder durch andere Lacke erfolgt. Es ist bevorzugt, neben den Arbeitselektroden auch Referenz-Elektroden zu verwenden, die insbesondere aus Platin, Silber, Silber/Silberchlorid oder anderen dem Fachmann bekannten Materialien bestehen können.
  • Bei der Herstellung von Ultra-Mikroelektroden und Ultra-Mikroelektroden-Arrays (UMA) sind Arbeitselektroden mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern oder kleiner bevorzugt, da solche Mikro- bzw. Ultra-Mikroarbeitselektroden aus analytischer Sicht vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Vorteilhafterweise bestehen qualitative Unterschiede zwischen Elektroden und Mikroelektroden, die durch die Verringerung der Elektrodenfläche bedingt sind. Diese sind beispielsweise die Verringerung des Einflusses von konvektiven Flüssigkeitsströmungen auf das Elektrodensignal. Die an Mikroelektroden auftretenden Kapazitäten sind vorteilhafterweise sehr klein und demgemäß sind die korrespondierenden Ladeströme zumeist so unbedeutend, dass elektrochemische Prozesse, wie sie durch die zwei Hybridisierungsreaktionen verursacht werden bzw. die elektrochemisch aktiven Marker bzw. Substrate/Produkte der Reaktion des Markers, gut detektiert werden können. Die Massentransportrate nimmt mit dem abnehmenden Elektrodenradius zu, wodurch der Strom einen stationären Zustand erreicht. Da die kapazitiven Ströme an Mikroelektroden vorteilhafterweise zugleich verringert sind, wird so eine deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erzielt, so dass die elektrochemische Reaktion zum Nachweis redoxaktiver Marker bzw. Substrate/Produkte des Markers mit einem guten Signal detektiert werden kann. Vorteilhaft sind die hohen Stromdichten an Mikroelektroden. Die Mikroelektroden haben den Vorteil, mit geringem Probenvolumen zu arbeiten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, werden die Arbeitselektroden mit einer Gegenelektrode und/oder Referenzelektrode verwendet. Durch den Einsatz von Arbeitselektroden, insbesondere von mindestens zwei Arbeitselektroden, mit der Gegenelektrode und/oder der Referenzelektrode ist es möglich, Störungen der Messung weitestgehend zu vermeiden. Bei einer elektrochemischen Detektion der Marker kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass nur ein Teil der Elektroden die Fänger-Oligonukleotide umfasst und ein anderer Teil nicht. Die verschiedenen Elektroden können dann mit der Probenflüssigkeit, welche die nachzuweisenden Target-Nachweis-Oligonukleotide enthält, in Kontakt gebracht werden. Auf diese Weise können Interferenzen, die aus der Wechselwirkung störender Substanzen in der Probe mit der unbedeckten Elektrode resultieren, erfasst werden.
  • Durch das Zusammenwirken von Arbeitselektrode-Referenzelektrode und/oder Gegenelektrode können beispielsweise wichtige Größen, wie insbesondere das Konstanthalten der angelegten Spannung, vorteilhafterweise optimiert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn bei enzymatischen Prozessen pH-Wert-Änderungen und andere Modifikationen im System zu Störungen innerhalb der Zwei- oder Drei-Elektroden-Systeme – je nachdem, ob mit einer Gegen- oder Referenzelektrode oder mit beiden im Zusammenhang mit einer Arbeitselektrode gearbeitet wird – führen können. Als Gegenelektrode können hierbei beispielsweise dem Fachmann bekannte Edelstahlelektroden oder Platin, Kohlenstoff, Metall-Gemische oder Dickschichtpasten verwendet werden. Als Arbeitselektrode können neben den oben genannten bevorzugt Gold-, Kupfer-, Nickel-, Titan-, Blei-, Bleigraphit-Elektroden bzw. Mischungen der genannten Metalle oder Mischungen in Dickschichtpasten verwendet werden. Selbstverständlich können die Metalle auch aufgedampft werden.
  • Mit Vorteil können Arbeitselektroden verwendet werden, bei denen im polarisierten Zustand in einem bestimmten Potentialbereich kein Ladungstransfer zwischen der Metalloberfläche und der angrenzenden Probenlösung stattffindet.
  • Demgemäß können nichtpolarisierbare Elektroden, die ihr Potential bei unterschiedlichen Strömen nicht verändern, insbesondere als Referenzelektroden eingesetzt werden. Um vor allem einen hohen Widerstand und somit einen Spannungsabfall im Zusammenhang mit einer Zerstörung der Referenzelektrode bei hohen Messströmungen vorzubeugen, ist eine Anordnung vorteilhaft, in der der Strom über die Arbeitselektrode und eine zusätzliche Gegenelektrode geführt wird, während die als Bezugselektrode fungierende Referenzelektrode aufgrund ihrer hohen Impedanz nahezu stromlos bleibt.
  • Besonderes vorteilhaft ist es, wenn alle Arbeitselektroden auf die gleiche Spannung polarisiert werden können, weil die elektrochemische Nachweisreaktion an allen Elektroden gleich ist. Dadurch können Störungen vermieden werden, die bei der Verwendung mehrerer unterschiedlicher Polarisationsspannungen für mehrere Arbeitselektroden mit einer gemeinsamen Gegenelektrode sowie einer gemeinsamen Referenzelektrode auf treten würden.
  • Die Erfindung betrifft auch einen Kit umfassend mindestens (a) eine Elektrode und/oder einen Elektrodenarray, (b) ein Fänger-Oligonukleotid, (c) eine Target-Nukleinsäure, (d) eine Nachweissequenz für die Target-Nukleinsäure und/oder (e) ein Marker-Oligonukleotid. In dem Kit können die Komponenten (a), (b), (c), (d) und/oder (e) getrennt oder in Kombination vorliegen. Der Kit kann z.B. aus mehreren Sets bestehen, wobei in jedem Set jeweils mindestens eine Komponente gemäß (a) bis (e) enthalten ist, wobei nicht alle Komponenten, wie z.B. die Target-Nukleinsäure, Bestandteil des Kits sein müssen. Dem Fachmann ist durch die Offenbarung des erfindungsgemäßen Verfahrens bekannt, wie er die einzelnen Komponenten gemäß (a) bis (e) in Kontakt bringen muss, um eine Target-Nukleinsäure nachzuweisen.
  • Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Komponenten in dem Kit bereits in Kontakt gebracht sind, z.B. kann das Fänger-Oligonukleotid an die Elektrode und/oder den Elektrodenarray gebunden sein; es ist auch möglich, dass weitere Komponenten nach (a) bis (e) kombiniert oder in einer Teilkombination in dem Kit vorliegen. Es ist daher auch möglich, dass eine bestimmte Komponente kein Bestandteil des Kits ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn nur die Komponenten gemäß (b), (d) und (e) Bestandteil des Kits sind und die Elektrode durch den Anwender bereitgestellt wird. Selbstverständlich ist es möglich, dass der Kit insbesondere die Elektrode und das Fänger-Oligonukleotid oder die Elektrode, das Fänger-Oligonukleotid und das Marker-Oligonukleotid getrennt oder in Kombination bzw. Teilkombination – bereits in Kontakt gebracht – umfasst. Dem Fachmann ist bekannt, dass der Kit weitere Komponenten wie Primer, beispielsweise Universalprimer oder Binde-Moleküle für die Immobilisierung umfassen kann.
  • Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Kits zum Nachweis einer Target-Nukleinsäure in einer Probe. Diese Probe ist insbesondere eine biologische/chemische Probe wie z.B. ein Lebensmittel, eine Abwasser- oder Trinkwasserprobe, Blut oder Serum, eine Gewebeprobe oder anderes; es wird auf die obigen Ausführungen zu der Zusammensetzung der möglichen Proben verwiesen.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden, ohne auf dieses Beispiel beschränkt zu sein.
  • Beispiel
  • Das Verfahren wurde für die Kontrolle von Wässern auf die Anwesenheit von Pathogenen genutzt. Es gibt verschiedene Leit-Keime, deren Anwesenheit in Wässern auf eine Verunreinigung mit Mikroorganismen hinweisen, wie Coliforme, Fäkalstreptokokken, Clostridier, Salmonellen, deren Anwesenheit untersucht wurde. Der Nachweis dieser Keime erfolgt bisher mittels Methoden, die meist einen Schritt der Kultivierung der Keime einschließen. Dadurch wird einerseits für die Methoden ein hoher Arbeits- und Zeitaufwand erforderlich, andererseits können nur kultivierbare Keime nachgewiesen werden, weshalb sich die bisherigen Nachweismethoden bisher auf die kultivierbaren Leitkeime beschränken. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe 1) mit einem DNA-Sensor bzw. DNA-Array-Sensor (2) ist von Vorteil, weil damit parallel verschiedene Mikroorganismen nachgewiesen werden können, die zudem nicht kultivierbar sein müssen, denn ein Kultivierungsschritt ist in dieser Methode nicht erforderlich. Dadurch werden zusätzliche Mikroorganismen überhaupt erst nachweisbar und es entsteht auch ein Vorteil bezüglich des erforderlichen Zeitaufwands.

Claims (11)

  1. Verfahren zur simultanen Detektion unterschiedlicher Target-Nukleinsäuren in einer Probe, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – kovalentes Koppeln einer im Wesentlichen einheitlichen Nachweissequenz an die unterschiedlichen Target-Nukleinsäuren, wodurch Target-Nachweis-Oligonukleotide entstehen, wobei diese zumindest in einem Teilbereich identisch sind, – in Kontakt bringen der Target-Nachweis-Oligonukleotide mit mindestens einer Elektrode oder einem Elektrodenarray umfassend targetspezifische, komplementäre Fänger-Oligonukleotide, die auf den Elektroden oder dem Elektrodenarray fixiert sind, wobei die Target-Nachweis-Oligonukleotide in einer ersten Hybridisierungsreaktion an die komplementären Fänger-Oligonukleotide binden, – Zugabe eines im Wesentlichen einheitlichen Marker-Oligonukleotids umfassend eine zur Nachweissequenz komplementäre Sequenz und ein Markermolekül, wobei in einer zweiten Hybridisierungsreaktion das Marker-Oligonukleotid an alle in der ersten Reaktion gebundenen Nachweissequenzen bindet, – Detektion des Markers.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kovalente Koppeln einer Nachweissequenz an die potentiellen Target-Nukleinsäuren in einer PCR durch die Verwendung von Primern erfolgt, wobei einer der Primer an seinem 5'-Ende mit der nichtprimenden Nachweissequenz modifiziert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Marker ein redoxaktives Molekül, Enzym und/oder Enzymsystem eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als Arbeitselektroden einzeln oder auf einem Array oder Träger angeordnet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitselektroden mit einer Gegenelektrode und/oder Referenzelektrode verwendet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Arbeitselektroden auf die gleiche Spannung polarisiert werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung über den elektrochemischen Nachweis der Oxidation/Reduktion des Markers an der/den Elektroden erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung nach Zugabe von Substrat über den elektrochemischen Nachweis von Bildung/Verbrauch von (Co)Substraten/Produkten einer enzymatischen Reaktion erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine verstärkend wirkende Enzymsequenz für die Nachweisreaktion verwendet wird.
  10. Kit umfassend mindestens (a) eine Elektrode und/oder einen Elektrodenarray, (b) ein Fänger-Oligonukleotid, (c) eine Target-Nukleinsäure, (d) eine Nachweissequenz für die Target-Nukleinsäure und/oder (e) ein Marker-Oligonukleotid.
  11. Verwendung eines Kits nach Anspruch 10 zum Nachweis von einer Target-Nukleinsäure in einer Probe.
DE2002156898 2002-11-29 2002-11-29 Elektrochemischer Nachweis von Nukleinsäuren Expired - Lifetime DE10256898B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2002156898 DE10256898B4 (de) 2002-11-29 2002-11-29 Elektrochemischer Nachweis von Nukleinsäuren

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2002156898 DE10256898B4 (de) 2002-11-29 2002-11-29 Elektrochemischer Nachweis von Nukleinsäuren

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE10256898A1 true DE10256898A1 (de) 2004-09-23
DE10256898A8 DE10256898A8 (de) 2005-01-27
DE10256898B4 DE10256898B4 (de) 2006-01-12

Family

ID=32891729

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2002156898 Expired - Lifetime DE10256898B4 (de) 2002-11-29 2002-11-29 Elektrochemischer Nachweis von Nukleinsäuren

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10256898B4 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005116262A1 (en) * 2004-05-24 2005-12-08 Helicos Biosciences Corporation Methods and devices for sequencing nucleic acids
US7645596B2 (en) 1998-05-01 2010-01-12 Arizona Board Of Regents Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US7981604B2 (en) 2004-02-19 2011-07-19 California Institute Of Technology Methods and kits for analyzing polynucleotide sequences
US9012144B2 (en) 2003-11-12 2015-04-21 Fluidigm Corporation Short cycle methods for sequencing polynucleotides
US9096898B2 (en) 1998-05-01 2015-08-04 Life Technologies Corporation Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US9868978B2 (en) 2005-08-26 2018-01-16 Fluidigm Corporation Single molecule sequencing of captured nucleic acids

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19901761A1 (de) * 1999-01-18 1999-07-01 Gerhard Dr Hartwich Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierungsereignissen
WO1999067628A1 (en) * 1998-06-24 1999-12-29 Therasense, Inc. Multi-sensor array for electrochemical recognition of nucleotide sequences and methods
WO2000032813A1 (en) * 1998-12-01 2000-06-08 Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem Method and system for detecting oligonucleotides in a sample
DE19934084A1 (de) * 1999-07-15 2001-01-18 Universitaetsklinikum Charite Verfahren und Testbesteck zur Markierung von DNA-Fragmenten während einer PCR-Reaktion
DE19921940C2 (de) * 1998-11-23 2003-02-06 Friz Biochem Gmbh Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäureoligomerhybriden

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999067628A1 (en) * 1998-06-24 1999-12-29 Therasense, Inc. Multi-sensor array for electrochemical recognition of nucleotide sequences and methods
DE19921940C2 (de) * 1998-11-23 2003-02-06 Friz Biochem Gmbh Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäureoligomerhybriden
WO2000032813A1 (en) * 1998-12-01 2000-06-08 Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem Method and system for detecting oligonucleotides in a sample
DE19901761A1 (de) * 1999-01-18 1999-07-01 Gerhard Dr Hartwich Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierungsereignissen
DE19934084A1 (de) * 1999-07-15 2001-01-18 Universitaetsklinikum Charite Verfahren und Testbesteck zur Markierung von DNA-Fragmenten während einer PCR-Reaktion

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9725764B2 (en) 1998-05-01 2017-08-08 Life Technologies Corporation Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US7645596B2 (en) 1998-05-01 2010-01-12 Arizona Board Of Regents Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US10214774B2 (en) 1998-05-01 2019-02-26 Life Technologies Corporation Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US10208341B2 (en) 1998-05-01 2019-02-19 Life Technologies Corporation Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US9096898B2 (en) 1998-05-01 2015-08-04 Life Technologies Corporation Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US9212393B2 (en) 1998-05-01 2015-12-15 Life Technologies Corporation Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US9458500B2 (en) 1998-05-01 2016-10-04 Life Technologies Corporation Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US9957561B2 (en) 1998-05-01 2018-05-01 Life Technologies Corporation Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
US9012144B2 (en) 2003-11-12 2015-04-21 Fluidigm Corporation Short cycle methods for sequencing polynucleotides
US9657344B2 (en) 2003-11-12 2017-05-23 Fluidigm Corporation Short cycle methods for sequencing polynucleotides
US7981604B2 (en) 2004-02-19 2011-07-19 California Institute Of Technology Methods and kits for analyzing polynucleotide sequences
WO2005116262A1 (en) * 2004-05-24 2005-12-08 Helicos Biosciences Corporation Methods and devices for sequencing nucleic acids
US9868978B2 (en) 2005-08-26 2018-01-16 Fluidigm Corporation Single molecule sequencing of captured nucleic acids

Also Published As

Publication number Publication date
DE10256898B4 (de) 2006-01-12
DE10256898A8 (de) 2005-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60010058T2 (de) Biochemische reinigungsgeräte mit immobilisierten fangsonden und ihre anwendungen
DE69827375T2 (de) Dissoziation von interagierenden molekülen
DE60208313T2 (de) Mikroelektronischer Detektor auf einem Chip
EP2809803B1 (de) Gemultiplexte digital pcr
EP1693337A1 (de) Makroporöser Träger für chemische Amplifikationsreaktionen
DE10163599B4 (de) Verfahren zur Bestimmung von Nukleinsäureanalyten
DE102005059535B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung eines Nukleinsäure-Tests, sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung
DE10256898B4 (de) Elektrochemischer Nachweis von Nukleinsäuren
DE10259819B4 (de) Verfahren zur PCR-Amplifikation und Detektion von Nucleotidsequenzen
Wang et al. Microfabricated thick-film electrochemical sensor for nucleic acid determination
DE10036174B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren von chemischen oder biologischen Proben
EP1444357B1 (de) Verfahren zum erfassen von nukleinsäuremolekülen mittels mindestens einer einheit zum immobilisieren von nukleinsäuremolekülen und biosensor zum erfassen von nukleinsäuremolekülen
DE60121547T2 (de) Elektrochemisches Verfahren zum Nachweis von Nukleinsäuren
DE10038237A1 (de) Verfahren zum Nachweis von Mutationen in Nucleotidsequenzen
DE10220935B3 (de) Verfahren für die biochemische Analytik von DNA und zugehörige Anordnung
AT413214B (de) Messanordnung und verfahren zur detektion einer dna-sequenz
DE19960398B4 (de) Verfahren und elektrochemischer Sensor mit geheizten Elektroden für die biochemische Analytik, insbesondere zur Untersuchung von Hybridisierungsvorgängen der Nucleinsäuren
DE10228785A1 (de) Detektion von toxischen Algen
DE102020103961B4 (de) Verfahren zum Nachweis von Mikroorganismen, korrespondierende Verwendung und Probenträger
WO2018127386A1 (de) Nukleinsäurebasierter lateral flow-assay für schnelle fleischspeziesbestimmung
EP3865592A2 (de) Oligonukleotidsonde zum spezifischen nachweis von mikroorganismen, korrespondierendes verfahren und verwendung
DE102020103958A1 (de) Oligonukleotidsonde zum spezifischen Nachweis von Mikroorganismen, korrespondierendes Verfahren und Verwendung
DE10227042B4 (de) Verfahren zum Nachweisen, Quantifizieren und/oder Charakterisieren eines Analyten
DE10332804A1 (de) Biosensor
DE10106654A1 (de) Verfahren zum Nachweis und/oder zur Quantifizierung eines Analyten

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWICKLUNG UND HERST, DE

Free format text: FORMER OWNERS: SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWICKLUNG UND HERSTELLUNG BIOELEKTROCHEMISCHER SENSOREN MBH, 04347 LEIPZIG, DE; UFZ-UMWELTFORSCHUNGSZENTRUM LEIPZIG-HALLE GMBH, 04318 LEIPZIG, DE

Effective date: 20131017

Owner name: SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWICKLUNG UND HERST, DE

Free format text: FORMER OWNER: SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWIC, UFZ-UMWELTFORSCHUNGSZENTRUM LEI, , DE

Effective date: 20131017

R082 Change of representative

Representative=s name: GULDE & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWALTSKANZL, DE

Effective date: 20131017

Representative=s name: GULDE HENGELHAUPT ZIEBIG & SCHNEIDER, DE

Effective date: 20131017

R071 Expiry of right