DE19757740C2 - Verfahren zum Nachweis von Assoziations-, Dissoziations-, Verknüpfungs- oder Spaltreaktionen sowie Konformationsänderungen mittels Koinzidenzanalyse - Google Patents
Verfahren zum Nachweis von Assoziations-, Dissoziations-, Verknüpfungs- oder Spaltreaktionen sowie Konformationsänderungen mittels KoinzidenzanalyseInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Assoziations,-
Dissoziations,- Verknüpfungs- oder Spaltreaktionen sowie
Konformationsänderungen mittels Koinzidenzanalyse.
Das Auffinden von Molekülen mit spezifischen Eigenschaften, wie Bindungs,-
Inhibitions- oder katalytischen Eigenschaften, ist eine zentrale Aufgabe in der
Wirkstoffentwicklung und in biotechnologischen Anwendungen. Moleküle mit
derartigen Eigenschaften können entweder entdeckt oder entworfen werden. In
diesem Sinne bedeutet "Entdecken" die Isolierung und das Screening von
Substanzen, während das molekulare Design auf rationale oder evolutive
Techniken zurückgreift. Das rationale Design erfordert fundierte Einblicke in die
molekulare Biophysik, um eine Vorhersage der Struktur-Funktion-Beziehung zu
ermöglichen. Im Gegensatz dazu werden im evolutiven Design Prinzipien der
Darwin'schen Evolution auf molekularer Ebene angewendet und neue bzw.
veränderte Moleküle durch eine Kombination von Mutation, Amplifikation und
Selektion erzeugt. Die Anwendung evolutiver Techniken in der Biotechnologie -
sog. evolutive Biotechnologie - wurde von Eigen und Gardiner zu Beginn der
achziger Jahre vorgeschlagen und hat inzwischen eine breite Akzeptanz gefunden.
Leider ist jedoch in vielen evolutiven Ansätzen der Prozeß der Selektion nicht
unmittelbar an die Amplifikation geknüpft. Selektionsprozesse müssen daher
oftmals künstlich eingeführt werden. Dies kann beispielsweise im sog. Hochdurch
satzscreening (HTS) in Kombination mit einem geeigneten Assay erfolgen.
HTS-Prozesse unterliegen ökonomischen Beschränkungen. Zur Prozessierung
einer Vielzahl von Proben ist es daher erforderlich, daß die Analysezeit der
einzelnen Probe extrem gering ist. In den letzten Jahren erfolgten daher große
Anstrengungen in der Miniaturizierung, Parallelisierung und Automation der
Screeningtechnologie sowie in der Entwicklung von homogenen Assays und der
Integration hochsensitiver und schnellarbeitender Detektionsvorrichtungen. Unter
der Vielzahl alternativer Detektionsprinzipien haben fluoreszenzbasierende
Techniken - wie FRET, Quenching, Fluoreszenzpolarisation, zeitaufgelöste
Fluoreszenztechniken und Fluoreszenzkorrelationsspektrokopie (FCS) - starken
Anklang gefunden.
Im Rahmen der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie werden Fluoreszenzfluktua
tionen von einzelnen Molekülen eines insbesondere im Femtoliter-Bereich
liegenden Meßvolumenelementes gemessen und durch Evaluierung der Auto
korrelationsfunktion der Einfarben-Fluoreszenzsignale molekulare Diffusions
charakteristiken ermittelt. Die Grundlagen der FCS und ihre Anwendung auf
insbesondere biologische Fragestellungen sind in vielfältigen Artikeln und
Patentanmeldungen beschrieben (z. B. Eigen und Rigler, Proc. Natl. Acad. Sci. USA
91, 5740-5747, 1994, WO 94/16313).
Die Fluoreszenzkreuzkorrelationsspektroskopie oder sog. Zweifarben-FCS ist
ebenfalls Gegenstand einiger Veröffentlichungen. Die Zweifarben-FCS wurde zu
Beginn der neunziger Jahre von Eigen und Rigler (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91,
5740-5747) vorgeschlagen und wird ebenfalls in der unter WO 94/16313
veröffentlichten internationalen Patentanmeldung erörtert. Applikationen dieser
Technik bei der Untersuchung von Hybridisierungskinetiken wurden von Schwille
et al. (Biophysical Journal, Vol. 72, 1878-1886, 1997) beschrieben.
Die in der Literatur beschriebenen Anwendungen der Fluoreszenzkreuzkorrelation
zeigen, daß bislang Analysezeiten von 30 bis 120 s notwendig sind, um eine
hinreichend genaue Bestimmung der Kreuzkorrelationsamplituden und
Diffusionszeiten zu ermöglichen. Derartig lange Analysezeiten sind nicht oder nur
bedingt für ein Hochdurchsatzscreening geeignet. Es bedarf somit Verbesserungen
der Signalprozessierung.
In der Literatur sind ferner verschiedene Signalverarbeitungsverfahren
beschrieben worden, um Signale vom Hintergrundrauschen zu trennen.
In Tellinghuisen et al. (Analytical Chemistry 66, No. 1, 64-72, 1994) wird ein
Verfahren für die Fluoreszenz-Lebensdauerspektroskopie beschrieben, das dazu
dienen soll, die von der Lichtquelle, in diesem Fall von einem Laser stammenden
Photonen aus dem Gesamtsignal herauszufiltern. Dazu wird der Signalzählerstrom
mit dem Triggersignal, d. h. dem Anregungspuls des gepulsten Lasers, verglichen.
Kommt ein Photon im Rahmen der Lichtgeschwindigkeit zeitgleich mit dem
Anregungspuls an, so wird es als Streulichtpuls identifiziert und gelöscht.
in Keller et al. (Applied Spectroscopy 50, No. 7, 12A-32A, 1996) wird ein weiteres
Verfahren für die Analyse von Fluoreszenzlebensdauern beschrieben. In diesem
Verfahren werden die Zeitdifferenzen zwischen am Detektor eintreffenden, zeitlich
aufeinanderfolgenden Impulsen bestimmt, indem die Anzahl von Triggerpulsen, die
mit 100 kHz erzeugt werden, zwischen zwei aufeinanderfolgenden Photonen
gezählt wird. Diese Zahlen werden in aufeinander folgenden Kanälen eines MCS
(engl. "multichannel scaler") gespeichert. Anschließend wird dieses MCS-Signal
einer zeitlichen, schnellen Fouriertransformation (FFT) zur Glättung unterworfen.
Liegen nach der FFT wenigstens 5 Zeitdifferenzen des geglätteten Signals
unterhalb eines visuell bestimmten Schwellenwertes, so wird das Signal für die
gesamte Zeitdauer, während der die Zeitdifferenzen kontinuierlich unterhalb des
visuell bestimmten Schwellenwertes liegen, als zusammengehörig erachtet und als
Fluoreszenzanteil, im wissenschaftlichen Sprachgebrauch seit einiger Zeit "burst"
genannt, bewertet. Anschließend wird das so gefilterte Signal in bezug auf die
Fluoreszenzlebensdauer ausgewertet. Allerdings verwenden die Autoren hier nur
Signalanteile, bei denen mehr als 25 Zeitdifferenzen unterhalb des visuell
bestimmten Schwellenwertes liegen.
Aufgabe der folgenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine
zuverlässige und schnelle Detektion von Assoziations-, Dissoziations-,
Verknüpfungs- und Spaltreaktionen sowie Konformationsänderungen ermöglicht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die weiteren Patentansprüche betreffen
bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Nachweis von Assoziations,-
Dissoziations,- Verknüpfungs- oder Spaltreaktionen sowie
Konformationsänderungen von Analyten in einer Probe mittels Koinzidenzanalyse,
wobei
- - die Probe mindestens zwei mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierte Analyte oder einen mit mindestens zwei unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierten Analyten enthält,
- - die Probe zur Anregung der Fluoreszenzemission der mindestens zwei Farbstoffe von mindestens einem Laser beleuchtet wird,
- - die von der Probe ausgehenden, aus mindestens einem Meßvolumenelement V stammenden Fluoreszenzsignale mittels mindestens zweier Detektionseinheiten detektiert werden,
- - die jeweils in den Detektionseinheiten detektierten Signale in beliebige Abschnitte zerlegt werden,
- - die Anzahl der in mindestens einem Zeitabschnitt enthaltenen Signale und/oder die Zeitintervalle zwischen Signalen in den Zeitabschnitten ermittelt werden,
- - für mindestens einen Zeitabschnitt der ersten Detektionseinheit eine Koinzidenz analyse der ermittelten Daten mit mindestens einem Zeitabschnitt der zweiten Detektionseinheit durchgeführt wird, wobei die Koinzidenzanalyse eine Kreuzkorrelation unter Ermittlung der Kreuzkorrelationsamplitude G(0) und/oder eine logische UND-Verknüpfung beinhaltet,
- - mindestens eine Statistik der Resultate der Koinzidenzanalyse erstellt wird, und/oder die Resultate einer Schwellenwertanalyse unterzogen werden,
- - diese oder mindestens eine Kombination mehrerer Statistiken nach dem Vorhandensein von Merkmalen, welche für eine Assoziations,- Dissoziations,- Verknüpfungs- oder Spaltreaktion oder Konformationsänderungen charakteristisch sind, bewertet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Meßvolumenelement V weniger
als 10-12 l.
Es ist weiterhin bevorzugt, daß die Detektionseinheiten unterschiedliche spektrale
Detektionsempfindlichkeiten aufweisen.
Insbesondere kann im Rahmen der Koinzidenzanalyse die Koinzidenz durch
Kreuzkorrelation und/oder logische UND-Verknüpfung ermittelt werden. Bei der
Kreuzkorrelation ist es bevorzugt, die Amplitude G(0) zu bestimmen. Es ist jedoch
auch möglich, die Amplitude G(τ) für die Koinzidenzanalyse heranzuziehen.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, die Probe mittels eines Lesers zu beleuchten,
der elektromagnetische Strahlung mindestens einer Wellenlänge emittiert, die
geeignet ist, die mindestens zwei in der Probe enthaltenen Farbstoffe anzuregen.
Es ist jedoch auch möglich, Laser zu verwenden, die mehr als eine Wellenlänge
emittieren, oder mehrere Laser zur Anregung der Fluoreszenzemission
einzusetzen.
Abhängig von der gewünschten Toleranz für falsch-positive bzw. falsch-negative
Resultate ist es möglich, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter
Verwendung der Kreuzkorrelationsanalyse Analysezeiten im Bereich von 1 bis 2 s
zu erzielen. Schnellere Analysen können durch eine on-line Evaluierung der
Kreuzkorrelationsdaten ermöglicht werden. Das Korrelationsverfahren ist ein
Echtzeitprozeß, so daß ein on-line Fitting während des Korrelationsverfahrens
möglich ist. Im Falle des Screenings auf Restriktionsendonukleaseaktivität sollten
i. d. R. die meisten Proben negativ sein, da eine spezifische Enzymaktivität in einer
beliebigen Library ein relatives seltenes Ereignis darstellt. Obwohl die
Verteilungsfunktionen der negativen Proben bei Analysezeiten von 760 ms relativ
breit sind, können dennoch Zweidrittel klar von positiven Referenzen unterschieden
werden (siehe Fig. 5). Bei Verwendung einer Gauss'schen Funktion für positive
Proben und Festsetzung einer Toleranzschwelle, welche die Anzahl nicht
identifizierter positiver Proben in einem Screeninglauf definiert, kann ein
Schwellenwert für G(0) für eindeutig negative Proben definiert werden. Alle Proben
mit einem G(0)-Wert unterhalb dieses Schwellenwertes können unmittelbar einer
weiteren Analyse mit derselben Analysezeit zugeführt werden. Es resultiert somit
eine verdoppelte Analysezeit, für die wiederum ein Schwellenwert definiert wird.
Da die Verteilungsfunktionen bei Analysezeiten von 1.6 ms signifikant besser
separiert sind, werden die meisten Proben als falsch-posititive identifiziert. Positive
Proben werden nochmaligen Analysen zugeführt, bis die gewünschte Signifikanz
erreicht ist. Es ist somit möglich, mit im Einzelfall zu bestimmenden Analysezeiten
unter Zugrundelegen eines gewünschten Signifikanzniveaus eine adaptive
Auswertung durchzuführen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht zwingend notwendig, eine
Korrelation durchzuführen, wie es eine fundamentale Voraussetzung für die
Einfarben-FCS ist. Die Zweifarben-Fluoreszenzkreuzkorrelation ist unabhängig von
Massenunterschieden und basiert auf der Identifikation von Fluktuationen, die
simultan in zwei Detektionskanälen auftreten. Die Koinzidenzanalyse kann somit
durch ein logisches UND bzw. Multiplikationsglied auf Hardwareebene realisiert
werden.
Ein besonders hervorzuhebender Vorteil für die Entwicklung von homogenen
Assays auf der Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere unter
Anwendung der Zweifarben-Fluoreszenzkreuzkorrelationsanalyse, ist die generelle
Anwendbarkeit und Flexibilität der Methode. Das Targetdesign für konventionelle
Einfarben-FCS ist limitiert durch die Notwendigkeit, positive und negative Proben
über die Diffusionszeiten der fluoreszenten Moleküle zu unterscheiden. Andere
Fluoreszenztechniken wie FRET oder Fluoreszenzquenching sind dadurch
eingeschränkt, daß zwei Fluorophore sich in geeigneter räumlicher Nähe
zueinander befinden müssen. Sie können jedoch zum Nachweis von
Konformationsänderungen durchaus geeignet sein. Fluoreszenzpolarisation
erfordert eine veränderte Fluorophorflexibilität, um eine Reaktion detektieren zu
können. Auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierende Assays unterliegen
nicht diesen Limitationen. Das Screening auf enzymatische Aktivität sowie auch auf
Inhibitoren enzymatischer Prozesse wird entscheidend vereinfacht. Unter
Anwendung der Prinzipien der evolutiven Biotechnologie in Kombination mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren und neuen Mutagenesetechniken eröffnen sich
Möglichkeiten für das Design bzw. die Optimierung einer Vielzahl katalytischer
Funktionen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausführungsformen zeichnen sich
durch folgende Vorteile aus:
Bei Erzeugung eines zweifarbigen Anregungslichtes in nur einer Lichtquelle wird
ein geringerer Justageaufwand erforderlich. Es ergibt sich eine Erhöhung der
Stabilität bezüglich der Deckungsgleichheit der beiden konfokalen
Volumenelemente. Störende Wellenlängen außerhalb der spektralen Anregungs
bereiche bzw. innerhalb der Emissionsbereiche der beiden Marker-Fluorophore
können durch geeignete optische Filter herausgefiltert werden. Eine Anpassung
der relativen Intensitäten und Strahldurchmesser für beide Farben kann ebenfalls
unter Verwendung geeigneter Filter erfolgen.
Unter Verwendung einer flexiblen on-line Auswertung lassen sich sehr kurze
Untersuchungszeiten je Einzelprobe von « 1 s erzielen. Die Meßzeit für positive
Proben läßt sich zyklisch verlängern, so daß Probencharakterisierung und
Validierung in das Screening integriert werden. Die Minimierung der
Untersuchungszeit jeder Einzelprobe führt zu einer Optimierung der Gesamtunter
suchungszeit im Screening. Erfindungsgemäß ist eine Reduktion der Auswertung
von Korrelationsdaten auf die Korrelationsamplitude bei gleichzeitiger starker
Einschränkung der freien Fitparameter möglich.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich die Substratkonzentration bis in
den subpikomolaren Bereich verringern.
Fig. 1 zeigt typische Kreuzkorrelationskurven, die von Proben mit bzw. ohne
Restriktionsendonukleaseaktivität bei verschiedenen Analysezeiten erhalten
wurden.
Fig. 2 zeigt die Mittelwerte der jeweiligen einzelnen Kreuzkorrelationspunkte und
ihre Standardabweichungen, die von Proben mit bzw. ohne Restriktionsendo
nukleaseaktivität erhalten wurden.
Die in Fig. 3 dargestellten Histogramme zeigen die Verteilungen der evaluierten
Kreuzkorrelationsamplituden G(0), die von Proben mit bzw. ohne Restriktionsendo
nukleaseaktivität unter Verwendung von Lochblenden unterschiedlichen
Durchmessers erhalten wurden.
Fig. 4 verdeutlicht den Einfluß der Substratkonzentration auf den Überlapp
zwischen den Verteilungsfunktionen von Proben mit und ohne enzymatische
Aktivität.
Fig. 5 zeigt die Applikation des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein simuliertes
Hochdurchsatzscreening auf Restriktionsendonukleaseaktivität.
Fig. 6 verdeutlicht eine bevorzugte Ausführungsform des optischen Aufbaus unter
Verwendung eines Zweifarben-Fluoreszenzkreuzkorrelationsspektrometers.
Fig. 1 zeigt typische Kreuzkorrelationskurven, die von Proben mit bzw. ohne
Restriktionsendonukleaseaktivität bei verschiedenen Analysezeiten erhalten
wurden. Die Assays wurden unter Verwendung von 10 nM markiertem DNA-
Substrat, welches für 3 Stunden bei 37°C mit 0.25 U/µl EcoRI (untere dünne
Linien) bzw. ohne Zusatz von Enzym (obere Linien in Fettdruck) inkubiert wurde,
durchgeführt. Die Korrelationszeiten betrugen 760 ms (gepunktete Linien) und 120
s (durchgezogene Linien). Die verwendete Lochblende wies einen Durchmesser
von 30 µm auf. Die Anregungsintensitäten betrugen 19 kW/cm2 (488 nm) bzw. 15
kW/cm2 (633 nm). Die bei kurzen Analysezeiten erhaltene Kreuzkorrelationskurve
ist verrauschter als die bei langen Analysezeiten erhaltene Kreuzkorrelationskurve.
Dennoch stimmen die charakteristischen Diffusionszeiten und Partikelzahlen
hinreichend überein, um die Aussage zu erlauben, daß die erhaltenen Kurven
dieselbe Information enthalten.
Fig. 2 zeigt die Mittelwerte der jeweiligen einzelnen Kreuzkorrelationswerte τ und
ihre Standardabweichungen, die von Proben mit bzw. ohne Restriktionsendo
nukleaseaktivität erhalten wurden. Die Assays wurden unter Verwendung von 1 nM
markiertem DNA-Substrat, welches für 3 Stunden bei 37°C mit 0.25 U/µl EcoRI
(untere dünne Linie) bzw. mit 0.25 U/µl HindIII (obere Linie in Fettdruck) inkubiert
wurde, durchgeführt. Die Korrelationszeiten betrugen 1.6 s. Die verwendete
Lochblende wies einen Durchmesser von 30 µm auf. Die Anregungsintensitäten
betrugen 38 kW/cm2 (488 nm) bzw. 31 kW/cm2 (633 nm). Es zeigt sich, daß die
Standardabweichungen bei τ-Werten unterhalb von 0.01 ms drastisch erhöht sind.
Die in Fig. 3 dargestellten Histogramme zeigen die Verteilungen der evaluierten
Kreuzkorrelationsamplituden G(0), die von Proben mit bzw. ohne Restriktionsendo
nukleaseaktivität unter Verwendung von Lochblenden unterschiedlichen
Durchmessers erhalten wurden. Die Balken bezeichnen die Anzahl der G(0)-Werte,
die in einer Binweite von 0.0015 (30 µm), 0.0026 (10 µm) bzw. 0.00062 (60 µm)
liegen. Der Hauptteil der Abbildung zeigt die Verteilungsfunktionen von Proben mit
(gepunktete Balken) bzw. ohne (durchgezogene Balken) enzymatischer Aktivität
bei optimalem Lochblendendurchmesser (30 µm); der Überlapp zwischen den
Gauss-Kurven beträgt hier 0.6%. Er beträgt 2.4% bei einem Lochblendendurch
messer von 10 µm bzw. 3.4% bei einem Lochblendendurchmesser von 60 µm. Die
Assays wurden unter Verwendung von 10 nM gelabeltem DNA-Substrat durch
geführt, weiches für 3 Stunden bei 37°C mit 0.25 U/µl EcoRI (gepunktete Balken)
bzw. mit 0.25 U/µl HindIII (durchgezogene Balken) inkubiert wurde. Die Korrela
tionszeiten betrugen 1.6 s. Die Anregungsintensitäten betrugen 38 kW/cm2 (488
nm) bzw. 31 kW/cm2 (633 nm). Der ermittelte optimale Lochblendendurchmesser
reflektiert offenbar den Kompromiß zwischen der Zunahme der Detektionseffizienz
mit zunehmendem Lochblendendurchmesser (bedingt durch eine erhöhte
Aufenthaltsdauer der Fluorophore im Fokus) und der Abnahme des Signal-Rausch-
Verhältnisses mit zunehmendem Lochblendendurchmesser (bedingt durch einen
erhöhten Fluoreszenzuntergrund).
Fig. 4 verdeutlicht den Einfluß der Substratkonzentration auf den Überlapp
zwischen den Verteilungsfunktionen von Proben mit und ohne enzymatische
Aktivität. Die Assays wurden wie in der Legende zu Fig. 3 beschrieben unter
Verwendung eines Lochblendendurchmessers von 30 µm durchgeführt. Die
Separation der Verteilungsfunktionen erhöhte sich mit zunehmender
Konzentration.
Fig. 5 zeigt die Applikation des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein simuliertes
Hochdurchsatzscreening auf Restriktionsendonukleaseaktivität. Die Proben wurden
zyklisch gescreent (insgesamt 500 Messungen). Der linke Teil der Fig. 5 zeigt die
Verteilungsfunktionen von Proben mit (BamHI, offene Balken) und ohne (HindIII,
schwarze Balken) spezifische Endonukleaseaktivität bei Analysedauern von 760
ms (1a), 1.6 s (2a), 3.6 s (3a) und 7.6 s (4a). Die Verteilungsfunktionen der
Kreuzkorrelationsamplituden G(0) wurden wie in der Legende zu Fig. 3
beschrieben evaluiert. Die Binweite betrug 0.0015. Der rechte Teil der Fig. 5
verdeutlicht die Separationseffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels
Gauss-Fitting bei reinem Substrat (durchgezogene Linie), Hindill (durchgezogene
Linie in Fettdruck), BamHI (gepunktete Linie in Fettdruck), EcoRI (gepunktete Linie)
und Sspl (gestrichelte Linie). Der Überlapp betrug 2.6-5.4% (760 ms), 0.1% (1.6
s), < 0.002% (3.6 s) bzw. << 10-5% (7.6 s). Die Assays wurden in einem Volumen
von 5 µl unter Verwendung von 10 nM gelabeltem DNA-Substrat durchgeführt,
weiches für 3 Stunden bei 37°C mit 0.25 U/µl HindIII, 0.1 U/µl BamHI, 0.25 U/µl
EcoRI, 0.08 U/µl Sspl bzw. ohne Zugabe von Enzym inkubiert wurde. Die
Anregungsintensitäten betrugen 19 kW/cm2 (488 nm) und 15 kW/cm2 (633 nm). Der
Lochblendendurchmesser betrug 30 µm. Es zeigt sich, daß mit zunehmender
Analysezeit die Verteilungsfunktionen schmaler wurden und somit die Mittelwerte
klar zu separieren sind.
Fig. 6 zeigt den optischen Aufbau eines Zweifarben-Fluoreszenzkreuzkorrela
tionsspektrometers. Zwei parallele Laserstrahlen eines Argon-Ionen-Lasers (488
nm) und eines Helium-Neon-Lasers (633 nm) passieren ein Wasserimmersions
objektiv (40x, N.A. = 1.2) in einem Epi-Illuminationsaufbau, so daß die zwei
übereinandergelagerten Foci in der Probe ein konfokales Meßvolumenelement in
der Größenordnung von Femtolitern bilden. Das emittierte Fluoreszenzlicht wird
durch das Mikroskopobjektiv gesammelt, mittels dichroitischem Spiegel vom
Anregungs-strahlengang separiert und mittels einer Linse auf eine Lochblende
fokussiert. Die Lochblende variablen Durchmessers ist in der Bildebene der Linse
angeordnet und kann in x-, y- und z-Richtung justiert werden. Die
Fluoreszenzemission wird parallelisiert, durch einen dichroitischen Spiegel in eine
grüne und rote Fraktion separiert und auf zwei Avalanche-Photodioden
refokussiert.
Typ II Restriktionsendonukleasen (E.C. 3.1.21.4) EcoRI (25 U/µl), BamHI (10 U/µl),
Sspl (8 U/µl) und HindIII (25 U/µl) wurden von der Fa. Stratagene (La Jolla, CA)
erworben; die Enzymaktivitäten sind in Klammern angegeben. Fluoreszenz
markierte 66 nt Oligonukleotide Cy5-ATGGCTAATGACCGAGAATAGGGATCCGAA
TTCAATATTGGTACCTACGGGCTTTGCGCTCGTATC und RhG-
GATACGAGCGCAAAGCCCGTAGGTACCAATATTGAATTCGGATCCCTATTCTCG
GTCATTAGCCAT wurden durch die Fa. MWG-Biotech (Ebersberg, Deutschland)
synthetisiert und HPLC-gereinigt; das erste Oligonukleotid weist am 5'-Terminus als
Fluoreszenzmarker Cy5 (Amersham, UK) auf, während das zweite Oligonukleotid
mit Rhodamine Green RhG (Molecular Probes) gelabelt ist. Bei Hybridisierung der
beiden komplementären Stränge ergeben sich Erkennungsstellen für BamHI
(einfach unterstrichen), EcoRI (doppelt unterstrichen) und Sspl (gepunktet). Die
Hybridisierung der komplementären Stränge erfolgte bei Konzentrationen von 1 µM
in 100 mM KOAc, 25 mM Tris-Acetat, pH 7.6, 10 mM MgOAc, 0.5 mM β-
Mercaptoethanol, 10 µg/ml BSA unter Erhitzen der Lösung auf 94°C und
anschließendes Abkühlen auf 23°C mit einem Temperaturgradienten von 1.2
°C/min. Als Resultat entstand ein zweifach-markierter DNA-Doppelstrang mit
Erkennungsstellen für BamHI, EcoRI und Sspl.
Endonuklease-Assays wurden für 3 Stunden bei 37°C durchgeführt. Der
Reaktionspuffer enthielt 150 mM KOAc, 37.5 mM Tris-Acetat, pH 7.6, 15 mM
MgOAc, 0.75 mM β-Mercaptoethanol, 515 µg/ml BSA, 0.05% Triton X-100, 0.5%
Glycerol, 1-20 nM getabeltes DNA-Substrat und überschüssige Anteile (0.08-
0.25 U/µl) an Restriktionsenzymen BamHI, EcoRI, Sspl und Hindill.
Die Messungen erfolgten unter Verwendung eines Zweifarben-Fluoreszenzkreuz
korrelationsspektrometers (Dual-color ConfoCor, C. Zeiss, Oberkochen,
Deutschland). Das konfokale Meßvolumen von 0.44 fl wurde durch Überlagerung
der Foci eines Argon-Ionen-Lasers (488 nm) und eines Helium-Neon-Lasers (633
nm) gebildet. Die Fluoreszenzemissionssignale wurden separat unter Verwendung
von zwei Avalanche-Photodioden detektiert; im Emissionsstrahlengang befand sich
eine konfokal angeordnete Lochblende. Das Spektrometer war mit einem
Thermostaten ausgestattet. Der Fokus wurde 100 µm über dem Boden des
jeweiligen Probengefäßes positioniert. Die Meßtemperatur betrug 22°C. Die
Proben wurden in Probenträgern im Mikrotiterplattenformat vorgelegt. Hierbei
handelte es sich entweder um kontaminationsfrei verschlossene Plastikfolien (Max-
Planck-Institut für Biophysikalische Chemie) oder um kommerzielle
Deckglaskammern (Nunc, Dänemark).
Der theoretische Hintergrund der Kreuzkorrelationsanalyse wurde detailliert von
Schwille et al. (Biophys. J. 72, 1878-1886, 1997) beschrieben. Auf den
Offenbarungsgehalt dieser Publikation wird Bezug genommen. Die Daten der
Kreuzkorrelation wurden unter Verwendung eines dreidimensionalen Modells für
einzelne diffundierende Partikel evaluiert (Rigler und Widengren, Bioscience 3, 180-
183, 1990):
G(0) bezeichnet die Korrelationsamplitude bei τ = 0, welche proportional zur
Konzentration zweifach-gelabelter Moleküle im zylindrischen Meßvolumen des
Radius r0 und der halben Länge z0 ist. Der Parameter τDiff steht gemäß der
Gleichung τDiff = r0 2/4D in einem umgekehrt proportionalen Zusammenhang zum
Diffusionskoeffizienten D. Die experimentellen Daten wurden unter Anwendung
des Access 2.0 Programms der Fa. EVOTEC BioSystems GmbH mittels nicht
linearem Least-square Marquardt-Fit prozessiert. G(0) war der einzige freie
Parameter bei der Evaluierung der Kreuzkorrelationsmessungen. Der Struktur
parameter z0/r0 wurde mittels Autokorrelationsmessungen an freier Farbstofflösung
ermittelt; die durchschnittliche Diffusionszeit τDiff des Substrates wurde mittels einer
60 s Messung ohne Zusatz von Enzym bestimmt. Beide Parameter wurden im
Fitting der Kreuzkorrelationsdaten vorgegeben.
Ein typisches Set Kreuzkorrelationsmessungen enthielt 100 Kurven, welche unter
Verwendung von Akkumulationszeiten zwischen 760 ms und wenigen Sekunden
aufgenommen wurden. Aus jedem Set wurde die Amplitude G(0), welche mittels
Fitting erhalten wurde, in einem Histogramm aufgetragen (Details siehe Fig. 3).
Die Analyse ergab, daß die G(0)-Verteilungsfunktionen mittels Gauss-Funktion
approximiert werden können. Die Mittelwerte der Gauss-Funktionen
korrespondieren mit den durchschnittlichen Konzentrationen der Fluorophore,
während die Standabweichungen die Streuung der einzelnen Messungen wider
spiegeln. Um ein Maß für die Unterscheidbarkeit der Verteilungsfunktionen zu
erhalten, wurde die Überlappungsfläche der gefitteten Gauss-Funktionen durch
Integration der Gauss-Funktionen ermittelt. Die Überlappungsflächen wurden
standardisiert, so daß ein 100% Überlapp Gauss-Funktionen mit identischem
Mittelwert und identischer Standardabweichung entspricht.
Claims (6)
1. Verfahren zum Nachweis von Assoziations,- Dissoziations,- Verknüpfungs- oder
Spaltreaktionen sowie Konformationsänderungen von Analyten in einer Probe mittels
Koinzidenzanalyse, wobei
- 1. die Probe mindestens zwei mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierte Analyte oder einen mit mindestens zwei unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierten Analyten enthält,
- 2. die Probe zur Anregung der Fluoreszenzemission der mindestens zwei Farbstoffe von mindestens einem Laser beleuchtet wird,
- 3. die von der Probe ausgehenden, aus mindestens einem Meßvolumenelement V stammenden Fluoreszenzsignale mittels mindestens zweier Detektionseinheiten detektiert werden,
- 4. die jeweils in den Detektionseinheiten detektierten Signale in beliebige Zeitabschnitte zerlegt werden,
- 5. die Anzahl der in mindestens einem Zeitabschnitt enthaltenen Signale und/oder die Zeitintervalle zwischen Signalen in den Zeitabschnitten ermittelt werden,
- 6. für mindestens einen Zeitabschnitt der ersten Detektionseinheit eine Koinzidenz analyse der ermittelten Daten mit mindestens einem Zeitabschnitt der zweiten Detektionseinheit durchgeführt wird, wobei die Koinzidenzanalyse eine Kreuzkorrelation unter Ermittlung der Kreuzkorrelationsamplitude G(0) und/oder eine logische UND-Verknüpfung beinhaltet,
- 7. mindestens eine Statistik der Resultate der Koinzidenzanalyse erstellt wird und/oder die Resultate einer Schwellenwertanalyse unterzogen werden,
- 8. diese oder mindestens eine Kombination mehrerer Statistiken nach dem Vorhandensein von Merkmalen, welche für eine Assoziations,- Dissoziations,- Verknüpfungs- oder Spaltreaktion oder Konformationsänderungen charakteristisch sind, bewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßvolumenelement
V ≦ 10-12 l ist.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Detektionseinheiten unterschiedliche spektrale Detektionsempfindlichkeiten
aufweisen.
4. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probe von einem Laser beleuchtet wird, der elektromagnetische Strahlung
mehrerer Wellenlängen emittiert.
5. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probe von mehreren Lasern beleuchtet wird.
6. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß eine flexible on-line Auswertung verwendet wird.
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