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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren der Interaktion
zwischen einer oder mehreren molekularen Spezies, ein Verfahren
zum Identifizieren molekularer Spezies, eine Vorrichtung zum Analysieren
der Interaktion zwischen einer oder mehreren molekularen Spezies
und eine Vorrichtung zum Identifizieren molekularer Spezies, und
ein Substrat zum Analysieren der Interaktion und zum Identifizieren
molekularer Spezies.
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Die
körperliche
Gesundheit und Identität
eines Organismus kann durch die Expression bzw. Vorhandensein einer
markanten Gruppe molekularer Spezies charakterisiert werden. Während sie
gemeinsam von dem Organismus verwendet werden, kann durch diese
Moleküle
bereitgestellte Information gegenwärtig in Gruppen von Molekülklassen
oder Gruppen (z. B. Fette, Nährstoffe,
Vitamine, Proteine und Gene) eingeteilt werden. Für jede dieser
Gruppen ist eine Reihe von Analysetechniken entwickelt worden, die
die Identität,
Expression bzw. das Vorhandensein und die Reaktivität eines
gegebenen Moleküls
oder einer Klasse von Molekülen
zum Gegenstand haben.
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Gegenwärtig unterscheiden
diese Techniken ein Molekül
entweder durch Charakterisierung der dreidimensionalen Atomstruktur
des Moleküls
oder durch Sammeln von Information basierend darauf, wie das Molekül mit anderen
Molekülen
interagiert. Diese Unterscheidung wird unter Verwendung von 4-Nitrophenol (1)
erläutert.
Strukturell kann man ein unbekanntes Molekül als 4-Nitrophenol identifizieren, wenn seine
atomare Architektur jener entspricht, die im oberen Teil von 1 dargestellt
ist. Die strukturellen Merkmale eines Moleküls (3) werden gegenwärtig unter
Verwenden einer Kombination aus Röntgenstrahlkristallographie,
Massenspektroskopie, Kernresonanzspektroskopie und Elementaranalyse bestimmt.
Diese Werkzeuge stellen ein Mittel zur Charakterisierung bereit.
Eine Anwendung dieser oder ähnlicher
Verfahren wird hier als strukturelle Charakterisierung (3)
bezeichnet.
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Die
zweite Klasse oder zweiten Diagnosetechniken (4) klassifiziert/klassifizieren
ein Molekül durch
Untersuchen, wie die Anwendung einer Einheit die Art und Weise verändert, in
der ein gegebenes Molekül
mit einer Gruppe von anderen Molekülen interagiert, die als Messelement
bezeichnet wird. Wie unten in 1 dargestellt
ist, kann 4-Nitrophenol identifiziert werden durch das Erscheinen
einer hellgelben Farbe (2) nach Zugeben einer wässrigen
Natriumhydroxidlösung.
Hier wirkt das Auge des Anwenders als der Sensor und die Zugabe
von Natriumhydroxid wirkt als das, was als ein Manipulator definiert
ist. Das Studium der photophysikalischen, kinetischen und thermodynamischen
Eigenschaften dieser Antwort dient auch dazu, die Identifikation
von 4-Nitrophenol (1) weiter zu verfeinern. Moderne molekulare
Diagnoseverfahren verwenden eine Vielzahl an Manipulatoren und Sensoren,
beruhend auf sehr genauen bzw. verfeinerten magnetischen, elektrischen,
optischen, thermischen und physiochemischen Feldern. Die molekulare
Spezifität
eines jeden diagnostischen Werkzeugs ist hier definiert in Form einer
Funktion seines Manipulators und der Selektivität seines Sensors.
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Jüngere Fortschritte
bei der Moleküldiagnose
haben sich aus dem Erlernen ergeben, wie photophysikalische, elektrochemische
oder spektroskopische Ereignisse korreliert sind mit einem stationären zweidimensionalen
Raum, wie er bei Fluoreszenz- oder elektronischen Mikroarray-Verfahren
verwendet wird, einem treibenden (Orig.: "floating") dreidimensionalen Objekt, wie es bei
Bead-Screening-Technologien
betrachtet wird, einem winzigen Volumenelement, wie es bei Single-Molecule-Spektroskopien
betrachtet wird, oder digitaler Optik. Jeder dieser Wege beruht
auf einem vorgeschriebenen Informationsfluss. Dieser Fluss ist nicht
eine wirkliche Einheit, sondern skizziert eher einen Transfer von
Information. Die Organisation dieses Flusses kann die Auflösung von
molekularen Analysen dramatisch beschleunigen und verbessern, wie
in den US-Patenten Nr. 6,060,023, 6,048,692, 5,968,728 beschrieben worden
ist.
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Teilweise
ist ein neues Betriebssystem offenbart worden, um den Informationsfluss
für Moleküldiagnosen
darzustellen. Wie weiter in 2 dargestellt ist,
existiert dieses System innerhalb von drei funktionellen Einheiten, nämliche einem
Erzeuger (5 oder 9), einem Substrat (6 oder 10)
und einem Prozessor (7 oder 11). Die Information
beginnt bei dem Erzeuger (5 oder 9). Üblicherweise
ist der Erzeuger (5 oder 9) entweder eine Person
oder ein Softwaresystem oder Computer oder Roboter, die/das/der
eine Liste an Molekülabfragen
organisiert oder ausbringt (Orig.: "maps").
Der Zweck des Erzeugers (5 oder 9) ist es, jeden
Sensor oder jedes Sensorelement zu codieren, so dass er/es ein gegebenes
Molekül
oder eine Klasse an Molekülen
erkennt (d. h. Sensor A1 für
Molekül 1,
Sensor A2 für
Molekül
2, usw.). Diese Information wird dann in ein natives Substrat (6)
inkorporiert. Das native Substrat (6) überträgt die Information des Erzeugers
bei einem gegebenen Molekülzustand.
Das native Substrat wird dann durch Anwendung eines Manipulators
(8) wiederum ausgesetzt (Orig.: "exposed"). Der Manipulator (8) ist
eine Einheit oder eine Gruppe von Einheiten, die die molekulare
Zusammensetzung des Substrats verändert. Diese Einheiten können entweder
eine physikalische Kraft, eine geometrische Dimension, Zeit, oder
eine Sammlung an molekularer Spezies sein. Bei diesem Betriebssystem
tritt Information, die von dem Erzeuger gesandt wird, durch native
und ausgesetzte Substrate (6 und 10) hindurch
zu dem entsprechenden Prozessor (7 und 11). Wie
in 2 dargestellt ist, wird molekulare Information
diagnostiziert durch Vergleichen der Struktur des digitalen Datensatzes,
der bei den nativen und ausgesetzten Zuständen (7 bzw. 11) empfangen
wird. Die Funktionsweise einer Reihe von Moleküldiagnosen nach dem Stand der
Technik wird unter Verwendung dieser Prozesse in den folgenden Abschnitten
dargestellt.
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Mikroarray-Technologien
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Affinitäts-Mikroarray-Technik
ist ein integrales Element für
genetisches Re-Sequenzieren
geworden, was teilweise aus der immensen Informationsdichte herrührt, die
bei diesen Verfahren gegeben ist. Obwohl sie nicht auf genetische
Untersuchungen begrenzt sind, wird der Aufbau dieser Verfahren durch
das Mikroarray-Verfahren veranschaulicht. GeneChips von Affymatrix
(US-Patent Nr. 6,040,138) und GEM Microarrays von Incyte (US-Patent
Nr. 6,004,755) codieren Genexpression auf Basis der Assoziation
von Fluoreszenz-markierten Strängen von
c-DNA oder m-RNA. Diese Techniken wählen spezifische Gene aus durch Überwachen
von Komplementierung der gewünschten
Gene mit Matrizen von tausenden von Oligonucleotiden. Andere Verfahren,
wie beispielsweise MassARRAY von Sequenom (US-Patent Nrn. 6,074,823,
6,043,031) kombinieren Massenspektroskopie mit vergleichbaren Affinitätsmatrizen.
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Bei
diesen bekannten Technologien ist der Erzeuger (12) ein
computerisiertes Robotersystem, das binären Code in eine Positionsanordnung
von Oligonucleotiden übersetzt.
Hier startet der Erzeuger (12) nicht nur den Datenfluss,
sondern bringt eine Serie an Substraten oder Reagenzien auf einem
Chip (13) aus (Orig.: "maps"). Wie in 3 dargestellt
ist, konvertiert der Erzeuger einen digitalen Code in eine räumlich adressierte
Anordnung von Gensensoren durch Anordnen, Drucken oder Synthetisieren
einer Reihe von Oligonucleotiden in spezifischen Quadranten auf
einer Glas- oder Siliziumoberfläche,
wie beim Verlauf von 12 nach 14 gezeigt ist. Bei (13) wird
jedes untersuchte Gen oder jede untersuchte Gruppe von Genen durch
seine Lokalisierung innerhalb eines gegebenen Bereichs der zweidimensionalen
Oberfläche
oder des Chips identifiziert, beruhend auf seiner/ihrer Affinität zu der
Anordnung an Oligonucleotiden. Dieser Chip wird dann das Substrat
(14). Der Manipulator setzt das Substrat (14)
einer Probe genetischen Materials (15) aus und verfolgt
diese Operation durch ihr Induzieren mit entweder einem geeignet
eingestellten Laserstrahl oder einem elektrischen Strom (16).
Die Intensität
dieser Veränderung
(17) wird über
(18) in einen digitalen Code (19) zurück umgewandelt
und zu einem Prozessor (20) eines Personalcomputers gesandt.
Es ist zu beachten, dass obwohl verschiedene Schritte notwendig
sind, die Nettoeingabe und -ausgabe dieses Systems ein digitaler
Binärcode
ist. Bei allen diesen Systemen unterscheidet sich der durch den
Erzeuger (12) verwendete Code von dem, der durch den Prozessor
(20) verwendet wird.
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Kürzlich sind
diese Techniken auf mikroelektronische Systeme ausgeweitet worden
(US-Patent Nr. 6,099,803), die sowohl genetische als auch proteomische
Information ausbringen (Orig.: "map") und lesen können. Auch
diese Systeme verwenden eine unterschiedliche Codierung sowohl für den Erzeuger (12)
als auch den Prozessor (20). Wie angegeben, erzeugt der
Erzeuger (12) eine Anordnung an Sensormolekülen (14)
unter Verwendung eines mikroelektronischen Systems, das die Molekülsensoren
in einer gegebenen zweidimensionalen Anordnung organisiert. Nachdem
diese einem gegebenen Manipulator (15) ausgesetzt wurden,
werden reagierte oder positive Messungen (Orig.: "sensing") dann unter Verwendung
eines zweiten Satzes mikroelektronischer Befehle zu kleineren Volumenelementen
konzentriert und optisch detektiert (16–17). Obwohl diese
Entwicklung das digitale Codieren (18) und die Übertragung
zu dem Prozessor (20) beschleunigt, bleiben die durch den
Urherber (12) und Prozessor (20) verwendeten Codes,
wie sie im US-Patent Nr. 6,099,803 definiert sind, ohne Bezug.
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Kombinatorische
Bead-Screening-Technologien
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Bead-Screening-Technologien
haben Nützlichkeit
erlangt sowohl bei genetischen, als auch bei pharmazeutischen und
Materialuntersuchungen. Zum Beispiel haben Bead-Systeme, die durch
das amtliche Arzneibuch entwickelt worden sind (US-Patent Nrn. 6,001,579,
5,721,099, 5,565,324) Mittel nachgewiesen zum Beschleunigen von
Material- und Wirkstoffuntersuchungen. Diese Techniken haben auch
Nützlichkeit
erlangt zum Untersuchen von Gen- und Proteinpools (Walt, 1999).
Wie in 4 dargestellt ist, codieren diese Verfahren molekulare
Information über
einen dreidimensionalen Raum. Hier befestigt ein Erzeuger (21)
jede molekulare Abfrage an ein eindeutig "markiertes" Bead (22). Jede eindeutige Markierung
identifiziert ein spezifisches molekulares Merkmal oder eine Eigenschaft
und korreliert dieses) mit einem Bead. Diese Beads (23)
dienen dann als das Substrat, wobei sie zusammengeführt werden, einer
Probe (24) ausgesetzt werden und dann unter Verwendung
von Kombinationen einer Mehrzahl an spektroskopischen Verfahren
(25) codiert werden. Die resultierenden Daten (26)
werden dann in einen digitalen Code (27) transferiert und
zu dem Prozessor (28) gesandt. Wieder unterscheiden sich
die von dem Prozessor (28) und dem Erzeuger (21)
verwendeten Codes.
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Single-Molecule-Spektroskopie
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Innerhalb
des letzten Jahrzehnts wurde Fluoreszenzspektroskopie und Elektrochemie
mittels des Sub-Picoliter-Volumenelements (31) auf das
Niveau eines einzelnen Moleküls
verfeinert. Es wurde eine Reihe von Techniken entwickelt (US-Patent
Nrn. 6,049,320, 5,933,233, 5,807,673), um die molekulare Identität auf einer
individuellen Basis durch Korrelation durch Zeit und Raum zu definieren.
Wie in 5 dargestellt ist, setzt der Single-Molecule-Erzeuger, der entweder
eine Person oder ein computergesteuerter Roboter (29) ist,
Moleküle
(30) in einen gegebenen Raum frei, die innerhalb von Zeit
(29) durch einen sehr kleinen Hohlraum (31) diffundieren
können. Dieses
Freisetzen kann im Form eines digitalen Codes organisiert sein.
Bei diesen Verfahren dient der Hohlraum als das Substrat. Wenn die
Moleküle
den Hohlraum (32) passieren, wird ein Elektronen- oder Photonenfeld
verändert.
Signale von dieser Veränderung
(33) werden digital umgewandelt (34) und zu dem
Prozessor (35) gesandt. Wieder unterscheiden sich die sowohl
vom Erzeuger als auch vom Prozessor verwendeten digitalen Codes.
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Biokompakt
Disks
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Eine
weitere Klasse von modernen analytischen Hilfsmitteln ist beim Versuch
entstanden, Systeme zu entwickeln, die die digitalen Speicherungs- und Übertragungssysteme
imitieren, die in modernen mikroelektronischen Vorrichtungen verwendet
werden. Ein Schwerpunkt (Orig.: "venue") konzentrierte sich
auf die Entwicklung von Disk-förmigen
Kassetten für
molekulare Untersuchungen auf Basis von Untersuchungen mit UV-Sichtbar
Spektroskopie oder Zentripetalanalysen (US-Patent Nrn. 5,122,284, 5,472,603,
5,173,193, 5,061,381, 5,304,348, 5,518,930, 5,457,053, 5,409,665,
5,160,702, 5,173,262, 5,409,665, 5,591,643, 5,183,844, 5,122,284
und 5,242,606). Diese Systeme sind ausgebaut worden zu einem biologischen
Kompaktdisk-System (US-Patent Nr. 6,030,581). Dieses System, das
zusammengesetzt ist aus kapillaren Kanälen, Ventilen, Batterien, Dialysatoren,
Säulen,
Filtern, Quellen elektrischer Felder, Drähten oder anderen elektrisch
leitenden Materialien, wurde entworfen, um molekulare Information
auf Grundlage der Verwendung des konventionellen optischen Systems
eines CD- oder DVD-Abspielgerätes
zu decodieren, um die Lokalisierung von reflektierenden Teilchen
auf einer transparenten Oberfläche
oder von opaken Teilchen auf einer reflektierenden Oberfläche zu überwachen.
Die Identität
eines Moleküls
wird codiert durch Überwachen,
wie molekulare Assoziation die Diffusion reflektierender Elemente ändern kann.
Wie in 6 dargestellt ist, definiert der Erzeuger, entweder
eine Person oder ein Computer oder ein Roboter, Serien von Elementen
innerhalb der Disk (36). Jedes Element ist so definiert,
dass es ein gegebenes Molekül
oder Serien von Molekülen
(37) erkennt und bindet. Diese Elemente können das
Verwenden von Information einschließen, die direkt in die reflektierende
Oberfläche
(38) aufgebracht ist. Der Erzeuger (36) kann auch
Mikrometer große
goldene oder opake Kugeln mit einer Reihe von Molekülen bedecken,
die das Element erkennen und binden. Diese Disk und ihre damit verbundenen
Kugeln (38) dienen als das Substrat. Nach dem Mischen mit
biologischen Proben haften markierte Kugeln an der Oberfläche in einer
Weise, die direkt mit der Identität einer jeden molekularen Spezies
(39) korreliert. Die Adhäsion zwischen der Kugel und
dem Element erzeugt entweder eine opake oder reflektierende Oberfläche. Wie
im US-Patent Nr. 6,030,581 beschrieben ist, können diese Oberflächen dann
direkt in einem Kompaktdisk-Abspielgerät ausgelesen werden durch die abermalige
Beobachtung eines Verlustes oder einer Zunahme beim Reflektionsvermögen. Das
beobachtete Signal (40) wird dann wirksam durch eine Verwendung
des CD- oder DVD-Abspielgerätes
in einen digitalen Code übersetzt,
der direkt zum Personalcomputer (41) geleitet wird. Die
Verwendung eines Kompaktdisk-Lesegerätes beschleunigt effizient
die Umwandlung des verarbeiteten Codes. Jedoch bleibt der Code,
der durch den Erzeuger (36) und den Prozessor (41)
gegeben wird, ohne Bezug.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
oder eine Vorrichtung zum Analysieren der Interaktion zwischen einer
oder mehrerer molekularer Spezies bereitzustellen, oder ein Verfahren
oder eine Vorrichtung zum Identifizieren molekularer Spezies, oder
ein Substrat, um beispielsweise die diagnostischen Verfahren zu
vereinfachen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
1, 2, 11, 12 und 21.
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Erfindungsgemäß umfasst
das Verfahren zum Analysieren der Interaktion zwischen einer oder mehrerer
molekularer Spezies und das Verfahren zum Identifizieren molekularer
Spezies die Schritte des Erzeugens Ströme digitaler Daten, durch die
es nachweisbar ist, wenn eine molekulare Spezies anwesend ist. Darüber hinaus
erweitert die Erfindung die Technologie im Bereich der Bioelektronik
und beschreibt einen kybernetischen Ansatz, um molekulare Information
zu sammeln und zu interpretieren. Insbesondere erstreckt sich diese
Beschreibung auf ein Betriebssystem, genannt Ditom, um digital die
Identität,
Reaktivität
und/oder Expression bzw. Vorhandensein einer gegebenen molekularen
Spezies zu codieren. Dieses Betriebssystem kann angewandt werden,
um die Wirkungs- bzw. Funktionsweise eines großen Bereichs molekularer Untersuchungstechnologien
zu erweitern, wobei die Dimensionen von Zeit, Raum und Materie über eine
vierte oder kybernetische Dimension integriert sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Wie
durch die Relativitätstheorie
von Einstein definiert ist, ist Information in Energiepakete abgegrenzt,
die wiederum zwischen Dimensionen von Zeit, Raum und Materie aufgeteilt
ist. Von diesen kann die letzte Dimension auch in Form eines molekularen
Raums oder Molekülen
definiert werden. 1947 führte
Wiener das Konzept der vierten Dimension ein, die als Kybernetik
bezeichnet wird, bei der Information oder Intelligenz codiert ist
durch ein Attribut einer Interaktion (Wiener, N. 1948). In den frühen 1950ern
waren Touring-Systeme eine der geeignetsten Mittel, um die Informationsdimension
zu beschreiben und wurden die Norm für kybernetische Systeme nach
der Entdeckung des Transistors. Innerhalb des letzten Jahrzehnts
hat digitale Elektronik die Grenzen von Informationstransfer enorm
erweitert wobei die Dimensionen von Zeit und Raum gegenwärtig auf
einer globalen Basis kybernetisch identifiziert werden. Jedoch kann
beim gegenwärtigen
Stand der Technik Materie nicht direkt in diese Dimension umgewandelt
werden. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung beschreibt ein
Betriebssystem, das als Ditom bezeichnet wird, um Moleküle in die
Dimensionen kybernetischer Information einzuführen.
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Das
Betriebssystem Ditom ist definiert als irgendein physikalisches
oder mathematisches Element, das Information über Moleküle oder molekulare Spezies
sammelt, in dem es untersucht, wie ein Molekül oder eine Gruppe von Molekülen direkt
den Fluss eines digitalen Stroms verändert. Das Betriebssystem gibt
Moleküle
ein und gibt ihre Identität,
Reaktivität
und/oder Expression bzw. Vorhandensein direkt in der Form von Folgen
digitalen Codes aus. Die Prinzipien dieses Verfahrens und dieser
Anwendungen erweitern einen direkten Kanal zwischen molekularer
und digitaler Information und erzeugen ein primäres System, um molekulare Intelligenz
zu kommunizieren und zu vernetzen. Dieses Betriebssystem kann angewandt
werden bei Aufbauten, die bestehenden Kontakt mit geläufigen kybernetischen
Instrumenten haben, wie beispielsweise Mikroprozessoren, mikroelektronischen
Platinen, oder optischen oder magnetischen Speichersystemen, und
kann nachfolgend auf Systeme erweitert werden, die darauf zugeschnitten
sind, molekulare Auflösung
zu optimieren.
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Jede
kybernetisch ausgedrückte
Information wird in Form einer physikalischen Einheit erzeugt und übersetzt.
Ob ein Kabel, eine elektronische Komponente, Luft oder Fluid, diese
physikalischen Einheiten dienen als ein Mittel, um sowohl ein digitales
Signal zu leiten als auch zu beinhalten (Orig.: "host").
Das Betriebssystem Ditom stellt ein Verfahren zur Verfügung, um
die Verbindung zwischen Molekülen,
also Materie und Kybernetik zu verstehen. Die Einfachheit der physikalischen
Strukturen, die diese Systeme verwenden, und jene hier definierten,
erweitern Hilfsmittel, was es ermöglicht, rasch die innerhalb
eines Moleküls
gespeicherte Information zu kontaktieren und zu kommunizieren.
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Weitere
vorteilhafte Gestaltungen und Ausführungsformen sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In 1 sind
die verwendeten Technologien beschrieben, um ein Molekül (1–2)
zu unterscheiden, gestützt
auf Verfahren, die eine molekulare Spezies entweder durch Charakterisierung
ihrer Struktur (3) oder durch Beobachten identifizieren,
wie diese Spezies mit anderen Molekülen in seiner Umgebung interagiert
(4). Der erste Weg (3) wird als strukturelle Charakterisierung
bezeichnet, der letztere (4) ist diagnostische Analyse.
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In 2 ist
ein Überblick
der für
molekulare Diagnostik verwendeten Methodik beschrieben. In einem
nativen Zustand erzeugt ein Erzeuger (5) Information und
leitete sie durch ein gegebenes Substrat (6) zu einem Prozessor
(7). Der Prozessor (7) kann diese Information
verwenden, um den Erzeuger (5) zu leiten bzw. zu steuern.
Wenn ein nicht identifiziertes Molekül durch den Manipulator (8)
zugegeben wird, wird das System ausgesetzt. In dem ausgesetzten
Zustand leitet der Erzeuger (9) nun Information zum Prozessor
(11), jedoch durch ein verändertes Substrat (10).
Diese Änderung
verändert
die Antwort oder Nachricht, die bei (11) empfangen wird.
Wiederum kann der Prozessor wieder seine Information verwenden,
um seinen Erzeuger (9) zu leiten bzw. zu steuern.
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In 3 ist
das Verfahren des Oberflächen-Mikroarrayens
beschrieben, das mit einem Computer oder Erzeuger (12)
beginnt, der digital Affinitätsmarkierungen
auf einer vorgeschriebenen Oberfläche (13) ausbreitet
(Orig.: "maps"). Nach der Erzeugung
werden diese Affinitätsmatrizen
(14) einer biologischen Probe (15) ausgesetzt.
Der Begriff biologische Probe ist als irgendeine Sammlung molekularer
Materie definiert, die aus einem lebenden Organismus erhalten wird.
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Nach
einer geeigneten Inkubation und Verarbeitung (16) wird
die Oberfläche
des Chips untersucht. Der Untersuchungsvorgang kann durchgeführt werden
unter Verwenden einer Reihe spektroskopischer Hilfsmitteln (17).
Gegenwärtig
ist Fluoreszenzspektroskopie das üblichste Hilfsmittel, das für genetische
Re-Sequenzierung
mittels Microarray verwendet wird. Diese Verfahren erfordern, dass
das analysierte genetische Material, das innerhalb der biologischen
Probe exprimiert wird bzw. vorhanden ist, vorher mit einer fluoreszierenden
Probe markiert wird. Adhäsion
des Analyten wird dann im zweidimensionalen Raum überwacht
unter Verwendung konvokaler Mikroskopie oder Laser-induzierter Schwungrad-Fluoreszenz
(16–17).
Die beobachteten Fluoreszenzphotonen werden dann gezählt (17)
und dann in einen zweiten digitalen Code (19) umgesetzt
(18) und zu einem Prozessor (20) gesandt.
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In 4 sind
kombinatorische Bead-Screening-Technologien beschrieben, die die
Identität
einer molekularen Spezies nicht durch Markieren der molekularen
Spezies codieren, sondern durch Codieren der Moleküle mit einem
markierten Bead. Bead-Verfahren erlauben in vorteilhafter Weise
eine rasche Auswahl ohne die Struktur des untersuchten Moleküls zu verändern. Hier
bildet der Erzeuger (21), üblicherweise ein mit Computer
betriebener synthetischer Roboter, die Anordnung diagnostizierter
Moleküle
in Form eines jeden Beads (22) ab (Orig.: "maps"). Die Beads werden
denn zusammengefasst, manipuliert (24–25) und dann unter
Verwendung von Fluoreszenz oder anderen spektrochemischen Verfahren
(26) untersucht. Wiederum funktionieren der Erzeuger (21)
und Prozessor (28) in Form von zwei unterschiedlichen digitalen
Codes.
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In 5 ist
die Single-Molecule-Fluoreszenzspektroskopie auf Lösungsbasis
beschrieben, die molekulare Information innerhalb von Zeit durch Untersuchen
der Diffusion eines Moleküls
oder eines Clusters an Molekülen über ein
kleines Volumenelement korreliert. Wie hier dargestellt ist, wird
die Identität
eines fluoreszierenden oder mit Fluoreszenz-markierten Moleküls durch
Bursts fluoreszierender Photonen gegeben, während das Molekül durch
einen konischen optischen Hohlraum (32) diffundiert. Jedes
Molekül
oder jede molekulare Abfrage (30) kann dem optischen Hohlraum
(31) entweder durch Computer-betriebene Roboter oder durch Fluss
präsentiert
werden. Diese Funktion ist der Urherber (29). Diese Bursts
werden dann in einen zweiten digitalen Code (34) umgewandelt
(33) und zu einem Prozessor (35) übertragen.
Wieder unterscheiden sich die codierenden Systeme des Erzeugers (21)
und des Prozessors (35).
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In 6 sind
biologisch adressierte Kompaktdisk-Systeme vorteilhaft beschrieben,
die eine Ausgabe zur Verfügung
stellen, die leicht mit einem konventionellen Computer kommuniziert
wird. Molekulare Information wird, wie angegeben, auf einer Disk
durch eine Reihe von Produktionsschritten aufgebracht (Orig.: "mapped"). Der Erzeuger (36)
bereitet jede Disk (37) mit einem gegebenen Satz an molekularen
Abfragen vor. Die beladene Disk (38) wird dann einer Probe
ausgesetzt – Manipulator
(39), und das Ergebnis (40) dieser Funktion wird
zu dem Prozessor (41) durch digitales Abtasten der Disk
in einem Kompaktdisk-Abspielgerät übertragen.
Wie in 6,030,581 angegeben ist, erfordert dieses Verfahren die Erzeugung
einer digital codierten Oberfläche, entweder
durch Anheften von goldenen oder opaken Kugeln an eine Oberfläche oder
durch Blockieren des Lesens einer vorcodierten Oberfläche entweder durch
opake oder Fluoreszenz-markierte Kugeln.
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Im
Vergleich zu den 3–6 definiert
in 7 Ditom molekulare Information durch direktes Korrelieren
eines identifizierbaren molekularen Übergangs mit der Übertragung
eines digitalen Stroms.
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In 8 ist
die physikalische Gestaltung von Ditom beschrieben.
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In 9 wird
ein Beispiel gezeigt, das unterstreicht, wie Affinität zwischen
Streptavidin und Biotin die Kommunikation zwischen einem Erzeuger
und seinem Prozessor verändert.
Dieses System ist in drei Vergrößerungen
dargestellt, wobei die Vergrößerung von
oben nach unten abnimmt.
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Eine
betriebsbereite Struktur für
Ditom gemäß 10 entsteht
durch Korrelieren einer biotischen mit einer diotischen Schicht.
Ein voneinander unterschiedlicher Satz an biotischen und diotischen Einheiten
ist für
jedes individuelle Element molekularer Information gegeben. Die
biotische Schicht dient dazu, die biologische Information zu tragen
und enthält
Rezeptoren oder ähnliche
Einheiten, die eine spezifische molekulare Einheit (M) anzieht und
befestigt. Jeder Rezeptor oder jede Einheit ist in eine Einheit
gepackt, die als ein Mobit (87) bezeichnet wird. Diese
Mobits sind dann geometrisch in einem Mobyte (86) zusammengefügt. Das
Biot besteht dann aus Serien oder Anordnungen von Mobits. Ein Diot
ist das kybernetische Äquivalent
des Biots. Es drückt
einen digitalen oder mathematischen Code innerhalb von Zeit oder
Raum in einer Abfolge aus, wobei jedes Molekül (M) durch eine gegebene Sequenz oder
molekulare Markierung oder Mol-Markierung (93) codiert
ist. Diese Mol-Markierungen
(93) werden dann kombiniert mit einer Positions- oder Zeitführung, die
als ein Header (90) bezeichnet wird, und in eine Einheit
gepackt, die als ein MOL (92) bezeichnet wird. Der Header
(90) kann entweder vor, während oder nach (93)
kommen. MOLs (92) werden dann in eine zweite Einheit gepackt,
die als ein XEL bezeichnet wird, die dann wieder mit (90)
und einem 12-Bit Sync
(89) in ein ORG verpackt werden. Das Sync (89)
dient zum Spurhalten bzw. Spurverfolgen eines gegebenen oder in
Beziehung zu weiteren ORGs. Diese ORGs werden dann in ein SPX gepackt.
Jedes SPX besteht aus einem 16-Bit Identifikator (88),
der verwendet wird, um das verwendete Verfahren anzugeben, und einer
Reihe an ORGs, die entweder in Reihen, Arrays oder Mosaiken organisiert
sind.
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Molekulare
Prozesse, die unter Verwendung eines ditomischen Operators untersucht
werden können,
sind in 11 gezeigt.
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In 12 wird
eine Anwendung von Ditom gezeigt, um molekulare Erkennung zu lesen,
wie hier durch die Interaktion zwischen biotinyliertem Rezeptor
(105) und Streptavidin (110) angegeben ist. Dieses
Beispiel wird durch Anwendung bei Kompaktdisk-Technologie gezeigt,
ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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In 13 wird
das Ergebnis der Anwendung von Ditom beim Untersuchen der Erkennung
von Streptavidin durch ein biotinhaltiges Biot-Diot-Paar gezeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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I. Definitionen
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Biot
ist definiert als Grundeinheit biologischer Information, die von
dem Ditom verwendet wird. Das Biot ist aufgespaltet in Einheiten
von Mobytes, die wiederum in Einheiten von Mobits aufgespaltet sind.
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Digitaler
Flux bezieht sich auf die Änderung einer/eines
konstanten oder programmierten digitalen Folge, Stroms oder Felds.
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Ditom
bezieht sich auf ein Betriebssystem, das molekulare Information
durch selektives Klassifizieren und/oder Diversifizieren von Molekülen auf Grundlage
der Fähigkeit
sammelt, den Fluss eines Stroms digitaler Daten zu unterbrechen.
Information, die von der Sammlung und nachfolgenden Verarbeitung
des unterbrochenen digitalen Signals erhalten wird, stellt ein Hilfsmittel
zur Verfügung,
um die Identität,
Konzentration und/oder Reaktivität
eines ausgewählten
Moleküls
oder einer ausgewählten
Gruppe von Molekülen
zu bestimmen. Dieses Betriebssystem wird bei jedem System angewandt,
das molekulare Information durch Überwachen einer Änderung bei
der Übertragung
eines digitalen Codes erhält.
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Diot
ist das digitale Komplement zu dem Biot. Diese Komponente ist aufgespaltet
in Einheiten von SPXs, welche wiederum aufgespaltet sind in Einheiten
von ORGs, welche wiederum aufgespaltet sind in Einheiten von XELs,
welche wiederum aufgespaltet sind in Einheiten von MOLs.
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Manipulator
ist definiert als physikalische Vorgänge, Kraft oder Einheit, der/die
die molekulare Struktur eines gegebenen Substrats ändern können/kann.
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Mobyte
ist eine einzelne Einheit molekularer Information, oder ein so genanntes
molekulares Byte. Das Mobyte besteht aus Mobits.
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Sensor
ist definiert als eine Einheit, die molekulare Information in eine
elektrische, chemische oder physikalische Kraft umsetzen kann.
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Substrat
ist definiert als eine Einheit, die eine digitale Folge, Strom oder
Feld leiten kann.
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Molekularer
Raum ist definiert als die Zusammenstellung von strukturellen, chemischen
und physikalischen Eigenschaften der molekularen Komponenten eines
gegebenen Systems. Der molekulare Raum für einen Salzkristall ist nämlich Natriumchlorid und
Wasser.
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II. Allgemeines
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a. Einführung
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Wie
gezeigt worden ist, sind gegenwärtig
diagnostische Systeme zusammengesetzt aus einem Erzeuger, der digital
eine einzige oder eine Gruppe von molekularen Abfragen codiert.
Dieser Code ist nicht eine physikalische Einheit, sondern er repräsentiert
eine Funktion, die definiert ist durch entweder ein optisches oder
magnetisches oder elektronisches Phänomen. Dieser Code wird dann
durch ein Substrat in Form eines thermischen, photonischen oder elektronischen
Gradienten zu einem Prozessor geleitet. Die Komponenten aller Substrate,
ob es ein Kanal, ein Feld, eine Nanostruktur, ein Weg oder Draht ist,
kann durch die Zugabe einer gegebenen molekularen Spezies verändert werden.
Diese Modulation dient dazu, die vorerwähnte Spezies zu identifizieren. Obwohl
es oft ein integraler Teil molekularer Diagnostik ist, ist die gegenwärtige Methodik,
die zur Diagnose molekularer Information verwendet wird, lediglich in
Form eines physikalischen oder chemischen Ereignisses definiert.
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Beispielsweise
kann man ein Molekül
durch die Anwesenheit einer ketonischen Carbonylgruppe durch Untersuchen
ihrer Absorption von Infrarotlicht bei 1810 nm identifizieren. Wenn
man die Anleitungen betrachtet, die durch gegenwärtige wissenschaftliche Publikationen
gegeben werden, würde diese
Bande im Hinblick auf Intensität
und Wellenlänge
aufgezeichnet, Einheiten, die in Dimensionen von Raum und Zeit definiert
sind. Diese Antwort kann jedoch auch kybernetisch betrachtet werden
durch Identifikation mit einem gegebenen Code. Derartige Systeme
unterliegen der Erzeugung einer genetischen, proteomischen oder
einer Datenbank kleiner Moleküle.
Zu Erläuterungszwecken
könnte
man einen 4-Byte-Code formulieren, der angibt, dass ein Molekül mit einer
Absorption bei 1810 nm, vergleichbar jener eines Acetonmoleküls, ein
Byte 1111 hat, = 500% davon 1110, 400–500% davon 1101, 300–400% davon
1011, 200–300%
davon 0111, 100–200%
davon 1100, 75–100%
davon 1001, 50–75%
davon 0011, 25–50%
1000, 0–25%
0001 und 0% bei 0000.
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Jedes
Molekül
könnte
dann in Form dieser Bytes definiert werden. Eine Entwicklung derartiger Systeme
erfordert jedoch unbegrenzte Analysen, verbunden mit der kontinuierlichen
Adaption molekularer Struktur, ganz zu schweigen von den Schwierigkeiten,
die mit dem Erfassen der Infrarotspektren einzelner Moleküle verbunden
sind. Während
diese Schwierigkeiten durch strukturelle Analysen beseitigt werden,
bleibt eine detaillierte Identifikation der Struktur eines jeden
Moleküls
aber unmöglich.
Ein anderer Weg, sich einer derartigen Verarbeitung anzunähern, ergibt
sich dadurch, dass jeder möglichen molekularen
Struktur ein eindeutiger Code zugewiesen wird. Die physikalische
Bedeutung dieses Codes ist irrelevant da er nur als ein beschreibendes
Element dient, das theoretisch erweitert werden kann, um alle möglichen
molekularen Mutationen abzudecken. Dieser Code kann dann verwendet
werden als eine Markierung oder ein Identifizierungsband für molekulare
Kommunikationen und dient als der Eckpfeiler für das Betriebssystem Ditom.
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Ein Überblick über den
ditomischen Operator wird in 7 bereitgestellt.
Ein definierter digitaler Code (43), der durch einen Erzeuger
(42) erzeugt wird, wird durch ein Substrat (44)
zu einem Prozessor (46) übertragen. Im nativen Zustand ist
der durch den Prozessor (46) empfangene Code (45)
entweder identisch oder eine Funktion jenes, der durch den Erzeuger
(43) erzeugt wurde. Der Manipulator (47) kann
ein spezifisches molekulares Ereignis auf dem Substrat (44)
verändern.
Dieses Ereignis wandelt (44) in (49) um und verändert (Orig.: "scrambles") den digitalen Code.
Wie dargestellt ist, erzeugt der exponierte Erzeuger (47)
wieder (43). Diese digitalen Ströme werden verändert, wenn
sie durch (49) hindurch treten, wobei ein neuer Satz Daten
(50) erzeugt wird. Die Struktur von (50) repräsentiert
dann eine Funktion, die Therme enthält, die die Identität eines
molekularen Ereignisses beschreiben, das geändert wurde. Hier verwenden
sowohl der Erzeuger als auch der Prozessor einen einzigen Code.
Für optimale
Leistungsfähigkeit
kann der Prozessor (46 oder 51) entweder in Kontakt
stehen mit oder die gleiche Einheit sein wie der Erzeuger (42 oder 46).
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In
dieser Ausführungsform
ist die Identität dieses
digitalen Stroms durch die Organisation eines jeden Bits gegeben,
wenn es bei dem Erzeuger (42 oder 47) austritt,
definiert als der Datensatz [M] (43), der dazu dient, spezifisch
ein gegebenes Molekül
M zu identifizieren. Im nativen Zustand bleibt das Substrat kybernetisch
transparent und die durch den Erzeuger (42) erzeugten Daten
erreichen den Prozessor (46) mit minimaler oder konstanter
oder programmierbarer Veränderung.
Somit erhält
der Prozessor einen Datensatz entsprechend [M] + [A] (45),
wobei [A] eine konstante oder algorithmische Funktion darstellt.
Das native Substrat (44) kann in einen ausgesetzten Zustand
(49) umgeschaltet werden durch Zugabe einer gegebenen molekularen
Spezies durch einen Manipulator (48). Wenn es exponiert
ist, werden Moleküle
entweder bei dem Substrat angewandt oder von ihm entfernt. Diese
Anwendung verändert die
Fähigkeit
des Erzeugers, den nativen Datensatz [M] (43) richtig zu übertragen.
Im ausgesetzten Zustand unterscheiden sich die Daten (43),
die vom Erzeuger (42) gesandt und bei dem Prozessor (51) empfangen
werden (50). Dieser Unterschied wird hier als digitaler
Flux bezeichnet, symbolisiert durch ζ, und ist gleich [M] ausgesetzt – [M] nativ
oder [M] ausgesetzt – ([M]
+ [A]). Dieser Flux kann verwendet werden, um molekulare Spezies
zu qualifizieren und/oder quantifizieren durch Integration über geometrischen,
zeitlichen und molekularen Raum, wie als dz definiert ist durch: dζ = ∫n0 (x)dx Gleichung 1
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Wobei
x definiert ist als eine Variable, die definiert ist entweder als
Position, Zeit oder molekulares Merkmal.
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In
einer Ausführungsform
kann das Betriebssystem Ditom verwendet werden, um molekulare Information über einen
zweidimensionalen Raum zu integrieren. Und zwar wird x in Gleichung
1 in Dimensionen von Raum angegeben. Eine Struktur dieses Vorgangs
wird in 7 bereitgestellt. Wie dargestellt ist,
werden die X- und Y-Achse in Einheiten geometrischer Oberfläche angegeben
und dienen zum Identifizieren von Materie mittels eines Abstandes.
Die Z-Achse repräsentiert
Transport von Information, der entweder durch einen Fluss von Atomen,
Elektronen, Photonen oder Molekülen
durchgeführt
wird. Dieses Betriebssystem wird dargestellt durch Definition eines
Mittels um spezifisch irgendein gegebenes Molekül α zu identifizieren. Eine Oberfläche eines
Substrats ist mit einer Matrix mit drei molekularen Rezeptoren beschichtet,
veranschaulicht durch die Buchstaben A, B und C. Nur Rezeptor A
erkennt das und bindet mit dem frei treibenden (Orig.: "floating") Molekül α. B und C
binden nicht mit α.
Anordnungen von jedem Rezeptor sind innerhalb von Biotmosaiken platziert
und sind mit einer biotischen Schicht (58) beladen. Eine
zweite oder diotische Schicht (59), die ein physikalisches
System enthält,
das einen binären Code
präsentiert,
ist stromaufwärts
von jedem Biot platziert. Die Schichtung ist so aufgebaut, dass
der digitale Code durch die biotische Schicht hindurch treten muss.
Die Struktur dieses diotischen Codes ist so definiert, dass jeder
Satz an Bits oder Byte mit der Identität eines oberflächengebundenen
Rezeptors korreliert.
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In
dieser Ausführungsform
ist eine zweidimensionale Oberfläche
definiert mit einer oberen Oberfläche (58 oder 60),
die eine Reihe an repetetiven biochemischen Sensoren (A, B, C) enthält. Eine zweite
oder diotische Schicht (59 oder 61), die ein physikalisch
codiertes digitales System enthält,
ist auf eine Weise eingebettet, die mit der Struktur der biologischen
oder biotischen Oberfläche
(58 oder 60) korreliert. Das Konstrukt ist so
definiert, dass die digitalen Daten durch die biotische Oberflächen gelesen werden
müssen
(52–57).
Zu Demonstrationszwecken sind diese Daten (58–59)
in einem nativen Zustand derart zugeordnet, dass ein Byte 00 unter
A (62) liegt, 01 unter B (62) und 11 unter C (64).
Nach dem Aussetzen einer biologischen Probe, die eine Datenbank
molekularer Spezies enthält,
haften Moleküle α an der Oberfläche des
Chips (60) an Positionen, bei denen Rezeptor A vorhanden
ist (Orig.: "is expressed"). Das Binden von α an A verändert die Oberfläche des
Chips und stört
die Übertragung
des darunter liegenden digitalen Codes [M], hier dargestellt durch
den verschwommenen Pfeil (55) oder die Ausgaben des Lesens
dieser Disc (65). Diese Unterbrechung erzeugt einen Flux ζ. Dieser
Flux bezieht sich auf eine vordefinierte geographische Position und
dient dazu, Molekül α durch sein
Binden an den Rezeptor A zu identifizieren. Vorausgesetzt, dass eine
Oberflächenmodifikation
nur an Stellen stattfindet, an denen sich A und α begegnen, würde der Flux α theoretisch
in Bytes von 00 erscheinen. Die Datensätze (62–67)
stellen das theoretische Ergebnis dieses Experiments dar. In dem
nativen Zustand erreicht [M] den Detektor unverändert durch die Natur der biotischen
Oberfläche.
Nach dem Aussetzen eines Moleküls α erscheint ζ in dem Code,
der unter dem Rezeptor A (68) gespeichert ist. Es ist zu
beachten, dass (65) sich von (62) unterscheidet,
wohingegen sowohl (63) als auch (66) und (64)
und (67) gleich bleiben. Der Unterschied zwischen den nativen
und ausgesetzten Sätzen
wird als Flux (68–69)
bezeichnet. Dieser Flux stellt ein praktisches Werkzeug zum identifizieren
einer molekularen Spezies durch Integration über einen geometrischen Raum
zur Verfügung.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann das Betriebssystem Ditom verwendet werden, um molekulare Information über Zeit
zu integrieren, wie dies durch Definition von x in Gleichung 1 in
Einheiten von Zeit angegeben ist. Die Übersicht über dieses Betriebssystem kann
auch durch 7 dargestellt werden, wobei
die X- und Y-Achse Einheiten von Zeit sind. Diese Achsen dienen
dann dazu, eine organisierte Datenstruktur innerhalb von Zeit darzustellen. Wieder
repräsentiert
die Z-Achse Informationstransport, der entweder durch einen Fluss
an Atomen, Elektronen, Photonen oder Molekülen durchgeführt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann das Betriebssystem Ditom verwendet werden, um molekulare Information
durch Klassen von Materie zu integrieren, wie dies durch Definieren
von x in Gleichung 1 in Einheiten von Materie, Zelle oder Organismus
angegeben ist. Die Übersicht über dieses
Betriebssystem kann auch durch 7 dargestellt
werden, wobei die X- und Y-Achse zu einigen physikalischen Eigenschaften
in Beziehung stehen, die mit einer gegebenen Klassifikation von
Materie assoziiert ist. Dieser Achsen dienen dann dazu, eine organisierte
Datenstruktur innerhalb von Zeit darzustellen. Wieder stellt die
Z-Achse einen Informationstransport dar,
der entweder durch einen Fluss von Atomen, Elektronen, Photonen
oder Molekülen
durchgeführt wird.
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Eine
physikalische Struktur des Betriebssystems, das in 8 skizziert
worden ist, kann in Form von 9 ausgedrückt werden.
Zu Zwecken der Einfachheit ist diese Demonstration dargestellt mit
der Erkennung von Streptavidin durch seine Bindung an Biotin, ist
jedoch nicht darauf beschränkt.
In dem nativen Zustand verbleibt Streptavidin (71) ungebunden und
treibt frei im molekularen Raum. In diesem Zustand rotieren auf
der Oberfläche
vorhandene biotinylierte Rezeptoren harmonisch durch ein organisiertes
Programm molekularer Dynamik. Während
jedes Molekül
bei einer gegebenen Zeit in einem eindeutigen Zustand existiert,
bleibt die Sammlung dieser Zustände über eine
gegebene Zeitdauer und einen gegebenen geometrischen Raum einheitlich.
Daher bleibt die Dichte konstant, die über die biotische Oberfläche (74)
vorhanden ist. Wenn es durch den Manipulator ausgesetzt wird, bindet
Streptavidin an die oberflächig
vorhandene biotinylierten Rezeptoren (73). Dieser Manipulator
kann dargestellt werden durch eine Reihe an physikalischen Funktionen
und kann sich ergeben aus dem Manipulieren von geographischer Positionierung,
Kraft, Temperatur, Zeit und/oder Feld. Dieses Binden verursacht
Veränderungen
in der Oberflächendichte
und ändert
die Übertragung
des darunter liegenden digitalen Codes. Wie in der mittleren Reihe
dargestellt ist, wird digitale Information von der darunter liegenden
diotischen Schicht (81) durch die biotische Schicht (77)
entweder codiert als ein aktives Signal (75) oder ein passives
Signal (76) übertragen.
Der Unterschied zwischen (75) und (76) repräsentiert
ein digitales System. Wenn ein Molekül zugegeben wird, ändert sich das
Substrat von (77) zu (80). Diese Manipulation ändert das
Format des aktiven Signals (75) entweder durch sein Absorbieren
(78) oder seine Verformung (79). Folglich kann
diese Manipulation auch das passive Signal (76) durch seine
Verstärkung
oder Veränderung
verändern
(nicht gezeigt). In diesem System kann die diotische Schicht (83)
entweder der Erzeuger oder ein Teil des Substrats sein. Die biotische Schicht
(77) muss als ein Teil des Substrats dienen. Von der diotischen
Schicht (81) gesandte Information tritt durch die biotische
Schicht (73) hindurch zu einem Prozessor, wie in allen
drei in 9 bereitgestellten Perspektiven
angegeben ist.
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b. Struktur
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Eine
Unterteilung in kleinere Unterabschnitte kennzeichnet leicht die
Struktur dieses Betriebssystems. Wie definiert ist, entspricht jedes
Biot einer einzelnen molekularen Reaktion oder einem Sensor. Die biotische
Schicht ist derart aufgebaut, dass ihre gesamte Struktur mit einem
gegebenen Diot korreliert ist. Diese Schicht kann in oder auf dem
Diot gedruckt oder angezeigt oder vorhanden oder freigesetzt sein.
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Für das kursorische
Modell für
die Funktion in den 8–9 müssen sich
die Diote von kleinen Datensätzen
zu Megabytes digitaler Daten erweitern. Jedes hier beschriebene
und daraus entwickeltes Betriebssystem hat eine gegebene Größe und Natur
seines Biot-Diot-Paars. Wie definiert ist, muss jedes Diot direkt
mit einem Biot korrelieren. Zu Zwecken der Organisation ist das
Diot aufgespaltet in eine Reihe von Informationsstufen (10).
Die erste davon wird als SPX (86) bezeichnet. Das SPX (89) beginnt
mit einer 16-Bit Signatur (88). Diese Signatur dient dazu,
das System oder das Verfahren zu identifizieren, das verwendet wird,
um das Ditom zu kommunizieren. Beispielsweise würde eine Signatur aus 0000011000000011
ein gegebenes optisches System beschreiben, während ein anderes mikroelektronisches
System eine Signatur aus 0001001001001001 haben würde. Jedes
SPX ist aufgespaltet in ORGs (87). Ein ORG (87)
beginnt mit einem 12-Sync codierten (89), das verwendet
wird, um das ORG in das SPX einzuordnen, und einem 4-Bit Header
(90) gefolgt von 8 XELs (91). Jedes XEL ist zusammengesetzt
aus 10 sich wiederholenden Einheiten, die als MOLs (92)
bezeichnet werden. Das MOL (90) ist die Basiseinheit der
diotischen Schicht. Es besteht aus dem 4-Bit Header (90)
und einem Mol-Markierungsbereich. Diese Mol-Markierung dient dazu,
spezifisch eine gegebene molekulare Spezies zu identifizieren.
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Beispielsweise
könnte
Streptavidin codiert werden durch eine 25 Bit Mol-Markierung aus 0010000100001000010000100
(93), und begleitet von einem Header 0101 (90),
einem Sync-Code 011011011011 (89) und einer Signatur 0000011000000011
(88).
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Dieses
Beispiel würde
dann ein MOL (92) von aufweisen (- hinzugefügt zur Sichtbarmachung):
-0101-0010000100001000010000100;
ein
XEL (91):
-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100
und
ORG (88):
011011011011-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101- 0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101- 0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100-0101-0010000100001000010000100
-
Das
SPX für
dieses Beispiel würde
hergestellt durch Zusammenfügung
einer Sammlung oder Folge oder Anordnung der vorhergehenden ORGs. Dieses
SPX oder Sammlungen davon dienen als das Diot. Dieses Diot wird
in einer Dimension aus Zeit oder Raum derart positioniert, dass
es direkt mit dem Biot korreliert.
-
c. Betrieb bzw. Durchführung
-
Reihen
von sowohl ausgesetzten als auch nativen Dioten werden dann über eine
Reihe von Lesevorgängen
gelesen unter Verwendung der geeigneten physikalischen Vorrichtung,
um die Übertragung
einer vorgeschriebenen digital codierten Funktion zu überwachen.
Die von dem nativen Satz gesammelten Daten werden dann von dem ausgesetzten
Satz abgezogen. Der absolute Wert dieses Datensatzes dient als Flux ζ. Dieser
Flux definiert daher jedes Bit von 0 als ein Bit das gleich bleibt,
und 1 wenn das Bit von 1 zu 0 oder von 0 zu 1 umgewandelt worden
ist. Bits, die geändert
wurden, aber deren Identität
aufgrund der Fehlerzufälligkeit
nach einem Lesen unsichtbar bleiben, werden als leere Bits bezeichnet.
Durch das Verwenden von mehrfachen Lesevorgängen werden diese leeren Bits
korrigiert. Wie unten auf 8 dargestellt
ist, erscheinen geänderte Bits,
also 1en, nur in dem Bereich, der unter Rezeptor A liegt. Dieser
neue Datensatz drückt
den Flux aus, und stellt hier ein Mittel dar, ein molekulares Ereignis digital
zu codieren.
-
d. Anwendungen
-
Ditom
kann verwendet werden, um irgendeine molekulare Interaktion oder
Prozesse zu überwachen,
die die Zugabe oder Entfernung molekularer Masse beinhalten. Dies
schließt
Manipulationen ein, die sich aus dem Binden (entweder durch Aggregation,
Komplexbildung und/oder Erkennung), Wachstum (durch Expression)
oder Freisetzung (durch Reaktivität) von zwei oder einer Gruppe
von Molekülen ergeben.
Es folgt eine kurze Einführung
in jede Kategorie.
-
Erkennung
-
Die
Erkennung zwischen zwei Molekülen kann
verwendet werden, um die Identität
einer bestimmten molekularen Spezies zu identifizieren. Wie oben
in 10 dargestellt ist, erlaubt es die Struktur eines
gegebenen löslichen
Moleküls
(94), an Rezeptor A zu binden, aber nicht an die anderen
Rezeptoren B oder C. Das Binden von (94) an A auf einem
gegebenen Substrat (96), das durch einen Manipulator (97)
induziert wird, erzeugt einen neuen Komplex (98). Die Struktur
und Expression bzw. das Vorhandensein dieses neuen Komplexes stört die Umsetzung
eines gegebenen digitalen Stroms, sie erzeugt einen Flux. Dieses
Schema kann verwendet werden, um bei einem großen Bereich natürlicher
und synthetischer Materialien verwendet zu werden, und ist insbesondere
anwendbar beim Identifizieren von Antikörpern, Kohlenwasserstoffen,
Genen, Wachstumsfaktoren, Proteinen und anderen biologisch relevanten
kleinen Molekülen.
-
Assoziation
-
Molekulare
Assoziation entweder in Lösung oder
auf einer Zelloberfläche
dient dazu, einen großen
Bereich von intra- und extrazellulären Vorgängen zu signalisieren. Die
Natur dieser Antworten beruht nicht nur auf der Identität einer
jeden Spezies, sondern auch auf der Fähigkeit eines jeden Moleküls, geeignet
zu assoziieren. Ditom stellt ein Mittel zur Verfügung, um rasch molekulare Aggregation
durch geeignetes Einstellen der an der Oberfläche gebundenen Mikroprobe zu
untersuchen. Wie in der Mitte von 11 angegeben
ist, erhöht
das Binden einer Gruppe von nicht in Beziehung stehenden Molekülen (99)
am Rezeptor A (95) auf einem gegebenen Substrat (96)
die molekulare Struktur (101), was den Flux bei der Übertragung
von ditomischen Daten verursacht.
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Reaktivität
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Zusätzlich zur
molekularen Erkennung und Aggregation kann Ditom auch angewandt
werden, um die Konzentration und Reaktivität eines Moleküls zu überwachen,
wodurch die Verwendbarkeit dieser Technologie auf das Untersuchen
von Katalyse und biochemischer Lebens- bzw. Entwicklungsfähigkeit ausgeweitet
wird. Wie unten auf 11 dargestellt ist, nimmt Flux
zu, wenn mehr Manipulator das Substrat (96) ändert. Wie
hier dargestellt ist, kann dieses System verwendet werden, um Abspaltung
oder Additionsreaktionen zu überwachen.
In einem Zustand bleiben Moleküle
(102) löslich,
lassen das Substrat (96) und Empfänger (95) transparent.
In einem zweiten Zustand können
die (102) kovalent an die Oberfläche gebunden sein, wie durch
(104) dargestellt ist. Die Menge bei jedem Zustand kann
manipuliert (103) werden durch eine gegebene Reaktion oder
chemische Spezies. Diese Manipulation (103) kann auch definiert
werden durch Vergleichen der Wirkung, die die gegebene Manipulation
auf Flux hat, der verbunden ist mit der relativen Population beider
Zustände.
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Die
von den vorerwähnten
chemischen Phänomenen
gesammelte Information kann für
einen weiten Bereich von Anwendungen verwendet werden, die einschließen aber
nicht beschränkt
sind auf: Beschleunigte medizinische Diagnostik, Kommunikation von
medizinischer Information, Entwicklung von auf Personen basierenden
Sicherheitssystemen und erweiterte Unterhaltungssysteme.
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e. Demonstration
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Zur
Veranschaulichung wird das Betriebssystem Ditom so definiert, dass
es ein Modell ist, das kompatibel ist mit der optischen Anordnung
eines Kompaktdisk-Abspielgerätes. Diese
Demonstration dient dazu, die Funktion von Ditom zu veranschaulichen,
jedoch in keiner Weise dazu, das Betriebssystem Ditom auf eine Anwendung
bei Kompaktdisk-Technologien oder anderen optischen Speichervorrichtungen
zu begrenzen.
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Diese
Demonstration begann mit der Herstellung eines neuen Disk-Formats.
Dieses Format und die Funktionsweise dieser Disk ist einzigartig
und verschieden von anderen Disk-Systemen, die für molekulare Diagnose beschrieben
wurden, einschließlich
U.S. Patent Nr. 6,030,581. Die hier beschriebene Disk funktioniert
unter Verwendung des rotierenden Systems und der optischen Anordnung
eines CD-Abspielgerätes
oder CD-ROM-Laufwerks oder DVD-Abspielgerätes, darüber hinaus benötigt dieses
System keine Kugeln, kapillaren Röhrchen, Ventile, Batterien,
Dialysatoren, Säulen,
Filter oder elektrische Felder, wie früher im U.S. Patent Nr. 6,030,581
beschrieben wurde. Die Disk erlaubt es dem Anwender in vorteilhafter
Weise, Moleküle
direkt ohne kompliziertes Anbringen von Markierungen oder das Inkorporieren von
Kugeln zu lesen.
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Die
Disk ist aus einer Folge von vier Schichten aufgebaut (12).
Die untersten drei Schichten (110–112) imitieren jene,
die von CD-ROM XA verwendet wird. Die zweite Schicht dient als die
diotische Schicht (111). Die diotische (111),
die Acryl- (112) und die Polycarbonatschicht (110)
werden unter Verwendung einer Maskierungstechnologie erzeugt, die
vergleichbar ist mit jener, die in den U.S. Patenten mit den Nummern
REF beschrieben ist. Aus Gründen
der Einfachheit wurde das hier dargelegte Beispiel unter Verwendung
einer diotischen Struktur durchgeführt, deren Bit-Dichte vergleichbar ist
mit jener von CD-ROM XA, und die wiederholte SPX enthielt, so dass
ihre Struktur in die räumliche Fläche passt,
die für
das Biot erforderlich ist. Wie in 10 dargestellt
ist, enthielt das SPX (86) 40 Signaturen mit 0000011000000011
(87) gefolgt von 40 horizontal übereinander angeordneten ORGs
mit einem Sync (89) mit 011011011011, einem Header (90) angeführt von
CD-ROM XA Zuordnung (Orig.: "tracking") und einem MOL mit 0010000100001000010000100,
wie vorher im Abschnitt IIb dargestellt ist.
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Eine
biotische Schicht (109) wurde auf die Oberseite der Polycarbonatschicht
(110) gedruckt. Diese Schicht besteht aus einem monofunktionalen Rezeptor
(105), der einen Spacer (106) und eine molekülspezifische
Bindungsstelle (107) enthält. Dieser Spacer kann irgendein
sich wiederholendes chemisches Element sein, das niedrige chemische
Reaktivität
aufweist. Zum Zweck dieser Demonstration wurde Polyethylenglycol
500 verwendet, wobei eine Seite des Glycols an der Oberfläche der
Disk befestigt wurde. Dieser Spacer kann entweder über die
gesamte Disk platziert sein oder innerhalb von speziellen Abschnitten
unter Verwendung von konventionellem Laserdruck mit einer Auflösung, die
innerhalb einer Pixel-Abmessung von größer als 10 μm × 10 μm reproduzierbar ist. Die biotische
Schicht wurde dann auf dieser Oberfläche unter Verwendung der diotischen
Daten erzeugt. Dieser Prozess dient als Teil des nativen Erzeugers
(5). Die Disk wurde dann in ein Abspielgerät mit zwei
Lasern platziert, dessen Arbeitsweise Ähnlichkeit mit jener aufwies,
die für CD-Schreib-
und CD-RW-Systeme
beschrieben wird. Die Disk wurde dann mit einer 400 μm dicken
Haftschicht bedeckt, dessen Unterseite bedeckt ist mit einer Lösung einer
biotinylierten Probe (105) in einem Harz. Die Beschichtung
wird so auf der Disk platziert, dass sich die Harzschicht in direktem
Kontakt mit der oberen oder biotischen Oberfläche der Disk befindet. Dieses
System wurde so gestaltet, dass Laserstrahl 1 die Disk liest. Die
diotischen Daten, die von der Disk gelesen und in einem Computerspeicher
gespeichert wurden, wurden dann mittels Software wiedergegeben und
dazu verwendet, den zweiten Laserstrahl anzuweisen, die Oberfläche der
Disk dort zu erwärmen,
wo der gegebene Diot vorhanden (Orig.: "expressed") war. Das Erwärmen initiiert eine chemische
Reaktion, die die biotinylierte Probe (107) an die Struktur
(106) auf der Oberseite des Spacers (107) bindet,
wodurch ein an die Oberfläche
gebundener Rezeptor (105) bereitgestellt wird. Um die Abdeckung
des Diots sicherzustellen, wurde die Software dazu programmiert,
die Rezeptoren thermisch auf eine Fläche zu drucken, die 10% in
alle Richtungen vergrößert war.
Wie hier erläutert
ist, erzeugt der Code, der die diotische Schicht beschreibt, die
biotische Schicht.
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Bei
Verwendung dieses Systems war der Rezeptor (105) innerhalb
von 2500 μm2 angeordnet. Innerhalb dieser Maße bedeckte
Thermodruck dieser biotischen Schicht die ganze Fläche des
darunter liegenden Diots (12). Die
biotische Schicht oder die Oberseite dieser Disk (vergleiche Flächenansicht
in 12) wurde dann einer Reihe biologischer Proben ausgesetzt,
von denen eine Streptavidin enthielt. Nach dem Aussetzen wurde die
Disk in einem Bad mit phosphatgepufferter Salzlösung (Orig.: "PBS") für 20 Minuten
gewässert,
um maximale Entfernung sicherzustellen. Molekulare Substanz, die
keine Rezeptorspezifität
aufweist, wurde entfernt zu einer Biotin-codierten Oberfläche. Die
Disk wurde dann mit sterilem deionisiertem Wasser gewaschen und
durch Abwischen mit einem Baumwoll- oder staubfreien Tuch getrocknet.
Die diotische Schicht dieser Disks wurde dann gelesen durch Platzieren
der Disk in ein ROM CD-RW- oder DVD-Abspielgerät eines Personalcomputers und
dem Anweisen von Software, die Disk zu lesen. Wie in 12 angezeigt
ist, muss dieser Lesevorgang durch die biotische Oberfläche hindurchtreten,
die nun (114) enthält.
Die Zugabe von Streptavidin zu der Oberfläche (114) ändert nun
die molekulare Dynamik der Oberfläche (am besten erkennbar in
den Flächenansichten
auf der rechten Seite von 12), was
eine Schicht erzeugt, dessen molekulare Dichte und Dynamik inkonsistent
sind. Wie gezeigt, enthalten nun Bereiche dieser Oberfläche signifikante
Aufbauten an Proteinmasse. Beim programmierbaren Dotieren fehlt
dieser Masse Gleichmäßigkeit
und bestimmte Bereiche der Oberfläche verbleiben transparenter.
Diese nun nicht perfekte Struktur absorbiert oder lenkt das reflektierte Licht
ab, das erzeugt wird, wenn es auf Land trifft, digital ausgedrückt durch
1 (9). Diese Änderung erzeugt
einen Fehler beim Lesen sowohl beim Lesen der aktiven (Land) und
passiven (Pits) Bereiche. Dieser Fehler ist dann innerhalb der diotischen
Daten vorhanden, die durch das Abspielgerät gelesen werden. Zwar hat
sich die physikalische Struktur der diotischen Schicht nicht verändert, jedoch
ihre Struktur und Identität.
Eine Disk wurde erzeugt, bei dem ein Biot mit einer Länge von
7 mm und einer Breite von 4 mm sich entlang einer konzentrischen
Spur einer Disk erstreckte, so dass es einen 9,4 Megabyte Diot bedeckte,
der Einhundert 94.080 Bit lange SPX-Gruppen enthielt, die in zwei
benachbarten 50 Spaltengruppen gepackt waren. Der native Zustand dieser
Disk wurde dann ausgelesen, indem man sie in ein 12-fach CD-ROM-Laufwerk
eines Macintosh PowerBook 1400cs/113 platzierte und 10 Mal die spezifische
Spur (Orig.: "tracking") las, die das Biot bedeckt.
Jedes MOL wurde dann extrahiert und mit seiner bekannten Struktur
verglichen. Das Maß an fehlerhaften
Bits pro MOL wurde ermittelt und diese Daten werden in 13 wiedergegeben.
Diese Disk wurde für
5 Minuten in einer Schale behandelt (Orig.: "exposed"), die 100 ml an 1 pM Streptavidin-Lösung in PBS enthielt, entfernt,
für 20
Min. in sterilem PBS gewässert,
mit deionisiertem Wasser gewaschen und dann mit einem Baumwoll-
oder fusselfreien Tuch abgewischt. Dieses Verfahren dient als der
Manipulator. Die Disk wurde dann in das gleiche CD-ROM-Laufwerk
platziert und es wurde über
die gleiche Spur 10 Mal gelesen. Das 9,4 Mb Diot wurde dann über das 10-malige
Lesen verglichen, der in jedem MOL beobachtete Flux wurde dann durch
Verwenden des vorerwähnten
Verfahrens ermittelt. Wie aus 13 ersichtlich
ist, enthält
der ausgesetzte Zustand (115) einen erheblich größeren Flux
als jener, der gesehen wird, wenn der native Zustand (116)
untersucht wird. Sehr wichtig ist, dass das Behandeln der Disk mit
Lösungen
mit anderen nicht Biotin bindenden Proteinen (d. h. 100 ml an 50
nM BSA in PBS) nicht (115) erzeugte, sondern ein Spektrum
ergab, das sich innerhalb von 0,05% der nativen Struktur (116)
befand.
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Bei
dieser Anwendung diente die ditomische Schicht mit der Disklesevorrichtung
und dem Computer als der Erzeuger (5 oder 9).
Die ditomischen Daten wurden zum Erzeugen der biotischen Schicht
verwendet, die wiederum als das native (6) und ausgesetzte
(9) Substrat diente. Der Manipulator (8) bestand
aus dem Aussetzen der biotischen Schicht einer biologischen Probe,
ihrem Waschen und anschließendem
Trocknen. Dieser Vorgang veränderte das
Substrat (6) zu (10), wie durch (105)
bis (110) zu sehen ist. Dies Veränderung veränderte die Bit-Struktur, die vom
Erzeuger oder biotischen Schicht übertragen und durch einen geeigneten
Prozessor (7 versus 11) empfangen wurde. In 13 dargestellte
Daten veranschaulichen den Flux innerhalb der MOLs der diotischen
Schicht, wie sie von dem manipulierten Prozessor (11) empfangen
wurden. 13 dient dazu, ein Spektrum
für eine
gegebenes Molekül
digital zu charakterisieren. Sehr wichtig ist, dass der Erzeuger
und Prozessor das Bit-Netzwerk verwenden.
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Vorteile
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung beschreibt ein neues Betriebssystem
zum Diagnostizieren von molekularer Information, das beispielsweise
als Ditom bezeichnet wird. Zum Teil veranschaulichte diese Ausführungsform
die Funktion von und das Betriebssystem Ditom für eine optische Speicherung
mit CD-Technologie.
Das Betriebssystem von Ditom kann jedoch auf eine Vielzahl an Systemen ausgeweitet
werden, einschließlich
Prozessen, bei denen diotische Bits definiert sind innerhalb anderer räumlicher
Elemente, Zeit oder selbst durch ein gegebenes molekulares Merkmal.
Diese Systeme können Änderung
eines weiten Bereichs von digital codierten physikalischen Eigenschaften
einschließen, einschließlich den
Transfer von optischen, elektronischen, molekularen oder magnetischen
Strömen oder
Feldern, wobei die durch den erzeugenden Körper strukturierten und durch
den verarbeitenden Körper
untersuchten Daten die identische oder eine mathematisch verwandte
Struktur beibehalten.
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Der
wichtigste erweiterte Fortschritt liegt in seiner Einfachheit beim
Reduzieren des Codierens. Sehr wichtig ist, dass diese Einfachheit
es sowohl Erzeugungs- wie
auch Untersuchungsvorgängen
gestattet, rasch mit modernen Instrumenten digitaler Kommunikation
zu interagieren. Die Verwendung eines einzigen codierenden Systems
gestattet es dem Betriebssystem auch, seine Erzeugungs- und Verarbeitungseinheit
zu vergleichen und zu verbinden, um besser die Natur und das Wirken
(Orig.: „operation") des Substrats zu
definieren. Diese Verbindung kann zum Errichten eines künstlichen
intelligenten Systems verwendet werden, bei dem der Erzeuger und Prozessor
eine Einheit bleibt und durch Manipulation lernt, sich selbst zu
organisieren und entwickeln.
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Die
durch dieses Betriebssystem gesammelte Information dient dazu, ein
neues Niveau molekularer Kommunikation zu definieren. Hierauf errichtete Systeme
definieren ein neues Technologieniveau und erweitern eine Mehrzahl
an Werkzeugen zur medizinischen Untersuchung und/oder wissenschaftlicher
Forschung und definieren weiter neue Instrumente für Bildung
und Unterhaltung.