EP0751827A1 - Method of processing nucleic acids - Google Patents

Method of processing nucleic acids

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EP0751827A1
EP0751827A1 EP95913132A EP95913132A EP0751827A1 EP 0751827 A1 EP0751827 A1 EP 0751827A1 EP 95913132 A EP95913132 A EP 95913132A EP 95913132 A EP95913132 A EP 95913132A EP 0751827 A1 EP0751827 A1 EP 0751827A1
Authority
EP
European Patent Office
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temperature
nucleic acids
processing
reaction mixture
amplification
Prior art date
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EP95913132A
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German (de)
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EP0751827B1 (en
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Wolf Bertling
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Roche Diagnostics GmbH
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Roche Diagnostics GmbH
Boehringer Mannheim GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP0751827B1 publication Critical patent/EP0751827B1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples

Definitions

  • the invention relates to methods for processing nucleic acids using a temperature regulating element and devices and devices for carrying out these methods.
  • nucleic acids are known as e.g. B. very specific detection agent for organisms for the diagnosis of diseases well suited.
  • Various processing steps, such as denaturation, hybridization, synthesis and immobilization of nucleic acids, and their enzymatic treatment are common during these detection methods. For a long time, a problem with such methods was the small amount of nucleic acids in the samples.
  • a solution to this problem which makes a large number of analytes available for detection, brought the amplification of nucleic acids.
  • Such a method is described in EP-A-0200362, namely the polymerase chain reaction (PCR).
  • PCR polymerase chain reaction
  • a large number of copies of the original nucleic acid are produced by repeatedly extending primers in a reaction solution. These can be detected for example by hybridization with a labeled nucleic acid probe according to EP-A-0201 184.
  • the reaction solutions used for this purpose are heated to specific temperatures or cooled again at intervals to separate double strands and for the extension reaction. Because the volumes are relatively large, the times for temperature regulation require a relatively long time for carrying out the entire amplification process.
  • capillary PCR tries to remedy this.
  • the reaction mixture is in glass capillaries with a small diameter.
  • the time for carrying out an amplification sequence can be reduced to approximately 30 minutes.
  • a problem with capillary PCR is the vulnerability of the glass of the capillary to be heated and the difficult to handle sample application.
  • More and more amplification methods have recently been described, in which the amplification reactions can be carried out in a closed system, ie without the addition of reagents during the cycles.
  • WO 92/07089 describes a system in which the amplification mixture is kept in a circulatory system for as long as necessary by repeatedly heating and cooling the reaction mixture.
  • the residence time of the mixture in the individual zones of the system can be influenced by the choice of the diameter.
  • EP 0511712A1 describes an amplification process in which the amplification mixture is cyclically brought to very specific temperatures in order to achieve relatively short cycle times. Sample handling is also difficult here.
  • One of the objects of the present invention was to improve the existing nucleic acid processing methods and in particular to provide methods in which the amplification can be completed in a particularly short time.
  • the invention therefore relates to a method for processing and, in particular, multiplying nucleic acids in a reaction mixture, characterized in that the temperature of a surface adjacent to the reaction mixture and its immediate surroundings is regulated, but the main space of the reaction mixture remains essentially isothermal.
  • the invention also relates to a device for processing and multiplying nucleic acids with a temperature regulating element and a device which contains this device.
  • Nucleic acids in the sense of the invention are all types of nucleic acids, modified or unmodified. Unmodified nucleic acids are, for example, the naturally occurring nucleic acids. Modified nucleic acids can be created by exchanging groups of the natural nucleic acids for other chemical residues. Examples are nucleic acid phosphonates or phosphothioates and nucleic acids modified on the sugar residues or the bases by chemical groups, which can also be detectable.
  • the processing of nucleic acids according to the present invention preferably contains at least one reaction step which takes place at an elevated temperature, but at least at a temperature which deviates from the ambient temperature.
  • reaction steps are, for example, the thermal denaturation of partially or completely double-stranded nucleic acids. It is used to manufacture single strands or to Melt secondary structures that heat nucleic acids to temperatures above the corresponding melting point.
  • a further processing step of nucleic acids is the hybridization of mutually complementary nucleic acids in single-stranded areas to form a double-stranded nucleic acid (hybrid). This takes place at temperatures below the melting point of the hybrid. In order to achieve hybridization, the reaction mixture often has to be cooled.
  • a further processing step is carried out, namely the extension of a primer hybridized to a so-called template nucleic acid (template) with the aid of further mono- or oligonucleotides.
  • template nucleic acid template nucleic acid
  • the temperature at which the corresponding enzyme used has its optimum activity or competitive reactions are reduced is preferably set here. This temperature can also be identical to the hybridization temperature (2-stage PCR).
  • a special case of processing nucleic acids is the multiplication of nucleic acids.
  • practically all amplification methods eg. B. target sequence-dependent amplifications (in particular non-isothermal amplifications such as the polymerase chain reaction, ligase chain reaction or similar) are carried out.
  • At least one of the temperature-sensitive processing steps mentioned above also takes place during these propagation processes.
  • a central feature of the present invention is the fact that the change in temperature does not take place in the entire reaction mixture, but only in a very small part of the reaction mixture. The consequence of this is that the heating up or cooling down of this relatively small area can take place very quickly and thus the processing of the nucleic acids is greatly accelerated.
  • the reaction mixture is therefore brought into contact with a temperature-controllable surface. By changing the temperature of the surface, the immediate surroundings of this surface are heated, adjusted or cooled, depending on the processing step and the temperature of the reaction mixture. There are several cases here.
  • the surface can be cooled in order to achieve hybridization of the nucleic acids in the surrounding area.
  • the surface and thus the immediate surroundings can first be heated to a temperature where the primer can be extended. The temperature can then be raised above the melting point of the nucleic acids, as a result of which denaturation and strand separation of the double-stranded nucleic acids formed can take place. This can be followed by cooling to a temperature at which the single strands can hybridize with new primers. This cycle can be run through several times.
  • the temperature on the surface is first increased in order to separate double strands. The temperature is then reduced to a temperature at which the individual strands hybridize with primers. The optimum temperature for the extension is then set and, if desired, the cycle is repeated.
  • the desired temperature can be maintained for a set period of time, e.g. B. until the desired reactions have occurred on the surface.
  • the temperature of the surface can also be kept constant by known control measures and connected control measures (reheating, cooling).
  • the time periods depend on the length of the nucleic acids to be processed and their homology, as well as the special hybridization conditions.
  • the person skilled in the art can determine the optimal periods of time by simple experiments. Depending on the processing step, the periods are between fractions of a second and a few seconds.
  • the main space of the reaction mixture remains essentially isothermal, while the reaction mixture located in the immediate vicinity of the surface adapts to the temperatures set on the surface.
  • the surface of a device which consists of a heating element and a cooling element.
  • the heating element preferably has a relatively large surface area with a comparatively low heat capacity.
  • Metal foils for example, have proven to be suitable, which can be heated in a suitable manner, e.g. B. by electrical Electricity. Materials for the metal foil are good heat-conducting materials, e.g. B. gold, preferred.
  • the cooling element should have a comparatively high heat capacity.
  • Solid, liquid or gaseous substances are suitable as cooling medium.
  • Liquid cooling media e.g. B. water.
  • Good thermal conductivity is an advantage.
  • the arrangement of the heating element and the cooling element can be changed in accordance with the temperature of the reaction medium, depending on whether the device is to be used more for heating or for cooling the surface and its immediate surroundings. In general, however, the heating element will be located in close proximity to the surface. The surface of the heating element can also directly adjoin the reaction mixture. However, it is also possible to separate the heating element from the reaction mixture by means of a thin, thermally conductive layer.
  • the cooling element can in principle be positioned at any point with which the surface and the immediate surroundings can be cooled. However, it has proven to be preferred to position the cooling element on the side of the heating element remote from the reaction mixture. In the event that the heating element has a low heat capacity, the fact that the heating element also has to be cooled is not a decisive disadvantage.
  • the heating element is used for heating until the surface and its immediate surroundings are heated to the desired temperature.
  • a strong temperature gradient will form near the surface, while the rest of the reaction mixture remains isothermal. This applies in particular if no remarkable liquid exchange is realized during the heating process, but also if a liquid exchange takes place.
  • the heating process can be completed within fractions of a second, in favorable cases even milliseconds. The same applies to cooling.
  • the reaction space, which is heated to the desired temperature can be very small, preferably it is less than 0.2 mm, particularly preferably less than 0.5 ⁇ m deep.
  • the surface of the heating element which is directed onto the reaction mixture influences the depth of the temperature gradient and its rate of build-up. A preferred size of the surface can result from the desired applications of the method.
  • the surface is ⁇ 2 cm ⁇ , particularly preferably between 0.2 cm ⁇ and 0.2 mm ⁇ .
  • the surface can be smooth or rough.
  • the volume of the reaction mixture is practically not of great importance for the invention. This can be a drop with a volume of 20 ⁇ l, but it can also be any volume. It is an advantage of the method according to the invention that the device containing the heating and cooling element can, for example, also be introduced into a large vessel with reaction mixture, the essential reactions taking place only in a very small boundary region of the surface, while the rest of the reaction space has practically no influence on the reaction. On the other hand, the available samples and reagent quantities represent a practical limit for the size of the reaction mixture.
  • the reaction volumes will therefore usually be in a range between 1 ml and 30 ⁇ l, preferably between 100 ⁇ l and 50 ⁇ l, but can be applied, for example of the reaction mixture on the temperature-regulating surface also work with much smaller volumes.
  • nucleic acids For processing the nucleic acids, they are brought to the temperature-regulatable surface or its immediate surroundings. This can be done in various ways, for example mechanically or by diffusion.
  • the nucleic acids are preferably bound to the surface. This binding again can be of different types. A chemical bond is preferred, either via adsorption or biospecific interactions.
  • the surface can be coated with a nucleic acid-binding reagent. Biospecific interactions can be interactions between nucleic acids and the nucleic acids to be processed (hybridization, complementary part of these nucleic acids), but also interactions between antigens or haptens with antibodies directed against them and receptor-ligand interactions.
  • a preferred way of binding the nucleic acids to be processed to the surface is via oligonucleotides which are covalently bound to the surface and which are complementary to at least part of the nucleic acid to be processed.
  • these oligonucleotides can also have biospecific interactions, e.g. B. biotin streptavidin, bound to the surface.
  • the binding of the nucleic acids to be processed is preferably reversible.
  • the nucleic acids can be heated by heating the surface and its immediate exercise can be released again. Any steps can be carried out between binding and releasing the nucleic acid, e.g. B. Implementation of chemical reactions, but also separation of the bound nucleic acids from the original reaction mixture and transfer to a new reaction mixture.
  • the oligonucleotides bound to the surface can be used as primers for the elongarion or extension using the nucleic acid to be processed as a template.
  • the nucleic acid used as a template can be detached from the extension product by increasing the temperature and can act as a template for a new immobilized primer which has not yet been extended in the next temperature cycle. In this way it is possible to extend a large amount of primers immobilized on the surface and thus to produce copies of parts of the nucleic acid to be processed.
  • the extended (extended) surface-primers serve in turn by means of complementary primers to multiply the molecules serving as the template.
  • the reagents required for the reactions to be carried out must be kept in stock in the entire reaction mixture or added as required.
  • the deoxyribonucleotides, a DNA polymerase and another primer and suitable buffer reagents must therefore be kept in the reaction mixture.
  • other reagents e.g. B. ribonucleotides or RNA-dependent polymerases are provided. This step of the process can take particular account of the working temperature of the processing enzyme.
  • the nucleic acids to be processed can also be bound to the surface by physical methods, e.g. B. by means of a magnet. To do this, however, the nucleic acids must be bound to a magnetizable particle.
  • the binding of magnetic particles loaded with nucleic acid can be made reversible in that a magnet is located behind the surface or is induced.
  • the magnetic parts can be bound to or removed from the surface by applying an alternating field.
  • the efficiency can be increased by increasing the diffusion of the nucleic acids in the reaction mixture by convection. It can also be partial to use higher concentrations of the reactants compared to the reaction mixtures usually used.
  • the nucleic acid to be processed can be concentrated on the surface by prehybridization at the start of the reaction.
  • thermostable polymerase is therefore not absolutely necessary for a multiplication reaction and nevertheless new enzyme does not have to be pipetted into the reaction mixture in every amplification cycle.
  • nucleic acids can either be examined in the state bound to the surface or in the released state again, or processed with further reagents.
  • a method for the detection of nucleic acids in a sample can thus be formed in a simple manner.
  • the surface to which the oligonucleotides functioning as primers are bound is brought into contact with the sample liquid.
  • the temperature of the surface and its immediate surroundings is then brought to a temperature which is above the melting point of the double-stranded nucleic acid contained in the sample.
  • the nucleic acid to be detected will hybridize with the oligonucleotide.
  • the nucleic acid to be detected is used to produce a large number of copies which can remain bound to the surface at the end of the multiplication reaction.
  • the amount of nucleic acids on the surface can be determined by hybridization with labeled nucleic acid probes and their detection with the aid of the label. For methods that allow the direct detection of nucleic acid hybrids without labeling or of extended single strands (primers) (e.g. based on the principle of surface plasmon resonance) direct evidence is also possible. If labeled primers or mononucleotides are used for the multiplication reaction, the hybridization with a detectably labeled nucleic acid probe is omitted. An approach is also conceivable in which a higher temperature is maintained in the approach and the surface, which assumes lower temperatures necessary for further steps.
  • the invention also relates to a device which can be used for use in the machining method mentioned above.
  • the subject of the invention is a device for processing nucleic acids by means of a temperature regulating element, this element being suitable for regulating the temperature of the surface and the immediately adjacent surroundings and wherein means for processing the nucleic acids can be bound to this.
  • These agents can be oligonucleotides and serve, for example, as primers.
  • This device preferably contains a cooling element and a heating element, the arrangement preferably being as in the processing method described above.
  • This device is preferably very small. For example, it can have a thickness of ⁇ 5 mm and an area of ⁇ 10 cm 2 .
  • the elements therein, such as the cooling element or the heating element are simple components.
  • this device is excellently suitable for single use (disposable), which can reduce the inherent contamination risk for reusable. If the device is to be suitable for multiple use, it is also possible to separate the heating element from the space containing the reaction mixture by means of a very thin component and to make this component separable from the device. A new component can then be used for a further processing stage.
  • the invention also relates to a device for processing nucleic acids which contains a control element for time-dependent temperature regulation and a device according to the invention.
  • the control element of a so-called thermal cycler according to EP-A-0236 069 can be used as the control element, but control based on the principle of inkjet printers is preferred, since they have a higher control speed.
  • the control element must be able to heat the heating element at predetermined intervals until the surroundings of the surface have a sufficient temperature.
  • it must be able to the cooling element to provide cooling on the surface at predetermined intervals.
  • a cooling liquid can be passed through the device. If the heat capacity of the heating element is low, but the heat output is relatively high, continuous cooling is also possible.
  • the surface to be tempered is located on a preferably black base, preferably a plastic film, which is heated from the distal surface to be tempered by a laser beam, preferably an infrared laser.
  • a laser beam preferably an infrared laser.
  • Both the surface to be tempered and the heat-absorbing and heat-conducting material can be attached to a support surface, preferably infrared-transparent glass.
  • the device according to the invention can have a wide variety of embodiments. For example, it can be designed for immersion in a vessel. However, it can also be designed such that the liquid containing the nucleic acid to be processed can be dripped onto the surface or filled into a vessel formed by the surface. This reaction space can also be closed after the liquid has been poured in, so that contamination problems can be reduced.
  • One embodiment of the invention is a method for increasing nucleic acids.
  • Another embodiment of the method according to the invention is a method for enriching nucleic acids e.g. B. by hybridization.
  • a hybridization temperature can be specified such that a specific binding of the nucleic acid to be analyzed is specified to the primers used for hybridization which are covalently bound to the surface. This method can be used for this
  • This method can also be used to transfer nucleic acids from one solution to another. Then hybridization takes place in the first vessel (low temperature) and denaturation (higher temperature) takes place in the second vessel.
  • Another embodiment of the present invention is a method for sequencing nucleic acids.
  • One possible application of the invention in connection with sequence analyzes is the so-called mini-sequence analysis.
  • the exact sequence determination of the nucleic acid nucleotide adjacent to the primer can be carried out by adding only dideoxynucleotides and no deoxynucleotides for sequencing in the solution provided for sequencing.
  • the four possible dideoxynucleotides ddATP, ddCTP, ddGTP and ddTTP are labeled with different fluorescent markers.
  • the incorporation of the next nucleotide leads to the termination of the sequence reaction and after the extended primer located on the surface has been agreed, the sequence of the nucleotide on the primer can be determined by analyzing the specific fluorescence.
  • a special case of the possibilities of using the present invention is a method for sequencing nucleic acids which have previously been amplified in a PCR reaction. After amplification, the amplified product is covalently bound to the reactive surface in double-stranded form via the primer. By briefly going through a high-temperature phase, this amplificate is present in single-stranded form through denaturation, can be cleaned by transferring it into a washing solution, and can then be used again by transferring it to a sequencing reaction for subsequent sequencing. This sequencing is particularly efficient since only single-stranded matrix material is now available, to which a pair of sequencers will bind particularly efficiently.
  • FIG. 1 shows the construction diagram of a device (1) according to the invention, which is immersed in a reaction vessel (3) filled with reaction mixture (2).
  • the device contains a cooling element (4) and a heating element (5) which can be heated by means of electricity.
  • Oligonucleotides (6) are covalently bound to the surface of the heating element. Both the cooling and the heating element can be regulated via connections (7; 8) on control units.
  • FIG. 2 shows an exemplary temperature profile for an amplification reaction according to the type of PCR.
  • a first phase the nucleic acids are denatured at a temperature slightly below 100 ° C.
  • a phase the hybridization of the nucleic acids to be amplified with the immobilized oligonucleotides takes place on the solid phase at about 50 ° C.
  • the primers are extended at about 70 ° C using the nucleic acid as a template.
  • FIG. 3 shows the reactions taking place in the immediate vicinity of the surface (phases A to C).
  • phase (A) three isotherms are shown in their schematic course, for phase (B) and (C) only one isotherm each.
  • phase (A) the nucleic acids are denatured and diffuse single-stranded over a certain time, in phase (B) templates and primers hybridize and in phase (C) primers are extended along the matrices.
  • FIG. 4 shows a possible prototype of a surface temperature control suitable for the application according to the invention.
  • the heating unit which contains the exchangeable heated gold surfaces as well as the physical requirements for cooling or heating (coolant connection, power connection), is connected to the actual measuring units (1) by means of plug connections (7; 8) with the brackets also attached to them Reaction vessels (11) are attached, in which the matrix molecules, buffer components and primers necessary for carrying out the reaction are in solution and the polymerase is present.
  • the sensors (9), here in the form of a test strip, contain, for example, gold surfaces (5) in FIG. 4, which do not have to be coated with the same primers (6).
  • a cross section through this measuring unit is shown in the lower part of the figure, on which the cooling circuit (4) used for cooling with stirring mechanism (12) and cooling liquid (13) as well as the reaction surfaces (5, 6) with electronic connection can recognize.
  • the cooling circuit (4) used for cooling with stirring mechanism (12) and cooling liquid (13) as well as the reaction surfaces (5, 6) with electronic connection can recognize.
  • the cathode connection of the gold membrane (5) with a support and separation filter (14) and an adhesive layer for the oligonucleotides (6) can be seen.
  • FIG. 6 consists of a schematic drawing of the temperature gradient which forms in the immediate vicinity of the adhesive layer with oligonucleotides and the temperature profile to be expected, here using the example of a 3-stage PCR in which the temperatures are 96 ° for 0.1 seconds, 54 ° for 0.5 seconds and 72 ° are also shown for 0.5 seconds.
  • An exemplary cyclically temperable gold surface can be obtained by milling two approximately 1 mm wide and 3 mm long elongated holes parallel to one another at a distance of 3 mm in a thin circuit board.
  • these elongated holes are conductively connected to one another by vapor deposition with gold.
  • one of these elongated holes is connected to the anode via the printed circuit board traces, and the other is also connected to the cathode via the printed circuit board runs.
  • the gold layer on the proximal side is applied by applying a mask of the desired size, in this case 3 x 3 mm flush, over the two longitudinal surfaces.
  • the inside of the longitudinal surface is galvanically coated with copper up to the surface.
  • the two electrically conductive longitudinal holes are now coated with a gold layer a few ⁇ m thick. The coating process is described below:
  • the layer thickness of the gold is 300 nm.
  • the multi-gold sports plate was coated with "thinned" biotinthiol binding layers to form a hydrophobic SAM layer.
  • biotin thiol compound H-C12-DADOO-biotin; N, N "- (12-mercaptodc ⁇ ecylyl-biotmylyl ⁇ jT-diaminoethyl-glycol diether; 2.94 mg; 5x10-5 m
  • the diluent (12-mercaptoundecanol, 9.2 mg, 4.5x10 " ⁇ m) were dissolved in 100 ml of ethanol pa.
  • the freshly coated polycarbonate foils were immersed in this solution. After 4 hours the plates were removed, washed twice with ethanol pa and immediately coated with streptavidin.
  • the very thin thickness of the gold layer results in a very small conductive gold cross section (3 mm x 3 ⁇ m over a distance of 3 mm). This gold layer therefore represents a relatively high resistance compared to the conductor tracks.
  • the conductor tracks are now connected to a power supplier which, with the aid of a computer, allows the ohmic induced temperature of the gold surface to be checked.
  • the cover layer which isolates the measuring meander from platinum
  • a platinum temperature sensor PT 100
  • PT 100 platinum temperature sensor
  • this sensor can also be used as a thermal source for the evaporated gold layer. To do this, it is necessary to forward the current and voltage at the platinum sensor to a controller via an analog divider.
  • the controlled variable of the controller is the resistance of the heated platinum element, which permits exact temperature control when the gold surface temperature has been normalized with the temperature of the platinum meander.
  • An exemplary device for measuring the surface temperature of the gold foil (variant a).
  • a gold foil according to Example 1, variant a is covered with a mask which allows the gold foil to be vapor-deposited with an approximately 1 mm wide gold thread which extends beyond this gold surface and can be connected to a measuring point.
  • the metal thread lies at the same point on the gold surface as the gold thread at (200 nm thick), but separates in its course when it leaves the gold surface to be tempered and leads as a separate metal thread (300 nm thick) to a second measuring point.
  • This arrangement of the measuring probes made of gold and a further metal or alloy suitable for temperature measurement allows the measurement of the thermal voltage (2.2 mV / 100 ° Kalvin) in the area of the gold foil where the two Probe thread overlap.
  • the temperature at the cold junction is measured with a thermal precision PT 1000 element (accuracy> 1%) and standardized to 10 V (0 V corresponds to 0 °, 10 V corresponds to 100 °), only amplified and also to 10 V standardized.
  • the sum of both temperatures is formed in a sum amplifier and used for the electronic control of the respective surface temperature.
  • An exemplary device for measuring the surface temperature of the gold surface from example 1, variant b.
  • the surface temperature of the gold layer there is the possibility of pressing the surfaces of two gold-vaporized PT 100 measuring sensors as described in example 1, variant b, in such a way that half of the gold-vaporized surfaces of the heating sensor and the Measuring sensor cover each other and the remaining area is in the surrounding medium. If only one sensor is used for measurement and the other for heating, then the temperature of the gold surfaces can be calculated exactly.
  • the temperature at the surface of the sensors corresponds exactly to the mean value of the temperature of the heated and of the unheated sensor, both of which can be precisely defined via resistance measurements. In this way, using a temperature sensor used for the measurement, a whole series of temperable surfaces can be calibrated and prepared for carrying out PCR reactions.
  • the temperature gradient of two surfaces arranged in this way is approximately 3 ° C. between the heated and unheated surface.
  • An exemplary implementation of a polymerase chain reaction uses a surface-fixed, biotin-labeled primer (5 -GAAGGGAGGAAGGAGGGAGCGGAC-3 '). This primer is coupled via its biotin group located at the 5 'end to a surface streptavidin or gold streptavidin surface. The molar amount of streptavidin or biotin / square millimeter is approximately 0.2 pmol / mm 2 .
  • nanogram amounts or less of the following double or single-stranded template molecule in solution (only one strand cited: 5'-GAAGGGAGGAAGGAGGGAGCGGACGTCCACCACCACCCAACCACCCCACCC -3 ') and a counterprimer in the concentration of between 0.5 ⁇ M to 2 ⁇ M.
  • the reaction takes place in commercially available PCR buffer (Boehringer Mannheim, package insert for the enzyme, 8th edition, ID number 1146165) at 1.5 mMMg 2+ .
  • a commercially available Taq DNA polymerase (Boehringer Mannheim, ID number 1146165) was used as the polymerase in a concentration of 20 nM.
  • the counterprimer present in solution (5 3GGTGGGGTGGTTGGGTGGTGGTG-3 ') was digoxigenin-labeled at its 5' end (patent EP 0324474).
  • the PCR reaction took place at a constant solution temperature of 68 ° and a primer-coated surface which varied cyclically between 96 and 68 °.
  • the cyclical duration of the higher temperature varied in our example between 0.1 seconds, 10 seconds and 1 minute, that of the lower temperature between 0.5 seconds, 20 seconds and 1 minute.
  • the solution was cooled to room temperature, only the complementary elongated biotin and elongated digoxigenin-labeled primers hybridizing with one another and forming double-stranded DNA fragments.
  • the surfaces were reacted with anti-Dig-POD, incubated for 30 minutes, washed again and treated with ABTS (staining protocol according to package insert item 3 for the Boehringer Mannheim reverse transcriptase assay, non-radioactive, ID number 1468120).
  • ABTS staining protocol according to package insert item 3 for the Boehringer Mannheim reverse transcriptase assay, non-radioactive, ID number 1468120.
  • the resulting colored product was quantified in an ELISA photometer at a wavelength of 405/490 nanometers.
  • An exemplary device according to this invention consists of three structural units. These three structural units are:
  • the element surface described in this example consists of a thin gold foil with a thickness of less than half a millimeter, which is firmly connected to a streptavidin layer.
  • the biotin-labeled oligonucleotides necessary for the further processing steps can in turn be attached to this dextran layer by affinity coupling. These oligonucleotides are then covalently coupled to the surface via their 5'-phosphate end and thus have a reactive 3 'end which is accessible to enzymes.
  • This gold foil which can be structurally stabilized by a supporting plastic net, and which has a reactive surface of about 5 x 5 mm, also serves as a heating element, since it is connected to an electrical power source which, when current flows, spontaneously heats this gold foil leads.
  • the cooling element is located distal to the reaction batch, behind the gold foil.
  • the cooling element consists of a plastic channel with a 7 mm wide surface bordering the gold foil. The channel is 2 mm deep and extends over the entire length of the part of the device referred to here as the sensor, which in this case comprises the heating and cooling elements and the reactive surface.
  • This channel extends from one end of the sensor to the other end of the sensor to which the reactive surface is attached and back by enclosing a web separating the two channels.
  • a suitable cooling liquid for. B. water circulated.
  • the entire unit is cast in hard plastic and recyclable, i. H. both the gold foil and the plastic are recyclable.
  • the control of both the heating of the reactive surface, as well as the circulation speed and pre-cooling temperature of the cooling liquid is carried out via an electronic third component, which is attached outside the sensor, made.
  • This third unit also includes the storage container and the connection connections for the cooling liquid.
  • this third unit there is also a micropump, which is responsible for circulating the coolant.
  • the example of an application of the device according to the invention here is an amplification reaction, referred to as a polymerase chain reaction, from a predetermined nucleic acid sequence.
  • a polymerase chain reaction For this nucleic acid sequence, two primers with a length of 16 bases each, which code at a distance of 4 nucleotides to one another, have been selected.
  • One primer is identical in its sequence, the other complementary to the analyzing sequence.
  • the primer referred to here as identical is coupled to the reactive surface via its biotin residue present at the 5 'end.
  • the other, complementary primer and all other reagents that are usually used in a so-called PCR reaction are added to the reaction mixture.
  • the reaction is started by entering the corresponding reaction temperatures which should prevail in the immediate vicinity of the reactive surface and by immersing the reactive surface or the sensor (see Example 4) in the reaction mixture.
  • the temperature changes in the reactive surface are programmed so that 50 heating and cooling cycles can be carried out in about 1 minute.
  • the surface is cleaned of all non-covalently bound reaction partners.
  • the surface cleaned in this way which now only contains primer molecules and extended primer molecules, is introduced for analysis, together with the sensor, into a device which, according to the principle of plasmon resonance, allows a direct determination of the amount of the extended product.
  • measuring unit 1. Device according to the invention, measuring unit

Abstract

PCT No. PCT/EP95/00975 Sec. 371 Date Sep. 19, 1996 Sec. 102(e) Date Sep. 19, 1996 PCT Filed Mar. 16, 1995 PCT Pub. No. WO95/25592 PCT Pub. Date Sep. 28, 1995Method and device for processing nucleic acids in a reaction mixture on a surface that can be temperature-controlled and its immediate vicinity wherein the main space of the reaction mixture remains essentially isothermal. The method has the advantage of a very short processing time.

Description

Verfahren zur Bearbeitung von NukleinsäurenProcess for processing nucleic acids
Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zur Bearbeitung von Nukleinsäuren mittels eines Temperaturregulationselements sowie Vorrichtungen und Geräte zur Durchführung dieser Verfahren.The invention relates to methods for processing nucleic acids using a temperature regulating element and devices and devices for carrying out these methods.
In der Analytik, insbesondere in der medizinischen Diagnostik, beginnen sich immer mehr Verfahren zu etablieren, welche auf Nachweisen und Synthesen von Nukleinsäuren be¬ ruhen. Nukleinsäuren sind als z. B. sehr spezifisches Erkennungsmittel für Organismen zur Diagnose von Krankheiten gut geeignet. Während dieser Nachweisverfahren sind verschiedenste Bearbeitungsschritte, wie Denaturierung, Hybridisierung, Synthesen und Immobilisierung von Nukleinsäuren, sowie deren enzymatische Behandlung üblich. Ein Problem bei solchen Verfahren war lange Zeit die geringe Menge an Nukleinsäuren in den Proben.In analytics, especially in medical diagnostics, more and more methods are beginning to establish themselves, which are based on the detection and synthesis of nucleic acids. Nucleic acids are known as e.g. B. very specific detection agent for organisms for the diagnosis of diseases well suited. Various processing steps, such as denaturation, hybridization, synthesis and immobilization of nucleic acids, and their enzymatic treatment are common during these detection methods. For a long time, a problem with such methods was the small amount of nucleic acids in the samples.
Eine Lösung für dieses Problem, mit der eine Vielzahl von Analyten für einen Nachweis zugänglich gemacht wird, brachte die Amplifikation von Nukleinsäuren. Ein solches Verfahren ist in der EP-A-0200362 beschrieben, nämlich die Polymerase Chain Reaction (PCR). Dabei wird durch mehrfache Verlängerung von Primern in einer Reaktionslösung eine Vielzahl von Kopien der ursprünglichen Nukleinsäure hergestellt. Diese können beispielsweise durch Hybridisierung mit einer markierten Nuklein- säuresonde gemäß EP-A-0201 184 nachgewiesen werden. Die dabei verwendeten Reaktionslösungen werden zur Trennung von Doppelsträngen und für die Extensions- reaktion jeweils in Intervallen auf bestimmte Temperaturen erhitzt bzw. wieder abge¬ kühlt. Dadurch, daß es sich um relativ große Volumina handelt, bedingen die Zeiten für die Temperaturregulierung eine relativ lange Zeit für die Durchführung des gesamten Amplifikationsverfahrens.A solution to this problem, which makes a large number of analytes available for detection, brought the amplification of nucleic acids. Such a method is described in EP-A-0200362, namely the polymerase chain reaction (PCR). A large number of copies of the original nucleic acid are produced by repeatedly extending primers in a reaction solution. These can be detected for example by hybridization with a labeled nucleic acid probe according to EP-A-0201 184. The reaction solutions used for this purpose are heated to specific temperatures or cooled again at intervals to separate double strands and for the extension reaction. Because the volumes are relatively large, the times for temperature regulation require a relatively long time for carrying out the entire amplification process.
Eine Abhilfe versucht hier die sogenannte Kapillar-PCR zu schaffen. Dabei befindet sich die Reaktionsmischung in Glaskapillaren mit einem geringen Durchmesser. Dadurch kann die Zeit für die Durchführung einer Amplifikationssequenz auf ca. 30 min gesenkt wer¬ den. Ein Problem bei der Kapillar-PCR ist die Anfälligkeit des mitzuerhitzenden Glases der Kapillare und die schwer handhabbare Probenapplikation. In jüngerer Zeit werden auch immer mehr Amplifikationsverfahren beschrieben, bei denen die Amplifikationsreaktionen in einem geschlossenen System, d. h. ohne Zufuhr von Reagenzien während der Zyklen, durchgeführt werden kann. So ist in WO 92/07089 ein System beschrieben, bei dem die Amplifikationsmischung solange wie erforderlich in einem Kreislaufsystem geführt wird, indem die Reaktionsmischung immer wieder erhitzt und abgekühlt wird. Durch Wahl des Durchmessers kann die Verweilzeit der Mischung in den einzelnen Zonen des Systems beeinflußt werden. In EP 0511712A1 ist ein Ampli¬ fikationsverfahren beschrieben, bei dem die Amplifikationsmischung cyclisch auf ganz bestimmte Temperaturen gebracht wird, um relativ kurze Zykluszeiten zu erreichen. Auch hier ist die Probenhandhabung erschwert.The so-called capillary PCR tries to remedy this. The reaction mixture is in glass capillaries with a small diameter. As a result, the time for carrying out an amplification sequence can be reduced to approximately 30 minutes. A problem with capillary PCR is the vulnerability of the glass of the capillary to be heated and the difficult to handle sample application. More and more amplification methods have recently been described, in which the amplification reactions can be carried out in a closed system, ie without the addition of reagents during the cycles. For example, WO 92/07089 describes a system in which the amplification mixture is kept in a circulatory system for as long as necessary by repeatedly heating and cooling the reaction mixture. The residence time of the mixture in the individual zones of the system can be influenced by the choice of the diameter. EP 0511712A1 describes an amplification process in which the amplification mixture is cyclically brought to very specific temperatures in order to achieve relatively short cycle times. Sample handling is also difficult here.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es unter anderem, die bestehenden Nuklein- säurebearbeitungsverfahren zu verbessern und insbesondere Verfahren bereitzustellen, bei denen die Amplifikation in besonders kurzer Zeit abgeschlossen werden kann.One of the objects of the present invention was to improve the existing nucleic acid processing methods and in particular to provide methods in which the amplification can be completed in a particularly short time.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Bearbeitung und insbesondere Vermehrung von Nukleinsäuren in einer Reaktionsmischung, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur einer an die Reaktionsmischung angrenzenden Oberfläche und deren unmittelbaren Umgebung reguliert wird, jedoch der Hauptraum der Reaktionsmischung im wesentlichen isotherm verbleibt.The invention therefore relates to a method for processing and, in particular, multiplying nucleic acids in a reaction mixture, characterized in that the temperature of a surface adjacent to the reaction mixture and its immediate surroundings is regulated, but the main space of the reaction mixture remains essentially isothermal.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind eine Vorrichtung zum Bearbeiten und Vermeh¬ rung von Nukleinsäuren mit einem Temperaturregulationselement sowie ein Gerät, welches diese Vorrichtung enthält.The invention also relates to a device for processing and multiplying nucleic acids with a temperature regulating element and a device which contains this device.
Nukleinsäuren im Sinne der Erfindung sind alle Arten von Nukleinsäuren, modifizierte oder unmodifizierte. Unmodifizierte Nukleinsäuren sind beispielsweise die natürlich vorkommenden Nukleinsäuren. Modifizierte Nukleinsäuren können durch Austausch von Gruppen der natürlichen Nukleinsäuren durch andere chemische Reste entstehen. Bei¬ spiele sind Nukleinsäure-Phosphonate, oder -Phosphothioate und an den Zuckerresten oder den Basen durch chemische Gruppen, die auch nachweisbar sein können, modifi¬ zierte Nukleinsäuren.Nucleic acids in the sense of the invention are all types of nucleic acids, modified or unmodified. Unmodified nucleic acids are, for example, the naturally occurring nucleic acids. Modified nucleic acids can be created by exchanging groups of the natural nucleic acids for other chemical residues. Examples are nucleic acid phosphonates or phosphothioates and nucleic acids modified on the sugar residues or the bases by chemical groups, which can also be detectable.
Die Bearbeitung von Nukleinsäuren gemäß der vorliegenden Erfindung enthält bevorzugt mindestens einen bei erhöhter Temperatur, zumindest aber von der Umgebungs¬ temperatur abweichenden Temperatur, ablaufenden Reaktionsschritt. Solche Reaktions¬ schritte sind beispielsweise die thermische Denaturierung von teilweise oder vollständig doppelsträngigen Nukleinsäuren. Dabei werden, um Einzelstränge herzustellen oder um Sekundärstrukturen aufzuschmelzen, die Nukleinsäuren auf Temperaturen oberhalb des entsprechenden Schmelzpunktes erhitzt. Ein weiterer Bearbeitungsschritt von Nuklein¬ säuren ist die Hybridisierung von zueinander komplementären Nukleinsäuren in einzel- strängigen Bereichen zu einem Nukleinsäuredoppelstrang (Hybrid). Dieser findet bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Hybrides statt. Um eine Hybridisierung zu erreichen, muß daher oft eine Abkühlung der Reaktionsmischung vorgenommen werden. Insbesondere in Amplifikations- oder Sequenzierungsverfahren wird ein weiterer Bearbeitungsschritt durchgeführt, nämlich die Verlängerung (Extension) eines an eine sogenannte Matrizen-Nukleinsäure (template) hybridisierten Primers mit Hilfe weiterer Mono- oder Oligonukleotide. Hierbei wird bevorzugt die Temperatur eingestellt, bei der das entsprechende verwendete Enzym sein Aktivitätsoptimum aufweist, bzw. Kon¬ kurrenzreaktionen vermindert sind. Diese Temperatur kann auch mit der Hybridisations¬ temperatur identisch sein (2-Stufen-PCR).The processing of nucleic acids according to the present invention preferably contains at least one reaction step which takes place at an elevated temperature, but at least at a temperature which deviates from the ambient temperature. Such reaction steps are, for example, the thermal denaturation of partially or completely double-stranded nucleic acids. It is used to manufacture single strands or to Melt secondary structures that heat nucleic acids to temperatures above the corresponding melting point. A further processing step of nucleic acids is the hybridization of mutually complementary nucleic acids in single-stranded areas to form a double-stranded nucleic acid (hybrid). This takes place at temperatures below the melting point of the hybrid. In order to achieve hybridization, the reaction mixture often has to be cooled. In particular in amplification or sequencing methods, a further processing step is carried out, namely the extension of a primer hybridized to a so-called template nucleic acid (template) with the aid of further mono- or oligonucleotides. The temperature at which the corresponding enzyme used has its optimum activity or competitive reactions are reduced is preferably set here. This temperature can also be identical to the hybridization temperature (2-stage PCR).
Ein Spezialfall der Bearbeitung von Nukleinsäuren ist die Vermehrung von Nuklein¬ säuren. Dabei können gemäß der vorliegenden Erfindung praktisch alle Amplifikations- verfahren, z. B. zielsequenzabhängige Amplifikationen (insbesondere nicht-isotherme Amplifikationen wie die Polymerase Chain Reaction, Ligase Chain Reaction oder ähn¬ liche) durchgeführt werden. Auch während dieser Vermehrungsverfahren findet mindestens einer der oben genannten temperatursensitiven Bearbeitungsschritte statt.A special case of processing nucleic acids is the multiplication of nucleic acids. According to the present invention, practically all amplification methods, eg. B. target sequence-dependent amplifications (in particular non-isothermal amplifications such as the polymerase chain reaction, ligase chain reaction or similar) are carried out. At least one of the temperature-sensitive processing steps mentioned above also takes place during these propagation processes.
Zentrales Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, daß die Änderung der Temperatur nicht in der gesamten Reaktionsmischung, sondern nur in einem sehr kleinen Teil der Reaktionsmischung stattfindet. Dies hat zur Folge, daß das Aufheizen bzw. das Abkühlen dieses relativ kleinen Bereiches sehr schnell vor sich gehen kann und damit die Bearbeitung der Nukleinsäuren stark beschleunigt wird. Zur Durchführung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens wird daher die Reaktionsmischung mit einer temperaturregu¬ lierbaren Oberfläche in Kontakt gebracht. Durch Änderung der Temperatur der Ober¬ fläche wird die unmittelbare Umgebung dieser Oberfläche erhitzt, angeglichen oder abge¬ kühlt, je nach Bearbeitungsschritt und Temperatur der Reaktionsmischung. Man kann hier mehrere Fälle unterscheiden.A central feature of the present invention is the fact that the change in temperature does not take place in the entire reaction mixture, but only in a very small part of the reaction mixture. The consequence of this is that the heating up or cooling down of this relatively small area can take place very quickly and thus the processing of the nucleic acids is greatly accelerated. To carry out the process according to the invention, the reaction mixture is therefore brought into contact with a temperature-controllable surface. By changing the temperature of the surface, the immediate surroundings of this surface are heated, adjusted or cooled, depending on the processing step and the temperature of the reaction mixture. There are several cases here.
Für den Fall daß die Temperatur der Reaktionsmischung höher liegt als die Schmelz¬ temperatur der zu bearbeitenden Nukleinsäuren, kann die Oberfläche gekühlt werden, um in der angrenzenden Umgebung eine Hybridisierung der Nukleinsäuren zu erreichen. Für den Fall, daß die Temperatur der Reaktionsmischung niedriger ist als die Schmelz¬ temperatur und die Temperatur, die für eine Verlängerung eines Primers an der Nuklein- säure erforderlich ist, kann die Oberfläche und damit die unmittelbare Umgebung zu¬ nächst auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der die Extension des Primers stattfinden kann. Anschließend kann die Temperatur über den Schmelzpunkt der Nukleinsäuren er¬ höht werden, wodurch eine Denaturierung und Strangtrennung der gebildeten doppel- strängigen Nukleinsäuren stattfinden kann. Daran kann sich eine Abkühlung auf eine Temperatur, bei der die Einzelstränge mit neuen Primern hybridisieren können, an¬ schließen. Dieser Zyklus kann mehrfach durchlaufen werden.In the event that the temperature of the reaction mixture is higher than the melting temperature of the nucleic acids to be processed, the surface can be cooled in order to achieve hybridization of the nucleic acids in the surrounding area. In the event that the temperature of the reaction mixture is lower than the melting temperature and the temperature required for extending a primer on the nucleic acid, the surface and thus the immediate surroundings can first be heated to a temperature where the primer can be extended. The temperature can then be raised above the melting point of the nucleic acids, as a result of which denaturation and strand separation of the double-stranded nucleic acids formed can take place. This can be followed by cooling to a temperature at which the single strands can hybridize with new primers. This cycle can be run through several times.
Für den Fall, daß die Temperatur der Reaktionsmischung zwischen der für die Extension optimalen Temperatur und der Schmelztemperatur liegt, wird die Temperatur an der Oberfläche zunächst erhöht, um Doppelstränge zu trennen. Anschließend wird die Temperatur auf eine Temperatur gesenkt, bei der die Einzelstränge mit Primern hybridi¬ sieren. Daraufhin wird die für die Extension optimale Temperatur eingestellt und ge- wünschtenfalls der Zyklus wiederholt.In the event that the temperature of the reaction mixture is between the optimum temperature for the extension and the melting temperature, the temperature on the surface is first increased in order to separate double strands. The temperature is then reduced to a temperature at which the individual strands hybridize with primers. The optimum temperature for the extension is then set and, if desired, the cycle is repeated.
Die gewünschte Temperatur kann über einen festgelegten Zeitraum aufrechterhalten werden, z. B. solange, bis die gewünschten Reaktionen an der Oberfläche abgelaufen sind. Dazu kann die Temperatur der Oberfläche auch durch bekannte Kontrollmaßnah¬ men und angeschlossene Regelmaßnahmen (Nachheizen, -Kühlen) konstant gehalten werden. Die Zeiträume hängen, wie bei bekannten Verfahren üblich, von der Länge der zu bearbeitenden Nukleinsäuren und deren Homologie sowie den speziellen Hybridisie- rungsbedingungen ab. Der Fachmann kann jedoch durch einfache Versuche die optimalen Zeiträume ermitteln. Die Zeiträume liegen, je nach Bearbeitungsschritt, zwischen Sekundenbruchteilen und wenigen Sekunden.The desired temperature can be maintained for a set period of time, e.g. B. until the desired reactions have occurred on the surface. For this purpose, the temperature of the surface can also be kept constant by known control measures and connected control measures (reheating, cooling). As is customary in known methods, the time periods depend on the length of the nucleic acids to be processed and their homology, as well as the special hybridization conditions. However, the person skilled in the art can determine the optimal periods of time by simple experiments. Depending on the processing step, the periods are between fractions of a second and a few seconds.
Bei den oben geschilderten Fällen verbleibt der Hauptraum der Reaktionsmischung im wesentlichen isotherm, während sich die in unmittelbarer Umgebung der Oberfläche be¬ findliche Reaktionsmischung den an der Oberfläche eingestellten Temperaturen anpaßt.In the cases described above, the main space of the reaction mixture remains essentially isothermal, while the reaction mixture located in the immediate vicinity of the surface adapts to the temperatures set on the surface.
Zur Regulierung der Temperatur und zum Einstellen spezifischer Temperaturen an der Oberfläche und deren unmittelbarer Umgebung empfiehlt es sich, als Oberfläche die Oberfläche einer Vorrichtung zu wählen, die aus einem Heizelement und einem Kühl¬ element besteht. Das Heizelement hat bevorzugt eine relativ große Oberfläche bei ver¬ gleichsweise geringer Wärmekapazität. Als geeignet haben sich beispielsweise Metall¬ folien erwiesen, die auf geeignete Weise erhitzt werden können, z. B. durch elektrischen Strom. Als Materialien für die Metallfolie sind gut wärmeleitende Materialien, z. B. Gold, bevorzugt.To regulate the temperature and to set specific temperatures on the surface and its immediate surroundings, it is advisable to choose the surface of a device as the surface, which consists of a heating element and a cooling element. The heating element preferably has a relatively large surface area with a comparatively low heat capacity. Metal foils, for example, have proven to be suitable, which can be heated in a suitable manner, e.g. B. by electrical Electricity. Materials for the metal foil are good heat-conducting materials, e.g. B. gold, preferred.
Das Kühlelement sollte eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität haben. Als Kühl¬ medium kommen feste, flüssige oder gasförmige Stoffe in Frage. Bevorzugt sind flüssige Kühlmedien, z. B. Wasser. Eine gute Wärmeleitfähigkeit ist von Vorteil.The cooling element should have a comparatively high heat capacity. Solid, liquid or gaseous substances are suitable as cooling medium. Liquid cooling media, e.g. B. water. Good thermal conductivity is an advantage.
Die Anordnung des Heizelements und des Kühlelements kann entsprechend der Tempe¬ ratur des Reaktionsmediums verändert werden, je nach dem, ob die Vorrichtung mehr zum Erhitzen oder zum Kühlen der Oberfläche und deren unmittelbarer Umgebung be¬ nutzt werden soll. Im allgemeinen wird jedoch das Heizelement in unmittelbarer Nähe der Oberfläche lokalisiert sein. Die Oberfläche des Heizelementes kann auch direkt an die Reaktionsmischung angrenzen. Es ist jedoch auch möglich, das Heizelement durch eine dünne, wärmeleitfahige Schicht von der Reaktionsmischung zu trennen.The arrangement of the heating element and the cooling element can be changed in accordance with the temperature of the reaction medium, depending on whether the device is to be used more for heating or for cooling the surface and its immediate surroundings. In general, however, the heating element will be located in close proximity to the surface. The surface of the heating element can also directly adjoin the reaction mixture. However, it is also possible to separate the heating element from the reaction mixture by means of a thin, thermally conductive layer.
Das Kühlelement kann prinzipiell an jeder Stelle positioniert sein, mit der eine Abkühlung der Oberfläche und der unmittelbaren Umgebung möglich ist. Als bevorzugt hat es sich jedoch erwiesen, das Kühlelement auf der der Reaktionsmischung abgelegenen Seite des Heizelements zu positionieren. Für den Fall daß das Heizelement eine geringe Wärmekapazität hat, ist die Tatsache, daß das Heizelement ebenfalls abgekühlt werden muß, nicht von entscheidendem Nachteil.The cooling element can in principle be positioned at any point with which the surface and the immediate surroundings can be cooled. However, it has proven to be preferred to position the cooling element on the side of the heating element remote from the reaction mixture. In the event that the heating element has a low heat capacity, the fact that the heating element also has to be cooled is not a decisive disadvantage.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Hilfe des Heizelements so lange geheizt, bis die Oberfläche und ihre unmittelbare Umgebung auf die gewünschte Temperatur erhitzt ist. Dabei wird sich ein starker Temperaturgradient in der Nähe der Oberfläche ausbilden, während der restliche Teil des Reaktionsgemisches isotherm bleibt. Dies gilt insbe¬ sondere, wenn kein bemerkenswerter Flüssigkeitsaustausch während des Auf heizvor¬ ganges realisiert wird, aber auch, wenn ein Flüssigkeitsaustausch stattfindet. Der Auf¬ heizvorgang kann innerhalb von Sekundenbruchteilen, in günstigen Fällen sogar Milli¬ sekunden, abgeschlossen sein. Dasselbe gilt für die Kühlung. Der Reaktionsraum, welcher auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird, kann sehr klein sein, bevorzugt ist er weniger als 0,2 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,5 μm tief. Die auf die Reak¬ tionsmischung hingerichtete Fläche des Heizelements beeinflußt die Tiefe des Tempera¬ turgradienten und seine Aufbaugeschwindigkeit. Aus den gewünschten Anwendungen des Verfahrens kann sich eine bevorzugte Größe der Oberfläche ergeben. In der Regel ist die Oberfläche < 2 cm^, besonders bevorzugt zwischen 0,2 cm^ und 0,2 mm^. Die Oberfläche kann glatt oder auch rauh sein. Für den Fall, daß die Oberfläche gleichzeitig als Träger von Mitteln für die Bearbeitung der Nukleinsäuren genutzt wird, ist es vor¬ teilhaft, diese Oberfläche durch Oberflächenstrukturen zu vergrößern.In the method according to the invention, the heating element is used for heating until the surface and its immediate surroundings are heated to the desired temperature. A strong temperature gradient will form near the surface, while the rest of the reaction mixture remains isothermal. This applies in particular if no remarkable liquid exchange is realized during the heating process, but also if a liquid exchange takes place. The heating process can be completed within fractions of a second, in favorable cases even milliseconds. The same applies to cooling. The reaction space, which is heated to the desired temperature, can be very small, preferably it is less than 0.2 mm, particularly preferably less than 0.5 μm deep. The surface of the heating element which is directed onto the reaction mixture influences the depth of the temperature gradient and its rate of build-up. A preferred size of the surface can result from the desired applications of the method. As a rule, the surface is <2 cm ^, particularly preferably between 0.2 cm ^ and 0.2 mm ^. The surface can be smooth or rough. In case the surface is at the same time is used as a carrier of agents for processing the nucleic acids, it is advantageous to enlarge this surface by means of surface structures.
Das Volumen der Reaktionsmischung ist für die Erfindung praktisch nicht von großer Bedeutung. Es kann sich hierbei um einen Tropfen mit einem Volumen von 20 μl, jedoch auch um ein beliebig großes Volumen handeln. Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß die das Heiz- und das Kühlelement enthaltende Vorrichtung beispiels¬ weise auch in ein großes Gefäß mit Reaktionsmischung eingebracht werden kann, wobei die wesentlichen Reaktionen nur in einem sehr kleinen Grenzbereich der Oberfläche stattfinden, während der übrige Reaktionsraum praktisch keinen Einfluß auf die Reaktion ausübt. Andererseits stellen die erhältlichen Proben und Reagenzmengen ein praktisches Limit für die Größe der Reaktionsmischung dar. Die Reaktionsvolumina werden sich daher meist in einem Bereich zwischen 1 ml und 30 μl, bevorzugt zwischen 100 μl und 50 μl, bewegen, jedoch läßt sich zum Beispiel durch Aufbringen des Reaktionsansatzes auf die temperaturregulierende Oberfläche auch mit sehr viel kleineren Volumina arbei¬ ten.The volume of the reaction mixture is practically not of great importance for the invention. This can be a drop with a volume of 20 μl, but it can also be any volume. It is an advantage of the method according to the invention that the device containing the heating and cooling element can, for example, also be introduced into a large vessel with reaction mixture, the essential reactions taking place only in a very small boundary region of the surface, while the rest of the reaction space has practically no influence on the reaction. On the other hand, the available samples and reagent quantities represent a practical limit for the size of the reaction mixture. The reaction volumes will therefore usually be in a range between 1 ml and 30 μl, preferably between 100 μl and 50 μl, but can be applied, for example of the reaction mixture on the temperature-regulating surface also work with much smaller volumes.
Zur Bearbeitung der Nukleinsäuren werden diese an die temperaturregulierbare Ober¬ fläche oder deren unmittelbare Umgebung gebracht. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, beispielsweise mechanisch oder durch Diffusion. Bevorzugt werden die Nukleinsäuren an die Oberfläche gebunden. Diese Bindung wiedemπf kann unterschied¬ licher Art sein. Bevorzugt ist eine chemische Bindung, entweder über Adsorption oder biospezifische Wechselwirkungen. Im Falle einer Bindung durch Adsorption kann die Oberfläche mit einem nukleinsäurebindenden Reagenz belegt sein. Biospezifische Wechselwirkungen können Wechselwirkungen zwischen Nukleinsäuren und den zu bear¬ beitenden Nukleinsäuren sein (Hybridisierung, komplementärer Teil dieser Nuklein¬ säuren), jedoch auch Wechselwirkungen zwischen Antigenen oder Haptenen mit dagegen gerichteten Antikörpern und Rezeptor-Ligand- Wechselwirkungen. Eine bevorzugte Art der Bindung der zu bearbeitenden Nukleinsäuren an die Oberfläche geschieht über Oligonukleotide, die kovalent an die Oberfläche gebunden sind und zumindest zu einem Teil der zu bearbeitenden Nukleinsäure komplementär sind. Diese Oligonukleotide können jedoch auch über biospezifische Wechselwirkungen, z. B. Biotin-Streptavidin, an die Oberfläche gebunden sein.For processing the nucleic acids, they are brought to the temperature-regulatable surface or its immediate surroundings. This can be done in various ways, for example mechanically or by diffusion. The nucleic acids are preferably bound to the surface. This binding again can be of different types. A chemical bond is preferred, either via adsorption or biospecific interactions. In the case of binding by adsorption, the surface can be coated with a nucleic acid-binding reagent. Biospecific interactions can be interactions between nucleic acids and the nucleic acids to be processed (hybridization, complementary part of these nucleic acids), but also interactions between antigens or haptens with antibodies directed against them and receptor-ligand interactions. A preferred way of binding the nucleic acids to be processed to the surface is via oligonucleotides which are covalently bound to the surface and which are complementary to at least part of the nucleic acid to be processed. However, these oligonucleotides can also have biospecific interactions, e.g. B. biotin streptavidin, bound to the surface.
Die Bindung der zu bearbeitenden Nukleinsäuren ist gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt reversibel. Die Nukleinsäuren können nach einer von dem durchzuführenden Vorgang abhängigen Zeit durch Erhitzen der Oberfläche und ihrer unmittelbaren Umge- bung wieder freigesetzt werden. Zwischen dem Binden und Freisetzen der Nukleinsäure können beliebige Schritte vorgenommen werden, z. B. Durchführung chemischer Reak¬ tionen, jedoch auch eine Trennung der gebundenen Nukleinsäuren von der ursprüng¬ lichen Reaktionsmischung und Überführung in eine neue Reaktionsmischung.According to the present invention, the binding of the nucleic acids to be processed is preferably reversible. After a time dependent on the process to be carried out, the nucleic acids can be heated by heating the surface and its immediate exercise can be released again. Any steps can be carried out between binding and releasing the nucleic acid, e.g. B. Implementation of chemical reactions, but also separation of the bound nucleic acids from the original reaction mixture and transfer to a new reaction mixture.
Für den Fall einer Vermehrungsreaktion der Nukleinsäuren können die an die Oberfläche gebundenen Oligonukleotide als Primer für die Elongarion oder Extension unter Verwendung der zu bearbeitenden Nukleinsäure als Matrize verwendet werden. Dadurch bildet sich ein an die zu bearbeitende Nukleinsäure gebundener verlängerter Primer. Die als Matrize benutzte Nukleinsäure kann durch Temperaturerhöhung von dem Verlängerungsprodukt gelöst werden und kann im nächsten Temperaturzyklus für einen neuen, bisher noch nicht verlängerten immobilisierten Primer als Matrize wirken. Auf diese Weise ist es möglich, eine große Menge an an der Oberfläche immobilisierten Primern zu verlängern und somit Kopien von Teilen der zu bearbeitenden Nukleinsäure herzustellen. Die extendierten (verlängerten) oberflächenbehafteten Primer dienen wie¬ derum mittels komplementärer Primer zu einer Vermehrung der als Matrize dienenden Moleküle. Die für die durchzuführenden Reaktionen erforderlichen Reagenzien sind in der gesamten Reaktionsmischung vorrätig zu halten oder diese sind nach Bedarf zuzuge¬ ben. Für eine Vermehrungsreaktion nach dem Prinzip der Polymerasereaktion (EP-B-0201 184) sind daher die Deoxyribonukleotide, eine DNA-Polymerase und ein weiterer Primer und geeignete Puffer-Reagenzien in der Reaktionsmischung zu halten. Zur Darstellung anderer Nukleinsäuretypen (z. B. RNA), sind andere Reagenzien, z. B. Ribonukleotide oder RNA abhängige Polymerasen vorgesehen. Dieser Schritt des Ver¬ fahrens kann besondere Rücksicht auf die Arbeitstemperatur des bearbeitenden Enzyms nehmen.In the case of a multiplication reaction of the nucleic acids, the oligonucleotides bound to the surface can be used as primers for the elongarion or extension using the nucleic acid to be processed as a template. This forms an extended primer bound to the nucleic acid to be processed. The nucleic acid used as a template can be detached from the extension product by increasing the temperature and can act as a template for a new immobilized primer which has not yet been extended in the next temperature cycle. In this way it is possible to extend a large amount of primers immobilized on the surface and thus to produce copies of parts of the nucleic acid to be processed. The extended (extended) surface-primers serve in turn by means of complementary primers to multiply the molecules serving as the template. The reagents required for the reactions to be carried out must be kept in stock in the entire reaction mixture or added as required. For a multiplication reaction according to the principle of the polymerase reaction (EP-B-0201 184), the deoxyribonucleotides, a DNA polymerase and another primer and suitable buffer reagents must therefore be kept in the reaction mixture. To display other nucleic acid types (e.g. RNA), other reagents, e.g. B. ribonucleotides or RNA-dependent polymerases are provided. This step of the process can take particular account of the working temperature of the processing enzyme.
Die zu bearbeitenden Nukleinsäuren können jedoch auch über physikalische Methoden an die Oberfläche gebunden werden, z. B. mittels eines Magneten. Hierzu müssen die Nukleinsäuren jedoch an ein magnetisierbares Teilchen gebunden werden. Die Bindung von mit Nukleinsäure beladenen magnetischen Teilchen kann dadurch reversibel gestaltet werden, daß sich ein Magnet hinter der Oberfläche befindet oder induziert wird. Durch Anlegen eines Wechselfeldes können die magnetischen Teilen an die Oberfläche gebunden bzw. von ihr entfernt werden.However, the nucleic acids to be processed can also be bound to the surface by physical methods, e.g. B. by means of a magnet. To do this, however, the nucleic acids must be bound to a magnetizable particle. The binding of magnetic particles loaded with nucleic acid can be made reversible in that a magnet is located behind the surface or is induced. The magnetic parts can be bound to or removed from the surface by applying an alternating field.
Spezielle Ausführungsformen, die teilweise vorteilhafte Wirkung aufweisen, sind eben¬ falls denkbar. So kann die Effizienz gesteigert werden, indem die Diffusion der Nuklein¬ säuren in der Reaktionsmischung durch Konvektion verstärkt wird. Es kann auch vor- teilhaft sein, gegenüber den üblicherweise verwendeten Reaktionsmischungen höhere Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer einzusetzen. Außerdem kann die zu bearbei¬ tende Nukleinsäure zu Beginn der Reaktion durch Vorhybridisierung an der Oberfläche konzentriert werden.Special embodiments, some of which have an advantageous effect, are also conceivable. The efficiency can be increased by increasing the diffusion of the nucleic acids in the reaction mixture by convection. It can also be partial to use higher concentrations of the reactants compared to the reaction mixtures usually used. In addition, the nucleic acid to be processed can be concentrated on the surface by prehybridization at the start of the reaction.
Im Falle einer Amplifikation oder Vermehrung der Nukleinsäuren kann es sein, daß die Anzahl der zu durchlaufenden Zyklen, z. B. bei einer PCR, erhöht werden muß, damit genügend Amplifikationsprodukt erzeugt wird. Wegen der sehr kurzen Zykluszeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dies jedoch nicht von Nachteil.In the case of amplification or multiplication of the nucleic acids, it may be that the number of cycles to be completed, e.g. B. in a PCR, must be increased so that enough amplification product is generated. However, this is not a disadvantage because of the very short cycle time according to the method according to the invention.
Für den Fall, daß die Reaktionsmischung auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird, bedeutet dies, daß an die Hitzestabilität der Reagenzien weniger Ansprüche gestellt werden müssen als bei mehrmaliger Erhitzung der gesamten Reaktionsmischung. Eine thermostabile Polymerase ist daher für eine Vermehrungsreaktion nicht unbedingt erforderlich und dennoch muß nicht in jedem Amplifikationszyklus neues Enzym zu der Reaktionsmischung zupipettiert werden.In the event that the reaction mixture is kept at a relatively low temperature, this means that less demands are made of the heat stability of the reagents than if the entire reaction mixture is heated several times. A thermostable polymerase is therefore not absolutely necessary for a multiplication reaction and nevertheless new enzyme does not have to be pipetted into the reaction mixture in every amplification cycle.
An die erfindungsgemäße Bearbeitung der Nukleinsäuren können sich beliebige weitere Schritte anschließen. So können die Nukleinsäuren entweder im an die Oberfläche ge¬ bundenen Zustand oder im wieder freigesetzten Zustand untersucht oder mit weiteren Reagenzien bearbeitet werden.Any further steps can follow the processing of the nucleic acids according to the invention. For example, the nucleic acids can either be examined in the state bound to the surface or in the released state again, or processed with further reagents.
Mit Hilfe des geschilderten erfindungsgemäßen Vermehnmgsverfahrens läßt sich somit auf einfache Weise ein Verfahren zum Nachweis von Nukleinsäuren in einer Probe bilden. Hierzu wird die Oberfläche, an welche die als Primer fungierenden Oligonukleo¬ tide gebunden sind, mit der Probenflüssigkeit in Kontakt gebracht. Danach wird die Temperatur der Oberfläche und ihrer unmittelbaren Umgebung auf eine Temperatur ge¬ bracht, welche über dem Schmelzpunkt der in der Probe enthaltenen doppelsträngigen Nukleinsäure liegt. Nach Abkühlung der Oberfläche und der unmittelbaren Umgebung wird die nachzuweisende Nukleinsäure mit dem Oligonukleotid hybridisieren. Durch Zyklusfiihrung wird, wie oben beschrieben, mit Hilfe der nachzuweisenden Nukleinsäure eine Vielzahl von Kopien hergestellt, die am Ende der Vermehrungsreaktion an die Oberfläche gebunden bleiben können. Durch Hybridisierung mit markierten Nuklein- säuresonden und deren Detektion mit Hilfe der Markierung kann die Menge an Nuklein¬ säuren an der Oberfläche bestimmt werden. Bei Verfahren, die einen direkten Nachweis von Nukleinsäurehybriden ohne Markierung oder von verlängerten Einzelsträngen (Primern) erlauben (z. B. nach dem Prinzip der Oberflächen-Plasmonenresonanz), ist auch ein direkter Nachweis möglich. Verwendet man für die Vermehrungsreaktion markierte Primer oder Mononukleotide, entfallt die Hybridisierung mit einer nachweisbar markierten Nukleinsäuresonde. Es ist auch ein Ansatz denkbar, bei dem im Ansatz eine höhere Temperatur gehalten wird und die Oberfläche, die für weitere Schritte nötigen tieferen Temperaturen annimmt.With the help of the described amplification method according to the invention, a method for the detection of nucleic acids in a sample can thus be formed in a simple manner. For this purpose, the surface to which the oligonucleotides functioning as primers are bound is brought into contact with the sample liquid. The temperature of the surface and its immediate surroundings is then brought to a temperature which is above the melting point of the double-stranded nucleic acid contained in the sample. After cooling the surface and the immediate surroundings, the nucleic acid to be detected will hybridize with the oligonucleotide. By cycling, as described above, the nucleic acid to be detected is used to produce a large number of copies which can remain bound to the surface at the end of the multiplication reaction. The amount of nucleic acids on the surface can be determined by hybridization with labeled nucleic acid probes and their detection with the aid of the label. For methods that allow the direct detection of nucleic acid hybrids without labeling or of extended single strands (primers) (e.g. based on the principle of surface plasmon resonance) direct evidence is also possible. If labeled primers or mononucleotides are used for the multiplication reaction, the hybridization with a detectably labeled nucleic acid probe is omitted. An approach is also conceivable in which a higher temperature is maintained in the approach and the surface, which assumes lower temperatures necessary for further steps.
Da die erfindungsgemäße Anwendung des Verfahrens zur Vermehrung der Nuklein¬ säuren praktisch an einer Oberfläche abläuft, führen wir für diese Vermehrungsreaktion die Bezeichnung 2D-Amplifikation ein.Since the application according to the invention of the method for the propagation of the nucleic acids practically takes place on a surface, we introduce the term 2D amplification for this propagation reaction.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, die zum Einsatz im oben ge¬ nannten Bearbeitungsverfahren verwendet werden kann. Insbesondere ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Nukleinsäuren mittels eines Tempera¬ turregulationselements, wobei dieses Element zur Temperaturregulation der Oberfläche und der unmittelbar angrenzenden Umgebung geeignet ist und wobei an diesem Mittel zur Bearbeitung der Nukleinsäuren gebunden werden können. Diese Mittel können Oligonukleotide sein, und beispielsweise als Primer dienen. Diese Vorrichtung enthält be¬ vorzugt ein Kühlelement sowie ein Heizelement, wobei die Anordnung bevorzugt wie im oben beschriebenen Bearbeitungsverfahren vorliegt. Diese Vorrichtung ist bevorzugt sehr klein. Sie kann beispielsweise eine Dicke von < 5 mm und eine Fläche von < 10 cm2 haben. Die darin befindlichen Elemente, wie das Kühlelement oder das Heizelement, sind einfache Bauteile. Daher ist diese Vorrichtung ausgezeichnet geeignet zur einmaligen Verwendung (Disposable), was die für wiederverwendbare inherente Kontaminations¬ gefahr reduzieren kann. Soll die Vorrichtung für eine Mehrfachbenutzung geeignet sein, ist es auch möglich, das Heizelement durch ein sehr dünnes Bauteil vom Raum, welcher die Reaktionsmischung enthält, zu trennen und dieses Bauteil von der Vorrichtung abtrennbar zu machen. Für eine weitere Bearbeitungsstufe kann dann ein neues Bauteil eingesetzt werden.The invention also relates to a device which can be used for use in the machining method mentioned above. In particular, the subject of the invention is a device for processing nucleic acids by means of a temperature regulating element, this element being suitable for regulating the temperature of the surface and the immediately adjacent surroundings and wherein means for processing the nucleic acids can be bound to this. These agents can be oligonucleotides and serve, for example, as primers. This device preferably contains a cooling element and a heating element, the arrangement preferably being as in the processing method described above. This device is preferably very small. For example, it can have a thickness of <5 mm and an area of <10 cm 2 . The elements therein, such as the cooling element or the heating element, are simple components. Therefore, this device is excellently suitable for single use (disposable), which can reduce the inherent contamination risk for reusable. If the device is to be suitable for multiple use, it is also possible to separate the heating element from the space containing the reaction mixture by means of a very thin component and to make this component separable from the device. A new component can then be used for a further processing stage.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät zur Bearbeitung von Nukleinsäuren, welches ein Steuerelement für eine zeitabhängige Temperaturregulierung sowie eine er¬ findungsgemäße Vorrichtung enthält. Als Steuerelement kann das Steuerelement eines sogenannten Thermocyclers gemäß EP-A-0236 069 verwendet werden, bevorzugt wird jedoch eine Steuerung nach dem Prinzip von Tintenstrahldruckern , da sie eine höhere Steuerungsgeschwindigkeit aufweisen. Das Steuerelement muß in der Lage sein, das Heizelement in vorbestimmten Intervallen so lange zu erhitzen, bis die Umgebung der Oberfläche eine ausreichende Temperatur aufweist. Ebenso muß es in der Lage sein, über das Kühlelement in vorbestimmten Intervallen für eine Kühlung an der Oberfläche zu sorgen. Dazu kann beispielsweise eine Kühlflüssigkeit durch die Vorrichtung geleitet werden. Sofern die Wärmekapazität des Heizelementes gering, die Wärmeleistung jedoch relativ hoch ist, ist auch eine kontinuierliche Kühlung möglich. Als Oberfläche kann man verschiedene Formen in einer ohmisch temperierbaren Version dieses Geräts verwenden, die abhängig von der Spannung und der Dauer des Stromflusses thermisch erhitzt werden. In einer abweichenden Version befindet sich die zu temperierende Oberfläche auf einer vorzugsweise schwarzen Unterlage, bevorzugterweise einer Plastikfolie, die von der zu temperierenden Oberfläche distalen Seite her durch einen Laserstrahl, be¬ vorzugterweise einem Infrarotlaser, erwärmt wird. Sowohl die zu temperierende Ober¬ fläche, als auch das wärmeabsorbierende und wärmeleitende Material können dabei auf einer Trägerfläche, bevorzugterweise infrarotdurchlässiges Glas, angebracht sein.The invention also relates to a device for processing nucleic acids which contains a control element for time-dependent temperature regulation and a device according to the invention. The control element of a so-called thermal cycler according to EP-A-0236 069 can be used as the control element, but control based on the principle of inkjet printers is preferred, since they have a higher control speed. The control element must be able to heat the heating element at predetermined intervals until the surroundings of the surface have a sufficient temperature. Likewise, it must be able to the cooling element to provide cooling on the surface at predetermined intervals. For this purpose, for example, a cooling liquid can be passed through the device. If the heat capacity of the heating element is low, but the heat output is relatively high, continuous cooling is also possible. As a surface you can use different forms in an ohmic temperature-controlled version of this device, which are heated depending on the voltage and the duration of the current flow. In a different version, the surface to be tempered is located on a preferably black base, preferably a plastic film, which is heated from the distal surface to be tempered by a laser beam, preferably an infrared laser. Both the surface to be tempered and the heat-absorbing and heat-conducting material can be attached to a support surface, preferably infrared-transparent glass.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann verschiedenste Ausführungsformen haben. Bei¬ spielsweise kann sie für ein Eintauchen in ein Gefäß ausgelegt sein. Sie kann jedoch auch so gestaltet sein, daß die die zu bearbeitende Nukleinsäure enthaltende Flüssigkeit auf die Oberfläche aufgetropft oder in ein durch die Oberfläche gebildetes Gefäß eingefüllt werden kann. Dieser Reaktionsraum kann auch nach Einfüllen der Flüssigkeit ver¬ schlossen werden, so daß Kontaminationsprobleme verringert werden können.The device according to the invention can have a wide variety of embodiments. For example, it can be designed for immersion in a vessel. However, it can also be designed such that the liquid containing the nucleic acid to be processed can be dripped onto the surface or filled into a vessel formed by the surface. This reaction space can also be closed after the liquid has been poured in, so that contamination problems can be reduced.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Vermehrung von Nuklein¬ säuren. Dabei handelt es sich, wie in Beispiel 3, z. B. um eine als Polymeraseketten- reaktion bezeichnete Amplifikationsreaktion mit anschließender Detektion.One embodiment of the invention is a method for increasing nucleic acids. As in example 3, e.g. B. an amplification reaction called polymerase chain reaction with subsequent detection.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Verfahren zur Anreicherung von Nukleinsäuren z. B. durch Hybridisation. Bei kovalent an die Ober¬ fläche adsorbierten Primern mit einer ausreichenden Spezifität läßt sich durch Vorwahl der Hybridisierungstemperatur, bei bekannter Zusammensetzung (ionischer Zusammen¬ setzung, Konzentration von Reagenzien) der zu analysierenden Reaktionslösung eine Hybridisationstemperatur dergestalt vorgeben, daß eine spezifische Bindung der zu analysierenden Nukleinsäure an die zur Hybridisierung eingesetzten kovalent an die Oberfläche gebundenen Primer stattfindet. Dieses Verfahren kann dazu eingesetzt wer¬ denAnother embodiment of the method according to the invention is a method for enriching nucleic acids e.g. B. by hybridization. In the case of primers with sufficient specificity covalently adsorbed on the surface, by preselecting the hybridization temperature, given a known composition (ionic composition, concentration of reagents) of the reaction solution to be analyzed, a hybridization temperature can be specified such that a specific binding of the nucleic acid to be analyzed is specified to the primers used for hybridization which are covalently bound to the surface. This method can be used for this
a) eine genaue Auswertung der tatsächlichen Hybridisationstemperatur vorzunehmen,a) to carry out an exact evaluation of the actual hybridization temperature,
b) eine genaue Konzentration der zu analysierenden Nukleinsäuren im Reaktionsge¬ misch vorzunehmen, c) auf das Vorhandensein kreuzhybridisierender Sequenzen zu testen.b) to carry out an exact concentration of the nucleic acids to be analyzed in the reaction mixture, c) to test for the presence of cross-hybridizing sequences.
Diese kurze Auflistung ist nicht abschließend.This short list is not exhaustive.
Dieses Verfahren kann auch verwendet werden, um Nukleinsäuren von einer Lösung in eine andere zu überführen. Dann findet im ersten Gefäß eine Hybridisierung (niedere Temperatur) und im zweiten Gefäß eine Denaturierung (höhere Temperatur) statt.This method can also be used to transfer nucleic acids from one solution to another. Then hybridization takes place in the first vessel (low temperature) and denaturation (higher temperature) takes place in the second vessel.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Se¬ quenzierung von Nukleinsäuren. Eine Möglichkeit der Anwendung der Erfindung im Zu¬ sammenhang mit Sequenzanalysen ist die sogenannte Minisequenzanalyse. Dabei kann jeweils die genaue Sequenzbestimmung des an den Primer anschließenden Nuklein- säurenukleotids vorgenommen werden, indem in der Lösung die zur Sequenzierung be¬ reitgestellt wird, ausschließlich Dideoxynukleotide und keine Deoxynukleotide zur Se¬ quenzierung zugesetzt werden. Die vier möglichen Dideoxynukleotide ddATP, ddCTP, ddGTP und ddTTP sind mit unterschiedlichen Fluoreszenzmarkern markiert. In jedem Fall führt also der Einbau des jeweils nächsten Nukleotids zum Abbruch der Sequenz¬ reaktion und nach Auf einigung des extendierten an der Oberfläche befindlichen Primers kann durch Analyse der spezifischen Fluoreszenz die Sequenz des auf dem Primer be¬ findlichen Nukleotids bestimmt werden.Another embodiment of the present invention is a method for sequencing nucleic acids. One possible application of the invention in connection with sequence analyzes is the so-called mini-sequence analysis. The exact sequence determination of the nucleic acid nucleotide adjacent to the primer can be carried out by adding only dideoxynucleotides and no deoxynucleotides for sequencing in the solution provided for sequencing. The four possible dideoxynucleotides ddATP, ddCTP, ddGTP and ddTTP are labeled with different fluorescent markers. In any case, the incorporation of the next nucleotide leads to the termination of the sequence reaction and after the extended primer located on the surface has been agreed, the sequence of the nucleotide on the primer can be determined by analyzing the specific fluorescence.
Ein Spezialfall der Möglichkeiten der Anwendung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Sequenzierung von Nukleinsäuren, die zuvor in einer PCR-Reaktion amplifiziert worden sind. Nach der Amplifikation liegt das vermehrte Produkt über den Primer kovalent gebunden in doppelsträngiger Form an der reaktiven Oberfläche vor. Durch kurzes Durchlaufen einer Höhentemperaturphase wird durch Denaturierung dieses Amplifikat einzelsträngig vorliegen, läßt sich durch Überführen in eine Waschlösung reinigen und ist danach wiederum durch Überführen diesmal in eine Sequenzierreaktion einsetzbar für eine darauffolgende Sequenzierung. Diese Sequenzierung verläuft be¬ sonders effizient, da nun nur einzelsträngiges Matrizenmaterial vorhanden ist, an das ein Sequenzierpaar besonders effizient binden wird. Durch die Sequenzierreaktion liegt anschließend wieder ein doppelsträngiges Molekül vor, dessen markierte (sequenzierte) Hälfte nun zur Analyse durch Gelchromatographie zur Verfügung steht. Bei Einsatz ver¬ schiedener markierter (mit unterschiedlichen Fluoreszenzmarkern markierten Dideoxy- nukleotiden) lassen sich alle vier für eine Sequenzanalyse notwendigen Reaktionen auf einmal durchführen, bei der konventionellen Methode muß diese Analyse viermal wiederholt werden. Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert:A special case of the possibilities of using the present invention is a method for sequencing nucleic acids which have previously been amplified in a PCR reaction. After amplification, the amplified product is covalently bound to the reactive surface in double-stranded form via the primer. By briefly going through a high-temperature phase, this amplificate is present in single-stranded form through denaturation, can be cleaned by transferring it into a washing solution, and can then be used again by transferring it to a sequencing reaction for subsequent sequencing. This sequencing is particularly efficient since only single-stranded matrix material is now available, to which a pair of sequencers will bind particularly efficiently. The sequencing reaction then again results in a double-stranded molecule, the labeled (sequenced) half of which is now available for analysis by gel chromatography. When using differently labeled (with different fluorescent markers dideoxynucleotides) all four reactions necessary for a sequence analysis can be carried out at once, in the conventional method this analysis must be repeated four times. The present invention is explained in more detail with reference to the accompanying figures:
Figur 1 zeigt das Aufbauschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1), welche in ein mit Reaktionsgemisch (2) gefülltes Reaktionsgefaß (3) eintaucht. Die Vorrichtung ent¬ hält ein Kühlelement (4) und ein mittels Strom heizbares Heizelement (5). An die Ober¬ fläche des Heizelements sind Oligonukleotide (6) kovalent gebunden. Sowohl das Kühl- wie das Heizelement sind über Anschlüsse (7; 8) an Steuereinheiten regulierbar.FIG. 1 shows the construction diagram of a device (1) according to the invention, which is immersed in a reaction vessel (3) filled with reaction mixture (2). The device contains a cooling element (4) and a heating element (5) which can be heated by means of electricity. Oligonucleotides (6) are covalently bound to the surface of the heating element. Both the cooling and the heating element can be regulated via connections (7; 8) on control units.
In Figur 2 ist ein beispielhafter Temperaturverlauf für eine Vermehrungsreaktion nach der Art der PCR gezeigt. In einer ersten Phase (A) werden die Nukleinsäuren bei einer Temperatur von etwas unterhalb 100 °C denaturiert. In einer Phase (B) findet bei etwa 50 °C die Hybridisierung der zu vermehrenden Nukleinsäuren mit den immobilisierten Oligonukleotiden an der Festphase statt. In einer dritten Phase (C) findet bei ca. 70 °C die Extension der Primer unter Verwendung der Nukleinsäure als Templat statt.FIG. 2 shows an exemplary temperature profile for an amplification reaction according to the type of PCR. In a first phase (A) the nucleic acids are denatured at a temperature slightly below 100 ° C. In a phase (B) the hybridization of the nucleic acids to be amplified with the immobilized oligonucleotides takes place on the solid phase at about 50 ° C. In a third phase (C) the primers are extended at about 70 ° C using the nucleic acid as a template.
In Figur 3 sind die in unmittelbarer Nähe der Oberfläche ablaufenden Reaktionen (Phasen A bis C) gezeigt. Für Phase (A) sind drei Isothermen in ihrem schematischen Verlauf, für Phase (B) und (C) jeweils nur eine Isotherme angezeigt. In Phase (A) wer¬ den Nukleinsäuren denaturiert und diffundieren über eine gewisse Zeit einzelsträngig, in Phase (B) hybridisieren Vorlagen und Primer und in Phase (C) werden Primer entlang der Matrizen extendiert.FIG. 3 shows the reactions taking place in the immediate vicinity of the surface (phases A to C). For phase (A) three isotherms are shown in their schematic course, for phase (B) and (C) only one isotherm each. In phase (A) the nucleic acids are denatured and diffuse single-stranded over a certain time, in phase (B) templates and primers hybridize and in phase (C) primers are extended along the matrices.
Figur 4 zeigt einen möglichen Prototypen einer für die erfindungsgemäße Anwendung geeigneten Oberflächentemperierung.FIG. 4 shows a possible prototype of a surface temperature control suitable for the application according to the invention.
Die Heizeinheit, die die auswechselbaren beheizten Goldoberflächen sowie die phy¬ sischen Voraussetzungen zur Kühlung bzw. Erwärmung (Kühlmittelanschluß, Stroman¬ schluß) enthält, ist über Steckverbindungen (7; 8) an die eigentlichen Meßeinheiten (1) mit den ebenfalls daran angebrachten Halterungen für Reaktionsgefäße (11) angebracht, in denen die für die Durchführung der Reaktion notwendigen Matrizenmoleküle, Puffer¬ bestandteile und Primer in Lösung sind sowie die Polymerase vorliegen.The heating unit, which contains the exchangeable heated gold surfaces as well as the physical requirements for cooling or heating (coolant connection, power connection), is connected to the actual measuring units (1) by means of plug connections (7; 8) with the brackets also attached to them Reaction vessels (11) are attached, in which the matrix molecules, buffer components and primers necessary for carrying out the reaction are in solution and the polymerase is present.
Die Meßfühler (9), hier in Form einesTeststreifens, enthalten in FIG 4 beispielhaft Gold¬ oberflächen (5), die nicht mit denselben Primern (6) beschichtet sein müssen.The sensors (9), here in the form of a test strip, contain, for example, gold surfaces (5) in FIG. 4, which do not have to be coated with the same primers (6).
Figur 5 zeigt Vergrößerungen der Meßeinheiten mit auswechselbaren Teststreifen aus FIG 4, wobei die Meßeinheit (1, bestehend aus 9 und 10) aus Elektronikanschluß und Kühlaggregat (oberer, grauer Teil der Abbildung) und dem Teststreifen (= Meßhülle) be- steht. Ein Querschnitt durch diese Meßeinheit ist im unteren Teil der Abbildung darge¬ stellt, auf dem man den zur Kühlung verwendeten Kühlkreislauf (4) mit Rührmechanis¬ mus (12) und Kühlflüssigkeit (13) sowie die Reaktionsoberflächen (5, 6) mit Elek¬ tronikanschluß erkennen kann. Im rechten Teil der unteren Abbildung ist eine weitere Vergrößerung des Kathodenanschlusses der Goldmembran (5) mit Unterstützungs- und Trennfilter (14) sowie Haftschicht für die Oligonukleotide (6) erkennbar.FIG. 5 shows enlargements of the measuring units with exchangeable test strips from FIG. 4, the measuring unit (1, consisting of 9 and 10) comprising the electronic connection and cooling unit (upper, gray part of the illustration) and the test strip (= measuring sleeve) stands. A cross section through this measuring unit is shown in the lower part of the figure, on which the cooling circuit (4) used for cooling with stirring mechanism (12) and cooling liquid (13) as well as the reaction surfaces (5, 6) with electronic connection can recognize. In the right part of the figure below, a further enlargement of the cathode connection of the gold membrane (5) with a support and separation filter (14) and an adhesive layer for the oligonucleotides (6) can be seen.
Figur 6 besteht aus einer Schemazeichnung des sich in unmittelbarer Umgebung der Haftschicht mit Oligonukleotiden ausbildenden Temperaturgradienten und dem zu er¬ wartenden Temperaturprofil, hier am Beispiel einer 3 stufigen PCR, bei der die Tempera¬ turen 96 ° für 0,1 Sekunden, 54 °für 0,5 Sekunden und 72 ° für ebenfalls 0,5 Sekunden dargestellt sind. FIG. 6 consists of a schematic drawing of the temperature gradient which forms in the immediate vicinity of the adhesive layer with oligonucleotides and the temperature profile to be expected, here using the example of a 3-stage PCR in which the temperatures are 96 ° for 0.1 seconds, 54 ° for 0.5 seconds and 72 ° are also shown for 0.5 seconds.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:The following examples are intended to illustrate the invention:
Beispiel 1:Example 1:
Herstellung einer zyklisch temperierbaren Oberfläche (Variante a).Production of a cyclically temperable surface (variant a).
Eine beispielhafte zyklisch temperierbare Goldoberfläche läßt sich dadurch erhalten, daß in eine dünne Leiterplatte zwei ca. 1 mm breite und 3 mm lange Langlöcher im Abstand von 3 mm parallel zueinander ausgefräst werden. Auf der einen Seite, die der Lösung zugewandt ist und daher proximale Seite genannt wird, werden diese Langlöcher durch Bedampfen mit Gold leitend miteinander verbunden. Auf der distalen Seite wird eines dieser Langlöcher über die Leiterplattenbahnen mit der Anode, das andere ebenfalls über die Leiterplattenbahnen mit der Kathode verbunden.An exemplary cyclically temperable gold surface can be obtained by milling two approximately 1 mm wide and 3 mm long elongated holes parallel to one another at a distance of 3 mm in a thin circuit board. On the one side that faces the solution and is therefore called the proximal side, these elongated holes are conductively connected to one another by vapor deposition with gold. On the distal side, one of these elongated holes is connected to the anode via the printed circuit board traces, and the other is also connected to the cathode via the printed circuit board runs.
Die Goldschicht auf der proximalen Seite wird dadurch aufgebracht, daß eine Maske in der gewünschten Größe, in diesem Fall 3 x 3 mm bündig, über die beiden Längsflächen aufgebracht wird. Die Innenseiten der Längsfläche sind galvanisch bündig bis zur Ober¬ fläche mit Kupfer beschichtet. In dem folgenden Bedampfungsverfahren, das wie branchenüblich durchgeführt wird, werden nun die beiden elektrisch leitenden Längs¬ löcher mit einer wenige μm dicken Goldschicht beschichtet. Das Beschichtungsverfahren ist im Folgenden beschrieben:The gold layer on the proximal side is applied by applying a mask of the desired size, in this case 3 x 3 mm flush, over the two longitudinal surfaces. The inside of the longitudinal surface is galvanically coated with copper up to the surface. In the following vapor deposition process, which is carried out as is customary in the industry, the two electrically conductive longitudinal holes are now coated with a gold layer a few μm thick. The coating process is described below:
Die Herstellung der Goldoberfläche erfolgte durch Aufdampfen auf "Lexan" Polycarbo- natfolien (Hersteller: General Electric, Dicke 0.75 mm) mit den Abmessungen 8x8 cm über eine Metallmaske (d = 0.5 mm, Aluminium) in einer Leybold Hochvakuum-Be- schichtungsanlage (Univex 450). Die Oberflächen liegen in regelmäßigen Abständen, die ein Zerlegen der bedampfteil Platte in mehrere Einheiten zulassen. Die Schichtdicke des Goldes beträgt 300 nm. In einem weiteren Schritt erfolgte die Beschichtung der Multi- Goldsportplatte mit "verdünnten" Biotinthiol-Bindeschichten unter Bildung einer hydro¬ phoben SAM-Schicht. Die Biotinthiolverbindung (HS-C12-DADOO-Biotin; N,N"-(12- mercaptodc^ecylyl-biotmylyl^jT-diaminoethyl-glycoldiether; 2.94 mg; 5x10-5 m) und der Verdünner (12-Mercaptoundecanol, 9.2 mg, 4.5x10"^ m) wurden in 100 ml Ethanol p.a. gelöst. In diese Lösung wurden die frisch beschichteten Polycarbonatfolien getaucht. Nach 4 h wurden die Platten entnommen, 2mal mit Ethanol p.a. gewaschen und sofort mit Streptavidin beschichtet. Dazu wurden die Goldspots und die S AM-beschichteten Folien 1 h in eine Streptavidinlösung getaucht (Konzentration Streptavidin: 0.5 mg/ml in 0.05 M Kaliumphosphatpuffer pH 7.2). Die so behandelten Oberflächen wurden danach mit einer Waschlösung (50 mM Kaliumphosphatpuffer pH 7.2, 2 % Saccharose, 0.9 % NaCl, 0.3 % Rmderserumalbumin Fraktion H) behandelt und anschließend 20 h getrocknet (25° C und 40 % Luftfeuchtigkeit).The gold surface was produced by vapor deposition on "Lexan" polycarbonate foils (manufacturer: General Electric, thickness 0.75 mm) with the dimensions 8x8 cm over a metal mask (d = 0.5 mm, aluminum) in a Leybold high vacuum coating system (Univex 450). The surfaces lie at regular intervals, which allow the steaming plate to be disassembled into several units. The layer thickness of the gold is 300 nm. In a further step, the multi-gold sports plate was coated with "thinned" biotinthiol binding layers to form a hydrophobic SAM layer. The biotin thiol compound (HS-C12-DADOO-biotin; N, N "- (12-mercaptodc ^ ecylyl-biotmylyl ^ jT-diaminoethyl-glycol diether; 2.94 mg; 5x10-5 m) and the diluent (12-mercaptoundecanol, 9.2 mg, 4.5x10 "^ m) were dissolved in 100 ml of ethanol pa. The freshly coated polycarbonate foils were immersed in this solution. After 4 hours the plates were removed, washed twice with ethanol pa and immediately coated with streptavidin. For this the gold spots and the S AM-coated foils were immersed in a streptavidin solution (concentration streptavidin: 0.5 mg / ml in 0.05 M potassium phosphate buffer pH 7.2) for 1 h. The surfaces treated in this way were then washed with a washing solution (50 mM potassium phosphate buffer pH 7.2, 2% sucrose, 0.9% NaCl, 0.3% Rmderserumalbumin fraction H) treated and then dried for 20 h (25 ° C and 40% humidity).
Durch die sehr geringe Dicke der Goldschicht resultiert ein sehr geringer leitender Gold¬ querschnitt (3 mm x 3 μm über eine Strecke von 3 mm). Diese Goldschicht stellt daher einen relativ hohen Widerstand im Vergleich zu den Leiterbahnen dar.The very thin thickness of the gold layer results in a very small conductive gold cross section (3 mm x 3 μm over a distance of 3 mm). This gold layer therefore represents a relatively high resistance compared to the conductor tracks.
Die Leiterbahnen werden nun an einen Stromversorger angeschlossen, der computerge¬ stützt eine Kontrolle der ohmisch induzierten Temperatur der Goldoberfläche zuläßt.The conductor tracks are now connected to a power supplier which, with the aid of a computer, allows the ohmic induced temperature of the gold surface to be checked.
Herstellung einer zyklisch temperierbaren Oberfläche (Variante b)Production of a cyclically temperable surface (variant b)
In einer Variante zur Herstellung einer zyklisch temperierbaren Oberfläche wird die Ab- deckschicht, die den Meßmäander aus Platin isoliert, eines allgemein im Handel befind¬ lichen Platintemperatursensors (PT 100) mit einer Goldschicht bedampft. Schließt man diesen Meßsensor nun an eine reglergesteuerte Spannungsquelle an, so läßt sich dieser Sensor auch als Thermoquelle für die aufgedampfte Goldschicht verwenden. Dazu ist es nötig, Strom und Spannung am Platinsensor über einen Analogdividierer an einen Regler weiterzuleiten. Regelgröße des Reglers ist der Widerstand des beheizten Platinelements, was eine exakte Temperatursteuerung zuläßt, wenn eine Normierung der Goldober¬ flächentemperatur mit der Temperatur des Platinmäanders stattgefunden hat.In a variant for the production of a cyclically temperature-controllable surface, the cover layer, which isolates the measuring meander from platinum, of a generally commercially available platinum temperature sensor (PT 100) is vapor-coated with a gold layer. If you connect this measuring sensor to a regulator-controlled voltage source, this sensor can also be used as a thermal source for the evaporated gold layer. To do this, it is necessary to forward the current and voltage at the platinum sensor to a controller via an analog divider. The controlled variable of the controller is the resistance of the heated platinum element, which permits exact temperature control when the gold surface temperature has been normalized with the temperature of the platinum meander.
Beispiel 2:Example 2:
Eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung der Oberflächentemperatur der Goldfolie (Variante a).An exemplary device for measuring the surface temperature of the gold foil (variant a).
Eine Goldfolie gemäß Beispiel 1, Variante a, wird mit einer Maske abgedeckt, die das Bedampfen der Goldfolie mit einem ca. 1 mm breiten Goldfaden, der über diese Gold¬ oberfläche hinausragt und an einen Meßpunkt anschließbar ist, zuläßt. Eine weitere Maske, die das Bedampfen mit einem zweiten Faden, z. B. aus Nickel, Wismut oder einer anderen zur Temperaturmessung geeigneten Legierung, zuläßt, wird ebenfalls be¬ reitgestellt. Der Metallfaden liegt auf derselben Stelle der Goldoberfläche wie der Gold¬ faden beim (200 nm dick), trennt sich jedoch in seinem Verlauf beim Verlassen der zu temperierenden Goldoberfläche und führt als getrennter Metallfaden (300 nm dick) zu einem zweiten Meßpunkt. Diese Anordnung der Meßsonden aus Gold und einem weite¬ ren, zur Temperaturmessung geeigneten Metall oder Legierung erlaubt die Messung der Thermospannung (2,2 mV/100 ° Kalvin) in dem Bereich der Goldfolie, wo die beiden Meßsondenfaden überlappen. Die Temperatur an der Vergleichsstelle (Cold Junction) wird mit einem Thermopräzisions PT 1000-Element gemessen (Genauigkeit > 1 %) und auf 10 V normiert (0 V entspricht 0 °, 10 V entspricht 100 °), ausschließlich verstärkt und ebenfalls auf 10 V normiert. In einem Summenverstärker wird die Summe beider Temperaturen gebildet und zur elektronischen Steuerung der jeweiligen Oberflächen¬ temperatur verwendet.A gold foil according to Example 1, variant a, is covered with a mask which allows the gold foil to be vapor-deposited with an approximately 1 mm wide gold thread which extends beyond this gold surface and can be connected to a measuring point. Another mask, the vapor deposition with a second thread, e.g. B. from nickel, bismuth or another alloy suitable for temperature measurement, is also provided. The metal thread lies at the same point on the gold surface as the gold thread at (200 nm thick), but separates in its course when it leaves the gold surface to be tempered and leads as a separate metal thread (300 nm thick) to a second measuring point. This arrangement of the measuring probes made of gold and a further metal or alloy suitable for temperature measurement allows the measurement of the thermal voltage (2.2 mV / 100 ° Kalvin) in the area of the gold foil where the two Probe thread overlap. The temperature at the cold junction is measured with a thermal precision PT 1000 element (accuracy> 1%) and standardized to 10 V (0 V corresponds to 0 °, 10 V corresponds to 100 °), only amplified and also to 10 V standardized. The sum of both temperatures is formed in a sum amplifier and used for the electronic control of the respective surface temperature.
Beispiel 2bExample 2b
Eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung der Oberflächentemperatur der Goldfläche aus Beispiel 1, Variante b.An exemplary device for measuring the surface temperature of the gold surface from example 1, variant b.
Zur exakten Ermittlung der Oberflächentemperatur der Goldschicht besteht die Möglich¬ keit, die Oberflächen zweier wie in Beispiel 1, Variante b, beschriebener goldbedampfter PT 100-Meßsensoren in der Art aneinander zur pressen, daß jeweils die Hälfte der gold¬ bedampften Flächen des Heizsensors und des Meßsensors einander abdecken und sich die jeweils verbleibende Fläche im umgebenden Medium befindet. Wird nun nur der eine Sensor zur Messung, der andere zur Erwärmung verwendet, so laß sich damit exakt die Temperatur der Goldoberflächen berechnen. Die Temperatur an der Oberfläche der Sen¬ soren entspricht exakt dem Mittelwert der Temperatur des beheizten und des nicht-be- heizten Sensors, die beide über Widerstandsmessungen genau definieFbar sind. Auf diese Weise können mittels eines zur Messung verwendeten Temperatursensors eine ganze Reihe von temperierbaren Oberflächen geeicht und für die Durchführung von PCR- Reaktionen vorbereitet werden. Der Temperaturgradient zweier so angeordneter Ober¬ flächen beträgt zwischen der beheizten und nicht-beheizten Oberfläche ca. 3 °C.For the exact determination of the surface temperature of the gold layer, there is the possibility of pressing the surfaces of two gold-vaporized PT 100 measuring sensors as described in example 1, variant b, in such a way that half of the gold-vaporized surfaces of the heating sensor and the Measuring sensor cover each other and the remaining area is in the surrounding medium. If only one sensor is used for measurement and the other for heating, then the temperature of the gold surfaces can be calculated exactly. The temperature at the surface of the sensors corresponds exactly to the mean value of the temperature of the heated and of the unheated sensor, both of which can be precisely defined via resistance measurements. In this way, using a temperature sensor used for the measurement, a whole series of temperable surfaces can be calibrated and prepared for carrying out PCR reactions. The temperature gradient of two surfaces arranged in this way is approximately 3 ° C. between the heated and unheated surface.
Beispiel 3:Example 3:
Durchführung einer zweistufigen PCR mit einem oberflächenfixierten Primer.Carrying out a two-stage PCR with a surface-fixed primer.
Eine beispielhafte Durchführung einer Polymerasekettenreaktion verwendet einen ober¬ flächenfixierten, biotinmarkierten Primer (5 -GAAGGGAGGAAGGAGGGAGCGGAC- 3'). Dieser Primer ist über seine am 5'-Ende befindliche Biotingruppe an eine oberfläch¬ liche Streptavidin- bzw. Goldstreptavidinoberfläche gekoppelt. Die molare Menge von Streptavidin bzw. Biotin/Quadratmillimeter beträgt etwa 0.2 pmol/mm2. In Lösung be¬ finden sich Nanogramm-Mengen oder weniger des folgenden doppel- oder einzelsträngi- gen Matrizenmoleküls (nur ein Strang zitiert: 5'- GAAGGGAGGAAGGAGGGAGCGGACGTCCACCACCACCCAACCACCCCACCC -3') und ein Gegenprimer in der Konzentration von zwischen 0,5 μM bis 2 μM. Die Re¬ aktion findet in handelsüblichem PCR-Puffer (Boehringer Mannheim, Beipackzettel zum Enzym, 8. Ausgabe, Identnummer 1146165) bei 1,5 mMMg2+ statt. Als Polymerase wurde eine handelsübliche Taq-DNA-Polymerase (Boehringer Mannheim, Identnummer 1146165) in der Konzentration von 20 nM eingesetzt. Der in Lösung vorhandene Gegenprimer (5 3GGTGGGGTGGTTGGGTGGTGGTG-3') war an seinem 5'-Ende Digoxigenin-markiert (Patent EP 0324474).An exemplary implementation of a polymerase chain reaction uses a surface-fixed, biotin-labeled primer (5 -GAAGGGAGGAAGGAGGGAGCGGAC-3 '). This primer is coupled via its biotin group located at the 5 'end to a surface streptavidin or gold streptavidin surface. The molar amount of streptavidin or biotin / square millimeter is approximately 0.2 pmol / mm 2 . There are nanogram amounts or less of the following double or single-stranded template molecule in solution (only one strand cited: 5'-GAAGGGAGGAAGGAGGGAGCGGACGTCCACCACCACCCAACCACCCCACCC -3 ') and a counterprimer in the concentration of between 0.5 μM to 2 μM. The reaction takes place in commercially available PCR buffer (Boehringer Mannheim, package insert for the enzyme, 8th edition, ID number 1146165) at 1.5 mMMg 2+ . A commercially available Taq DNA polymerase (Boehringer Mannheim, ID number 1146165) was used as the polymerase in a concentration of 20 nM. The counterprimer present in solution (5 3GGTGGGGTGGTTGGGTGGTGGTG-3 ') was digoxigenin-labeled at its 5' end (patent EP 0324474).
Die PCR-Reaktion fand bei einer konstanten Lösungstemperatur von 68 ° und einer zwischen 96 und 68 ° zyklisch variierenden primerbeschichteten Oberfläche statt. Die zyklische Dauer der höheren Temperatur variierte in unserem Beispiel zwischen 0,1 Sekunden, 10 Sekunden und 1 Minute, die der niedrigeren Temperatur zwischen 0,5 Sekunden, 20 Sekunden und 1 Minute.The PCR reaction took place at a constant solution temperature of 68 ° and a primer-coated surface which varied cyclically between 96 and 68 °. The cyclical duration of the higher temperature varied in our example between 0.1 seconds, 10 seconds and 1 minute, that of the lower temperature between 0.5 seconds, 20 seconds and 1 minute.
Nach Abschluß der zyklischen Temperierung wurde die Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei ausschließlich die komplementären elongierten biotin- und elongierten digoxigenin-markierten Primer miteinander hybridisieren und doppelsträngige DNA- Fragmente bildeten. Nach Waschen mit PCR-Pufferlösung wurden die Oberflächen anti- Dig-POD umgesetzt, 30 Minuten inkubiert, erneut gewaschen und mit ABTS versetzt (Färbeprotokoll gemäß Beipackzettel Punkt 3 zum Boehringer Mannheim Reverse- Transkriptase-Assay, non-radioaktiv, Identnummer 1468120). Das entstandene farbige Produkt wurde in einem ELISA-Photometer bei einer Wellenlänge von 405/490 Nanometem quantitativ bestimmt. Die erhaltenen Extinktionswerte belegen eine Amplifikation eines Bereichs des Templates, gemessen als extendierter Gegenprimer, der an den an die Festphase gekoppelten Primer hybridisiert. In typischen Experimenten erhielten wir Extinktionswerte um 0.4 bei Messung im Elisareader und nach Korrektur um den digoxigeninfreien Leerwert. In Kontrollexperimenten ohne Template lagen nach Leerwertkorrektur die Werte bei 0.04 und in Kontrollen ohne Polymerase bzw. ohne Temperaturerhöhung jedoch im kompletten Reaktionsansatz lagen die Werte bei 0.07. Selbst mehrminütiges (5 Minuten) Erhitzen der Oberfläche erhöhte die Um¬ gebungstemperatur in der konstant temperierten Lösung nicht mehr als 7 C, selbst wenn eine wesentlich (lOOfach) größere Oberfläche (3 cm2) erhitzt wurde. Beispiel 4:After the cyclic temperature control had ended, the solution was cooled to room temperature, only the complementary elongated biotin and elongated digoxigenin-labeled primers hybridizing with one another and forming double-stranded DNA fragments. After washing with PCR buffer solution, the surfaces were reacted with anti-Dig-POD, incubated for 30 minutes, washed again and treated with ABTS (staining protocol according to package insert item 3 for the Boehringer Mannheim reverse transcriptase assay, non-radioactive, ID number 1468120). The resulting colored product was quantified in an ELISA photometer at a wavelength of 405/490 nanometers. The extinction values obtained demonstrate an amplification of a region of the template, measured as an extended counterprimer, which hybridizes to the primer coupled to the solid phase. In typical experiments, we obtained extinction values around 0.4 when measured in an elisa reader and after correction for the digoxigenin-free blank. In control experiments without a template, the values were 0.04 after correction of the blank value, and in controls without polymerase or without increasing the temperature, the values were 0.07 in the complete reaction mixture. Even heating the surface for several minutes (5 minutes) did not raise the ambient temperature in the constant-temperature solution by more than 7 C, even if a significantly larger (100-fold) surface (3 cm 2 ) was heated. Example 4:
Herstellung einer erfindungsgemäßen VorrichtungProduction of a device according to the invention
Eine beispielhafte Vorrichtung gemäß dieser Erfindung besteht aus drei Strukturunter¬ einheiten. Bei diesen drei Struktureinheiten handelt es sich umAn exemplary device according to this invention consists of three structural units. These three structural units are:
1. die in das flüssige Reaktionsmillieu eindringende heizbare und temperaturregu¬ lierbare Oberfläche,1. the heatable and temperature-regulatable surface penetrating into the liquid reaction medium,
2. um die zur Heizung und Kühlung notwendigen Bauteile, die an2. order the components necessary for heating and cooling
3. die elektronische Steuerung angeschlossen sind.3. the electronic controls are connected.
Die in diesem Beispiel beschriebene Elementoberfläche, besteht aus einer dünnen Gold¬ folie mit einer Dicke von weniger als einem halben Millimeter, die mit einer Streptavidin- schicht fest verbunden ist. Durch Affinitätskopplung läßt sich an diese Dextranschicht wiederum die für die weiteren Bearbeitungsschritte notwendigen biotinmarkierten Oligonukleotide anbringen. Diese Oligonukleotide sind dann über ihr 5'-Phosphatende kovalent an die Oberfläche gekoppelt und besitzen somit ein reaktives, fürΕnzyme zu¬ gängliches 3 '-Ende.The element surface described in this example consists of a thin gold foil with a thickness of less than half a millimeter, which is firmly connected to a streptavidin layer. The biotin-labeled oligonucleotides necessary for the further processing steps can in turn be attached to this dextran layer by affinity coupling. These oligonucleotides are then covalently coupled to the surface via their 5'-phosphate end and thus have a reactive 3 'end which is accessible to enzymes.
Diese Goldfolie, die durch ein unterstützendes Plastiknetz strukturell stabilisiert werden kann, und die eine reaktive Oberfläche von etwa 5 x 5 mm besitzt, dient auch zugleich als Heizelement, da sie an eine elektrische Stromquelle angeschlossen ist, die bei Stromfluß zu einer spontanen Erhitzung dieser Goldfolie führt. Distal zum Reaktionsansatz, hinter der Goldfolie, befindet sich das Kühlelement. In diesem Fall besteht das Kühlelement aus einem in Plastik ausgesparten Kanal mit einer an die Goldfolie grenzenden 7 mm breiten Fläche. Der Kanal ist 2 mm tief und erstreckt sich über die ganze Länge des hier als Meßfühler bezeichneten Teil des Gerätes, der in diesem Fall die Heiz- und Kühlelemente sowie die reaktive Oberfläche umfaßt. Dieser Kanal erstreckt sich von einem Ende des Meßfühlers bis zum anderen Ende des Meßfühlers, an dem die reaktive Oberfläche angebracht ist, und zurück indem er einen die beiden Kanäle trennenden Steg umfaßt. In diesem, als Kühlschleife zu bezeichnendem Bauteil, wird eine geeignete Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, umgewälzt. Die gesamte Einheit ist in Hartplastik eingegossen und recyclebar, d. h. sowohl die Goldfolie als auch das Plastik sind wiederverwertbar.This gold foil, which can be structurally stabilized by a supporting plastic net, and which has a reactive surface of about 5 x 5 mm, also serves as a heating element, since it is connected to an electrical power source which, when current flows, spontaneously heats this gold foil leads. The cooling element is located distal to the reaction batch, behind the gold foil. In this case, the cooling element consists of a plastic channel with a 7 mm wide surface bordering the gold foil. The channel is 2 mm deep and extends over the entire length of the part of the device referred to here as the sensor, which in this case comprises the heating and cooling elements and the reactive surface. This channel extends from one end of the sensor to the other end of the sensor to which the reactive surface is attached and back by enclosing a web separating the two channels. In this, to be referred to as a cooling loop component, a suitable cooling liquid, for. B. water circulated. The entire unit is cast in hard plastic and recyclable, i. H. both the gold foil and the plastic are recyclable.
Die Steuerung sowohl der Erhitzung der reaktiven Oberfläche, als auch der Umwälzge¬ schwindigkeit und Vorkühltemperatur der Kühlflüssigkeit wird über einen elektronischen dritten Bauteil, der außerhalb des Meßfühlers angebracht ist, vorgenommen. Diese dritte Einheit umfaßt auch das Vorratsbehältnis sowie die Verbindungsanschlüsse für die Kühl¬ flüssigkeit. In dieser dritten Einheit befindet sich weiterhin eine Mikropumpe, die für die Umwälzung der Kühlflüssigkeit zuständig ist. Durch Anflanschen der Kühlflüssigkeits- schläuche an die Meßeinheit sowie durch das Anschließen der Stromzufuhr an die reak¬ tive Oberfläche wird der Meßfühler einsatzbereit. Über eine Eingabeeinheit, die an der Oberfläche der Steuereinheit angebracht ist, die über einen digitalen Display verfügt, sind sowohl die einzelnen Temperaturbereiche, als auch die Dauer ihrer Einwirkung auf diese Oberfläche vorwählbar.The control of both the heating of the reactive surface, as well as the circulation speed and pre-cooling temperature of the cooling liquid is carried out via an electronic third component, which is attached outside the sensor, made. This third unit also includes the storage container and the connection connections for the cooling liquid. In this third unit there is also a micropump, which is responsible for circulating the coolant. By flanging the coolant hoses onto the measuring unit and by connecting the power supply to the reactive surface, the sensor is ready for use. Both the individual temperature ranges and the duration of their action on this surface can be preselected via an input unit which is attached to the surface of the control unit and has a digital display.
Beispiel 5:Example 5:
Durchführung einer Vermehrungsreaktion mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Carrying out a propagation reaction using the device according to the invention.
Bei dem hier als Beispiel einer erfindungsgemäßen Anwendung der Vorrichtung handelt es sich um eine als Polymerasekettenreaktion bezeichnete Amplifikationsreaktion von einer vorgegebenen Nukleinsäuresequenz. Für diese Nukleinsäuresequenz sind zwei Primer mit einer Länge von jeweils 16 Basen, die im Abstand von 4 Nukleotiden zuein¬ ander codieren, ausgewählt worden. Der eine Primer ist in seiner Sequenz identisch, der andere komplementär zur analysierenden Sequenz. Der hier als identisch bezeichnete Primer ist dabei über seine am 5' -Ende vorliegenden Biotinmarlάerung an die reaktive Oberfläche gekoppelt. Der andere, komplementäre Primer sowie alle weiteren Rea¬ genzien, die üblicherweise in einer sogenannten PCR-Reaktion zum Einsatz kommen, sind dem Reaktionsansatz zugegeben. Durch Eingabe der entsprechenden Reaktions¬ temperaturen die in unmittelbarer Nähe der reaktiven Oberfläche herrschen sollen, und durch Eintauchen der reaktiven Oberfläche bzw. des Meßfühlers (siehe Beispiel 4) in den Reaktionsansatz, wird die Reaktion gestartet. Die Temperaturänderungen in der reaktiven Oberfläche sind so programmiert, daß die Durchführung von 50 Erwärmungs¬ und Abkühlungszyklen in ca. 1 Min. durchgeführt werden kann. Durch anschließendes Eintauchen des Meßfühlers in eine Lösung mit destilliertem Wasser und kurzfristiges Er¬ hitzen, wird die Oberfläche von allen nicht kovalent gebundenen Reaktionspartner ge¬ reinigt. Die so gereinigte Oberfläche, die nun nur noch Primermoleküle und extendierte Primermoleküle enthält, wird zur Analyse, zusammen mit dem Meßfühler, in ein Gerät eingeführt, das nach dem Prinzip der Plasmonenresonanz, eine direkte Bestimmung der Menge des extendierten Produkts zuläßt. BezugszeichenlisteThe example of an application of the device according to the invention here is an amplification reaction, referred to as a polymerase chain reaction, from a predetermined nucleic acid sequence. For this nucleic acid sequence, two primers with a length of 16 bases each, which code at a distance of 4 nucleotides to one another, have been selected. One primer is identical in its sequence, the other complementary to the analyzing sequence. The primer referred to here as identical is coupled to the reactive surface via its biotin residue present at the 5 'end. The other, complementary primer and all other reagents that are usually used in a so-called PCR reaction are added to the reaction mixture. The reaction is started by entering the corresponding reaction temperatures which should prevail in the immediate vicinity of the reactive surface and by immersing the reactive surface or the sensor (see Example 4) in the reaction mixture. The temperature changes in the reactive surface are programmed so that 50 heating and cooling cycles can be carried out in about 1 minute. By subsequently immersing the sensor in a solution with distilled water and briefly heating, the surface is cleaned of all non-covalently bound reaction partners. The surface cleaned in this way, which now only contains primer molecules and extended primer molecules, is introduced for analysis, together with the sensor, into a device which, according to the principle of plasmon resonance, allows a direct determination of the amount of the extended product. Reference list
1. erfindungsgemäße Vorrichtung, Meßeinheit1. Device according to the invention, measuring unit
2. Reaktionsgemisch2. Reaction mixture
3. Reaktionsgefaß3. Reaction vessel
4. Kühlelement4. Cooling element
5. Heizelement/Oberfläche5. Heating element / surface
6. Oligonukleotide6. Oligonucleotides
7. Anschlüsse für Kühlelement7. Connections for cooling element
8. Anschlüsse für Heizelement8. Connections for heating element
9. auswechselbarer Meßfühler9. interchangeable sensor
10. Elektronikanschluß und Kühlaggregat10. Electronics connection and cooling unit
11. Halterung für Reaktionsgefaß11. Bracket for reaction vessel
12. Rührer12. Stirrer
13. Kühlflüssigkeit13. Coolant
14. Unterstützungs- und Trennfilter (Abtrennung des Kühlmittels) 14. Support and separation filters (separation of the coolant)

Claims

Patentansprfiche Claims
1. Verfahren zur Bearbeitung von Nukleinsäuren in einer Reaktionsmischung, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Temperatur der an die Reaktionsmischung an¬ grenzenden Oberfläche und deren unmittelbare Umgebung reguliert wird, jedoch der Hauptraum der Reaktionsmischung im wesentlichen isotherm verbleibt.1. A method for processing nucleic acids in a reaction mixture, characterized in that the temperature of the surface adjacent to the reaction mixture and its immediate surroundings is regulated, but the main space of the reaction mixture remains essentially isothermal.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem mindestens ein Arbeitsschritt eine Tempera¬ tur, die von dem Reaktionsansatz abweicht, aufweist.2. The method according to claim 1, wherein at least one working step has a temperature that differs from the reaction mixture.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturver¬ ändernder Arbeitsschritt der thermischen Denaturierung dient.3. The method according to claim 2, characterized in that a temperature-changing work step is used for thermal denaturation.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturver¬ ändernder Schritt der Hybridisation von Nukleinsäuren dient.4. The method according to claim 2, characterized in that a temperature-changing step serves to hybridize nucleic acids.
5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturver¬ ändernder Schritt der Extension des Matrizenmoleküls dient.5. The method according to claim 2, characterized in that a temperature changing step serves to extend the template molecule.
6. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Arbeits¬ schritte der zielsequenz-abhängigen Amplifikation eines Matrizenmoleküls dienen.6. The method according to claim 2, characterized in that different steps serve the target sequence-dependent amplification of a template molecule.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Reaktanden an eine Oberfläche gebunden vorliegen und so für eine Detektion der Bearbeitungs- und Vermehrungsergebnisse geeignet sind.7. The method according to claim 1, characterized in that reactants are present bound to a surface and are thus suitable for detection of the processing and propagation results.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bearbeitung von Nukleinsäuren an eine Oberfläche gebunden sein können.8. The method according to claim 1, characterized in that means for processing nucleic acids can be bound to a surface.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel Oligonukleotide sind.9. The method according to any one of claims 1 and / or 8, characterized in that these agents are oligonucleotides.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 und/oder 7 und/oder 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß sich weitere Mittel zur Bearbeitung von Nukleinsäuren in einer Reaktionsmischung befinden.10. The method according to any one of claims 1 and / or 7 and / or 8, characterized gekenn¬ characterized in that there are further means for processing nucleic acids in a reaction mixture.
11. Verfahren gemäß Anspruch 1 und oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine De¬ tektion spezifischer Sequenzen nach Hybridisierung mit markierten Nukleinsäuren oder markierbaren Nukleinsäuren möglich ist. 11. The method according to claim 1 and or 6, characterized in that a detection of specific sequences after hybridization with labeled nucleic acids or labelable nucleic acids is possible.
12. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermehrung (Amplifikation) nicht temperatur resistente DNA-Polymerasen einsetzbar sind.12. The method according to claim 6, characterized in that non-temperature-resistant DNA polymerases can be used for the multiplication (amplification).
13. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermehrung (Amplifikation) temperatur resistente DNA-Polymerasen eingesetzt werden können.13. The method according to claim 6, characterized in that temperature-resistant DNA polymerases can be used for the amplification (amplification).
14. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermehrung (Amplifikation) RNA-abhängige RNA-Polymerase verwendet werden kann.14. The method according to claim 6, characterized in that RNA-dependent RNA polymerase can be used for the amplification (amplification).
15. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermehrung (Amplifikation) RNA-abhängige DNA-Polymerase verwendet werden kann.15. The method according to claim 6, characterized in that for the amplification (amplification) RNA-dependent DNA polymerase can be used.
16. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermehrung (Bearbeitung) DNA-Ligase verwendet werden kann.16. The method according to claim 6, characterized in that for the multiplication (processing) DNA ligase can be used.
17. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1, 6, 8, 9, 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß Mittel zur Bearbeitung von Nukleinsäuren an eine Oberfläche gebracht werden.17. The method according to one or more of claims 1, 6, 8, 9, 10, characterized ge indicates that means for processing nucleic acids are brought to a surface.
18. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1, 8, 9, 10, 16, 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der bei der Bearbeitung beteiligten, bei er¬ höhter Temperatur ablaufenden Reaktionen an einer Oberfläche abläuft.18. The method according to one or more of claims 1, 8, 9, 10, 16, 17, characterized in that at least one of the reactions involved in the processing, which takes place at elevated temperature, takes place on a surface.
19. Verfahren gemäß Anspruch 1 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Meßlösung eine weitestgehende Volumenunabhängigkeit besteht, d. h. sowohl in sehr kleinen als auch sehr großen Volumina dieses Verfahren zur Bearbeitung und Vermehrung von Nukleinsäuren durchgeführt werden kann.19. The method according to claim 1 and / or 6, characterized in that the measurement solution is largely independent of volume, d. H. This method for processing and multiplying nucleic acids can be carried out in both very small and very large volumes.
20. Verfahren gemäß Anspruch 1 durch Konvektion oder Bewegung gesteigert wird.20. The method according to claim 1 is increased by convection or movement.
21. Vorrichtung zur Bearbeitung von Nukleinsäuren mit Hilfe eines Temperaturregu¬ lationselements, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Regulation der Temperatur der Oberfläche und der unmittelbar angrenzenden Umgebung geeignet ist und daß daran Mittel zur Bearbeitung der Nukleinsäuren gebunden werden können.21. Device for processing nucleic acids with the aid of a temperature regulation element, characterized in that the device is suitable for regulating the temperature of the surface and the immediately adjacent environment and that means for processing the nucleic acids can be bound to it.
22. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eignung zur Verwendung für Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 20 verwendbar ist. 22. The apparatus according to claim 21, characterized in that a suitability for use for methods according to claims 1 to 20 can be used.
23. Vorrichtung zur Bearbeitung von Nukleinsäuren gemäß Anspruch 21 und/oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Reaktionsmilieu ragende Oberfläche ge¬ kühlt und/oder geheizt werden kann.23. A device for processing nucleic acids according to claim 21 and / or 22, characterized in that the surface projecting into the reaction medium can be cooled and / or heated.
24. Vorrichtung gemäß Anspruch 21 und/oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturregulierende Oberfläche durch chemische oder physikalische Behand¬ lung zur Aufnahme von Reaktanden entsprechend dem Anspruch 1 vorbereitet wurde.24. The device according to claim 21 and / or 22, characterized in that the temperature-regulating surface has been prepared by chemical or physical treatment for receiving reactants in accordance with claim 1.
25. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Oberfläche durch eine Steuereinheit reguliert wird.25. The device according to claim 21, characterized in that the temperature of the surface is regulated by a control unit.
26. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 21, 22 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitlich koordinierte Regulation der Temperaturänderungen vorgenommen werden kann.26. The device according to claims 21, 22 or 24, characterized in that a time-coordinated regulation of the temperature changes can be carried out.
27. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 21, 22 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizelement eine geringe und ein Kühlelement eine hohe Wärmekapazität auf¬ weisen.27. The device according to claims 21, 22 or 24, characterized in that a heating element has a low and a cooling element have a high heat capacity.
28. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ober¬ fläche zu einer direkten Ausweitung der Bearbeitungs- und Vermehrungsergebnisse geeignet ist.28. The apparatus according to claim 21, 22, characterized in that a surface is suitable for a direct expansion of the processing and propagation results.
29. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die temperatur¬ regulierte Oberfläche aus einer Folie aus wärmeleitfahigem Material besteht, bevor¬ zugterweise Metall, bevorzugterweise Gold.29. The device according to claim 24, characterized in that the temperature-regulated surface consists of a film made of thermally conductive material, preferably metal, preferably gold.
30. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, 22 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der temperaturregulierten Oberfläche auf der dem Reaktionsansatz distalen Seite vorgenommen wird.30. The device according to claim 21, 22 or 24, characterized in that the cooling of the temperature-regulated surface is carried out on the distal side of the reaction mixture.
31. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, 22 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement identisch ist mit der reaktiven Oberfläche, wobei diese Oberfläche speziell behandelt sein kann.31. The device according to claim 21, 22 or 24, characterized in that the heating element is identical to the reactive surface, which surface can be specially treated.
32. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, 22 oder 24 sowie 30 und 31, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß Nukleinsäuren an der Oberfläche des Heizelements fixiert sein können. 32. Apparatus according to claim 21, 22 or 24 and 30 and 31, characterized gekenn¬ characterized in that nucleic acids can be fixed on the surface of the heating element.
33. Vorrichtung gemäß Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung über Mittlungsstrukturen zum Heizelement erfolgt.33. Apparatus according to claim 32, characterized in that the fixing takes place via averaging structures to the heating element.
34. Vorrichtung gemäß Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fixierung über Mittlungsstrukturen sowohl über chemische als auch biospezifische Bindung erfolgen kann.34. Device according to claim 33, characterized in that this fixation can take place via averaging structures both via chemical and biospecific binding.
35. Vorrichtung gemäß Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß Nuklein¬ säuren nur vorübergehend in unmittelbarer Nähe der Oberfläche assoziieren bzw. dort verweilen.35. Apparatus according to claim 21 or 22, characterized in that nucleic acids only temporarily associate in the immediate vicinity of the surface or dwell there.
36. Vorrichtung gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß diese Assoziation von Nukleinsäuren an die reaktive Oberfläche durch die Bindung dieser Nuklein¬ säuren an Magnetobeads bzw. die Adsorption dieser Nukleinsäuren an Magneto- beads gewährleistet wird.36. Device according to claim 35, characterized in that this association of nucleic acids on the reactive surface is ensured by the binding of these nucleic acids to magnetobeads or the adsorption of these nucleic acids on magneto beads.
37. Vorrichtung gemäß Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß ein indu¬ zierbares Magnetfeld zur Attrahierung besagter Magnetobeads dient.37. Apparatus according to claim 35 or 36, characterized in that an inducible magnetic field is used to attract said magnetobeads.
38. Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrich¬ tung, die Heiz- und Kühlelemente enthält, nur einmal verwendbar ist, um Kontami¬ nationen vorzubeugen.38. The method according to claim 21 or 22, characterized in that the device, which contains heating and cooling elements, can only be used once in order to prevent contamination.
39. Vorrichtung gemäß Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die ge¬ samte Vorrichtung mehrfach verwendbar ist, und nur die Oberfläche bzw. deren Halterung für einzelne Arbeitsgänge ausgetauscht werden muß.39. Apparatus according to claim 21 or 22, characterized in that the entire device is reusable, and only the surface or its holder has to be replaced for individual operations.
40. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die temperatur- regullierte Oberfläche ohmisch beheizt wird.40. Apparatus according to claim 24, characterized in that the temperature-controlled surface is ohmic heated.
41. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die temperatur¬ regulierte Oberfläche durch Strahlen, bevorzugterweise Infrarotstrahlen und wiederum bevorzugterweise lasererzeugte Inf arotstrahlen, erwärmt wird. 41. Apparatus according to claim 24, characterized in that the temperature-regulated surface is heated by rays, preferably infrared rays and again preferably laser-generated infrared rays.
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