EP1141400A1

EP1141400A1 - Verfahren zur identifikation der herkunft von organischen flüssigkeiten

Info

Publication number: EP1141400A1
Application number: EP99963342A
Authority: EP
Inventors: Hans Peter Saluz; Andreas BRÄUER
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2001-10-10
Also published as: WO2000039330A1; AU1968300A; DE19860546A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein neues, ökonomisches und hochempfindliches Verfahren, wie man die Verursacher von Umweltverschmutzungen durch wasserunlösliche organische Flüssigkeiten und/oder die Herkunft bzw. den Produzenten der verschmutzenden organischen Flüssigkeiten eindeutig identifizieren kann. Danach wird ein Verfahren zur Markierung von wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten natürlichen und synthetischen Ursprungs, wie zum Beispiel Erdöl, dessen Fraktionen und Steinkohleteerfraktionen, vorgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die genannten Produkte mit einem lipophilisierten, Eigner- und/oder Herkunfts-spezifischen, mittels bekannter, z.B. optischer, Methoden nachweisbaren Oligonukleotid versetzt. Die Identifizierung der genannten wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten, enthaltend das lipophilisierte Oligonukleotid, erfolgt durch Isolierung des Oligonukleotids und anschliessender Sequenzanalyse.

Description

Verfahren zur Identifikation der Herkunft von organischen Flüssigkeiten

Umweltverschmutzungen durch wasserunlösliche organische Flüssigkeiten, wie z.B. Erdöl, dessen Fraktionen und Steinkohlenteerfraktionen, sind ein alltägliches Problem. So werden zum Beispiel häufig unerlaubterweise die Tanks von Öltankern auf offener See gewaschen, was zu einer drastischen Verschmutzung von Wasser und Küstengebieten fuhrt. Es ist mit den derzeit zur Verfugung stehenden Mitteln meist unmöglich, die Eigner der Schiffe und/oder die Produzenten zu identifizieren. Das gleiche gilt für Verursacher von Boden- und Wasserverschmutzungen durch andere wasserunlösliche organische Flüssigkeiten. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein neues, ökonomisches (d.h. billiges und leicht durchfuhrbares) sowie hochempfindliches Verfahren, mit dessen Hilfe man die Verursacher solcher Umweltverschmutzungen und/oder die Herkunft bzw. den Produzenten der verschmutzenden organischen Flüssigkeit eindeutig identifizieren kann. Die Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zur Markierung von wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten natürlichen und synthetischen Ursprungs, wie zum Beispiel Erdöl, dessen Fraktionen und Steinkohleteerfraktionen, dadurch gekennzeichnet, daß man die genannten Produkte mit einem lipophilisierten, Eigner- und/oder Herkunfts-spezifischen, mittels bekannter, z. B. optischer, Methoden nachweisbaren Oligonukleotid versetzt. Die Erfindung betrifft gleichfalls ein Verfahren zur Identifizierung von wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten natürlichen und synthetischen Ursprungs, wie z.B Erdöl, dessen Fraktionen und Steinkohlenteerfraktionen, enthaltend ein lipophilisiertes, Eigner- und/oderHerkunfts-spezifisches Oligonukleotid, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man das genannte Oligonukleotid isoliert und mittels bekannter, z.B. optischer, Methoden identifiziert.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff „wasserunlösliche organische Flüssigkeiten natürlichen und synthetischen Ursprungs" z.B. Erdöl, dessen Fraktionen und Veredelungsprodukte, Steinkohlenteerfraktionen und deren Veredelungsprodukte, ferner entsprechende flüssige Chemieabfälle, insbesondere Lösungsmittel, verstanden. Im Prinzip sind alle entsprechenden Flüssigkeiten umfaßt, die illegal in Boden und Wasser gelangen. Unter Steinkohlenteer ist ein bei der Verkokung von Steinkohle entstehendes Produkt zu verstehen; gemäß Literaturangaben besteht Steinkohlenteer aus über 500 verschiedenen Verbindungen. Aus Steinkohlenteer mittels bekannter Methoden gewonnene Destillatfraktionen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Steinkohlenteerfraktionen bezeichnet. Erdöl (Rohöl) wird über aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, wie Fraktionierung, Crackverfahren, Platformingverfahren etc., für die Herstellung von Heizöl, Treibstoffen, Schmiermitteln, Paraffinen und petrochemischem Rohstoffmaterialien (zusammengefaßt Erdölfraktionen und -Veredelungsprodukte genannt) genutzt. Das Prinzip kann auch auf andere wasserunlösliche organische Flüssigkeiten übertragen werden (organische Chemieabfälle, Lösungsmittel, etc.), die illegal in Boden oder Wasser gelangen.

Das Prinzip der Markierung gemäß vorliegender Erfindung besteht darin, daß beim Abfüllen von wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten in Behälter, inkl. Schifftanks, durch autorisierte Personen oder automatisiert Eigner- und/oder Herkunfts-spezifische lipophilisierte

Oligonukleotide, insbesondere DNA-Oligonukleotide, mittels einer Injektionsapparatur in die

Behälter zugegeben werden. Die Oligonukleotide können aber auch in das Restflüssigkeiten gelöschter Schiffe zugegeben werden.

Im folgenden wird das Verfahren beispielhaft für Erdöl und Erdöltanker beschrieben. Der Fachmann ist sich der Tatsache bewußt, daß das exemplarisch an Erdöl beschriebene Verfahren auf andere wasserunlösliche organische Flüssigkeiten, wie die oben genannten, übertragbar ist.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bereitstellung (bzw. Synthese) lipophilisierter Oligonukleotide (siehe Abbildung) mit einzigartiger interner Sequenz für jeden Erdöltanker und/oder jede Erdölkompanie erforderlich. Die Identifikation dieser

Oligonukleotide erfolgt mittels bekannter Methoden, insbesondere auf miniaturisierten Festkörperoberflächen oder durch klassische Amplifikations- und Sequenzierverfahren. Bei Erdölkontaminationen genügen 100-1000 Mikroliter des mit Erdöl verseuchten Wassers, um die jeweiligen Erdölproduzenten und/oder -transporteure eindeutig zu identifizieren. Eine Oligonukleotid mit einer Sequenzlänge von nur 40 Nukleotiden erlaubt mehr als l²⁴ einzigartige Codes.

Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens liegen einerseits in der großen Variabilität der synthetisierbaren einzigartigen Oligonukleotidsequenzen, so daß beispielsweise problemlos für jeden Tanker der Welt ein spezifisches Oligo herstellbar ist. Andererseits sind nur geringe Oligomermengen zur eindeutigen Markierung nötig (Konzentration in der Größenordnung 10^" ¹³). Das später zu identifizierende Erdöl muß vor oder beim Beladen oder nach dem Entladen der Schiffe per Injektion mit einer Lösung des Oligonukleotids in einem unpolaren Lösungsmittel, wie einer Kohlenwasserstoff-Fraktion aus Erdöl (z.B. Ligroin, Skellysolve), markiert werden. Zur Markierung mit dem Oligonukleotid sind herkömmliche Dosierungstechniken anwendbar. Die Homogeneität der bei der Dosierung erreichten Konzentrationsverteilung ist unkritisch, da die Oligonukleotide zuvor hoch lipophil gemacht worden sind und sich von selbst sehr gut verteilen. Zudem kann die Injektion der Oligonukleotide beim Beladen gepulst werden. Anstelle der manuellen Zugabe durch autorisierte Personen kann die Injektion auch automatisiert werden: die Freigabe des Öls wird über die Eingabe eines Codes bei der Beladungsanlage ausgelöst.

Reine DNA-Oligonukleotide sind nur in wässrigen Medien löslich. Zur Markierung von Erdöl (und anderen wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten) müssen sie deshalb vor der Injektion in die entsprechenden Erdölbehälter lipophil gemacht („lipophilisiert") werden. Dazu werden Fettsäuren (Kettenlänge vorzugsweise Cio bis C₃o) direkt oder über Polyalkohole (vorzugsweise C₃ bis C_Ö), gegebenenfalls über einen Linker, z.B. einer Bernsteinsäureeinheit, an eines oder beide Enden der DNA-Oligomere kovalent gekoppelt (aus dem Stand der Technik bekannte Kondensationsreaktionen, über -O-, -S-, -N-Bindungen; siehe z.B. Abbildung). Die gewählte DNA-Oligonukleotidsequenz setzt sich aus einem variablen Teil und zwei flankierenden konstanten Teilen zusammen. Wenn der variable Teil (Y) Nukleotide lang ist (Y ist insbesondere 10-40 Nukleotide), ergeben sich (4)^γ Variationsmöglicheiten. Die Zahl Y entspricht der Anzahl Produzenten/Eigner/Verteiler, die potentiell identifiziert werden müssen. Die flankierenden konstanten Sequenzteile haben eine Länge von je 10-15 Basen und werden für eine eventuell später zu erfolgende Amplifikation benötigt (hängt von der Konzentration der Moleküle im Erdöl ab; siehe auch infra und Abbildung). Wenn Erdöl in das Wasser austritt, wird ein kleines Aliquot (bis ein Milliliter) des Gemisches entnommen. Im Analyselabor wird das Gemisch gepuffert und mit einer Lipase versetzt, die in einer Emulsion aus Erdöl-Wasser (durch Schütteln) die Fettsäuren vom Oligonukleotid abtrennt. Im Fall von verschmutztem Sand wird Erdöl (besser eine Erdölfraktion)/Wasser dazugegeben. Die Abspaltung der Fettsäuren kann auch chemisch (Verseifung, insbesondere unter Phasentransfer-Bedingungen) erfolgen. Dadurch gelangen die freigesetzten DNA-Moleküle in die wässrige Lösung und können aus dieser direkt oder nach Amplifizierung und/oder Konzentrierung auf miniaturisierten Oligonukleotidarrays analysiert werden Zur Analyse können auch klassische Sequenzierverfahren angewendet werden. Der Array besteht aus allen komplementären DNA- Molekülen mit bekannten Positionen, die den verschiedenen Produzenten/Eignern/Verteilern zugeteilt wurden Durch geeignete Markierung der aus dem Erdöl isolierten DNA- Oligonukleotide und einer ansch essenden Hybridisierung mit den komplementären Arraymolekulen können die Verursacher der Verschmutzung so direkt identifiziert werden Daruberhinaus kann man durch ein Ausschlussverfahren feststellen, welche Produzenten/Eigner/ Verteiler die Umweltverschmutzung nicht verursacht haben

Die Synthese der Oligonukleotidarrays erfolgt z B mit Hilfe eines speziellen Stempelverfahrens (Deutsche Offenlegungsschrift 195 43 232) Auf der Festkorperoberflache sind in Form kleiner Inseln (Anzahl in der Größenordnung 10⁶, Großen > 4 μm) synthetisierte Oligonukleotide („Oligomere") in systematischer Anordnung aufgebracht

Der eigentliche Nachweis, in welcher der verschiedenen Oligomeπnseln eine Hybridisierung stattgefunden hat, erfolgt auf an sich bekannte Weise, z B auf optischem Weg durch Fluoreszenzanregung und Detektion Zu diesem Zweck sind die zur Markierung des Erdöls verwendeten Oligonukleotide mit Fluoreszenzmarkern versehen bzw können auch die Proben, an denen eine Hybridisierung stattgefunden hat, fluoreszenzmarkiert werden Der Nachweischip enthält optische Wellenleiter und/oder Mikrolinsenarrays, über die das Anregungslicht aus einem Laser zu den Oligomerinseln geleitet wird Über weitere Mikrolinsenarrays wird das Fluoreszenzlicht aus den Oligomerinseln, bei denen eine Hybridisierung stattgefunden hat, auf einen Arrayempfanger abgebildet Es wird dabei technisch Vorsorge getroffen (z B durch

Verwendung von Si-Chips), daß die Signalkanale voneinander entkoppelt sind Die Auswertung erfolgt per Computer Aus der Kenntnis der Anordnung der verschiedenen synthetischen Oligomeren auf dem Nachweischip ist die unmittelbare Aussage möglich, von welchem markierten Erdöl (d h. von welchem Tanker/Produzenten/Eigner) die Verunreinigung herrührt

In der beiliegenden Abbildung wird anhand eines Beispiels die Herstellung eines hpophilisierten Oligonucleotids gezeigt

Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung, sollen diese aber auf keine Weise einschranken Beispiel 1 : Applikation

Ein mittelgrosser Tanker transportiert 100.000 Tonnen Erdöl. Dies entspricht einem Volumen von ungefähr 120.000.000 Liter Erdöl. Um eine fehlerfreie Identifikation eines Schiffsbesitzers zu garantieren, werden rund 1.000 Moleküle des lipophilisierten Sequenz- spezifischen Oligonukleotids (siehe Abbildung) benötigt oder ein Mindestvolumen von 100 Mikroliter markiertem Erdöl. Bei einer Länge von 50 Nukleotiden pro Molekül werden deshalb 3.3 Milligram des reinen Oligonukleotids für einen 100.000-Tonnen Tanker benötigt. Die Markierung erfolgt über eine gepulste Injektion des liphophilisierten Oligonukleotides während des Einfüllens des Erdöls in die Tanks. Das lipophilisierte Oligonukleotid wird dazu vorher in Ligroin gelöst.

Beispiel 2: Identifikation

Ein Aliquot (ca. 100 μl) des mit Öl kontaminierten Wassers wird nach Filtration durch einen Mikroporenfilter (Millipore) und Verdünnung mit Wasser (2 Volumen des Öls) auf pH 7 gepuffert und mit Lipase Typ XIII von Pseitdomonas (L 9518, Sigma; 10-20 Einheiten) versetzt. Öl und wässriger Puffer werden durch Schütteln emulgiert und bei 37° C inkubiert (3 Stunden). Die Lipase setzt die hydrophilen Oligonukleotide frei. Diese wandern automatisch in die wässrige Phase und werden dort mit Taq-Polymerase (Cetus/Perkin Elmer) amplifiziert und hernach identifiziert (T. Maniatis et al, Molecular Cloning, 1982, CSH-Press). Die eigentliche Identifikation erfolgt durch Sequenzanalyse entweder nach klassischen Sequenztechnologien (T. Maniatis et al., Molecular Cloning, 1982, CSH-Press) oder über Hybridisierung mit einem Oligonukleotidarray (Affymetrix, California, USA).

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Markierung von wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten natürlichen und synthetischen Ursprungs, dadurch gekennzeichnet, daß man die genannten Produkte mit einem lipophilisierten, Eigner- und/oder Herkunfts-spezifischen, mittels bekannter Methoden nachweisbaren Oligonukleotid versetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als wasserunlösliche organische Flüssigkeiten natürlichen und synthetischen Ursprungs Erdöl, dessen Fraktionen und Veredelungsprodukte, Steinkohlenteerfraktionen und deren Veredelungsprodukte, oder flüssige Chemieabfälle, insbesondere Lösungsmittel, markiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem lipophilisierten Oligonukleotid um ein Oligonukleotid handelt, an dessen 3'- und/oder 5 '-Ende eine Fettsäure, gegebenenfalls über ein Polyalkohol und gegebenenfalls zusätzlich über einen Linker, gekoppelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sequenz des lipophilisierten Oligonukleotids aus einem variablen, Eigner- und/oder Herkunfts-spezifischen Teil und zwei flankierenden konstanten Teilen zusammensetzt, wobei der variable Teil eine Länge von 10-40 Nukleotide aufweist und die flankierenden konstanten Sequenzteile jeweils aus 10-15 Nukleotide bestehen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lipophilisierte Oligonukleotid auf optischem Weg durch Fluoreszenzanregung und Detektion identifizierbar ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserunlösliche organische Flüssigkeit natürlichen und synthetischen Ursprungs mittels gepulster Injektion mit dem lipophilisierten Oligonukleotid versetzt wird.